一种适用于非平稳、非线性振动信号分析方法研究

Hilbert-Huang变换(HHT)被认为近年来信号分析领域的一大突破。适用于非平稳、非线性信号分析。从往复机械上得到的振动信号往往具有非平稳、非线性特征,因此采用HHT方法分析是一种较佳的选择。然而,该方法提出不久,并不能用一个解析公式表示,影响了对其理论分析及性能评价。建立一多分量仿真信号,并应用HHT、傅里叶变换、小波变换、时频分布对其分析比较,证明它具有较高的分解效率及准确地刻画信号的能力,并由此发展了能消除多分量信号交叉干扰项的时频分析方法。应用HHT对内燃机敲缸信号进行分析,有效地提取故障的特征信息,为往复机械的状态监测及故障诊断提供了一条有效途径。     

基于时频脊线提取与改进稀疏分量分析的RV减速器复合故障盲分离

针对农业机器人的核心传动部件旋转矢量（rotate vector，RV）减速器的故障特征提取问题，该研究提出一种基于时频图像脊线提取与改进稀疏分量分析相结合的RV减速器复合故障盲提取方法。首先利用提出的时频图像脊线提取（ridge extraction from time-frequency images，RETF）方法同步截取机械臂恒速时段的观测振动信号，然后利用提出的sinC函数改进形态滤波（sinC-morphological filtering，SMF）算法、密度峰值聚类（density peak clustering，DPC）算法和正交匹配追踪（orthogonal matching pursuit，OMP）算法相结合的盲源分离方法（SMF-DPC-OMP）实现平稳信号复合故障的分离提取。以sinC函数作为新的结构元素构造平均组合形态滤波器，对恒速时段的振动信号进行形态滤波处理，以提升信号的冲击特性以及稀疏性；利用DPC估计稀疏信号的混合矩阵，进而构建传感矩阵，并结合OMP在频域完成分离源信号重构，最后对重构的时域信号进行快速傅里叶变换完成故障识别。试验台采集的RV减速器的太阳轮和行星轮磨损复合故障信号的分析结果显示，该算法能有效实现RV减速器复合故障的盲分离。RETE算法能够在变转速工况导致时频图较为模糊的情况下，识别出RV减速器的运动状态；SMF-DPC-OMP算法能够在故障源数目未知的情况下，有效完成复合故障的盲分离。与已有方法相比，SMF-DPC-OMP方法能够节省约75%的时间成本，频谱更为简洁，能够抑制精细侧频和干扰分量，适用于关节型农业机器人RV减速器复合故障盲分离，对生产实际中的故障特征提取具有一定的参考意义。     

基于局部均值分解的触电故障信号瞬时参数提取

针对如何快速、准确地提取生物体触电故障暂态信号中的电力参数问题,提出了一种基于局部均值分解（local mean decomposition, LMD）的生物体触电时总泄漏电流信号瞬时参数提取方法,该方法首先利用局部均值分解将生物体触电时的总泄漏电流信号分解为一组乘积函数分量之和,每个乘积函数（product function, PF）分量可以表示为一个调幅信号和一个调频信号的乘积,然后由调幅信号和调频信号分别计算得到信号的瞬时幅值和瞬时频率。与采用希尔伯特黄变换方法相比,LMD具有瞬时频率曲线波动小和瞬时幅值函数端部失真小等优点。仿真信号分析结果表明：对测试信号进行LMD和经验模态分解（empirical mode decomposition, EMD）分解分别得到3个PF分量和5个IMF（intrinsic mode function）分量,分解前后信号的能量变化值分别为0.2851、0.5633,且LMD比EMD所需分解时间短0.0743s,与Hilbert变换相比,该文方法计算的瞬时幅值和瞬时频率更为平滑,在一定程度上避免了Hilbert 变换计算过程中的负频率和端点效应现象。试验信号分析结果表明：对消噪后的总泄漏电流信号进行LMD和EMD分解,分别得到5和6个分量,分解前后信号的能量变化值各为0.5574、0.8896,所用分解时间分别为0.0835、0.2479 s;在求取瞬时频率方面,LMD方法求取的主导分量瞬时频率可判定生物体触电时刻,而经Hilbert变换求取的瞬时频率不仅无法判定生物体触电时刻,还出现了负的频率值,无法解释其物理意义;在求取瞬时幅值方面,该文方法与Hilbert变换求取的触电前总泄漏电流信号的瞬时幅值的平均值分别为11.3240、12.3728 mA,与原生物体无触电时总泄漏电流的幅值11.3538 mA的绝对误差分别为0.0298、1.0190 mA,另外,2种方法求取的生物体触电后总泄漏电流信号的瞬时幅值与原生物体触电后总泄漏电流的幅值的绝对误差分别为0.4340、0.6643 mA。因此,仿真信号和试验信号分析结果均证明所提方法是有效和可行的。     

