CN101929917B - 一种旋转机械的故障诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种旋转机械的故障诊断方法，通过测取测振截面上互相垂直的两个通道的振动原始信号，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后，采用复FFT变换，进行主振矢a、副振矢b的计算，进而得出矢面积及矢振比的相关数值及其相对于各变量的图谱，用此矢面积表达单一频率下的测点振动强度大小和方向，用矢振比来表述矢椭圆的偏心率（离心率）的大小及椭圆的扁平程度和正反进动。本方法对旋转机械的稳态和瞬态故障诊断都具有良好的效果，利用矢面积谱图和矢振比相结合对故障进行判断，避免了单独使用矢面积时产生的误判现象，增强了诊断的准确性，提高了诊断的效率和精度。

Description

一种旋转机械的故障诊断方法

技术领域

本发明专利属于机械故障诊断领域，具体涉及旋转机械故障诊断与控制领域。

背景技术

旋转机械的检测一般采用同一截面相互垂直的两个探头来完成，但是由于转子的涡动特性，任一探头检测到的信息在谱量值和结构上均不能反映机组运行的实际状况，在很多情况下差异是很大的，会直接影响诊断结果，造成误判。为了能够客观地反映转子的振动状态，避免因此造成的误判，许多学者和研究人员作了大量的研究和应用工作，其中包括国内的全息谱分析技术、全矢谱分析技术以及国外的全谱分析技术，这些分析方法和技术在实际工程应用中取得了极大的成功，但也发现一些不足的地方，如图1-a～图1-c 所示依次为全息谱、全矢谱和全谱各分量随倍频程变化的关系图。全息谱分析技术是在各倍频下用椭圆来表示振动的状态，但由于在各谐波振幅相差较多时，直接采用椭圆来表示是难以完整表达的，所以其图谱分辨率低。全矢谱分析技术是在各倍频下用椭圆长半轴大小表示振动的强度，图谱分辨率高，但是难以区分长半轴相等而离心率不等时的振动状态。全谱分析技术是在各倍频下把轴心轨迹椭圆分解的两个正圆半径大小在正负频率轴上展现出来，通过比较二者同一谐波下正负频率轴上的幅值大小来判断进动方向，图谱分辨率高，但由于判断各频率下转子振动强度大小还需用同一谐波正负频率轴上的幅值相加来确定，故对强度的表达是间接进行的，很难给出整体强度结构的表象。

发明内容

本发明的目的在于提供一种旋转机械的故障诊断方法，可以弥补现有分析方法信息表示不全和分辨率不高的缺点，提高判断的准确性。

为实现上述目的，本发明提供的旋转机械的故障诊断方法的技术方案如下：一种旋转机械的稳态故障诊断方法，该方法的步骤如下：

（1）在转子截面布置两个互相垂直的位移传感器，采集转子振动信号：在垂直平面内，X传感器布置在水平方向上，Y传感器布置在竖直方向上，由X到Y的方向与转子转速方向一致，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，去掉不必要的干扰噪声信号；

（3）采用复FFT变换，进行主振矢 

、副振矢

计算；

（4）计算出矢椭圆的矢面积

和矢振比

：矢面积是含有进动方向的轴心轨迹矢椭圆的面积，以矢面积值的大小表达单一频率下的测点振动强度大小，矢面积值的正负表达转子的正反进动：即

的大小表示该频率下的振动强度状态；

时,转子为正进动，

时，转子为反进动; 用于表述X轴振动绝对值和Y轴振动绝对值融合前的大小关系，比较转子两个方向所受的激振力大小：

=1表示X轴和Y轴振动绝对值相等，=

表示X轴振动绝对值和Y轴振动绝对值相差无穷大；

（5）画出矢面积和矢振比相对于倍频或其它变量的关系图；

（6）在稳态故障诊断中，对矢面积、矢振比

及关系图进行分析：先看相同的故障特征频率下的变量特征，分析可能的故障类型，再根据相应的故障特征频率下矢振比的大小及轴向振动和振幅进行判别，共同结合确定故障的具体类型；在处理瞬态过程信息时，结合伯德图的表示方法，画出矢面积瞬时关系图，分析图谱中矢面积值最大处所对应的频率和转速值即为转子***的共振频率及临界转速值。

