（机械电子工程专业论文）基于小波包分析的岸桥模型小车轨道状态分类识别技术.pdf

1 坶坶运学院硕 硷史 摘要 随着我国加入w t o ，我国港口在进出口贸易，1 ，的地位更加显得突出。9 0 年代以 来，是世界集装箱运输飞速发展的时期与之相对席的是集皴箱桥吊( 以下简称岸 桥) 的大型化和高效化。往岸桥前大梁与后大粱处有连接铰点，每次作业的循环 巾，小车都要负载或空载通过该铰点，这会对铰点处的轨道接头产牛定的冲h 和 振动，这些冲i f 和振动会带米许多危害，若不及时发现，将会对整机的t 作性能、 效率产生重要的影响。 近二十多年来，我国些高等院校、研究所和t 厂，在振动监测和故障诊断这 一领域开展了许多研究t 作，并取得了不少成果，但是对于岸桥轨道铰接处振动的 监测和故障诊断则不够完善。本论文即是以此为研究的切入点，通过在岸桥模型上 进行模拟试验，收集岸桥铰接处轨道在不同高低差、不同的车速和载重下的信号， 应用小波包分解的统计量的分析技术对这些数据进行分析。 在应用小波包分解时，存在着小波基的选择问题，不同的小波菸具有不同的时 频特性，因此同信号经过不同小波基进行分析往往会表现出不同的结果。本文分 析了常用一维小波基的特性，针对本试验的特征，比较了h a a r 小波基、d a u b e c h i e s 小波基、c o i f l e t 小波摹、s y m l e t s 小波基、b i o r 小波基、m e y e r 小波基、m o r l e t 小波基、m e x i c a nh a t 小波基，在这几种小波基中，找出了最适合本试验的小波基 b i o r 3 3 。 统计量的分析方法多种多样，本文选用了峭度指标、裕度指标分析小波包分解 后各频段的数据，经过大量数据的比较，发现选用峭度指标、裕度指标对数据分析 有帮助：由峭度指标能区别出两侧轨道中是哪。侧出故障：应用裕度指标找出了在 岸桥铰接处轨道的不同高度差下，该指标的变化规律。同时在计算峭度指标、裕度 指标中，通过比较认为平滑法计算较精确，并选明了该方法计算统计量。 本论文由测试参数的确定、测试点的选择、测试试验硬件的配置及测试工况的 确定，拟定了在岸桥模型上模拟岸桥丰铰处故障的测试试验方案。通过对测试试验 数据的小波包分解的统计量的分析，发现经过尺度为5 的小波包分解后，在 2 6 2 5 - 2 7 5 0 h z 频段内，统计量平滑裕度指标随着岸桥铰接处轨道的高度差的增 加而增加。由于振动数据是在岸桥模型上模拟而获得的，具有定的可信度，因此 该分析结果对以后的实际应用有一定的指导作用! 关键字：集裟箱桥吊，小波包分解，峭度指标，裕度指标 谢村运学院硎i 论义 s t u d y o nc o n d i t i o nc l a s s i f i c a t i o no f t r o l l e yt r a c k s o f q u a y s i d e c o n t a i n e rc r a n em o d e l a p p l i e d w i t hw a v e l e tp a c k e t a n a l y s i s a b s t r a c t t h ep o r to fo u rc o u n t r yi sm o r eo u t s t a n d i n gi nt h ep o s i t i o no fi m p o r l e x p o r t t r a d ea so u rc o u n t r y j o i n st h ew o r l dt r a d eo r g a n i z a t i o n s i n c et h e19 9 0 s ，i tw a s t h ep e r i o dt h a tt h ec o n t a i n e r i z e dt r a n s p o r to ft h ew o r l dd e v e l o p e da tf u l ls p e e d ， w h a tt h eo n e st h a tc o r r e s p o n d e dt oi ti nt h eq u a y s i d ec o n t a i n e rc r a n e ( c r a n ef o r s h o d ) a n dt h ec r a n ei s m o r el a r g e s c a l ya n dh i g h e f f i c i e n t l y t h e r ei sah i n g e b e t w e e nt h es u m m e rb e a m t h et r o l l e ya l w a y st r a n s i f st h eh i n g ew h e n e v e ri t l o a d so ru n l o a d s i tw i l lc a u s ei m p a c t i o na n dv i b r a t i o n t h e nt h e s ei m p a c l i o na n d v i