确定旋转机械转子不平衡相位的方法及装置与流程

本发明涉及旋转机械技术领域，特别涉及一种确定旋转机械转子不平衡相位的方法及装置。

背景技术：

旋转机械是指主要依靠旋转动作完成特定功能的机械。典型的旋转机械有汽轮机、燃气轮机、离心式和轴流式压缩机、风机、泵、水轮机、发电机和航空发动机等。

随着科学技术的发展和工业现代化的要求，旋转机械向着精密化、高速化发展，这就对旋转机械的性能要求越来越苛刻，尤其是旋转机械的核心部件转子。若转子存在不平衡，则旋转机械运行时将产生离心力、离心力矩或两者兼而有之，从而引起转子挠曲和内应力，使机组产生振动和噪声，这就加速了轴承、轴封的磨损，降低了机组工作效率和缩短使用寿命。据统计，在造成旋转机械异常状态的各种原因中，转子不平衡所占的比重是最大的，一般情况下约占30％，在高速旋转机械中所占的比重更大。因此，非常有必要对旋转机械的转动部件进行动平衡检查，若存在动不平衡现象，则对转动部件进行动平衡配重来减小机组的振动，使其达到机组能安全稳定运行的水平。而动平衡配重中最为关键的就是确定不平衡质量的方位(或相位)。

