专利名称：一种通过冲击分析提取转速波动的方法
技术领域：
本发明专利涉及一种旋转机械转速波动情况的识别方法，尤其是在缺乏连续转速监测的情况下获得精确的转速变化信息，对旋转机械的故障做出准确诊断的方法。
背景技术：
旋转机械在运行中，由于负载变化等各种原因，会造成转速在额定转速附近波动。 如果转速波动范围较大，将会对机械装备的运行状态分析造成负面影响，例如无法准确判断轴承、齿轮故障的特征频率等。一般使用转速传感器来对转速进行连续监测，但这种方案需要专用的转速传感器以及对应的数据采集设备，现场安装也比较困难。对旋转机械进行振动监测时，在部件(轴承、齿轮等)中存在故障的情况下，往往会产生冲击信号，冲击信号出现的频率一般与转速相关；转速越高，冲击频率越高。
发明内容
本发明提出了一种从振动冲击信号识别转速信息的信号处理方法，通过转速的某些统计信息，分析冲击出现的频率变化来间接地获得转速的波动信息，就可以从振动信号中获得转速的波动曲线，对旋转机械的故障做出准确诊断，改变了传统的需要使用转速传感器进行连续监测方式。本发明采用的方案是首先使用传感器测量旋转机械的振动信号，从旋转机械振动信号中检测冲击，对冲击波形进行特征提取和特征聚类，分离出误检的噪声和干扰，获得冲击的瞬时频率曲线，其次利用冲击漏检时的频率变化规律，修正瞬时频率曲线，最后对该曲线进行多项式拟合获得光滑的冲击频率变化曲线，根据已知转速的一些信息，确定转速的准确波动。所述的通过冲击分析提取转速波动的方法，在检测旋转机械振动信号中，通过设置幅度阈值的方法，将振动信号中幅度较大的脉冲截取出来；在对波形特征进行聚类时使用K-Means聚类；在获得冲击的瞬时频率时可以根据真实冲击信号的发生时间，计算相邻两次冲击的时间间隔，从而得到冲击的瞬时频率；根据已知转速的一些信息是某个时刻的瞬时转速、最大转速或者平均转速。本发明的有益效果本发明不需要对转速进行连续监测，只需要利用转速的某些统计信息，可以通过分析冲击出现的频率变化来间接地获得转速的波动信息，就可以从振动信号中获得转速的波动曲线，对旋转机械的故障做出准确诊断。
图1表示旋转机械中的包含轴承故障造成冲击的振动信号示意图； 图2表示从振动信号中检测出的冲击波形示意图3表示冲击波形的主成分特征示意图； 图4表示冲击波形中包含的误检的噪声示意3图5表示冲击波形中包含的真实冲击示意图； 图6表示冲击波形中包含的真实冲击的瞬时频率示意图； 图7表示经过修正的冲击瞬时频率和由其拟合的光滑冲击频率曲线示意图； 图8表示转子转速变化曲线平行于冲击频率曲线示意图中1-冲击瞬时频率曲线；2-拟合后的冲击频率曲线；3-冲击频率曲线；4-转速波动曲线。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明
如图1所示，旋转机械轴承存在故障时的振动信号，其中包含有持续时间很短的冲击脉冲。通过设置幅度阈值方法，将振动信号中幅度较大的脉冲截取出来。如图2所示，将这些脉冲叠放在一起，可以看到这些波形很杂乱，其中可能包含了误检的噪声，由于噪声是杂乱的，而冲击则有相对稳定的波形，两者具有不同的特征，使用一些特征提取方法可以将这种差异体现得更明显，如图3所示冲击波形的主成分特征。在对图3中的波形特征进行聚类时可以使用K-Means聚类，得到的2种波形如图 4所示的应该舍去的噪声波形和图5所示真实的冲击信号。如图6所示，根据图5中真实冲击信号的发生时间，计算相邻两次冲击的时间间隔，可以得到冲击的瞬时频率。