一种基于调频信息重构的旋转机械全息诊断方法
【专利摘要】一种基于调频信息重构的旋转机械全息诊断方法，先在转子振动测试截面安装两个夹角为90°的位移传感器，采集X、Y方向的位移振动信号，对位移振动信号进行集合经验模式EEMD分解，得到多个基本模式分量IMF，然后对各基本模式分量IMF进行频谱分析，挑选出包含转频的基本模式分量IMFx(t)和IMFy(t)；分别对基本模式分量IMFx(t)和IMFy(t)采用直接正交法计算得出瞬时频率IFx(t)和IFy(t)，提取瞬时频率IFx(t)和IFy(t)的频率、幅值、相位信息，合成二维全息谱，对转子运行状态进行有效识别，本发明综合考虑了转子在水平和垂直方向的振动信号，并充分利用相位信息，有机地把信号的频率、幅值和相位信息融合在一起，诊断结果直观完整。
【专利说明】
一种基于调频信息重构的旋转机械全息诊断方法
技术领域
[0001] 本发明涉及旋转机械故障诊断技术领域，特别涉及一种基于调频信息重构的旋转 机械全息诊断方法。
【背景技术】
[0002] 大型旋转机械是石油、化工、能源、冶金等许多行业中的关键设备，其中转子组件 是旋转机械的核心。转子常见的故障有不平衡、动静碰磨、油膜涡动等，其中转子动静碰磨 故障引起的振动往往表现出非线性特征，是一类诊断难度较大的故障形式。现有的一些信 号分析方法往往不能准确、直观地判别转子运行状态，特别是早期微弱故障的诊断。
[0003] 转子动静碰磨故障引发的振动为弯扭耦合振动，振动信号形式为调频形式，异常 振动信息会体现在径向振动信号的瞬时频率中，将瞬时频率信息加以利用，有望提高转子 故障诊断的准确性，对诊断转子故障大有益处。由于大多现场运行的旋转设备都未安装扭 转振动测量装置，意味着无法直接获取旋转设备的扭转振动信号。相比之下，大多大型旋转 设备都已安装转子径向振动监测系统，从转子径向振动中提取转子扭转振动信息，综合考 虑转子在水平和垂直方向的振动，可对转子动静碰磨故障诊断提供新的思路，具有重要的 工程和经济效益。
【发明内容】
[0004] 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调频信息重构的 旋转机械全息诊断方法，通过径向振动信号提取转子扭转振动信息，合成瞬时频率的二维 全息谱，从而实现对转子动静碰磨故障的有效诊断。
[0005] 为达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
[0006] -种基于调频信息重构的旋转机械全息诊断方法，包括以下步骤：
[0007] 步骤一，在转子振动测试截面安装两个夹角为90°的位移传感器，规定转子旋转过 程中第一个经过的位移传感器为X方向，顺转向旋转90°后的另一个位移传感器为Y方向，两 个位移传感器的安装条件、物理特性保持一致，采集转子的位移振动信号x(t)和y(t);
[0008] 步骤二，分别对X、Y方向的位移振动信号x(t)和y(t)进行集合经验模式EEMD分解， 得到多个基本模式分量頂F，基本模式分量頂F必须满足以下两个条件：
[0009] a.整个信号上的极值点个数和过零点个数相等或至多相差一个；
[0010] b.在整个时间序列上，由所有局部极大值点确定的上包络和由所有局部极小值点 所确定的下包络的均值为零；
[0011] 步骤三，对集合经验模式EEMD分解得到的各基本模式分量MF进行频谱分析，挑选 出包含转频的基本模式分量IMFx(t#PIMF yW;
[0012]步骤四，分别对基本模式分量頂Fx(t)和頂Fy(t)采用直接正交法计算得出瞬时频率 IFx(t)和IFy(t)，计算过程如下：
[0013]基本模式分量頂Fx(t)分解成调幅信号A(t)和调频信号eosp(/)，即：
[0015]令:F(f) = cosp(〇,从信号的经验调频分量定义正交函数，如下：
[0017]因此，信号的瞬时相位通过下式计算求出：
[0019] 通过对瞬时相位士)求导，得到瞬时频率IFx(t)为：
[0021 ]再按照上述过程计算得到瞬时频率IFyW;
[0022]步骤五，提取瞬时频率IFX⑴和IFy⑴的频率、幅值、相位信息，合成二维全息谱，然 后对转子运行状态进行有效识别，具体过程如下：
