一种基于调频信息重构的旋转机械全息诊断方法技术

技术编号:15180562 阅读:114 留言:0更新日期:2017-04-16 07:58
一种基于调频信息重构的旋转机械全息诊断方法,先在转子振动测试截面安装两个夹角为90°的位移传感器,采集X、Y方向的位移振动信号,对位移振动信号进行集合经验模式EEMD分解,得到多个基本模式分量IMF,然后对各基本模式分量IMF进行频谱分析,挑选出包含转频的基本模式分量IMFx(t)和IMFy(t);分别对基本模式分量IMFx(t)和IMFy(t)采用直接正交法计算得出瞬时频率IFx(t)和IFy(t),提取瞬时频率IFx(t)和IFy(t)的频率、幅值、相位信息,合成二维全息谱,对转子运行状态进行有效识别,本发明专利技术综合考虑了转子在水平和垂直方向的振动信号,并充分利用相位信息,有机地把信号的频率、幅值和相位信息融合在一起,诊断结果直观完整。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及旋转机械故障诊断
,特别涉及一种基于调频信息重构的旋转机械全息诊断方法
技术介绍
大型旋转机械是石油、化工、能源、冶金等许多行业中的关键设备,其中转子组件是旋转机械的核心。转子常见的故障有不平衡、动静碰磨、油膜涡动等,其中转子动静碰磨故障引起的振动往往表现出非线性特征,是一类诊断难度较大的故障形式。现有的一些信号分析方法往往不能准确、直观地判别转子运行状态,特别是早期微弱故障的诊断。转子动静碰磨故障引发的振动为弯扭耦合振动,振动信号形式为调频形式,异常振动信息会体现在径向振动信号的瞬时频率中,将瞬时频率信息加以利用,有望提高转子故障诊断的准确性,对诊断转子故障大有益处。由于大多现场运行的旋转设备都未安装扭转振动测量装置,意味着无法直接获取旋转设备的扭转振动信号。相比之下,大多大型旋转设备都已安装转子径向振动监测系统,从转子径向振动中提取转子扭转振动信息,综合考虑转子在水平和垂直方向的振动,可对转子动静碰磨故障诊断提供新的思路,具有重要的工程和经济效益。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的缺点,本专利技术的目的在于提供一种基于调频信息重构的旋转机械全息诊断方法,通过径向振动信号提取转子扭转振动信息,合成瞬时频率的二维全息谱,从而实现对转子动静碰磨故障的有效诊断。为达到上述目的,本专利技术采取的技术方案为:一种基于调频信息重构的旋转机械全息诊断方法,包括以下步骤:步骤一,在转子振动测试截面安装两个夹角为90°的位移传感器,规定转子旋转过程中第一个经过的位移传感器为X方向,顺转向旋转90°后的另一个位移传感器为Y方向,两个位移传感器的安装条件、物理特性保持一致,采集转子的位移振动信号x(t)和y(t);步骤二,分别对X、Y方向的位移振动信号x(t)和y(t)进行集合经验模式EEMD分解,得到多个基本模式分量IMF,基本模式分量IMF必须满足以下两个条件:a.整个信号上的极值点个数和过零点个数相等或至多相差一个;b.在整个时间序列上,由所有局部极大值点确定的上包络和由所有局部极小值点所确定的下包络的均值为零;步骤三,对集合经验模式EEMD分解得到的各基本模式分量IMF进行频谱分析,挑选出包含转频的基本模式分量IMFx(t)和IMFy(t);步骤四,分别对基本模式分量IMFx(t)和IMFy(t)采用直接正交法计算得出瞬时频率IFx(t)和IFy(t),计算过程如下:基本模式分量IMFx(t)分解成调幅信号A(t)和调频信号即:令:从信号的经验调频分量定义正交函数,如下:因此,信号的瞬时相位通过下式计算求出:通过对瞬时相位求导,得到瞬时频率IFx(t)为:再按照上述过程计算得到瞬时频率IFy(t);步骤五,提取瞬时频率IFx(t)和IFy(t)的频率、幅值、相位信息,合成二维全息谱,然后对转子运行状态进行有效识别,具体过程如下:首先,用内插法分别对X、Y方向的瞬时频率IFx(t)和IFy(t)进行频率、幅值、相位校正;然后,提取校正之后的幅