專利名稱:一種轉(zhuǎn)子瞬態(tài)信號分析方法
技術領域:
本發(fā)明涉及用于旋轉(zhuǎn)機械的瞬態(tài)信號分析,進而可以擴展到旋轉(zhuǎn)機械的 故障診斷。
背景技術:
旋轉(zhuǎn)機械在線監(jiān)測技術是了解設備運行狀態(tài)、保障設備安全運行的重要 手段之一。其中對旋轉(zhuǎn)機械啟停機等瞬態(tài)數(shù)據(jù)的采集與分析是全面了解設備 運行狀態(tài)的有效手段之一。目前用于瞬態(tài)信號分析的方法主要有跟蹤軸心軌 跡法、波德圖法、極坐標圖法、三維譜陣圖法、坎貝爾圖法等等,這些方法 對于了解系統(tǒng)固有特性、質(zhì)量不平衡的分布、故障分析與診斷提供了非常有 效的手段,但是這些方法中除了跟蹤軸心軌跡法外,其余均是基于單通道信 號的基礎上進行的分析技術,普遍存在提取信號殘缺不全的缺點,而跟蹤軸 心軌跡法雖然利用了兩個通道的信號,但是又存在著分辨率低等缺點,現(xiàn)有 的瞬態(tài)信號分析方法并不能完全滿足現(xiàn)場需要。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種旋轉(zhuǎn)機械瞬態(tài)信號分析方法,旨在彌補現(xiàn)有瞬 態(tài)信號分析方法信息表示不全的局限性,該方法便于識別設備固有特性參數(shù), 提供了一種設備的故障分析與診斷的有效手段。
本發(fā)明的一種轉(zhuǎn)子瞬態(tài)信號分析方法,該方法的步驟如下
1)在轉(zhuǎn)子截面布置兩只互相垂直的電渦流位移傳感器,采集轉(zhuǎn)子相對于軸承座的振動信號,傳感器方向由X到Y(jié)的方向應與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動方向一致,采 用等轉(zhuǎn)速信號采集并用鍵相信號進行同步整周期采樣;
2) 對采集的信號進行抗混濾波、低通濾波等,去掉不必要的干擾噪聲信
號;
3) 進行主振矢、振矢比、振矢角、矢相位計算,采用復FFT變換,利用 一次FFT計算同時獲得這些特征參數(shù);
4) 畫各個參數(shù)相對于轉(zhuǎn)速的關系5) 以主振矢圖表達單一頻率下的測點振動強度變化,用振矢比圖表示測 點單一頻率渦動軌跡的橢圓度變化,用振矢角圖表示最大振動方向的變化, 用矢相位圖表示振動矢量與參考相位點的變化。
主振矢用來表示橢圓的長半軸,等于正進動圓半徑與反進動圓半徑之和, 主振矢表示單一頻率下轉(zhuǎn)子振動響應的強度,啟停機分析中,主振矢圖用來 描述單一頻率振動強度隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律,如果表示成主振矢隨負荷、流量、 壓力等參數(shù)變化曲線,則主振矢圖描述系統(tǒng)的振動強度隨負荷、流量、壓力 等參數(shù)的變化規(guī)律。
振矢比等于副振矢與主振矢之商,用來描述單一頻率渦動軌跡的橢圓度, 其取值范圍為[-l, l],當振矢比為0時,轉(zhuǎn)子渦動軌跡退化為一條直線,直 線的長度為主振矢的2倍,當振矢比為-1時,轉(zhuǎn)子渦動軌跡為一與轉(zhuǎn)速方向 相反的圓,當振矢比為1時,轉(zhuǎn)子渦動軌跡為一與轉(zhuǎn)速方向相同的圓,當振 矢比取值位于(O, l)之間時,數(shù)值越大,表示橢圓越接近于圓,運動方向為正 向渦動,當振矢比取值位于(-l, O)之間時,絕對值越大,表示橢圓越接近于 圓,運動方向為反向渦動,振矢比圖用于表示成振矢比隨轉(zhuǎn)速、負荷、流量、壓力等參數(shù)變化的規(guī)律。
振矢角表示主振矢與X方向傳感器方向的夾角,代表振動最大的方向, 振矢角僅與系統(tǒng)本身的固有特性有關,與激振力的幅值、相位無關,跟蹤振 矢角的變化用于判斷系統(tǒng)固有特性的變化。
