基于小波包能量谱的往复式隔膜泵故障诊断研究

ｄ ａ ｎｏ ｉ ｙ ｕ ｉ ｇ ｗａ ｅ ｅ ｃ ｅ ｎｅ ｇ ｐ ｃｒ ｍ ｓｆ ａ ｉ ｅ ａ ｆｅ ｔ ． ｉｇ ｓｓ ｂ ｓｎ ｖ ｌ ｔｐａ ｋ ｔｅ ｒ ｙ ｓ ｅ ｔ ｕ ｉ ｅ ｓｂｌ ｎｄ ｅｆ ｃｉ ｖｅ
Ｋｅ ｙ ｗｏｒ ｄｓ： ｒ ｃｐｒｃ ｔｎｇ ｄａ ｒ ｇ ｐｕ ｅ ｉ ｏ ａ ｉ ｉｐｈ ａ ｍ ｍｐ；ｖｉｒ ｔｏ ｉｎ ｌ ａ ｌ ａ ｎ ｓｓ； ｖ ｌｔｐ ｃ ｅ ； ｎｅｇ ｐ ｃｒ ｂ ａｉ ｎ ｓｇ ａ ；ｆ ｕ ｔｄｉｇ ｏ ｉ ｗａ ｅｅ ａ ｋ ｔ ｅ ｒ ｙ ｓ ｅ ｔｕｍ
的频 带能量谱 某一或几个频带 内信号能量 的改变 ， 即代表
基金项 目： 国家 自然科学基金资助项 目（１ ６ ０ ７ ； ５ １ ９ ０ ） 云南省科 技计划资助项 目（ ００ Ｈ ０ ，０ １ Ａ ０ ； ２ １ Ｄ Ｏ ４ ２ １ Ｄ ０５） 云南省 中青 年学术和技术带 头人 后备人才培养计划资助项 目（０ １ １１ ） ２ １ Ｃ０ ７
２１ ０ ２年 第 ３ 卷 第 １ １ ０期
传 感器与微 系统 （ ｒｎｄｃｒ ｎ ｃ ｓｓ ｍ Ｔｃ ｎｌ ｉｓ Ｔａｓｕｅ ｄＭｉ ｏｙｔ ｅｈ ｏ ｇ ） ａ ｒ ｅ ｏｅ
４ ５
基 于 小 波 包 能 量 谱 的往 复 式 隔膜 泵 故 障诊 断研 究
印 嘉 ，吴建德 ，王 晓 东 ，范玉 刚 ， 国勇 ， 黄
ｆ ） ｕ（ ＝∑ ｈ ｎ 。 ｋ（ 一） ｕ２
？ ． （） ４
ｔｎ （） ／＋ ＝∑ ｇ ｜ ￣１ ２ （ 一） “２ ｊ ｝
其中 ， －１ 。 即两 系数也具有正交关系 ， ｇ ：（ ）ｈ～ ， 特别
是 ， ｎ＝Ｏ时 ， 以上 两 式 直 接 得 到 当 由 ）
细 的 分 析 方 法 ， 过 对 频 带 进 行 多层 次划 分 ， 没 有 细 分 的 通 把
（ｘ－ｋ ，＾ ２ ） ｛
Ｅ ｚ ．
．
【） （ ０ ５Ｊ
【 （ ＝∑ ｇ ｏ ， ｝ ｆ 。） ｋ（ 一） Ｕ２
式 （） ５ 分别为尺度函数 ｕ（ 与小波 函数 “ （ 的双尺 。 ） 。 ） 度方程 。利用式（ ） ４ 和式（ ） ５ 可以得 到如下空 间分解
号多耦合性 以及强烈 的非线形性 ， 以， 所 对其进行故 障诊 断 比较 困难 Ｊ 。小 波包 变换 具有对 非平 稳信 号进 行 局部 化
分 析 的功 能 ， 是 在 多 分 辨 率 基 础 上 构 成 的 一 种 更 精 细 的 它
直接决定 整个 管道输送系统 的可靠性 ， 因此 ， 对其进行状 态 监测与故 障诊 断具 有重要意义 。对于机械设备故 障诊 断方 法有很多 ， 中， 于振 动信号的分析方法是一种广泛使 用 其 基 的有效方法 ， 它是通过采集 往复式 隔膜泵 工作 时的振 动
定 义 子 空 间 为 函 数 “ （ 的 闭 包 空 间 ， ） 而
是 函
数 ｕ （ 的 闭包 空 间 ， 令 １（ 满 足下 面 的双 尺 度 方 程 。 ） 并 １ ） ，
