階次跟蹤技術(shù)在旋轉(zhuǎn)機(jī)械信號分析中的應(yīng)用

原油泵的噪聲源主要包括柴油發(fā)動機(jī)的主要噪聲、冷卻風(fēng)扇噪聲、通風(fēng)噪聲、氣聲、氣聲、，生產(chǎn)線噪聲和混凝土系統(tǒng)噪聲。為了降低駕駛室內(nèi)噪聲,必須首先識別出噪聲源,弄清噪聲源產(chǎn)生的機(jī)理和規(guī)律,再根據(jù)挖掘機(jī)的實際提出有效的降噪措施。目前針對液壓挖掘機(jī)的噪聲源識別方法主要有主觀評價法、近場聲壓法、覆蓋法、頻譜分析法、相干分析與偏相干分析技術(shù)等。但是由于各噪聲源之間存在特征差異,同時單個噪聲源在不同作業(yè)條件下表現(xiàn)出來的聲波特性也不一致,采用上述方法很難從這兩個角度同時展開分析對比。采用階次跟蹤技術(shù)對挖掘機(jī)的噪聲源進(jìn)行識別,不僅可以識別出駕駛室內(nèi)主要噪聲源,還能得出各噪聲源在不同轉(zhuǎn)速工況下對駕駛室內(nèi)噪聲的貢獻(xiàn)量。1等角度采樣分析階次跟蹤技術(shù)是從周期載荷作用(特別是旋轉(zhuǎn)機(jī)械)的測試系統(tǒng)中分離正弦成分的一種信號處理方法,被廣泛用于系統(tǒng)的故障診斷、設(shè)計和綜合分析。該技術(shù)采用的是等角度采樣,發(fā)動機(jī)等旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)以轉(zhuǎn)速n旋轉(zhuǎn)時,每旋轉(zhuǎn)一定角度對信號取樣一次,其角域采樣方式如圖1所示。每轉(zhuǎn)等角度采樣M個點,以旋轉(zhuǎn)P轉(zhuǎn)內(nèi)的總采樣點數(shù)N作為一個數(shù)據(jù)塊記錄長度。將加速、減速等時域非穩(wěn)態(tài)信號轉(zhuǎn)換到角域內(nèi)得到角域穩(wěn)態(tài)信號,在角域內(nèi)進(jìn)行分析,可以避免時域非穩(wěn)態(tài)信號使用常規(guī)頻譜分析引起的頻率混疊,分析結(jié)果模糊的現(xiàn)象。根據(jù)等角度采樣的特點,將其與等時間采樣類比,可以發(fā)現(xiàn)時域與角域穩(wěn)態(tài)信號主要分析參數(shù)的對應(yīng)關(guān)系,如表1所示。表1中fs為每秒等時間采樣點數(shù),即時域采樣頻率,M為每轉(zhuǎn)等角度采樣點數(shù),即角域采樣頻率。對角域穩(wěn)態(tài)信號進(jìn)行FFT變換,轉(zhuǎn)換至階次域,可以得到清晰的圖譜,即階次譜。由旋轉(zhuǎn)機(jī)械引起的信號特征與轉(zhuǎn)速相關(guān)的部分可以以階次能量集中的形式表現(xiàn)出來,給噪聲源識別提供依據(jù)。因此,拋開“時間”和“頻率”,以機(jī)構(gòu)主頻和諧波的“階次”為依據(jù)作跟蹤分析,即階次跟蹤分析,則可以避開轉(zhuǎn)速變化的影響,取得良好效果。階次跟蹤技術(shù)最關(guān)鍵的問題在于如何實現(xiàn)轉(zhuǎn)速變化過程中信號的等角度采樣。實現(xiàn)等角度采樣大體上可以分為兩個步驟:第一步是以高采樣率對原始信號進(jìn)行等時間間隔采樣,同步記錄轉(zhuǎn)速探頭接收的脈沖串序列;第二步是進(jìn)行插值重采樣,利用轉(zhuǎn)速脈沖序列轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)速-時間函數(shù),經(jīng)過積分得到轉(zhuǎn)角-時間函數(shù),據(jù)此生成等角度序列對應(yīng)的采樣時間序列,再以這些時間序列對原始信號進(jìn)行插值重采樣,從而可以得到階次分析所需的角域穩(wěn)態(tài)信號。等角度采樣的主要實現(xiàn)方式如圖2所示。2轉(zhuǎn)速對重負(fù)荷的影響試驗所用的大型液壓挖掘機(jī)如圖3所示,該挖掘機(jī)有9個常用油門控制擋位,分為怠速運轉(zhuǎn)、經(jīng)濟(jì)模式、標(biāo)準(zhǔn)模式、重載模式和強(qiáng)力模式幾個作業(yè)工況,發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速范圍為1000~2100r/min。