b r a t i o nw i l lm a k ei m p o r t a n ti n f l u e n c ei nt h ee f f i c i e n c yw o r k i n go fc r a n e i fw e d o n td i s c o v e rt h o s ei nl i m e i nt h el a s t2 0y e a r s ，t h e r ew e r el o t so fc o l l e g e s ，i n s t i t u t e sa n df a c t o r i e s s t u d i e di nt h ev i b r a t i o nd e t e c t i o na n df a i l u r e d i a g n o s i s a s ar e s u l t i th a s d e v e l o p e da i o to fr e s e a r c hw o r ki nt h i sf i e l d b u tt h ev i b r a t i o nd e t e c t i o na n d f a i l u r ed i a g n o s i st ot h eh i n g eo fc r a n ei sn o tp e r f e c t t h u st h i st h e s i si n v e s t i g a t e s i nt h ep o i n t t h o u g ht h ei m i t a t i n ge x p e r i m e n ti nc r a n em o d e l ，t h e r ea r eag r e a t d e a lo fd i f f e r e n ts i g n a l sa r ec o l l e c t e di nd i f f e r e n tc a s e st h e nt h e a n a l y s i s t e c h n i q u eo f t h ew a v e l e tp a c k e t sa n ds t a t i s t i ca r ea p p l i e d i n u s i n gt h ew a v e l e tp a c k e r s t h e r ei s a ni s s u ei n c h o o s i n gt h ew a v e f u n c t i o n b e c a u s ed i f f e r e n tw a v ef u n c t i o n sh a sd i f f e r e n tt i m ed o m a i n s p e c i f i c a t i o n a n df r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c i tw i l le x p r e s sad i f f e r e n tr e s u l tt h a td i f f e r e n tw a v e f u n c l i o n sa r ea p p l i e di nt h es a m es i g n a l i nt h i st h e s i s ，o n ed i m e n s i o nw a v e f u n c t i o n si nc o m m o nu s ei sa n a l y z e d c o m p a r e dw i t ht h e s ew a v ef u n c t i o n so f h a a r d a u b e c h i e s ，c o i f l e t 。s y m l e t s ，b i o r m e y e r m o r l e ta n dm e x i c a nh a t ，t h e w a v ef u n c t i o no fb i e r 3 3i s p i c k e d o u t c o n s i d e r i n g t h ec h a r a c t e ro ft h i s e x p e r i m e n t 海海运学院硕士论文 t h e r ea r ev a r i o u sm e t h o d si nt h ea n a l y s i so fs t a t i s t i c s k u r t o s i sv a l u ea n d c l e a r a n c ef a c t o rw e r eu s e dt o a n a l y s i s t h e s e s i g n a l s t h a th a v eb e e n d e c o m p o s e db vt h ew a v e l e tp a c k e t s a n dk u r t o s i sv a l u ea n dc l e a r a n c ef a c t o r w e r eg o o da f f e rag o o dd e a lo fd a t aw a sc o m p a r e d b yk ur t o s i sv a l u e 。