主振矢、副振矢、矢振比及矢面积的计算方法如下：

                                              （1）

式中，、

分别表示主振矢、副振矢，ε表示矢振比，

表示矢面积。

本发明专利具有以下功能和特点：

1.本方法借鉴了全息谱用椭圆描述的振动状态的优点，融合进了椭圆数值化；吸收了全矢谱中长半轴表示振动强度数值化的优点，融合进了不同离心率的振动特征；利用了全谱数值化描述两个正圆半径判断进动方向的优点，融合进了可区分振动状态的特征。

2.利用矢面积谱图和矢振比相结合对故障进行判断，避免了单独使用矢面积时产生的误判现象，增强了诊断的准确性。

3.相比于其他方法来说，由于矢面积本身所具有的特性，使本方法具有灵敏度高、稳定性好的特点。

附图说明

图1-a是全息谱的示意图；

图1-b是全矢谱的示意图；

图1-c是全谱的示意图；

图2-a是矢面积随主振矢变化的曲线图；

图2-b是矢面积随副振矢变化的曲线图；

图2-c是矢面积随倍频程变化的曲线图；

图3-a是稳态故障诊断中全矢谱方法主振矢随倍频程变化的曲线图；

图3-b是稳态故障诊断中全矢谱方法副振矢随倍频程变化的曲线图；

图3-c是稳态故障诊断中全矢谱方法相位角随倍频程变化的曲线图；

图4-a是稳态故障诊断中矢面积法矢面积随倍频程变化的曲线图；

图4-b是稳态故障诊断中矢面积法矢振比随倍频程变化的曲线图；

图5-a是瞬态故障诊断中X轴随转速变化的伯德图；

图5-b是瞬态故障诊断中Y轴随转速变化的伯德图；

图5-c是瞬态故障诊断中全矢伯德图；

图5-d是瞬态故障诊断中矢面积随转速变化的伯德图。

具体实施方式

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。

本发明中是在对现有全息谱、全矢谱、全谱分析技术的基础上，***分析了各参数与转子***参数、激振力参数的关系，并吸收现有旋转机械故障诊断分析方法的优点，提出了用于旋转机械故障诊断的一种新方法——矢面积法，即在各倍频下用含进动方向的转子轴心运动轨迹椭圆的面积来表示振动状态，与矢振比先后结合应用于实际诊断中，结果表明它具有独特的诊断效果，是一种有效的故障诊断分析新方法，是对全矢谱分析方法的创新和补充。

基于转子动力学理论，在各个响应频率下，转子的轴心运动轨迹是一个椭圆。矢量振动信号是描述转子空间振动的一组动态信号，简称矢量信号；矢椭圆是含有进动方向的矢量信号描绘的轴心轨迹椭圆；把含有进动方向的轴心轨迹矢椭圆的面积称之为矢面积，代数式本身含有矢量意义，正负代表正反进动，数值是椭圆的面积值。

使用矢面积法进行故障诊断时，首先要布置好传感器采集信号，具体操作如下：在转子截面布置两个互相垂直的位移传感器，采集转子振动信号。在垂直平面内，X传感器布置在水平方向上，Y传感器布置在竖直方向上，由X到Y的方向与转子转速方向一致，采用等转速信号采集并用键相信号进行同步整周期采样。

根据全矢谱技术，对采集到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后，采用复FFT变换，进行主振矢a、副振矢b的计算：

                                         （1）

在根据全矢谱技术求出的主振矢和副振矢的基础之上，用矢椭圆面积表述振动状态特征：

即

的大小表示该频率下的振动强度状态。

时,转子为正进动，

时，转子为反进动。

矢振比，可结合公式（1）计算，得到如下结果：

大小代表轨迹椭圆偏心率、离心率的大小和椭圆的扁平程度，越大，离心率越大(椭圆越扁)，

的正负代表正反进动：

为正表示转子正进动，

为负表示转子反进动。

可用于了解X轴振动绝对值和Y轴振动绝对值融合前的大小关系，比较转子两个方向所受的激振力大小。可以证明，若X轴和Y轴振动绝对值相等，则矢振比

等于1；若X轴和Y轴振动绝对值不等，则矢振比

大于1；若X轴振动绝对值远远大于Y轴振动绝对值（或X轴振动绝对值远远小于Y轴振动绝对值），则矢振比

趋于无穷大。

矢振比可以弥补新方法产生误判的缺陷。如在短轴远远小于长轴时，新方法绘制的矢面积值在图谱中出现零值，会产生误判现象，但是结合矢振比，则可成功判别：因为此时矢振比绝对值在图谱中出现无穷大，该频率下转子轴心振动形状近似为一直线，即相位差为整数倍，此种情况下对应一种特定的故障模式，如联轴器不对中。