矢相位表示主振矢與參考相位方向的夾角,矢相位既與系統(tǒng)本身固有特 性有關,也與激振力有關。
來自兩個互相垂直通道的信號,以及主振矢、振矢比、振矢角、矢相位 與單一通道信號之間的關系如式(1) (2)所示
(1)
<formula>formula see original document page 7</formula>
(2)
式中,x, y為兩個單通道信號,X, Y分別表示x, y的幅值,cpx, cpy表示x, y的相位角,e表示振矢角,。a表示矢相位,Ra, Rb表示主振矢、副振矢,v 表示振矢比。
主振矢、振矢比、振矢角、矢相位的計算,采用復FFT方法。
I-
及
112各參數(shù)相對于轉(zhuǎn)速為二維圖,橫坐標為轉(zhuǎn)速,縱坐標分別為單一頻率的 主振矢、振矢比、振矢角與矢相位。
各參數(shù)相對于轉(zhuǎn)速為三維圖,X坐標為轉(zhuǎn)速或頻率,Y坐標為頻率或轉(zhuǎn)速, Z坐標分別為主振矢、振矢比、振矢角和矢相位。
圖1是純頻率下轉(zhuǎn)子的渦動軌跡圖; 圖2為轉(zhuǎn)子實驗臺照片;
圖3是全矢譜圖的二維表示(以1X為例);
圖4是全矢譜圖的三維表示。
圖1中,x, y為兩個坐標軸符號,o為坐標原點,Xp, Xr分別為正、反 進動圓的半徑,Op, ^分別為正、反進動圓的初相位角,e表示橢圓長軸與x 軸夾角,Ra, Rb表示橢圓長、短半軸的長度。
具體實施例方式
全矢譜圖實際上共包括四幅圖,即主振矢圖、振矢比圖、振矢角圖、矢 相位圖,下面分別就單一頻率的振動為例,說明各個參數(shù)的物理意義。
設以Q角速度旋轉(zhuǎn)的圓盤中心的運動方程可以表示為
式中,m^,^分別為I,y方向的幅值、初相位角。
由式(1)表示的圓盤中心的運行軌跡為一橢圓。全矢譜圖各參數(shù)與
U,化,^之間的關系可以表示為式(2)<formula>formula see original document page 9</formula>(2)
式中,已為主振矢,^為副振矢,p為振矢比,e為振矢角,&為矢相位<
根據(jù)轉(zhuǎn)子動力學理論,對于不平衡質(zhì)量產(chǎn)生的響應,有 附rQ2 附r
<formula>formula see original document page 9</formula>為質(zhì)徑積,t,、,^^分別為x,y方向的剛度系數(shù)和阻尼系數(shù), "為不平衡質(zhì)量相位角,4,A,^&分別為《y方向的頻率比
和阻尼比。若令L "/V則有爐,-A + W2。若令^r/z,
則有:<formula>formula see original document page 10</formula>
聯(lián)系式(3)、 (4),可以推出如下結(jié)論.-
(1) 在轉(zhuǎn)速一定時,x,y方向的振幅比與相位差,即r/x,^-^僅與系
統(tǒng)本身固有參數(shù)h^,^M有關,而與激振力幅值和相位無關;
(2) 由于振矢角僅與振幅比和相位差有關,因此振矢角也與激振力幅值 和相位無關;
(3) 由于振矢比只與振幅比和相位差有關,因此振矢比也與激振力幅值 和相位無關,振矢比的取值范圍為[-l, l],當取值為1時,表示轉(zhuǎn)子軸心的 運動軌跡為正向渦動的圓,當取值為-1時,表示轉(zhuǎn)子軸心的運動軌跡為反向 渦動的圓,當取值為(-1, 1)之間的任何值時,表示轉(zhuǎn)子軸心的運動軌跡為 一正向或反向渦動的橢圓,絕對值的大小表示橢圓度;
(4) 由于主振矢代表橢圓軌跡長半軸,因此主振矢描述了振動響應的強 度,它不但與系統(tǒng)固有參數(shù)有關,而且與激振力幅值有關,但與激振力相位 無關;