基于双树复小波包变换的滚动轴承故障诊断

针对滚动轴承故障的振动信号具有非平稳特性,存在强烈噪声干扰,难以提取故障特征频率的情况,提出了基于双树复小波包变换阈值降噪的故障诊断方法.首先将非平稳的故障振动信号进行双树复小波包分解,得到不同频带的分量;然后对每个分量求其峭度值和相关系数并进行比较;最后选取峭度值和相关系数较大的分量进行软阈值降噪和双树复小波包重构,即可有效地消除振动信号中噪声的干扰,同时保留信号中的有效信息即实现了故障特征信息的提取.本文对轴承外圈故障试验和实际工程数据进行了相关分析,并对比传统离散小波包降噪的效果,本文方法处理后的信号冲击周期性更好,较理想地去除了噪声的影响,验证了该方法可以有效地去除噪声并提取滚动轴承故障的特征信息.     

基于泄漏电流时频奇异谱和模糊聚类的触电故障诊断

针对实测触电故障信号具有非平稳特性而不易被辨识问题,提出了一种基于泄漏电流时频奇异谱和模糊聚类的触电故障诊断方法。首先,利用平滑伪威格纳-维尔分布(smoothed pseudo wigner-ville distribution,SPWVD)对触电故障信号进行时频分析并依据信号的能量分布特征选择时频区域;然后对选择的时频区域进行奇异谱分析,以获取的局部时频矩阵奇异值作为触电信号的特征量输入FCM,即可实现触电信号的故障诊断。对剩余电流保护装置试验平台上获取的实测触电故障信号的时频矩阵奇异值进行模糊C均值聚类,结果表明该方法识别准确率为97.50%,平均识别时间为0.008 5 s,其中植物和动物触电测试样本识别准确率分别为100%,95.00%,从而验证了基于泄漏电流时频奇异谱和模糊聚类的触电故障诊断方法的有效性,该研究可为研发新一代基于触电故障诊断的剩余电流保护装置提供理论依据和方法参考。     

综合模式分量能量及时频域特征的柴油机故障诊断

柴油机缸盖振动信号中包含着丰富的柴油机工作状态信息,利用缸盖振动信号诊断柴油机工作状态是一种有效方法。鉴于缸盖振动信号非平稳性的特点,该文提出用经验模式分解方法对获取的信号进行分解,选取前三阶的模式分量近似代替原信号,用模式分量的能量百分比、重心频率和重心幅值、偏度、峭度、方差等构成柴油机工作状态特征向量,基于支持向量机对实测的柴油机故障进行诊断分类,诊断的正确率达到92%以上,验证了方法的可行性。该研究也可为其他机械设备的故障诊断提供参考。     

