基于復(fù)信號雙邊譜的旋轉(zhuǎn)機械故障特征提取方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及機械設(shè)備故障診斷領(lǐng)域領(lǐng)域，具體是一種基于復(fù)信號雙邊譜的旋轉(zhuǎn)機 械故障特征提取方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 國內(nèi)外對大型旋轉(zhuǎn)機械比較廣泛應(yīng)用的傳統(tǒng)監(jiān)測方法是FFT幅值譜、軸心軌跡、 瀑布圖、趨勢圖等。這些方法的主要缺點是：分析結(jié)果不直觀，幅值譜和相位譜分離；相位 譜誤差太大；轉(zhuǎn)子的垂直和水平兩個方向的振動信號孤立的考慮，造成相位信息沒有充分 利用，分析結(jié)果不直觀。為此，1989年西安交大屈梁生教授提出了一種全息譜方法，將水平 和垂直兩個方向的振動信號分別進(jìn)行FFT變換，然后提取兩個方向主要頻率處的幅值譜和 相位譜進(jìn)行復(fù)合處理，得到各頻率分量處的振動軌跡，再將這些軌跡按頻率順序放在一張 譜圖上，就形成了二維全息譜，根據(jù)軌跡的偏心率來診斷故障。其缺點是由于振動軌跡所占 譜圖空間太大，造成頻率分辨率不高。1993年美國Bently公司提出了一種全譜方法，其過 程是先將水平和垂直方向的振動信號做FFT變換，然后導(dǎo)出水平和垂直方向的正反進(jìn)動圓 的分量，再合成水平方向和垂直方向的正反進(jìn)動圓分量，得到正反進(jìn)動圓半徑，并將正反進(jìn) 動圓半徑分別在頻率軸的主要正負(fù)頻率處標(biāo)出，根據(jù)頻率相等的正負(fù)頻率處的正反進(jìn)動圓 半徑大小來判斷進(jìn)動方向。這種方法曾經(jīng)在國內(nèi)流行過，但其不足之處仍然是沒有直觀的 反映相位信息，也即單憑正反進(jìn)動圓半徑無法生成振動軌跡，因為沒有相位信息就無法獲 得振動軌跡的主矢角。1998年鄭州大學(xué)韓捷教授提出了全矢譜方法，該方法似乎是為了避 免全息譜和全譜方法的不足，其過程是先將水平和垂直兩個方向的振動信號合成為一個復(fù) 信號，對復(fù)信號進(jìn)行FFT變換，再將從復(fù)信號的幅值譜和相位譜中提取水平和垂直兩個方 向的單邊譜，合成主振矢和副振矢以及振矢角，根據(jù)主振矢和副振矢的相對大小來判斷進(jìn) 動方向，也可以合成軸心軌跡。這種方法既避免了全息譜的分辨率不足的問題，也避免了全 譜不能顯示相位信息的缺陷，似乎很完美。但是其缺點是仍然只利用了單邊譜，忽略了"負(fù) 頻率"譜信息所代表的真正物理意義。由此看來，全譜、全息譜、全矢譜均只利用了單邊譜的 正頻率信息，且過程繁瑣，不直觀。
[0003] 因此，為解決以上問題，需要一種充分利用了"負(fù)頻率"代表的物理意義，使故障特 征更全面更直觀地體現(xiàn)，提高了故障診斷的準(zhǔn)確性，同時只進(jìn)行一次FFT運算，加快了運算 速度的基于復(fù)信號雙邊譜的旋轉(zhuǎn)機械故障特征提取方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 有鑒于此，本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，提供一種使故障特征更全面 更直觀地體現(xiàn)，提高了故障診斷的準(zhǔn)確性，同時又能提高運算速度的基于復(fù)信號雙邊譜的 旋轉(zhuǎn)機械故障特征提取方法。
[0005] 本發(fā)明的基于復(fù)信號雙邊譜的旋轉(zhuǎn)機械故障特征提取方法，包括以下步驟：
[0006] 采集轉(zhuǎn)子外表面同一截面水平方向上的水平振動信號和垂直方向上的垂直振動 信號；將所述水平振動信號與所述垂直振動信號合成復(fù)信號；對所述復(fù)信號進(jìn)行快速傅里 葉變換得到復(fù)信號雙邊譜；根據(jù)所述復(fù)信號雙邊譜得到故障特征參數(shù)；
