（测试计量技术及仪器专业论文）铝锭铸模裂纹的检测方法与装置研究.pdf

铝锭铸模裂纹的检测方法与装置研究 摘要 铝锭连续铸造生产线是由很多设备构成的生产链，是用于生产重熔铝锭的自 动化生产线。这种链式的生产设备，一旦其中的某一部分发生故障就会导致整个 系统不能正常运行，所以铝锭连续铸造生产线的故障诊断工作也迫在眉睫。基于 这个庞大的系统工程，我们选择铸造机上所用铸模产生的故障进行研究。 在铸造机生产过程中，铸模由链条传动连续运转，在高温铝水浇注到铸模后， 为了使铝液尽快凝固，需要让铸模外壳在冷却水槽的循环冷水中快速冷却。由于 承载铝锭的铸模长期处于冷热变化剧烈的工作环境，铸模壳体难免会因为疲劳而 产生裂纹，甚至裂缝。如果裂缝达到一定深度，当高温铝水浇注到铸模后，由于 裂缝导致高温铝水漏入水中产生爆炸，这样就会使整个生产系统中断，造成重大 安全生产事故。因此，铝锭铸模的安全检测就显得尤为重要。 传统方法是根据人的眼睛、耳朵识别以及经验来判断，这种方法既不科学而 且效率低，本课题准备引用小波分析、模糊滤波、f f t 等方法，对铸模进行裂纹 故障诊断。具体步骤为在实验室构建一个包括激振装置、传感器、测振仪、微型 计算机的检测系统平台，利用系统中的传感器采集敲击铸模产生的振动信号，然 后运用m a t l a b 软件的分析和数据处理技术对采集到的敲击振动信号进行分 析处理，从而来辨别铝锭铸模的疲劳损伤程度，并判别裂纹发展的趋势，使故 障检测及时可靠。 本方法脱离了人为因素的干扰，提高裂纹识别速度和效率，从而达到避免 事故、提高生产效率的目的。可见，进行故障诊断的研究，对于保障设备安全 可靠运行，促进国民经济发展具有重大意义，同时对提高企业的竞争力也具有 很大帮助。因此，本研究对象将具有可观的经济价值和明显的社会意义。 关键词：铝锭铸模；m a t l a b ；f f t ；小波分析；故障诊断；振动信号；共振频率 w 硕士学位论文 a b s t r a c t a l u m i n u mi n g o tc o n t i n u o u sc a s t i n gp r o d u c t i o nl i n ei sc o m p o s e db yan u m b e ro f e q u i p m e n tp r o d u c t i o nc h a i n ，w h i c hi sm e l t e da l u m i n u mi n g o t sf o rt h ep r o d u c t i o no f a u t o m a t e dp r o d u c t i o nl i n e s t h i sc h a i no fp r o d u c t i o ne q u i p m e n t ，o n c eap a r to ft h e f a i l u r eo fw h i c hw o u l dc a u s et h ee n t i r es y s t e mc a nn o to p e r a t en o r m a l l y t h e r e f o r e ， a l u m i n u mi n g o tc o n t i n u o u sc a s t i n gp r o d u c t i o nl i n ef a u l td i a g n o s i s i s i m m i n e n t ， a c c o r d i n gt ot h i sh u g ep r o j e c t ，w ec h o s et om o l df a i l u r e si nc a s t i n gm a c h i n ec o n d u c t t h er e s e a r c h d u r i n gt h ep r o d u c t i o np r o c e s so ft h ec a s t i n gm a c h i n e ，t h em o l dc o n t i n u o u s o p e r a t i o nb yt h ec h a i no ft r a n s m i s s i o n ，a f t e rt h eh i g h - t e m p e r a t u r ea l u m i n u mw a t e r p o u r i n gi n t ot h em o l d ，i no r d e rt os o l i d i f yt h ea l u m i n u mw a t e ra ss o o na sp o s s i b l e ，w e m a d et h em o l t e na l u m i n u mi nt h ec o o l i n gt a n ks h e l lm o l dc y c l eo fc o l dw a t e rt o q u i c k l yc 0 0 1 d u et ot h em o l du s e di nc a r r y i n ga l u m i n u mi n g o