含风机噪声的蛋鸡声音信号去噪方法比较

蛋鸡声音可用来评价蛋鸡本身的福利状况,然而蛋鸡舍中往往存在着低频风机噪声干扰蛋鸡声音信号的时频特征。为了优化含风机噪声的蛋鸡声音信号,以海兰褐蛋鸡为例,利用数字化声音采集平台,采集了不同的蛋鸡叫声和风机噪声。采用LabVIEW软件,分析了蛋鸡声音和风机噪声的时频特征,同时比较了滤波器和小波去噪方法在去除风机噪声方面的应用效果。结果表明,蛋鸡产蛋期间的声音频率范围为400~2 500 Hz,而风机噪声的频率在600 Hz以内。在信噪比为-20~10 dB蛋鸡声音环境中,无限脉冲响应滤波器滤波后的均方根误差要比有限脉冲响应滤波器滤波后的均方根误差小,说明无限脉冲响应滤波器具有更好的滤波效果,与其他小波阈值去噪方法相比,以史坦无偏似然估计为阈值的小波去噪方法在去噪后的均方根误差最小,表明这种方法的去噪效果更好。该研究可为蛋鸡舍中风机噪声环境下的蛋鸡声音识别提供参考。     

基于自适应频率切片小波变换的滚动轴承故障诊断

频率切片小波变换(frequency slice wavelet transform, FSWT)在汲取短时傅里叶变换和小波变换优势的基础上引入了频率切片函数,使传统的傅里叶变换实现了时频分析功能。FSWT通过对比不同频带处理的结果以确定最合适的中心频率及最佳带宽,实现了对信号任意频带及局部特征的重构及描述,但这种方法效率很低、无自适应性且无法保证手动筛选出的频段中包含所需要的故障信息。针对这个问题,该文提出一种自适应频率切片小波变换(adaptive frequency slice wavelet transform, AFSWT)。首先,连续分割信号的频谱,频谱分割覆盖了全频带且避免了手动选取频谱边界的过程,均分的方式可提高计算效率。其次,引入谱负熵作为评价依据,计算每一个频段内信号的复杂程度以筛选可能包含周期性冲击的循环平稳信息。最后,选取其中谱负熵最大的频段并将其定义为最佳的中心频率和带宽,重构该频段信号分量并包络解调分析,实现故障诊断。该方法均匀分割频谱并依据谱负熵筛选信号分量可以提高计算效率且提高筛选准确率。通过模拟信号及实验信号证明了该方法可应用于滚动轴承圈故障诊断。     

用低场核磁研究烫漂对甜玉米水分布和状态影响

该文旨在用低场核磁（NMR）及其成像技术（MRI）研究甜玉米粒中的水分布和水状态,为探讨烫漂后甜玉米失重和热特性参数变化的原因提供理论依据。试验通过T2加权成像技术,观察到烫漂后的甜玉米粒出现新的水信号分布区;通过研究烫漂时间和温度对甜玉米粒横向弛豫信号的影响,发现弛豫时间为450～750 ms和50～70 ms的结合水的百分比例明显变化,并具有一定规律,这种变化是由于淀粉糊化造成的。研究表明,烫漂改变了甜玉米中水的分布和结合状态;低场核磁技术揭示了甜玉米水状态的变化规律,为食品加工过程中物性参数的研究提供了一种有效方法。     

内燃机可调参数对燃料经济性敏感性的研究

为提高投入运行使用的内燃机经济性,系统研究了影响内燃机燃料经济性的各项可调参数的敏感性,提出了敏感性系数的概念和计算式,建立了可操作的模型体系,运用模型对X195型内燃机的几个主要参数进行了敏感性分析,找出了不同参数的敏感特性及敏感性序列,进一步讨论了不同参数交互作用下对敏感性的影响;指出了内燃机设计改进及运用时应注意的问题。     

小功率非道路用柴油机燃烧过程优化与降噪

为了保证4D29G31非道路用柴油机动力性、经济性以及有害物排放等满足限值要求的同时,降低燃烧噪声和降低整机噪声,该研究对缸内燃烧过程进行优化。通过对油嘴凸出量、喷油嘴孔数、喷孔直径和涡流比优化匹配,改善缸内油气混合和燃烧过程;通过对动态供油提前角的优化,缩短滞燃期,进而抑制快速燃烧期内的燃烧速率和压力振荡。各参数优化匹配后,标定工况下柴油机的最高燃烧压力和压力升高率与原机相比分别下降了18%和44.9%,整机噪声降低了0.73 dB;最大扭矩工况下柴油机的最高燃烧压力和压力升高率与原机相比分别下降了39%和40%,整机噪声降低了1.07 dB。研究可为小功率非道路用柴油机通过缸内燃烧过程优化降低噪声提供技术参考。     