i tc a n d i s t i n g u i s ho u tw h i c hs i d eh a sf a u l t a n dal a wc a nb ed i s c o v e r e db yc l e a r a n c e f a c t o r ，b yv i r t u eo ft h ea c c u r a c yo ft h es m o o t h i n ga l g o r i t h m i t i su s e di nt h e c a l c u l a t i o no fs t a t i s t i c s i nt h i st h e s i s ，t h o u g he s t a b l i s h i n gt e s tp a r a m e t e r s t e s tp o i n t s t e s th a r d w a r e s a n dt e s tc a s e s ，t e s tm e t h o dp l a nt oa n a l o gt h ef a u l ti nt h ec r a n eh i n g eb yc r a n e m o d e l a f t e rd i m e n s i o n sf o r5o ft h ew a v e l e tp a c k e t sa n ds t a t i s t i ca n a l y s i s s t a t i s t i c s s m o o t hc l e a r a n c ef a c t o ra r ei n c r e a s e da sl h ei n c r e a s eo ft h e d i f f e r e n c ei nh e i g h to f t h ec r a n e h i n g e ，i n2 6 2 5 2 7 5 0h zf r e q u e n c y c h a n n e l s t h e s ev i b r a t i o nd a t aa r ec r e d i b l eb e c a u s et h o s ec o l i e c t e df r o mt h es i m u l a t i o n l nt h ec r a n em o d e l t h e r e f o r et h ea n a l y s i sh a sc e r t a i ng u i d a n c ef u n c t i o n st ot h e p r a c t i c a la p p l i c a t i o n f o rt h ef u t u r ei nt h er e s u l t ! c h e n gm e i ( m e c h a n i c a le l e c t r o n i ce n g i n e e d n g ) d i r e c t e db y ：p r o f h ux i o n g k e y w o r d s ：t h eq u a y s i d ec o n f i n e rc r a n e t h ew a v e l e tp a c k e ta n a l y s i s k u r t o s i sv a l u e c l e a r a n c ef a d o r 论文独创性声明 本论文是我个人在导师壬昔导下进行的研究工作及取得的确咖澡论文 中除了特别加以掭注和致谢的地方外r 不包含其他 或其他机构已经发表或 撰写过的韧蜜滴镧毛其他同志焚嘲锨的启墨渖所做的：霓献均已在论文中作 了明确的声明并表示了谢意i 本人i 司意e 海海运学院有关保留、使用学位论文的规定即i 学校有权 保留送交论文复印件允许论文技查阅和借阅：蝴以上网公撇的全 部或部分内容可以采用影印、缩印或者其它复铽手段第右；论文保密的论 文在解密后遵守此规定， 作者签名：越邈导师签名：主匣壹查日期：竺型：! ：竺 j ：海海运学院硕f j 学位论文 第一章绪论 随着设备自动化程度提高，其结构日趋复杂，。同出现故障，就会产牛链 式反应，以致整个设备嵌坏，不仪造成巨大经济_ ：6 失，向且会危及人身安全。 美国三里岛核电站1 9 7 9 年由十系统误判，开关曝操作，堆芯严重损失，放射 物外流，损失几t 亿美j t ，公开引起居民示威。1 9 8 6 年1 月美国“挑战者”号 航天飞机，由于密封装置不完善造成爆炸。1 9 8 5 年1 0 月我国某电厂2 0 万千瓦 汽轮机发电机组突然发牛强烈振动，声音异常，在不到分钟内，转速由 3 0 0 0 r m i n 升至4 5 0 0 r m 1n ，机组转子的联轴嚣螺柃有4 处全部脱出或断裂， 发生毁机的严重事故。2 0 0 0 年1 2 月1 1 日，号称是美军下代主力作战飞机的 v 一2 2 “鱼鹰”偏转翼飞帆也因为机械故障而造成机毁人亡的惨痛事件。