基于振动频谱图确定机器转速制造技术

描述了一种在缺乏可靠转速计信号的情况下通过确定机器的旋转部件的估计转速以指示实际转速的装置。该装置包括处理器，该处理器产生振动数据的频谱图，定位频谱图中的峰，并以预定的转速增量扫描谱频图以提供候选转速。对于每个候选转速，识别相关联的谐波，定位频谱图中最接近候选转速的峰及其谐波，测量最接近的峰与候选转速及其谐波之间的间隙，以及记录间隙的总和。估计的转速是与间隙的最小和相关联的候选转速。

Determination of machine speed based on vibration spectrum

【技术实现步骤摘要】
基于振动频谱图确定机器转速
本专利技术涉及一种用于确定机器的转速的装置，并且更具体地涉及在缺乏实际转速测量值的情况下使用振动分析来确定转速的分析仪器。
技术介绍
诸如风扇、电动机、涡轮机等的旋转设备由于诸如磨损、负载变化、损坏、误用和异物积聚等情况而导致其失去平衡和时间校准。由于失去平衡和时间校准，设备会产生过大的振动，如果不加以校正，会导致设备的加速磨损和其他损坏。振动分析仪检测并分析旋转设备发出的振动。这种分析仪确定振动源，无论设备是不平衡、未校准、轴承磨损、零件缺失或损坏、或其他一些问题。为了正确诊断振动问题，必须知道轴的转速。然而，在数据收集时通常不知道转速。在这种情况下，必须根据振动频谱计算转速。在问题诊断中，需要振动频谱中轴的转速的相关性，因为通常存在许多不同的潜在振动源，每个振动源产生不同的振动特征。首先要做出的决定之一是检测到的振动是与设备的旋转同步或者异步。如果是异步的，则进行分析以确定振动是否可以以某种其他方式与设备的转速相关联。以这种方式，隔离和校正了特定问题。例如，在诸如涡轮机的旋转设备中，与转速的一次谐波同步的振动表明转子不平衡，为此存在明确定义的校正方法。已知涡轮机的转速允许快速诊断该问题，并且减少了研究不相关的潜在振动源所浪费的时间。作为另一个例子，有缺陷的抗摩擦轴承产生的振动与轴的速度具有固定但非整数的关系。因此，振动不是轴的转速的谐波。然而，在了解轴承参数的情况下，例如内圈和外圈故障频率，由有缺陷的轴承产生的振动与轴的转速相关，因此问题被诊断和校正。同样，在不知道轴的转速的情况下，有缺陷的轴承更难以诊断。进一步地，在诸如齿轮箱的旋转设备中，可具有多个不同尺寸的齿轮，诸如其中一个齿轮上的齿破裂的问题产生与轴的转速同步的振动。关联转速、每个齿轮上的已知齿数以及振动频谱使损坏的齿轮得到诊断。在每种情况下，如果已知设备的转速，则振动源的诊断变得更容易。转速与振动频谱的实际相关性以及相关信息的分析由技术人员执行，或者由具有这种检测能力的振动检测仪器自动执行。问题在于，在不使用转速计来测量转速的情况下，难以准确地确定转速。在许多情况下，假定转速是在配置机器时设置的默认值，或者是基于收集的数据使用便携式分析仪手动输入的。在这种情况下，转速最多是近似值。随着机器上的负载变化，实际转速也可能变化。因此，由于手动数据输入错误，假定的转速可能完全不正确。因此，需要一种装置，当转速计和实际转速数据不可用时，该装置可用于确定机器的转速。
技术实现思路
