基于EMD的機(jī)械振動(dòng)分析與診斷方法研究

閆鍇

摘 要：在現(xiàn)階段的工作當(dāng)中，純?nèi)斯すぷ饕呀?jīng)一去不復(fù)返了，機(jī)械設(shè)備的盛行，以及科學(xué)技術(shù)的不斷更新，使得人們可以利用大型設(shè)備來(lái)完成工作，同時(shí)在一些細(xì)節(jié)工作方面，也可以利用較為精密的儀器來(lái)完成。可以說(shuō)，機(jī)械設(shè)備的發(fā)展，推動(dòng)了人類(lèi)的整體進(jìn)步，無(wú)論生活還是工作?，F(xiàn)今的問(wèn)題在于機(jī)械振動(dòng)分析，從客觀的角度來(lái)說(shuō)，機(jī)械振動(dòng)分析需要采取一套行之有效的方法來(lái)進(jìn)行。但是，以目前的科學(xué)技術(shù)來(lái)說(shuō)還是有所不足，因此科研人員開(kāi)始考慮基于EMD的機(jī)械振動(dòng)分析與診斷方法。

關(guān)鍵詞：EMD 機(jī)械 診斷

中圖分類(lèi)號(hào)：TH12 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）01（a）-0047-01

很多人對(duì)EMD并不是很了解，用通俗的話來(lái)說(shuō)，EMD就是經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解，它是由美國(guó)的黃鱷博士所提出的一種信號(hào)分析方法，由于EMD方法在理論上能夠應(yīng)用于任何類(lèi)型的信號(hào)分解，因此在處理非平穩(wěn)以及非線性數(shù)據(jù)方面，具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)。正因?yàn)镋MD具有如此明顯的優(yōu)勢(shì)，以它作為基礎(chǔ)，來(lái)研究機(jī)械振動(dòng)分析與診斷方法，相信能夠獲得一定的積極成果。本文就基于EMD的機(jī)械振動(dòng)分析與診斷方法進(jìn)行一定的研究。

1 機(jī)械系統(tǒng)振動(dòng)模式的EMD分析方法研究

1.1 瞬時(shí)頻率和固有模式函數(shù)

構(gòu)成EMD基本原理以及算法核心的兩個(gè)基本概念有兩個(gè)，一個(gè)是瞬時(shí)頻率概念，另一個(gè)是固有模式函數(shù)概念。對(duì)于瞬時(shí)頻率來(lái)說(shuō)，力學(xué)上振動(dòng)頻率的概念是單位時(shí)間內(nèi)震蕩波的個(gè)數(shù)，其實(shí)質(zhì)就是表征信號(hào)在一定時(shí)間內(nèi)的總體特征，由此可見(jiàn)，對(duì)于瞬時(shí)頻率來(lái)說(shuō)，其定義可以與正弦、余弦函數(shù)聯(lián)系在一起，這樣一來(lái)就能夠很好的解決問(wèn)題，并且將理論應(yīng)用到實(shí)際的工作當(dāng)中。其次，在固有模式函數(shù)方面，黃鱷博士等一些研究人員在總結(jié)瞬時(shí)頻率有意義的單分量信號(hào)的時(shí)候，認(rèn)為應(yīng)該在滿足條件的基礎(chǔ)之上，提出了固有模式函數(shù)的概念。經(jīng)過(guò)一定的討論和研究，眾多的科研人員認(rèn)為，固有模式函數(shù)必須滿足以下兩個(gè)條件：第一，整個(gè)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度中極值點(diǎn)和過(guò)零點(diǎn)的樹(shù)木必須相等或者最多相差一個(gè)。第二，在任意的數(shù)據(jù)點(diǎn)，局部極大值的包絡(luò)以及局部極小值的包絡(luò)均值必須等于零，換言之，信號(hào)需要關(guān)于時(shí)間軸局部對(duì)稱。從以上的表述來(lái)看，瞬時(shí)頻率以及固有模式函數(shù)對(duì)整體的研究工作而言，是一個(gè)明確的理論基礎(chǔ)，所有的工作都需要在這個(gè)理論基礎(chǔ)上進(jìn)行，否則很難達(dá)到一個(gè)理想的效果。

1.2 EMD的基本原理

EMD方法主要建立在以下假設(shè)的基礎(chǔ)之上：首先，信號(hào)最少要有兩個(gè)極值點(diǎn)，一個(gè)最大值和一個(gè)最小值。極值點(diǎn)能夠?yàn)镋MD方法提供一個(gè)最合理的范圍，當(dāng)工作人員利用機(jī)械振動(dòng)分析與診斷方法的時(shí)候，必須在某一個(gè)合理范圍內(nèi)取值，否則沒(méi)有辦法制定針對(duì)性的方式來(lái)處理問(wèn)題。其次，特征時(shí)間尺度通過(guò)兩個(gè)極值點(diǎn)之間的時(shí)間長(zhǎng)度定義，這個(gè)要求和上一個(gè)是相互呼應(yīng)的，在未來(lái)的工作中，準(zhǔn)確的定義不僅可以良好的處理問(wèn)題，同時(shí)可以及時(shí)的發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。現(xiàn)階段的機(jī)械設(shè)備在應(yīng)用的過(guò)程中，具有很多的隱藏問(wèn)題，如果能夠針對(duì)各個(gè)工作狀態(tài)進(jìn)行一個(gè)準(zhǔn)確的定義，勢(shì)必能夠在今后的工作中，及時(shí)檢修，提高經(jīng)濟(jì)效益。最后，如果信號(hào)數(shù)據(jù)沒(méi)有極值點(diǎn)，或者只存在最大值或者最小值，但是存在變性點(diǎn)，那么工作人員可以通過(guò)數(shù)據(jù)微分一次或者幾次來(lái)獲得極值點(diǎn)，之后通過(guò)積分來(lái)獲得分析結(jié)果。綜上所述，EMD的基本原理必須滿足上述三個(gè)條件，否則很有可能造成結(jié)果不理想或者結(jié)錯(cuò)誤結(jié)果。

