專利名稱：旋轉(zhuǎn)機(jī)械啟停車過程波德圖/奈奎斯特圖的快速計算方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于旋轉(zhuǎn)機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷領(lǐng)域中的非平穩(wěn)振動信號處理領(lǐng)域；特別涉及一種用于旋轉(zhuǎn)機(jī)械啟停車非平穩(wěn)過程波德圖/奈奎斯特圖的快速計算方法。
背景技術(shù)：
旋轉(zhuǎn)機(jī)械啟停車是機(jī)組運行過程中的事故多發(fā)階段。在這個過程中機(jī)組經(jīng)歷了一個非穩(wěn)態(tài)的運行過程，這個過程包含了機(jī)組豐富的狀態(tài)信息，而這些信息是常規(guī)穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下所無法獲得的。研究旋轉(zhuǎn)機(jī)械啟停車過程振動信息的提取和利用，對了解旋轉(zhuǎn)機(jī)械的運行狀態(tài)和旋轉(zhuǎn)機(jī)械隱含的故障具有重要的指導(dǎo)作用。對旋轉(zhuǎn)機(jī)械啟停車過程振動信息的提取和利用尋找一種好的分析方法同樣具有重要的意義，本發(fā)明意義在于快速、準(zhǔn)確的得到 旋轉(zhuǎn)機(jī)械啟停車過程振動信號的一些特征信息，為旋轉(zhuǎn)機(jī)械的動平衡提供指導(dǎo)。旋轉(zhuǎn)機(jī)械啟停車故障診斷的核心是對其進(jìn)行故障特征的提取，它直接關(guān)系到故障診斷的準(zhǔn)確性和故障預(yù)報的可靠性。據(jù)相關(guān)資料分析認(rèn)為，目前常常采用的旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷方法大都是在恒轉(zhuǎn)速狀穩(wěn)態(tài)下進(jìn)行的，而旋轉(zhuǎn)機(jī)械啟停車過程是機(jī)組運行過程中的事故多發(fā)階段。因此，旋轉(zhuǎn)機(jī)械穩(wěn)態(tài)工作狀態(tài)下，運用快速傅立葉(FFT)變換可直接將振動信號變換到頻域，得到各個頻率下的幅值分量和相位分量，進(jìn)而得到頻譜圖、功率譜圖或軸心軌跡圖等。以上方法不能用于非穩(wěn)態(tài)過程的振動信號分析，因此，尋找針對旋轉(zhuǎn)機(jī)械啟動停車過程的非穩(wěn)態(tài)振動信號的快速計算方法具有重要意義。常用的旋轉(zhuǎn)機(jī)械非平穩(wěn)過程振動信號監(jiān)測診斷方法有波德圖、奈奎斯特圖和瀑布圖等，而波德圖、奈奎斯特圖對旋轉(zhuǎn)機(jī)械啟停車過程的分析尤為重要。波德圖和奈奎斯特圖的提出最早是在自動控制領(lǐng)域，用來描述控制系統(tǒng)不同頻率下系統(tǒng)輸入與系統(tǒng)輸出之間的關(guān)系。后來這一方法被移植和引入到旋轉(zhuǎn)機(jī)械非平穩(wěn)起停車過程的監(jiān)測和診斷中。如果將旋轉(zhuǎn)機(jī)械失衡質(zhì)量在轉(zhuǎn)動過程中所引起的離心力作為系統(tǒng)的輸入，將轉(zhuǎn)子的失衡振動響應(yīng)作為輸出，那么轉(zhuǎn)子的振動可認(rèn)為是一典型的二階質(zhì)量-彈簧一阻尼系統(tǒng)。在旋轉(zhuǎn)機(jī)械啟停車這一非平穩(wěn)過程中，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速經(jīng)歷了有由小到大或相反的變化過程，由失衡質(zhì)量產(chǎn)生的離心力的頻率也同樣經(jīng)歷了由小到大或相反的變化過程。與旋轉(zhuǎn)機(jī)械啟停車這一非平穩(wěn)過程相對應(yīng)的振動信號，正是失衡質(zhì)量產(chǎn)生離心力所激發(fā)的振動。因此振動信號的波德圖和奈奎斯特圖可以很好地描述由失衡質(zhì)量產(chǎn)生離心力所激發(fā)的振動。旋轉(zhuǎn)機(jī)械啟停車過程振動信號波德圖和奈奎斯特圖是目前旋轉(zhuǎn)機(jī)械非平穩(wěn)振動信號處理中重要和常用的方法。目前常用的旋轉(zhuǎn)機(jī)械啟停車過程振動信號波德圖和奈奎斯特圖計算方法有兩種