2 0 0 2 年3 月1 日著名的阿里i i 森林小火车冈机械故障刹车失灵，在神木站附近撩 山，造成l7 人罹难与1 4 0 多人受伤的惨剧。 实践使人们认识到，要使设备可靠、有效的运行，充分发挥其效益，必须 发展状态监测和故障诊断技术。 12 机械故障诊断技术综述 1 2 1 机械故障诊断技术的发展简史 美国是机械故障诊断技术的发源地。1 9 6 7 年4 月，美国成立了机械故障预 防小组( m f p g m e c h a n ic a lf a u l tp r e y e n t i 0 1 1 g r o u p ) ，开始开展学术研究 及学术交流活动。随后，美国的a s m e 、e p r i 等著名组织和机构也开始仿效， 成立专门机构开展活动。在欧洲、英国也开展了这项活动。瑞典、丹麦、挪威、 葡萄牙、法国等，虽然起步较晚，侗进步很快。、i f 洲普遍反应迟钝些，日本子 二卜世纪七十年代初开始研究这项技术。我国在二。f 世纪七i j 年代末开始接触 诊断技术。正式开始研究是八卜年代，真正应埘是九卜年代”1 。 辩海运学豌坝l 学位硷义 1 2 2 机械故障诊断技术的应用现状及发展趋势 随着电子技术和计算机技术的迅速发展，作为机械设备诊断重要手段和t 具的监测与诊断系统也得到了很大的发展。 ( 1 ) 进展。” 在短短的三t 一多年时问内，机械故障诊断技术取得了巨大的进展，主要表 现在以下方面： ( a ) 计算机技术的发展使得在线t 况监测技术日益完善。在线t 况监视 的实现使得视情维修制度这利一科学的维修制度有了技术保障，并使 实时诊断成为可能，且已有众多的故障诊断软件系统可供使用。 ( b )故障诊断方法不断出现新成果。灰色分析、时问序列分析、倒频谱 分析、全息潜分析、故障诊断人丁= 智能专家系统、人丁神经网络系 统等技术已在故障诊断r 】应用，并取得了可喜的成果。这些方法的 出现，使故障诊断水平得到迅速提商。 ( c )超声波技术、声发射技术、热象诊断技术、油样分析诊断技术及涡 流诊断技术等技术的应用日趋成熟，扩大了故障诊断技术的使用范 围。 ( d )从事故障诊断的专业人员数量有所增加。 ( 2 ) 存在的主要问题” 在取得巨大进展的同时，机械故障诊断技术领域还存在很多问题，概括起 来主要体现在以下几个方面： ( a )重理论研究，轻t 程应刖。迄今为止，国内外公开发表的关于机械 故障诊断的研究报告及论文数以万计，新的诊断理论和方法不断出 现f f ；l 真正，u 于生产实际的却屈指可数。 ( b )重商层次的理论与技术，轻基本的简单技术。 ( c )故障诊断专业人员数量还远远不能满足要求。 ( d )我国现有的无损监测人员的资格认证还没有以国际标准 i s 0 9 7 1 2 1 9 9 9 为依据。 ( 3 ) 发展趋势“ 近年来，机械故障诊断理论与技术有了长足的进步。从最近的研究动态与 技术信息分析，机械故障诊断技术有下列几个发展的趋势： ( a )进一步发展故障诊断专家系统 故障诊断专家系统的研究比较活跃。专家系统是为了解决具有专家级水平 问题的计算机程序系统，也是一种拥有人工智能的计算机系统，是诊断技术的 1 1 晦海运学院硕l 学位论义 高级形式，又称知识侔咨询系统。专家系统的高性能及实用性所产生的巨大经 济效益，引起了学术界与丁程技术届的高度重视。世界上许多国家已将其列入 国家重_ 研究项n 。自1 9 8 7 年第个j l 医，专家系统d a r t 在美国斯坦福大学 问世以来。至今，故障诊断专家系统已得到了广泛的戍川。如发动机故障诊 断系统、c n c 机床故障诊断系统等。 专家系统是机械故障诊断技术的个发展方向。口前各国学者正住研制开 发功能更强大，学爿能力更强的具有高度智能的第二代专家系统。 ( b )继续探索故障诊断的新鄹论新方法 近年米，各国学并不断的将些新砰论川于机械故障诊断，取得了许多成 果，且又产牛了许多新的力法。如利用图论i 1 的可到达矩阵确定可以故障集； 利用小波变换( w a y e l e tt r a n s f o r m ) 理论与方法，来进行联合诊断机械设备 的故障”1 “：用灰色预测模型用于故障的预测预报“”：应用人丁神经网络对机 械设备进行诊断和预测等”。据资料介绍，日前有学者正在研究利用虚拟现实 技术进行故障诊断并已有应用”“。 ( c )进步发展检测技术 现代机械故障诊断离不开检测技术。机械故障诊断技术所用检测技术大多 采用无损检测技术( n d t ) 。月前无损检测技术中仍以超声检测、涡流检测、射 线检测、声发射检测和磁力检测为主。 ( d )诊断仪器设备正朝着自动化、图像化、计算机化、小型化方向发展 目前大多数仪器设备都具备了功能全、体积小、重量轻、携带方便等特点。 现代诊断仪器的自动化程度已经达到了令人吃惊的地步。如英国生产的超声波 管道机器人，可以在管道接受处自动调节位置和角度，使超声波探头始终处于 良好耦合状态。意大利生产的诊断机器人的操纵系统采用c a d ( 计算机辅助设 计) 或c a t i a ( 计算机增强的三维交互作用设计) 技术。