一种基于润滑油磨粒静电信号辨识的方法技术

本发明专利技术涉及磨粒静电信号监测技术领域，且公开了一种基于润滑油磨粒静电信号辨识的方法及系统，包括传感器，金属探极，绝缘管，屏蔽罩与采集电路等模块；传感器内部绝缘管为较薄的陶瓷管，油液从陶瓷管内通过，且传感器螺旋探极贴合陶瓷管表面，本发明专利技术提出了一种基于变分模态分解和霍斯多夫距离度量的磨粒实时辨识方法，首先构建了基于变分模态分解和包络信号相关性准则的信号增强模型，通过模态分量优化重构使可能存在的磨粒信号脉冲得到增强；随后基于双通道探极信号和霍斯多夫距离度量方法的对磨粒信号进行进一步确认，并最后通过油液荷电实验装置和齿轮减速机润滑油液在线监测平台开展验证实验，实现对故障零部件的诊断。断。

【技术实现步骤摘要】
一种基于润滑油磨粒静电信号辨识的方法


[0001]本专利技术属于磨粒静电信号监测
，具体为一种基于润滑油磨粒静电信号辨识的方法及系统。

技术介绍

[0002]刮板输送机、采煤机等重型机械是煤矿开采核心装备，其结构复杂、工作载荷大，在齿轮减速机等关键传动部件上需要具备良好的润滑油，能够减小摩擦副磨损并及时带走磨粒，保证装备健康运行。因此，润滑油通常携带一些磨粒，这些磨粒蕴含了传动件磨损程度或早期失效信息，通过对磨粒进实时监测能够感知磨损状态，对于装备维护具有重要意义。
[0003]目前，主要磨粒分析方法包括基于光谱和铁谱的离线取样和基于电感和电容原理的在线监测。离线取样方法精度较高，但过于依赖于经验，无法实时反馈磨粒信息；电感和电容式监测技术在多个产业中应用，但是由于需要对敏感元件进行主动电压激励，其瞬时电压幅值容易超过安全标准，在煤炭矿井环境中，难以进行应用。
[0004]近年来，润滑油磨粒静电监测技术成为研究热点，该技术基于静电感应原理，可对早期磨损阶段磨粒进行实时探测，具有更高的灵敏度和故障预警能力。
[0005]南安普顿大学从磨粒荷电机理、传感器设计、台架实验等方面对磨粒静电监测技术开展了研究；Harvey发现轴承胶合磨损时产生的磨粒带正电荷，电荷的大小与总体积损失直接相关；Wood对润滑油摩擦充电现象进行了研究，发现润滑油流动会携带一定电荷；Morris等研究了摩擦材料对电荷机制的影响，解释了静电信号早于胶合故障出现的主要原因。在传感模型方面，Xu等人建立了一个环形探极静电传感器的有限元模型，并研究了其空间灵敏度、空间滤波效应和时间频率响应特性；Yan等根据点电荷静电场空间分布，对环状探极空间点电荷数学模型进行数学解析，揭示了传感器的灵敏度与电荷的大小以及颗粒位置有关；Rahmat等在环状探极电荷模型基础上，揭示了被测颗粒粒径与信号间的关系；ZUO等在传感机理、传感电路等方面开展了研究，针对静电传感器进行了模型仿真和优化，研制了软硬件原型系统；MAO在实验室环境下，利用销盘磨损试验机开展了探索实验，初步证明磨损状态和静电信号幅值呈正相关趋势,初步验证了静电监测技术的可行性。
[0006]之前研究大多集中于静电感应机理和传感模型方面，如何将这一技术应用到采掘装备齿轮润滑油磨粒监测中，实现精准磨粒统计，仍然需要开展研究。此外，由于静电信号容易受到噪声干扰，采用何种方法有效降低外界噪声干扰，提取到磨粒形成的信号，进一步对信号进行精准辨识，从而实现对磨粒实时跟踪，这是目前的另一个挑战。针对这一难点，本专利技术提出了一种基于变分模态分解和霍斯多夫距离度量的磨粒实时辨识方法。首先构建了基于变分模态分解和包络信号相关性准则的信号增强模型，通过模态分量优化重构使可能存在的磨粒信号脉冲得到增强；随后基于双通道探极信号和霍斯多夫距离度量方法的对磨粒信号进行进一步确认，并最后通过油液荷电实验装置和齿轮减速机润滑油液在线监测平台开展验证实验，来实现对故障零部件的诊断。