t si n t h eh o ta n dc o l d w o r k i n ge n v i r o n m e n tl o n gt i m e ，b e c a u s eo ft h ef a t i g u ei n t h em o l ds u r f a c e ，w h i c h a r i s e si n e v i t a b l yt h ec r a c k ，e v e nr i f t i ft h ec r a c kr e a c h e sac e r t a i nd e p t h ，a f t e rt h eh i g h t e m p e r a t u r ea l u m i n u mw a t e ri sp o u r e d i na l u m i n u mm o l d ，c r a c k sc a u s e db yt h e h i g h t e m p e r a t u r ea l u m i n u mw a t e rl e a k a g ei n t ot h ew a t e rt op r o d u c ea ne x p l o s i o n ， w h i c hw i l lr e s u l ti ni n t e r r u p t i o no ft h ep r o d u c t i o ns y s t e m ，e v e nc a u s es e r i o u si n d u s t r i a l a c c i d e n t s t h e r e f o r e ，t h es a f e t yo fa l u m i n u mi n g o tm o l dd e t e c t i o n i s p a r t i c u l a r l y i m p o r t a n t t h et r a d i t i o n a lm e t h o di sa c c o r d i n gt ot h ee y e ，e a rr e c o g n i t i o n ，a n dt h ee x p e r i e n c e t oj u d g e ，t h i sm e t h o di sn e i t h e rs c i e n t i f i cn o re f f i c i e n t t h i st o p i cp r e p a r e st oq u o t e w a v e l e ta n a l y s i s ，f u z z yf i l t e r i n g ，f f ta n do t h e rm e t h o d st oc a s t i n gf o rc r a c kd i a g n o s i s t h ec o n c r e t es t e p sa sf o l l o w s ，w ec o n s t r u c to n ee x a m i n a t i o ns y s t e mp l a t f o r mi nt h e l a b o r a t o r y ，i n c l u d i n g t h e e x c i t i n g s h a k et h e d e v i c e ，s e n s o r ，v i b r a t i o nm e t e r , m i c r o c o m p u t e r ，u s i n gs e n s o r sc o l l e c t i n gk n o c k i n gv i b r a t i o ns i g n a l sg e n e r a t e db yt h e m o l d ，a n dt h e na n a l y z eb yu s i n gm a t l a bs o f t w a r ea n dd a t ap r o c e s s i n gt e c h n o l o g y o nt h ec o l l e c t e dv i b r a t i o ns i g n a la n a l y s i sa n dp r o c e s s i n gk n o c k i n g ，t h e nd i s t i n g u i s h e t h ea l u m i n u mi n g o tm o l dt h ew e a r yd e g r e e ，a n dd e t e c t i o nt h ed e v e l o p m e n tt r e n do f c r a c k ，s ot h a tm a k et h ef a u l td e t e c t i o nt i m e l ya n dr e l i a b l y t h i sm e t h o dg e tr i do fa r t i f i c i a lf a c t o ri n t e r f e r e n c ea n di m p r o