专利名称：一种转子瞬态信号分析方法
技术领域：
本发明涉及用于旋转机械的瞬态信号分析，进而可以扩展到旋转机械的 故障诊断。
背景技术：
旋转机械在线监测技术是了解设备运行状态、保障设备安全运行的重要 手段之一。其中对旋转机械启停机等瞬态数据的采集与分析是全面了解设备 运行状态的有效手段之一。目前用于瞬态信号分析的方法主要有跟踪轴心轨 迹法、波德图法、极坐标图法、三维谱阵图法、坎贝尔图法等等，这些方法 对于了解系统固有特性、质量不平衡的分布、故障分析与诊断提供了非常有 效的手段，但是这些方法中除了跟踪轴心轨迹法外，其余均是基于单通道信 号的基础上进行的分析技术，普遍存在提取信号残缺不全的缺点，而跟踪轴 心轨迹法虽然利用了两个通道的信号，但是又存在着分辨率低等缺点，现有 的瞬态信号分析方法并不能完全满足现场需要。
发明内容
本发明的目的是提供一种旋转机械瞬态信号分析方法，旨在弥补现有瞬 态信号分析方法信息表示不全的局限性，该方法便于识别设备固有特性参数， 提供了一种设备的故障分析与诊断的有效手段。
本发明的一种转子瞬态信号分析方法，该方法的步骤如下
1)在转子截面布置两只互相垂直的电涡流位移传感器，采集转子相对于轴承座的振动信号，传感器方向由X到Y的方向应与转子转动方向一致，采 用等转速信号采集并用键相信号进行同步整周期采样；
2) 对采集的信号进行抗混滤波、低通滤波等，去掉不必要的干扰噪声信
号；
3) 进行主振矢、振矢比、振矢角、矢相位计算，采用复FFT变换，利用 一次FFT计算同时获得这些特征参数；
4) 画各个参数相对于转速的关系5) 以主振矢图表达单一频率下的测点振动强度变化，用振矢比图表示测 点单一频率涡动轨迹的椭圆度变化，用振矢角图表示最大振动方向的变化， 用矢相位图表示振动矢量与参考相位点的变化。
主振矢用来表示椭圆的长半轴，等于正进动圆半径与反进动圆半径之和， 主振矢表示单一频率下转子振动响应的强度，启停机分析中，主振矢图用来 描述单一频率振动强度随转速的变化规律，如果表示成主振矢随负荷、流量、 压力等参数变化曲线，则主振矢图描述系统的振动强度随负荷、流量、压力 等参数的变化规律。
振矢比等于副振矢与主振矢之商，用来描述单一频率涡动轨迹的椭圆度， 其取值范围为[-l， l]，当振矢比为0时，转子涡动轨迹退化为一条直线，直 线的长度为主振矢的2倍，当振矢比为-1时，转子涡动轨迹为一与转速方向 相反的圆，当振矢比为1时，转子涡动轨迹为一与转速方向相同的圆，当振 矢比取值位于(O， l)之间时，数值越大，表示椭圆越接近于圆，运动方向为正 向涡动，当振矢比取值位于(-l， O)之间时，绝对值越大，表示椭圆越接近于 圆，运动方向为反向涡动，振矢比图用于表示成振矢比随转速、负荷、流量、压力等参数变化的规律。
振矢角表示主振矢与X方向传感器方向的夹角，代表振动最大的方向， 振矢角仅与系统本身的固有特性有关，与激振力的幅值、相位无关，跟踪振 矢角的变化用于判断系统固有特性的变化。
矢相位表示主振矢与参考相位方向的夹角，矢相位既与系统本身固有特 性有关，也与激振力有关。
来自两个互相垂直通道的信号，以及主振矢、振矢比、振矢角、矢相位 与单一通道信号之间的关系如式(1) (2)所示
(1)
<formula>formula see original document page 7</formula>
(2)
式中，x， y为两个单通道信号，X， Y分别表示x， y的幅值，cpx， cpy表示x， y的相位角，e表示振矢角，。a表示矢相位，Ra， Rb表示主振矢、副振矢，v 表示振矢比。
主振矢、振矢比、振矢角、矢相位的计算，采用复FFT方法。
I-
及
112各参数相对于转速为二维图，横坐标为转速，纵坐标分别为单一频率的 主振矢、振矢比、振矢角与矢相位。
各参数相对于转速为三维图，X坐标为转速或频率，Y坐标为频率或转速， Z坐标分别为主振矢、振矢比、振矢角和矢相位。
