机械故障诊断技术中的信号处理方法：时频分析

2013年6月文章编号：1006-1355(2013)03-0198-05

王金福，李富才

(上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室，上海200240)摘要：当机械设备的振动信号为非平稳信号和时变信号这类特殊信号时，时域分析和频域分析因其自身的局限，无法取得很好的分析效果，需要使用时间和频率的联合函数来表示信号，即信号的时频表示。针对常用的时频分析振动信号处理方法，总结多种算法的特征和优缺点。根据常见机械设备关键构件的振动特征，选择不同的信号处理和特征提取算法进行分析，以便提高多种构件、多类故障的特征提取精度和可靠性，从而为有效地实现机械设备的故障提供参考和指导。

关键词：振动与波；故障诊断；振动信号；特征提取；时频分析

中图分类号：TB53；TH165+.3文献标识码：A DOI编码：10.3969/j.issn.1006-1335.2013.03.045 Review of Signal Processing Methods in Fault Diagnosis for Machinery Using Time-frequency Analysis

WANG Jin-fu,LI Fu-cai

(State Key Laboratory of Mechanical System and Vibration,Shanghai Jiaotong University,

Shanghai200240,China)

Abstract:When vibration signals of mechanical equipment are non-stationary or time-varying,neither time domain analysis nor frequency-domain analysis can provide satisfactory results.In contrast,the time-frequency analysis can signify the signals well.In this paper,the characteristics,advantage and disadvantage of several time-frequency analysis methods were summarized for the purpose of machinery fault diagnosis.According to the vibration characteristics of the key components of some popular mechanical equipment,some signal processing methods and feature extraction algorithms were selected and analyzed in order to improve the precision and reliability for multi-fault diagnosis of the components.

Key words:vibration and wave;fault diagnosis;vibration signal;feature extraction;time-frequency analysis

在时域内对振动信号进行监测，只能简单地判断振动值是否超标，不能得出振动的部位及引起故障的原因。频域内，傅里叶变换是一种常用的处理方法，可以从数值上实现对信号与系统的频域分析。但是，傅里叶变换是一种全局变换，反映的是信号的总体平均信息，信号频谱中的任一频率分量都

收稿日期：2012-04-23；修改日期：2012-06-21

项目基金：国家自然科学基金（11072148）；

国家863计划重点项目（2009AA044800）；

机械系统与振动国家重点实验室（MSV201110）资

助的研究项目

作者简介：王金福（1988-），男，硕士，吉林省蛟河市人，目前从事振动信号处理、机械设备故障诊断研究。

通讯作者：李富才。

E-mail:fcli@https://www.360docs.net/doc/b36959245.html, 是对信号整个时域定义区间的傅里叶积分或者求和，不能体现一些特征信号分量随时间的变化情况。当对风力发电机组振动信号等非平稳信号和时变信号进行分析研究时，无法获取信号在不同瞬间对应的频谱分布。因此，对于非平稳信号和时变信号这类特殊信号的分析，需要使用时间和频率的联合函数来表示信号，即信号的时频表示。时频分析实际上是将一维的时间信号映射到二维的时间尺度上，以便看清在细小时间内信号频率的变化。现代信号处理中常用的时频分析方法，如短时傅里叶变换（STFT），维格纳—威尔（Wigner-Ville）分布小波变换（WT）等非平稳信号处理技术都有各自的缺点。比如，短时傅里叶变换时频分辨率低，维格纳—威尔分布会产生严重的交叉干扰，产生虚假频率成分，小波变换难于选择小波基等问题。因此，总结各

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