[0023]首先，用内插法分别对X、Y方向的瞬时频率IFx(t)和IFy(t)进行频率、幅值、相位校 正;然后，提取校正之后的幅值Ax、Ay与相位死、％，以频率阶次为单位进行融合，得到椭圆 方程为：
[0026] 式中，an为X方向的位移传感器与水平方向的夹角；
[0027] 更换不同频率阶次处的Ax、Ay、死、巧就得到相应的椭圆，组合得到二维全息谱；
[0028] 最后，计算每个频率阶次处的离心率e、长轴a和短轴b的椭圆信息，根据椭圆信息 对转子运行状态进行有效识别，计算表达式如下：
[0033]本发明的有益效果为：
[0034] 通过采用本发明提出的基于调频信息重构的全息诊断方法发现，转子正常运行 时，各频率阶次椭圆呈现一组无规则的幅值很小的椭圆;转子发生动静碰磨故障时，转频椭 圆及其高倍频椭圆明显变大，呈一组离心率很大的椭圆，有些甚至为一条直线，该特征可以 有效识别转子动静碰磨故障。本发明具有以下优点：
[0035] a)本发明通过转子径向振动信号提取转子扭转振动信息，进而实现转子故障判 定，提高了转子径向振动信号的利用率；
[0036] b)相比现有扭转振动分析技术，本发明无需直接加装扭转振动测量装置便可完成 扭转振动信息提取，节约了硬件成本；
[0037] c)本发明提出的基于调频信息重构的全息诊断方法弥补了传统分析方法在旋转 机械故障诊断中的不足，综合考虑了转子在水平和垂直方向的振动信号，并充分利用相位 信息，有机地把信号的频率、幅值和相位信息融合在一起，诊断结果直观完整。
【附图说明】
[0038] 图1为实施例1转子系统有限元模型。
[0039]图2为实施例1转子正常运行状态下振动信号的瞬时频率二维全息谱图。
[0040]图3为实施例1转子动静碰磨故障振动信号的瞬时频率二维全息谱图。
[0041 ]图4为实施例2本特利RK4转子试验台结构示意图。
[0042 ]图5为实施例2转子动静碰磨故障振动信号x (t)的集合经验模式EEMD分解结果。 [0043 ]图6为实施例2转子动静碰磨故障振动信号y (t)的集合经验模式EEMD分解结果。
[0044] 图7为实施例2基本模式分量頂FxW的时域波形图和幅值谱图。
[0045] 图8为实施例2基本模式分量頂FyW的时域波形图和幅值谱图。
[0046]图9为实施例2瞬时频率IFx(t)的时域波形图和幅值谱图。
[0047]图10为实施例2瞬时频率IFyW的时域波形图和幅值谱图。
[0048]图11为实施例2转子正常运行状态下振动信号的瞬时频率二维全息谱图。
[0049] 图12为实施例2转子动静碰磨故障振动信号的瞬时频率二维全息谱图。
【具体实施方式】
[0050] 下面结合实施例和附图对本发明进行详细描述，为说明本发明方法的有效性，分 别用转子系统动力学仿真信号和实验信号对本发明进行验证。
[0051] 实施例1，采用转子系统动力学仿真信号进行验证，建立转子系统有限元模型如图 1所示，转子动静碰磨故障由转子不平衡激发，通过改变动静间距进行动静碰磨故障仿真， 转子系统有限元模型基本参数见表1，
[0052] 表1转子系统有限元模型基本参数表
[0054] 转子系统的单元刚度矩阵、单元质量矩阵、单元陀螺力矩阵如下所示：
[0055] 单元刚度矩阵为：
[0057]单元质量矩阵为：
[0059]单元陀螺力矩阵为：
[0061 ] -种基于调频信息重构的旋转机械全息诊断方法，包括以下步骤：
[0062] 步骤一，在转子振动测试截面安装两个夹角为90°的位移传感器，规定转子旋转过 程中第一个经过的位移传感器为X方向，顺转向旋转90°后的另一个位移传感器为Y方向，两 个位移传感器的安装条件、物理特性保持一致，采集转子的位移振动信号x(t)和y(t);
[0063] 步骤二，分别对X、Y方向的位移振动信号x(t)和y(t)进行集合经验模式EEMD分解， 得到多个基本模式分量頂F，基本模式分量頂F必须满足以下两个条件：
[0064] a.整个信号上的极值点个数和过零点个数相等或至多相差一个；
[0065] b.在整个时间序列上，由所有局部极大值点确定的上包络和由所有局部极小值点 所确定的下包络的均值为零；
[0066]步骤三，对集合经验模式EEMD分解得到的各基本模式分量MF进行频谱分析，挑选 出包含转频的基本模式分量IMFxW和IMFyW;
