一种自由滑行下降过程中脱粒滚筒不平衡检测方法及系统

本发明属于脱粒滚筒动平衡检测，尤其涉及一种自由滑行下降过程中脱粒滚筒不平衡检测方法及系统。

背景技术：

1、脱粒滚筒的不平衡会产生振动，造成轴承磨损，零部件使用寿命下降，整机可靠性降低等问题，由于联合收获机整机振动大，不平衡信号信噪比低，传统的转子动平衡检测技术难以适应联合收获复杂的振动环境。而且传统的转子动平衡技术只能在转速恒定状态下对不平衡量进行检测，然而脱粒滚筒在整机状态下的转速波动会造成较大的动平衡测量误差，从而导致无法有效的识别滚筒的不平衡量。

技术实现思路

1、针对上述技术问题，本发明的一个方式的目的之一是提供一种自由滑行下降过程中脱粒滚筒不平衡检测方法，通过断开动力传输，解耦脱粒滚筒与发动机之间的振动耦合，从根源上解决了发动机对脱粒滚筒在线动平衡检测的干扰；同时采用基于互相关分析的特征值作为麻雀搜索算法的评价指标，对变分模态分解的相关参数进行优化，可以提高变分模态分解的效果，增加对变转速不平衡振动信号的识别效果，提高不平衡振动信号检测精度，有效精确提取微弱的不平衡故障振动特征信号的幅值和相位。

2、本发明的一个方式的目的之一是提供一种自由滑行下降过程中脱粒滚筒不平衡检测系统，包括信号采集模块、变分模态分解模块、麻雀搜索算法模块、适应度函数模块、信号重构模块、优化模块和无关化处理模块，能够应用上述不平衡检测方法，有效提取微弱的不平衡故障振动特征信号的幅值和相位，为后续故障处理提供技术支持。

3、注意，这些目的的记载并不妨碍其他目的的存在。本发明的一个方式并不需要实现所有上述目的。可以从说明书、附图、权利要求书的记载中抽取上述目的以外的目的。

4、本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

5、一种自由滑行下降过程中脱粒滚筒不平衡检测方法，包括以下步骤：

6、步骤s1：将滚筒转速提升至第一转速，切断滚筒动力输入，使滚筒自由滑行，直至速度下降至第二转速，采集速度下降过程中脱粒滚筒振动信号和转速信号，对振动信号进行降采样；

7、步骤s2：设置变分模态分解的惩罚因子范围和模态分解个数作为麻雀搜索算法进行优化的参数，并初始化麻雀搜索算法的最大迭代次数l和种群大小；

8、步骤s3：对步骤s1采集的转速信号进行三次样条插值，获取滚筒瞬时频率，并生成正余弦信号；

9、步骤s4：使用变分模态分解对步骤s1降采样之后的振动信号进行分解，计算各模态分量，对模态分量和步骤s3所述的正弦信号进行互相关运算，将互相关运算得出的特征值作为麻雀搜索算法的适应度函数；

10、步骤s5：重复步骤s4，根据适应度函数按照麻雀搜索算法的迭代次数l进行迭代优化，获得迭代优化后的参数；

11、步骤s6：根据步骤s4迭代优化后的参数对步骤s1降采样之后的振动信号进行变分模态分解，计算各模态与正弦信号的互相关运算特征值，并选取特征值最大的模态作为不平衡振动信号；

12、步骤s7：根据步骤s1采集的转速信号对步骤s6所述的不平衡振动信号进行幅值转速无关化处理和相位转速无关化处理，得到进行不平衡识别所需要的幅值和相位。

13、上述方案中，所述步骤s1降采样时降采样倍率m为：

14、

15、其中，fc为原始采样频率，fromax为滚筒转动频率的最大值。

16、上述方案中，所述步骤s2中变分模态分解中的本征模态函数的表达式为：

17、uk(t)＝ak(t)cos(φk(t))

18、其中，在[t-δ,t+δ]的间隔范围内，uk为谐波信号，uk(t)为t时刻的谐波信号，φk(t)为t时刻的角度，δ为时间间隔，ak为uk的瞬时幅值。

19、上述方案中，所述步骤s2中变分模态分解的约束变分模型为：

20、

21、

22、其中，uk为变分模态分解得到的第k个本征模态函数分量，ωk为本征模态函数分量的角速度；为梯度计算；δ(t)为冲激函数；j为虚数单位；t为时刻；s.t.为约束条件；f为原始信号。

23、上述方案中，所述步骤s3生成正余弦信号采用以下公式：

24、z(n)＝sin(2πftn)

25、v(n)＝cos(2πftn)

