專利名稱：一種采用時(shí)頻切片技術(shù)提取旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)子軸心軌跡的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于機(jī)械設(shè)備振動(dòng)信號(hào)處理與故障特征提取技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種采用時(shí)頻切片技術(shù)提取旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)子軸心軌跡的方法。
背景技術(shù)：
旋轉(zhuǎn)機(jī)械的轉(zhuǎn)子軸心軌跡是轉(zhuǎn)子軸心點(diǎn)相對(duì)于軸承座運(yùn)動(dòng)而形成的軌跡，通過在轉(zhuǎn)子的同一橫截面上設(shè)置2個(gè)相互垂直的傳感器來測取振動(dòng)位移,2個(gè)方向上的振動(dòng)位移確定了該截面上軸心的振動(dòng)漂移位置，隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)成了軸心的軌跡。軸心軌跡包含了豐富的故障信息，它的形狀是判斷設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)是否正常的一個(gè)重要的依據(jù)。通常現(xiàn)場獲取的振動(dòng)信號(hào)含有噪聲，干擾較大，合成的軸心軌跡雜亂無章，妨礙了對(duì)設(shè)備狀態(tài)分析的有效性。為了清楚地觀察軸心軌跡，2個(gè)方向的振動(dòng)信號(hào)需要經(jīng)過消除噪聲處理后，再進(jìn)行 擬合形成軸心軌跡。常用的方法如下(I)用高通濾波器濾除振動(dòng)信號(hào)中的直流分量以便于觀察軸心軌跡。(2)若需要同時(shí)了解軸心的軌跡及位置，還需用低通濾波器濾除振動(dòng)信號(hào)中的高頻分量。(3)單頻軸心軌跡分解，它可以有效地突出所關(guān)注的信號(hào)分量。目前，對(duì)軸心軌跡提取的方法有數(shù)字濾波及小波變換等。文獻(xiàn)[1]采用傅里葉變換提取各階頻率分量的方法合成[1]，2路振動(dòng)信號(hào)分別用傅里葉變換進(jìn)行分析得到信號(hào)的幅頻譜，用幅頻譜選頻，把信號(hào)分量簡化為諧波分量，合成單頻軸心軌跡分量圖。采用離散小波變換和離散小波包變換提取軸心軌跡利用小波降噪方法，首先用小波變換把振動(dòng)信號(hào)分解到不同的頻帶上，以獲得不同頻帶上的振動(dòng)信號(hào)的分量，然后只選取若干頻帶重構(gòu)信號(hào)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的濾波，用重構(gòu)信號(hào)合成軸心軌跡。離散小波變換和離散小波包變換依賴小波基函數(shù)，選用不同的小波基函數(shù)其效果有差異；另外，二者按頻帶分解信號(hào)，如果需要獲得單一頻率成分的信號(hào)分量，必須增加分解層數(shù)，而增加分解層數(shù)，分解頻帶內(nèi)的數(shù)據(jù)量減少，難以有效地表達(dá)信號(hào)的真實(shí)特征，因此，通常采用有限的分解層數(shù)，這樣一個(gè)頻帶內(nèi)含往往有多種成分的信號(hào)分量，不能理想地獲取單頻軸心軌跡；其次，即使采用正交小波，也存在分解頻帶間交疊的交疊問題，也使獲取單頻軸心軌跡困難[2’3]。大多數(shù)連續(xù)小波變換提供的是時(shí)間尺度分解信息，無法提取軸心軌跡所需的單頻分量。諧波小波包變換的分析采用等采樣點(diǎn)數(shù)的任意頻帶無能量泄漏分解的方法，該方法具有小波分析的窗口伸縮功能，由諧波窗分解得到的頻域特征信號(hào)可以較好地重構(gòu)所提取頻帶原始時(shí)域特征信號(hào)，可得到較理想的軸心軌跡，但是，實(shí)際應(yīng)用中對(duì)于特定頻帶的選擇直接影響軸心軌跡的形狀[4’5’6]。另外，根據(jù)旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)信號(hào)的特點(diǎn)，采用數(shù)學(xué)形態(tài)濾波器也可以提取軸心軌跡，利用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)構(gòu)成低通濾波器，對(duì)振動(dòng)信號(hào)去噪及強(qiáng)化處理，消除信號(hào)噪聲，然后重構(gòu)出軸心軌跡。此種方法構(gòu)造濾波時(shí)需要對(duì)待處理信號(hào)的局部形狀特征有清楚的了解，實(shí)際應(yīng)用受到一定的限制[7]。
