CN101526431A - 一种用于起停车过程轴振分析的幅值频谱阵列瀑布图 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于设备起停车过程轴振分析的幅值频谱阵列瀑布图，其制作方法由三个步骤组成：(1)读取起车或停车过程中的各转速下的一对转轴振动位移信号序列-x和y信号序列；(2)对每一转速下的一对x和y信号序列求一个合成的幅值频谱；(3)将求得的各转速下的合成的幅值频谱，按升速或降速次序排列成一个阵列图，即为制作的幅值频谱阵列瀑布图。该方法制作的瀑布图，其图上的任一幅值能代表相应轴振分量在支承截面内的真正振幅；瀑布图的形状只与起停车过程本身有关，与传感器安装方位无关，便于认识机器状态的特征。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于起停车过程轴振分析的幅值频谱阵列瀑布图。
以滑动轴承为转子支承件的大型旋转机械，如大型电机、离心式压缩机等，这些设备状态的分析评估，所依靠的一个重要工具是——设备起停车过程中转轴振动位移信号的幅值频谱阵列瀑布图(Waterfall Diagram)。瀑布图是一种形象的说法，幅值频谱阵列瀑布图实际是将来自起车或停车过程中各转速下的位移信号的幅值频谱按次序排列而形成的一个阵列图。
通常，在旋转机械转轴的一个支承截面位置，安装两个互相垂直的指向转轴中心的振动位移传感器，称为X传感器和Y传感器，以获取该截面上的转轴振动位移信号，例图见附图2和附图3；所谓X传感器指，从观察转子为逆时针旋向的一端看过去，转子表面上与附图中水平指向相交的质点，逆时针首先转过的那个传感器即为X传感器。不妨，将从该截面X传感器和Y传感器同步采集的两方向振动位移信号序列，分别称为x信号序列和y信号序列，以下有时简称x信号和y信号。
有了起停车过程中每个转速下同步采集的x和y信号序列，就可以将它们按一定的方式变换到频域、获取幅值频谱，然后按升速或降速次序将各转速下的幅值频谱排成阵列图，即为幅值频谱阵列瀑布图。这样的瀑布图信息丰富，能直观地显示起停车过程中转轴振动频率分量的幅值变化，能方便地使用户从中获得机器的临界转速和此转速下轴振各频率分量的振幅，对评价机器设备的状态有重要的作用。
背景技术
目前，瀑布图的获取方法是：只拿出起车或停车过程中某一个方向的各转速下的位移信号序列，或者全是x信号序列，或者全是y信号序列；然后，对每一转速下的信号序列做傅立叶变换，求其傅立叶级数和相应的幅值频谱；最后，按升速或降速次序排列各转速下的幅值频谱，形成一个阵列图，即称为幅值频谱阵列瀑布图。这样的瀑布图，可根据所使用的序列，分别称为x瀑布图或y瀑布图。
文献《机械故障的全息诊断原理》(屈梁生著，科学出版社，2007年7月)中介绍了一种全息瀑布图，这种瀑布图不是一般意义上的瀑布图，它不是一个幅值频谱阵列图，没有“瀑布”的形状。它与本发明不属于同一个最近的上位概念。
发明内容
要解决的技术问题。目前的起停车过程幅值频谱阵列瀑布图的制作方法的缺点是：(1)一个瀑布图，只由一个方向的信号做出，只能反映一个方向上的转轴振动随转速的变化；(2)相应地，瀑布图上的任一幅值不能反映所在转速下的轴振对应频率分量在整个支承截面的真正振幅，即径向振幅；(3)两互相垂直的传感器在截面上的安装方位有变化(如由附图2变为附图3)时，即使相同的起停车过程状态，瀑布图也会表现出差异，这不便于建立瀑布图与机器状态间的关系。
技术方案。
提出的一种用于起停车过程轴振分析的幅值频谱阵列瀑布图的制作方法，由三个步骤组成：(1)读取起车或停车过程中采集的各转速下的一对转轴振动位移信号序列——x和y信号序列；(2)对每一转速下的一对x和y信号序列求一个合成的幅值频谱；(3)将求得的不同转速下的合成的幅值频谱按升速或降速次序排列成一个阵列图，即为制作的幅值频谱阵列瀑布图。
提出的方法与现有方法的区别是：以上第(1)步读取数据时读取的是来自两个方向的x和y信号序列对，而不是来自单纯一个方向的信号序列数据；以上第(2)步的每一转速下的幅值频谱由该转速下的一对x和y信号序列共同决定，不是单方向信号的幅值频谱，是基于两方向序列合成的幅值频谱；以上第(3)步中，排列的对象是两方向序列合成的幅值频谱。
以上瀑布图制作方法中的每一转速下的合成幅值频谱，它的制作由这样的步骤组成：(1)分别对该转速下的一对x和y信号序列进行快速离散傅立叶变换；(2)基于快速傅立叶变换的结果求取各自的傅立叶级数；(3)从获取的x和y信号序列的傅立叶级数，将每个频率下的来自x信号的正弦波谐波分量和来自y信号的正弦波谐波分量合成，得到一个椭圆，又称为李萨育图形，它的物理含义是支承截面内该频率轴振分量的轴心轨迹图形，如附图5所示；(4)计算各频率下两方向分量合成椭圆的长半轴的大小，即各频率下截面上轴振幅值的大小；(5)以频率或其阶次为横轴，以轴振幅值为纵轴，绘制幅值频谱，即为合成的幅值频谱，如附图6所示，频率阶次指频率值除以某一参考频率而获得的相对频率值，无量纲。合成幅值频谱制作的流程见附图4所示。