小波包 分析是小 波分析 的改进 ， 它兼顾 了加窗傅 里叶 变换 和小波变换 的优 点。小波变换 中的多分辨分 析的基本 思想是把信号投影到一组互相正交的小波 函数构 成的子空
隔膜泵 的故障特征频率 ， 断出故 障。实验 表明 ： 诊 通过小 波包 能量谱对往复式隔膜泵进行故障诊断是有效
可行 的。
关 键 词 ：往 复式 隔 膜 泵 ； 动 信 号 ； 障 诊 断 ；小 波 包 ； 量 谱 振 故 能 中 图分 类 号 ：Ｔ ２ ９ Ｐ ０ 文 献 标 识码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１０ －７ ７ ２ １ ） ００４ －３ ００９ ８ （ ０ ２ １－０ ５０ －
隔膜 泵故 障诊断方法 。小波包能将振 动信 号分解 到不 同子频带 ， 过各子频带 信号 的能 量变化反 映设备 通
运行状况 。通 过采集往复式隔膜泵振动信 号 ， 进行小波包分解为多个子频带 ， 求出各频带的能量和能量 比 例， 然后对 比故 障振动信 号和正常振动信号的频带能量谱 比例 图 ， 出发 生故 障的频带 ， 而找 出往复式 找 进
正交分解方法 ， 它可以根据被分析信号本身的特点 ， 自适 应
地选择频带 ， 确定信 号在不 同频段 的分辨率 对小波 包分解
得到的各频带 内的信号 进行统 计分析 ， 形成 反映信 号特征
信号 ， 并对振 动信 号进行分 析和研 究来 诊断往 复式 隔膜泵
收 稿 日期 ：０２ ０ － １ ２ １ －８ ２
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ａｉ ｎ ａ ｉ ｅｓｔ ，ｕ ｃ ｒａｎ ｙ ｎ ｃ ｎ ｕ ｒ ｎ ｙ ｈ ｒ ｃｅ ｉｔ ｓ ｆ ｆ ｉ ｒ ｏ ｔ ｅ ｅ ｉ ｒ ｃ ｔ ｇ ｓｒ ｃ ： ｍｉ ｇ ｔ ｖ ｒ ｉ ｄ ｙ ｎ ｅｔ ｉ ｔ ａ ｄ ｏ ｃ ｒｅ ｃ ｃ ａ ａ ｔｒｓ ｃ ｏ ａｌ ｅ ｆ ｈ ｒｃ ｐ ｏ ａｉ ｉ ｕ ｎ
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０ 引 言
故障 。 由于 往 复 式 隔膜 泵 结 构 复 杂 、 励 源 多 、 损 件 多 、 激 易 信
目前 ， 由于 管 道 输 送 行 业 的 迅 速 发 展 ， 成 往 复 式 隔 膜 促
泵大量使 用。作 为管道输送 的核 心动力 输 出设 备 ， 往复 式
隔膜 泵 发 挥 着 关 键 作 用 。往 复 式 隔膜 泵 的运 行 性 能 的好 坏
传 感 器 与 微 系 统 了一种故 障情况 。因而 ， 以提取 包含 待诊断 部件 故障 可 信息 的频带 能量谱 ， 进而得到故障诊断 的特征 频带 ， 以此作 为故障诊 断的依 据。
１ 小 波 包 分 析
