一种基于匹配解调变换的转子碰摩故障检测方法及系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及旋转机械故障诊断领域，具体涉及一种基于匹配解调变换的转子碰摩 故障检测方法及系统。
【背景技术】
[0002] 动静件碰摩是一类常见的旋转机械故障，轻者可引起动静件的摩擦损伤，重者可 造成严重的摩擦与碰撞故障。碰摩发生时，一般先是局部碰摩，随着碰摩加剧最终导致整周 碰摩。因此，采取有效的信号处理方法及时准确检测碰摩故障对于防止重大碰摩事故的发 生，具有重要的实际意义。
[0003] 传统的碰摩故障信号处理方法通过频谱分析判断是否存在转子系统转频、倍频及 其分数频谱的方法判断是否存在碰摩故障。然而，这些特征与转子系统的不平衡、不对中等 故障的特征相同或者类似。当发现某个特征存在时，很难定位到转子系统存在碰摩故障。因 此，寻找碰摩故障唯一性的振动信号碰摩特征，是有效诊断碰摩故障的关键。
【发明内容】
[0004] 针对上述部分问题，本发明提供一种基于匹配解调变换的转子碰摩故障的检测方 法及相关系统，用于检测旋转机械中转子系统碰摩故障。
[0005] -种基于匹配解调变换的转子碰摩故障检测方法，所述方法使用匹配解调算法来 获得所述瞬时频率估计值；计算所述瞬时频率估计值的震荡部分的频谱，若f；为所述转子 系统的转频，如果所述频谱的最大谱峰位于〇. 99f,~1.Olf,范围内且幅值超出所述转频的 2%，则可判定所述转子系统存在碰摩故障；否则，判定所述转子系统不存在碰摩故障；
[0006] 所述匹配解调算法利用转子系统的振动信号的瞬时频率的参数化模型，逼近所 述转子系统的转频的脊线，进而辨识所述参数化模型的参数，从而得到所述瞬时频率估计 值；
[0007] 所述瞬时频率的参数化模型为：
[0008]
【主权项】
1. 一种基于匹配解调变换的转子碰摩故障检测方法，其特征在于，所述方法使用匹配 解调算法来获得所述瞬时频率估计值；计算所述瞬时频率估计值的震荡部分的频谱，若f; 为所述转子系统的转频，如果所述频谱的最大谱峰位于0. 99f,~I.Olf,的范围内且幅值超 出所述转频的2%，则可判定所述转子系统存在碰摩故障；否则，判定所述转子系统不存在 碰摩故障； 所述匹配解调算法利用转子系统的振动信号的瞬时频率的参数化模型，逼近所述转子 系统的转频的脊线，进而辨识所述参数化模型的参数，从而得到所述瞬时频率估计值； 所述瞬时频率的参数化模型为：
式中，a^为瞬时频率平均值参数，K为瞬时频率震荡部分级数，ak、0k与《k分别为 第k级震荡部分的余弦系数、正弦系数与频率。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，优选的，所述匹配解调算法的计算步骤 为： SlOO:设定振动信号瞬时频率初始模型参数如下：
式中，f;为所述转子系统的转频； 同时，设定尺度参数O=Ow，迭代循环变量初始值HI= 0,迭代终止条件阈值S和 最大迭代次数M;所述尺度参数O的初始值O((|)选取应满足所述尺度参数O((|)与所述转 子系统的转速的乘积在4~12的范围内； S200 :根据瞬时频率的参数化模型及其参数，构造相位函数：
上面两式中，为的一阶导数； S300 :计算双变量解调振动信号： Zr(Tj)=Z(T)-^r(T) 式中，z(t) =x(t)+iH{x(t)}为振动信号x(t)的解析信号，H{ ? }为希尔伯特变换算 子，具体表达式如下：
式中为振动信号x(t)的第m次匹配解调变换时频表示结果，其中t为时间变 量，f为频率变量，g。（t)为匹配解调变换的参数化窗函数，〇为尺度参数，i是虚数单位； S500 :提取转频周围的脊线：
式中，|CW)|沩时频表示的模，叫}为复数的实部，j为复数的虚部，f；为所述转 子系统的转频，fw为脊线搜索频宽，所述带宽参数fw的取值范围为10%f\~30%f^ S600 :利用瞬时频率的参数化模型逼近提取的脊线f(m+1) (t)，并辨识出模型参数，记 为：
式中I卜I|2为12范数； S800 :如果MSE彡S或者m+l<M，则迭代终止，此时得到的瞬时频率估计值，记为 否则，〇 (Q)- 2m〇 ((1)，〇 = 〇 ((1)，返回步骤S200执行S200~S800的迭代过程。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述计算所述瞬时频率估计值的震荡部 分的频谱包括下述步骤： S900 :获取所述瞬时频率估计值/(/)的震荡部分：
4. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤S600中所述逼近为采用非线性最小 二乘法。
5. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤SlOO之前通过安装振动传感装置 和转速传感装置来获得所述转子系统的振动信号和转速。
6. -种基于匹配解调变换的转子碰摩故障检测系统，其特征在于，所述系统包括匹配 解调算法模块、频谱分析模块、故障判断模块； 所述匹配解调算法模块利用转子系统的振动信号的瞬时频率的参数化模型，逼近所述 转子系统的转频的脊线，进而辨识所述参数化模型的参数，从而得到所述瞬时频率估计值， 并将所述瞬时频率估计值传送给频谱分析模块； 所述瞬时频率的参数化模型为：
式中，a^为瞬时频率平均值参数，K为瞬时频率震荡部分级数，ak、0k与《k分别为 第k级震荡部分的余弦系数、正弦系数与频率； 所述频谱分析模块接收和分析所述瞬时频率估计值，获取所述瞬时频率估计值的震荡 部分的最大谱峰，并将所述瞬时频率估计值的最大谱峰传给所述故障判断模块； 所述故障判断模块利用所述瞬时频率估计值的最大谱峰进行判断，若f；为所述转子系 统的转频，如果所述频谱的最大谱峰位于〇. 99f,~I.Olf,范围内且幅值超出所述转频的 2%，则可判定所述转子系统存在碰摩故障；否则，判定所述转子系统不存在碰摩故障。
7. 根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述匹配解调算法模块的具体处理过程 包括： PlOO:设定振动信号瞬时频率初始模型参数如下：
式中，f;为所述转子系统的转频； 同时，设定尺度参数O=Ow，迭代循环变量初始值HI= 0,迭代终止条件阈值S和 最大迭代次数M;所述尺度参数O的初始值O((|)应选取满足所述尺度参数O((|)与所述转 子系统的转速的乘积在4~12的范围内； P200 :根据瞬时频率的参数化模型及其参数，构造相位函数：
上面两式中，，〃⑴为，，)的一阶导数； P300 :计算双变量解调振动信号： Z^(TJ) =Z{T)-fdm){T)^：\Tj) 式中，z(t) =x(t)+iH{x(t)}为振动信号x(t)的解析信号，H{ ? }为希尔伯特变换算 子，具体表达式如下：
式中，SH?,/)为振动信号X(t)的第m次匹配解调变换时频表示结果，其中t为时间 变量，f为频率变量，g。（t)为匹配解调变换的参数化窗函数； P500 :提取转频周围的脊线：
式中，|5?%/)|为时频表示的模，叫}为复数的实部，3?为复数的虚部，fr为所述转子 系统的转频，fw为脊线搜索频宽，所述带宽参数fw的取值范围为10%L~30%f^ P600 :利用瞬时频率的参数化模型逼近提取的脊线f(m+1) (t)，并辨识出模型参数，记 为：
式中I卜I|2为12范数； P800 :如果MSE彡S或者m+l<M，则迭代终止，此时得到的瞬时频率估计值，记为 ./'(/) = /丨，"丨，!(/)； 否则，〇(Q)-2m〇 ((1)，〇 = 〇((1)，返回步骤P200执行P200~P800的迭代过程。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述频谱分析模块的处理过程如下： P900 :获取所述瞬时频率估计值/(/)的震荡部分：
式中，f+' ./(Od/为直流分量； J -CC P901 :对所述震荡部分进行傅里叶变换得到其频谱： ^(/) = 1^/(/)0i2T，，d/，
9. 根据权利要求7所述的系统，其特征在于，过程P600中所述逼近为采用非线性最小 二乘法。
10. 根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述系统还包括信号获取模块，所述信 号获取模块为通过安装的振动传感装置和转速传感装置来获得所述转子系统的振动信号 和转速。
【专利摘要】本发明公开了一种基于匹配解调变换的转子碰摩故障检测方法及系统，用于检测旋转机械中转子系统碰摩故障，所述方法使用匹配解调算法来获得所述瞬时频率估计值；计算所述瞬时频率估计值的震荡部分的频谱，若fr为所述转子系统的转频，如果所述频谱的最大谱峰位于0.99fr～1.01fr的范围内且幅值超出所述转频的2％，则可判定所述转子系统存在碰摩故障；否则，判定所述转子系统不存在碰摩故障。基于所述方法本发明提供了一种转子系统在线健康检测系统。本发明可以准确判断转子碰摩故障是否存在，结果快速可靠，简单易行。
【IPC分类】G01M13-00
【公开号】CN104713712
【申请号】CN201510040662
【发明人】陈雪峰, 王诗彬, 张兴武, 丁宝庆, 同超玮
【申请人】西安交通大学
【公开日】2015年6月17日
【申请日】2015年1月27日