[0007] 進(jìn)一步，所述水平振動信號與垂直振動信號分別通過布置在轉(zhuǎn)子同一截面上相互 垂直的傳感器探頭X和傳感器探頭Y測?。?br>[0008] 進(jìn)一步，對所述水平振動信號和垂直振動信號進(jìn)行離散化處理，得到長度為N的 離散信號，分別記為X (η)和y (η);所述復(fù)信號記為Z (η)且Z (n) =X (n)+jy (η)，其中j為 虛數(shù)單位；
[0009] 進(jìn)一步，所述復(fù)信號雙邊譜包括雙邊幅值譜和雙邊相位譜；
[0010] 進(jìn)一步，將所述雙邊幅值譜和雙邊相位譜融合生成軸心軌跡；
[0011] 進(jìn)一步，將所述軸心軌跡處理生成故障特征參數(shù)。
[0012] 本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明的基于復(fù)信號雙邊譜的旋轉(zhuǎn)機械故障特征提取方 法，通過對復(fù)信號進(jìn)行快速傅里葉變換得到復(fù)信號雙邊譜，該復(fù)信號雙邊譜為同時包括"正 頻率"和"負(fù)頻率"的雙邊譜（包括幅值譜和相位譜），經(jīng)過數(shù)學(xué)推導(dǎo)，正頻率處幅值對應(yīng)轉(zhuǎn) 子正進(jìn)動圓半徑，負(fù)頻率處幅值對應(yīng)轉(zhuǎn)子反進(jìn)動圓半徑，融合幅值譜和相位譜的信息就可 以生成各主要頻率處的軸心軌跡，并可進(jìn)一步生成全譜、全息譜、全矢譜。復(fù)信號雙邊譜結(jié) 果和全譜、全息譜、全矢譜完全等價，且該方法只需進(jìn)行一次FFT變換，提高了計算速度，而 全譜、全息譜、全矢譜卻要對水平和垂直方向振動信號分別進(jìn)行FFT變換，過程繁瑣，速度 慢，而本發(fā)明充分利用了 "負(fù)頻率"代表的物理意義，使故障特征更全面更直觀地體現(xiàn)，提高 了故障診斷的準(zhǔn)確性，同時只進(jìn)行一次FFT運算，加快了運算速度。
【附圖說明】
[0013] 下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步描述：
[0014] 圖1為本發(fā)明的基于復(fù)信號雙邊譜的旋轉(zhuǎn)機械故障特征提取方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0015] 圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；如圖所示，本發(fā)明的基于復(fù)信號雙邊譜的旋轉(zhuǎn)機械 故障特征提取方法，包括以下步驟：
[0016] 采集轉(zhuǎn)子外表面同一截面水平方向上的水平振動信號和垂直方向上的垂直振動 信號；將所述水平振動信號與所述垂直振動信號合成復(fù)信號；對所述復(fù)信號進(jìn)行快速傅里 葉變換得到復(fù)信號雙邊譜；根據(jù)所述復(fù)信號雙邊譜得到故障特征參數(shù)，通過對復(fù)信號進(jìn)行 快速傅里葉變換得到復(fù)信號雙邊譜，該復(fù)信號雙邊譜為同時包括"正頻率"和"負(fù)頻率"的 雙邊譜（包括幅值譜和相位譜），經(jīng)過數(shù)學(xué)推導(dǎo)，正頻率處幅值對應(yīng)轉(zhuǎn)子正進(jìn)動圓半徑，負(fù) 頻率處幅值對應(yīng)轉(zhuǎn)子反進(jìn)動圓半徑，融合幅值譜和相位譜的信息就可以生成各主要頻率處 的軸心軌跡，并可進(jìn)一步生成全譜、全息譜、全矢譜。復(fù)信號雙邊譜結(jié)果和全譜、全息譜、全 矢譜完全等價，且該方法只需進(jìn)行一次FFT變換，提高了計算速度，而全譜、全息譜、全矢譜 卻要對水平和垂直方向振動信號分別進(jìn)行FFT變換，過程繁瑣，速度慢。
[0017] 本實施例中，所述水平振動信號與垂直振動信號分別通過布置在轉(zhuǎn)子同一截面上 相互垂直的傳感器探頭X和傳感器探頭Y測取，傳感器探頭用于產(chǎn)生從部件的旋轉(zhuǎn)發(fā)出的 機械振動的模擬電測量信號；并可采用模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器，響應(yīng)所述接收的模擬測量數(shù)據(jù)， 以采樣頻率對模擬測量信號進(jìn)行采樣，以便產(chǎn)生數(shù)字測量數(shù)據(jù)信號。