26、其中，ft为t时刻的滚筒瞬时频率，n为序列，z(n)为正弦信号，v(n)为余弦信号。

27、进一步的，所述步骤s4互相关运算特征值的表达式为：

28、

29、

30、

31、其中，rxz为振动信号与正弦信号相关值，rxv为振动信号与余弦信号相关值，x(n)为振动信号；n为信号长度；cv为特征值；z(n)为正弦信号，v(n)为余弦信号。

32、上述方案中，所述步骤s2中麻雀搜索算法依据适应度函数将种群排序，分为发现者、加入者，排序在前的麻雀为发现者，位置更新公式为：

33、

34、其中，i代表当前迭代数，itermax表示最大的迭代次数；xm,n表示第m个麻雀在第n维中的位置信息；α是一个属于(0，1]的随机数；r2表示预警值，属于[0，1]；和st表示安全值，属于[0.5，1]；q是服从正态分布的随机数；l表示一个元素为1的1×d的矩阵，d表示要优化的变量的维数；

35、加入者的位置更新公式为：

36、

37、其中，xp是目前发现者所占据的最优位置；xworst表示当前全局最差的位置；a+表示一个1×d的矩阵，p为种群大小。

38、上述方案中，所述步骤s2中麻雀搜索算法意识到危险时，麻雀种群会做出反捕食行为，其位置更新如下：

39、

40、式中，xbest为目前麻雀最优位置；β为服从均值为0，方差为1的正态分布的随机数；k为∈[-1,1]的随机数；fm为第m只麻雀适应度，fb和fw为目前麻雀最优适应度和最差适应度；ε为不为零的小数。

41、上述方案中，所述步骤s7中幅值转速无关化的公式为：

42、

43、其中，xa为转速无关化之后的振动信号，xu为经过步骤s6变分模态分解后的振动信号，ft为t时刻的滚筒瞬时频率；

44、相位转速无关化的具体步骤包括：

45、对滚筒进行键相测量，通过滚筒的转速求得等相位键相时标，根据不平衡振动信号峰值所在位置处的键相时标，获得转速无关化后的相位；

46、所述键相时标t(k)的序列为：

47、

48、其中，t(k)为第k个键相时标，b0、b1、b2为待定系数，θ(k)＝kδφ，k为要插值的键相时标的个数，δφ为转角增量。

49、一种自由滑行下降过程中脱粒滚筒不平衡检测系统，包括信号采集模块、变分模态分解模块、麻雀搜索算法模块、适应度函数模块、信号重构模块、优化模块和无关化处理模块；

50、所述采集模块用于将滚筒转速提升至第一转速，切断滚筒动力输入，使滚筒自由滑行，直至速度下降至第二转速，采集速度下降过程中脱粒滚筒振动信号和转速信号，对振动信号进行降采样；

51、所述变分模态分解模块用于使用变分模态分解对采集模块降采样的振动信号进行分解；

52、所述麻雀搜索算法模块用于设置变分模态分解的惩罚因子范围和模态分解个数作为参数，并初始化麻雀搜索算法的最大迭代次数l和种群大小；

53、所述适应度函数模块用于根据采集模块采集的转速信号进行样条插值，获取滚筒瞬时频率，并生成变频率正余弦信号作为麻雀搜索算法的适应度函数；

54、所述优化模块用于根据适应度函数模块获取的适应度函数按照麻雀搜索算法的迭代次数l进行迭代优化，获得迭代优化后的参数；

55、所述信号重构模块用于根据优化模块优化后的参数对采集模块降采样的振动信号进行变分模态分解，计算各模态的相关幅值，并选取互相关运算特征值最大的模态作为滤波后的振动信号所在的模态分量；

56、所述无关化处理模块用于根据采集模块采集的转速信号对信号重构模块处理后的不平衡振动信号进行幅值转速无关化处理和相位转速无关化处理，得到进行不平衡识别所需要的幅值和相位。

57、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

58、根据本发明的一个方式，通过断开动力传输，解耦脱粒滚筒与发动机之间的振动耦合，从根源上解决了发动机对脱粒滚筒在线动平衡检测的干扰，提高了检测精度。

59、根据本发明的一个方式，本发明采用基于互相关分析的特征值作为评价指标，采用麻雀搜索算法，对变分模态分解的相关参数进行优化，可以提高变分模态分解的效果，增加对变转速不平衡振动信号的识别效果。

60、根据本发明的一个方式，本发明基于不平衡振动信号与转速平方的线性特征和等相位重采样原理，对不平衡振动信号进行处理得到转速无关化的幅值和相位，并结合自由滑行减速过程，符合了等相位键相时标的求解条件。

61、注意，这些效果的记载不妨碍其他效果的存在。本发明的一个方式并不一定必须具有所有上述效果。可以从说明书、附图、权利要求书等的记载显而易见地看出并抽出上述以外的效果。