v et h ec r a c k d i s t i n g u i s ho fs p e e da n de f f i c i e n c y , s oa st o a c h i e v et h ep u r p o s e ，w h i c ht oa v o i d 铝锭铸模裂纹的检测方法与装置研究 a c c i d e n t sa n di m p r o v ep r o d u c t i o ne f f i c i e n c y t h u s ，t h er e s e a r c ho ft h ef a u l td i a g n o s i s m e t h o dh a sg r e a ts i g n i f i c a n c et os u p p o r te q u i p m e n tf o rs a f ea n dr e l i a b l eo p e r a t i o na n d t op r o m o t et h ed e v e l o p m e n to fn a t i o n a le c o n o m y t h em e t h o da l s oc a ni m p r o v et h e c o m p e t i t i v e n e s so fe n t e r p r i s e sa t t h es a m et i m e t h e r e f o r e ，t h i ss t u d yw i l lh a v e c o n s i d e r a b l ee c o n o m i cv a l u ea n do b v i o u st h es o c i a ls i g n i f i c a n c e k e yw o r d s ：a l u m i n u mi n g o tm o l d ；m a t l a b ；f f t ；w a v e l e ta n a l y s i s ；f a u l t d i a g n o s i s ；v i b r a t i o ns i g n a l ；r e s o n a n tf r e q u e n c y v i 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 蹩， 日期：p 勺年月6 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同 时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据 库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名： 导师签名： 怨 髟饥堆孑 日期妒i 。年6 月毛日 日期；2 p 僻多月么日 硕：卜学位论文 1 1 故障诊断的意义 第1 章绪论 随着科学技术的飞速发展，各工业部门的生产设备日益向大型化、连续化、 系统化及自动化方向发展，设备的生产效率越来越高，机械结构也日趋复杂，设 备中不同部分之间的相互联系，耦合也更加紧密，随之而来的问题是，一个部件 出现故障，将引起整个生产流程中断。因此，现代化的生产设备虽然大幅度提高 了劳动生产率，节省了人力和物力，但同时也大幅度地增加了设备的维修费用， 设备故障单位时间造成的损失也成倍地增加。石油、化工、冶金、能源等行业的 许多关键设备，如压缩机、汽轮机、发电机组、轧钢机、转炉、风机、水泵等一 旦出现故障，不但设备受损，生产线停工，造成巨大的经济损失，甚至产生不良 的社会影响。由于设备故障引发灾难性后果，并导致重大经济损失事例屡见不鲜。 如1 9 8 8 年秦岭电厂五号机组主轴断裂事故，1 9 9 2 年美国某钢铁公司的一个生产厂 的初轧机连续出现五次万向接轴断裂事件，这些灾难性的事件无时无刻不在提醒 人们，现代设备系统运行的安全性和可靠性己成为人类必须解决的刻不容缓的问 题。因此，无论从安全的角度，还是从经济效益出发，建立完备的监测与诊断系 统具有及其重要的意义n 。1 ，故障诊断技术则为提高系统的安全性和可靠性开辟了 一条新的途径。 1 2 国内外研究现状及研究方法 1 2 1 故障诊断的国内外发展现状 2 0 世纪6 0 7 0 年代开始，随着现代计算机技术、数据处理技术等的发展，机 械设备诊断技术在欧美一些国家率先得到了发展。最早发展故障诊断技术的国家 是美国，其诊断技术在航空航天、军事、核能等尖端部门得到广泛的应用，处于 领先地位。随后欧洲的一些国家也成立了机械保健中心，积极从事故障诊断技术 的研究与开发。 故障诊断技术的研究在我国起步较晚，从2 0 世纪7 0 年代末期开始，我们认 识到故障诊断技术的重要性，开始考虑和尝试应用故障诊断技术，部分行业中的 企业部门建立设备故障诊断组织机构，并初步考虑应用机械精密诊断技术，广泛 研究则从2 0 世纪8 0 年代发展起来。在这个时期，各个领域分别确定了故障诊断 技术的目标、方向和试点单位。因而，我国的故障诊断技术虽然起步较晚，但发 展还是比较快的。