如图2(a～c)所示为本发明新方法的矢面积随不同参数所绘制的曲线图，对比图1，我们可以清晰比较得出矢面积法与全息谱、全矢谱和全谱法相比所具有的优势如下：

（1）借鉴了全息谱用椭圆描述的振动状态的优点，融合进了椭圆数值化的优点；

（2）借鉴了全矢谱中长半轴表示振动强度数值化的优点，融合进了不同离心率的振动特征；

（3）借鉴了全谱数值化描述两个正圆半径判断进动方向的优点，融合进了可区分振动状态的特征；

（4）本方法与以往诊断方法相比，在旋转机械故障诊断及控制方面具有灵敏度高，且稳定的突出特点。

本发明的新方法既可以应用在旋转机械的稳态故障诊断中，同时在处理旋转机械的瞬态过程信息时，同样也表现出优秀的特性，下面就本方法分别在稳态故障诊断中的不平衡故障诊断和瞬态故障诊断中的应用为例详细说明本方法的实现过程。

某公司一台双吸离心式引风机，自1993年投入运行以来，风机平台振动强烈，严重影响***的正常生产。虽经多次测试和维修，但收效甚微。用全矢谱技术分析，如图3(a～c)所示，发现1倍频处振动强度大。根据故障特征频率1倍频下振动强度大，判断此故障可能是基础共振或不平衡所致，无法具体判别是何种故障。用本文方法对现场数据进行分析，如图4(a)所示,发现1倍频下面积值大，Y垂直径向振动大于X水平轴和Z轴两个方向上的振动，这些特征都与基础共振或不平衡引起的故障现象相似。

假设是基础共振引起的振动，那么基础的固有频率略低于风机的工作频率或者二者非常接近，将会产生某一个方向过大的振动。但是通过本文方法诊断分析得知1倍频下

近似为1，如图4(b)所示，由之前分析可知，

=1表示X轴和Y轴振动绝对值相等，这说明实际故障中并没有在某一方向存在过大振动，故排除故障是由基础共振引起的。

假设是不平衡造成的振动，虽然各点的振动存在相位差，但是垂直径向和水平径向振动都比较大（即

较小），和用本文方法分析的1倍频下

近似为1相符合，可能为此故障发生原因。经拆除进行平衡试验发现故障正是由转子不平衡所致。

矢面积法图谱与其他方法单通道分析法、双通道分析法（如全息谱、全谱、全矢谱等）相比，故障特征频率更明显、单一或故障特征频率下的矢面积值更大且单一。通过深入研究故障机理，并经过大量的试验，用本发明新方法进一步总结出工频故障特征下不同的矢振比特征。在相同的故障特征频率下，结合矢振比能有效地区分不同的故障，可应用到实际诊断中，提高诊断的准确性。

表1 通过矢面积法总结的工频故障征兆

	特征频率	|矢振比|	轴向振动	轴心轨迹	振幅随转速变化
						不平衡	1X	接近1	较小	接近圆	变化不大
基础松动	1X	较大		椭圆较扁	可能减小
						转子弯曲	1X	接近1	较大	接近圆	升速中振幅会降到最小值
动静摩擦	1X，伴高次谐波	较大		有“尖角”	变化不大

在上表中，轴向振动是三维空间中除水平方向和垂直方向（这两个方向信息融合）外，单独另一个通道轴向值拿出来进行协助分析的特征量。轴心轨迹是双通道融合后的轨迹图形，即矢面积的计算图形，矢面积值的大小正是各个频率下轴心轨迹图形面积值的大小；而振幅随转速变化中的“振幅”在这里指的是矢面积的大小，此处指固有频率下，矢面积值随转速的变化。

在起停过程中，转子经历了各种转速，其振动信号是转子***对转速变化的响应，是转子动态特性和故障征兆外在反映，包含了平时难以获得的丰富信息，因此，起停过程分析是转子监测的一项重要工作。和全矢谱技术一样，矢面积法在处理旋转机械瞬态过程信息时，同样也表现出优秀的特性——能精确找到转子***的共振频率及临界转速值，它是借助伯德图的表示方法，从而精确判断转子***的临界转速，指导设置机器的工作转速避开临界转速，以免机器发生共振。