热裂解生物质气发动机怠速燃烧及排放特性

为了研究热裂解生物质气发动机的怠速燃烧特性及控制怠速排放的方法,利用低热值热裂解生物质气作为内燃机的燃料,采集火花点火生物质气发动机怠速运转时的示功图及怠速排放指标,分析了发动机怠速放热率、燃烧参数及排放特性。试验结果表明：不完全燃烧及燃烧参数的变化主要是由于缸内充量的波动及火焰发展的差异而造成的;怠速失火和不完全燃烧现象,导致发动机的怠速CO排放为4.07%～4.32%、HC排放为350×10-6～400×10-6;怠速运转时存在0.2～0.4 BSU的碳烟排放。减小缸内充量的波动性可以有效改善非正常燃烧现象并降低怠速排放。     

三缸内燃式水泵的动力学建模和外特性仿真

为研究三缸内燃式水泵的外特性,对主运动系统和配流阀系统进行动力学分析,建立了动力学模型。采用AVL Boost软件和MATLAB语言,对三缸内燃式水泵在油门全开时的燃油消耗率、有效热效率和运转不均匀度等外特性进行了仿真研究,给出了仿真曲线。并与发动机驱动柱塞泵系统的外特性进行了对比分析,结果表明三缸内燃式水泵的燃油消耗率和运转不均匀度明显低于发动机驱动柱塞泵系统,而有效热效率明显高于发动机驱动柱塞泵系统。在容积效率较高的1600～1800 r/min范围内,燃油消耗率较低,比发动机驱动柱塞泵系统的燃油消耗率要低17%。对油门全开时的燃油消耗率进行了试验验证并与仿真结果进行比较,相对误差均在±5%以内,验证了模型与仿真结果的正确性。     

均匀设计试验法在内燃机试验中的应用

介绍了均匀设计试验法在内燃机试验中的应用。用均匀设计表安排了小型直喷柴油机供油系统中启喷压力和油嘴伸出量对性能影响的试验,经回归分析得到了最佳的试验结果。用单因素试验法证明了均匀设计方法的正确性,表明均匀设计试验法是安排多水平试验的良好方法,在内燃机中应用是完全可行的。     

基于参变量扫值的非道路用柴油机增压匹配

为了解决传统增压匹配方法不能保证所选涡轮增压器与柴油机最佳匹配的问题,以及内燃机是高度的非线性系统,难以使用具体的数学公式来表示某一参数与其他参数之间的相互关系,基于一款非道路用柴油机的设计开发需求,提出了利用参变量扫值进行增压匹配的方法,以GT-Power软件为载体建立相应的增压柴油机模型,通过对不同大小的压气机和涡轮进行参变量扫值计算,在满足柴油机设计指标与耐久性约束的条件下,综合选取了与柴油机匹配良好的涡轮增压器。为了折中增压之后表征机械负荷的最高气缸压力与表征热负荷的排气歧管温度,又通过模拟分析确定了合理的增压压力和燃烧始点。台架试验结果表明:选定的涡轮增压器与柴油机匹配良好,各项性能参数与排放指标均达到了设计要求,合理匹配增压压力和燃烧始点可有效平衡最高气缸压力与排气歧管温度之间的矛盾。参变量扫值方法代替了实际增压匹配的复杂调整过程,并为实际的标定工作提供了一定的借鉴指导。     

单缸直喷柴油机燃烧LPG的改装设计及燃烧过程研究

针对中国单缸柴油机使用广泛和国家对内河江湖等水质污染治理要求，以ZS1100直喷柴油机为基础，通过优选燃料供给系统的LPG与空气混合器参数，燃烧系统设计参数和点火系统点火能量、点火提前角优化控制等技术措施，在不改变原柴油机螺旋进气道等零部件结构的情况下，开发了1100单缸LPG发动机。性能试验和燃烧过程分析表明：单缸LPG发动机综合性能优良，可代替单缸柴油机作为湖泊旅游船机、内河与湖泊作业、运输船舶的配套动力，可减少柴油机在使用维修保养过程中燃油滴漏对水质的污染，且发动机噪声降低、黑烟排放减少，改善了人们     