如西安交通大学的“大型旋转机械计算机状态监测与故障诊断 铝锭铸模裂纹的检测方法与装置研究 系统”，哈尔滨工业大学的“机组振动微机监测和故障诊断系统一，东北大学的“风 机工作状态监测诊断系统的推出和应用都具有一定的代表性。目前，故障诊断 技术在我国化工、冶金、电力、铁路等行业得到广泛的应用，取得了可喜的成果1 。 1 2 2 小波变换技术在裂纹检测中的研究现状 铁路设施的裂纹检测常用的涡流检测技术是利用振动信号的采集分析来进行 的。涡流技术包括传感器技术、测量参数的优化技术、信号获取和处理技术。它 首先通过参数优化的传感器获取信号，然后对其进行分析处理，信号的获取和处 理技术决定了检测设备的总体性能。近年来随着电子技术特别是计算机技术的飞 速发展，信号处理成为涡流理论研究进展最快的方面晴1 ，从国内外发表的论文来看， 当前对信号处理的新方法研究比较多的是小波分析技术和人工神经网络技术。小 波分析是现代信号处理的新技术，是近十几年才发展起来并迅速应用到信号处理 和语音分析等众多领域的一种数学工具，是继1 1 0 多年前的傅立叶分析之后的一个 重大突破。自从1 9 8 4 年，法国地球物理学家j m o r l e t 提出真正意义上的小波以来， 基于小波神经网络的裂纹检测理论在各个工程学科中得到广泛的应用。2 0 世纪9 0 年代以后，利用小波分析检测机械结构中的故障有较多的研究，w a n g 等人应用小 波分析对机械齿轮的早期损伤进行了损伤识别研究，通过应用多种小波对旋转机 械齿轮损伤信号进行分析，总结了几个小波用来分析故障信号的敏感性和应用性。 同时a i k h a l i d y 等人对小波分析应用于动力机械结构故障诊断进行了研究，分析了 线性系统和轴承磨损的损伤识别，并考察了噪声和损伤程度对损伤识别结果的影 响。k a s i 和a m a r a v a d i 等人应用正交小波分解和神经网络对飞机框架结构的复合材 料粘贴强度进行了损伤定位和损伤定量识别，他们把复合粘贴材料结构的模态曲 率构造的损伤指标与小波图谱和神经网络结合来进行损伤识别，并应用数值模拟 和光弹实验说明了该方法能得到满意的结果。利用对振动信号的分析来进行故障 诊断已经应用于各个行业，并具有很广阔的前景。相信应用以上的技术和方法对 铝锭铸模的故障分析研究一定会取得较好的应用成果。 1 2 3 根据振动信号进行监测与诊断的研究方法 在故障诊断的具体应用技术方面，全世界已有数个单位从油液分析、过程参 数趋势分析、红外热成像技术、声发射技术、摩擦磨损微粒分析、振动分析、电 气冲击波分析等多个领域进行，其中振动分析是最主要的研究内容。对振动的分 析，找出设备的故障所在，根据振动信号进行监测与诊断目前仍是设备维护管理 的主要手段1 ，旋转机械振动故障诊断已经形成了比较完备的理论与技术体系。 参照此理论的技术成果，为研究铝锭铸模裂纹的故障检测提供了捷径。诸如 此类研究具体步骤是： 2 硕十学位论文 ( 1 ) 故障信息监测。故障信息监测是对机械设备实现状态监测与故障诊断的第 一步，是故障诊断工作的重要基础。在实际监测中，应用最多的是机械振动信号， 在机械设备的监测诊断技术中，振动监测技术是一种普遍被采用的方法。使用的 传感器主要有电涡流位移传感器、电磁式速度传感器、压电加速度传感器等。 ( 2 ) 故障特征分析。故障特征分析的主要内容是信号分析和处理，即如何从传 感器拾取的原始信号中分析提取故障特征，这是故障诊断的核心问题，对于确诊 故障起着十分重要的作用。目前，动态信号分析的趋势是从单纯的时域和频域分 析向时频域分析发展。时域分析包括主分量分析、时序分析和时域平均等方法。 频域分析包括f f t 谱、全息谱和时频谱等方法。时域和频域表明了动态信息的两 个观察面，虽然时域分析具有直观简明的特点，但在许多情况下，时域不能全面 揭示出故障的特征来，所以必须分析信号的频域规律。由于频谱分析常常比原始 信号的表达简单明了，因此谱分析技术特别受到人们的关注： ( 3 ) 利用多个标准进行全面比较故障诊断是把待检模式与故障样板模式进行 对比，从而判断故障的有无、类型和程度。但各类标准都是在一定的条件下制订 的，都有它的相对性，而所诊断的每一个具体对象不可能完全具备制定标准时所 规定的条件，采用相对标准判别，是把设备自身在不同时期的状态进行纵向比较， 可靠性较大。为确诊起见，最好同时采用多个标准进行综合比较判别。 1 3 铝锭连续铸造生产线 1 3 1 铝锭连续铸造生产线简介 铝锭连续铸造生产线是有色冶金工业电解铝生产中的主要关键设备，是专门 用于生产重熔铝锭的自动化生产线口8 1 。澳大利亚和瑞士等国家在技术上处于领先 地位，其开发生产的2 8 t h 铝锭连铸生产线代表了当今世界铝锭连铸生产线行业最 高水准，具有生产效率高，操作人员少、可靠性高等优点，且完全实现了全自动 控制和计算机管理，但售价却很高。2 0 0 0 年以前，我国电解铝行业大多数企业的 产能小于5 万吨年，由于规模小，普遍使用由抚顺铝厂机械厂和沈阳汇丰机械厂 生产的6 t h 的半自动铝锭连续铸造机，只有贵阳铝厂于8 0 年代中期以4 2 0 万引进 了一套1 6 t h 连续铝锭铸造生产线。