[发明专利]一种多冲击振动信号时频分解方法

说明书

本发明涉及一种多冲击振动信号时频分解方法，以便于准确定位故障冲击的时频域中心、分解提取单频率单冲击成分，有利于故障定位和诊断。本发明：首先，通过对多冲击振动信号进行短时傅里叶变换，将多冲击振动信号变换至时频域信号；其次，建立以时频信号时频二维幅值矩的2范数的平方最小为优化目标的二次凸优化模型，将多冲击信号时频分解问题转化为冲击时频维度中心与分解时频子信号的变分问题；接着，采用交替方向乘子法将求解问题转化为分解子信号时频中心和分解时频子信号的迭代求解；最后，对分解时频子信号进行短时傅里叶反变换处理，得到分解时频子信号的时域波形，即分解子信号，完成多冲击振动信号时频分解过程。

技术领域

本发明涉及一种振动信号分解方法，尤其涉及一种多冲击振动信号时频分解方法。

背景技术

往复机械是广泛应用的一类机械设备，其关键部件在工作过程中承受一系列瞬态激励作用。振动信号由与曲轴转角相关的多个冲击时域叠加而成，属于典型的非平稳振动信号。对多冲击信号进行时域上的分解和提取对往复机械监测诊断具有重要的价值。

根据不同机械装备的故障机理、结构形式与信号传递规律，其振动冲击信号特征提取研究各有侧重。对滚动轴承、齿轮箱等旋转设备，其冲击信号特征提取与分析诊断工作需从非平稳、低信噪比的信号中有效提取工作转频及其倍频、啮合频率、部件固有频率等特定频率成分，以表征部件缺陷、磨损、断裂等故障状态下周期性机械冲击响应及信号调制特征。而以柴油机、往复压缩机、往复泵为代表的各类往复机械，由于其运动部件，如阀门、活塞、连杆等往复周期性运动及换向冲击的特性，其正常状态下机体振动信号表现为时域周期性多冲击间隔分布、频域特征分布频带宽且混叠严重的特点。其典型故障如阀门磨损、阀门断裂、连杆轴承磨损等，故障早期伴随部件配合间隙增大，将产生新的冲击信号，新冲击特征的出现与部件物理工作过程具有直接关联性，分布在特定的角域区间内。而故障频域特征，一方面由Gibbs现象可知阶跃冲击成分会产生虚假频率分量，另一方面受其它多源冲击干扰、相互混叠严重，频域特征分解难度大。

针对现有频域、频域特征提取方法对往复机械冲击信号识别与定位难度大，及冲击信号提取需设定阈值等问题，本发明提出了一种多冲击振动信号时频分解方法，实现了将单频率单冲击局部冲击成分从原始振动信号中自适应分解，显著提升了对故障早期新增冲击特征的辨识能力。

发明内容

本发明的目的在于为多冲击振动信号的时频分解提供一种有效方法，以便于准确定位故障冲击的时频域中心、分解提取单频率单冲击成分，有利于故障定位和诊断。

本发明的目的通过以下技术方案实现：首先，通过对多冲击振动信号进行短时傅里叶变换，将多冲击振动信号变换至时频域信号；其次，建立以时频信号时频二维幅值矩的2范数的平方最小为优化目标的二次凸优化模型，将多冲击信号时频分解问题转化为冲击时频维度中心与分解时频子信号的变分问题；接着，采用交替方向乘子法(ADMM)将求解问题转化为分解子信号时频中心和分解时频子信号的迭代求解；最后，对分解时频子信号进行短时傅里叶反变换处理，得到分解时频子信号的时域波形，即分解子信号，完成多冲击振动信号时频分解过程。

一种多冲击振动信号时频分解方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，对多冲击振动信号X(τ)进行短时傅里叶变换得到时频域信号G(t,ω)，短时傅里叶变换过程如下：

其中，X(τ)为多冲击振动信号，G(t,ω)为短时傅里叶变换得到时频域信号，h为窗函数，τ为时间，ω为频率，t为窗函数滑移时间，e为自然常数；窗函数h使用汉宁窗，其定义如下：

其中，l为窗口长度，窗口长度的设定范围为l＞0；