据资料介绍，有些国 家正在利用纳米技术研制超微型机器人，拟用其去寻找、诊断一些机械装置系 统内部的故障。 ( e ) 研制弓使川新型传感器技术 传感器就如人的五官，是诊断技术t l 获取信息的重要工具。现代计算机技 术使传感器技术发生了巨大的变革。目前传感器种类繁多，已形成了一个大家 族，许多新型传感器已成为国内外t 程技术界竞相研制开发的热点。 商海运学院硕1 ：学位做 1 3 小波、小波包分析的概述 ( 1 ) 小波分析的概述 ( a )小波分析的发展历史 小波分析技术是近年来迅速发展起来的新兴技术，在欧美国家已成为众多 学科共同关注的热点。它被认为是傅里叶分析的突破性进展，是调和分析这 数字领域半个世纪以米t 作的结晶；另方面，它正逐步应用于信号分析、系 统控制、幽像处邳、量子力学、电子对抗、计算机识别、语音识别和数字电视 等领域“”。 小波变换的概念首先是由法国地质学家j g o r l e t 和6 r o s s m a n 在20 世纪 7 0 年代分析处理地震数据时引迸的，并在成功地运用于地震信号的分析后，法 国著名数学家m e y e r 又从理论上对其进行了系列研究，极大地丰富了现代调 和分析的理论，1 9 8 8 年a r n e o d o 及o r a s s e a u 等人又将小波分析用于混沌动力 学和分形理论以研究湍流及分彤现缘，1 9 9 0 年诺锦泰和王建忠构造了基于样条 函数的甲正交小波函数，同时，国内。些名牌大学也将小波分析作为一个研究 热点，视为极具应用前景的研究领域“”“1 。 ( b )小波分析的发展现状 小波研究包括理论研究和应用研究两大类。前者以m e y e ry ，c h u ick 等 人为代表，其研究成果如样各小波、样各框架理论等均极富特色；后者以 w i c k h a u s e rmv 等人为代表，在科技信息领域取得令人瞩日的成就。应用研究 是小波研究中极富牛机的部分，所涉及的范围十分广阔，它包括：信号分析、 图象处理、量子力学、理论物理、数学领域的许多学科、军事电子对抗与武器 的智能化、大型机械的故障诊断、音乐与语言的人t 合成、地震勘探数据处理、 石油、天然气储量的预测及勘探井位的确定、医学成像! _ 孑诊断等方面。 电子信息技术作为j i 弋六大高科技t 4 ，个重要的领域，大量涉及信号与图 象处理。信号处理的f ：= i 的是：准确地分析与诊断、编码压缩与量化、快速传递 或存储、精确的重构或恢复。小波分析的许多应用，都可归结为信号处理问题。 例如在信号分析方面的滤波，去嗓音。压缩，传递；在图象处理方面的分类， 去污，识别与诊断；在医学成像方面的减少b 超、核磁共振成像的时间，提 高分辨率等。 另外，小波分析在控制论、电子地图、计算机视觉、计算机图形学、流体 湍流、远程宇宙等众多领域均有广泛应用。文献 1 7 综合说明了在大地电磁信 号处理扣采用小波变换进行谱估计的具体应用。该方法与傅里叶变换所采用的 f f t 谱估计方法相比，可有效艉制较强的白噪声和局部相关噪声大大降低对 卜海海运学院硼1 节位论史 信号记录长度的要求，降低信号采集的成本：并通过引入整体平均、小波系数 收缩和显著性检验等统计技术，显著提高谱估计的精度。在讨论连续小波变换 巾各利t 参数选取规律的同时，也给出了m o r le t 小波函数l 尺度弓傅里叶频率 之间进行转换的经验公式及谱估计的具体算法，具有重大的实际意义。 在石油、天然气的地球物理勘探t h 小波变换的基本思想和各种特性也显 示出重要的廊川价值。文献 1 8 利川小波变换的多分辨率特性，对地震测井信 号进行了时频分析和处理：文献 1 9 2 0 以h a a r 函数作尺度函数，阐述了在 l 2 ( r ) 函数空问- i ，多尺度分析( m r a ) 与小波正交分解的理论，由此得到构造小波 函数的直接方法，并将之廊川于t 程实践，根据地簏道的奇性特征和分辨特征， 利用m r a 选取能够较好地适合于地震道奇性检测的小波函数，对实际的资料应 州离散二进小波变换进行处理，取得了满意结果。文献 2 1 则将多重分形和小 波变换紧密结合，用于油气储量的预测及勘探爿：位的预测。 小波技术在机械监测诊断领域的应用，是小波技术在信号分析 ，应川的又 一重要方面。其成果更加异彩纷呈，如将小波变换与分形分析相结合，通过小 波分解信号的网格维数值，正确反映汽轮机轴瓦松动故障“”；用二进小波变换 和关联维数正确识别转子动、静碰摩故障”1 1 耀十小波包分解信号模极大值去 噪和重构，对模拟偏心，不对中等故障予以诊断“；应用b 样条提高钢丝绳断 丝信号的信噪比“”：提取有损伤的复合材料振动信号的时频特征“”；有效提高 短丝定性识别率。文献 2 7 利_ j 谐波小波具有优良的频域盒形和锁定相位的特 性，提出了时频剖面图方法，诊断出炼油厂重催烟汽轮机因不对中而在磨片式 离合器中产生的早期故障。文献 2 8 根据柴油机飞轮瞬时转速是汽缸压力的函 数这特性，提出用基于小波变换的飞轮瞬时转速来检测柴油机汽缸动力性能 的方法，采用d a u b e c h ie s1 5 小波，得到精度很高的瞬时转速波形，正确识别 出各缸的工作异常。