2 EMD中的端點(diǎn)效應(yīng)和信號(hào)序列延拓技術(shù)研究

基于EMD的機(jī)械振動(dòng)分析與診斷方法，需要在切實(shí)可行的基礎(chǔ)上來(lái)進(jìn)行工作。在此，本文重點(diǎn)介紹EMD中的端點(diǎn)效應(yīng)和信號(hào)序列延拓技術(shù)。利用這一技術(shù)，能夠在很大程度上徹底解決一些惡性問(wèn)題，避免重復(fù)發(fā)生的情況。

2.1 端點(diǎn)效應(yīng)的抑制方法分析

針對(duì)EMD的端點(diǎn)效應(yīng)問(wèn)題，我國(guó)在長(zhǎng)期的發(fā)展當(dāng)中，已經(jīng)提出了一些較為有效的處理技術(shù)，并且應(yīng)用到了實(shí)際的工作當(dāng)中，也就是現(xiàn)階段的信號(hào)序列延拓技術(shù)。主要分為極值延拓、周期延拓、預(yù)測(cè)延拓以及波形延拓等一系列的方法。如何根據(jù)旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)信號(hào)的特點(diǎn)，具有針對(duì)性的提出適用性強(qiáng)的信號(hào)序列延拓方法，更加徹底的將EMD方法應(yīng)用于機(jī)械振動(dòng)模式分析，就需要對(duì)現(xiàn)有的信號(hào)序列延拓方法的特點(diǎn)、性能進(jìn)行分析和研究。

2.2 現(xiàn)有延拓方法在機(jī)械振動(dòng)信號(hào)處理中的不足分析

對(duì)于現(xiàn)有的延拓方法來(lái)說(shuō)，并沒(méi)有達(dá)到一個(gè)理想的狀態(tài)，在應(yīng)用到機(jī)械振動(dòng)信號(hào)處理的時(shí)候，存在較多的不足。首先，沒(méi)有辦法達(dá)到理想的EMD分解結(jié)果，適用性較差。其次，應(yīng)用價(jià)值不高。最后，隨著高科技的盛行，很多的機(jī)械振動(dòng)都出現(xiàn)了新的問(wèn)題，固守原來(lái)的方法，很難得到一個(gè)較大的突破。

2.3 信號(hào)序列端點(diǎn)優(yōu)化對(duì)稱延拓方法研究

信號(hào)序列端點(diǎn)優(yōu)化對(duì)稱延拓方法，主要是通過(guò)對(duì)信號(hào)以及其中包絡(luò)線的偏差評(píng)價(jià)函數(shù)最小化計(jì)算，來(lái)獲得最理想的信號(hào)端點(diǎn)值，同時(shí)，在這個(gè)基礎(chǔ)上延拓信號(hào)的上、下包絡(luò)線。兩端將最大化的逼近原始信號(hào)兩端點(diǎn)。之后的工作較為簡(jiǎn)單，通過(guò)在EMD后續(xù)篩選IMF過(guò)程中拋棄兩端延拓的數(shù)據(jù)，從而將端點(diǎn)效應(yīng)釋放到原始信號(hào)之外。通過(guò)這種方法，能夠有效的處理機(jī)械振動(dòng)中的端點(diǎn)效應(yīng)問(wèn)題，并且在未來(lái)的工作中，不斷建立新的方案，形成一整套有效的對(duì)策。值得注意的是，現(xiàn)階段的機(jī)械振動(dòng)具有一定的地域性特征，由于應(yīng)用機(jī)械設(shè)備的工廠和企業(yè)不同，同時(shí)地區(qū)之間的經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況也有所偏差，因此在應(yīng)用上述方法的時(shí)候，還應(yīng)該有效的考慮到地方性特點(diǎn)。

3 結(jié)語(yǔ)

本文主要基于EMD的機(jī)械振動(dòng)與診斷方法進(jìn)行了一定的研究，從現(xiàn)有的發(fā)展情況來(lái)看，基于EMD的機(jī)械振動(dòng)與診斷方法仍然需要進(jìn)一步的加強(qiáng)，并且在很多的方面都需要進(jìn)行努力。由于部分細(xì)節(jié)問(wèn)題仍然沒(méi)有解決，因此，還需要將端點(diǎn)效應(yīng)進(jìn)一步去分析，通過(guò)掌握更加透徹的原理，將方式方法變得更加科學(xué)化。相信在今后的工作中，基于EMD的機(jī)械振動(dòng)分析與診斷方法一定能夠得到更加積極的成果。

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