一种旋转机械设备故障诊断中故障程度计算方法技术

本发明专利技术涉及一种基于振动信号的旋转机械设备故障诊断中设备故障程度的计算方法。是对采集的振动信号进行零均值处理、高通滤波、低通滤波等信号处理，去掉干扰噪声信号，计算得到信号的有效值、峰值、绝对平均值、峰峰值等有量纲参数以及波形指标、脉冲指标、峰值指标等无量纲参数。通过有量纲和无量纲参数门限值判断设备总体状态。计算设备各轴及其部件的故障特诊频率，比较实际频谱图中前24个幅值最大的频率分量与理论故障特诊频率，并计算其频率贴近度，计算频域故障程度。综合设备多参数时域诊断和引入频率贴近度的频域诊断的结果，计算出设备故障的程度。这种故障程度的计算方法，增强了设备故障诊断的准确性，提高了诊断的效率和精度。

【技术实现步骤摘要】
一种旋转机械设备故障诊断中故障程度计算方法
本专利技术属于旋转机械设备故障诊断领域，具体涉及旋转机械设备故障诊断中故障程度计算的方法，特别涉及一种针对旋转机械设备的稳态故障的故障程度的计算方法。这里提到的旋转机械设备是指所有具有回转运动特征的机械设备。
技术介绍
旋转机械设备故障诊断技术是一门交叉学科，需要现场管理、机械结构、计算机、信号处理等多方面的综合知识。如何有效地通过计算机实现故障程度的计算是从事设备诊断技术研究人员的重要研究内容。在设备故障诊断中，设备故障的类型的诊断已经有诸多研究，而故障程度计算方法的研究难度较大，一方面需要研究者有非常丰富的现场管理、设备诊断的经验，另一方面，需要研究者在算法实现方面有清晰的逻辑和高度的提炼能力。以往的技术主要通过简单的判据来判断设备的状态，传统的故障程度的计算一般仅仅依靠有效值、峰值、平均绝对值等单一参数来进行计算，用不同参数进行诊断所计算出的故障程度差别较大，本专利技术创造性地从时域角度将有三个量纲参数、三个无量纲参数综合引入设备故障程度的计算中，使得时域故障程度的计算更加科学。本专利技术的另一特点在于综合利用了时域诊断方法及频域诊断方法的特点并进行了算法设计。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种旋转机械故障程度的计算方法，可以弥补现有计算方法参数信息不全的缺点，提高判断的准确性。为实现上述目的，本专利技术提供的旋转机械的故障程度计算方法的技术方案，该方法的步骤如下：一种旋转机械稳态故障诊断中故障程度计算方法，该方法的步骤如下：(1)在设备转子轴承截面布置X、Y、Z三个方向的位移传感器，采集转子振动信号：X传感器布置在径向水平方向上，Y传感器布置在径垂直方向上，Z传感器布置在轴向上；采用键相信号进行同步跟踪采样。(2)对采集的信号进行零均值处理、抗混滤波、低通滤波，去掉噪声信号。(3)计算振动信号的平均绝对值()、有效值即均方根值(Xrms)、单峰值(Xp或X0-p)、峰-峰值(Xp-p)，以及峰值指标、峭度指标、脉冲指标。(4)选取或设定设备诊断门限值。(5)各种参数时域诊断的故障程度计算。(6)采用FFT变换，计算信号的幅值谱和相位谱。(7)计算设备各轴及其部件故障特征频率。(8)计算故障的频率贴近度。(9)计算设备频域诊断的故障程度。采用本专利技术对旋转机械的故障程度进行计算，能准确诊断设备故障，通过较简单的判据来判断设备的状态，用不同参数进行诊断所计算出的故障程度，使得时域故障程度的计算更加科学，计算更加准确。比较实际频谱图中前24个幅值最大的频率分量与理论故障特诊频率，并计算其频率贴近度，计算频域故障程度。综合设备多参数时域诊断和引入频率贴近度的频域诊断的结果，计算出设备故障的程度。这种故障程度的计算方法，增强了设备故障诊断的准确性，提高了诊断的效率和精度。