[0018] 本實施例中，對所述水平振動信號和垂直振動信號進(jìn)行離散化處理，得到長度為N 的離散信號，分別記為X (η)和y (η);所述復(fù)信號記為Z (η)且Z (η) = X (n)+jy (η)，其中j 為虛數(shù)單位。
[0019] 本實施例中，所述復(fù)信號雙邊譜包括雙邊幅值譜和雙邊相位譜。1)將z(n)進(jìn)行 快速傅里葉變換（FFT)，得到系數(shù) Cn = CR(n)+jCI(n)，n = 0, 1，2,…N-I ;2)取 Cn(n = 0, 1，2…N/2)組成一個行向量CN1，取Cn(n = Ν/2+1，Ν/2+2，Ν/2+3，…N-1)組成一個行向
【主權(quán)項】
1. 一種基于復(fù)信號雙邊譜的旋轉(zhuǎn)機械故障特征提取方法，其特征在于，包括以下步 驟： 采集轉(zhuǎn)子外表面同一截面水平方向上的水平振動信號和垂直方向上的垂直振動信 號； 將所述水平振動信號與所述垂直振動信號合成復(fù)信號； 對所述復(fù)信號進(jìn)行快速傅里葉變換得到復(fù)信號雙邊譜； 根據(jù)所述復(fù)信號雙邊譜得到軸心軌跡故障特征參數(shù)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于復(fù)信號雙邊譜的旋轉(zhuǎn)機械故障特征提取方法，其特征在 于：所述水平振動信號與垂直振動信號分別通過布置在轉(zhuǎn)子同一截面上相互垂直的傳感器 探頭X和傳感器探頭Y測取。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于復(fù)信號雙邊譜的旋轉(zhuǎn)機械故障特征提取方法，其特征在 于：對所述水平振動信號和垂直振動信號進(jìn)行離散化處理，得到長度為N的離散信號，分別 記為x (n)和y (n);所述復(fù)信號記為z (n)且z (n) = x (n) +jy (n)，其中j為虛數(shù)單位。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于復(fù)信號雙邊譜的旋轉(zhuǎn)機械故障特征提取方法，其特征在 于：所述復(fù)信號雙邊譜包括雙邊幅值譜和雙邊相位譜。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于復(fù)信號雙邊譜的旋轉(zhuǎn)機械故障特征提取方法，其特征在 于：將所述雙邊幅值譜和雙邊相位譜融合生成軸心軌跡。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于復(fù)信號雙邊譜的旋轉(zhuǎn)機械故障特征提取方法，其特征在 于：所述故障特征參數(shù)通過軸心軌跡生成。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于復(fù)信號雙邊譜的旋轉(zhuǎn)機械故障特征提取方法，包括以下步驟：采集轉(zhuǎn)子外表面同一截面水平方向上的水平振動信號和垂直方向上的垂直振動信號；將所述水平振動信號與所述垂直振動信號合成復(fù)信號；對所述復(fù)信號進(jìn)行快速傅里葉變換得到復(fù)信號雙邊譜；根據(jù)所述復(fù)信號雙邊譜得到軸心軌跡故障特征參數(shù)，本方法使故障特征更全面更直觀地體現(xiàn)，提高了故障診斷的準(zhǔn)確性，同時又能提高運算速度。
【IPC分類】G01M13-00
【公開號】CN104677619
【申請?zhí)枴緾N201510105658
【發(fā)明人】李鑫, 羅明華, 方崇全, 佘影, 朱興林, 徐敏, 程玉龍, 張長伍, 胡闖, 鄭芳菲
【申請人】中煤科工集團重慶研究院有限公司
【公開日】2015年6月3日
【申請日】2015年3月10日