變轉(zhuǎn)速下f細(xì)化階次全息譜分析

變轉(zhuǎn)速下f細(xì)化階次全息譜分析

為了監(jiān)控旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障，實現(xiàn)多通道多信息融合的方法主要有三種：全譜理論、全矢譜理論和全譜理論。而全息譜通過對相互垂直兩方向振動信號各倍頻幅值、相位信息融合以橢圓形式直觀表達(dá)轉(zhuǎn)子的運(yùn)動軌跡,能較好對轉(zhuǎn)子橫向裂紋、不平衡、彎曲、動靜部件徑向摩擦、油膜渦動、軸承座松動等故障進(jìn)行識別。轉(zhuǎn)速穩(wěn)定情況,對互相垂直的兩方向振動信號進(jìn)行FFT分析可得轉(zhuǎn)速頻率的倍頻分量幅值及相位信息。但在極端環(huán)境及特殊工況下,旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)速極不穩(wěn)定,所得振動信號非平穩(wěn),如風(fēng)電機(jī)組在正常運(yùn)行時轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定,不能通過FFT分析直接提取各倍頻分量。為解決變轉(zhuǎn)速下全息譜分析問題,魏玉果等將階次跟蹤引入全息譜分析,通過階次重采樣獲得各階次分量幅值及相位信息,再進(jìn)行全息譜分析,稱階次全息譜。與傳統(tǒng)全息譜分析因各倍頻幅值、相位存在誤差需校正相同,階次全息譜分析在階次譜計算中也存在誤差,同樣需校正。轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定時由于進(jìn)行階次重采樣,階次分量會很明確,階次全息譜只需計算部分階次;傳統(tǒng)的全息譜校正方法不適合階次全息譜校正,而FT細(xì)化校正法適合對局部進(jìn)行細(xì)化校正,且在密集階次譜情況下也能獲得較高精度,較適合階次全息譜校正,由此提出FT細(xì)化校正階次全息譜分析方法。1基于三對插值的階次全譜1.1采用插值濾波器重采樣,獲得所采樣點(diǎn)階次跟蹤階次跟蹤技術(shù)通過振動信號、轉(zhuǎn)速信號結(jié)合實現(xiàn)振動信號等角度采樣。對階次跟蹤技術(shù)的研究主要分兩大類:①硬件式階次跟蹤,直接通過模擬設(shè)備實現(xiàn)對振動信號等角度采樣;②計算式階次跟蹤(ComputedOrderTrackingCOT)。硬件式階次跟蹤設(shè)備較昂貴且安裝不便,故本文采用計算階次跟蹤技術(shù)中較精確的三次樣條插值計算階次跟蹤。即用三次樣條插值獲得等角度采樣點(diǎn)序列號,再據(jù)采集的X,Y方向振動信號序列用插值濾波重采樣完成階次跟蹤,具體步驟如下:(1)用同一采樣頻率fs同時采樣獲得互相垂直的振動信號序列X(n),Y(n)及轉(zhuǎn)速脈沖信號序列S(n)。(2)對轉(zhuǎn)速脈沖信號進(jìn)行三次樣條插值,據(jù)所選角域采樣頻率Os(即等角度采樣時每轉(zhuǎn)采樣點(diǎn)數(shù))及每轉(zhuǎn)所采脈沖數(shù)求出所需等角度重采樣序列號T(n)。(3)據(jù)所得等角度重采樣序列號T(n),用插值濾波器對原始采樣數(shù)據(jù)插值以獲得信號等角度采樣式中:i=0,1,2,3…n為重采樣后序列號i,k的取值在T(i)附近點(diǎn);hs(t)為內(nèi)插函數(shù)。由此獲得X,Y方向角域平穩(wěn)信號。(4)求出X,Y兩方向階次譜,獲得各階次幅值及相位fx,Ax,ax,fy,Ay,ay。將兩方向振動信號各階次寫成以t為參數(shù)的方程為(5)消去式(4)、(5)參數(shù)t,可得各倍頻全息譜方程為進(jìn)而可計算出全息譜中重要參數(shù),如長短軸、離心率、正余弦系數(shù)等。