CN104677619B - 基于复信号双边谱的旋转机械故障特征提取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于复信号双边谱的旋转机械故障特征提取方法，包括以下步骤：采集转子外表面同一截面水平方向上的水平振动信号和垂直方向上的垂直振动信号；将所述水平振动信号与所述垂直振动信号合成复信号；对所述复信号进行快速傅里叶变换得到复信号双边谱；根据所述复信号双边谱得到轴心轨迹故障特征参数，本方法使故障特征更全面更直观地体现，提高了故障诊断的准确性，同时又能提高运算速度。

Description

基于复信号双边谱的旋转机械故障特征提取方法

技术领域

本发明涉及机械设备故障诊断领域领域，具体是一种基于复信号双边谱的旋转机械故障特征提取方法。

背景技术

国内外对大型旋转机械比较广泛应用的传统监测方法是FFT幅值谱、轴心轨迹、瀑布图、趋势图等。这些方法的主要缺点是：分析结果不直观，幅值谱和相位谱分离；相位谱误差太大；转子的垂直和水平两个方向的振动信号孤立的考虑，造成相位信息没有充分利用，分析结果不直观。为此，1989年西安交大屈梁生教授提出了一种全息谱方法，将水平和垂直两个方向的振动信号分别进行FFT变换，然后提取两个方向主要频率处的幅值谱和相位谱进行复合处理，得到各频率分量处的振动轨迹，再将这些轨迹按频率顺序放在一张谱图上，就形成了二维全息谱，根据轨迹的偏心率来诊断故障。其缺点是由于振动轨迹所占谱图空间太大，造成频率分辨率不高。1993年美国Bently公司提出了一种全谱方法，其过程是先将水平和垂直方向的振动信号做FFT变换，然后导出水平和垂直方向的正反进动圆的分量，再合成水平方向和垂直方向的正反进动圆分量，得到正反进动圆半径，并将正反进动圆半径分别在频率轴的主要正负频率处标出，根据频率相等的正负频率处的正反进动圆半径大小来判断进动方向。这种方法曾经在国内流行过，但其不足之处仍然是没有直观的反映相位信息，也即单凭正反进动圆半径无法生成振动轨迹，因为没有相位信息就无法获得振动轨迹的主矢角。1998年郑州大学韩捷教授提出了全矢谱方法，该方法似乎是为了避免全息谱和全谱方法的不足，其过程是先将水平和垂直两个方向的振动信号合成为一个复信号，对复信号进行FFT变换，再将从复信号的幅值谱和相位谱中提取水平和垂直两个方向的单边谱，合成主振矢和副振矢以及振矢角，根据主振矢和副振矢的相对大小来判断进动方向，也可以合成轴心轨迹。这种方法既避免了全息谱的分辨率不足的问题，也避免了全谱不能显示相位信息的缺陷，似乎很完美。但是其缺点是仍然只利用了单边谱，忽略了“负频率”谱信息所代表的真正物理意义。由此看来，全谱、全息谱、全矢谱均只利用了单边谱的正频率信息，且过程繁琐，不直观。

因此，为解决以上问题，需要一种充分利用了“负频率”代表的物理意义，使故障特征更全面更直观地体现，提高了故障诊断的准确性，同时只进行一次FFT运算，加快了运算速度的基于复信号双边谱的旋转机械故障特征提取方法。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是克服现有技术中的缺陷，提供一种使故障特征更全面更直观地体现，提高了故障诊断的准确性，同时又能提高运算速度的基于复信号双边谱的旋转机械故障特征提取方法。

本发明的基于复信号双边谱的旋转机械故障特征提取方法，包括以下步骤：

采集转子外表面同一截面水平方向上的水平振动信号和垂直方向上的垂直振动信号；将所述水平振动信号与所述垂直振动信号合成复信号；对所述复信号进行快速傅里叶变换得到复信号双边谱；根据所述复信号双边谱得到故障特征参数；

