王 琛

(西安職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，陜西 西安 710003)

0 引言

當(dāng)前，機(jī)械設(shè)備的運行速度與精密化程度日漸提高，為保證各機(jī)械設(shè)備高效運轉(zhuǎn)，需要對機(jī)械設(shè)備早期故障進(jìn)行檢查，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常情況，最大程度降低因為零部件故障帶來的損失，以防止發(fā)生災(zāi)難性事故。對機(jī)械進(jìn)行早期的故障檢測，實質(zhì)就是對機(jī)械運行狀態(tài)進(jìn)行信息識別，這些信息對于故障的預(yù)示與診斷是非常重要的。此次研究側(cè)重于機(jī)械傳動系統(tǒng)的研究，由于目前的電力電子設(shè)備結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜，工作強度日益增大，各模塊間的交互與耦合關(guān)系日益密切，使得電力系統(tǒng)的動力學(xué)行為更加復(fù)雜。針對當(dāng)前現(xiàn)狀，一些學(xué)者開展了機(jī)械傳動系統(tǒng)監(jiān)測方法的研究，其中，秦大同等[1]研究了隨機(jī)風(fēng)速下風(fēng)電傳動系統(tǒng)機(jī)電耦合動態(tài)特性分析方法；劉利等[2]對多電機(jī)并聯(lián)驅(qū)動-傳動系統(tǒng)動力學(xué)建模及其固有振動特性進(jìn)行分析。上述方法能夠分析出傳統(tǒng)系統(tǒng)的耦合效應(yīng)，但是影響因素較多，導(dǎo)致振動檢測效果不是很好。因此，本文提出基于隨機(jī)共振的機(jī)械傳動系統(tǒng)機(jī)電耦合振動檢測方法。

1 基于隨機(jī)共振的機(jī)械傳動系統(tǒng)機(jī)電耦合振動檢測方法

1.1 基于隨機(jī)共振理論的信號噪聲去除

利用隨機(jī)共振理論中的郎之萬方程來描述顆粒的運動，并將其他外力和引力的影響排除[3]，只考慮顆粒間的碰撞[4]。當(dāng)隨機(jī)力與變速無關(guān)時，噪聲的強度隨著附著力的改變而改變[5]，本文以信息理論為基礎(chǔ)的測度方法對噪聲進(jìn)行測量，但由于非周期信號具有很大的頻域范圍，因此將其看作是一個信號的分度值。輸入的二進(jìn)制信號是相互獨立的0和1序列[6]，則當(dāng)前信道的誤碼率為

Pe=P(1)P(0|1)+P(0)P(1|0)

(1)

P(0|1)為輸入為1時輸出為0的概率；P(1|0)為輸入為0時輸出為1的概率。

信道容量為

C=r[Pelog2Pe+(1-Pe)log2(1-Pe)]

(2)

Pe為碼率。

通過信道容量和誤碼率對信號好壞進(jìn)行衡量，為振動檢測提供基礎(chǔ)。

1.2 機(jī)電耦合傳動特性分析模型建立

在模型建立過程中，對涉及到的參數(shù)做基本假設(shè)[7]，將傳動系統(tǒng)簡化如圖1所示。其中，O代表輸入構(gòu)件，X代表輸出構(gòu)件，A、B代表電力元件，a、b、c代表行星排構(gòu)件。

圖1 傳動系統(tǒng)

基于運動學(xué)特性[8]，推導(dǎo)整個傳動系統(tǒng)的運動學(xué)傳動比[9]，對耦合傳動效率建模[10]，整個機(jī)電復(fù)合傳動的效率η為

(3)

iB、iAB、iA、iBB分別為傳動系統(tǒng)中特殊工作點對應(yīng)的系數(shù)。機(jī)械傳動系統(tǒng)運動過程中，每個機(jī)構(gòu)都會存在動力損失，為此采用功率法分析計算，將傳動效率表示為

η′=η-[(1-ηx1)β+(1-ηx2)β+…]

(4)

ηx1、ηx2分別為相對運動效率；β為相對功率系數(shù)。

1.3 機(jī)電耦合振動檢測

機(jī)電耦合振動系統(tǒng)具有非線性特征，在模型建立完成的基礎(chǔ)上，分析部分參數(shù)對系統(tǒng)振動的影響[11]。機(jī)電耦合分析過程如圖2所示。

圖2 機(jī)電耦合分析過程

機(jī)械傳動系統(tǒng)運行過程中，機(jī)械負(fù)載往往是周期性變化的，周期性波動會引起轉(zhuǎn)子電機(jī)的氣隙磁場變化，使電流發(fā)生規(guī)律變化[12]。為簡化分析，以傳動系統(tǒng)非線性動力學(xué)為基礎(chǔ)[13]，只考慮直流分量和基波部分，忽略各個物理量的高次諧波，傳動系統(tǒng)機(jī)械負(fù)載表達(dá)式為

Tload(t)=T0+Tccosωt

(5)

ω為外界激勵頻率；t為時間尺度參數(shù)；Tc為負(fù)載轉(zhuǎn)矩波動的幅值；T0為波動頻率。當(dāng)傳動系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)時，機(jī)械轉(zhuǎn)速為

(6)

