基于参数化时频分析的启停车故障特征提取及诊断方法与流程

本发明属于旋转机械故障诊断技术领域，具体涉及一种基于参数化时频分析的启停车故障特征提取及诊断方法。

背景技术：

旋转机械是工业生产中最为常用的机械之一，在化工、电力、冶金等行业有着广泛的应用，随着科学技术的发展，旋转机械向着高速化、大型化、自动化的方向发展，设备的尺寸越来越大，结构也越来越复杂，出现了大量的强度、结构、振动、可靠性等问题，其运行过程中一旦出现故障，将会造成巨大的损失，引起非常严重的后果。

全息谱技术在频域内融合了转子多截面、多方向的振动信息，可以综合地反映旋转机械运行时振动的全貌，二维全息谱可以较好地反映单个测量面内的振动情况，三维全息谱可以反映多个测量面内的振动情况，全息动平衡技术将全息谱理论应用于转子动平衡，计算配重时充分利用了转子多个方向和截面的振动信息。全息谱技术自上世纪80年代末提出以来，广泛应用于空压机、燃气轮机等大型旋转机械故障监测与诊断。大量的生产实践证明，全息谱理论及其衍生技术比传统故障诊断方法能更准确地识别转子故障特征，保障机械的运行安全。

现有的故障诊断方法绝大多数都是基于转子运行时某个稳定转速下的振动信息，没有充分利用转子启停车等非平稳过程的振动信息。由转子动力学可知，转子的启停车过程的振动信息可以看作宽频激励下的动态响应，包含着比稳定转速下更为丰富的故障特征信息。因此，对大型旋转机械的启停车过程进行分析处理，并探索不同故障下对应的启停车全息谱特征，具有非常重要的意义。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于参数化时频分析的启停车故障特征提取及诊断方法，能够更准确地识别转子故障特征。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

基于参数化时频分析的启停车故障特征提取及诊断方法，包括以下步骤：

1)振动信号预处理，包括键相处理和转速计算，键相处理能够为多路振动信号提供统一的相位基准点，转速计算能够求出转子启停车过程振动信号的频率变化函数；

2)参数化时频分析，转子启停车振动信号分解，根据振动信号的频率变化函数构造旋转算子，将振动信号各倍频分量在时频域进行旋转，分解出启停车振动信号的转频分量、倍频分量和分倍频分量，并求出各频分量的幅值、相位；

3)绘制全息谱和合成轴心轨迹，结合全息谱方法，利用各频分量的幅值、相位生成二维全息瀑布图，并总结提取转子不同状态对应的特征。

所述的步骤2)参数化时频分析的具体步骤为：

2.1)首先结合振动信号的频率变化函数f(t)构造旋转算子Φ^R(t)；

2.2)对启停车振动信号进行时频域旋转，得到旋转信号Rz(t)，旋转后的转频分量时频特征平行于时间轴，与其它分量有明显的区别；

2.3)以f(0)为中心频率设计零相移带通滤波器,对旋转信号Rz(t)进行滤波后得到滤波信号Rs(t)；

2.4)采用旋转算子Φ^R(t)对滤波信号Rs(t)进行逆旋转，从而提取出转频分量s(t)。

所述的步骤3)中二维全息瀑布图的构造过程为：对转子启停车同一测量截面两个方向的振动信号通过参数化时频分析进行分解得到转频分量、倍频分量和分倍频分量，通过复包络求出各频分量幅值相位，从500r/min到4000r/min每隔100r/min的转速间隔对两个方向各频振动信息进行合成生成二维全息谱图，在时间轴上排列就得到二维全息瀑布图。

本发明的有益效果为：

转子启停车过程振动信号是典型的多分量非平稳信号，无法使用传统的信号处理方法进行分析，本发明基于参数化时频分析理论在时频域将启停车振动信号分解为多个单分量信号，将参数化时频分析理论和全息谱理论进行有机结合，总结和提取正常、不平衡、不对中、动静碰磨和横向裂纹五种状态的全息瀑布图特征。

附图说明

图1为本发明实施例转频分量提取时域波形。

图2为本发明实施例转频分量提取时频域谱图。

图3为本发明实施例稳态启车与连续启车转频信号对比。

图4为不平衡转子二维全息瀑布图。

图5为不对中转子二维全息瀑布图。

图6为动静碰磨故障二维全息瀑布图。

图7为裂纹故障二维全息瀑布图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

基于参数化时频分析的启停车故障特征提取及诊断方法，包括以下步骤：

1)振动信号预处理，包括键相处理和转速计算，键相处理能够为多路振动信号提供统一的相位基准点，转速计算能够求出转子启停车过程振动信号的频率变化函数；

2)参数化时频分析，转子启停车振动信号分解，根据振动信号的频率变化函数构造旋转算子，将振动信号各倍频分量在时频域进行旋转，分解出启停车振动信号的转频分量、倍频分量和分倍频分量，如图1、图2所示，分解转子启车信号，数学理论完备，物理意义明确，且操作简单，易于理解，并求出各频分量的幅值、相位；

步骤2)参数化时频分析的具体步骤为：

2.1)首先结合振动信号的频率变化函数f(t)构造旋转算子Φ^R(t)；

2.2)对启停车振动信号进行时频域旋转，得到旋转信号Rz(t)，旋转后的转频分量时频特征平行于时间轴，与其它分量有明显的区别；

2.3)以f(0)为中心频率设计零相移带通滤波器,对旋转信号Rz(t)进行滤波后得到滤波信号Rs(t)；

2.4)采用旋转算子Φ^R(t)对滤波信号Rs(t)进行逆旋转，从而提取出转频分量s(t)；

3)绘制全息谱和合成轴心轨迹，结合全息谱方法，利用各频分量的幅值、相位生成二维全息瀑布图，并总结提取转子不同状态对应的特征。

二维全息瀑布图的构造过程为：对转子启停车同一测量截面两个方向的振动信号通过参数化时频分析进行分解得到转频分量、倍频分量和分倍频分量，通过复包络求出各频分量幅值相位，从500r/min到4000r/min每隔100r/min的转速间隔对两个方向各频振动信息进行合成生成二维全息谱图，在时间轴上排列就得到二维全息瀑布图。

参照图3，分别通过转子实验台采集稳态振动数据和连续启车振动数据，分别将计算出的幅值和相位进行对比，图3表明参数化时频分析方法能够准确地提取转子启车过程振动特征，具有良好的精度及可靠性。

参照图4，不平衡转子全息瀑布图以一倍频(1X)分量为主，基本没有高倍频分量和分倍频分量，在一阶临界转速之前，一倍频椭圆逐渐增大，在临界转速处振动达到极大值，椭圆初相点翻转180°，过一阶临界转速之后，振动椭圆逐渐变小，振动椭圆的初相点和倾角不再有大的变化。

参照图5，不对中转子全息瀑布图1X和2X分量较大且2X分量存在亚临界共振。

参照图6，碰磨转子1X分量是主要分量，相应的振动椭圆偏心率非常小，几乎接近一条直线。

参照图7，横向裂纹转子有较大的2X、3X分量且2X振动幅值变化不大。