Phân tích Cepstrum trong chẩn đoán rung động
Phân tích Cepstrum là một kỹ thuật xử lý tín hiệu nâng cao tiết lộ cấu trúc định kỳ trong một phổ tần số. Tên “cepstrum” là một từ đảo ngữ của “spectrum,” và trò chơi từ này nắm bắt đúng bản chất của nó: nó thực tế là “phổ của một phổ.” Nó được tính bằng cách lấy lôgarit của một tần số phổ và sau đó thực hiện biến đổi Fourier nghịch đảo trên kết quả, một bước sụp đổ các mẫu lặp lại — các gia đình của sóng hài hoặc dải bên — thành các đỉnh đơn, dễ đọc có thể khó chọn ra trong phổ thô. Đối với máy móc phức tạp như hộp số, nó mang lại sự rõ ràng mà FFT phân tích thường không thể.
Trong một biểu đồ cepstrum, trục x được gọi là sự kỳ lạ (một từ rearranged từ tần số) và mang các đơn vị thời gian. Các đỉnh dọc theo trục này, được gọi rahmonics, cho thời kỳ — tính bằng giây — của các mẫu lặp lại có trong phổ gốc. Từ vựng được sắp xếp lại một cách có chủ ý (cepstrum, quefrency, rahmonics) là một lời nhắc nhở lâu dài rằng kỹ thuật này hoạt động trong một miền được chuyển đổi một lần so với miền quen thuộc.
1. Tại sao sử dụng phân tích Cepstrum?
Phổ FFT tiêu chuẩn rất tốt để nhận dạng các thành phần tần số riêng lẻ, nhưng nó có thể trở nên lộn xộn và khó đọc khi một lỗi tạo ra nhiều sóng hài và dải bên cạnh cùng một lúc. Phân tích cepstrum cắt qua sự lộn xộn đó bằng cách hợp nhất toàn bộ họ tần số cách đều nhau thành một đỉnh rõ ràng. Các ứng dụng chính của nó là:
- Phát hiện họ tần số sóng hài: nó nhận dạng một tần số cơ bản và các sóng hài của nó ngay cả khi chính tần số cơ bản yếu hoặc vắng mặt trong phổ.
- Xác định họ tần số lề: nó xuất sắc trong việc tìm các dải bên có biên độ thấp và bị chôn vùi trong nhiễu, rõ ràng cho thấy sự hiện diện của chúng và đo lường khoảng cách của chúng.
- Tách biệt hiệu ứng nguồn và đường đi: trong một số ứng dụng, nó giúp tách biệt tín hiệu nguồn rung động khỏi phản ứng cấu trúc của máy làm cho nó bị thay đổi.
- Phát hiện tiếng vang: nó có thể nhận ra những tiếng vang hoặc phản xạ trong một tín hiệu.
Ý tưởng chính là một sự chuyển đổi: một khoảng cách trong miền tần số — nói, dải bên cạnh mỗi 30 Hz — trở thành một vị trí trong miền quefrency (ở đây, một rahmonic tại 1/30 = 0,033 s). Nhiều đỉnh phân tán có chiều cao khác nhau do đó giảm xuống một tính năng có thể đo lường được.
2. Các ứng dụng chính trong Chẩn đoán máy
2.1 Chẩn đoán Hộp Số
Đây là ứng dụng phổ biến nhất và mạnh mẽ nhất. Một chiếc răng bánh xe bị hỏng điều chế tần số ăn khớp bánh răng (GMF), tạo ra các dải bên cạnh đỉnh GMF cách nhau ở tốc độ quay của bánh xe bị lỗi. Trong một hộp số có một số trục và các cặp bánh xe, phổ trở thành một hỗn hợp khó hiểu của các GMF khác nhau và các dải bên cạnh của chúng. Cepstrum cắt qua độ phức tạp đó:
- Một đỉnh ở quefrency tương ứng với chu kỳ quay của bánh xe (1 / RPM) là một chỉ báo rõ ràng về lỗi trên bánh xe cụ thể đó, chỉ ra trục vi phạm chứ không chỉ xác nhận “một vấn đề bánh xe.”
- Biên độ của đỉnh cepstrum đó có thể được theo xu hướng để giám sát cách mòn bánh răng tiến triển theo thời gian.