以下是申請(qǐng)人檢索的相關(guān)文獻(xiàn)I楊昌棋，秦樹人，湯寶平，基于FFT的虛擬式軸心軌跡分析儀，振動(dòng)，測試與診斷，2000，20 (s) :138 142。2楊建國，夏松波，劉永光，須根法，小波降噪在軸心軌跡特征提取中的應(yīng)用[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，31 (5) :52 54。3韓吉，蔣東翔，倪維斗，王風(fēng)雨，利用最優(yōu)小波包提取軸心軌跡故障特征[J].汽輪機(jī)技術(shù)，2001，43 (3) :133 136。4張文斌，周曉軍，楊先勇，林勇，沈路，基于諧波窗方法的轉(zhuǎn)子軸心軌跡提純[J]，振動(dòng)與沖擊，2009，28 (8) :74 77。5李舜酩，諧波小波包方法及其對(duì)轉(zhuǎn)子亞頻軸心軌跡的提取，機(jī)械工程學(xué)報(bào)[J]，2004,40(9) :133 137。6李方，李友榮，王志剛，應(yīng)用廣義諧波小波提純轉(zhuǎn)子軸心軌跡，振動(dòng)、測試與診斷[J]，2008，28(I) 55 57。7安連鎖，胡愛軍，唐貴基，向玲，采用數(shù)學(xué)形態(tài)濾波器的軸心軌跡提純，動(dòng)力工程，2005，25 (4) :550 553，586。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)目前旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)子軸心軌跡提取存在的缺陷或不足，本發(fā)明的目的是提供一種采用時(shí)頻切片技術(shù)提取旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)子軸心軌跡的方法，該方法不需要了解信號(hào)的局部特征，解決了小波變換方法以某一頻帶或多個(gè)頻帶的分量信號(hào)合成軸心軌跡不足，能夠消除實(shí)際工程應(yīng)用中小波分解頻帶選擇不當(dāng)對(duì)軸心軌跡影響。為了實(shí)現(xiàn)上述任務(wù)，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下一種采用時(shí)頻切片技術(shù)提取旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)子軸心軌跡的方法，其特征在于，該方法在旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)子的垂直于軸系安裝一對(duì)相互垂直的振動(dòng)傳感器，以測量轉(zhuǎn)子的振動(dòng)信號(hào)，然后選擇頻率切片函數(shù)，對(duì)2路信號(hào)分別進(jìn)行頻率切片小波變換，獲得時(shí)頻分布；根據(jù)振動(dòng)信號(hào)各個(gè)分量的時(shí)頻分布特點(diǎn)，選取時(shí)頻切片，通過頻率切片小波變換的逆變換，分離和提取構(gòu)成軸心軌跡的信號(hào)分量，在此基礎(chǔ)上，合成轉(zhuǎn)子的軸心軌跡和轉(zhuǎn)子的進(jìn)動(dòng)狀態(tài)；在多次提取不同單頻信號(hào)分量的基礎(chǔ)上，綜合這些提取的單頻信號(hào)分量并構(gòu)成一個(gè)多頻分量信號(hào)，以此為基礎(chǔ)，合成轉(zhuǎn)子的多頻分量的軸心軌跡和轉(zhuǎn)子的進(jìn)動(dòng)狀態(tài)。所述的一對(duì)振動(dòng)傳感器為渦流傳感器、或加速度傳感器，垂直于軸系安裝，二者相互垂直，其中，一個(gè)為水平方向，另一個(gè)為垂直方向。所述的振動(dòng)信號(hào)為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集的數(shù)字序列信號(hào)，等間隔采樣，采樣頻率恒定。所述的頻率切片函數(shù)是頻率切片小波變換的變換基函數(shù)，振動(dòng)信號(hào)通過與其卷積的積分獲取振動(dòng)信號(hào)的時(shí)頻能量分布。所述的時(shí)頻切片是在振動(dòng)信號(hào)的時(shí)頻能量分布圖上截取的感興趣特征時(shí)頻區(qū)域區(qū)域，由于旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)子是周而復(fù)始地旋轉(zhuǎn)，時(shí)頻特征會(huì)重復(fù)出現(xiàn)，為了準(zhǔn)確地提取規(guī)律性強(qiáng)的時(shí)頻特征，時(shí)頻切片的時(shí)間區(qū)間選擇為信號(hào)的整個(gè)時(shí)間歷程，頻率區(qū)間為提取特征的頻率鄰域。、