值Ax、Ay与相位以频率阶次为单位进行融合,得到椭圆方程为:式中,αn为X方向的位移传感器与水平方向的夹角;更换不同频率阶次处的Ax、Ay、就得到相应的椭圆,组合得到二维全息谱;最后,计算每个频率阶次处的离心率e、长轴a和短轴b的椭圆信息,根据椭圆信息对转子运行状态进行有效识别,计算表达式如下:e=a2-b2/a,]]>a=(p+q+p-q)/2,]]>b=(p+q-p-q)/2,]]>其中,本专利技术的有益效果为:通过采用本专利技术提出的基于调频信息重构的全息诊断方法发现,转子正常运行时,各频率阶次椭圆呈现一组无规则的幅值很小的椭圆;转子发生动静碰磨故障时,转频椭圆及其高倍频椭圆明显变大,呈一组离心率很大的椭圆,有些甚至为一条直线,该特征可以有效识别转子动静碰磨故障。本专利技术具有以下优点:a)本专利技术通过转子径向振动信号提取转子扭转振动信息,进而实现转子故障判定,提高了转子径向振动信号的利用率;b)相比现有扭转振动分析技术,本专利技术无需直接加装扭转振动测量装置便可完成扭转振动信息提取,节约了硬件成本;c)本专利技术提出的基于调频信息重构的全息诊断方法弥补了传统分析方法在旋转机械故障诊断中的不足,综合考虑了转子在水平和垂直方向的振动信号,并充分利用相位信息,有机地把信号的频率、幅值和相位信息融合在一起,诊断结果直观完整。附图说明图1为实施例1转子系统有限元模型。图2为实施例1转子正常运行状态下振动信号的瞬时频率二维全息谱图。图3为实施例1转子动静碰磨故障振动信号的瞬时频率二维全息谱图。图4为实施例2本特利RK4转子试验台结构示意图。图5为实施例2转子动静碰磨故障振动信号x(t)的集合经验模式EEMD分解结果。图6为实施例2转子动静碰磨故障振动信号y(t)的集合经验模式EEMD分解结果。图7为实施例2基本模式分量IMFx(t)的时域波形图和幅值谱图。图8为实施例2基本模式分量IMFy(t)的时域波形图和幅值谱图。图9为实施例2瞬时频率IFx(t)的时域波形图和幅值谱图。图10为实施例2瞬时频率IFy(t)的时域波形图和幅值谱图。图11为实施例2转子正常运行状态下振动信号的瞬时频率二维全息谱图。图12为实施例2转子动静碰磨故障振动信号的瞬时频率二维全息谱图。具体实施方式下面结合实施例和附图对本专利技术进行详细描述,为说明本专利技术方法的有效性,分别用转子系统动力学仿真信号和实验信号对本专利技术进行验证。实施例1,采用转子系统动力学仿真信号进行验证,建立转子系统有限元模型如图1所示,转子动静碰磨故障由转子不平衡激发,通过改变动静间距进行动静碰磨故障仿真,转子系统有限元模型基本参数见表1,表1转子系统有限元模型基本参数表转子系统的单元刚度矩阵、单元质量矩阵、单元陀螺力矩阵如下所示:单元刚度矩阵为:[Me]=EAl00000-EAl00000012Ell30006Ell20-12Ell30006Ell20012Ell30-6Ell2000-12Ell30-6Ell20000GJl00000-GJl0000-6Ell204Ell000-6Ell202Ell006Ell20004Ell0-6Ell20002Ell-EAl00000EAl000000-12Ell3000-6Ell2012Ell3000-6Ell200-12Ell306Ell200012Ell306Ell20000-GJl00000GJl0000-6Ell202Ell0006Ell204Ell006Ell20002Ell0-6Ell20004Ell]]>单元质量矩阵为:[Me]=lμ300000lμ600000013lμ3500011l2μ21009lμ70000-13l2μ4200013lμ350-11l2μ2100009lμ70013l2μ4200000lr2μ600000lr2μ120000-11l2μ2100l3μ105000-13l2μ4200-l3μ4200011l2μ210000l3μ105013l2μ420000-l3μ140lμ600000l&m本文档来自技高网...
一种基于调频信息重构的旋转机械全息诊断方法