具体实施方式本专利技术提供的旋转机械的故障程度计算方法的技术方案，该方法的步骤如下：(1)在设备转子轴承截面布置X、Y、Z三个方向的位移传感器，采集转子振动信号：X传感器布置在径向水平方向上，Y传感器布置在径垂直方向上，Z传感器布置在轴向上，采用键相信号进行同步跟踪采样；之所以要同时采集三个方向的振动信号，主要是因为不同的故障类型在不同方向的表现能力不同。比如动平衡不良故障在径向X、Y方向表现得比较明显；基础松动在垂直径向Y方向表现得比较明显；对中不良故障在径向表现比较明显等等。所以同时采集三个方向的数据，比较三个数据，以较为严重的数据作为诊断和计算的对象。(2)对采集的信号进行零均值处理、抗混滤波、低通滤波，去掉噪声信号；做零均值处理非常重要，否则直流分量将影响FFT变换的结果，在0Hz产生很大的频率分量。而抗混滤波、低通滤波都是为了使采集的信号更加有效，降低信号的混叠干扰。(3)通过公式(1-1)～(1-12)计算振动信号的平均绝对值、有效值、峰值、峰峰值，以及峰值指标、峭度指标、脉冲指标。在步骤(3)中：单峰值计算的是将信号取绝对值，然后从中选取前最大的10个值再求平均得到；峰-峰值计算是选取信号中正值最大的前十个值的平均值减去负值最小的前十个值的平均值得到；设信号的概率密度函数为p(x)，某时刻信号的瞬时值为x，信号采样离散后的某个瞬时值为xi，采样点数为n。机械振动信号分析中，单峰值(Xp或Xp-p)、峰-峰值(Xp-p)、平均值()、平均绝对值()、有效值即均方根值(Xrms)等是常用分析参量。有效值反映信号的能量大小，有效值诊断法多适用作稳态振动的情况；峰值用来观察信号强度的变化很方便，当机器振动不平稳、振动响应随时间变化时，可用振幅一时间图诊断法，该方法在研究旋转机械设备过渡过程(开机和停机)中是有效的，根据曲线的变化趋势及状态可判断系统的状态和故障。斜度α反映p(x)对于纵坐标的不对称性，越不对称，α越大。体现在振动信号中表现出幅值的分布情况，正偏离越大，说明大信号有明显增加。工程实践中，随着设备故障的发生和发展，其有量纲参数如：平均绝对值()、有效值Xrms、峭度β会逐渐增大。峭度β对大幅值信号非常敏感，当大幅值信号概率增加时，则β将迅速增大，这有利判断信号中是否含有冲击类的故障。尤其对诊断滚动轴承故障很有用，比如当轴承内外圈出现裂纹、滚珠轴承滚道剥落或滚动元件出现破损等故障，将在时域波形中引起较大的脉冲。平均绝对值值其离散表达式：有效值(均方根值)其离散表达式：斜度(歪度)其离散表达式：峭度其离散表达式：脉冲指标：峰值指标：峭度指标：或由于计算机计算数值时需要将连续的模拟量转化为具有间隔的离散的数值，所以上面(1-1)、(1-3)、(1-5)、(1-7)、(1-9)、(1-11)给出连续信号的表达式，(1-2)、(1-4)、(1-6)、(1-8)、(1-10)、(1-12)给出了离散信号的数学表达式。(4)选取或设定设备诊断门限值根据国际标准(见表一)及设备情况设置设备有量纲参数的诊断门限值。根据设备功率大小及应用需求，结合国际振动烈度等级(有效值标准)选择表一中某一等级作为该设备的振动标准。峰值、平均绝对值等有量纲参数的标准可以按来确定。无量纲参数的诊断门限值设置如下：脉冲指标IF0＝4，、峰值指标CF0＝4、峭度指标Ku0＝4。表一IS02372国际振动烈度标准表二振动烈度等级(2Hz～1000Hz)按照多年现场诊断的经验，无量纲参数的诊断门限值设置如下：脉冲指标IF0＝4，、峰值指标CF0＝4、峭度指标Ku0＝4。