Nó bổ sung thay vì thay thế công việc phổ trực tiếp: một Máy tính Tần số Ăn khớp Bánh răng cho bạn biết những tần số lưới và dải bên nào cần mong đợi, và cepstrum sau đó xác nhận gia đình nào thực sự đang phát triển. Cả hai đều góp phần vào chẩn đoán toàn diện hơn của khuyết tật bánh răng.
2.2 Phân tích Vòng bi Lăn
Khuyết tật vòng bi cũng tạo ra các dải bên. Khuyết tật trên đường cuộn trong, chẳng hạn, tạo ra các dải bên có khoảng cách tại tốc độ trục quanh tần số khuyết tật đường cuộn trong (BPFI) và các sóa hài của nó. Cepstrum giúp xác nhận các mô hình này, đặc biệt khi chúng không rõ ràng trong phổ. Trong thực tế, nó hoạt động cùng với dự đoán tần số lỗi ổ trục — dễ dàng có được từ một Máy tính Tần số Khiếm khuyết Vòng bi — và thường được ghép với phân tích đường bao, sẽ khử điều biến các tác động tần số cao mà các sự cố vòng bi kích thích.
2.3 Phân tích Tua bin Máy
Trong turbine và máy nén, cepstrum có thể nhận diện tần số quét cánh các sóa hài và giúp chẩn đoán tổn thương cánh quạt hoặc khí động học vấn đề, nơi nhiều sóa hài liên quan đến cánh quạt được xếp chặt sẽ làm tắc phổ.
3. Cách Diễn Giải Biểu Đồ Cepstrum
Việc đọc kỷ luật được tiến hành theo bốn bước:
- Tính chu kỳ quay trước: trước khi xem xét cepstrum, hãy tính toán các khoảng thời gian của các thành phần xoay chính. Đối với một trục ở 1800 RPM (30 Hz) thì chu kỳ là 1/30 = 0,033 s. Một Máy tính Tần số Sóng hài nhanh chóng chuyển đổi RPM-to-Hz cho mọi trục trong chuỗi.
- Tìm kiếm các đỉnh ở các khoảng thời gian đã biết: kiểm tra cepstrum cho các rahmonics đáng kể xếp hàng với các khoảng thời gian đã tính, vì một đỉnh ở một khoảng thời gian đã biết chỉ thẳng đến một thành phần đã biết.
- Xác định cấu trúc sóng hài: tìm kiếm các đỉnh ở bội số nguyên của một quefrency cơ bản, cho biết các gia đình sóa hài mạnh mẽ trong phổ gốc.
- Theo dõi biên độ: theo dõi độ cao của các đỉnh cepstrum theo thời gian — biên độ tăng lên báo hiệu một tình trạng xấu đi, làm cho đỉnh cepstrum trở thành chỉ báo sức khỏe nhỏ gọn cho xu hướng.
4. Vị Trí của Cepstrum trong Bộ Công Cụ Chẩn Đoán
Phân tích cepstrum rất mạnh nhưng đòi hỏi kinh nghiệm để áp dụng tốt; nó được coi tốt nhất là một công cụ chuyên biệt trong một chương trình rộng hơn của chẩn đoán rung động thay vì là một câu trả lời độc lập. Quy trình thông thường là bắt đầu với phổ và phân tích phổ, sử dụng cepstrum khi các nhóm dải biên hoặc hài ba làm che khuất bức tranh, và xác nhận tác động của ổ với các phương pháp bao. Hầu hết các lỗi mà cepstrum tiết lộ — khuyết tật bánh răng và ổ — là những phát hiện chẩn đoán thay vì vấn đề cân bằng, do đó cepstrum nằm ở giai đoạn phân tích trước bất kỳ hành động khắc phục nào. Khi vấn đề cơ bản hóa ra là mất cân bằng Tại tốc độ vận hành, một máy phân tích di động như Balanset-1A đo biên độ và pha 1× cần thiết để sửa chữa nó tại chỗ, trong khi cepstrum vẫn tập trung vào các khuyết tật bánh răng và ổ mà nó chẩn đoán tốt nhất. Đối với máy móc phức tạp, sự kết hợp đó mang lại sự rõ ràng về chẩn đoán mà phân tích phổ một mình không thể đạt được.