O分段采集啟停車過程振動信號并進(jìn)行后處理得到波德圖和奈奎斯特圖；2)連續(xù)采集啟停車過程振動信號，通過跟蹤濾波的方法計算波德圖和奈奎斯特圖。第一種方法需要對采集到的每一段振動信號做快速傅立葉(FFT)變換，獲取每一段的IX振動峰值和相位，然后繪制振動信號的波德圖和奈奎斯特圖，但是繪制的波形失真度比較大，并且曲線不光滑，段與段之間的轉(zhuǎn)速間隔不同，波德圖和奈奎斯特圖的準(zhǔn)確度也不同，間隔越小準(zhǔn)確度越高，臨界轉(zhuǎn)速越接近真實值，但是間隔小計算量就會變得非常大；第二種方法，對采集到的啟停車非平穩(wěn)振動信號用跟蹤濾波的方法除去低頻和高頻干擾得到轉(zhuǎn)頻振動信號，然后根據(jù)鍵相信號的特點尋找轉(zhuǎn)頻信號的振動周期，求得每個周期內(nèi)的振動峰值以及初相位，最后繪制振動信號的波德圖和奈奎斯特圖。該方法中計算每個周期內(nèi)的振動峰值和初相位有兩種方法一種是通過對該周期為中心、左右一段時間的振動信號進(jìn)行傅立葉變換，通過傅立葉頻譜的到幅值和相位信息。該方法需要重復(fù)多次進(jìn)行傅立葉變換，計算量大。另外，進(jìn)行傅立葉變換的信號只能近似認(rèn)為是幅值和相位穩(wěn)定的信號，但實際上信號的幅值和相位是不斷變化的，由此導(dǎo)致幅值和相位計算出現(xiàn)誤差；另一種是直接對每個周期內(nèi)振動信號進(jìn)行幅值搜索，得到振動幅值。根據(jù)每個周期內(nèi)振動信號采樣總點數(shù)及極大值點的位置來估算相位。這種相位計算方法對低轉(zhuǎn)速時的相位估計比較準(zhǔn)確，在高轉(zhuǎn)速時相位計算的誤差較大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種用于旋轉(zhuǎn)機(jī)械啟停車過程非平穩(wěn)振動信號波德圖(Bode plot)、奈奎斯特圖(Nyquist plot)的快速計算方法。該方法基于由電潤流傳感器測量到的旋轉(zhuǎn)機(jī)械啟停車過程轉(zhuǎn)子振動信號和鍵相信號，快速計算得到啟停車過程的波德圖和奈奎斯特圖。整個計算過程基于對以上啟停車過程中振動信號的Hilbert (希爾伯特)變換處理，并結(jié)合振動信號的保相濾波處理、鍵相信號中周期信息的提取，實現(xiàn)了對旋轉(zhuǎn)機(jī)械啟停車振動信號波德圖和奈奎斯特圖的快速計算。旋轉(zhuǎn)機(jī)械啟停車過程波德圖/奈奎斯特圖的快速計算方法，包括以下步驟I)采集旋轉(zhuǎn)機(jī)械啟停車過程的鍵相信號和振動信號；2)對步驟I)采集的振動信號進(jìn)行帶通濾波，獲得旋轉(zhuǎn)機(jī)械啟停車過程轉(zhuǎn)頻振動信號;3)用鍵相信號相鄰的峰值去截取啟停車過程轉(zhuǎn)頻振動信號，得到振動信號的每一個周期點值；4)對啟停車過程轉(zhuǎn)頻振動信號作希爾伯特變換，繪制變換后的信號幅值包絡(luò)波形曲線；5)根據(jù)啟停車過程轉(zhuǎn)頻振動信號的周期點值，得到信號每個周期內(nèi)的最大值和最小值，然后對最大值和最小值分別作插值、平均處理，即得到振動峰值曲線的波德圖；6)對啟停車過程轉(zhuǎn)頻振動信號作希爾伯特變換，繪制變換后的希爾伯特相位波形曲線，根據(jù)相位波形曲線尋找周期點處的相位值，作差值處理后，得到真實的傅立葉初相位變化曲線的波德圖。本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于根據(jù)步驟5)獲得的振動峰值曲線和步驟6)獲得的傅 立葉相位變化曲線，繪制出奈奎斯特圖。本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于步驟I)中通過電渦流位移傳感器采集旋轉(zhuǎn)機(jī)械啟停車過程的鍵相信號和振動信號。本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于所述電渦流位移傳感器采樣頻率為Fs=24000Hz。本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于測量鍵相信號的電渦流位移傳感器與水平面平行；測量振動信號的電渦流位移傳感器與水平面面呈45度夾角。