一种旋转机械扭转振动信号采集分析方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种旋转机械扭转振动信号采集分析方法，尤其设及一种适用于汽轮 机、燃气轮机、发电机、压缩机、风机、累和发动机等各类旋转机械的旋转机械扭转振动信号 采集分析方法。
【背景技术】
[0002] 扭转振动是汽轮机、发电机、风机等旋转机械经常发生的一类振动故障。在大幅扭 转振动冲击或长期扭转振动作用下，转轴表面会出现与截面成45°夹角的"麻花式"裂纹，容 易造成转轴疲劳损坏。与转轴弯曲振动测试不同的是，扭转振动的测试要更为复杂，测试结 果所受到的影响因素也比较多，测试技术远没有弯曲振动测试技术那么成熟。而扭转振动 对旋转机械安全、稳定和可靠运行具有巨大影响，因此，开展扭转振动测试技术研究，对提 高扭振测试信号准确度和可靠性具有重要意义。
[0003] 扭转振动测试分为接触式和非接触式两大类。接触式测量方法包括:盖格尔法、动 态应变法和加速度传感器法等。非接触式测量方法包括:激光法和脉冲法等。相对于接触式 测量方法而言，非接触测量方法中的脉冲法原理简单，在现场容易实现，是目前比较通用的 一种测量方法。本发明是建立在非接触式脉冲测量法基础上，W减轻各项干扰因素对脉冲 法扭振测量结果的影响为目标，所提出的一种扭转振动信号分析法。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是提供一种旋转机械扭转振动信号采集分析方法，采用非接触式采 集形式从检测到的脉冲信号中提取出扭振信号，能够极大地提高旋转机械扭转振动信号分 析的准确度和可靠性，具有高可靠性和高测量精度的优点。
[0005] 本发明采用下述技术方案：
[0006] -种旋转机械扭转振动信号采集分析方法，依次包括W下步骤：
[0007] A:将均匀设置有采样点的标示装置安装在待测设备的转轴测量截面处，并安装配 套的检测设备，调整检测设备与转轴之间的距离和角度，使检测设备能够稳定地输出脉冲 信号；
[000引B:去除检测设备所输出的脉冲信号中的低频干扰；
[0009] C:将去除低频干扰后的脉冲信号转化为标准TTL脉冲信号输出；
[0010] D:利用高频计数器对标准了化脉冲信号进行信号采样，得到标示装置上每个采样 点转过的时间，即系列计数值；
[0011] E:利用得到的系列计数值，根据标示装置上的分度数，分别求得标示装置上每个 采样点的瞬时角速度，标示装置上每个采样点的瞬时角速度的集合，构成了系列瞬时角速 度值；
[0012] F:从标示装置上每个采样点的瞬时角速度中扣除转轴平均角速度值，分别求得标 示装置上每个采样点的等角度采样瞬时扭角速度值，标示装置上每个采样点的等角度采样 瞬时扭角速度值的集合，构成了系列等角度采样瞬时扭角速度值；
[0013] G:对每个采样点的等角度采样瞬时扭角速度值进行重采样，将等角度采样瞬时扭 角速度值转化为W等时间间隔采样方式得到的每个采样点的等时间间隔采样瞬时扭角速 度值，得到的每个采样点的等时间间隔采样瞬时扭角速度值的集合，构成了系列等时间间 隔采样瞬时扭角速度值；
[0014] H:利用最小二乘方法消除系列等时间间隔采样瞬时扭角速度值中的趋势项，求得 真实扭角速度信号；
[0015] I:对消除趋势项后的真实扭角速度信号进行积分变换，得到扭振角位移信号。
[0016] 所述的步骤B中，利用高通滤波器去除检测设备所输出的脉冲信号中的低频干扰。
[0017] 所述的步骤C中，将去除低频干扰后的脉冲信号转化为0-5V的标准TTL脉冲信号输 出。
[0018] 所述的步骤D中，利用高频计数器对标准TTL脉冲信号进行信号采样，得到标示装 置上每个采样点转过的时间，即系列计数值，分别记为A ti，At2, . . .，AtN，其中，N代表采 样点总数，即齿轮盘的总齿数。
[0019] 所述的步骤E中，利用下述公式计算在tn时刻标示装置上第i个采样点的瞬时角速 度 ω n( i)，
[0020]
N代表采样点总数，即齿轮盘的总齿数;i代表标示装置上第i个 采样点，即齿轮盘上的第i个齿的下标，A ti为第i个采样点转过的时间。
[0021] 所述的步骤F中，利用下述公式计算标示装置上第i个采样点的等角度采样瞬时扭 角速度值WtDr(i)，
[0022] 巧。,.(/') =巧(/') - ^，下标tor表示扭角速度，下标η表示瞬时角速度，i表示标示装置 上第i个采样点，凉为转轴平均角速度值，為通过W下公式计算得出：
[0023]
[0024] 所述的步骤G中，利用线性插值的方法，对每个采样点的等角度采样瞬时扭角速度 值WtDr(i)进行重采样，将其转化为每个采样点的等时间间隔采样瞬时扭角速度值ω*。/ (t )，变量中上标Μ戈表等时间间隔采样；
