浑沌弱讯息勘验法在齿轮损坏声频谱矿藏里的运用

　　构受力作用产生变形或断裂，以弹性波形式释放出应变能的现象称为声发射(AE).

　　通过对声发射信号的检测和分析处理就可以推断材料内部发生的结构变化。由于AE检测具有实时、动态、灵敏的特点，声发射已发展成为设备无损检测和在线安全监测的重要手段，在诸多领域得到了广泛的应用，例如大型储罐的在线检测、压力管道泄漏检测、阀门检漏等。实践表明声发射技术对于这类静止不动的检测对象有很好的应用效果，但对于齿轮装置的状态监测来说，一方面齿轮运行常伴随着强烈的振动和噪声，而声发射信号本身又是一种微弱信号，很容易湮没在强背景噪声中;另一方面声发射传感器一般放置在箱体等非运动部件上，齿轮上产生的裂纹声发射信号要经过轴、轴承及箱体等零件才能到达传感器，必然会导致严重的衰减，这也是制约声发射技术在齿轮状态监测领域应用的重要原因。因此，研究强背景噪声中的微弱声发射信号的检测具有十分重要的意义。

　　近年来，利用混沌的性质检测噪声中的微弱有用信号已成为混沌工程学的研究热点之一。

　　作为一种典型的混沌系统，Duffing振子在微弱超声信号检测中的应用包括2种方法：

　　(1)利用Duffing振子的间歇混沌对噪声具有免疫力来检测信号，亦即混沌弱信号检测法。这种方法实现简单、成本低，具有应用价值;(2)利用噪声激励Duffing振子发生随机共振来检测信号。由于噪声是随机的、难以控制的，所以利用噪声激励Duff2ing振子，在实际操作上有很大的难度。

　　本文在对混沌弱信号检测法进行分析的基础之上，结合齿轮裂纹实验数据，研究了该方法在齿轮裂纹检测中的应用，并对其结果与频谱分析法进行比较，通过比较可以看出，其检测性能得以大大提高。

　　1混沌弱信号检测法

　　间歇混沌(又称为阵发混沌)是非线性系统在时间和空间上表现出的有序和无序交替出现的特殊动力学形态。在某些时空段，运动十分接近规则的周期运动;而在规则的运动段落之间，又夹杂着看起来很随机的跳跃。本文主要利用Duffing振子由于微小频差导致的间歇混沌现象，研究齿轮裂纹的声信号检测。

　　带外加摄动力的Duffing振子表示为在上述系统中通过Duffing振子的时序图则可以看出周期和混沌的出现是泾渭分明的。作为本方法的关键之处，正是要通过Duffing振子时序图中这种泾渭分明的周期和混沌的交替出现来判断待检信号中是否包含所需的声发射信号。

　　2实验分析

　　实验所用的平台主要由电动机、单级齿轮箱、联轴节和油泵等构成，如1所示。原动机为电动机，额定转速为2830r/min。通过调节油泵的出口压力可以改变其负荷。齿轮箱采用一对闭式直齿圆柱齿轮传动，大齿轮齿数z1=30，小齿轮齿数z2=180，模数为1mm，大齿轮齿宽b1=20mm，小齿轮齿宽b2=22mm.

　　大、小齿轮材料皆为45，经高频淬火处理。

　　为模拟裂纹故障，在大齿轮的一齿根处用线切割方法预制了2mm裂纹，为使齿轮裂纹快速扩展，将该齿沿宽度方向铣削，仅保留6mm齿宽。

　　声发射检测仪器主要由传感器、前置放大器、数据采集卡和工控机组成，传感器选用北京声华兴业科技有限公司的SR150声发射传感器，带宽为50～400kHz;前置放大器增益为40dB，带宽跟传感器的带宽一致;主放大器为声华SA4型。

　　采集系统为四川拓普测控科技有限公司生产view2000高速数据采集卡。

　　传感器布置在齿轮箱箱体上，声发射信号经传感器接收后先经过前置放大器，再送入主放大器进一步放大和调理， 进入计算机采集系统。

　　实验时采样频率为500kHz，数据采集时间为1s，2为检测到的齿轮裂纹声发射信号。

　　金属裂纹扩展时的声发射信号，其主要的频率范围为100～550kHz之间，在这个频带范围内聚积了AE裂纹扩展信号的绝大部分能量。

　　不同材料的峰值频率不同，根据实测，本实验中齿轮裂纹产生的声发射信号峰值频率在150kHz附近，近似一个窄带信号。对于Duffing检测系统，阻尼系数δ=0.4，ω0=150kHz，此时系统从混沌状态到大尺度周期状态产生相变的临界阈值fc=0.672，因此fr=0.671.利用频谱分析法对上述实验平台采集的声发射信号(齿轮已经出现较大裂纹)进行检测分析，其结果如3所示。从3中可以看出，利用频谱分析法进行检测，由于噪声信号较强，在频率域内期望信号的幅值与噪声信号的幅值相比过小，几乎无法观测，从而导致期望信号不能正确地进行检测分析。

　　利用混沌弱信号检测法进行检测分析，为便于对比，实验分别测量了齿轮有预制裂纹时和正常无裂纹时两种状态下的声发射信号，其结果如4，5所示。

　　4箱体上声发射信号产生间歇混沌状态(有裂纹故障时)图5箱体上声发射信号产生的混沌状态(无裂纹故障时)从4中可以看出，信号作为外加激励加入到检测系统中，由于齿轮裂纹的声信号频率接近内驱动信号频率，所以尽管声信号幅值很小，并且噪声信号很强，但从系统的时序图中可以观察到明显的间歇混沌现象发生。由于齿轮裂纹的声信号不是一个单频信号，所以观察到的间歇混沌现象不是规则的间歇混沌现象，但足以说明问题。是齿轮无裂纹时的检测结果，在本文中亦即噪声的检测结果。从图中可以看出，尽管噪声很强，但由于其频率与检测系统的内驱动信号频率相差较大，所以不会引起间歇混沌现象的发生。

　　3结束

　　混沌系统对小信号的敏感性和对噪声的免疫力，使它在信号检测中非常具有潜力。基于此，本文详细分析了Duffing方程产生间歇混沌的原理，并且研究了利用间歇混沌原理检测强噪声中的微弱超声信号的方法。将方法与实验数据相结合，并与频谱分析法进行比较可得：混沌弱信号检测法原理简单、易于实现、具有很好的应用价值;与频谱分析法相比，具有较强的噪声免疫力和抗干扰能力。

　　因此，混沌弱信号检测法是齿轮裂纹检测的一个有效检测方法。