技术实现思路

[0007]针对上述情况，为克服现有技术的缺陷，本专利技术提供一种基于润滑油磨粒静电信号辨识的方法及系统，有效的解决了上述
技术介绍
中提到的的问题。
[0008]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种基于润滑油磨粒静电信号辨识的方法，步骤包括：步骤一：可能的磨粒信号进行降噪和增强，考虑到噪声特点和计算时长的因素，提出一种基于变分模态分解VMD和包络信号相关性的磨粒信号增强模型；步骤二：VMD分解结果可以看出，磨粒造成脉冲波形具有明显冲击形态，原始信号中能看到典型的磨粒波形形态，根据这一特点，在重构IMF时，首先需要考虑将具有冲击形态的VIMF分量筛选出来；步骤三：利用峭度准则进行筛选，选择峭度排名前二的IMF分量作为首次筛选结果；步骤四：依次计算包络信号与VMD分解得到的IMF的相关系数。
[0009]优选的，步骤一中还包括：VMD算法能够进行自适应分解静电信号，通过分解找到若干个最优IMF，并希望这些IMF频谱带宽之和达到最小，约束条件为将各个IMF时域叠加后等于输入信号；VMD算法较为适合对内部包含几类主要模态的信号进行处理，夹带多类噪声磨粒静电信号也具有类似特点。
[0010]优选的，在步骤三中还包括：峭度对冲击类的信号敏感，随机白噪声峭度系数约为3，当磨粒脉冲增多时，峭度值增加较快，为了避免遗漏小幅值冲击成分，本专利技术对6个VIMF分量进行排序；为了通过形态相似这一特点使磨粒信号得到增强，进一步利用原始信号的包络信号与IMF的相关性作为准则，进行第二次筛选。
[0011]优选的，在步骤四中还包括：如果相关系数绝对值大于0.7，则认为序列之间使强相关的；将2个IMF与原始信号的包络之间的相关系数进行计算，选择其中大于0.7的IMF作为重构成分，如果全部都大于0.7，则都作为重构成分；这里计算得出IMF5和IMF6对应的相关系数都大于0.7，因此最终都作为重构成分，可能的磨粒信号被明显增强。
[0012]优选的，在步骤一中还包括：获取增强信号后，需利用模型识别磨粒信号，一种基于滑动窗互相关和波峰凸起度的磨粒辨识模型，首先基于传感器结构参数及油流流速，构造用于识别的仿真滑动窗信号，考虑磨粒可能带电极性不同，而使用电荷信号。
[0013]优选的，获得增强信号后还包括：将得到的增强信号进行积分得到原始电荷信号，设定滑动窗每次步进10个采样点，每次计算滑动窗信号与处于滑动窗范围的原始电荷信号的互相关序列，互相关函数能够有效衡量两个时间序列波形的相似度；滑动窗遍历整个信号后得到的互相关最大值计算结果，归一化后得到了四个互相关函数较大的波峰，显然，四个较大的波峰很大程度上由四个可能的磨粒脉冲所引发；其中仍可以看出一些小波峰，所以并不能仅通过识别波峰来判断磨粒的个数，需要特定方法将这四个较大波峰筛选出来，通过观察发现，由于磨粒具有一定的速度，约等于
油流的速度，磨粒造成的互相关最大值图像的波峰具有明显的较为陡峭特征，因此，本专利技术选择波峰显著性作为总体判别依据，通过峰值突出度可以将那些形状较为平坦波峰进行过滤，避免干扰，基于MATLAB 软件，得到互相关函数最大值曲线的寻峰结果；需要考虑设定磨粒判断阈值，当波峰显著度高于该阈值时，认为很大可能是由于磨粒导致，而低于该阈值时，则不予识别，阈值设定为所有波峰显著度四分位差的1.5倍，将高于阈值的点识别为离群点，通过离群点，可以定位互相关函数图中的波峰具体位置。