现有技术中提供一些确定旋转机械转子不平衡相位的技术方案，但是这些技术方案普遍存在准确度低、计算过程复杂的问题。

技术实现要素：

本发明实施例提供了一种确定旋转机械转子不平衡相位的方法，用以提高确定旋转机械转子不平衡相位的准确度，简化计算过程，该方法包括：

获取旋转机械转子的键相信号时域采样数据和主轴摆度信号时域采样数据；

将键相信号时域采样数据转换为键相信号频域数据；将主轴摆度信号时域采样数据转换为主轴摆度信号频域数据；

根据键相信号频域数据，计算键相信号转频分量对应的相位；根据主轴摆度信号频域数据，计算主轴摆度信号转频分量对应的相位；

根据键相信号转频分量对应的相位与主轴摆度信号转频分量对应的相位，确定旋转机械转子不平衡相位。

在一个实施例中，获取旋转机械转子的键相信号时域采样数据和主轴摆度信号时域采样数据，包括：

根据旋转机械机组转速，选取旋转机械转子的整数倍旋转周期的键相信号时域采样数据和主轴摆度信号时域采样数据。

在一个实施例中，根据旋转机械机组转速，选取旋转机械转子的整数倍旋转周期的键相信号时域采样数据和主轴摆度信号时域采样数据，包括：

根据旋转机械机组转速，选取旋转机械转子的8至10个旋转周期的键相信号时域采样数据和主轴摆度信号时域采样数据。

在一个实施例中，获取旋转机械转子的键相信号时域采样数据和主轴摆度信号时域采样数据之后，还包括：

对键相信号时域采样数据进行预处理，得到预处理后的键相信号时域采样数据；

将键相信号时域采样数据转换为键相信号频域数据，包括：

对预处理后的键相信号时域采样数据进行快速傅立叶变换，将预处理后的键相信号时域采样数据转换为键相信号频域数据。

在一个实施例中，对键相信号时域采样数据进行预处理，得到预处理后的键相信号时域采样数据，包括：

选取一阈值，对键相信号时域采样数据中小于阈值的采样数据置为零，得到预处理后的键相信号时域采样数据。

本发明实施例还提供了一种确定旋转机械转子不平衡相位的装置，用以提高确定旋转机械转子不平衡相位的准确度，简化计算过程，该装置包括：

获取模块，用于获取旋转机械转子的键相信号时域采样数据和主轴摆度信号时域采样数据；

时域频域变换模块，用于将键相信号时域采样数据转换为键相信号频域数据；将主轴摆度信号时域采样数据转换为主轴摆度信号频域数据；

相位计算模块，用于根据键相信号频域数据，计算键相信号转频分量对应的相位；根据主轴摆度信号频域数据，计算主轴摆度信号转频分量对应的相位；

不平衡相位确定模块，用于根据键相信号转频分量对应的相位与主轴摆度信号转频分量对应的相位，确定旋转机械转子不平衡相位。

在一个实施例中，获取模块具体用于：根据旋转机械机组转速，选取旋转机械转子的整数倍旋转周期的键相信号时域采样数据和主轴摆度信号时域采样数据。

在一个实施例中，获取模块具体用于：根据旋转机械机组转速，选取旋转机械转子的8至10个旋转周期的键相信号时域采样数据和主轴摆度信号时域采样数据。

在一个实施例中，上述装置还包括：键相信号预处理模块，用于对键相信号时域采样数据进行预处理，得到预处理后的键相信号时域采样数据；

时域频域变换模块具体用于：

对预处理后的键相信号时域采样数据进行快速傅立叶变换，将预处理后的键相信号时域采样数据转换为键相信号频域数据；

对主轴摆度信号时域采样数据进行快速傅里叶变换，将主轴摆度信号时域采样数据转换为主轴摆度信号频域数据。

在一个实施例中，键相信号预处理模块具体用于：

选取一阈值，对键相信号时域采样数据中小于阈值的采样数据置为零，得到预处理后的键相信号时域采样数据。

与现有技术中确定旋转机械转子不平衡相位，存在偏差，计算过程复杂的技术方案相比较，由于发明人考虑到现有技术是在时域利用互相关来求取不平衡相位，键相信号转频分量波峰对应的时刻与键相脉冲对应的时刻存在偏差，从而求得的不平衡相位与真实相位存在偏差，因此，本发明实施例提出了一种简单地、精确地确定旋转机械转子不平衡相位的技术方案：首先，获取旋转机械转子的键相信号时域采样数据和主轴摆度信号时域采样数据；然后，将键相信号时域采样数据转换为键相信号频域数据；将主轴摆度信号时域采样数据转换为主轴摆度信号频域数据；最后，根据键相信号频域数据，计算键相信号转频分量对应的相位；根据主轴摆度信号频域数据，计算主轴摆度信号转频分量对应的相位；根据键相信号转频分量对应的相位与主轴摆度信号转频分量对应的相位，确定旋转机械转子不平衡相位，该技术方案在频域计算不平衡相位，提高了确定不平衡质量相位的准确度，同时简化了计算过程，从而可减小动平衡配重次数和获得良好的动平衡配重效果。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中：

图1是现有技术中确定旋转机械转子不平衡相位方案涉及的示意图；

图2是现有技术中确定旋转机械转子不平衡相位时主轴摆度信号波形图；

图3是现有技术中确定旋转机械转子不平衡相位时键相信号波形图；

图4是现有技术中确定旋转机械转子不平衡相位时键相信号与其转频分量的对比波形图(对键相信号时域采样数据进行预处理之前的原始键相信号与其转频分量对比曲线图)；

图5是本发明实施例中确定旋转机械转子不平衡相位的方法的流程示意图；

图6是本发明实施例中对键相信号时域采样数据进行预处理的波形图；

图7是本发明实施例中对键相信号时域采样数据进行快速傅立叶变换后分析示意图；

图8是本发明实施例中对主轴摆度信号时域采样数据进行快速傅里叶变换后分析示意图；

图9是本发明实施例中确定旋转机械转子不平衡相位的装置的结构示意图；

图10是本发明实施例中对键相信号时域采样数据进行预处理之后的键相信号与其转频分量对比曲线图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

确定旋转机械转子不平衡相位的方法一般为：如图1所示，在旋转轴上贴一键相块，用涡流位移传感器对准旋转轴，当轴上键相块旋转到涡流传感器处时，涡流位移传感器便会产生脉冲输出作为基准键相信号。同时用涡流位移传感器测量轴的摆度，当不平衡质量点(高点)旋转至摆度涡流传感器时，涡流位移传感器测得的距离变小，因此，摆度时域波形转频分量的波谷与键相脉冲的相位差即为高点落后键相块的角度。在图1中，表示不平衡质量相位，u表示主轴摆度信号，v表示测量键相信号与主轴摆度信号用的涡流位移传感器。