美国专利申请序列号15/946,403描述了两种用于确定机器转速的方法。这里描述的是基于进一步研究和测试而开发的第三种方法。第三种方法的改进包括考虑更宽范围的初始候选转速和对评估算法的改进，该评估算法考虑谐波峰的相对幅度和高次谐波的相对重要性。这些改进已经表明了对转速确定的可靠性的显著提高，特别是当初始转速受到质疑时。鉴于前述内容，本专利技术描述的实施例提供了一种确定转速的装置，该装置用于在缺乏可靠的转速计信号的情况下，通过确定机器的旋转部件的估计转速以表明实际转速。在一个方面，该装置包括连接到机器的振动传感器，该振动传感器产生表明机器振动的模拟振动信号，以及将模拟振动信号转换成数字振动数据的模数转换器。该装置包括处理器，该处理器执行指令以处理数字振动数据，包括以下指令：-根据机器记录的历史数据确定机器的转速范围；-基于数字振动数据生成振动频谱，振动频谱包括与频率值相关联的振动幅度值；-识别振动频谱中的多个振动峰，每个振动峰具有峰幅度值和与之相关的峰频率值；-确定峰幅度值的最大峰幅度；-确定振动频谱中的多个候选频率值，其中每个候选频率值在转速范围内并且与相应的谐波族相关联；-对于相应谐波族的每个谐波，确定在谐波的频谱峰频率值容限内的最近峰，最近的峰具有最近的峰频率值和最近的峰幅度值；-对于相应谐波族的每个谐波，至少部分地基于候选频率值和最近的峰频率值之间的差来确定误差值；-对于每个候选频率值，确定误差和值，该误差和值是针对相应谐波族的谐波确定的误差值的迭代和；-基于具有最大误差和值的候选频率值确定机器的估计转速；以及-使用机器的估计转速分析数字振动数据，以确定机器的操作特性。在一些实施例中，频谱峰频率值容限是振动频谱的带宽的三倍。在一些实施例中，至少部分地基于的比率来确定误差值，其中Amax是多个振动峰的峰幅度值的最大峰幅度，并且Ap是最近的峰幅度值。在一些实施例中，误差值的迭代和中的高次谐波峰的贡献通过选定的缩减因子连续减小，例如10％。在一些实施例中，转速的范围由下限和上限限定，其中下限和上限基于机器在操作时段内的中间速度确定，公式如下：下限＝(中速)/2，和上限＝(中速)×2。在另一方面，本专利技术描述的实施例提供了一种确定转速的装置，该装置用于在缺乏可靠的转速计信号的情况下，通过确定机器的旋转部件的估计转速以表明实际转速。该装置的优选实施例包括振动传感器、模数转换器、输入装置和处理器。振动传感器连接到机器上并产生表明机器振动的模拟振动信号。模数转换器将模拟振动信号转换为数字振动数据。输入装置接收来自用户的输入信息，包括表明与机器相关联的额定转速的额定速度值。处理器执行指令用于处理数字振动数据，包括以下指令：(1)接收来自输入装置的额定速度值；(2)基于数字振动数据生成振动频谱，振动频谱包括与频率值相关联的振动幅度值；(3)识别振动频谱中的多个振动峰，每个振动峰具有峰幅度值以及与之相关的峰频率值；对于j＝1到J：(4)确定第j组频率值，包括：-与额定速度值相关的第j个候选频率值；以及-多个第j个谐波频率值，其大于第j个候选频率值并且在振动频谱上递增地分布；(5)对于第j组中的每个候选频率值与谐波频率值，从步骤(3)中识别的多个振动峰中确定一个振动峰，该振动峰具有最接近候选频率值或谐波频率值的峰频率值；(6)对于第j组中的每个候选频率值与谐波频率值，确定一个频率差值，该频率差值表示候选频率值或谐波频率值与最接近的峰频率值之间的差；(7)生成与第j组频率值对应的第j个频率差值的和，并将第j个和与第j组频率值的候选频率值相关联；(8)将j递增1并重复步骤(4)到(8)直到j等于J；(9)确定J个频率差值的和的最小和；(10)基于与最小和相关的候选频率值确定机器的估计转速；以及(11)使用机器的估计转速分析数字振动数据，以确定机器的操作特性。在一些实施例中，对于j＝1，第j个候选频率值对应于约额定转速的一半。在一些实施例中，对于j＝J，第j个候选频率值对应于约额定转速的1.5倍。在一些实施例中，额定速度值是机器的铭牌转速。在一些实施方案中，J的范围为约10至约100。