专利名称：一种用于起停车过程分析的Bode图的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于起停车过程分析的Bode图。
以滑动轴承为转子支承件的大型旋转机械，如大型电机、离心式压缩机等，这些设备的 起停车过程的分析，所依靠的一个重要工具是——Bode图。
通常，在旋转机械转轴的一个支承截面位置，安装两个互相垂直的指向转轴中心的振动 位移传感器，称为X传感器和Y传感器，以获取该截面上的转轴振动位移信号，例图见附图 2和附图3;所谓X传感器指，从观察转子为逆时针旋向的一端看过去，转子表面上与附图 中水平指向相交的质点，逆时针首先转过的那个传感器即为X传感器。不妨，将从该截面X 传感器和Y传感器同步采集的两方向振动位移信号序列，分别称为;c信号序列和}信号序列， 以下有时简称x信号和y信号。
有了起停车过程中每个转速下同步采集的x和y信号序列，就可以按一定方式制作Bode 图。Bode图用于指示机械转轴振动特性在起停车过程中发生的变化。基于Bode图，人们易 获知旋转设备的临界转速，易判断设备的油膜振荡故障，并易根据临界转速较以往是否迁移 对转子横向裂纹等故障的产生做出分析。
背景技术：
传统的Bode图的制作方法是只拿出起车或停车过程中某一个方向的各转速下的轴振动 位移信号序列，或者全是x信号序列，或者全是y信号序列；然后，获取每一转速下的振动 位移信号序列的峰峰值和相位参数；最后，以振动位移峰峰值为纵坐标，以转速为横坐标，
画一个反映转轴振幅随转速变化的曲线图，或者，以求得的振动相位值为纵坐标，以转速为 横坐标，画一个反映转轴振动相位随转速变化的曲线图。
传统Bode图制作方法的相位参数，根据信号序列的采样起始点和信号序列达到第一个振 动峰值时的时间点来确定。采样起始点也就是采样时键相脉冲的触发时刻。传统Bode图制作 中的峰峰值和振动相位两参数，都从信号序列的时域波形确定。
文献《机械故障的全息诊断原理》(屈梁生著，科学出版社，2007年7月，113页)中介 绍了一种二维Bode图，这种Bode图不是一般意义上的Bode图，它不是一个以转速为横坐 标的曲线图，它与本发明不属于同一个最近的上位概念。
发明内容
要解决的技术问题。传统的用于起停车过程分析的Bode图的缺点是(1) 一个Bode图，只由一个方向的信号做出，信息不全面，只能反映一个方向上的转轴振动特性随转速的变化， 从Bode图上看不出整个支承截面内转轴的最大振动值及最大振动方向等参量的变化，而这恰 恰是用户最关心的；(2)从信号序列的时域波形来确定振动峰峰值和相位两参数，由于噪声 及干扰的影响会有一些误差；(3)两互相垂直的传感器在截面上的安装方位有变化(如由附 图2变为附图3)时，即使相同的起停车过程状态，Bode图也会表现出差异，这不便于建立 Bode图与机器状态间的关系。
技术方案。
提出的一种用于起停车过程分析的Bode图的制作方法，由三个步骤组成(l)读取起车 或停车过程中采集的各转速下的一对转轴振动位移信号序列x和y信号序列，(2)对每一 转速下的一对x和y信号序列，合成制作相应的转频振动椭圆，并提取转频振动椭圆的各种参 数；(3)将求得的各转速下的转频振动椭圆本身(可附带一些参数)，或者转频振动椭圆的最 大振动值(幅值)参数，或者转频振动椭圆的最大振动方向参数，或者转频振动椭圆的其他 某参数，按照升速或降速次序排列形成一个图。
其与现有方法的区别是，在第(1)步读取数据时读取的是来自两个方向的x和少信号序 列对，而不是来自单纯一个方向的信号序列数据；第(2)步的每一转速下的转频振动椭圆， 由该转速下的一对x和；;信号序列共同决定——通过傅立叶变换、将从频域提纯的两方向转 频分量合成而得；第(3)步中，排列的对象是两方向合成的转频振动椭圆或者其主要参数。