现有技术方案是利用主轴摆度信号、键相信号均与标准正弦信号和余弦信号的互相关来求取，下面对现有技术求取不平衡相位的方案进行介绍如下。

设键相信号用p(t)表示，主轴摆度信号用v(t)表示，则键相信号与主轴摆度信号在一段时间[0，t]可用下式进行表示：

其中，a0为键相信号中的直流分量；ai为键相信号中各分量的幅值；αi为键相信号中各分量的相位；ω为键相信号中的转频频率值；s1(t)为键相信号中的噪声干扰；

其中，b0为主轴摆度信号中的直流分量；bi为主轴摆度信号中各分量的幅值，βi为主轴摆度信号中各分量的相位；ω为主轴摆度信号中的转频频率值；s2(t)为主轴摆度信号中的噪声干扰；

构造一个标准正弦信号和一个标准余弦信号，表示如下：

z(t)＝sinωt，t∈[0,t]；

y(t)＝cosωt，t∈[0,t]。

对z(t)和y(t)都与p(t)做互相关分析。根据傅立叶级数的正交性，键相信号中的直流分量和倍频分量与z(t)，y(t)互相关函数为零，随机噪声分量s1(t)与z(t)，y(t)的互相关函数也是趋于零。

所以键相信号与正弦信号的互相关函数在τ＝0时，有：

键相信号与余弦信号的互相关函数在τ＝0时，有：

令

若α1第一象限，则α1＝θ；

如果α1第二、三象限，则α1＝θ+π；

如果α1第四象限，则α1＝θ+2π。

同理，可以求出振动信号v(t)与z(t)，y(t)的互相关函数在τ＝0时的值，求出β，同时还可求出振动幅值ai：

这样就可以求出相位差与转频振幅。

现有技术求取不平衡相位技术方案的缺点如下：

(1)计算过程较为复杂；

(2)该方法求得的不平衡相位与真实不平衡相位可能会存在一定的偏差，下面举例说明。

某旋转机械测得的主轴摆度信号波形图如图2所示，键相信号波形图如图3所示，在图2中：横坐标为时间，单位为秒，纵坐标为主轴摆度信号；在图3中，横坐标为时间，单位为秒，纵坐标为键相信号。

该方法是求得是摆度信号中转频分量相位与键相信号中转频分量相位的差值。若键相信号中转频分量的波峰对应时刻与键相脉冲对应时刻存在偏差，则求得的不平衡相位与真实相位肯定存在偏差。键相信号与其转频分量的时域波形图如图4所示，在图4中，横坐标为时间，单位为秒，左边纵坐标为转频分量，单位为um，右边纵坐标为键相信号，单位为volt。

由图4可知，转频分量波峰与脉冲存在时差，时差约为0.011秒，这造成不平衡相位偏差约13.2度。

由于发明人考虑到现有技术中在时域求取不平衡相位，键相信号转频分量的波峰与键相脉冲存在偏差，求得的不平衡相位与真实相位存在偏差，因此，本发明实施例出了一种简单地、精确地确定旋转机械转子不平衡相位的技术方案，下面对该技术方案进行详细介绍如下。