τ為負(fù)載波動的恒定參數(shù)；J為機(jī)械轉(zhuǎn)速；C為主共振解的幅頻參數(shù)；d為激勵頻率失調(diào)系數(shù)。

在此基礎(chǔ)上，分析參數(shù)變化對平衡點穩(wěn)定性的影響，平衡點處的特征值能夠體現(xiàn)出系統(tǒng)的局部穩(wěn)定性，當(dāng)擾動性較小時，將機(jī)電耦合振動方程轉(zhuǎn)換為狀態(tài)方程[14]，排除阻尼項和擾動項的影響，將系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為無擾動系統(tǒng)[15]。如果擾動項增加，會出現(xiàn)分岔現(xiàn)象，為此要對混沌閾值進(jìn)行確定。在分岔分析時，無擾動系統(tǒng)方程為

(7)

κ為小參數(shù)；γ為相位；x為振幅。

通過上述計算，完成對機(jī)電耦合振動的定性與定量分析，完成傳動系統(tǒng)機(jī)電耦合振動檢測。

2 實驗驗證

2.1 實驗?zāi)康?/h3>

本次實驗是在車輛上通過裝車試運行進(jìn)行的。在車速達(dá)到一定時，車輛會抖動并會發(fā)出低頻噪聲，隨著車速增加，噪聲頻率和幅度也會增加。對此，采用所提出的隨機(jī)共振檢測方法與機(jī)電耦合動態(tài)特性分析方法(文獻(xiàn)[1]方法)、固有振動特性分析方法(文獻(xiàn)[2]方法)共同進(jìn)行振動檢測，共進(jìn)行50次實驗，取其平均值，獲得實驗數(shù)據(jù)，以此對比3種方法的檢測效果。

2.2 實驗系統(tǒng)組成

在實驗中，配備4臺交流電測功機(jī)、電池模擬分析儀。實驗之前，將測功機(jī)連接，并與臺架的驅(qū)動電機(jī)與驅(qū)動總成的發(fā)電機(jī)相連，實驗平臺如圖3所示。

圖3 實驗平臺

實驗中，傳動系統(tǒng)的主要參數(shù)值如表1所示。

表1 傳動系統(tǒng)主要參數(shù)

在實驗中，盡可能模擬真實的環(huán)境，采用電池模擬分析儀模擬電池供電方式，在實驗過程中，關(guān)閉實驗室的所有進(jìn)出口，保證實驗過程中沒有其他噪聲的影響。通過傳感器采集數(shù)據(jù)，將采集到的數(shù)據(jù)存儲到LMS Test Lab中，方便后續(xù)結(jié)果分析。

經(jīng)過上述準(zhǔn)備后，采用3種方法分析不同時間與頻率下的轉(zhuǎn)矩變化情況，結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖4 不同時間下轉(zhuǎn)矩變化情況

圖5 不同頻率下轉(zhuǎn)矩變化情況

由圖4和圖5可以知道，本文方法在不同時間與不同頻率下的轉(zhuǎn)矩變化情況，與實際變化情況基本能夠保持一致，比另外2種方法分析準(zhǔn)確性高。3種方法不同時間與不同頻率下電流變化情況如圖6和圖7所示。

圖6 不同時間下電流變化情況

由圖6和圖7可以知道，在不同時間和不同頻率變化下，電流發(fā)生明顯的波動情況，本文方法得到的結(jié)果與實際結(jié)果基本吻合，能夠分析出電流變化情況。另外2種方法在檢測中，雖能夠檢測出波動情況，但是與實際情況差距較大。

圖7 不同頻率下電流變化情況

接下來，采用3種方法檢測中速軸外圈故障情況下的時頻變化情況，如圖8所示。

圖8 中速軸外圈故障信號時頻

由圖8可以知道，在故障信號檢測上，本文方法在有故障發(fā)生時，能夠獲得較為準(zhǔn)確的信號時頻圖，比另外2種方法檢測準(zhǔn)確性高。

綜上證明，本文方法能夠較為準(zhǔn)確地分析出傳動系統(tǒng)振動情況。這是因為本文方法重點應(yīng)用了隨機(jī)共振理論，構(gòu)建了動力學(xué)模型，較為準(zhǔn)確地獲取了振動規(guī)律。

3 結(jié)束語

本文提出基于隨機(jī)共振的機(jī)械傳動系統(tǒng)機(jī)電耦合振動檢測方法，依據(jù)隨機(jī)共振理論去除信號噪聲，針對機(jī)電耦合傳動特性建模，獲得了振動的頻率特征，計算機(jī)械轉(zhuǎn)速并確定混沌閾值，實現(xiàn)了機(jī)械傳動系統(tǒng)機(jī)電耦合振動檢測。本文方法解決了以往機(jī)械傳動系統(tǒng)機(jī)電耦合振動檢測準(zhǔn)確性低的問題，能夠為后續(xù)機(jī)械傳動系統(tǒng)機(jī)電耦合振動研究提供理論基礎(chǔ)，由于客觀條件有限，所提出的檢測方法還需要進(jìn)一步完善，在后續(xù)研究中，將著重研究機(jī)電系統(tǒng)中電磁場的瞬態(tài)性能，以進(jìn)一步分析耦合振動規(guī)律，為機(jī)械傳動系統(tǒng)控制提供參考。