[0067]步骤四，分别对基本模式分量頂Fx(t)和頂Fy(t)采用直接正交法计算得出瞬时频率 IFx(t)和IFy(t)，计算过程如下：
[0068] 基本模式分量頂Fx(t)分解成调幅信号A(t)和调频信号，即：
[0069] = A(t) COS 冰)，
[0070] 令：―)=COS冰)，从信号的经验调频分量定义正交函数，如下：
[0072]因此，信号的瞬时相位通过下式计算求出：
[0074] 通过对瞬时相位求导，得到瞬时频率IFx(t)为：
[0076]再按照上述过程计算得到瞬时频率IFyW ;
[0077]步骤五，提取瞬时频率IFX⑴和IFy⑴的频率、幅值、相位信息，合成二维全息谱，然 后对转子运行状态进行有效识别，具体过程如下：
[0078]首先，用内插法分别对X、Y方向的瞬时频率IFx(t)和IFy(t)进行频率、幅值、相位校 正;然后，提取校正之后的幅值Ax、Ay与相位R、$，以频率阶次为单位进行融合，得到椭圆 方程为：
[0081] 式中，an为X方向的位移传感器与水平方向的夹角；
[0082] 更换不同频率阶次处的Ax、Ay、A、％就得到相应的椭圆，组合得到二维全息谱， 如图2、图3所示，图2为转子正常运行状态下振动信号分析结果，图3为转子动静碰磨故障振 动信号分析结果；
[0083]最后，计算每个频率阶次处的离心率e、长轴a和短轴b的椭圆信息，根据椭圆信息 对转子运行状态进行有效识别，计算表达式如下：
[0088]本实施例的效果：采用本发明提出的基于调频信息重构的全息诊断方法进行分 析，对比图2和图3,转子正常运行时，各频率阶次椭圆呈现一组无规则的幅值很小的椭圆， 如图2所示;转子发生动静碰磨故障时，转频椭圆及其高倍频椭圆明显变大，呈一组离心率 很大的椭圆，如图3所示，该特征可以有效识别转子动静碰磨故障。
[0089]实施例2,通过本特利RK4转子试验台进行实验验证，本特利RK4转子试验台结构示 意图如图4所示，转子直径为10mm，长550mm，前后支撑跨距为325mm，从驱动端看，该转子系 统沿逆时针方向旋转，在转子跨内沿轴向对称布置两个用于添加平衡质量的平衡盘，每个 盘重量为0.8kg，平衡盘上半径为30mm处沿周向等角度分布16个孔用于添加平衡质量，实验 通过调整碰磨棒与转子的间距模拟转子动静碰磨故障，实验转速设置为1700rpm。
[0090] -种基于调频信息重构的旋转机械全息诊断方法，包括以下步骤：
[0091] 步骤一，在转子振动测试截面安装两个夹角为90°的位移传感器，规定转子旋转过 程中第一个经过的位移传感器为X方向，顺转向旋转90°后的另一个位移传感器为Y方向，两 个位移传感器的安装条件、物理特性保持一致，采集转子的位移振动信号x(t)和y(t);
[0092] 步骤二，分别对X、Y方向的位移振动信号x(t)和y(t)进行集合经验模式EEMD分解， 得到多个基本模式分量IMF，如图5、图6所示，基本模式分量頂F必须满足以下两个条件：
[0093] a.整个信号上的极值点个数和过零点个数相等或至多相差一个；
[0094] b.在整个时间序列上，由所有局部极大值点确定的上包络和由所有局部极小值点 所确定的下包络的均值为零；
[0095]步骤三，对集合经验模式EEMD分解得到的各基本模式分量MF进行频谱分析，挑选 出包含转频的基本模式分量MFxW和頂Fy⑴，如图7、图8所示，X方向位移振动信号x(t)经过 集合经验模式EEMD分解后，得到的基本模式分量頂F3包含转频，其时域波形图和幅值谱图 如图7所示;Y方向位移振动信号y(t)经过集合经验模式EEMD分解后，得到的基本模式分量 頂F2包含转频，其时域波形图和幅值谱图如图8所示；
[0096]步骤四，分别对基本模式分量頂Fx(t)和頂Fy(t)采用直接正交法计算得出瞬时频率 IFx(t)和IFy(t)，如图9、图10所示，计算过程如下：
[0097]基本模式分量頂FxW分解成调幅信号A(t)和调频信号eosg/)，即：
[0099]令:作)cos 4)，从信号的经验调频分量定义正交函数，如下：
[0101]因此，信号的瞬时相位通过下式计算求出：
[0103] 通过对瞬时相位求导，得到瞬时频率IFx(t)为：