所述的分離和提取構(gòu)成軸心軌跡的信號(hào)分量是對(duì)選擇的時(shí)頻切片進(jìn)行逆變換而獲得的信號(hào)分量的時(shí)域形式。所述的軸心軌跡是由分離提取的2個(gè)方向的信號(hào)分量合成的曲線。所述的轉(zhuǎn)子的進(jìn)動(dòng)狀態(tài)是由分離提取的2個(gè)方向的信號(hào)分量合成的轉(zhuǎn)子一個(gè)周期的軸心軌跡及其每個(gè)合成點(diǎn)的出現(xiàn)順序，通過對(duì)比點(diǎn)的出現(xiàn)順序與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向確定轉(zhuǎn)子的進(jìn)動(dòng)狀態(tài)。所述的單頻信號(hào)分量是指信號(hào)中只包含一個(gè)頻率成分，所述的多頻信號(hào)分量是指信號(hào)中含有多個(gè)頻率成分。所述的多頻分量信號(hào)構(gòu)成方法是采用線性疊加原理把同一時(shí)間區(qū)間的不同頻率的信號(hào)綜合成一個(gè)信號(hào)。
本發(fā)明的用時(shí)頻切片技術(shù)提取旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)子軸心軌跡的方法，適用于渦流傳感器和加速度傳感器采集的振動(dòng)信號(hào)，除了需要旋轉(zhuǎn)機(jī)械的轉(zhuǎn)速和信號(hào)采樣頻率之外，不需要了解信號(hào)的特性，解決了小波變換方法以某一頻帶或多個(gè)頻帶的分量信號(hào)合成軸心軌跡不足，消除實(shí)際工程應(yīng)用中頻帶選擇不當(dāng)對(duì)軸心軌跡影響，可以同時(shí)獲取軸心軌跡和轉(zhuǎn)子進(jìn)動(dòng)狀態(tài)。


圖I是傳感器安裝方式示意圖；圖2是采用時(shí)頻切片技術(shù)提取旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)子軸心軌跡的原理框圖；圖3是一個(gè)振動(dòng)信號(hào)的時(shí)頻能量分布圖。圖4是時(shí)頻切片不意圖。下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
具體實(shí)施例方式在本實(shí)施例中，一對(duì)相互垂直安裝的傳感器如圖I所示，以測量轉(zhuǎn)子的振動(dòng)信號(hào)，X為水平方向的傳感器，Y為垂直方向的傳感器，設(shè)傳感器X采集的信號(hào)為fx(t)，傳感器Y采集的信號(hào)為fY(t)，t為時(shí)間變量。圖2為采用時(shí)頻切片技術(shù)提取旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)子軸心軌跡的原理，設(shè)頻率切片函數(shù)為
。其中，/χ (ω)、fY (仍)分別為fX⑴、fY⑴的傅里葉變換，fx (t)、fY (t)的頻率切片小波變換為Wx(t,ω,σ)=丄「(u)p(-~—)emtdu(I)
2πσWy ( , ω, σ)=丄 +"/7 {μ)ρ(-~—)emtdu(2)
2πσ
ω式中，σ為尺度因子，σ關(guān)Ο,σ為ω和t的函數(shù)，σ °c ω，因此，令σ = —，κ
K
>0，K與co、u無關(guān)，用來調(diào)節(jié)頻率或時(shí)間的靈敏度。Wx (t, ω , σ )和WY(t, ω，σ)可用時(shí)頻能量分布圖表不。圖3為一個(gè)振動(dòng)信號(hào)的時(shí)頻能量分布圖，橫坐標(biāo)表示頻率，縱坐標(biāo)表示時(shí)間，其色彩深淺表示其能量大小，顏色越深，能量越大。時(shí)頻切片是在振動(dòng)信號(hào)的時(shí)頻能量分布圖上截取的感興趣特征時(shí)頻區(qū)域，由于旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)子是周而復(fù)始地旋轉(zhuǎn)，時(shí)頻特征會(huì)重復(fù)出現(xiàn)，為了準(zhǔn)確地提取規(guī)律性強(qiáng)的時(shí)頻特征，時(shí)頻切片的時(shí)間區(qū)間選擇為信號(hào)的整個(gè)時(shí)間歷程，頻率區(qū)間為提取特征的頻率鄰域。圖4為一個(gè)時(shí)頻切片的選取不意圖。設(shè)信號(hào)f(t)的變換結(jié)果為W(t，ω, σ)，在其時(shí)頻分布圖上，時(shí)間區(qū)間[tl，t2]、頻率區(qū)間[ω ，ω2]的信號(hào)分量為f\( t)

權(quán)利要求
1.一種采用時(shí)頻切片技術(shù)提取旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)子軸心軌跡的方法，其特征在于，該方法在旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)子的垂直于軸系安裝一對(duì)相互垂直的振動(dòng)傳感器，以測量轉(zhuǎn)子的振動(dòng)信號(hào)，然后選擇頻率切片函數(shù)，對(duì)2路信號(hào)分別進(jìn)行頻率切片小波變換，獲得時(shí)頻分布；根據(jù)振動(dòng)信號(hào)各個(gè)分量的時(shí)頻分布特點(diǎn)，選取時(shí)頻切片，通過頻率切片小波變換的逆變換，分離和提取構(gòu)成軸心軌跡的信號(hào)分量，在此基礎(chǔ)上，合成轉(zhuǎn)子的軸心軌跡和轉(zhuǎn)子的進(jìn)動(dòng)狀態(tài)； 在多次提取不同單頻信號(hào)分量的基礎(chǔ)上，綜合這些提取的單頻信號(hào)分量并構(gòu)成一個(gè)多頻分量信號(hào)，以此為基礎(chǔ)，合成轉(zhuǎn)子的多頻分量的軸心軌跡和轉(zhuǎn)子的進(jìn)動(dòng)狀態(tài)。