以上提出的Bode图制作方法中的每一转速下的转频振动椭圆及其主要参数的确定方法， 由这样的步骤组成(1)分别对该转速下的一对jc和少信号序列进行快速离散傅立叶变换； (2)基于快速傅立叶变换的结果求取各自的傅立叶级数；(3)从获取的x和;;信号序列的傅 立叶级数中，精确确定各自转频分量的精确幅频相参数，(4)利用估计的两方向转频分量的 精确幅频相参数，合成得到一个转频振动椭圆，又称为李萨育图形，它的物理含义是支承截 面内该转频轴振分量的轴心轨迹图形，如附图5所示；(5)获取转频振动椭圆的长半轴的大 小(即转频振动椭圆的最大振动值或者说轴振幅值的大小)，获取转频椭圆长半轴与水平方向 的夹角(即最大振动方向)，获取转频椭圆的进动方向，获取转频椭圆上的初相点(采样起始 点)等参数。转频振动椭圆及其主要参数的确定流程见附图4所示。
设某一转速下一对x信号序列和y信号序列，通过傅立叶级数分解并精确确定转频分量 的幅频相参数，得到的各自转频(《,.，即2;r/;)分量分别为
、(f) = 4c COS(W,.f + A) W)=々OS(w,Y + A) 则此两转频分量合成的轴心轨迹椭圆长半轴计算如下
4o; (0 = A (0 + 乂 0) = 4 cos (cV + P;J + ^^, cos 0y, + p^)
令",")=一2人2 cos(w/ + ^')sinOz + _2A,2 c。s( ,, + )sinOZ + ) cto〃 , , ,
=—j力2 sin 2( ;, + p") —爿/ sin 2( 乂 +) = 0，贝U有，
+ ， * 4^sin2^,+爿2sin2
tan 2 ,., =--^-^-^~
4, cos、,+^ cos2
1 +4,2sin2&+爿2sin2p
=——arctan——^--
2 4, cos 2^+4, cos2
此化,下的0,2(,)则为椭圆长半轴或短半轴的平方，再计算转过90度后的椭圆的半径的平方， 即;c,(O = 4 cos(w/ + & + ;r/2)和= ^cos(w/ + ^ + ;r/2)对应的o;(0的平方，通过比较，
可最终确定该椭圆的长半轴，即该转频分量轴振幅值大小。同时，易于确定最大振动方向。 转频椭圆的随时间进动方向和转频椭圆上的初相点(采样起始点)也易于确定。
关于从x、少信号序列的傅立叶级数中精确确定各自转频分量的幅频相参数的方法，已有 大量文献介绍。可参考文献《机械故障的全息诊断原理》(屈梁生著，科学出版社，2007年7 月)。
本发明一种用于起停车过程分析的Bode图的制作方法，其所基于的规律是 一个周期性 信号，可以进行傅立叶级数分解，分解为若干个单频率谐波分量；机械转轴(或者说其轴心) 在支承截面内的振动，是周期性振动，可以分解为一组单频率轴振分量或者说转动分量；单 频率轴振分量，在支承截面内的振动轨迹为一个椭圆，全面反映了该单频轴振分量的特点； 用一对x和少信号序列的转频分量合成的椭圆，就是转频轴振分量的振动轨迹；转频振动椭 圆的长半轴的长度就是该转频轴振分量在整个支承截面内的振幅，椭圆的长半轴的方向就是 转频轴振分量的最大振动方向。由于转频轴振是剔除了干扰和噪声的主要轴振分量，因此， 本发明Bode图能更好地反映机器起停车过程的状态。
有益效果。
本发明所产生的Bode图由两个方向的转频振动分量共同做出，集成了两个方向的振动信 息。Bode图上每一转速下的转频振动椭圆集成了转频轴振分量的全部信息，其幅值代表了转 频轴振分量在支承截面上的真正振幅值(径向振幅值)，而不是转频分量在某一传感器方向上 的振动幅值，其椭圆长轴方向代表了该截面上的转频轴振分量的最大振动方向。
由于转频振动椭圆来自于频域提纯的两方向信号序列的转频分量，不再有高频干扰和噪 声干扰，因此，转频振动椭圆构做的Bode图能更好地反映机器起停车过程的状态。
5本发明产生的Bode图不受两互相垂直传感器在支承截面上安装方位变化的影响，便于建 立机器起停车过程的状态与Bode图的关系。
附图1，本发明Bode图制作方法的步骤。
附图2， 一截面X、 Y位移传感器安装方位示意图l。
附图3， 一截面X、 Y位移传感器安装方位示意图2。
附图4， 一对x和y信号序列确定转频振动椭圆及其参数的流程图。
附图5， 一对x和y信号序列之转频分量合成的转频振动椭圆示意图。
附图6， 一起车过程数据用本发明制作的转频椭圆Bode图。
附图7， 一起车过程数据用本发明制作的振幅Bode图
附图8， 一起车过程数据用本发明制作的最大振动方向Bode图
具体实施方式
(实施例)