图1是纯频率下转子的涡动轨迹图； 图2为转子实验台照片；
图3是全矢谱图的二维表示(以1X为例)；
图4是全矢谱图的三维表示。
图1中，x， y为两个坐标轴符号，o为坐标原点，Xp， Xr分别为正、反 进动圆的半径，Op， ^分别为正、反进动圆的初相位角，e表示椭圆长轴与x 轴夹角，Ra， Rb表示椭圆长、短半轴的长度。
具体实施例方式
全矢谱图实际上共包括四幅图，即主振矢图、振矢比图、振矢角图、矢 相位图，下面分别就单一频率的振动为例，说明各个参数的物理意义。
设以Q角速度旋转的圆盘中心的运动方程可以表示为
式中，m^,^分别为I,y方向的幅值、初相位角。
由式(1)表示的圆盘中心的运行轨迹为一椭圆。全矢谱图各参数与
U,化,^之间的关系可以表示为式(2)<formula>formula see original document page 9</formula>(2)
式中，已为主振矢，^为副振矢，p为振矢比，e为振矢角，&为矢相位<
根据转子动力学理论，对于不平衡质量产生的响应，有 附rQ2 附r
<formula>formula see original document page 9</formula>为质径积，t，、,^^分别为x，y方向的刚度系数和阻尼系数， "为不平衡质量相位角，4,A,^&分别为《y方向的频率比
和阻尼比。若令L "/V则有炉,-A + W2。若令^r/z，
则有:<formula>formula see original document page 10</formula>
联系式(3)、 (4)，可以推出如下结论.-
(1) 在转速一定时，x，y方向的振幅比与相位差，即r/x,^-^仅与系
统本身固有参数h^,^M有关，而与激振力幅值和相位无关；
(2) 由于振矢角仅与振幅比和相位差有关，因此振矢角也与激振力幅值 和相位无关；
(3) 由于振矢比只与振幅比和相位差有关，因此振矢比也与激振力幅值 和相位无关，振矢比的取值范围为[-l， l]，当取值为1时，表示转子轴心的 运动轨迹为正向涡动的圆，当取值为-1时，表示转子轴心的运动轨迹为反向 涡动的圆，当取值为(-1， 1)之间的任何值时，表示转子轴心的运动轨迹为 一正向或反向涡动的椭圆，绝对值的大小表示椭圆度；
(4) 由于主振矢代表椭圆轨迹长半轴，因此主振矢描述了振动响应的强 度，它不但与系统固有参数有关，而且与激振力幅值有关，但与激振力相位 无关；
(5) 矢相位描述的是主振矢的相位角，因此它表示的是振动响应最大值 与参考点的相位差，不但与系统固有参数有关，而且与激振力的相位有关，但是与激振力幅值无关；
综上所述，本发明与现有瞬态信号分析方法相比，具有如下优势
(1) 根据主振矢图，可以可靠地跟踪振动强度的变化，弥补了以往单通 道信息残缺不全的缺点；
(2) 因为振矢角和振矢比都只与系统本身特性参数有关，因此通过跟踪 振矢角和振矢比的变化情况，可以很好地了解系统本身的固有特性， 这是以往分析方法所不具备的；
(3) 在系统参数不变的情况下，通过跟踪主振矢、矢相位的变化情况， 可以较好地了解激振力的变化情况；
(4) 本方法能够为旋转机械故障诊断及控制方面提供比以往瞬态分析方
法更加全面可靠的信息。
本方法既可用于分析旋转机械启停机过程，也可以描述主振矢、振矢比、 振矢角、相位角随其它过程参数变化而变化的情况，本方法对于这些不同过 程信号具有相同的处理过程，因此，下面就本方法用于启停机分析为例详细 说明本方法的实现过程。
旋转机械随着某些工艺参数和运行参数的变化过程的响应是一组完整的 过程信号，它对于分析设备的稳定性，进行故障诊断以及参数识别等具有重 要价值。通过一组过程信号的分析，可以分析转子的振动特性，查询幅值和 相位变化的原因，获得机组实际运行的临界转速等关键参数，确定转子的不 平衡响应，研究结构和元件的共振等，是故障诊断的重要依据之一。本发明