此后贵阳铝镁设计院和昆明重型机器厂联合攻 关研制了1 6 t h 连续铝锭铸造生产线，在国内铝厂逐步得到推广应用，售价为1 5 0 万套，但实际生产能力仅能达到1 2 t h ，操作人员达7 8 人，且存在“水波纹 大、“脱模率”低、“堆垛”不整齐、可靠性差等缺点。2 0 0 0 年后随着我国电解铝 技术改造热潮的兴起，各大铝厂普遍开始使用1 6 t h 连铸生产线，6 t h 的半连续铸 造机逐步被淘汰，我国的铝锭连铸生产线的技术水平虽然得到了迅速提高，但仍 3 铝锭铸模裂纹的检测方法与装置研究 然存在自动化水平低、需要人工参与和监护、操作人员需要5 6 人，堆垛机效率 低、翻转等关键环节可靠性差等缺点，影响了整机的生产效率，且铝锭铸模、运 输链条等易损件寿命低导致使用成本高。 国内目前生产的铝锭连续铸造生产线与国外相比，存在的两大主要问题是： ( 1 ) 生产能力低。近二十年来，国外有色冶金的关键技术和装备重点从提升整 机效率上作为研究重点，但国内相关装备生产能力比较低，我国的铝锭连续铸造 生产线的普遍生产能力为1 6 t h ，国外已达2 8 t h 。 ( 2 ) 可靠性较差。与国外同类型设备相比，国内生产的设备可靠性较差，故障 率较高，在一定程度上影响了其主要功能的发挥。 随着近两年我国电解铝行业向规模化、节能、环保方向高速发展，电解铝行 业对铝锭连铸生产线这一关键成套设备提出了更高的要求，希望开发出新一代高 效铝锭连铸生产线满足我国电解铝行业高速发展的需求。同时，随着电解铝工业 水平的迅速提升，我国开始进入海外电解铝厂建设市场，中国有色建设股份有限 公司、中兴公司、中国进出口总公司等主要海外承包商已陆续承接了哈萨克斯坦、 印度等国家的大型电解铝厂项目，亟待要求国内研发出拥有自主知识产权的新型 高效铝锭连铸生产线以满足国内外市场的需要。国内许多生产企业家都在极力地 对铝锭连续铸造生产线进行研究和改造，其中比较典型的有： ( 1 ) 山东铝业股份有限公司电解铝厂研制的2 0 k g 铝锭铸造生产线，设计能力 为1 5 t h 。此生产线通过改进电气控制系统，采用当前较流行的c p m i a 可编程作 为控制器，编程中结合生产的实际情况，充分考虑到各种非正常因素，使系统运 行更加稳定、可靠和安全。 ( 2 ) 贵阳奥特机电公司根据对同类产品的调研，总结了目前国内外该系列机组 的使用经验，针对其存在的问题，通过一系列技术改造，开发出来的具有技术先 进、高效可靠的新一代2 0 k g 铝锭铸造生产线。该生产线与以往的铝锭铸造生产线 相比，由于采用了进口元件，使得铝锭铸造生产线的寿命延长、性能更加可靠， 同时采用p 1 c 编程控制，具有节约人力、物力及操作维护方便等特点。 ( 3 ) 兰州理工大学于2 0 0 6 年7 月开始，投入力量进行2 2 t h 铝锭连铸生产线的 技术攻关，在2 0 0 7 年3 月成功研制，并于2 0 0 7 年5 月正式通过技术鉴定，该技 术将国产铝锭连铸生产装备的技术水平提升到一个新的层次，已接近国际先进水 平。2 2 t h 铝锭连铸生产线的研制成功，将极大提升我国铝锭连铸技术生产装备的 技术水平，推进其国产化进程，并确立起我国在铝锭连铸生产技术装备中自己独 特的优势地位，增强产品在国际上的竞争力，扭转我国铝锭连铸生产线有可能重 新依赖进口的不利局面，促进我国电解铝工业的发展。研制开发的“2 2 t h 新型铝 锭连续铸造机组 ，已经得到了使用。2 0 0 9 年1 2 月，兰州理工大学在前有的基础 4 上完成了“2 8 u h 型铝锭连续铸造机组”的研制，并通过鉴定达到国内先进水平 下图所示为连铸生产线的现场实图。 图1 1 铝锭连铸机部分实体图 1 3 2 铝锭连续铸造生产线的设备故障简介 铝锭连铸足将液体铝液经过一组特殊的冷却和支撑运转装置连续浇铸成一定 断面形状的铸坯的过程。铝锭连铸机在使用运转过程中由于受设备各部分设计参 数的限制，设备整体制造_ t 艺水平和质量的制约，铝液浇铸特殊工作环境条件的 影响，往往会引起磨损、疲劳、老化、裂纹、裂缝、冲击、振动、水气锈蚀等多 种形式的故障和失效，使铝锭连铸机不能连续工作。其中含多种人为因素：束遵 守制造、修理和使用技术要求，造成零部件制造质量低劣，材料不合格，元件配 置精度不够，以及使片j 维护小当等，在很大程度上增人了故障率。为防止故障和 事故的发生，确保连铸机正常运转，各生产厂家都投入了相当大的力量对连铸机 进行维护和保养，取得了一定的经验和较好的效果。可以说所有机械产品所发生 的故障，连铸机都会产生，并且连铸机还具有冶金机械的特殊性。目前国内研究 铝锭连铸机分配器失效，链条失效的立章已有发表，可见铝锭连铸机故障诊断工 作难逐渐进入发展日程。 铝锭连续铸造生产线主要由铸造机部分、冷运机部分、堆垛机部分、打包机 部分、成品运输部分、液压、气动系统部分、自动控制部分等组成。下面将所调 查的铝锭连续铸造机生产中所出现的故障简介如下。 ( 1 ) 铸造机部分。铝液分配器、铸模是7 0 0o c 序右铝液转载的工具和容器，并 经历冷却过程，易产牛疲劳、老化、冲刷、裂纹、裂缝等失效形式。链条产生的 磨损、锈蚀直至失效。减速器、传动部件出现故障，产生振动。扶锭、接锭装置 磨损后，产生卡滞、失效。