本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于步驟2)中對步驟I)采集的啟停車振動信號進(jìn)行保相濾波，在每段信號轉(zhuǎn)頻左邊3Hz處，右邊3Hz處各選取一點，對信號作帶通濾波，然后合并濾波后的每一段信號，得到啟停車過程轉(zhuǎn)頻振動信號。旋轉(zhuǎn)機(jī)械啟 停車過程波德圖/奈奎斯特圖的快速計算方法，包括以下步驟I)采集旋轉(zhuǎn)機(jī)械啟停車過程的鍵相信號和振動信號；2)用鍵相信號相鄰的峰值去截取啟停車過程原始振動信號，得到振動信號的每一個周期點值；3)對啟停車過程原始振動信號作希爾伯特變換，繪制變換后的信號幅值包絡(luò)波形曲線；4)根據(jù)啟停車過程原始振動信號的周期點值，得到信號每個周期內(nèi)的最大值和最小值，然后對最大值和最小值分別作插值、平均處理，即得到振動峰值曲線的波德圖；5)對啟停車過程原始振動信號作希爾伯特變換，繪制變換后的希爾伯特相位波形曲線，根據(jù)相位波形曲線尋找周期點處的相位值，作差值處理后，得到真實的傅立葉初相位變化曲線的波德圖。本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于根據(jù)步驟5)獲得的振動峰值曲線和步驟6)獲得的傅立葉相位變化曲線，繪制出奈奎斯特圖。本發(fā)明提出的快速計算方法的主要特征有(I)如果要計算通頻帶振動信號的波德圖和奈奎斯特圖可跳過第(2)步，直接進(jìn)行第⑶步處理。(2)對旋轉(zhuǎn)機(jī)械啟停車振動信號進(jìn)行保相濾波處理，得到單一的啟停車過程轉(zhuǎn)頻信號。(3)對⑴或⑵中的啟停車過程振動信號進(jìn)行Hilbert變換，得到旋轉(zhuǎn)機(jī)械啟停車過程中振動信號各個時刻點處振動幅值的變化曲線和振動信號各個時刻點處的相位變化曲線。(4)對(3)中得到的啟停車過程振動幅值變化曲線特征點進(jìn)行提取、插值等處理，得到旋轉(zhuǎn)機(jī)械啟停車過程振動的幅值變化曲線。(5)提取啟停車過程中鍵相信號的特征點，結(jié)合旋轉(zhuǎn)機(jī)械啟停車過程中振動信號各個時刻點處的相位變化曲線，獲取鍵相信號的特征點處振動信號的相位信息并進(jìn)行插值處理，得到啟停車過程中振動信號各個時刻點處的真實相位變化曲線。(6)根據(jù)(4)中計算的幅值變化曲線以及(5)中計算的真實相位變化曲線，繪制啟停車振動信號波德圖和奈奎斯特圖。本發(fā)明中的快速計算方法，具體來講有以下幾個步驟I)根據(jù)實驗平臺自身對振動信號的分析要求，本發(fā)明中所使用的數(shù)據(jù)是由電渦流傳感器采集得到，并且要確定合適的鍵相傳感器的安裝角度、振動傳感器的安裝角度(見

圖1-1和圖1-2)，采集轉(zhuǎn)子在啟停車過程中振動數(shù)據(jù)和轉(zhuǎn)子的鍵相數(shù)據(jù)，該算法只針對其中任一個振動數(shù)據(jù)(見圖2);鍵相數(shù)據(jù)見圖3。2)根據(jù)鍵相信號的特點，獲取鍵相信號峰值對應(yīng)點的數(shù)據(jù)，見圖4。3)對旋轉(zhuǎn)機(jī)械啟停車振動信號進(jìn)行保相濾波處理，得到單一的啟停車過程轉(zhuǎn)頻信號x(t)，見圖5。4)對保相濾波后的轉(zhuǎn)頻振動信號作Hilbert變換后，得到信號y (t)，構(gòu)造解析函數(shù)Z(t)，滿足:
權(quán)利要求
1.旋轉(zhuǎn)機(jī)械啟停車過程波德圖/奈奎斯特圖的快速計算方法，其特征在于，包括以下步驟 1)采集旋轉(zhuǎn)機(jī)械啟停車過程的鍵相信號和振動信號； 2)對步驟I)采集的振動信號進(jìn)行帶通濾波，獲得旋轉(zhuǎn)機(jī)械啟停車過程轉(zhuǎn)頻振動信號； 3)用鍵相信號相鄰的峰值去截取啟停車過程轉(zhuǎn)頻振動信號，得到振動信號的每一個周期點值； 4)對啟停車過程轉(zhuǎn)頻振動信號作希爾伯特變換，繪制變換后的信號幅值包絡(luò)波形曲線. 5)根據(jù)啟停車過程轉(zhuǎn)頻振動信號的周期點值，得到信號每個周期內(nèi)的最大值和最小值，然后對最大值和最小值分別作插值、平均處理，即得到振動峰值曲線的波德圖； 6)對啟停車過程轉(zhuǎn)頻振動信號作希爾伯特變換，繪制變換后的希爾伯特相位波形曲線，根據(jù)相位波形曲線尋找周期點處的相位值，作差值處理后，得到真實的傅立葉初相位變化曲線的波德圖。