日本学者对在齿轮转轴的轴承座上测得的振动信号进行 s p l i n e4 的小波分解，得到各频带的时序信号，对这些信号进行分析，并与短 时f f t 解析进行分析比较，表明采用小波分解和分析可以提高诊断全齿磨损、 单齿磨损和学齿缺损的精度。在其它方面的运川t h 通过振动去识别机械的故 障2 9 - 3 ，诊断液压泵故障。”1 ，分析汽车发动机瞬时转速信号。，柴油机噪声 分析“。”1 等工作中，小波分析均为之提供了个很好的方法。在交通运输领域。 应用小波分析对集装箱桥吊前大粱主铰冲t l i 特征进行分析也取得了很好的麻 用“”。目前，在我国各项科研工作中都可以看到小波分析的身影。小波分析 在旋转机械、往复机械、齿轮和轴承、泄漏诊断上面都取得了很大的进展= 。 1 9 9 9 年，我国科研人员研制出的小波变换信号分析仪，填补了国内空白，达到 海 f ：f 逆学院硕卜学位论义 了国际先进水平“1 。在理论和戍川研究的基础上，提供了普遍适j h 十机械设备 住线和离线非平稳检测诊断的技术和裟黄，取得了很好的经济效益，获得了国 家科技进步奖“”1 。 小波在故障识别t ： ，的应用，可分为两大类，即直接识别法和问接识别法。 前者直接对故障信号小波变换的结果进行识别，每利- 变换结果( 般为图像 给出) 对应利，故障。显然，这利，方法并不直观和方便。后辑从发展方向上又 可分为两类：( i ) 小波变换作预处理即以小波空间作为模式识别的特征空问。 通过故障信号的小波变换，得到故障信号的特征向量，冉由神经网络对特征向 量辩识。( ii ) 由小波神经网络直接对信号辩识。类( i ) 对故障信号作小波 变换，并构造出能表征故障类型的特征向量，交给神经网络识别，它把小波变 换部分和神经网络识别分开，易十分别实现。其难点在于，怎样构造这样的特 征向量，目前还没有统的方法。 小波理论在数学方面也有着f 分重要的应用。”：如构造快速数值分析方 法、构造曲线曲面、求解微分乃+ 程等。文献 4 1 介绍了求解常系数微分方程 s o b o l e v 正交小波有限力法，该力法通过采用周期化的s o b o l e v 正交小波基函 数的数值来求解常系数微分方程，其良好的收敛速度和误差分布已为数值实验 所证明。 ( 2 ) 小波包概述 为了与信号特性相匹配，小波变换的分辨率在时频平面上不是固定不变而 是随频率变化的。但小波变换的频率分辨率随频率升高而降低；也就是说，在 高频段不可能有比低频段好的频率分辨率。这不适合实际信号分析的需要。并 且在小波变换的相平面上，随着尺度的减小，相应小波基函数的时域窗口宽度 减小而其相应的频域窗口宽度增大。冈此，随着尺度由小到大的变化，小波变 换适宜于分析任何尺度的信号。佴在实际， ，在许多问题上我们只是对某些特 定时问段( 点) 或频域段( 点) 的信号感兴趣，只要提取这些特定时间及频率 点上的信息_ 而已。所以我们进步希望分辨率能根据信号特性和分析要求任意 选择，即小波包( w a v e l e t p a c k e t s ) 。 小波包是由小波分析的创始人m e y e t ，c o i f m a n 及w i c k e r h a u s e r 在1 9 8 9 年引入的，他们在研究小波基的耩础上创立了小波包的概念“。 6 h 海海运学院碳1 j 学位出文 14 课题研究背景、意义及本文的主要工作 14 1 课题的必要性和可行性 随着我国加入w t o ，我国港口在进出口贸易中的地位更加显得突出。9 0 年 代以来，是世界集装箱运输飞速发展的时期。我国灭陆最大的国际港口一一上 海港，近几年的集装箱誊吐量也稳步上升。1 9 9 4 年上海港集装箱进入世界排名 第2 3 位，此后，连年跳跃式渐进直至1 9 9 8 年进入世界集装箱吞吐量排名第 1 0 位，1 9 9 9 年达到世界第7 位，截至2 0 0 2 年升至世界集装箱吞吐量排名第4 的位置，2 0 0 3 年底预计可稳j 苫 d i 界第3 集装箱大港的排名。卜j 集转箱运输迅速 发展相对应的是集裟箱桥吊( 以下简称岸拼) 的大型化和高败化。 由于岸桥前大粱可以仰起，以满足大型集装箱专用船的靠泊、换舱以及移 位等要求。因而对于岸桥来说，前大梁 j 后太粱的连接铰点，不仅是整体钢结 构上的一个普通的动铰( 如图1 一1 ) ，而且大梁还是小车轨道的支承结构件。整 机在每次作业循环, t 7 ，小车都要负载或空载通过前后大粱铰点，则对铰点处的 轨道接头台产生一定 的冲t f r 和振动，这些 冲击和振动会带来许 多危害： ( 1 ) 对整机钢结 构的疲劳寿命 产生影响。 l ( 2 f 。) ，f 。为最低分析频率。 谱图的频率间隔f = l t ，决定了谱图的分辨率，频率间隔太大，即采样 长度太短，则所需的低频分量分析不出来。由上面分析可知若要频率分辨率 一 一_一一 - 。：嘴 墨一 海辫运学院坝1 ：学位论义 高，则要求采样吲问长度长。当t 不变即采样频率定时，麻增加采样点数， 但采样点数的增加，意味着处理量的增大：。1n 不变即采样点数定时，应增 加采样时问问隔，佣这样采样频率就降低了，可分析的最大频率范再i 也就随之 降低了。这也说明采样频率弓频率分辨是矛盾的，难以都照顾到，所以，选择 采样点数也麻认真考虑。