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摘要：电梯作为城市生活中人们使用最多的垂直交通工具，其安全性随着频发的电梯事故越来越受到人们的关注。电梯的日常维护、故障诊断和故障排除是保证电梯安全运行的必需活动，因此需要研究对电梯的机械故障进行诊断的有效技术。电梯机械系统是一个复杂的非线性系统，其机械故障时的振动信号中蕴含有丰富的故障信息。高阶谱分析作为一种基于信号分析处理的故障诊断方法，能够有效抑制高斯噪声，识别系统各种状态的非线性特征，对电梯机械故障进行分析，提取故障的高阶谱特征量，实现机械故障的识别诊断。
关键词：高阶谱；电梯；故障诊断
前言
电梯机械系统是一个非线性系统，电梯出现机械故障时其振动信号具有复杂性和非线性等特征。高阶谱分析能有效地消除信号中的高斯噪声，不仅能够有效反映信号的能量，而且还可以反映信号的相位信息，能够对非线性相位耦合做出定量描述。因此采用高阶谱分析电梯机械系统的三维振动加速度信号来识别电梯正常运行和各故障状态下的高阶谱特性，从而实现对电梯机械正常运行和各故障特征的识别和提取，为电梯的运行监测和机械故障诊断提供有效可行的方法。
1 高阶谱的性质
在高阶谱的研究和应用中，三阶谱、四阶谱是两个重要的特例，也是目前高阶谱理论和应用研究中的主要内容。三阶谱又称为双谱，它是三阶累积量的二维Fourier变换，而四阶谱称为三谱，它是四阶累积量的三维Fourier变换，所以累积量所具有的性质对双谱、三谱都同样适用。根据随机分析理论，零时延二阶累积量是信号的方差，零时延三阶累积量描写了随机过程偏离高斯过程的程度，是信号的歪斜，零时延四阶累积量是信号的峰度。所以，功率谱相当于信号的方差在频域的分解，双谱可看成信号的歪斜在频域的分解，三谱可看成信号陡峭程度在频域的分解。双谱用两个频率及对应的幅值构成的三维空间展示，但是三谱需要用三个频率及对应的幅值构成的四维空间表示，是由于三谱计算的复杂、图片显示不够明确，目前常用切片方法表示三谱，故常用三谱的二维或一维切片图分析。
2 基于高阶谱的电梯机械故障诊断
高阶谱分析能有效地消除信号中的高斯噪声，在反映信号能量的同时，还保留信号的相位信息，能定量描述非线性相位耦合。因此，采用高阶谱方法对电梯的振动加速度信号进行分析,进行电梯的故障识别和诊断。将采集到电梯机械振动系统的x，y，z三个方向（左右、前后、垂直方向）的振动加速度信号通过EMD预处理方法进行高阶谱分析前的处理，然后将预处理后的三维信号数据进行互双谱估计，从而求得三维振动方向加速度信号的互双谱。这样，通过分析求得的双谱图来进行电梯动态特征的识别，从而实现电梯机械故障的诊断。通过采用电梯的三个方向的振动信号来求它们的互双谱进行电梯故障诊断的优势是：电梯的x，y，z三个方向的振动加速度信号包含了电梯机械系统更多更全面的振动信息，求其它们的互双谱能够更加全面准确有效地反映电梯运行时的动态特性，从而使电梯机械故障诊断更加准确有效。
2.1 电梯上行中双谱机械故障诊断
电梯以4m/s的速度上行，分别从1-2，2-4，4-7层数间运行。将这些状况下采集到电梯的三个方向振动加速度信号进行互双谱估计，求出它们的双谱，分别得到的双谱图、等高线图、双谱对角切片图。