在一些实施例中，步骤(5)中确定的峰频率值大于或小于最接近的候选频率值或谐波频率值。在一些实施例中，第j组频率值包括八个谐波频率值。在一些实施例中，步骤(3)中识别的振动峰的数量小于或等于LOR/4，并且其中LOR是振动频谱的分辨率线。在一些实施例中，如果确定在J个频率差值的和中存在多于一个的最小和，则处理器执行以下指令：(12)对于J组频率值中的每一组，确定在步骤(3)中识别的振动峰的峰幅度值的和，该峰幅度值的和具有最接近候选频率值和谐波频率值的峰频率值；(13)确定在步骤(12)中确本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于在缺乏可靠转速计信号的情况下确定机器的旋转部件的估计转速以指示实际转速的装置，所述装置包括：振动传感器，所述振动传感器附着在机器上，用以生成表示机器振动的模拟振动信号；模数转换器，所述模数转换器与所述振动传感器电性连通，用以将模拟振动信号转换为数字振动数据；输入装置，所述输入装置接收来自用户的输入信息，所述输入信息包括表示与机器相关的额定转速的额定速度值；处理器，所述处理器与所述模数转换器和所述输入装置电性连通，用以执行处理数字振动数据的指令，包括指令如下：(1)接收来自输入装置的额定速度值；(2)基于数字振动数据生成振动频谱，振动频谱包括与频率值相关联的振动幅度值；(3)识别振动频谱中的多个振动峰，每个振动峰具有峰幅度值以及与之相关的峰频率值；对于j＝1到J：(4)确定第j组频率值，包括：‑与额定速度值相关的第j个候选频率值；以及‑多个第j个谐波频率值，其大于第j个候选频率值并且在振动频谱上递增地分布；(5)对于第j组中的每个候选频率值与谐波频率值，从步骤(3)中识别的多个振动峰中确定一个振动峰，该振动峰具有最接近候选频率值或谐波频率值的峰频率值；(6)对于第j组中的每个候选频率值与谐波频率值，确定一个频率差值，该频率差值表示候选频率值或谐波频率值与最接近的峰频率值之间的差；(7)生成与第j组频率值对应的第j个频率差值的和，并将第j个和与第j组频率值的候选频率值相关联；(8)将j递增1并重复步骤(4)到(8)直到j等于J；(9)确定J个频率差值的和的最小和；(10)基于与最小和相关的候选频率值确定机器的估计转速；以及(11)使用机器的估计转速分析数字振动数据，以确定机器的操作特性。...

【技术特征摘要】
2018.04.05 US 15/946,403;2019.02.06 US 16/269,1561.一种用于在缺乏可靠转速计信号的情况下确定机器的旋转部件的估计转速以指示实际转速的装置，所述装置包括：振动传感器，所述振动传感器附着在机器上，用以生成表示机器振动的模拟振动信号；模数转换器，所述模数转换器与所述振动传感器电性连通，用以将模拟振动信号转换为数字振动数据；输入装置，所述输入装置接收来自用户的输入信息，所述输入信息包括表示与机器相关的额定转速的额定速度值；处理器，所述处理器与所述模数转换器和所述输入装置电性连通，用以执行处理数字振动数据的指令，包括指令如下：(1)接收来自输入装置的额定速度值；(2)基于数字振动数据生成振动频谱，振动频谱包括与频率值相关联的振动幅度值；(3)识别振动频谱中的多个振动峰，每个振动峰具有峰幅度值以及与之相关的峰频率值；对于j＝1到J：(4)确定第j组频率值，包括：-与额定速度值相关的第j个候选频率值；以及-多个第j个谐波频率值，其大于第j个候选频率值并且在振动频谱上递增地分布；(5)对于第j组中的每个候选频率值与谐波频率值，从步骤(3)中识别的多个振动峰中确定一个振动峰，该振动峰