冷却水系统漏水，冷却过程水温失控故障。 ( 2 ) 冷运机部分。链条产生磨损，锈蚀直至失效减速器传动部分产生故障， 使传动不稳，振动噪声大。冷却水系统漏水，冷却效果差。 铝锭铸模裂纹的检测方法与装置研究 ( 3 ) 堆垛机部分。翻转机、整列机、夹具装置产生机械故障，电、液、气控制 及系统故障，无法正常运转，还会发生机械传动故障。 ( 4 ) 打包机部分。自动打包机产生机械和机电控制故障，手动打包机易产生机 械故障。 ( 5 ) 成品运输机部分。这部分也会产生减速器，机械传动系统故障，专配运输 轨道故障。 ( 6 ) 液压、气动系统部分。产生液、气控制阀故障，缸、马达等执行元件故障， 液压动力站，气源故障。 ( 7 ) 自动控制部分。产生传感器，控制器，电子元器件故障，工业干扰故障等。 1 4 本课题的研究意义及主要研究内容 1 4 1 本课题的研究意义 随着生产系统本身的规模越来越大，各生产环节的关联度越来越密切，形成 了一个具有整体性的生产链，铝锭连续铸造生产线就是这种由众多设备构成的生 产链，是专门用于生产重熔铝锭的自动化生产线。它一次完成铝锭铸造、冷却、 堆垛、捆扎打包和成品运输等生产工序，是集机、电、光、液、气于一体的自动 化成套冶金装备。这种生产链式的设备，一旦其中的某一设备发生故障就会引起 一系列连锁反应，导致整个系统不能正常运行，所以铝锭连续铸造生产线的故障 诊断工作也迫在眉睫，这是一个大的系统工程。我们首先选择铸造机上所用铸模 产生的故障进行诊断研究。铸模实图如图1 2 所示，用于承载铝锭的铸模在运行中， 当高温铝水浇注到铸模后，铸模由链条传动，在冷却水中冷却，铝液经冷却凝固 降低到规定温度后脱模流入下一道工序。每生产一块铝锭都要经历这样一个过程， 经一定时间的运行，铸模壳体因疲劳而产生裂纹、裂缝，由于铸模破裂导致高温 铝水流入水中产生爆炸，这样就会造成整个生产系统中断，从而造成不必要的经 济损失，甚至引起灾难性的事故和人员伤亡。在生产过程中还存在由于铸模的个 体缺陷而提前产生裂缝的铸模，这些都直接危害安全生产，因此铝锭铸模的安全 检测就显得尤为重要。传统方法都是根据人的眼睛识别以及经验来判断，这种效 率低、主观性强的方法会造成很大的人为误差，做出不科学的判断。我们应用振 动分析的方法，适时准确的做出铸模缺陷的判断，并找出裂纹发展的趋势，从而 保证其安全生产。 本课题采用传感器采集敲击产生的振动信号，然后运用信号分析和数据处理 技术对采集到的非平稳振动信号进行分析处理的方法来进行铝锭铸模的裂纹 检测，使故障检测及时可靠。本方法脱离了人为因素的干扰，提高裂纹识别速 6 硕七学位论文 度和效率，从而达到避免事故、提高生产效率的目的。可见，开展故障诊断方 法的研究，对于保障设备安全可靠运行，促进国民经济发展具有重大意义，同 时对提高企业的竞争力也具有很大帮助。因此本研究对象将具有可观的经济价 值和明冠的社会意义。 图12 传动链条上的铸梗 1 42 本课题主要研究内容及安排 本课题主要通过传感器对有裂纹、无裂纹的铸模进行振动信号的采集经过 数据采集卡输送到计算机中，利用m a t l a b 软件程序对采集到的振动信号进行分析 和处理。采用小波分析技术对混合信号进行消蝾、多尺度分解等处理，提取特征 量，比较多种信号的分析结果，找出有无裂纹的铸模的异同”1 “， 文章结构安排如下： 第一章对本研究课题的选题依据及其科学意义进行了阐述。通过对国内外研 究与发展状况的归纳分析，提出了本论文的研究内容并简述了主要研究目的。 第二章研究和诊断有关的小波分析理论”3 “1 。揭示不同小波分析的工程意 义。比较小波分析方法和常见分析方法的特点，尝试选择适合本文的小波母函数。 第三章研究小波分析方法在信号滤波中的具体应用“”。尝试用不同的小波 阈值法进行古噪，判断出各种闰值方法的优劣，并提出一种新的去噪方法。 第四章建立了铸模裂纹检测系统。在现场进行模拟实验，采集所需要的敲击 模拟信号，以各分析使用。 第五章利用小波分析等滤波方法对实验结果进行分析。提取出有用的真实信 号，达到“去伪存真”的目的，并根据信号的频域上菇振频率的异同柬辨别出铝 锭铸模的状态，并找出裂纹发展的趋势。 第六章对全文研究进行了总结，对末束的研究方向作了展望，并埘需要深入 研究的问题提出了作者的见解。 铝锭铸模裂纹的检测方法与装置研究 2 1 引言 第2 章小波变换的基础理论 近年来，小波分析作为一种新的时频分析手段能对振动信号进行很好的处理。 在分析实际的振动信号时，真正需要分析的往往是那些非平稳的瞬态信号n9 1 ，它 们最大的特点是能量在时域和频域都具有局部特性。因此不可避免地要求分析这 种信号的工具也同样具备时频分析，而小波分析正因为其有着良好的时一频局部 特性而应用越来越广泛，小波理论自上个世纪8 0 年代正式诞生以来，在其出现的 短短2 0 年时间里却得到了蓬勃的发展。在刻画函数局部性能时它具有不可替代的 优越性。本章内容将从小波理论产生的历史背景谈起；对一维小波理论及其性质 和多分辨率分析进行介绍，为后面的工作进行理论支持。 2 2 小波理论产生的历史背景 从历史上追溯，小波分析的原始思想形成于2 0 世纪初，即用一个函数的伸缩 及平移构成，( 置) 函数空间的一组基，此函数称为小波。