液压系统故障信号的小波包检测方法

　　0 引言

　　液压系统中的调速阀是液压系统中比较容易发生故障的元件之一，如何对这种发生故障的元件进行诊断，对液压系统的维护有着重要意义。液压阀振动故障诊断方法主要包括四个阶段，即数据采集、特征提取、状态诊断和状态分析，其中最困难的属于特征提取。当前对于故障特征提取的主要方法有：状态空间分析、功率谱分析、高阶谱、时域平均、自适应消噪、解调分析、时间序列分析等。对于非高斯、非平稳信号则主要运用时频分析方法，该方法是同时在时间和频率域上对信号进行分析。时频分析包括线性和非线性两种，线性时频分析包括小波变换、短时傅里叶变换等，非线性时频分析包括 Cohen 分布、谱图等。本文借助小波分析理论中的小波包工具，对故障进行了比较准确的时频分析，对故障判断以及故障严重性的确定收到了较好效果，对系统性能的改善和维护有着重要意义。

　　1 实验过程

　　调速阀结构如图(1)所示，调速阀是由差压式减压阀和节流阀组合而成的，调速阀进口压力由溢流阀调整，基本恒定，出口压力由活塞上的负载 F 决定，减压阀阀心上端的油腔 b 通过孔道 a 和节流阀后的油腔相通，压力为 P2，而腔 c 和腔 d 通过孔道f 和 e 与节流阀相连，压力为 Pm。活塞上负载 F 增大时，P2 也增大，于是作用在减压阀阀心上端的液压力增大，阀心下移，减压阀的开口加大，压强减小，因而使 Pm 增大，结果使节流阀前后压差 Pm –P2 保持不变，反之亦然，这样就使通过调速阀的流量恒定不变，活塞运动的速度稳定，不受负载变化的影响[1,2]。

　　利用 NI 的软件 LabVIEW 及 PCI-6014 的数据采集卡和一个加速度传感器，依次采集调速阀在正常和故障状态下的振动信号。实验中设置了两种故障。在测试过程中，采样频率设为 1024Hz，读取频率为 512 Hz。实验数据采集程序如图(2)所示。

　　由于测试过程中系统外部和内部各种因素的影响必然在输出过程中夹杂着许多不需要的成分，这样就需要对所获得的数据进行预处理，剔除混杂在信号中的干扰噪声。本文采用中值法对采集的振动信号进行了预处理[1]。

　　2 小波包分析

　　小波分析是把信号 s 分解成低频 a1 和高频 d1两部分，在分解中，低频 a1 中失去的信息由高频d1 捕获。在下一层的分解中，又将 a1 分解成低频a2 和高频 d2 两部分，低频 a2 中失去的信息由高频d2 捕获，如此类推下去，可以进行更深层次的分解。小波包分解则不然，它不仅对低频部分进行分解，而且还对高频部分也进行分解。因此，小波包分解是一种比小波分解更为精细的分解方法。正因为如此，小波包分析是一种更广泛应用的小波分解方法，它广泛应用于各种信号处理，包括信号的分解、编码、消噪、压缩等[3,4]。