[0105]再按照上述过程计算得到瞬时频率IFyW;
[0106] 步骤五，提取瞬时频率IFx⑴和IFy⑴的频率、幅值、相位信息，合成二维全息谱，然 后对转子运行状态进行有效识别，具体过程如下：
[0107] 首先，用内插法分别对X、Y方向的瞬时频率IFx(t)和IFy(t)进行频率、幅值、相位校 正;然后，提取校正之后的幅值A x、Ay与相位武、％，以频率阶次为单位进行融合，得到椭圆 方程为：
[0110] 式中，an为X方向的位移传感器与水平方向的夹角；
[0111] 更换不同频率阶次处的Ax、Ay、私、％就得到相应的椭圆，组合得到二维全息谱， 如图11、图12所示，图11为转子正常运行状态下振动信号分析结果，图12为转子动静碰磨故 障振动信号分析结果；
[0112] 最后，计算每个频率阶次处的离心率e、长轴a和短轴b的椭圆信息，根据椭圆信息 对转子运行状态进行有效识别，计算表达式如下：
[0117] 本实施例的效果：采用本发明提出的基于调频信息重构的全息诊断方法进行分 析，对比图11和图12,转子正常运行时，各频率阶次椭圆呈现一组无规则的幅值很小的椭 圆，如图11所示;转子发生动静碰磨故障时，转频椭圆及其高倍频椭圆明显变大，呈一组离 心率很大的椭圆，如图12所示，该特征可以有效识别转子动静碰磨故障。
[0118] 以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定 本发明的【具体实施方式】仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱 离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所 提交的权利要求书确定专利保护范围。
【主权项】
1. 一种基于调频信息重构的旋转机械全息诊断方法，其特征在于，包括以下步骤： 步骤一，在转子振动测试截面安装两个夹角为90°的位移传感器，规定转子旋转过程中 第一个经过的位移传感器为X方向，顺转向旋转90°后的另一个位移传感器为Y方向，两个位 移传感器的安装条件、物理特性保持一致，采集转子的位移振动信号x(t)和y(t); 步骤二，分别对X、Y方向的位移振动信号x(t)和y(t)进行集合经验模式EEMD分解，得到 多个基本模式分量IMF，基本模式分量IMF必须满足以下两个条件： a. 整个信号上的极值点个数和过零点个数相等或至多相差一个； b. 在整个时间序列上，由所有局部极大值点确定的上包络和由所有局部极小值点所确 定的下包络的均值为零； 步骤三，对集合经验模式EEMD分解得到的各基本模式分量頂F进行频谱分析，挑选出包 含转频的基本模式分量頂FxW和頂FyW; 步骤四，分别对基本模式分量頂Fx(t)和頂Fy(t)采用直接正交法计算得出瞬时频率IF x(t) 和IFy(t)，计算过程如下： 基本模式分量頂Fxw分解成调幅信号A(t)和调频信号，即： IMF*、： A、t) COS 妒(0， 令4) -cos /人信号的经验调频分量定义正交函数，如下：因此，信号的瞬时相位通过下式计算求出：通过对瞬时相位求导，得到瞬时频率IFxwS:再按照上述过程计算得到瞬时频率IFy(t); 步骤五，提取瞬时频率IFx(t)和IFy(t)的频率、幅值、相位信息，合成二维全息谱，然后对 转子运行状态进行有效识别，具体过程如下： 首先，用内插法分别对X、Y方向的瞬时频率IFxW和IFyW进行频率、幅值、相位校正;然 后，提取校正之后的幅值Ax、Ay与相位穴、A，以频率阶次为单位进行融合，得到椭圆方程 为：式中，an为X方向的位移传感器与水平方向的夹角； 更换不同频率阶次处的Ax、Ay、R、仏就得到相应的椭圆，组合得到二维全息谱； 最后，计算每个频率阶次处的离心率e、长轴a和短轴b的椭圆信息，根据椭圆信息对转 子运行状态进行有效识别，计算表达式如下：
【文档编号】G01M13/00GK106053034SQ201610311998
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年5月11日
【发明人】王琇峰, 郭美娜, 曾志豪, 林京, 雷亚国, 赵明
【申请人】西安交通大学