图5是本发明实施例中确定旋转机械转子不平衡相位的方法的流程示意图，如图5所示，该方法包括：

步骤101：获取旋转机械转子的键相信号时域采样数据和主轴摆度信号时域采样数据；

步骤102：将键相信号时域采样数据转换为键相信号频域数据；将主轴摆度信号时域采样数据转换为主轴摆度信号频域数据；

步骤103：根据键相信号频域数据，计算键相信号转频分量对应的相位；根据主轴摆度信号频域数据，计算主轴摆度信号转频分量对应的相位；

步骤104：根据键相信号转频分量对应的相位与主轴摆度信号转频分量对应的相位，确定旋转机械转子不平衡相位。

与现有技术中确定旋转机械转子不平衡相位，存在偏差，计算过程复杂的技术方案相比较，由于发明人考虑到现有技术是在时域利用互相关来求取不平衡相位，键相信号转频分量波峰对应的时刻与键相脉冲对应的时刻存在偏差，从而求得的不平衡相位与真实相位存在偏差，因此，本发明实施例提出了一种简单地、精确地确定旋转机械转子不平衡相位的技术方案：首先，获取旋转机械转子的键相信号时域采样数据和主轴摆度信号时域采样数据；然后，将键相信号时域采样数据转换为键相信号频域数据；将主轴摆度信号时域采样数据转换为主轴摆度信号频域数据；最后，根据键相信号频域数据，计算键相信号转频分量对应的相位；根据主轴摆度信号频域数据，计算主轴摆度信号转频分量对应的相位；根据键相信号转频分量对应的相位与主轴摆度信号转频分量对应的相位，确定旋转机械转子不平衡相位，该技术方案在频域计算不平衡相位，计算过程简单，提高了确定不平衡质量相位的准确度，同时简化了计算过程，从而可减小动平衡配重次数和获得良好的动平衡配重效果。

在一个实施例中，在上述步骤101中，获取旋转机械转子的键相信号时域采样数据和主轴摆度信号时域采样数据，可以包括：

根据旋转机械机组转速，选取旋转机械转子的整数倍旋转周期的键相信号时域采样数据和主轴摆度信号时域采样数据。

具体实施时，关注重点是键相信号与主轴摆度信号中的转频分量，选取转频分量即旋转周期的整数倍，可保证fft变换中的转频分量频谱不会失真，进而保证了确定不平衡质量相位的准确度。

在一个实施例中，根据旋转机械机组转速，选取旋转机械转子的整数倍旋转周期的键相信号时域采样数据和主轴摆度信号时域采样数据，可以包括：

根据旋转机械机组转速，选取旋转机械转子的8至10个旋转周期的键相信号时域采样数据和主轴摆度信号时域采样数据。

具体实施时，经过大量的实验，发明人发现旋转机械的转速会存在一定的波动，若选择周期太少，则可能会增大不平衡质量相位的计算偏差，选择周期太多，则会增大计算量。因此，选取旋转机械转子的8至10个旋转周期的采样数据，既提高了确定不平衡质量相位的准确度，又保证了不平衡质量相位的计算速度。

在一个实施例中，获取旋转机械转子的键相信号时域采样数据和主轴摆度信号时域采样数据之后，还可以包括：

对键相信号时域采样数据进行预处理，得到预处理后的键相信号时域采样数据；

将键相信号时域采样数据转换为键相信号频域数据，可以包括：

对预处理后的键相信号时域采样数据进行快速傅立叶变换，将预处理后的键相信号时域采样数据转换为键相信号频域数据。

具体实施时，在上述步骤102中，将键相信号时域采样数据转换为键相信号频域数据可以通过快速傅立叶变换fft；将主轴摆度信号时域采样数据转换为主轴摆度信号频域数据也可以通过快速傅立叶变换fft。

在一个实施例中，对键相信号时域采样数据进行预处理，得到预处理后的键相信号时域采样数据，可以包括：

选取一阈值，对键相信号时域采样数据中小于阈值的采样数据置为零，得到预处理后的键相信号时域采样数据。

具体实施时，上述预处理技术方案可将键相信号变成理想的键相脉冲信号，提高键相信号fft变换后转频分量波峰与键相脉冲的重合度，从而提高不平衡相位的计算精度。如图10所示，图10为预处理之后键相信号与其转频分量对比曲线图。与图4中原始键相信号与其转频分量对比曲线图相比较，图10中预处理后键相信号的转频分量波峰与键相脉冲的重合度明显要好。

具体实施时，对键相信号时域采样数据进行预处理可以通过如下程序实现(设键相信号数据用phase表示，阈值用yz表示)：

fori＝1:length(phase)

ifphase(i)<yzthen

phase(i)＝0

endif

next。

具体实施时，在上述步骤103中，根据主轴摆度信号频域数据，计算得到的主轴摆度信号转频分量对应的相位可以用α表示，根据键相信号频域数据，计算得到的键相信号转频分量对应的相位可以用β表示；那么在上述步骤104中，根据α，β计算出不平衡质量相位θ的公式可以为：θ＝β-(α+180)。