进一步，所述水平振动信号与垂直振动信号分别通过布置在转子同一截面上相互垂直的传感器探头X和传感器探头Y测取；

进一步，对所述水平振动信号和垂直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)；所述复信号记为z(n)且z(n)＝x(n)+jy(n)，其中j为虚数单位；

进一步，所述复信号双边谱包括双边幅值谱和双边相位谱；

进一步，将所述双边幅值谱和双边相位谱融合生成轴心轨迹；

进一步，将所述轴心轨迹处理生成故障特征参数。

本发明的有益效果是：本发明的基于复信号双边谱的旋转机械故障特征提取方法，通过对复信号进行快速傅里叶变换得到复信号双边谱，该复信号双边谱为同时包括“正频率“和“负频率”的双边谱(包括幅值谱和相位谱)，经过数学推导，正频率处幅值对应转子正进动圆半径，负频率处幅值对应转子反进动圆半径，融合幅值谱和相位谱的信息就可以生成各主要频率处的轴心轨迹，并可进一步生成全谱、全息谱、全矢谱。复信号双边谱结果和全谱、全息谱、全矢谱完全等价，且该方法只需进行一次FFT变换，提高了计算速度，而全谱、全息谱、全矢谱却要对水平和垂直方向振动信号分别进行FFT变换，过程繁琐，速度慢，而本发明充分利用了“负频率”代表的物理意义，使故障特征更全面更直观地体现，提高了故障诊断的准确性，同时只进行一次FFT运算，加快了运算速度。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明的基于复信号双边谱的旋转机械故障特征提取方法的流程图。

具体实施方式

图1为本发明的结构示意图；如图所示，本发明的基于复信号双边谱的旋转机械故障特征提取方法，包括以下步骤：

采集转子外表面同一截面水平方向上的水平振动信号和垂直方向上的垂直振动信号；将所述水平振动信号与所述垂直振动信号合成复信号；对所述复信号进行快速傅里叶变换得到复信号双边谱；根据所述复信号双边谱得到故障特征参数，通过对复信号进行快速傅里叶变换得到复信号双边谱，该复信号双边谱为同时包括“正频率“和“负频率”的双边谱(包括幅值谱和相位谱)，经过数学推导，正频率处幅值对应转子正进动圆半径，负频率处幅值对应转子反进动圆半径，融合幅值谱和相位谱的信息就可以生成各主要频率处的轴心轨迹，并可进一步生成全谱、全息谱、全矢谱。复信号双边谱结果和全谱、全息谱、全矢谱完全等价，且该方法只需进行一次FFT变换，提高了计算速度，而全谱、全息谱、全矢谱却要对水平和垂直方向振动信号分别进行FFT变换，过程繁琐，速度慢。

本实施例中，所述水平振动信号与垂直振动信号分别通过布置在转子同一截面上相互垂直的传感器探头X和传感器探头Y测取，传感器探头用于产生从部件的旋转发出的机械振动的模拟电测量信号；并可采用模拟-数字转换器，响应所述接收的模拟测量数据，以采样频率对模拟测量信号进行采样，以便产生数字测量数据信号。

本实施例中，对所述水平振动信号和垂直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)；所述复信号记为z(n)且z(n)＝x(n)+jy(n)，其中j为虚数单位。

本实施例中，所述复信号双边谱包括双边幅值谱和双边相位谱。1)将z(n)进行快速傅里叶变换(FFT)，得到系数Cn＝CR(n)+jCI(n),n＝0,1,2,…N-1；2)取Cn(n＝0,1,2…N/2)组成一个行向量CN1，取Cn(n＝N/2+1,N/2+2,N/2+3，…N-1)组成一个行向量CN2；3)合并向量CN1和CN2组成一个新的行向量CN＝[CN2,CN1]；4)令5)建立一个行向量F(n)＝[-N/2+1，-N/2+2，-N/2+3，…-3，-2，-1，0，1，2，3，…N/2]，在此基础上得到一个频率向量f(n)＝F(n)*Δf,其中Δf为频率分辨率；6)以f(n)为横坐标，CN为纵坐标画图，即可得到复信号双边幅值谱；7)设以f(n)为横坐标，Φ_n为纵坐标画图，即可得到复信号双边相位谱。