柴油机燃烧室的系统设计方法研究与应用

为使柴油机燃烧室设计走向系统化和正规化,提出了柴油机燃烧室系统设计的概念。通过对因子处理方法和响应分析方法的梳理总结了9种因子-响应组合方法,选取其中1个燃烧室设计方法进行方法展示。此方法以一款四气门直喷式柴油机作为研究对象,建立了缸内气体瞬态流动模型,以缸内气体流速和湍流动能作为评价标准,在压缩比基本保持不变的前提下,对比分析了缩口率分别为16.4%、6.1%、9.8%、9.8%且底面凸台形状不同的A、B、C、D 4种ω型燃烧室对缸内流场的影响。研究结果表明,燃烧室几何结构对柴油机进气阶段和压缩阶段前期的缸内气流运动影响较小,对压缩阶段后期缸内气流运动影响显著。在上止点前后20°曲轴转角区段,底面凸台呈锥形的C型燃烧室的平均挤流速度、逆挤流速度比底面凸台呈球形的D型燃烧室分别高25.2%、26.4%;缩口率为16.4%的A型燃烧室内气体平均湍流动能比缩口率为9.8%的D型燃烧室高25.4%。与底面凸台呈椭球形的A型和呈球形的D型燃烧室相比,底面凸台呈45°锥形的B、C型燃烧室在湍流动能强度和逆挤流强度方面的保持性更好。该文研究结果可为柴油机燃烧室结构设计和优化提供参考。     

基于Modelica语言建模的柴油机稳动态性能仿真与试验

针对传统柴油机建模效率不高、所建模型抽象不易理解、软件平台开放程度差、模型通用性低的问题,采用多领域统一物理建模规范Modelica语言和面向对象的建模思想建立了柴油机的仿真模型。以上柴D4114B型发电用柴油机为例,在解决上述问题的同时模拟了负荷特性下柴油机的稳态过程,最高压力、排温等稳态数据点的实测值与仿真值的最大相对误差为8.9%,证明了所建立的柴油机模型具有较好的稳态性能。在此基础上进行了动态仿真,模拟了转速、单缸循环油量等参数的动态变化规律,并将部分参数的仿真值与实测值进行比较,两者吻合得比较好,证明了所建立的柴油机模型能较好地预测其动态性能,可为后续的基于Modelica语言的柴油机建模提供参考。     

“双壁面射流”燃烧系统性能的试验研究

为了改善直喷柴油机的排放与经济性能,该文开发了一种直喷柴油机"双壁面射流"燃烧系统。通过试验的方法研究了燃烧室结构参数、喷油器结构参数、转速、负荷及喷油时刻等运行条件对"双壁面射流"燃烧系统燃烧过程的影响。试验结果表明:随转速的增加,着火始点向后推迟,缸压峰值呈现出先增大后减小的趋势,瞬时放热率峰值、缸内燃烧平均温度和累计放热量都降低;随负荷的增加,着火点提前,缸压峰值对应的曲轴转角向后推迟,缸压峰值、缸内燃烧平均温度和累计放热量都增加,总指示热效率随负荷的增加而降低。不同燃烧室结构参数和喷油器参数的"双壁面射流"燃烧系统燃烧持续期,在2100r/min的负荷特性中,小负荷主要受压缩比的影响,大负荷主要受预混合燃烧量的影响;总指示热效率主要受压缩比和壁面油膜生成量的影响;而NOx与碳烟排放受预混合燃烧量和贯穿度的影响。将"双壁面射流"燃烧系统静态供油提前角提前到18°CA BTDC,能实现扭矩点与功率点同为0.21BSU的低碳烟排放。