(5) 矢相位描述的是主振矢的相位角,因此它表示的是振動響應最大值 與參考點的相位差,不但與系統(tǒng)固有參數(shù)有關,而且與激振力的相位有關,但是與激振力幅值無關;
綜上所述,本發(fā)明與現(xiàn)有瞬態(tài)信號分析方法相比,具有如下優(yōu)勢
(1) 根據(jù)主振矢圖,可以可靠地跟蹤振動強度的變化,彌補了以往單通 道信息殘缺不全的缺點;
(2) 因為振矢角和振矢比都只與系統(tǒng)本身特性參數(shù)有關,因此通過跟蹤 振矢角和振矢比的變化情況,可以很好地了解系統(tǒng)本身的固有特性, 這是以往分析方法所不具備的;
(3) 在系統(tǒng)參數(shù)不變的情況下,通過跟蹤主振矢、矢相位的變化情況, 可以較好地了解激振力的變化情況;
(4) 本方法能夠為旋轉(zhuǎn)機械故障診斷及控制方面提供比以往瞬態(tài)分析方
法更加全面可靠的信息。
本方法既可用于分析旋轉(zhuǎn)機械啟停機過程,也可以描述主振矢、振矢比、 振矢角、相位角隨其它過程參數(shù)變化而變化的情況,本方法對于這些不同過 程信號具有相同的處理過程,因此,下面就本方法用于啟停機分析為例詳細 說明本方法的實現(xiàn)過程。
旋轉(zhuǎn)機械隨著某些工藝參數(shù)和運行參數(shù)的變化過程的響應是一組完整的 過程信號,它對于分析設備的穩(wěn)定性,進行故障診斷以及參數(shù)識別等具有重 要價值。通過一組過程信號的分析,可以分析轉(zhuǎn)子的振動特性,查詢幅值和 相位變化的原因,獲得機組實際運行的臨界轉(zhuǎn)速等關鍵參數(shù),確定轉(zhuǎn)子的不 平衡響應,研究結(jié)構(gòu)和元件的共振等,是故障診斷的重要依據(jù)之一。本發(fā)明
中是在矢譜分析技術(vector spectrum)的基礎上,系統(tǒng)分析了全矢譜參數(shù) 與轉(zhuǎn)子系統(tǒng)參數(shù)、激振力參數(shù)的關系,提出了用于旋轉(zhuǎn)機械過程信號(瞬態(tài)信號)分析的一種新方法——全矢譜圖,并吸收現(xiàn)有旋轉(zhuǎn)機械瞬態(tài)信號分析 方法的優(yōu)點,給出了全矢譜圖的兩種表示形式——二維表示法和三維表示法,
二維表示法是借鑒波德圖(Bode)的表示方法,用于跟蹤單一頻率全矢譜相 關參數(shù)的變化,分辨率高;三維表示法是借鑒三維譜陣圖和級聯(lián)圖的表示方 法,用于跟蹤全頻率下全矢譜相關參數(shù)的變化,是全景圖,具有信息全面的 優(yōu)點,在實用中應根據(jù)使用目的的不同采用的不同的表示方法。
下面結(jié)合圖2所示的實驗臺上采集的一組啟機數(shù)據(jù)來具體說明本方法應 用,該實驗所用傳感器為非接觸式電渦流位移傳感器,傳感器布置為一水平 方向, 一垂直方向,互成90度。實驗結(jié)果如圖3, 4所示。
(1) 頻率成分分析。通過全矢譜圖的三維表示形式,可以很容易地看到 在整個升速過程中,轉(zhuǎn)子振動的頻率成分,在本例中,只有一倍頻存在;
(2) 臨界轉(zhuǎn)速分析。通過二維圖或三維圖都可進行臨界轉(zhuǎn)速的分析,但 是通過觀察IX的二維圖更加直觀,準確。臨界轉(zhuǎn)速的判斷,在本發(fā)明中,是 通過主振矢和矢相位來進行,當轉(zhuǎn)子接近臨界轉(zhuǎn)速時,主振矢幅值迅速增大, 在臨界轉(zhuǎn)速處達到最大值,遠離臨界轉(zhuǎn)速后迅速減小,而矢相位在臨界轉(zhuǎn)速 處接近于0度,而在臨界轉(zhuǎn)速兩邊變號,在本例中,通過主振矢和矢相位可 以判定臨界轉(zhuǎn)速為3520r/min;