同步实测一机组起车过程中转轴在各转速下的x和y振动位移信号序列，X、 Y两传感 器的布置方位如附图3所示。同步采集的各对x信号和y信号序列，采样率均为2kHz，采样 点数均为N-1024点。
具体实施方式
如下
(1) 读取起车过程中各转速下的x信号和y信号序列对，采样率2kHz，采样点数N-1024 点。
(2) 对各转速下的一对x信号和y信号序列，分别进行快速离散傅立叶变换(FFT)，所得 结果为1024点复序列。
(3) 基于x、 y两信号快速傅立叶变换结果，求取各自的傅立叶级数，获取由小到大共 N/2=512个谐波分量的参数。
(4) 从获取的两傅立叶级数中，精确确定一对转频分量的幅频相参数。
(5) 将来自x信号的转频分量和来自少信号的转频分量合成，得到一个轴心轨迹椭圆，又 称为李萨育图形，如附图5所示。并获取该椭圆的长半轴、长半轴的水平夹角、进 动方向、初相角(采样起点)等主要参数。
(6) 将求得的各转速下的转频振动椭圆，或者转频振动椭圆幅值或者转频振动椭圆最大
振动方向或者其他参数，按照升速或降速次序排列形成一个图。附图6是以转频振
动椭圆直接排列形成的集成Bode图，图中的每个小图的左下角数字为转速值，椭圆
表示该转速下的转频振动轨迹，椭圆上的小点为初相点，右上角的"+"表示为逆时针进动，"-"表示为顺时针进动。附图7是本发明以椭圆长半轴长度(振幅)参数为 纵轴、以转速为横轴制作的Bode图。附图8是本发明以椭圆最大振动方向(水平夹 角，弧度单位)参数为纵轴、以转速为横轴制作的Bode图。
从附图6、附图7和附图8可知，机器起车过程中的转轴振动情况的变化，包括转频轴 振分量的幅值的变化、最大轴振方向的变化、进动方向的变化、初相点的变化等一目了然； 转速2273.17 rpm为机器的一阶临界转速，此时具有最大轴振幅值约340。
另外，将传感器若按附图2方式布置，会发现，传统的x Bode图和y Bode图会发生变 化，而本发明方法制作的Bode图不变，不受影响。
权利要求
1、一种用于起停车过程分析的Bode图的制作方法，其特征是，由三个步骤组成(1)读取起车或停车过程中的各转速下的一对转轴振动位移信号序列——x和y信号序列，(2)对每一转速下的一对x和y信号序列，合成制作相应的转频振动椭圆，并提取转频振动椭圆的各种参数；(3)将求得的各转速下的转频振动椭圆本身(可附带一些参数)，或者转频振动椭圆的最大振动值(幅值)参数，或者转频振动椭圆的最大振动方向参数，或者转频振动椭圆的其他某参数，按照升速或降速次序排列形成一个图。
2、 根据权利要求1中所述的Bode图制作方法，其特征在于，每一转速下的转频振动椭圆 及其主要参数的确定方法，由这样的步骤组成(1)分别对该转速下的一对x和少信号序列 进行快速离散傅立叶变换；(2)基于快速傅立叶变换的结果求取各自的傅立叶级数；(3)从 获取的X和^信号序列的傅立叶级数中，精确确定各自转频分量的精确幅频相参数；(4)利 用估计的两方向转频分量的精确幅频相参数，合成得到一个转频振动椭圆，又称为李萨育图 形，它的物理含义是支承截面内该转频轴振分量的轴心轨迹图形；(5)获取转频振动椭圆的 长半轴的大小(即转频振动椭圆的最大振动值或者说轴振幅值的大小)，获取转频椭圆长半轴 与水平方向的夹角(即最大振动方向)，获取转频椭圆的进动方向，获取转频椭圆上的初相点(采样起始点)等参数。
全文摘要
本发明涉及一种用于起停车过程分析的Bode图的制作方法，由三个步骤组成(1)读取起车或停车过程中采集的各转速下的一对转轴振动位移信号序列—x和y信号序列，(2)对每一转速下的一对x和y信号序列，合成制作相应的转频振动椭圆，并提取转频振动椭圆的各种参数；(3)将求得的各转速下的转频振动椭圆本身(可附带一些参数)，或者转频振动椭圆的最大振动值(幅值)参数，或者转频振动椭圆的最大振动方向参数，或者转频振动椭圆的其他某参数，按照升速或降速次序排列形成一个图。该方法制作的Bode图，能更好地反映机器设备起停车过程中的转轴振动的变化特点。
文档编号G01M99/00GK101526432SQ200910029419
公开日2009年9月9日 申请日期2009年4月13日 优先权日2009年4月13日
发明者刘红星, 史瑞超, 莹 肇, 威 郑 申请人:南京大学