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