[0014]本专利技术还提供了一种磨粒静电监测系统，基于上述的一种基于润滑油磨粒静电信号辨识的方法，包括传感器，金属探极，绝缘管，屏蔽罩与采集电路等模块；传感器内部绝缘管为较薄的陶瓷管，油液从陶瓷管内通过，且传感器螺旋探极贴合陶瓷管表面；屏蔽外壳部分接地，保护传感器不受外部电磁干扰，感应探极与信号调理电路相连，通过信号调节电路可将电荷信号转换为电压信号，从而被采集，经过数据分析后得到深层次的信息。
[0015]优选的，金属探极采用双探极前后阵列设计。
[0016]与现有技术相比本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于润滑油磨粒静电信号辨识的方法，其特征在于：步骤包括：步骤一：可能的磨粒信号进行降噪和增强，考虑到噪声特点和计算时长的因素，提出一种基于变分模态分解VMD和包络信号相关性的磨粒信号增强模型；步骤二：VMD分解结果可以看出，磨粒造成脉冲波形具有明显冲击形态，原始信号中能看到典型的磨粒波形形态，根据这一特点，在重构IMF时，首先需要考虑将具有冲击形态的VIMF分量筛选出来；步骤三：利用峭度准则进行筛选，选择峭度排名前二的IMF分量作为首次筛选结果；步骤四：依次计算包络信号与VMD分解得到的IMF的相关系数。2.根据权利要求1所述的一种基于润滑油磨粒静电信号辨识的方法，其特征在于，步骤一中还包括：VMD算法能够进行自适应分解静电信号，通过分解找到若干个最优IMF，并希望这些IMF频谱带宽之和达到最小，约束条件为将各个IMF时域叠加后等于输入信号；VMD算法较为适合对内部包含几类主要模态的信号进行处理，夹带多类噪声磨粒静电信号也具有类似特点。3.根据权利要求1所述的一种基于润滑油磨粒静电信号辨识的方法，其特征在于，在步骤三中还包括：峭度对冲击类的信号敏感，随机白噪声峭度系数约为3，当磨粒脉冲增多时，峭度值增加较快，为了避免遗漏小幅值冲击成分，本发明对6个VIMF分量进行排序；为了通过形态相似这一特点使磨粒信号得到增强，进一步利用原始信号的包络信号与IMF的相关性作为准则，进行第二次筛选。4.根据权利要求1所述的一种基于润滑油磨粒静电信号辨识的方法，其特征在于，在步骤四中还包括：如果相关系数绝对值大于0.7，则认为序列之间使强相关的；将2个IMF与原始信号的包络之间的相关系数进行计算，选择其中大于0.7的IMF作为重构成分，如果全部都大于0.7，则都作为重构成分；这里计算得出IMF5和IMF6对应的相关系数都大于0.7，因此最终都作为重构成分，可能的磨粒信号被明显增强。5.根据权利要求1所述的一种基于润滑油磨粒静电信号辨识的方法，其特征在于，在步骤一中还包括：获取增强信号后，需利用模型识别磨粒信号，一种基...

【专利技术属性】
技术研发人员：殷逸冰，文振华，宋磊，张强，袁智，冯龙，刘尊民，郭霄，王梦寒，王骊祥，
申请(专利权)人：郑州航空工业管理学院，
类型：发明
国别省市：