(5)设峭度指标、脉冲指标、峰值指标、有效值、峰值、平均绝对值等六个参数的故障程度分别用ρKu、ρIf、ρCf、ρrms、ρp、ρav表示；设脉冲指标、峰值指标、峭度指标、有效值、峰值、平均绝对值的门限值分别用IF0、CF0、Ku0、Xrms0、Xp0、表示。设脉冲指标、峰值指标、有效值、峰值、平均值的权重依次设为：ηKu、ηIf、ηCf、ηrms、ηp、ηav。设有效值、峰值、平均绝对值等有量纲参数在与该分析数据具有相同比较条件的起始诊断时刻振动数据的变化梯度算子，分别用Δrms、Δp、Δav表示。通过以下经验公式计算：式中Xrms为当前被分析数据的有效值，Xrmsi为相同检测条件下早期对比数据的有效值，Xrms0为门限值；TX、Ti分别为当前被分析数据的检测本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种旋转机械稳态故障诊断中故障程度计算方法，其特征在于：该方法的步骤如下：(1)在设备转子轴承截面布置X、Y、Z三个方向的位移传感器，采集转子振动信号：X传感器布置在径向水平方向上，Y传感器布置在径垂直方向上，Z传感器布置在轴向上；采用键相信号进行同步跟踪采样；(2)对采集的信号进行零均值处理、抗混滤波、低通滤波，去掉噪声信号：(3)计算振动信号的平均绝对值

【技术特征摘要】
1.一种旋转机械稳态故障诊断中故障程度计算方法，其特征在于：该方法的步骤如下：(1)在设备转子轴承截面布置X、Y、Z三个方向的位移传感器，采集转子振动信号：X传感器布置在径向水平方向上，Y传感器布置在径垂直方向上，Z传感器布置在轴向上；采用键相信号进行同步跟踪采样；(2)对采集的信号进行零均值处理、抗混滤波、低通滤波，去掉噪声信号：(3)计算振动信号的平均绝对值有效值即均方根值(Xrms)、单峰值(Xp或X0-p)、峰-峰值(Xp-p)，以及峰值指标、峭度指标、脉冲指标；(4)选取或设定设备诊断门限值；(5)各种参数时域诊断的故障程度计算；(6)采用FFT变换，计算信号的幅值谱和相位谱；(7)计算设备各轴及其部件故障特征频率；(8)计算故障的频率贴近度；(9)计算设备频域诊断的故障程度。2.根据权利要求1所述的计算方法，其特征在于，在步骤(3)中：单峰值计算的是将信号取绝对值，然后从中选取前最大的10个值再求平均得到；峰-峰值计算是选取信号中正值最大的前十个值的平均值减去负值最小的前十个值的平均值得到；设信号的概率密度函数为p(x)，某时刻信号的瞬时值为x，信号采样离散后的某个瞬时值为xi，采样点数为n，其它参数计算方法如下：平均绝对值其离散表达式：有效值(均方根值)其离散表达式：斜度(歪度)其离散表达式：峭度其离散表达式：脉冲指标：峰值指标：峭度指标：或。3.根据权利要求1所述的计算方法，其特征在于，在步骤(4)中：根据国际标准及设备情况设置设备有量纲参数的诊断门限值；根据设备功率大小及应用需求，结合国际振动烈度等级，即有效值标准，选择某一等级作为该设备的振动标准；峰值、平均绝对值等有量纲参数的标准可以按来确定；无量纲参数的诊断门限值按经验设置如下：脉冲指标IF0＝4，、峰值指标CF0＝4、峭度指标Ku0＝4。4.根据权利要求1所述的计算方法，其特征在于，在步骤(5)中：各种参数时域诊断的故障程度计算为：设峭度指标、脉冲指标、峰值指标、有效值、峰值、平均绝对值等六个参数的故障程度分别用ρKu、ρIf、ρCf、ρrms、ρp、ρav表示；设脉冲指标、峰值指标、峭度指标、有效值、峰值、平均绝对值的门限值分别用IF0、CF0、Ku0、Xrms0、Xp0、表示；设脉冲指标、峰值...

【专利技术属性】
技术研发人员：乔文生，
申请(专利权)人：北京航天拓扑高科技有限责任公司，
类型：发明
国别省市：北京,11