CN102322942B

CN102322942B - 旋转机械振动信号矢椭谱分析方法

Info

Publication number: CN102322942B
Application number: CN 201110268782
Authority: CN
Inventors: 杨彦利; 伉大俪
Original assignee: DALIAN SHENGLILAI MONITORING TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: DALIAN SHENGLILAI MONITORING TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2011-09-13
Filing date: 2011-09-13
Publication date: 2013-07-31
Anticipated expiration: 2031-09-13
Also published as: CN102322942A

Abstract

本发明公开了旋转机械振动信号矢椭谱分析方法，属于旋转机械振动信号分析领域。该方法对从安装在转子同一截面上两个相互垂直方向采集的振动信号进行融合分析，利用一次快速Fourier变换求得描述转子椭圆形运动轨迹的多个参数，包括主振矢、副振矢、振矢角、离心率、振矢比、椭圆面积、转子椭圆形运动的回转能量等。本发明的矢椭谱分析方法不仅融合了全谱、全息谱和矢谱所表达的信息，而且可以给出指定频率成分的滤波轴心轨迹，从而更简洁、贴切地描述了转子椭圆形运动规律。

Description

旋转机械振动信号矢椭谱分析方法

技术领域

本发明涉及一种旋转机械振动信号的谱分析方法，属于旋转机械振动信号分析领域。

背景技术

通过振动分析来监测旋转机械的状态，通常需要在一个截面上布置两个相互垂直的传感器来测取振动信号。频谱分析是振动分析中应用最为广泛的方法之一。传统的Fourier方法只针对单个传感器探头的数据进行分析，不能给出转子振动的全貌。

针对单一探头数据频谱分析的不足，发展了利用两个探头信号的同源信息融合分析技术，其中比较有影响的是：全谱(full spectrum)、全息谱(holospectrum)和矢谱(vector spectrum，又称全矢谱)。三种方法都可以用来判断转子在某一频率下的进动方向，全谱分析技术利用正负进动分量的大小关系、矢谱分析技术通过副振矢的正负进行判断，而全息谱则直接给出某些特征频率下椭圆轨迹的运动方向。

全谱、全息谱和矢谱都建立在对信号进行Fourier变换的基础之上。全谱和全息谱需要对两个传感器探头的数据信号分别进行Fourier变换，而矢谱则对两个探头数据进行联合处理，只需要一次Fourier变换。全谱、矢谱、全息谱都是对转子椭圆形运动规律的一种描述，只不过是描述的角度不同而已。全谱展示的是形成椭圆的两个圆运动分量，矢谱展示的是椭圆几何外形参数，全息谱展示的是某些特征频率的椭圆形状。

发明内容

本发明的目的是为解决现有谱分析方法不能全面描述转子椭圆形运动规律的缺点，提供一种旋转机械振动信号矢椭谱分析方法，利用一次快速Fourier变换(FFT)实现转子椭圆形运动规律的全面描述。

本发明的旋转机械振动信号矢椭谱分析方法，具体包括如下步骤：

步骤1，利用布置在转子同一截面上相互垂直的两个传感器探头X和Y测取转子的振动信号，对振动信号进行离散化处理，得到长度为N的离散信号，分别记为x(n)和y(n)；

步骤2，利用信号x(n)和y(n)，构造长度为N的离散复数信号z(n)＝x(n)+jy(n)，其中j表示虚数单位；

步骤3，对步骤2的复数信号z(n)进行快速Fourier变换(FFT)处理，得到系数c_n＝c_R，n+jc_I，n，n＝0，1，2，…，N-1；

步骤4，在步骤3的基础上，利用系数c_n计算转子椭圆形运动轨迹的参数、以及指定频率成分的滤波轴心轨迹；

步骤5，在步骤4的基础上，将转子椭圆形运动轨迹的参数图形化显示，并绘制指定频率成分的滤波轴心轨迹。

有益效果

本发明的矢椭谱分析方法对转子的同源振动信号进行融合分析，只需要一次FFT处理即可得到描述转子椭圆形运动轨迹的多个参数，可全面描述转子的椭圆形运动规律。本发明的矢椭谱分析方法不仅融合了全谱、全息谱和矢谱所表达的信息，而且可以给出指定频率成分的滤波轴心轨迹，从而更简洁、贴切地描述了转子椭圆形运动规律。

