一种基于非线性压缩变换的转子碰摩故障检测方法及系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及旋转机械故障诊断领域，具体涉及一种基于非线性压缩变换的转子碰 摩故障检测方法及系统。
【背景技术】
[0002] 动静件碰摩是一类常见的旋转机械故障，轻者可引起动静件的摩擦损伤，重者可 造成严重的摩擦与碰撞故障。碰摩发生时，一般先是局部碰摩，随着碰摩加剧最终导致整周 碰摩。因此，采取有效的信号处理方法及时准确检测碰摩故障对于防止重大碰摩事故的发 生，具有重要的实际意义。
[0003] 传统的碰摩故障信号处理方法通过频谱分析判断是否存在转子系统转频、倍频及 其分数频谱的方法判断是否存在碰摩故障。然而，这些特征与转子系统的不平衡、不对中等 故障的特征相同或者类似。当发现某个特征存在时，很难定位到转子系统存在碰摩故障。因 此，寻找碰摩故障唯一性的振动信号碰摩特征，是有效诊断碰摩故障的关键。
【发明内容】
[0004] 针对上述部分问题，本发明提供了一种基于非线性压缩变换的转子碰摩故障的检 测方法及系统，用于检测旋转机械中转子系统碰摩故障。
[0005] 一种基于非线性压缩变换的转子碰摩故障检测方法，所述方法通过对转子系统的 振动信号进行非线性压缩变换得到所述振动信号的时频表示，结合所述时频表示计算所 述振动信号的瞬时频率，进而进一步计算所述瞬时频率的震荡部分的频谱；假设f;为所述 转子系统的转频，如果所述频谱的最大谱峰位于[0.99f；，LOlfJ范围内且幅值超出所述 转频的2%，则可判定所述转子系统存在碰摩故障；否则，判定所述转子系统不存在碰摩故 障；所述非线性压缩变换包括以下步骤：
[0006] SlOO :计算振动信号的短时傅里叶变换：
【主权项】
1. 一种基于非线性压缩变换的转子碰摩故障检测方法，其特征在于，所述方法通过对 转子系统的振动信号进行非线性压缩变换得到所述振动信号的时频表示，结合所述时频表 示计算所述振动信号的瞬时频率，进而进一步计算所述瞬时频率的震荡部分的频谱；假设 f；为所述转子系统的转频，如果所述频谱的最大谱峰位于[〇.99f\，LOlfJ范围内且幅值 超出所述转频的2%，则可判定所述转子系统存在碰摩故障；否则，判定所述转子系统不存 在碰摩故障；所述非线性压缩变换包括以下步骤： 5100 :计算振动信号的短时傅里叶变换：
上式中，￥(/，/)为振动信号x(t)的短时傅里叶变换时频表示结果，其中t为时间变 量，f为频率变量，gjt)为短时傅里叶变换的参数化窗函数，〇为尺度参数，i是虚数单 位； 5101 :计算振动信号的导数窗短时傅里叶变换：
上式中，为振动信号x(t)的导数窗短时傅里叶变换时频表示结果，g' 。（〇 为短时傅里叶变换的参数化窗函数g。（t)的一阶导数； S102:得到振动信号x(t)的非线性压缩变换后的时频表示Px(t，f):
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，优选的，通过利用自适应脊线搜索方法在 时频表示中搜索脊线获取所述瞬时频率，所述自适应脊线搜索方法包括以下步骤： 5200 :采集的离散振动信号N个，频谱离散点数目为M ; 5201 :通过下式选定脊线搜索起始点：
上式中，n = 0，l，一,N-Lm = Oa, 为采集的离散振动信号的短 时傅里叶变换时频表示结果，I · I为复数的模值，（匕,/^)为时频平面上对应振动信号的短 时傅里叶变换的模取得最大值的时频位置，K为模最大之点对应的时间变量下标，属于η = 〇，1，…，N-I范围中的某一个值； 5202 :设脊线搜索带宽参数L，其取值范围为10% f,~30%f,，其中f,为所述转子系 统的转频，则脊线搜索频带为：
5203 :计算脊线搜索代价函数的加权因子：
上式中，ewS代价函数的加权因子系数； 5204 :计算脊线搜索代价函数：
5205 :根据脊线搜索代价函数最小化原则，搜下相邻时刻的脊点：
5206 :沿着t < tK的方向执行步骤S202至步骤S205的搜索过程，得到脊点 并将其作为下一次迭代的起始点，并继续在所述方向上重复执行步骤S202至步骤S205的 搜索过程，直至搜到的离散振动信号的起始时刻h，得到的脊点； 5207 :朝着t > tK执行步骤S202至步骤S205搜索过程，得到脊点（匕+1,/^+1)并将其作 为下一次迭代的起始点，并继续在所述方向上重复执行步骤S202至步骤S205的搜索过程， 直至搜索的离散振动信号的结束时刻t N_i，得到的脊点 5208 :得到完整脊线队，#)，/^〇，1,，··，Λ7-1，则对应的瞬时频率为 ./ (^,) = ./" η = 0,1, · ·, /V - 1 9 O
3. 根据权利要求1或者2所述的方法，其特征在于，计算所述瞬时频率的震荡部分的频 谱的具体步骤如下： 5300 :将脊线搜索得到的瞬时频率估计/(?")减去其平均值，从而得到瞬时频率的震荡 部分：
5301 :对瞬时频率震荡部分进行离散傅里叶变换得到其频谱：
4. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤SlOO前使用振动传感器装置获取 所述转子系统的振动信号，使用转速传感器获得所述转子系统的转速。
5. -种基于非线性压缩变换的转子碰摩故障检测系统，其特征在于，所述系统包括时 频变换装置、脊线搜索装置和故障分析装置； 所述时频变换装置通过对转子系统的振动信号进行非线性压缩变换得到所述振动信 号的时频表示，并将所述时频表示传给脊线搜索装置； 所述脊线搜索装置接收所述时频变换装置的时频表示，在所述时频表示中搜索脊线获 取瞬时频率，并将所述瞬时频率传给故障分析装置； 所述故障分析装置接收所述脊线搜索装置的瞬时频率，通过计算获取述瞬时频率的 震荡部分，利用所述震荡部分的频谱进行分析，如果所述频谱的最大谱峰位于[0.99?；， LOlfJ范围内且幅值超出所述转频的2%，则可判定所述转子系统存在碰摩故障；否则，判 定所述转子系统不存在碰摩故障；其中f；为所述转子系统的转频； 所述非线性压缩变换包括以下处理过程： PlOO :将所述检测信号变换成信号时频表示； PlOl :计算振动信号的短时傅里叶变换：
上式中，$(/,./_)为振动信号x(t)的短时傅里叶变换时频表示结果，其中t为时间变 量，f为频率变量，g(3(t)为短时傅里叶变换的参数化窗函数，〇为尺度参数，i是虚数单 位； P102 :计算振动信号的导数窗短时傅里叶变换：
上式中，￥'(/，/)为振动信号X (t)的导数窗短时傅里叶变换时频表示结果，g'。（t)为 短时傅里叶变换的参数化窗函数gi3(t)的一阶导数，其中σ为尺度参数； Ρ103:得到振动信号x(t)的非线性压缩变换后的时频表示Px(t，f):
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述脊线搜索装置采用自适应脊线搜索 的方法来进行脊线搜索，所述自适应脊线搜索方法包括以下处理过程： P200 :采集的离散振动信号N个，频谱离散点数目为M ; P201 :诵忖下式洗审脊线榑索起始点：
上式中，η = 0，1，一Hm = Oa,…，M-I ;￥(&，/")为采集的离散振动信号的短 时傅里叶变换时频表示结果，I · I为复数的模值，（匕,i?)为时频平面上对应振动信号的短 时傅里叶变换的模取得最大值的时频位置，K为模最大之点对应的时间变量下标，属于η = 〇，1，…，N-I范围中的某一个值； Ρ202 :设脊线搜索带宽参数L，其取值范围为10% f,~30%f,，其中f,为所述转子系 统的转频，则脊线搜索频带为：
P203 :计算脊线搜索代价函数的加权因子：
上式中，ewS代价函数的加权因子系数； P204 :计算脊线搜索代价函数：
P205 :根据脊线搜索代价函数最小化原则，搜下相邻时刻的脊点：
P206 :沿着t < tK的方向执行P202至P205的搜索过程，得到脊点并将其作 为下一次迭代的起始点，并继续在所述方向上重复执行P202至P205的搜索过程，直至搜到 的离散振动信号的起始时刻h，得到的脊点； P207 :朝着t > tK执行P202至P205搜索过程，得到脊点匕+1,乃+1)并将其作为下一次 迭代的起始点，并继续在所述方向上重复执行Ρ202至Ρ205的搜索过程，直至搜索的离散振 动信号的结束时刻tN_i，得到的脊点(心 ; P208 :得到完整脊线0"，乃），《 = 0,1,···,#-：!，则对应的瞬时频率为 f(t")= n = 0,1,···,N-I ? 〇
7.根据权利要求5或者6所述的系统，其特征在于，所述故障分析装置中计算所述瞬时 频率的震荡部分的频谱的处理过程如下： Ρ300 :将脊线搜索得到的瞬时频率估计/(?")减去其平均值，从而得到瞬时频率的震荡 部分：
Ρ301 :对瞬时频率震荡部分进行离散傅里叶变换得到其频谱：
8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述系统还包括信号获取装置，所述信号 获取装置通过在所述转子系统中安装振动传感器装置获取所述转子系统的振动信号，通过 安装转速传感器获得所述转子系统的转速。
【专利摘要】本发明公开了一种基于非线性压缩变换的转子碰摩故障检测方法及系统，用于检测旋转机械中转子系统碰摩故障，所述方法通过对转子系统的振动信号进行非线性压缩变换得到所述振动信号的时频表示，结合所述时频表示计算所述振动信号的瞬时频率，进而进一步计算所述瞬时频率的震荡部分的频谱；假设fr为所述转子系统的转频，如果所述频谱的最大谱峰位于[0.99fr，1.01fr]范围内且幅值超出所述转频的2％，则可判定所述转子系统存在碰摩故障；否则，判定所述转子系统不存在碰摩故障。所述系统基于所述方法实现，方便方法的应用。本发明可以准确判断转子碰摩故障是否存在，结果快速可靠，简单易行，适用转子的在线健康监测。
【IPC分类】G01H1-14, G01M7-02
【公开号】CN104634526
【申请号】CN201510039183
【发明人】王诗彬, 陈雪峰, 丁宝庆, 同超玮
【申请人】西安交通大学
【公开日】2015年5月20日
【申请日】2015年1月27日