一种变转速工况下的旋转机械振动信号归一化方法技术

本发明专利技术公开了一种变转速工况下的旋转机械振动信号归一化方法，先采集目标旋转机械的振动信号和转速信号，然后在设置好阶次的搜索范围和搜索步长后，通过迭代寻优的方式找到最优阶次，最后完成旋转机械振动信号的幅值归一化处理，这样可有效去除转速对振动信号幅值的影响，且不削弱故障特征，并且简单高效，适宜于在线状态监测。在线状态监测。在线状态监测。

【技术实现步骤摘要】
一种变转速工况下的旋转机械振动信号归一化方法


[0001]本专利技术属于设备状态监测
，更为具体地讲，涉及一种变转速工况下的旋转机械振动信号归一化方法。

技术介绍

[0002]旋转机械广泛应用生产生中，如电动机、汽轮机、燃气轮机、发电机、齿轮箱、离心泵、机床、柴油机和汽油机等。旋转机械服役过程中，由于交变载荷和相对运动的存在，会不可避免地发生材料疲劳或磨损。当疲劳或磨损积累到一定程度时，会诱发机械设备的故障。故障会劣化设备的服役表现，影响生产效率和精度，甚至导致严重的安全事故，造成重大的生命财产损失。因此，开展旋转机械故障诊断，及时发现故障并维护，对避免上述问题的发生具有重大意义。
[0003]振动信号对故障敏感且容易获取，常用于故障诊断。其基本原理是，旋转机械运行时会产生振动，机械发生故障时，其振动特性会发生改变，如产生特定频率的振动、增大振动的能量等；相应的，若我们能够从振动中发现与故障相应的特性，即可反推出设备的健康状态。然而，不仅故障，设备的运行工况改变时，其振动特性也会发生改变。运行工况包括运行转速和运行载荷。工程实际中，旋转机械通常运行在变转速和变载荷工况下。本专利技术只关注变转速工况。转速和故障引起的振动的变化往往耦合在一起，例如，断齿故障和转速增加都会导致齿轮箱振动幅值增加，若不区分振动特征的变化是故障引起还是运行工况引起的，会造成误报或漏报。因此，对振动信号的幅值进行归一化，去除振动信号中运行工况对故障特征信息的干扰，对提高故障诊断的精度是必要的步骤。
[0004]现有的振动信号幅值归一化方法主要基于振动信号的包络，即先提取振动信号的包络，而后将振动信号除以包络。然而该方法在去除转速对振动的影响的同时，也会消弱振动信号中的故障特征，导致漏报。另一方面，基于包络的振动信号幅值归一化方法需要对每次测得的振动信号取包络，然后再相除，效率较低，不利于大数据时代的在线监测。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种变转速工况下的旋转机械振动信号归一化方法，能够简单高效地去除转速对振动信号幅值的影响。
[0006]为实现上述专利技术目的，本专利技术一种变转速工况下的旋转机械振动信号归一化方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0007](1)、采集目标旋转机械的振动信号X∈R
N
×
T
和转速信号S∈R
N
×
T
，其中，N表示采集数据样本的个数，T表示单个数据样本的采集时长；
[0008](2)、设置阶次p的搜索范围(p
low
,p
up
))和搜索步长p0，其中，p
low
为搜索范围最小值，p
up
为搜索范围最大值；
[0009](3)、将振动信号除以转速信号的p次方，得到X/S
p
；
[0010](4)、计算X/S
p
的均方根RMS
p
∈R
N
，以及转速信号的均值M
S
∈R
N
；
[0011](5)、计算RMS
p
和M
S
的相关系数Corr
p
；
[0012](6)、若p＜p
up
，则更新p＝p+p0，再返回步骤(3)；否则，直接进入步骤(7)；
[0013](7)、利用线性搜索法寻找最优阶次p
*
：在所有的相关系数Corr
p
中，寻找Corr
p
绝对值最小时对应的阶次p，并作为最优阶次p
*
；
[0014](8)、获取幅值归一化后的振动信号
[0015]本专利技术的专利技术目的是这样实现的：