中是在矢谱分析技术(vector spectrum)的基础上，系统分析了全矢谱参数 与转子系统参数、激振力参数的关系，提出了用于旋转机械过程信号(瞬态信号)分析的一种新方法——全矢谱图，并吸收现有旋转机械瞬态信号分析 方法的优点，给出了全矢谱图的两种表示形式——二维表示法和三维表示法，
二维表示法是借鉴波德图(Bode)的表示方法，用于跟踪单一频率全矢谱相 关参数的变化，分辨率高；三维表示法是借鉴三维谱阵图和级联图的表示方 法，用于跟踪全频率下全矢谱相关参数的变化，是全景图，具有信息全面的 优点，在实用中应根据使用目的的不同采用的不同的表示方法。
下面结合图2所示的实验台上采集的一组启机数据来具体说明本方法应 用，该实验所用传感器为非接触式电涡流位移传感器，传感器布置为一水平 方向， 一垂直方向，互成90度。实验结果如图3， 4所示。
(1) 频率成分分析。通过全矢谱图的三维表示形式，可以很容易地看到 在整个升速过程中，转子振动的频率成分，在本例中，只有一倍频存在；
(2) 临界转速分析。通过二维图或三维图都可进行临界转速的分析，但 是通过观察IX的二维图更加直观，准确。临界转速的判断，在本发明中，是 通过主振矢和矢相位来进行，当转子接近临界转速时，主振矢幅值迅速增大， 在临界转速处达到最大值，远离临界转速后迅速减小，而矢相位在临界转速 处接近于0度，而在临界转速两边变号，在本例中，通过主振矢和矢相位可 以判定临界转速为3520r/min;
(3) 转子系统本身特性分析。在本发明中，主要通过二维图或三维图中 的振矢角和振矢比进行分析，转子系统本身的特性参数主要有刚度、阻尼， 在本例中，在转速为1000-3000r/min时，振矢角比较平稳，几乎没有变化， 而振矢比变化也较小，因此可以说转子系统本身比较稳定，刚度、阻尼变化 不大，在1000r/min以下时，振矢角与振矢比都有小量波动，这表示在低转速时由于油膜形成不好造成总的刚度、阻尼有波动，当接近一临界或一临界 以上时，振矢角与振矢比都随着转速的升高而有明显的变化，呈现出周期性 变化的特点，这表明振动最大的方向在不断的变化，椭圆度也在不断的变化，
从二者变化的快慢看，最大振动方向变化的要快，而椭圆度相对变化的较慢;
(4) 最大振动方向的识别。对于旋转机械状态监测而言，最大振动方向 至关重要，特别是对于那些基于单通道信号评价的机组，如果传感器布置的 不是振动最大的方向，就很可能无法准确掌握机组实际的运行状态，从而无 法及时避免一些可能发生的事故。在本发明中，通过跟踪振矢角很容易判断 出振动最大方向；
(5) 椭圆度的跟踪。椭圆度一方面表示系统特性的差异，另一方面对于 某些故障诊断(比如说一个方向上的刚度显著降低或一个方向上作用着较大 的力)具有很大的用处。关于椭圆度的跟踪，在本发明中是通过振矢比实现 的，如果振矢比的绝对值太小，则表示椭圆非常扁，反之则较圆；在本实例 中，在一临界以下时，椭圆较圆，且较稳定，而在一临界以上时，随着转速 的变化，椭圆时而圆时而扁；
(6) 轴心轨迹进动方向的识别。轴心轨迹进动方向的不同往往预示着系 统工作状态的不同，对于少数故障具有反进动的特征。通过振矢比的跟踪， 可以非常容易地识别出进动方向，而且不需要键相信号，在本例中，振矢比
均大于0，说明没有反进动发生。
权利要求
1、一种转子瞬态信号分析方法，其特征在于，该方法的步骤如下1)在转子截面布置两只互相垂直的电涡流位移传感器，采集转子相对于轴承座的振动信号，传感器方向由X到Y的方向应与转子转动方向一致，采用等转速信号采集并用键相信号进行同步整周期采样；2)对采集的信号进行抗混滤波、低通滤波等，去掉不必要的干扰噪声信号；3)进行主振矢、振矢比、振矢角、矢相位计算，采用复FFT变换，利用一次FFT计算同时获得这些特征参数；4)画各个参数相对于转速或其它变量的关系图；5)以主振矢图表达单一频率下的测点振动强度变化，用振矢比图表示测点单一频率涡动轨迹的椭圆度变化，用振矢角图表示最大振动方向的变化，用矢相位图表示振动矢量与参考相位点的变化。