挖掘機(jī)作業(yè)時伴隨的運轉(zhuǎn)部件包括柴油發(fā)動機(jī)、冷卻風(fēng)扇、液壓柱塞泵和閥,以及進(jìn)排氣系統(tǒng),這些運轉(zhuǎn)部件的輻射噪聲受發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的影響均比較顯著。而挖掘機(jī)在不同作業(yè)負(fù)荷要求下,油門擋位和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速會由駕駛員相應(yīng)地進(jìn)行切換,因此駕駛室內(nèi)的噪聲也會隨之改變。2.1發(fā)動機(jī)電控系統(tǒng)測試常規(guī)的頻譜分析法只能針對挖掘機(jī)在單個工作擋位下的噪聲進(jìn)行分析,而無法對挖掘機(jī)擋位切換或轉(zhuǎn)速改變引起的噪聲變化趨勢進(jìn)行全局考察。采用階次跟蹤技術(shù)則可以解決這一問題。挖掘機(jī)現(xiàn)場測試分析儀采用比利時LMS公司的數(shù)據(jù)采集前端SCADAS和Test.lab10B軟件分析系統(tǒng)、PCB傳聲器、聲級校準(zhǔn)器及激光測轉(zhuǎn)速儀等。根據(jù)GB/T25613—2010《土方機(jī)械司機(jī)位置發(fā)射聲壓級的測定定置試驗條件》的規(guī)定,將傳聲器水平置于距離駕駛員頭部中間對稱平面200±20mm的兩側(cè)位置,與眼睛成一線,指向駕駛員前方。測試要求環(huán)境背景噪聲低于噪聲信號10dB以下。轉(zhuǎn)速探頭通過夾具安裝在發(fā)動機(jī)機(jī)體側(cè)端,調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速探頭角度,使發(fā)射光線沿發(fā)動機(jī)輸出軸頸的半徑方向,同時在轉(zhuǎn)速探頭所指軸頸對應(yīng)位置粘貼反光紙,見圖4。試驗時,由工作人員通過換擋方式來實現(xiàn)液壓挖掘機(jī)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié),由于怠速轉(zhuǎn)速為1000r/min,最高轉(zhuǎn)速為2100r/min,因此設(shè)置測試系統(tǒng)噪聲信號采集觸發(fā)轉(zhuǎn)速為1050r/min,采集終止轉(zhuǎn)速為2050r/min,從1擋逐漸遞增至9擋,同步采集轉(zhuǎn)速脈沖信號和駕駛室內(nèi)噪聲信號,其中發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速隨時間的變化曲線如圖5所示,圖中間斷出現(xiàn)的水平線段表示人工換擋操作間隔期間內(nèi)當(dāng)前擋位的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速。2.2進(jìn)排氣系統(tǒng)噪聲的特征分析根據(jù)駕駛室內(nèi)噪聲信號的特征頻率分布范圍,確定最高分析階次為32階。與時頻變換相似,由角域信號經(jīng)FFT變換至階次域,為了盡量減小階次泄漏,同樣需要加漢寧窗,同時噪聲信號作A計權(quán)處理。對駕駛室內(nèi)噪聲信號采用階次分析,可以得到階次跟蹤三維瀑布圖,如圖6所示,Z向幅值表示發(fā)動機(jī)在特定轉(zhuǎn)速下,各階噪聲聲壓信號的RMS(均方根)幅值。從圖6中可以大概看出引起駕駛室內(nèi)噪聲的主要階次,為了從全局角度定量描述各階信號對挖掘機(jī)駕駛室內(nèi)噪聲的平均貢獻(xiàn)量,將發(fā)動機(jī)各轉(zhuǎn)速下的噪聲在階次域內(nèi)進(jìn)行能量累加平均,得到噪聲的平均階次譜圖,如圖7所示。提取圖7中峰值階次的噪聲能量幅值,并分別計算各階次分量占總能量的比重,如表2所示。試驗液壓挖掘機(jī)選用的是6缸4沖程柴油發(fā)動機(jī),冷卻風(fēng)扇與發(fā)動機(jī)主軸通過皮帶輪實現(xiàn)動力傳遞,兩者傳動比為0.8,風(fēng)扇的葉片數(shù)為6,等角度均勻分布。