第一个小波是由h a a r 在1 9 1 0 年提出的，他在一篇描述抽象h i b e r t 空间特性的论文中给出了一个由盒函数产生 的? ( 置) 函数空间的一组正交基。 经过数学家、物理学家、地理学家半个世纪的共同努力，h a a r 系已发展成为 统一的理论框架，使小波分析成为傅里叶分析发展史上一个新的里程碑，小波在 许多领域得到了广泛的应用，如j m o r l e t 以等将小波用于地震信号的分析与处理， s m a u a t 将小波变换用于图像的边缘监测、图像压缩与重构，m f r i s c h 等将小波用 于噪声中的未知瞬态信号的识别等等。小波分析之所以得到如此广泛的应用，完 全归功于它的数学机理的创建性和完善性。小波分析是泛函分析、调和分析、数 值分析、时频分析、逼近论和广义函数论等众多学科知识完美结合的结晶，具有 完善的理论体系，它是f o u r i e r 变换、g a b o r 变换、短时f o u r i e r 变换发展的直接结 果。 2 3 经典傅里叶变换 2 3 1 传统傅里叶变换 传统傅里叶变换( f o u r i e rt r a n s f o r m ，f t ) i 扫下列公式定义： 正变换 8 硕七学位论文 ，( ) = rf ( t ) e “d t ( 2 1 ) 逆变换 1 儿) 2 长。，( 弦脚班 ( 2 2 ) 对于确定信号和平稳随机信号，傅里叶变换是信号分析和信号处理技术的理 论基础，有着非凡的意义，起着重大的作用。傅里叶变换把时间域与频率域联系 起来，夕( ) 具有明确的物理含义，通过研究，( ) 来研究，o ) ，许多在时域内难以 看清的问题，再频域内往往表现得非常清楚。 但正是由于傅里叶变换的域变换特性，o ) 与夕( ) 彼此之间是整体刻画，不 能够反映各自在局域区域上的特征，因此不能用于局部分析，作为变换积分核e 可“ 的幅值在任何情况下均为1 ，即p 耐i ；1 ，因此，频谱于( ) 在任一频率处的值是由 时间过程，o ) 在整个时间域( 一0 0 ，0 0 ) 上的贡献决定的；反之，过程厂( f ) 在某一时刻 的状态也是由夕( ) 在整个频率域( 一，) 上贡献决定的。如果要知道所分析的信号 在突变时刻的频率成分，那么傅里叶变换无疑是无能为力的，因为傅里叶变换的 积分作用平滑了非平稳信号的突变成分乜0 旧1 。 2 3 2 短时傅里叶变换 1 9 4 6 年，g a b o r 提出了窗口傅里叶变换概念，用一个在时间上可滑移的时间 窗来进行傅里叶变换，如图2 1 所示，即通过对信号在时域上加一个窗函数g ( t f ) ， 使其对信号厂( f ) 进行乘积运算以实现在z 附近的开窗和平移，再对加窗的信号进行 傅里叶分析，从而实现了在时间域和频率域上都具有较好局部性的分析方法，这 种方法称为短时傅里叶变换( s h o r tt i m ef o u r i e rt r a n s f o r m ，s t f t ) ，或者称为加窗 傅里叶变换( w i n d o w e df o u r i e rt r a n s f o r m ) 。s t f t 定义如下： s ( 鸱力= l 厂g 培 一咖吖缸也 ( 2 3 ) 其中，窗口函数g ( f ) 一般取为光滑的低通函数，保证g ( f f ) 只在了的附近非零， 在其余处迅速衰减掉，这样，短时傅里叶变换就在f 点附近局部地测量了频率分量 o j 的幅度值，得到信号在t f 时刻附近的频率信息。这是时间频率局部化的一种 标准技术乜。d g a b o r 采用高斯函数作为窗口函数，其相应的傅里叶变换仍旧是高 斯函数，从而保证短时傅里叶变换在时域与频域内均有局域化功能。 9 铝锭铸模裂纹的检测方法与装置研究 时阔时阀 图2 1短时傅里叶变换示意图 但是短时傅罩叶变换存在其固有的局限，其时间频率窗口是固定不变的，一 旦窗口函数占( f ) 选定，其时频分辨率也就确定了，并且不随频率和时间f 而变化。 也就是说，它对所有的频率都使用同样的窗口，由于频率与周期成反比，因此反 映信号高频成分需要用窄时窗，而反映信号低频成分需要用宽时窗。这样，短时 傅里叶变换不能同时满足这些要求。于是许多学者转而对小波进行了大量的研究。 2 3 3 小波变换和常见分析方法比较 小波变换属于一种时频分析方法，而在它出现之前已经有了多种时频分析方 法，通过将小波分析和几种常用分析方法比较，得出结论：和傅里叶变换相比， 它可进行时频分析；和短时傅里叶变换相比，它的分析窗口是可变的；小波变换 提出了变化的时间窗，当需要精确的低频信息时，采用长的时间窗，当需要精确 的高频信息时，采用短的时间窗。小波变换用的不是时间一频率域，而是时间一 尺度域。尺度越大，采用越大的时间窗，尺度越小，采用越短的时间窗，即尺度 与频率成反比。小波分析则克服了短时傅立叶变换等在单分辨率上的缺陷，具有 多分辨率分析的特点，在时域和频域都有表征信号局部信息的能力，时间窗和频 率窗都可以根据信号的具体形态动态调整，在一般情况下，在低频部分( 信号较平 稳) 可以采用较低的时间分辨率，而提高频率的分辨率，在高频情况下( 频率变化 不大) 可以用较低的频率分辨率来换取精确的时间定位。