[0025] 设采样时间间隔为Δ t，样本点m所对应的采样时间为U，与样本点m相邻的前后时 亥揃2个W等角度采样方式得到的采样点的时间分别为tk，tk+i，则W等时间间隔采样得到 的样本点m在t = tm时刻的等时间间隔采样瞬时扭角速度值fiC(〇|,=,m为：
[0026]
[0027]其中
为W等时间间隔采样得到的样本点m在t = tm时刻的等时间间 隔采样瞬时扭角速度值，
分别为W等角度采样方式得到 的样本点在k和k+1样本点处的瞬时角速度值。
[0028] 所述的步骤Η中，利用最小二乘方法消除等时间间隔采样瞬时扭角速度值ω*。/ (t)中的趋势项；
[0029] 设等时间间隔采样瞬时扭角速度值QtD/(t)中趋势项〇i(t)为关于时间变量t的 二次多项式：
[0030] 〇i(t)=at^+bt+c,
[0031] 用最小二乘法求解多项式中的系数a，b，c，从瞬时角速度值cotn/U)中消除趋势 项 ω?(?)，求得真实扭角速度信号 W"tcxr(t)，W"tcxr(t) = W'tDr(t)-〇i(t)。
[0032] 所述的步骤I中，对真实扭角速度信号Q"tDr(t)进行积分，得到扭振角位移信号θ (t)，白(t) =J C〇"t〇r(t)化。
[0033] 所述的设置有采样点的标示装置采用分度均匀的齿轮盘，配套的检测设备采用满 流传感器或磁阻传感器。
[0034] 本发明具有如下有益效果：
[0035] (1)配置了信号预处理装置，将检测设备检测到的脉冲信号调理为0-5V标准TTL脉 冲信号输出，可W方便地接入高频计数器，W提高检测设备计数器的计数精度和准确度，减 少漏齿等现象；
[0036] (2)将W等角度采样模式得到的信号转化为W等时间间隔采样得到的信号，减少 了信号分析误差，避免数据后期处理时(如频谱分析时)产生偏差影响测试结果；
[0037] (3) W最小二乘法剔除信号中的趋势项，减少了由角速度信号积分得到角位移信 号过程中的信号失真。
【附图说明】
[003引图1为本发明的流程示意图；
[0039] 图2为检测设备输出的扭振信号图；
[0040] 图3为检测设备输出的扭振信号调制非均匀的间隔脉冲信号图；
[0041 ]图4为等角度采样和等时间间隔采样差别示意图；
[0042] 图5为剔除趋势项前的扭角位移波形图；
[0043] 图6为剔除趋势项前的扭角位移频谱图；
[0044] 图7为对图5进行剔除趋势项处理后的扭角位移波形图；
[0045] 图8为对图6进行剔除趋势项处理后的扭角位移频谱图。
【具体实施方式】
[0046] W下结合附图和实施例对本发明作W详细的描述：
[0047] 如图1所示，本发明所述的旋转机械扭转振动信号采集分析方法，依次包括W下步 骤：
[004引 A:将均匀设置有采样点的标示装置安装在待测设备的转轴测量截面处，并安装配 套的检测设备，调整检测设备与转轴之间的距离和角度，使检测设备能够稳定地输出脉冲 信号。
[0049] 本发明中，设置有采样点的标示装置采用分度均匀的齿轮盘，配套的检测设备采 用满流传感器或磁阻传感器，满流传感器或磁阻传感器能够将检测到的脉冲信号转化为电 信号输出。
[0050] 当待测设备的转轴无扭振时，满流传感器或磁阻传感器采集到的脉冲信号间隔是 均匀的；而当待测设备的转轴存在扭振时，满流传感器或磁阻传感器采集到的脉冲信号间 隔不均匀，其中就包含了扭振信号，如图2和图3所示。
[0051] B:去除检测设备所输出的脉冲信号中的低频干扰。本发明中，可利用高通滤波器 去除检测设备所输出的脉冲信号中的低频干扰。
[0052] C:将去除低频干扰后的脉冲信号转化为标准TTL脉冲信号输出。本发明中，可将去 除低频干扰后的脉冲信号转化为0-5V的标准TTL脉冲信号输出。
[0053] D:利用高频计数器对标准TTL脉冲信号进行信号采样，得到标示装置上每个采样 点转过的时间，即系列计数值，分别记为A ti，Δ t2, . . .，Δ tN，其中，N代表采样点总数，即齿 轮盘的总齿数。
[0054] E:利用得到的系列计数值，根据标示装置上的分度数，分别求得标示装置上每个 采样点的瞬时角速度，即系列瞬时角速度值；
[0055] 标示装置上每个采样点i的瞬时角速度ωη(υ的集合，构成了系列瞬时角速度值。
[0056] 本发明中，利用下述公式计算在tn时刻标示装置上第i个采样点的瞬时角速度ωη (i)，
[0化7]
·，Ν代表采样点总数，即齿轮盘的总齿数；i代表标示装置上第i个 采样点，即齿轮盘上的第i个齿的下标，A ti为第i个采样点转过的时间。
[0058] F:从系列瞬时角速度值中扣除转轴平均角速度值，得到系列等角度采样瞬时扭角 速度值；
[0059] 标示装置上每个采样点的等角度采样瞬时扭角速度值WtDr(i)的集合，构成了系 列等角度采样瞬时扭角速度值。
[0060] 本发明中，利用下述公式计算标示装置上第i个采样点的等角度采样瞬时扭角速 度值 W tor( i ),
[0061 ]巧=似,,(/)-巧；
[0062]