由于部分冲击信号被噪声掩盖，真实冲击的数量少于信号中实际包含的冲击数目，造成漏检。如果两个冲击间漏检了一个冲击，则这两个冲击间的时间间隔约为实际间隔的2倍，冲击频率下降为实际值的约1/2 ；同样，如果两个冲击间漏检了两个冲击，则这两个冲击的时间间隔约为实际间隔的3倍，计算出来的冲击频率为实际值的约1/3 ；依次类推， 两个冲击间如果丢掉了#个冲击，会造成冲击频率降为实际值的1/0V+1)。如图6所示，冲击瞬时频率曲线上出现了许多向下的尖峰。反之，根据这种对应关系，可以恢复出存在漏检时的冲击频率。将冲击频率曲线中的负峰值点与邻近的瞬时频率点进行比较，如果这个负峰值接近邻近频率点的Υ/脚为大于1的正整数)，则表明存在冲击漏检，将该负峰值乘以见就得到实际的瞬时频率。对图5中瞬时频率曲线上述修正，可以得到图7中1所示的冲击瞬时频率曲线。再对修正后的瞬时频率曲线进行多项式拟合，可以得到如图7中2所示光滑的冲击频率波动曲线。由于冲击产生的频率与转子的转速成正比，即冲击频率的变化规律与转速的变化规律是一致的，只是存在数值上的差别，因此转速波动曲线如图8中4所示，平行于如图8 中3所示冲击频率曲线。根据转速的已知信息，例如某个时刻的瞬时转速、最大转速、或平均转速，就可以根据两者的比例关系确定图8中4对应的纵坐标位置，从而获得精确的转速变化曲线。本发明是通过具体实施过程进行说明的，在不脱离本发明范围的情况下，还可以对本发明专利进行各种变换及等同代替，因此，本发明专利不局限于所公开的具体实施过程，而应当包括落入本发明专利权利要求范围内的全部实施方案。
权利要求
1.一种通过冲击分析提取转速波动的方法，其特征是首先使用传感器测量旋转机械的振动信号，从旋转机械振动信号中检测冲击，对冲击波形进行特征提取和特征聚类，分离出误检的噪声和干扰，获得冲击的瞬时频率曲线，其次利用冲击漏检时的频率变化规律，修正瞬时频率曲线，最后对该曲线进行多项式拟合获得光滑的冲击频率变化曲线，根据已知转速的一些信息，确定转速的准确波动。
2.根据权利要求1所述的通过冲击分析提取转速波动的方法，其特征是在检测旋转机械振动信号中，通过设置幅度阈值的方法，将振动信号中幅度较大的脉冲截取出来。
3.根据权利要求1所述的通过冲击分析提取转速波动的方法，其特征是在对波形特征进行聚类时使用K-Means聚类。
4.根据权利要求1所述的通过冲击分析提取转速波动的方法，其特征是在获得冲击的瞬时频率时可以根据真实冲击信号的发生时间，计算相邻两次冲击的时间间隔，从而得到冲击的瞬时频率。
全文摘要
本发明专利涉及一种通过冲击分析提取转速波动的方法，首先使用传感器测量旋转机械的振动信号，从旋转机械振动信号中检测冲击，对冲击波形进行特征提取和特征聚类，分离出误检的噪声和干扰，获得冲击的瞬时频率曲线，其次利用冲击漏检时的频率变化规律，修正瞬时频率曲线，最后对该曲线进行多项式拟合获得光滑的冲击频率变化曲线，根据已知转速的一些信息，确定转速的准确波动。本发明不需要对转速进行连续监测，只需要利用转速的某些统计信息，可以通过分析冲击出现的频率变化来间接地获得转速的波动信息，就可以从振动信号中获得转速的波动曲线，对旋转机械的故障做出准确诊断。
文档编号G01M13/02GK102426095SQ20111035004
公开日2012年4月25日 申请日期2011年11月8日 优先权日2011年11月8日
发明者伍星, 刘畅, 柳小勤, 毛剑琳, 潘楠, 迟毅林 申请人:昆明理工大学