具有最接近候选频率值或谐波频率值的峰频率值；(6)对于第j组中的每个候选频率值与谐波频率值，确定一个频率差值，该频率差值表示候选频率值或谐波频率值与最接近的峰频率值之间的差；(7)生成与第j组频率值对应的第j个频率差值的和，并将第j个和与第j组频率值的候选频率值相关联；(8)将j递增1并重复步骤(4)到(8)直到j等于J；(9)确定J个频率差值的和的最小和；(10)基于与最小和相关的候选频率值确定机器的估计转速；以及(11)使用机器的估计转速分析数字振动数据，以确定机器的操作特性。2.根据权利要求1所述的装置，其中，对于j＝1，第j个候选频率值对应于大约一半的额定转速。3.根据权利要求1所述的装置，其中，对于j＝J，第j个候选频率值对应于大约1.5倍的额定转速。4.根据权利要求1所述的装置，其中额定速度值是机器的铭牌转速。5.根据权利要求1所述的装置，其中J的范围为约10至约100。6.根据权利要求1所述的装置，其中步骤(5)中确定的峰频率值大于或小于最接近的候选频率值或谐波频率值。7.根据权利要求1所述的装置，其中第j组频率值包括八个谐波频率值。8.根据权利要求1所述的装置，其中，如果在J个频率差值的和中，确定存在超过一个最小和，则处理器执行以下指令：(12)对于J组频率值中的每一组，确定在步骤(3)中识别的振动峰的峰幅度值的和，该振动峰具有最接近候选频率值和谐波频率值的峰频率值；(13)确定在步骤(12)中确定的J个峰幅度值的和的最大和；以及(14)基于与最大和相关联的候选频率值确定机器的估计转速。9.根据权利要求1所述的装置，其中步骤(3)中识别的振动峰的数量小于或等于LOR/4，并且其中LOR是振动频谱的分辨率线。10.一种用于在缺乏可靠转速计信号的情况下确定机器的旋转部件的估计转速以指示实际转速的装置，所述装置包括：振动传感器，所述振动传感器附着在机器上，用以生成表示机器振动的模拟振动信号；模数转换器，所述模数转换器与所述振动传感器电性连通，用以将模拟振动信号转换为数字振动数据；输入装置，所述输入装置接收来自用户的输入信息，所述输入信息包括精度百分比值(％Accuracy)和起始频率值(StartFreq)，所述起始频率值表示与机器相关的额定转速；处理器，所述处理器与所述模数转换器和所述输入装置电性连通，用以执行处理数字振动数据的指令，包括指令如下：(1)从输入装置接收精度百分比值和起始频率值；(2)基于数字振动数据生成振动频谱，该振动频谱包括与频率值相关联的振动幅度值；(3)识别振动频谱中的K个振动峰，每个振动峰具有峰幅度值(AmplLocPeak(k))和与之相关联的峰频率值(FreqLocPeak(k))；(4)对于起始频率值的N个谐波中的每一个，确定以下关系为真的候选频率值(FreqCandidate(j))：|FreqLocPeak(k)–(n×StartFreq)|≤％Accuracy(5)对于步骤(4)中确定的每个候选频率值，根据下式确定百分比差值(PctDiff)：以及得分值：得分值＝1–PctDiff(6)对于步骤(3)中定位的振动峰的每个谐波族，确定总得分，总得分是步骤(5)中确定的所有得分值的总和；(7)基于与总得分最大的谐波族相关联的候选频率值确定机器的估计转速；以及(8)使用机器的估计转速分析数字振动数据，以确定机器的操作特性。11.根据权利要求10所述的装置，其中，如果最大总得分与超过一个谐波族相关联，则基于与步骤...

【专利技术属性】
技术研发人员：A·J·海森，S·V·鲍尔斯三世，
申请(专利权)人：计算系统有限公司，
类型：发明
国别省市：美国,US