设某一转速下一对x信号序列和y信号序列进行傅立叶级数分解得到的ωi(即2πfi)频率分量分别为：
则此两分量合成的轴心轨迹椭圆长半轴计算如下：
令
此ωit下的oi 2(t)则为椭圆长半轴或短半轴的平方，再计算转过90度后的椭圆的半径的平方，即
和
对应的oi(t)的平方，通过比较，可最终确定该椭圆的长半轴，即该分量轴振幅值大小。
本发明一种用于起停车过程轴振分析的幅值频谱阵列瀑布图的制作方法，其所基于的规律是：一个周期性信号，可以进行傅立叶级数分解，分解为若干个单频率谐波分量；机械转轴(或者说其轴心)在支承截面内的振动，是周期性振动，可以分解为一组单频率轴振分量或者说转动分量；单频率轴振分量，在支承截面内的振动轨迹为一个椭圆，椭圆的长半轴的长度就是该振动分量在整个支承截面内的振幅，或者说径向振幅；用x和y信号序列的同频率单频谐波分量合成的椭圆，就是该频率轴振分量的轨迹。
有益效果。
本发明所产生的瀑布图由两个方向的转轴振动信号共同做出，集成了两个方向的振动信息。由于瀑布图上每一转速下的幅值频谱是一个合成幅值频谱，因此，其任一幅值代表了相应频率轴振分量在支承截面上的真正振幅值(径向振幅值)，而不是分量在某一传感器方向上的振动幅值。同时，由于采用合成幅值频谱，瀑布图不受两互相垂直传感器在支承截面上安装方位变化的影响，便于建立机器起停车过程的状态与瀑布图的关系。
附图说明
附图1，本发明幅值频谱阵列瀑布图制作方法的步骤。
附图2，一截面X、Y位移传感器安装方位示意图1。
附图3，一截面X、Y位移传感器安装方位示意图2。
附图4，一对x和y信号序列制作合成幅值频谱的流程图。
附图5，一对x和y信号序列之单频率谐波分量合成的椭圆示意图。
附图6，基于一对x和y两信号序列合成的幅值频谱的示意图。
附图7，一起车过程数据用本发明制作的幅值频谱阵列瀑布图
附图8，一起车过程数据用传统方法制作的x方向幅值频谱阵列瀑布图
附图9，一起车过程数据用传统方法制作的y方向幅值频谱阵列瀑布图
具体实施方式
(实施例)
同步实测一机组起车过程中转轴在不同转速下的x和y振动位移信号序列，X、Y两传感器的布置方位如附图3所示。同步采集的x信号和y信号序列，采样率均为2kHz，采样点数均为N＝1024点。具体实施方式如下：
(1)读取起车过程中各转速下的x信号和y信号序列对，采样率2kHz，采样点数N＝1024点。
(2)对各转速下的一对x信号和y信号序列，分别进行快速离散傅立叶变换(FFT)，所得结果为1024点复序列。
(3)基于x、y两信号快速傅立叶变换结果，求取各自的傅立叶级数，获取由小到大共N/2＝512个谐波分量的参数。
(4)从获取的两傅立叶级数中，将每个频率下的来自x信号的正弦波谐波分量和来自y信号的正弦波谐波分量合成，得到一个轴心轨迹椭圆，又称为李萨育图形，如附图5所示；共获得512个椭圆。
(5)计算各频率下所合成椭圆的长半轴的大小，即各频率下截面上的轴振幅值的大小；共512个幅值。
(6)以频率或其阶次为横轴，以轴振幅值为纵轴，绘制合成的轴振幅值频谱，如附图6所示。
(7)将对应不同转速的合成的幅值频谱按次序排列，则形成基于本发明的幅值频谱阵列瀑布图，如附图7所示。附图7中的最大振幅309.325和对应转速2273.17分别指瀑布图上的最大振幅和对应的一阶临界转速。附图8中的最大振幅177.463和对应转速2273.17，还有附图9中的最大振幅300.357和对应转速2273.17，也是同样的含义。附图7中的最大振幅大于附图8和附图9中的最大幅值，是因为它是轴振分量在整个截面上的振幅，而附图8和附图9分别只是x、y单方向的振幅。
另外，将传感器若按附图2方式布置，会发现，传统的x瀑布图和y瀑布图会发生变化，而本发明方法制作的瀑布图不变，不受影响。
Claims (2)
1、一种用于起停车过程轴振分析的幅值频谱阵列瀑布图的制作方法，其特征是，由三个步骤组成：(1)读取起车或停车过程中的各转速下的一对转轴振动位移信号序列——x和y信号序列；(2)对每一转速下的一对x和y信号序列求一个合成的幅值频谱；(3)将求得的不同转速下的合成的幅值频谱，按升速或降速次序排列成一个阵列图，即为制作的幅值频谱阵列瀑布图。
2、根据权利要求1中所述的幅值频谱阵列瀑布图的制作方法，其特征在于，每一转速下的合成幅值频谱的制作方法由下列步骤组成：(1)分别对该转速下的一对x和y信号序列进行快速离散傅立叶变换；(2)基于快速傅立叶变换的结果求取各自的傅立叶级数；(3)从获取的x和y信号序列的傅立叶级数，将每个频率下的来自x信号的正弦波谐波分量和来自y信号的正弦波谐波分量合成，得到一个椭圆，又称为李萨育图形，它的物理含义是支承截面内该频率轴振分量的轴心轨迹图形；(4)计算各频率下两方向分量所合成椭圆的长半轴的大小，即各频率下截面上轴振幅值的大小；(5)以频率或其阶次为横轴，以轴振幅值为纵轴，绘制幅值频谱，即为合成的幅值频谱，频率阶次指频率值除以某一参考频率而获得的相对频率值，无量纲。
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