(3) 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)本身特性分析。在本發(fā)明中,主要通過二維圖或三維圖中 的振矢角和振矢比進行分析,轉(zhuǎn)子系統(tǒng)本身的特性參數(shù)主要有剛度、阻尼, 在本例中,在轉(zhuǎn)速為1000-3000r/min時,振矢角比較平穩(wěn),幾乎沒有變化, 而振矢比變化也較小,因此可以說轉(zhuǎn)子系統(tǒng)本身比較穩(wěn)定,剛度、阻尼變化 不大,在1000r/min以下時,振矢角與振矢比都有小量波動,這表示在低轉(zhuǎn)速時由于油膜形成不好造成總的剛度、阻尼有波動,當接近一臨界或一臨界 以上時,振矢角與振矢比都隨著轉(zhuǎn)速的升高而有明顯的變化,呈現(xiàn)出周期性 變化的特點,這表明振動最大的方向在不斷的變化,橢圓度也在不斷的變化,
從二者變化的快慢看,最大振動方向變化的要快,而橢圓度相對變化的較慢;
(4) 最大振動方向的識別。對于旋轉(zhuǎn)機械狀態(tài)監(jiān)測而言,最大振動方向 至關重要,特別是對于那些基于單通道信號評價的機組,如果傳感器布置的 不是振動最大的方向,就很可能無法準確掌握機組實際的運行狀態(tài),從而無 法及時避免一些可能發(fā)生的事故。在本發(fā)明中,通過跟蹤振矢角很容易判斷 出振動最大方向;
(5) 橢圓度的跟蹤。橢圓度一方面表示系統(tǒng)特性的差異,另一方面對于 某些故障診斷(比如說一個方向上的剛度顯著降低或一個方向上作用著較大 的力)具有很大的用處。關于橢圓度的跟蹤,在本發(fā)明中是通過振矢比實現(xiàn) 的,如果振矢比的絕對值太小,則表示橢圓非常扁,反之則較圓;在本實例 中,在一臨界以下時,橢圓較圓,且較穩(wěn)定,而在一臨界以上時,隨著轉(zhuǎn)速 的變化,橢圓時而圓時而扁;
(6) 軸心軌跡進動方向的識別。軸心軌跡進動方向的不同往往預示著系 統(tǒng)工作狀態(tài)的不同,對于少數(shù)故障具有反進動的特征。通過振矢比的跟蹤, 可以非常容易地識別出進動方向,而且不需要鍵相信號,在本例中,振矢比
均大于0,說明沒有反進動發(fā)生。
權利要求
1、一種轉(zhuǎn)子瞬態(tài)信號分析方法,其特征在于,該方法的步驟如下1)在轉(zhuǎn)子截面布置兩只互相垂直的電渦流位移傳感器,采集轉(zhuǎn)子相對于軸承座的振動信號,傳感器方向由X到Y(jié)的方向應與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動方向一致,采用等轉(zhuǎn)速信號采集并用鍵相信號進行同步整周期采樣;2)對采集的信號進行抗混濾波、低通濾波等,去掉不必要的干擾噪聲信號;3)進行主振矢、振矢比、振矢角、矢相位計算,采用復FFT變換,利用一次FFT計算同時獲得這些特征參數(shù);4)畫各個參數(shù)相對于轉(zhuǎn)速或其它變量的關系圖;5)以主振矢圖表達單一頻率下的測點振動強度變化,用振矢比圖表示測點單一頻率渦動軌跡的橢圓度變化,用振矢角圖表示最大振動方向的變化,用矢相位圖表示振動矢量與參考相位點的變化。
2、 根據(jù)權利要求1所述的轉(zhuǎn)子瞬態(tài)信號分析方法,其特征在于,主振矢 用來表示橢圓的長半軸,等于正進動圓半徑與反進動圓半徑之和,主振矢表 示單一頻率下轉(zhuǎn)子振動響應的強度,在啟停機分析中,主振矢圖用來描述單一頻率振動強度隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律,如果表示成主振矢隨負荷、流量、壓力 等參數(shù)變化曲線,則主振矢圖描述系統(tǒng)的振動強度隨負荷、流量、壓力等參 數(shù)的變化規(guī)律。