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的旋轉(zhuǎn)機(jī)械啟停車過程波德圖/奈奎斯特圖的快速計算方法，其特征在于，根據(jù)步驟5)獲得的振動峰值曲線和步驟6)獲得的傅立葉相位變化曲線，繪制出奈奎斯特圖。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的旋轉(zhuǎn)機(jī)械啟停車過程波德圖/奈奎斯特圖的快速計算方法，其特征在于，步驟I)中通過電渦流位移傳感器采集旋轉(zhuǎn)機(jī)械啟停車過程的鍵相信號和振動信號。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的旋轉(zhuǎn)機(jī)械啟停車過程波德圖/奈奎斯特圖的快速計算方法，其特征在于，所述電渦流位移傳感器采樣頻率為Fs=24000Hz。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的旋轉(zhuǎn)機(jī)械啟停車過程波德圖/奈奎斯特圖的快速計算方法，其特征在于，測量鍵相信號的電渦流位移傳感器與水平面平行；測量振動信號的電渦流位移傳感器與水平面面呈45度夾角。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的旋轉(zhuǎn)機(jī)械啟停車過程波德圖/奈奎斯特圖的快速計算方法，其特征在于，步驟2)中對步驟I)采集的啟停車振動信號進(jìn)行保相濾波，在每段信號轉(zhuǎn)頻左邊3Hz處，右邊3Hz處各選取一點，對信號作帶通濾波，然后合并濾波后的每一段信號，得到啟停車過程轉(zhuǎn)頻振動信號。
7.旋轉(zhuǎn)機(jī)械啟停車過程波德圖/奈奎斯特圖的快速計算方法，其特征在于，包括以下步驟 1)采集旋轉(zhuǎn)機(jī)械啟停車過程的鍵相信號和振動信號； 2)用鍵相信號相鄰的峰值去截取啟停車過程原始振動信號，得到振動信號的每一個周期點值； 3)對啟停車過程原始振動信號作希爾伯特變換，繪制變換后的信號幅值包絡(luò)波形曲線. 4)根據(jù)啟停車過程原始振動信號的周期點值，得到信號每個周期內(nèi)的最大值和最小值，然后對最大值和最小值分別作插值、平均處理，即得到振動峰值曲線的波德圖；5)對啟停車過程原始振動信號作希爾伯特變換，繪制變換后的希爾伯特相位波形曲線，根據(jù)相位波形曲線尋找周期點處的相位值，作差值處理后，得到真實的傅立葉初相位變化曲線的波德圖。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的旋轉(zhuǎn)機(jī)械啟停車過程波德圖/奈奎斯特圖的快速計算方法，其特征在于，根據(jù)步驟5)獲得的振動峰值曲線和步驟6)獲得的傅立葉相位變化曲線，繪制出奈奎斯特圖。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種旋轉(zhuǎn)機(jī)械啟停車過程波德圖/奈奎斯特圖的快速計算方法，該方法基于由電渦流傳感器測量到的旋轉(zhuǎn)機(jī)械啟停車過程轉(zhuǎn)子振動信號和鍵相信號，快速計算得到啟停車過程的波德圖和奈奎斯特圖；整個計算過程基于對以上啟停車過程中振動信號的Hilbert變換處理，并結(jié)合振動信號的保相濾波處理、鍵相信號中周期信息的提取，實現(xiàn)了對旋轉(zhuǎn)機(jī)械啟停車振動信號波德圖和奈奎斯特圖的快速計算。實驗數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明該方法計算的波德圖和奈奎斯特圖曲線比較光滑，而且得到的振動峰值和振動相位更加準(zhǔn)確，相位計算精度不受轉(zhuǎn)速高低的影響，是一種比較好的旋轉(zhuǎn)機(jī)械啟停車非穩(wěn)態(tài)信號波德圖和奈奎斯特圖計算方法。
文檔編號G01H11/06GK102721462SQ20121019656
公開日2012年10月10日 申請日期2012年6月14日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月14日
發(fā)明者吳婷婷, 張西寧, 徐進(jìn)杰, 李兵, 郭金良 申請人:西安交通大學(xué)