（ ． 明 理 工 大 学 信 息 工程 与 自动 化 学 院 ， 南 昆 明 ６ ００ １昆 云 ５ ５０； ２ 云 南 省 矿 物 管 道 输 送 工 程 技 术 研 究 中 心 ， 南 昆 明 ６０ ０ ） ． 云 ５ ５０
摘 要 ：针对往复式隔膜泵故 障的多元性 、 不确定性和并发性 的特点 ， 出了基于小波包能量谱 的往复式 提
＋ ＝ ① 。 ． （） ６
高频部分进一步分解 ， 并能够根据被分 析信号 的特 征 ， 自适
应地 选择 频段 ， 与信号 频谱 相互 匹配 ， 而提 高时频 分辨 从 率’， 因此 ， 具有极为广泛的应用价值。图 １为一个三层小
波包树形分解 图。
小波包分解算法 ： ｛ “＇ 求 ｛ 由 ｝
ｄ ａ ｈ ａ ｍ ｍ ｐ， ｆｕ ｔ ｉｇ ｓｓ ｅｈ ｄ ｏ ｅ ｉ ｏｃ ｔｎｇ ｉ ｐ ｒ ｇ ｉ ｐ ｒ ｇ ｐｕ ａ ａ ｌ ｄ ａ ｎｏ ｉ ｍ ｔｏ ｆ ｒ ｒ ｃｐｒ ａ ｉ ｄ ａ ｈ ａ ｍ ｐ ｕｍｐ ａ ｅ ｏ ｗａ ｅ ｅ ｃ ｅ ｅ ｅ ｇ ｂ ｓ ｄ ｎ ｖ ｌ ｔｐａ ｋ ｔ ｎ ｒｙ ｓ ｃｒ ｍ ｓ ｐｒｐｏ ｅ ｐｅ ｔｕ ｉ ｏ ｓ ｄ．Ｗ ａ ｌ ｔｐａ ｋ ｔｃ ｎ ｅ ｏ ｏｓ ｖｂｒｔｏ ｓｇ ｌｔ ｄｆｅｅ ｕ ｂ ｎ ，ａ ｈ ｏ ｇ ｅ ｃ ｖｅｅ ｃ ｅ ａ ｄ ｃ ｍｐ ｅ ｉ ａ ｉｎ ｉｎａ ｏ ｉｆｒ ｎｔｓ ｂ— ａ ｄｓ ｎｄ ｔ ｒ ｕ ｈ ａ ｈ ｓ — ｎ ｉｎａ ｎｅｇ ｈａ ｇ ｓ，ｅ ｅ ｔ ｑ ｐ ｅ ｔｏ ｅ ａ ｉｇ ｃ ｎ ｉｉ ｎ ． ｒ ｕｇ ｈ ｃ ｕ ｓｔｏ ｆ ｒｃｐｒ ｃ ｔｎｇ ｕｂ ｂａ ｄ ｓｇ ｌｅ ｒ ｙ ｃ ｎ ｅ ｒ ｆ ｃｓ ｅ ｕｉｍ ｎ ｐ ｒ ｔｎ ｏ ｄ ｔｏ ｓ Ｔｈ ｏ ｈ ｔｅ ａ ｑ ｉｉｉ ｎ ｏ ｅ ｉ ｏ ａｉ ｌ ｄ ａ ｒ ｇ ｐｕ ｐ ｖ ｂ ａｉ ｎ ｓｇ ａ ，ｈ ｖ ｌｔｐａ ｋｅ ｃ ｍ ｐ ｓ ｓ ｔ ｕｔｐｌ ｕ ｂ ｎ ｉｐｈ ａ ｍ ｍ ｉ ｒ ｔｏ ｉｎ ｔ ｅ ｗａ ｅ ｅ ｃ ｔｄｅ ｏ ｏ ｅ ｏ ｍ ｌｉ ｅ ｓ ｂ— ａ ｄｓ， ａｃ ｌｔ ｓｔ ｅ ｅ ｅ ｇ ｎ ｌ ｃ ｌ ｕ ａｅ ｈ ｎ ｒ ｙ ａ ｄ ｅ ｅ ｇ ａｉ ｆｅ ｃ ａ ｄ， ｎｄ ｔ ｎ ｏｍｐ ｒ ｅ ｒ ａ ｉ ｐ ｃｒ ｎ ｒｙ ｒ ｔｏ ｏ ａ ｈ ｂ ｎ ａ ｈｅ ｃ ａ ｅ ｎｅ ｇ ｒ ｔｏ ｓ ｅ ｔｕｍ ｆｆ ｕ ｔｖｂ ａｉｎ ｓｇ ａ ｎ ｎ ｒ ａ ｉ ａｉｎ ｙ ｏ ａ ｌ ｉｒ ｔｏ ｉｎ ｌａ ｄ ｏｍ ｌｖｂｒｔｏ
Ｓｃｅ ｅ ａ ｉｎｃ ｎｄ ｃ Ｔｅ ｈｎｏ ｏ ｙ， ｕｎｍ ｉ ５ ０ ， ｌｇ Ｋ ｎｇ ６ ０５ ０ Ｃｈｉ ｎａ；
２ Ｅ ｇｎ ｅ ｉｇＲｅｅ ｒｈ Ｃｅ ｅ ｏ ｉｅ ａ ｉ ｅｉ ｅＴｒ ｎ ｐ ｒａｉｎ ｏ ｎ ａ Ｋｕ ｍｉ ｇ６ ０ ０ Ｃｈｎ ． ｎ ｉｅ ｒｎ ｓａ ｃ ｎｔｒｆ ｒＭ ｎ ｒ ｌ ｐ ｌ ａ ｓ ｏ ｔｔｏ ｆＹｕ ｎ ｎ． ｎ ｎ ５ ５ ０， ｉａ） Ｐ ｎ