附图说明

图1为本发明的旋转机械振动信号矢椭谱分析方法的流程图；

图2为本发明的具体实施方式中实际信号及其频谱；

图3为本发明的具体实施方式中实际信号的矢椭谱。

具体实施方式

为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

旋转机械振动信号矢椭谱分析方法，其总体技术方案如图1所示，具体包括如下步骤：

所述的转子椭圆形运动轨迹的参数，必须计算的参数包括：主振矢、副振矢、振矢角、离心率，可选择计算的参数有：振矢比、椭圆面积、转子椭圆形运动的回转能量；

所述的转子椭圆形运动轨迹的参数，其计算公式为：

主振矢R_a，n＝|c_R，n+jc_I，n|+|c_R，N-1-n+jc_I，N-1-n|，

副振矢R_b，n＝|c_R，n+jc_I，n|-|c_R，N-1-n+jc_I，N-1-n|，

振矢角

其中φ_n＝[arg(c_R，n+jc_I，n)+arg(c_R，N-1-n+jc_I，N-1-n)]/2，

离心率

e_{n} = \sqrt{1 - {(| R_{b, n} | / | R_{a, n} |)}^{2}},

振矢比r_n＝R_b，n/R_a，n，

椭圆面积s_n＝π|R_b，n||R_a，n|，

转子椭圆形运动的回转能量

E_{n} = R_{b, n}^{2} + R_{a, n}^{2},

上述各参数计算式中n的取值为n＝0，1，2，…，N/2-1；

所述的指定频率成分的滤波轴心轨迹的计算公式为

z_{n} (t_{i}) = c_{n} e^{j \frac{2 πn}{N} t_{i}} + c_{N - 1 - n} e^{- j \frac{2 πn}{N} t_{i}}

其中t₁表示离散时间点。

所述的转子椭圆形运动轨迹的参数图形化显示，主振矢和副振矢必须用图形显示，其它参数可以用图形形式显示，也可以用数字的形式显示。

实施例

以某型号压缩机实际振动信号为例来进行说明。X、Y探头所测取的离散信号及其频谱如图2所示，其中子图(a)和(c)分别是X、Y探头测取的信号，子图(b)和(d)分别是X、Y探头所测取信号的频谱。由图2信号的频谱图上可以看到信号的主频及谐频成分，但不能给出转子在各个频率成分的进动情况。

将X、Y探头信号融合后构造复数信号，进行FFT处理后，得到的矢椭谱如图3所示。图3(a)的右半轴为主振矢、左半周轴为副振矢，图3(b)是倍频程矢椭谱，其中BW表示反进动、FW表示正进动。图3的矢椭谱不仅可以直观观察在某一频率成分下转子椭圆形运动的长短轴大小，而且给出了转子在某一频率成分下的进动方向，比如，对于74.2Hz、146.5Hz、289.1Hz的进动方向为反进动，而216.8Hz和361.3Hz的进动方向为正进动，还可以通过图3(a)中副振矢的正负来判断进动方向，当副振矢取正值时，进动方向为正进动，当副振矢取负值时，进动方向为反进动。

图3所示的矢椭谱，不仅能够显示转子在某一频率成分下的进动方向，还显示了指定频率成分的椭圆形状，由此可知，对于旋转机械振动信号的分析，矢椭谱的表现形式更简洁、贴切。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.旋转机械振动信号矢椭谱分析方法，其特征在于：具体包括如下步骤：

步骤3，对步骤2的复数信号z(n)进行快速Fourier变换(FFT)处理，得到系数c_n＝c_R，n+jc_I,n,n＝0，1，2，…N-1；

所述的转子椭圆形运动轨迹的参数，其计算公式为：

主振矢R_a,n＝|c_R,n+jc_I,n|+|c_R,N-1-n+jc_I，N-1-n|，

副振矢R_b,n＝|c_R,n+jc_I，n|-|c_R，N-1-n+jc_I，N-1-n|,

振矢角

其中φn＝[arg(c_R，n+jc_I，n)+arg(c_R，N-1-n+jc_I，N-1-n)]/2，

离心率

振矢比r_n＝R_b,n/R_a，n，

椭圆面积s_n＝π|R_b,n||R_a,n|,

转子椭圆形运动的回转能量

上述各参数计算式中n的取值为n＝0，1，2，…，N/2-1，

所述的指定频率成分的滤波轴心轨迹，其计算公式为

其中t_i表示离散时间点；

2.根据权利要求1所述的旋转机械振动信号矢椭谱分析方法，其特征在于：所述的步骤5中转子椭圆形运动轨迹的参数图形化显示，主振矢和副振矢必须用图形显示，而且主振矢和副振矢在一个子图上显示，右半轴为主振矢、左半周轴为副振矢，其它参数用图形形式显示，或者用数字的形式显示。