经过比较我们选取了1 6 0 0 0 点。 2 2 2 振动测试试验硬件配置 ( 1 ) 试验模型 模型试验是原型试 验的个分支，也是 种重要的研究手段。它 具有针对性强、经济性 好等优点。 ( a ) 针对性强。 模型试验可 以根据试验 目的，突出 主要因素， 一 圈2 - 3 岸桥模型 略去次要冈 素：可以严格控制主要参数而不受外界条件的影响。 ( b )由于实际现场运行时不允许人为制造出各种故障现象，即使出现异 常或故障，常常也很少记录下来，冈此再现故障现象很吲难。们且 研究出套系统来，在现场验证其可靠性和准确性也比较凼难。 ( c )经济性好。由于模型_ = j 原型相比，尺寸般都是按比列缩小的( 个 别的按比例放大) ，故制造容易，装拆方便，节省人力、物力和财力， 经济效益高。 因此在本试验中利j j 了岸桥模型( 如图2 - 3 ) 作为分析对象，该模型是上 海海运学院自行研制的集装箱岸桥模型：长3 2 6 m ，高1 6 8 m ，模型实物比1 ：4 0 。 该模型配备了起升机构、小车运行机构和大梁俯仰机构。整个岸桥模型能仿真 实际岸桥的各种机构运动和工况的状态设置。参照码头现场作业的实际情况， 并考虑到数据获取的可操作性、相似性以及尽可能反映各工况的状态数据集。 ( 2 ) 信号调理器( 如图2 4 ) 本试验巾采j f j 的信号调理器的主要功能如下： 上海海运学院碗1 学位沦业 ( a ) 可接收米自3 2 个测点的信号 ( 可为振动信号、电压信号或 应变信号) ，然后对这些信号边 行滤波、放大等处理。在本试 验，1 、的测点信号为振动信号。 ( b )将所选测点的信号送入3 2 路 数据采集器，经a d 转换后 由模拟信号转换成数字信号。 再将数字信号送入计算机1 1 。 图2 - 4 信号调理器 ( 3 ) 加速度传感器 为了准确、有效地掌握机械设备在运行叶t 所处的状态，必须首先取得有关 的信息，这些信息也就是在诊断过程叶1 需要监测的基本参数。其中包括描写振 动状态的动态参数，如振幅、频率、相角、振动形式和振型等；描写位置的静 态参数：偏心位置、轴向位置、差胀和机壳的膨胀等；以及其它参数：转速、 温度、压力和流量等。 在机械振动测试i i ，常常把待测的机械振动量( 位移、速度、加速度) 的 变化转化成电量( 电压、电荷等) 的变化，然后是用电量的测量和分析设备对 电量进行测定和分析。 现今测振传感器丰= 要有： 位移式传感器一一输出电量与振动位移成正比。 速度式传感器一一输出电量与振动速度成正比。 加速度传感器一输出电量与输入加速度成正比。 般而言，对低频( o - 1 0h z ) 的信号选位移式传感器，对中频( 1 0 10 0 0 h z ) 的信号选j 1 j 速度式传感器，而对于高频( 大于1 0 0 0h z ) 的信号选j j 加速 度式传感器。 在本试验巾，我们先分别试刚了加速度传感器、速度传感器采集信号( 如 图2 - 5 ) 。 由图2 - 5 中加速度传感器及速度传感器所采集到的数据在时、频域的图表 明，用加速度传感器较好，信号在高、低频中的差异较清楚，所以选择了加速 度式传感器。 传感器在测点上的不同安装方式将直接影响到测试结果，因此在测振过程 i _ 1 ，传感器需要与被测物质良好的接触。否则会使测试结果产生畸变，使记录 无法使用。表2 - 1 例举了几利，常用安装方式。 海海运学院坝l 学位沦义 时问s 。；卉。：盎i 一。、5 州阃 矩率h 2 0 0 2 。 1 o 跨h - 一喇嘲女翻曲蠼“蜘! * 妇盘鲥黼 0t 咖2 0 0 0蛳4 o 翔辜h 工 图2 - 5 不同传感器采集信号 ( 注：上组图是加速度式传感器采集的数据，下组图是速度式传感器采集的数 据。) 表2 - 1 压电式加速度传感器各种安装方式性能比较 安装方式 绝缘螺枪 永久磁铁手持探针 薄腊层 粘结剂 性能 钢螺柃 云母垫片 粘接 最低，小 低， 共振频率最高较高 j 较高小于 于1 0 0 0 h z 5 0 0 0 h z 加速度负 撮大大 中，小于 小 小小 荷 l o o g 适合冲需绝缘时 温度升 其它 小于1 5 0 。c使用方便 无 。l i 测试使用 高时差 上啡蛳远学院碰 ：学位论义 图2 - 6 传感器的放置位置 本试验采刚的加速度传 感器是p c b 公司的肽电式加 速度传感器，压电材料为陶 瓷。其灵敏度可达9 9 m v g ， r 作频率在0 8 - 2 0 ，0 0 0 h z ， 放置位置如幽2 - 6 。这种传感 器的优点：体积小、重量轻、 频带宽、1 作可靠、精确度和 灵敏度高。 综上所述，可画出本试验 的系统框图( 如图2 7 ) 。 匝圈銎基回 2 3 测试工况的确定 图2 7 试验系统方框图 现有的桥式起重机轨道均由若干根钢轨用连结板连结而成，这是由轨道的 生产工艺、运输及安装决定的，在铡轨连接时，必须存在轨缝，轨缝在设备运 行冲击以及温差引起的热胀冷缩作用下，日积月累逐渐变大，这样使桥式起重 机轮在轨缝处滚动运行变换成车轮撞击轨道，速度越快，撞击力越大。撞击的 结果是： ( 1 ) 桥式起重机车轮和轨道损坏严重。 ( 2 ) 由牛顿的第三定理可知，桥式起重机 图2 8 岸桥模型丰铰处 在撞t 打时整体跳动，产生啃轨现象， 或产牛更严重的影响一整体设备掉 轨现象，造成设备与人身事故。 ( 3 ) 由于撞击力极大，给设备运行带来极 大的负载，相应的必导致与之相关电 气线路，电气冗件，电机受瞬问大电 流冲r i ，因次数频繁，必导致其有关 线路故障频繁。 为了能和现实的现象相吻合，本试验中 坶海运学院硕扣学位论义 的岸桥模型的轨道在铰接处也有轨缝的存在( 如幽2 - 8 ) 。 在本试验t h 根据蜕有的试验条件，模拟实际一 叫、车通过岸桥铰接处产牛 的冲i i j 试验，是通过人为地改变轨道小侧铰接处的高低差，同时改变城荷的 重量、小车的运行速度，由此构成在不同的t 况下进行信号采集( 如表2 - 2 ) 。 为了叙述的方便，将岸桥铰接处设置了高低差的侧轨道称为右侧轨道，以后 提到右侧轨道，即是指在铰接处设置了高低差的 侧。 农2 - 2 测试t 7 兑 质量h 车速 n g 快速 慢速 高度享j 卜 0 2i o o1 2 51 5 01 7 52 o o1 o o1 2 5 1 5 0 1 7 52 0 0 0 3 1 o o1 2 51 5 01 7 52 o o1 o o1 2 51 5 0l + 7 52 o o 0 41 0 0l2 51 5 0 1 7 52o o1 0 01 2 51 5 01 7 520 0 o 51 0 0l2 515 01 7 52 o o1 0 01 2 51 5 01 7 52 o o 淘海运学院砸学位论文 第三章基于小波包岸桥主铰振动状态的特征分析 3 1 状态检测方法 获得设备状态信息后，需要埘这些信息进行处理，冈此需要熟练准确地掌 握信号的分析技术这样才能获得正确的诊断结论，力便设备维修t 作，保汪 设备安全可靠地运行。几前有很多信号分析力法可以选l j 它们米分析及显示 数据，以便能够把有关机械本身状态的有川信息最大限度地提取出来，这些 分析方法大致有： ( 1 ) 玎寸问域分析 波形分析：直接对振动时域信号的时问历程进行分析和评估是状态监测和 故障诊断最简单和最直接的方法，特别是! 信号中含有简谐信号、周期信号或 短脉冲信号时更为有效。小车在轨道上运行时，一般而言会在铰接处产生较大 的冲击信号，此时表明小车的运行是平稳的。但当有较多的冲击信号产生或幅 值较大时，农明小车在运行中振动加剧( 如图3 1 ) 。区别这两种情况，只要将 观察到的波形与小车正常运行时的波形相比较，即可以判断振动有无异常。 值 帽 莳一，扩面m i o o 商矿菇“ ” 图3 一l 波形分析 8 拈“哪 一涮神 。i啊m1 一蝴 枇一_ 枷 一 一婶 mih 、i出硼 一一姆 脚m i 重学院坝l 学位论史 此外在寸域分析一f l 还有轨迹分析，但它不适州于本试验的分析，它较适合 十转轴运动。 ( 2 ) 频域分析 对于机械故障的诊断而言，时域分析所能提供的信息量是非常有限的，这 i i 由幽3 1 也能看出。信号的时域分析往往只能粗略的回答岸桥丰铰是否有故 障，有时也能得到故障严重程度的信息，佩不能回答故障的类型，即只知其然 而不知其所以然，故一般只刷作设备的简易诊断。对于本试验来说，诊断出岸 桥是否有故障，这只是解决问题的笕步，更重要的t 作则在于寻找故障特性 ， - 的内在联系。闪此，需要对信号进行更深步的研究。利常川的方法就是 进行信号的频域分析。所谓频域分析，即是把时间为横坐标的时域信号通过傅 坐叶变换分解为以频率为横坐标的频域信号，从而求得关于原时域信号频率成 分的幅值和相位信息的一种分析方法。 快速傅坐n 十变换( f f t ) 是离散傅里叶变换( d f t ) 的利快速算法，它的 理论摹础是分析信号的平稳性。但本试验t f l 包含有非平稳的成分。这是由于本 试验是模拟现实中的小车经过岸桥铰接处时所产生的冲击。根据冲击产乍的原 理，。1 接头有缝时，由于轮子与轨面之问出现短时问悬空，因车轮与轨道的接 触是线接触，此线与轨道的中心线垂直，与接缝平行，所以车轮经过接缝时， 接触线就接触不到轨面，而向下落，当碰到另一一轨道端面时，被瞬间弹起，形 成冲击。由于车速，车轮圆顺性的差异以及轮轨接触位置的随机性，使得振动 比较复杂。用传统的信号处理方法f f t 处理信号( 图3 - 2 ) ，十分清楚地看出， f f t 只是一年咔纯频域的分析方法，它所反映的是整个信号全部时间下的整体频 域特性，却不能提供任何局部时问段的频率信息。并且它在将时域信号转换成 频域信号后，时域信息则失去了，这就不能确知信号发生变化的确切时问，也 不能确定产牛的冲击信号是小车运行在何处时所产生的，是过铰接处的，还是 在轨道的其它地方所产生的? 所以在本试验中如仅用最常用的f f t 处理信号， 则不易提取故障特征，这会给岸桥主铰的故障诊断带来很大的斟难。 ( 3 ) 小波及小波包分解 小波分析属于时频分析的。种，是一种信号的时问一一尺度( 时问一一频 率) 分析方法。它采用时窝宽度可调的小波函数，发展了加窗傅里叶变换的局 部化思想，它的窗宽随频率增高而缩小，从而可实现对高频信号有较高的频率 分辨率，而对低频信号有更长的时间分析长度，较好的实现了对信号全貌及其 局部特征