如图5(a～d)所示依次为X轴绘制的伯德图、Y轴绘制的伯德图、全矢伯德图和矢面积法绘制的伯德图，矢面积法绘制的伯德图是将各转速下的转子轴心运动轨迹面积值绘制在直角坐标系上的曲线图。

如图5-a所示，在3150r/s转速下的振动最大为110

，而在图5-c中可以得到，3250r/s转速下的振动最大为148

。由此可见，此传统单通道分析法随X、Y通道的选择而发生变化，无法具体确定该设备的临界转速值大小。由全矢伯德图5-c可以分析3200r/s下的振动最大，而用矢面积法绘制的伯德图5-d同样可以精确直观分析出3200r/s下的振动最大，且较全矢伯德图更加清晰直观。该图纵坐标表示的不是转子在升车过程中不同转速下某一通道的振值，而是转子轴心运动轨迹的面积值，从而使升车过程的瞬态信号特征表现特别明显，而且这种显著表现不会像传统分析一样随通道变化而改变。

Claims (2)

1.一种旋转机械的稳态故障诊断方法，其特征在于：该方法的步骤如下：

(1)在转子截面布置两个互相垂直的位移传感器，采集转子振动信号：在垂直平面内，X传感器布置在水平方向上，Y传感器布置在竖直方向上，由X到Y的方向与转子转速方向一致，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，去掉不必要的干扰噪声信号；

(3)采用复FFT变换，进行主振矢a、副振矢b计算；

(4)计算出矢椭圆的矢面积S(k)和矢振比ε：矢面积是含有进动方向的轴心轨迹矢椭圆的面积，以矢面积值的大小表达单一频率下的测点振动强度大小，矢面积值的正负表达转子的正反进动：即|S(k)|的大小表示该频率下的振动强度状态；S(k)＞0时，转子为正进动，S(k)＜0时，转子为反进动；ε用于表述X轴振动绝对值和Y轴振动绝对值融合前的大小关系，比较转子两个方向所受的激振力大小：|ε|＝1表示X轴和Y轴振动绝对值相等，|ε|＝∝表示X轴振动绝对值和Y轴振动绝对值相差无穷大；

(5)画出矢面积和矢振比相对于倍频或其它变量的关系图；

(6)在稳态故障诊断中，对矢面积S(k)、矢振比ε及关系图进行分析：先看相同的故障特征频率下的振动强度，即矢面积值，分析可能的故障类型，再根据相应的故障特征频率下矢振比的大小及及轴心轨迹、轴向振动和振幅变化率进行判别，共同结合确定故障的具体类型；在处理瞬态过程信息时，结合伯德图的表示方法，画出矢面积瞬时关系图，分析图谱中矢面积值最大处所对应的频率和转速值即为转子***的共振频率及临界转速值。

2.根据权利要求1所述的旋转机械的故障诊断方法，其特征在于：主振矢、副振矢、矢振比及矢面积的计算方法如下：

$\left\{\begin{array}{c}a=\frac{1}{2}\left[\right|Z\left(k\right)|+|Z(N-k)\left|\right]\\ b=\frac{1}{2}\left[\right|Z\left(k\right)|-|Z(N-k)\left|\right]\end{array}\right.---\left(1\right)$

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\ϵ}=\frac{a}{b}=\frac{\left|Z\left(k\right)\right|+\left|Z(N-k)\right|}{\left|Z\left(k\right)\right|-\left|Z(N-k)\right|}\\ S\left(k\right)=\mathrm{\πab}=\mathrm{\π}\·\frac{1}{2}\left[\right|Z\left(k\right)|+|Z(N-k)\left|\right]\·\frac{1}{2}\left[\right|Z\left(k\right)|-|Z(N-k)\left|\right]=\frac{1}{4}\\ (k=\mathrm{0,1,2},...,N/2-1)\end{array},\mathrm{\π}[{\left|Z\left(k\right)\right|}^2-{\left|Z(N-k)\right|}^2]\right.---\left(2\right)$

式中，a、b分别表示主振矢、副振矢，ε表示矢振比，S(k)表示矢面积。

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