2、 根据权利要求1所述的转子瞬态信号分析方法，其特征在于，主振矢 用来表示椭圆的长半轴，等于正进动圆半径与反进动圆半径之和，主振矢表 示单一频率下转子振动响应的强度，在启停机分析中，主振矢图用来描述单一频率振动强度随转速的变化规律，如果表示成主振矢随负荷、流量、压力 等参数变化曲线，则主振矢图描述系统的振动强度随负荷、流量、压力等参 数的变化规律。
3、 根据权利要求1所述的转子瞬态信号分析方法，其特征在于，振矢比 等于副振矢与主振矢之商，用来描述单一频率涡动轨迹的椭圆度，其取值范围为[-l， l]，当振矢比为0时，转子涡动轨迹退化为一条直线，直线的长度为主振矢的2倍，当振矢比为-l时，转子涡动轨迹为一与转速方向相反的圆， 当振矢比为1时，转子涡动轨迹为一与转速方向相同的圆，当振矢比取值位 于(O， l)之间时，数值越大，表示椭圆越接近于圆，运动方向为正向涡动，当 振矢比取值位于(-l， O)之间时，绝对值越大，表示椭圆越接近于圆，运动方 向为反向涡动，振矢比图用于表示成振矢比随转速、负荷、流量、压力等参 数变化的规律。
4、 根据权利要求1所述的转子瞬态信号分析方法，其特征在于，振矢角 表示主振矢与X方向传感器方向的夹角，代表振动最大的方向，振矢角仅与 系统本身的固有特性有关，与激振力的幅值、相位无关，跟踪振矢角的变化 用于判断系统固有特性的变化。
5、 根据权利要求1所述的转子瞬态信号分析方法，其特征在于，矢相位 表示主振矢与参考相位方向的夹角，矢相位既与系统本身固有特性有关，也 与激振力有关。
6、 根据权利要求1所述的转子瞬态信号分析方法，其特征在于，来自两 个互相垂直通道的信号，以及主振矢、振矢比、振矢角、矢相位与单一通道信号之间的关系如式(1) (2)所示<formula>formula see original document page 4</formula>式中，x， y为两个单通道信号，X， Y分别表示x， y的幅值，cpx， cpy表示x， y的相位角，e表示振矢角，Oa表示矢相位，Ra, Rb表示主振矢、副振矢，v 表示振矢比。
7、 根据权利要求1所述的转子瞬态信号分析方法，其特征在于，主振矢、 振矢比、振矢角、矢相位的计算，采用复FFT方法。
8、 根据权利要求1所述的转子瞬态信号分析方法，其特征在于，各参数 相对于转速为二维图，横坐标为转速，纵坐标分别为单一频率的主振矢、振 矢比、振矢角与矢相位。
9、 根据权利要求1所述的转子瞬态信号分析方法，其特征在于，各参数 相对于转速为三维图，X坐标为转速或频率，Y坐标为频率或转速，Z坐标分 别为主振矢、振矢比、振矢角和矢相位。
全文摘要
本发明公开了一种转子瞬态信号分析方法，该方法的步骤如下1)在转子截面布置两只互相垂直的电涡流位移传感器，采集转子相对于轴承座的振动信号，传感器方向由X到Y的方向应与转子转动方向一致，采用等转速信号采集并用键相信号进行同步整周期采样；2)对采集的信号进行抗混滤波、低通滤波等，去掉不必要的干扰噪声信号；3)进行主振矢、振矢比、振矢角、矢相位计算，采用复FFT变换，利用一次FFT计算同时获得这些特征参数；4)画各个参数相对于转速或其它变量的关系图；5)以主振矢图表达单一频率下的测点振动强度变化，用振矢比图表示测点单一频率涡动轨迹的椭圆度变化，用振矢角图表示最大振动方向的变化，用矢相位图表示振动矢量与参考相位点的变化。
文档编号G01M13/00GK101561312SQ20091014322
公开日2009年10月21日 申请日期2009年5月21日 优先权日2008年6月24日
发明者董辛旻, 伟 郝, 宏 陈, 捷 韩 申请人:郑州大学