3、 根據(jù)權利要求1所述的轉(zhuǎn)子瞬態(tài)信號分析方法,其特征在于,振矢比 等于副振矢與主振矢之商,用來描述單一頻率渦動軌跡的橢圓度,其取值范圍為[-l, l],當振矢比為0時,轉(zhuǎn)子渦動軌跡退化為一條直線,直線的長度為主振矢的2倍,當振矢比為-l時,轉(zhuǎn)子渦動軌跡為一與轉(zhuǎn)速方向相反的圓, 當振矢比為1時,轉(zhuǎn)子渦動軌跡為一與轉(zhuǎn)速方向相同的圓,當振矢比取值位 于(O, l)之間時,數(shù)值越大,表示橢圓越接近于圓,運動方向為正向渦動,當 振矢比取值位于(-l, O)之間時,絕對值越大,表示橢圓越接近于圓,運動方 向為反向渦動,振矢比圖用于表示成振矢比隨轉(zhuǎn)速、負荷、流量、壓力等參 數(shù)變化的規(guī)律。
4、 根據(jù)權利要求1所述的轉(zhuǎn)子瞬態(tài)信號分析方法,其特征在于,振矢角 表示主振矢與X方向傳感器方向的夾角,代表振動最大的方向,振矢角僅與 系統(tǒng)本身的固有特性有關,與激振力的幅值、相位無關,跟蹤振矢角的變化 用于判斷系統(tǒng)固有特性的變化。
5、 根據(jù)權利要求1所述的轉(zhuǎn)子瞬態(tài)信號分析方法,其特征在于,矢相位 表示主振矢與參考相位方向的夾角,矢相位既與系統(tǒng)本身固有特性有關,也 與激振力有關。
6、 根據(jù)權利要求1所述的轉(zhuǎn)子瞬態(tài)信號分析方法,其特征在于,來自兩 個互相垂直通道的信號,以及主振矢、振矢比、振矢角、矢相位與單一通道信號之間的關系如式(1) (2)所示<formula>formula see original document page 4</formula>式中,x, y為兩個單通道信號,X, Y分別表示x, y的幅值,cpx, cpy表示x, y的相位角,e表示振矢角,Oa表示矢相位,Ra, Rb表示主振矢、副振矢,v 表示振矢比。
7、 根據(jù)權利要求1所述的轉(zhuǎn)子瞬態(tài)信號分析方法,其特征在于,主振矢、 振矢比、振矢角、矢相位的計算,采用復FFT方法。
8、 根據(jù)權利要求1所述的轉(zhuǎn)子瞬態(tài)信號分析方法,其特征在于,各參數(shù) 相對于轉(zhuǎn)速為二維圖,橫坐標為轉(zhuǎn)速,縱坐標分別為單一頻率的主振矢、振 矢比、振矢角與矢相位。
9、 根據(jù)權利要求1所述的轉(zhuǎn)子瞬態(tài)信號分析方法,其特征在于,各參數(shù) 相對于轉(zhuǎn)速為三維圖,X坐標為轉(zhuǎn)速或頻率,Y坐標為頻率或轉(zhuǎn)速,Z坐標分 別為主振矢、振矢比、振矢角和矢相位。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種轉(zhuǎn)子瞬態(tài)信號分析方法,該方法的步驟如下1)在轉(zhuǎn)子截面布置兩只互相垂直的電渦流位移傳感器,采集轉(zhuǎn)子相對于軸承座的振動信號,傳感器方向由X到Y(jié)的方向應與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動方向一致,采用等轉(zhuǎn)速信號采集并用鍵相信號進行同步整周期采樣;2)對采集的信號進行抗混濾波、低通濾波等,去掉不必要的干擾噪聲信號;3)進行主振矢、振矢比、振矢角、矢相位計算,采用復FFT變換,利用一次FFT計算同時獲得這些特征參數(shù);4)畫各個參數(shù)相對于轉(zhuǎn)速或其它變量的關系圖;5)以主振矢圖表達單一頻率下的測點振動強度變化,用振矢比圖表示測點單一頻率渦動軌跡的橢圓度變化,用振矢角圖表示最大振動方向的變化,用矢相位圖表示振動矢量與參考相位點的變化。
文檔編號G01M13/00GK101561312SQ20091014322
公開日2009年10月21日 申請日期2009年5月21日 優(yōu)先權日2008年6月24日
發(fā)明者董辛旻, 偉 郝, 宏 陳, 捷 韓 申請人:鄭州大學