【技术保护点】
一种基于调频信息重构的旋转机械全息诊断方法,其特征在于,包括以下步骤:步骤一,在转子振动测试截面安装两个夹角为90°的位移传感器,规定转子旋转过程中第一个经过的位移传感器为X方向,顺转向旋转90°后的另一个位移传感器为Y方向,两个位移传感器的安装条件、物理特性保持一致,采集转子的位移振动信号x(t)和y(t);步骤二,分别对X、Y方向的位移振动信号x(t)和y(t)进行集合经验模式EEMD分解,得到多个基本模式分量IMF,基本模式分量IMF必须满足以下两个条件:a.整个信号上的极值点个数和过零点个数相等或至多相差一个;b.在整个时间序列上,由所有局部极大值点确定的上包络和由所有局部极小值点所确定的下包络的均值为零;步骤三,对集合经验模式EEMD分解得到的各基本模式分量IMF进行频谱分析,挑选出包含转频的基本模式分量IMFx(t)和IMFy(t);步骤四,分别对基本模式分量IMFx(t)和IMFy(t)采用直接正交法计算得出瞬时频率IFx(t)和IFy(t),计算过程如下:基本模式分量IMFx(t)分解成调幅信号A(t)和调频信号即:令:从信号的经验调频分量定义正交函数,如下:因此,信号的瞬时相位通过下式计算求出:通过对瞬时相位求导,得到瞬时频率IFx(t)为:再按照上述过程计算得到瞬时频率IFy(t);步骤五,提取瞬时频率IFx(t)和IFy(t)的频率、幅值、相位信息,合成二维全息谱,然后对转子运行状态进行有效识别,具体过程如下:首先,用内插法分别对X、Y方向的瞬时频率IFx(t)和IFy(t)进行频率、幅值、相位校正;然后,提取校正之后的幅值Ax、Ay与相位以频率阶次为单位进行融合,得到椭圆方程为:式中,αn为X方向的位移传感器与水平方向的夹角;更换不同频率阶次处的Ax、Ay、就得到相应的椭圆,组合得到二维全息谱;最后,计算每个频率阶次处的离心率e、长轴a和短轴b的椭圆信息,根据椭圆信息对转子运行状态进行有效识别,计算表达式如下:e=a2-b2/a,]]>a=(p+q+p-q)/2,]]>b=(p+q-p-q)/2,]]>其中,...

【技术特征摘要】
1.一种基于调频信息重构的旋转机械全息诊断方法,其特征在于,包括以下步骤:步骤一,在转子振动测试截面安装两个夹角为90°的位移传感器,规定转子旋转过程中第一个经过的位移传感器为X方向,顺转向旋转90°后的另一个位移传感器为Y方向,两个位移传感器的安装条件、物理特性保持一致,采集转子的位移振动信号x(t)和y(t);步骤二,分别对X、Y方向的位移振动信号x(t)和y(t)进行集合经验模式EEMD分解,得到多个基本模式分量IMF,基本模式分量IMF必须满足以下两个条件:a.整个信号上的极值点个数和过零点个数相等或至多相差一个;b.在整个时间序列上,由所有局部极大值点确定的上包络和由所有局部极小值点所确定的下包络的均值为零;步骤三,对集合经验模式EEMD分解得到的各基本模式分量IMF进行频谱分析,挑选出包含转频的基本模式分量IMFx(t)和IMFy(t);步骤四,分别对基本模式分量IMFx(t)和IMFy(t)采用直接正交法计算得出瞬时频率IFx(t)和IFy(t),计算过程如下...

【专利技术属性】
技术研发人员:王琇峰郭美娜曾志豪林京雷亚国赵明
申请(专利权)人:西安交通大学
类型:发明
国别省市:陕西;61

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