因为这些特定，小波分析 可以探测正常信号中的瞬态，并展示其频率成分，被称为数学显微镜，广泛应用 于各个时频分析领域。 2 4 小波变换 2 4 1 连续小波变换 下面我们首先引入小波变换的定义，给出完善的表达式。 设厂o ) 是平方可积函数，记作f ( t ) l 2 ( r ) ，妒o ) 为母小波，如果妒p ) 满足容许 性条件 1 0 硕十学位论文 q ：r 挚 则 w t , ( a 一= ( 仉，) = 。f ( t 击0 + ( t - 口v 渺 称为f ( t ) 的小波变换。其中a 为尺度因子，b 为位移因子。 另外，小波变换还可以写成卷积形式 弓 ，f ) = c ，。) 去妒( t - 口v ) 街= 厂枣死p ) 其中， 死( f ) 。 妒+ ( 一三) 口 口 ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 死o ) 的傅里叶变换为 死( 缈) = 石步+ ( 口国)( 2 8 ) 对于任意连续函数或信号厂o ) 进行小波变换，如果基函数妒。，o ) 的两个参数口 和z 均为连续变量，则被称为连续小波变换( c o n t i n u o u sw a v e l e tt r a n s f o r m ，c w t ) 。 。连续小波变换的形式可以写为 吁) = m 扣+ 等渺 ( 2 9 ) 只要小波 f ，( f ) 满足容许性条件( 2 1 ) ，则连续小波变换的逆变换存在，形式如 下： m = 占c 喝亿吡脚等 ( 2 1 0 ) 也就是说，这时可根据信号的小波系数精确地恢复原信号。 尺度和唯一均连续变化的连续小波基函数构成了一组过完备基。这意味着小 波系数之间存在冗余性，且冗余度可由重建核方程来描述。将重构公式( 2 1 0 ) 带入 小波变换的定义中，得 ( ) ；c ( 专f e 暇( 叩渺。，o 渺窘) ；f ，帅。渺 ( 2 m ) 交换积分次序，有 喝( 口0 ，) = d o o j 一1 。ok ( a , a o , v , z o 蚂( 叩渺 o 矽z 拳 ( 2 1 2 ) 其中 铝锭铸模裂纹的检测方法与装置研究 k ( a , a o , r , r o ) 妒 ) 2 托f _ - 眠1 ( t - 4 r ) , , 。( 1 - 4 。t o 渺 ( 2 1 3 ) 称为重建核。k 。，r o ，口，f ) 度量了小波妒。j 和妒口。a 之间的相关性陇3 。 连续小波变换有如下性质： ( 1 ) 线性 连续小波变换为线性变化，一个函数的连续小波变换等于该函数的分量的变 换和，公式表示如下： f ( t ) = 五o ) + 厶l j f ) ，o ) 伸喝，五( f ) 付，a ( t ) h 则 胛，岷+ 既 ( 2 1 4 ) ( 2 ) 时移共变性 o ) 鸭( 口，f )( 2 1 5 ) ，o - t o ) 鸭( 口，了- t o ) ( 2 1 6 ) ( 3 ) 时标定理 厂o ) 暇( 口，f )( 2 1 7 ) ，似) 仲仲，仃) ( 2 1 8 ) ( 4 ) 微分运算 呢，( 等) = ( _ 1 ) ”c 川刖出 仁柳 ( 5 ) 能量守恒 衙出。占f 1 胛s ( a 力1 2 丁d a d r ( 2 2 。) 由于： 蛳) = 托庙( 砌o 弦蛔咖 ( 2 2 1 ) 因此，喝0 ，z ) 的傅里叶变换为： l ( 口，z ) 付口f ( 渺( 口)( 2 2 2 ) ( 6 ) 冗余度 连续小波变换将一维信号变换到二维空间，o ) 讳蚂，因此小波变换中存在 多余的信息，我们称之为冗余度( r e d u n d a n c y ) 。因此小波变换的逆变换公式不是惟 一的，从分析小波吵 o ) = 忑1 妒( 等) 角度看， f ，。，( f ) 是一族超完备基函数，它们 1 2 硕士学位论文 之间是线性相关的，度量冗余度的量称为再生核r ( a 。，口，f ) ，它反映了小波变换 的冗余性。小波变换在不同的( 口，f ) 之间的相关性增加了分析和解释小波变换结果 的困难，因此，小波变换的冗长度应尽可能减小，它是小波分析中的主要问题之 一o 2 4 2 连续小波变换的物理意义 连续小波变换的实质是滤波器。滤波器在时间域和频率域中的表达式为 g o ) = r 厂 涉o - r ) d l g ) = f ( w ) 暇( 甜) 式中， o ) 是系统的脉冲响应：日( ) 是滤波器的系统函数。 w r l ( a 力= c ，( f ) 去妒等渺 比较，小波变换的脉冲响应为 叫爿弓 其系统函数为 ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) 与连续小波变换公式 ( 2 2 5 ) ( 2 2 6 ) ( ) = 4 a 矽( a w )( 2 2 7 ) 这种滤波器称为相关滤波器或者镜像滤波器。 2 4 3 连续小波变换的尺度特性 从定义可以看出小波变换的结构是时间( 平移) 参数f 和尺度参数a 的函数，因 此是一种时间一尺度分析。 用镜头观测目标的例子可