下面举一实例以说明本发明实施例是如何实施的。选用上述图2、3和4主轴摆度信号与键相信号数据进行示例演示。

(1)该机组转速为200转/分钟，旋转周期为0.3秒，选取9个周期的数据。

(2)选取阈值为7，对键相信号进行预处理，预处理后的波形如图6所示：

(3)预处理后键相信号频域fft分析图如图7所示，主轴摆度信号频域fft分析图如8所示。

从图7中可知键相信号转频分量相位为118.3度，从图8中可知，主轴摆度信号中转频分量相位为197.0度，从而可计算出不平衡相位θ＝118.3-(197.0+180)+360＝101.3度。该计算方法无需如上述现有技术中复杂的计算，简化了计算过程，同时，该计算结果比利用现有技术方案求取的结果更精确。

在图6中，横坐标为速度，纵坐标为键相信号；在图7中，横坐标为频率，纵坐标为键相信号；在图8中，横坐标为频率，纵坐标为主轴摆度信号。

基于同一发明构思，本发明实施例中还提供了一种确定旋转机械转子不平衡相位的装置，如下面的实施例所述。由于确定旋转机械转子不平衡相位的装置解决问题的原理与确定旋转机械转子不平衡相位的方法相似，因此确定旋转机械转子不平衡相位的装置的实施可以参见确定旋转机械转子不平衡相位的方法的实施，重复之处不再赘述。以下所使用的，术语“单元”或者“模块”可以实现预定功能的软件和/或硬件的组合。尽管以下实施例所描述的装置较佳地以软件来实现，但是硬件，或者软件和硬件的组合的实现也是可能并被构想的。

图9是本发明实施例中确定旋转机械转子不平衡相位的装置的结构示意图，如图9所示，该装置包括：

获取模块02，用于获取旋转机械转子的键相信号时域采样数据和主轴摆度信号时域采样数据；

时域频域变换模块04，用于将键相信号时域采样数据转换为键相信号频域数据；将主轴摆度信号时域采样数据转换为主轴摆度信号频域数据；

相位计算模块06，用于根据键相信号频域数据，计算键相信号转频分量对应的相位；根据主轴摆度信号频域数据，计算主轴摆度信号转频分量对应的相位；

不平衡相位确定模块08，用于根据键相信号转频分量对应的相位与主轴摆度信号转频分量对应的相位，确定旋转机械转子不平衡相位。

在一个实施例中，获取模块具体用于：根据旋转机械机组转速，选取旋转机械转子的整数倍旋转周期的键相信号时域采样数据和主轴摆度信号时域采样数据。

在一个实施例中，获取模块具体用于：根据旋转机械机组转速，选取旋转机械转子的8至10个旋转周期的键相信号时域采样数据和主轴摆度信号时域采样数据。

在一个实施例中，上述装置还包括：键相信号预处理模块，用于对键相信号时域采样数据进行预处理，得到预处理后的键相信号时域采样数据；

时域频域变换模块具体用于：

对预处理后的键相信号时域采样数据进行快速傅立叶变换，将预处理后的键相信号时域采样数据转换为键相信号频域数据；

对主轴摆度信号时域采样数据进行快速傅里叶变换，将主轴摆度信号时域采样数据转换为主轴摆度信号频域数据。

在一个实施例中，键相信号预处理模块具体用于：

选取一阈值，对键相信号时域采样数据中小于阈值的采样数据置为零，得到预处理后的键相信号时域采样数据。

本发明实施例提供的技术方案可以达到如下有益技术效果：可以精确地求出不平衡质量的相位，简化了计算过程，从而可减小动平衡配重次数和获得良好的动平衡配重效果。

显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明实施例的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，并且在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明实施例不限制于任何特定的硬件和软件结合。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明实施例可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。