[发明专利]基于倍频相对能量和的分层聚类航空泵多故障诊断方法

摘要

本发明公开了一种基于倍频相对能量和的分层聚类航空泵多故障诊断方法，该方法首先依靠故障模式影响分析技术对航空液压泵进行传感器优化布局并采集传感器信号，然后将航空液压泵常见的故障进行分层聚类，确定故障诊断的顺序和层次，再进行第一诊断层、第二诊断层和第三诊断层故障诊断，完成对航空泵的多故障诊断。该方法实现了航空泵的多故障高精度诊断；针对航空液压泵典型渐进性故障在故障初期特征非常微弱的特点，设计了一种倍频相对能量和故障特征提取方法，有效实现微弱信号的故障特征提取，大量实验证明这种方法准确而高效。

主权项

1、基于倍频相对能量和的分层聚类航空泵多故障诊断方法，其特征在于如下步骤：第一步、依靠故障模式影响分析技术对航空液压泵进行传感器优化布局并采集传感器信号；所述传感器包括压力传感器、流量传感器、加速度传感器，其中压力传感器用来监测航空液压泵出口压力值；流量传感器用来监测航空液压泵出口流量和回油流量值；加速度传感器用来监测航空液压泵泵体的轴向和径向振动信号；第二步、将航空液压泵常见的故障进行分层聚类，确定故障诊断的顺序和层次；航空液压泵常见的故障类型有配流盘磨损、入口压力不足故障、航空液压泵轴承故障、柱塞球头游隙增大和斜盘不对中，从对泵性能影响程度的角度按照故障重要度从高到低的顺序对上述五类故障进行分层，同时将具有相近或相同故障特征提取方法的故障划归为同一类进行诊断，这个过程称为“分层聚类”过程，其中配流盘磨损和入口压力不足故障为第一诊断层；轴承故障为第二诊断层；斜盘不对中和柱塞球头游隙增大故障为第三诊断层；第三步、第一诊断层故障诊断；入口压力不足故障诊断方法为：首先通过航空液压泵出口流量大小判断当前泵的工作状态，大流量状态下，采集回油流量值，计算出口流量和回油流量之和，若两者之和明显小于额定值，则出现了入口压力不足故障；所述的额定值是航空液压泵出厂时的额定性能参数；当航空液压泵工作在小流量状态下时，对出口压力信号作快速傅利叶变换，得到FFT幅值谱，该频谱图中若在某一特定频率处幅值明显超出阈值，则出现了入口压力不足故障；配流盘磨损故障诊断方法：采集航空液压泵回油流量数值，当回油流量超出额定值范围，则确定发生了配流盘磨损故障；第四步、第二诊断层故障诊断；先将采集到的航空液压泵径向振动信号按照倒谱包络方法进行故障特征提取，得到倒谱包络曲线，这条曲线以频率为自变量；再根据轴承和航空液压泵的实际参数按照下式：$f=\frac{f_{r}D}{d}(1-\frac{d^2}{D^2}\cos \mathrm{\α})$式中：fr-泵的轴转速；d-滚动体直径；D-轴承节圆直径；α-轴承接触角；计算故障特征频率；最后在倒谱包络曲线中，在轴承故障特征频率附近检查幅值的大小，当幅值超过阈值时，则确定发生了航空液压泵轴承故障；第五步、第三诊断层故障诊断；将采集到的振动信号按照倍频相对能量和故障特征提取方法进行故障特征提取，步骤如下：(1)通过快速傅利叶变换FFT的计算通式将航空液压泵轴向和径向加速度传感器信号从时域变换到频域；设轴向加速度传感器信号为xa(t)，经过FFT变换后得到的频谱幅度谱为|Xa(f)|；设径向加速度传感器信号为xr(t)，经过FFT变换后得到的频谱幅度谱为|Xr(f)|；(2)求信号的功率谱密度函数；轴向加速度传感器信号的功率谱密度函数为|Xa(f)|2，径向加速度传感器信号的功率谱密度函数为|Xr(f)|2；(3)计算倍频能量距离，进行倍频相对能量和故障特征提取；轴向倍频能量距离为：$\mathrm{AS}=\underset{i=1}{\overset{8}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{\left|X_{a\max }\left({\mathrm{if}}_0\right)\right|}^2}{{\left|{\stackrel{\‾}{X}}_a\left({\mathrm{\Δif}}_0\right)\right|}^2}$径向倍频能量距离为：$\mathrm{RS}=\underset{i=1}{\overset{8}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{\left|X_{r\max }\left({\mathrm{if}}_0\right)\right|}^2}{{\left|{\stackrel{\‾}{X}}_r\left({\mathrm{\Δif}}_0\right)\right|}^2}$根据轴向倍频能量距离AS和径向倍频能量距离RS提取故障特征，然后根据以下原则进行故障诊断：●如果AS≥阈值且RS≥阈值，则航空液压泵正常；●如果AS＜阈值且RS＜阈值，则发生了柱塞球头游隙增大故障；●如果AS≥阈值且RS＜阈值，则发生了斜盘不对中故障；