电梯从1-2层运行时各工况双谱，如图1至5所示。根据双谱图和等高线图分析，从图1中可以看出，在正常状况下，谱峰主要集中在对角线带上，大谱峰比较集中，集中在谱图中间且数量少，小谱峰数量少，能量比较集中，说明电梯运行平稳，这跟正常运行的实况相符；频率成分较为简单，在频率对（0.08，-0.2）和（-0.08，02）两处存在明显的峰值，存在着二次频率耦合现象，说明电梯机械系统是非线性系统。从图2中可以看出，在绳松状况下，大谱峰主要集中在水平线带上，主要大谱峰分散在两端，四周小谱峰变多，能量分散；频率成分比正常情况下的复杂，在水平线带两端处上有明显的二次频率耦合峰值，说明电梯的非线性开始增强；从图3中可以看出，在导靴夹紧状况下，谱变得十分分散，大谱峰变多，主要分散在对角线带上，四对角处各分布有大谱峰，小谱峰明显增多，能量越发不集中；频率成分复杂，二次频率祸合峰值分布位置明显增多，且分布分散，说明电梯非线性强，故障严重;从图4中可以看出，在导靴弹簧放松状况下，谱分散且不集中，大谱峰分布在对角线带上，而且大谱峰带相对图3中的变窄，小谱峰比图3变少，谱峰层次区分度差，能量往外发散;也存在多处的二次频率祸合峰值，电梯的非线性明显。从图5中可以看到，在曳引轮磨损状况下，大谱峰只分布在水平线带上且分布较为均匀，四周有较少的小谱峰分布，小谱峰的数目比图2,3,4中的少，能量较为分散，祸合峰值主要分布在水平线带上。根据双谱对角切片图分析，图1中正常情况下的谱峰较为平缓，层次明显，在频率0.1处有个0.25的最大峰值;其他各种故障情况下的谱峰较为杂乱。图2中，在频率0.02和0.05处分别有峰值超过0.25的谱峰，最大峰值为0.4;图3中，在频率0.48处有峰值0.55的最大谱峰;图4中，在0.45处有峰值0.375的最大谱峰，图5中，在0.05处有峰值0.9的最大谱峰。其中，正常情况下的最大峰值最小，曳引轮磨损情况下的最大峰值最大。
2.2 电梯各状况下双谱总结
电梯上行中，正常情况下，谱峰一般都分布在谱图中间；绳松状态下，大谱峰都分布在水平线带上，谱峰多；导靴夹紧状态下，大谱峰分布在对角线带或斜相交十字形带上；导靴弹簧放松状态下，大谱峰也分布在对角线带或斜相交十字形带上，与导靴夹紧状态下的区别是在各楼层区间的分布带的宽窄和最大谱峰的位置不同；曳引轮磨损的情况下，大谱峰都分布在水平线带上，最大谱峰的位置比绳松状态下更远离谱图中心。电梯下行中，正常情况下，谱峰结构简单，跟上行中情况一样，一般都分布在谱图中间，能量集中在谱图中间；绳松状态下，大谱峰与上行情况中一样，都分布在水平线带上；导靴夹紧状态下，大谱峰分布在对角线带处，最大谱峰出现在靠近对角位置；导靴弹簧放松的状况，大谱峰分布在对角线带处或斜十字形带上，最大谱峰出现位置比导靴夹紧状态下的要靠中间。曳引轮磨损的情况下，大谱峰出现在水平线带或对角线带上，出现在对角线带上的带宽比导靴夹紧状态下的窄，且最大谱峰出现的位置不同。
3 结束语
电梯机械系统是非线性系统。在正常情况下，在上下行不同的楼层间隔的振动加速度信号都存在着二次频率耦合现象。因此，电梯机械系统的三维振动加速度信号的高阶双谱可以检测电梯机械系统的非线性，这对电梯的设计和优化性能具有很大的意义。
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论文作者:韩彬,李强
论文发表刊物:《电力设备》2017年第22期
论文发表时间:2017/12/12
标签：电梯论文; 信号论文; 机械论文; 高阶论文; 峰值论文; 频率论文; 故障诊断论文; 《电力设备》2017年第22期论文;