從發(fā)動機(jī)的基本參數(shù)可知,發(fā)動機(jī)的點火基頻為主軸旋轉(zhuǎn)頻率的3倍,又因為進(jìn)排氣系統(tǒng)的壓力脈動噪聲與發(fā)動機(jī)點火基頻相同,所以,可以確定圖7中的3階噪聲分量是由進(jìn)排氣系統(tǒng)噪聲引起的,考慮到A計權(quán)處理和低頻幅值衰減的因素,6階噪聲很有可能是該3階進(jìn)排氣噪聲的2次諧波成分。根據(jù)冷卻風(fēng)扇與發(fā)動機(jī)主軸的傳動比以及風(fēng)扇葉片數(shù),可知風(fēng)扇的葉片通過頻率是發(fā)動機(jī)旋轉(zhuǎn)頻率的4.8倍,因此可以確定圖7中的4.8階噪聲分量是由冷卻風(fēng)扇葉片周期性地切割空氣產(chǎn)生的周期性空氣壓力脈動噪聲引起的。試驗所用挖掘機(jī)的液壓系統(tǒng)匹配的液壓泵為高壓柱塞泵,柱塞個數(shù)為9,發(fā)動機(jī)軸端與柱塞泵輸入軸端采用聯(lián)軸器連接實現(xiàn)動力輸出。高壓柱塞泵噪聲產(chǎn)生的原因是很多的,但概括起來,可以分為機(jī)械噪聲與流體噪聲兩大類。(1)機(jī)械噪聲:1)由斜盤及變量機(jī)構(gòu)振動、軸承振動產(chǎn)生的噪聲頻率為f=z·(n/60),Hz;2)由泵的旋轉(zhuǎn)偏心與不平衡產(chǎn)生的噪聲頻率為f=n/60,Hz。(2)流體噪聲:1)由固有流量脈動與壓力沖擊產(chǎn)生的噪聲頻率為f=z·(n/60),Hz;2)由配油盤困油區(qū)倒灌流量與壓力沖擊產(chǎn)生的噪聲頻率為f=z(n/60),Hz。以上各式中:n為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速,r/min;z為柱塞個數(shù),奇數(shù)。根據(jù)特征頻率和特征階次的關(guān)系f=O·(n/60),Hz可知,圖7中9階噪聲分量肯定是由柱塞泵引起的,但是機(jī)械和流體噪聲能量貢獻(xiàn)難下定論。18階噪聲分量幅值也相當(dāng)突出,可以確定主要是由柱塞泵固有流量壓力脈動噪聲引起的,同時包含有9階噪聲分量的2次諧波成分;27階噪聲分量幅值較低,可能是9階噪聲分量的3次諧波成分。此外,為了考察挖掘機(jī)擋位切換或發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速變化過程中,駕駛室內(nèi)噪聲主要階次分量的貢獻(xiàn)量隨之變化情況,對階次跟蹤瀑布圖作階次切片處理可以得到所需結(jié)果,如圖8所示。從圖8中可以看出:(1)駕駛室內(nèi)噪聲值隨發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速呈現(xiàn)波動變化的趨勢,轉(zhuǎn)速在1300r/min附近和1500~1800r/min范圍內(nèi)噪聲值偏大。(2)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速在1700r/min以下,液壓柱塞泵機(jī)械和流體噪聲為駕駛室內(nèi)的主要噪聲源,轉(zhuǎn)速在1700r/min以上,進(jìn)排氣噪聲和冷卻風(fēng)扇的噪聲對駕駛室內(nèi)噪聲貢獻(xiàn)量逐漸凸現(xiàn)出來,而柱塞泵噪聲隨發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速升高呈衰減趨勢。3液壓起重機(jī)噪聲跟蹤的可行性分析對發(fā)動機(jī)、變速器、液壓泵和冷卻風(fēng)扇等旋轉(zhuǎn)機(jī)械升降速狀態(tài)下引起的非穩(wěn)態(tài)噪聲信號進(jìn)行識別時,傳統(tǒng)的頻譜分析方法因“頻率模糊”而不能反映真實結(jié)果。采用階次跟蹤技術(shù),可以清晰地找出噪聲的特征階次,然后結(jié)合旋轉(zhuǎn)部件自身的噪聲特性以及旋轉(zhuǎn)部件與基準(zhǔn)軸之間的傳動比分析,確定出特征階次對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)部件,從而識別機(jī)器的主要噪聲源和