[0016]本专利技术一种变转速工况下的旋转机械振动信号归一化方法，先采集目标旋转机械的振动信号和转速信号，然后在设置好阶次的搜索范围和搜索步长后，通过迭代寻优的方式找到最优阶次，最后完成旋转机械振动信号的幅值归一化处理，这样可有效去除转速对振动信号幅值的影响，且不削弱故障特征，并且简单高效，适宜于在线状态监测。
附图说明
[0017]图1是本专利技术一种变转速工况下的旋转机械振动信号归一化方法流程图；
[0018]图2为实施例中齿轮箱加速度信号和对应的转速信号；
[0019]图3为实施例中不同阶次p时获得的相关系数；
[0020]图4为实施例中利用转速归一化后的振动信号；
[0021]图5为实施例中归一化前振动信号故障特征值；
[0022]图6为实施例中归一化后振动信号故障特征值；
[0023]图7为实施例2中轴承加速度信号和对应的转速信号；
[0024]图8为实施例2中不同阶次p时获得的相关系数；
[0025]图9为实施例2中利用转速归一化后的振动信号；
[0026]图10为实施例2中归一化前振动信号故障特征值；
[0027]图11为实施例2中归一化后振动信号故障特征值。
具体实施方式
[0028]下面结合附图对本专利技术的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本专利技术。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本专利技术的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
[0029]实施例
[0030]图1是本专利技术一种变转速工况下的旋转机械振动信号归一化方法流程图。
[0031]在本实施例中，如图1所示，本专利技术一种变转速工况下的旋转机械振动信号归一化方法，包括以下步骤：
[0032]S1、采集目标旋转机械的振动信号X∈R
N
×
T
和转速信号S∈R
N
×
T
，其中，N表示采集数据样本的个数，T表示单个数据样本的采集时长；
[0033]在本实施例中，目标旋转机械包括但不限于电动机、发电机、齿轮箱、泵和风机等旋转机械。使用本专利技术的方法时，单次只针对一个旋转机械，对多个旋转机械，需要分别使用本专利技术的方法。另外，振动信号包括但不限制于加速度信号、速度信号、位移信号、扭矩信号和声压信号；若设备有多个旋转轴，可为任一旋转轴的转速，转速的单位可为rpm或者Hz。但本实施例要求振动信号和加速度信号同步采集。
[0034]在本实施例中，为避免归一化过程中去除故障信息，因此，所采集的信号应为目标机械健康状态下的数据。所采集的转速既可以是连续变转速的，也可以是阶梯状变转速的。
[0035]S2、设置阶次p的搜索范围(p
low
,p
up
)和搜索步长p0，其中，p
low
为搜索范围最小值，p
up
为搜索范围最大值；
[0036]在本实施例中，阶次p为不小于零的实数，因此，常用的搜索范围为(0,3)，搜索步长p0一般范围为0.00本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种变转速工况下的旋转机械振动信号归一化方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)、采集目标旋转机械的振动信号X∈R
N
×
T
和转速信号S∈R
N
×
T
，其中，N表示采集数据样本的个数，T表示单个数据样本的采集时长；(2)、设置阶次p的搜索范围(p
low
，p
up
))和搜索步长p0，其中，p
low
为搜索范围最小值，p
up
为搜索范围最大值；(3)、将振动信号除以转速信号的p次方，得到X/S
p
；(4)、计算X/S
p
的均方根RMS
p
∈R
N
，以及转速信号的均值M
S
∈R
N
；(5)、计算RMS
p
和M
S
的相关系数Corr
p
；(6)、若p＜p
up
，则更新p＝p+p0，再返回步骤(3)；否则，直接进入步骤(7)；(7)、利用线性搜...

【专利技术属性】
技术研发人员：饶猛，左明健，
申请(专利权)人：青岛睿发工程咨询服务合伙企业有限合伙，
类型：发明
国别省市：