本实施例中，将所述复信号双边谱经过处理生成轴心轨迹。1)复信号双边幅值谱中，以频率轴f(n)关于原点对称的正负频率f(n+)和f(n-)处的值分别记为R_n+和R_n-，其分别为轴心轨迹正进动圆半径和反进动圆半径；2)①若|R_n+|≠0,|R_n-|＝0，转子涡动为正进动，轨迹为圆，半径为R_n+；②若|R_n+|＝0,|R_n-|≠0，转子涡动为反进动，轨迹为圆，半径为|R_n-|；③若|R_n+|＝|R_n-|，转子涡动为直线简谐运动；④若|R_n+|≠|R_n-|，转子涡动轨迹为椭圆，当|R_n+|>|R_n-|时，做正向涡动，当|R_n+|<|R_n-|时，做反向涡动；3)椭圆轴心轨迹长半轴为短半轴为4)复信号双边相位谱中，以原点对称的正负频率处的相位分别为φ_n+和φ_n-，则频率f(n)处椭圆轴心轨迹长轴与水平轴的夹角为5)椭圆离心率为6)椭圆面积为S＝πab。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种基于复信号双边谱的旋转机械故障特征提取方法，其特征在于，包括以下步骤：

a.采集转子外表面同一截面水平方向上的水平振动信号和垂直方向上的垂直振动信号；

b.将所述水平振动信号与所述垂直振动信号合成复信号；

c.对所述复信号进行快速傅里叶变换得到复信号双边谱；

d.根据所述复信号双边谱得到轴心轨迹故障特征参数；

其中步骤c包括：c1.将合成的所述复信号z(n)进行快速傅里叶变换，得到系数Cn＝CR(n)+jCI(n),n＝0,1,2,…N-1；

C2.取Cn(n＝0,1,2…N/2)组成一个行向量CN1，取Cn(n＝N/2+1,N/2+2,N/2+3，…N-1)组成一个行向量CN2；

C3.合并向量CN1和CN2组成一个新的行向量CN＝[CN2,CN1]；

C4.令

C5.建立一个行向量F(n)＝[-N/2+1，-N/2+2，-N/2+3，…-3，-2，-1，0，1，2，3，…N/2]，在此基础上得到一个频率向量f(n)＝F(n)*Δf,其中Δf为频率分辨率；

C6.以f(n)为横坐标，CN为纵坐标画图，即可得到复信号双边幅值谱；C7.设以f(n)为横坐标，Φ_n为纵坐标画图，即可得到复信号双边相位谱。

2.根据权利要求1所述的基于复信号双边谱的旋转机械故障特征提取方法，其特征在于：所述水平振动信号与垂直振动信号分别通过布置在转子同一截面上相互垂直的传感器探头X和传感器探头Y测取。

3.根据权利要求1所述的基于复信号双边谱的旋转机械故障特征提取方 法，其特征在于：对所述水平振动信号和垂直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)；所述复信号记为z(n)且z(n)＝x(n)+jy(n)，其中j为虚数单位。

4.根据权利要求1所述的基于复信号双边谱的旋转机械故障特征提取方法，其特征在于：所述复信号双边谱包括双边幅值谱和双边相位谱。

5.根据权利要求4所述的基于复信号双边谱的旋转机械故障特征提取方法，其特征在于：将所述双边幅值谱和双边相位谱融合生成轴心轨迹。

6.根据权利要求5所述的基于复信号双边谱的旋转机械故障特征提取方法，其特征在于：所述故障特征参数通过轴心轨迹生成。