2.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述的一對(duì)振動(dòng)傳感器為渦流傳感器或加速度傳感器，垂直于軸系安裝，二者相互垂直，其中，一個(gè)為水平方向，另一個(gè)為垂直方向。
3.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述的振動(dòng)信號(hào)為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集的數(shù)字序列信號(hào)，等間隔采樣，采樣頻率恒定。
4.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述的頻率切片函數(shù)是頻率切片小波變換的變換基函數(shù)，振動(dòng)信號(hào)通過與其卷積的積分獲取振動(dòng)信號(hào)的時(shí)頻能量分布。
5.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述的時(shí)頻切片是在振動(dòng)信號(hào)的時(shí)頻能量分布圖上截取的感興趣特征時(shí)頻區(qū)域；時(shí)頻切片的時(shí)間區(qū)間選擇為信號(hào)的整個(gè)時(shí)間歷程，頻率區(qū)間為提取的特征頻率鄰域，與采樣頻率、信號(hào)的數(shù)據(jù)長度有關(guān)。
6.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述的分離和提取構(gòu)成軸心軌跡的信號(hào)分量是對(duì)選擇的時(shí)頻切片進(jìn)行頻率切片小波逆變換而獲得的信號(hào)分量的時(shí)域形式，包含單一的頻率成分。
7.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述的軸心軌跡是由分離提取的2個(gè)方向的信號(hào)分量合成的曲線。
8.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述的轉(zhuǎn)子的進(jìn)動(dòng)狀態(tài)是由提取的2個(gè)方向的信號(hào)分量合成的轉(zhuǎn)子一個(gè)周期的軸心軌跡及其每個(gè)合成點(diǎn)的出現(xiàn)順序所表現(xiàn)的狀態(tài)。
9.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述的單頻信號(hào)分量是指信號(hào)中只包含一個(gè)頻率成分，所述的多頻分量信號(hào)構(gòu)成方法是采用線性疊加原理對(duì)同一時(shí)間區(qū)間的不同頻率的信號(hào)的綜合。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種采用時(shí)頻切片技術(shù)提取旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)子軸心軌跡的方法，在旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)子的垂直于軸系安裝一對(duì)相互垂直的振動(dòng)傳感器，以測量轉(zhuǎn)子的振動(dòng)信號(hào)，然后選擇頻率切片函數(shù)，對(duì)2路信號(hào)分別進(jìn)行頻率切片小波變換，獲得時(shí)頻分布；根據(jù)振動(dòng)信號(hào)各個(gè)分量的時(shí)頻分布特點(diǎn)，選取時(shí)頻切片，通過頻率切片小波變換的逆變換，分離和提取構(gòu)成軸心軌跡的信號(hào)分量，在此基礎(chǔ)上，合成轉(zhuǎn)子的軸心軌跡和轉(zhuǎn)子的進(jìn)動(dòng)狀態(tài)；在多次提取不同單頻信號(hào)分量的基礎(chǔ)上，綜合這些提取的單頻信號(hào)分量并構(gòu)成一個(gè)多頻分量信號(hào)，以此為基礎(chǔ)，合成轉(zhuǎn)子的多頻分量的軸心軌跡和轉(zhuǎn)子的進(jìn)動(dòng)狀態(tài)。
文檔編號(hào)G06F19/00GK102663261SQ201210126179
公開日2012年9月12日 申請(qǐng)日期2012年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月27日
發(fā)明者段晨東 申請(qǐng)人:長安大學(xué)