1.2旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)速變化用一組在二倍頻含密集頻譜的非平穩(wěn)模擬信號X(t),Y(t)進(jìn)行階次全息譜分析,表達(dá)式為方便模擬,取w=at2/2,旋轉(zhuǎn)機(jī)械工頻即轉(zhuǎn)速頻率為at,本文用加速度a=100r/s2模擬旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)速變化。取采樣頻率1024Hz、采集1024點(diǎn)見圖1。由于全息譜為對各倍頻分析,而對圖1中轉(zhuǎn)速變化信號不能直接提取各倍頻。因此對其以60的角域重采樣頻率進(jìn)行基于三次樣條插值的階次重采樣,截取前1024點(diǎn)獲得重采樣角域穩(wěn)定信號見圖2。對重采樣后X、Y方向信號進(jìn)行階次全息譜分析見圖3。2nt詳細(xì)校正階的全集2.1階次全息譜圖的計算步驟FFT+FT法為在不增加采樣點(diǎn)數(shù)情況下,先對信號進(jìn)行FFT求得全景譜,再針對所需細(xì)化局部用連續(xù)FT細(xì)化校正計算獲得局部細(xì)化、精度極高的頻譜。本文提出FT細(xì)化校正階次全息譜分析方法,先通過三次樣條插值階次跟蹤獲得等角度重采樣的角域信號,再通過FT細(xì)化校正獲得各階次的精確幅值及相位信息,據(jù)幅值、相位值得出階次全息譜圖,具體計算流程為(1)基于三次樣條插值的階次跟蹤重采樣后獲得角域采樣頻率Os階,角域工頻為1階,角域平穩(wěn)信號為x(n),y(n)。(2)對x(n),y(n)進(jìn)行N點(diǎn)FFT分析,找出0~1階間幅值最大的對應(yīng)階次作為分倍頻分析階次。計算出各倍頻對應(yīng)的階次譜序列號k,按式(9)、(10)分別計算各倍頻FT細(xì)化校正的起止頻率f1,f2:(3)針對實際信號確定細(xì)化倍數(shù)D,一般取20~50之間。據(jù)f1,f2,D計算出階次間隔Δf:(4)將{f1,f1+Δf,f1+2Δf,…,f1+lΔf=F2}分別代入式(12)、(13),即可獲得細(xì)化校正后階次譜實、虛部值,取該階次成分中幅值最大的作為該倍頻幅值,即可分別求出X,Y方向各倍頻校正后的幅值及相位Ax,ax,Ay,ay:獲得精確幅值、相位后,即可獲得精確階次全息譜圖。FT細(xì)化校正階次全息譜分析計算流程見圖4。2.2全息譜圖校正對式(7)、(8)模擬信號進(jìn)行FT連續(xù)細(xì)化校正階次全息譜分析,得階次全息譜圖見圖5。對式(7)、(8)模擬信號進(jìn)行階次跟蹤后基于比值校正法進(jìn)行階次全息譜分析,所得階次全息譜見圖6。由圖3與圖5、圖6對比看出,不校正直接計算所得各倍頻全息譜圖區(qū)別較大。由表1看出,直接計算誤差較大,因此計算全息階次譜校正較重要。由圖5、圖6對比看出,在1X,3X,4X處基本相同,但在含密集譜的2X處,圖5橢圓更扁平些且初始點(diǎn)位置不同,即兩幅圖離心率、初始相角不同。因密集頻譜影響,直接比值校正法所得幅值、相位均有一定誤差,反映到全息譜參數(shù)上即為正余弦系數(shù)與離心率不同。由表1結(jié)果分析知,在2X處直接比值校正所得X,Y向正余弦參數(shù)結(jié)果與理論值絕對差分別為0.0974,0.1001,0.0835,0.0467,離心率絕對差為0.0047,而FT細(xì)化校正法所得X,Y向正余弦參數(shù)結(jié)果與理論值絕對差分別為0.0080,0.0006,0.0080,0.0015,離心率結(jié)果基本相同。故FT細(xì)化校正法較比值校正法精度高,所得全息譜亦更精確。3振動信號采集為驗證本文方法的可行性與正確性,對轉(zhuǎn)子實驗臺進(jìn)行變速實驗測試見圖7,共采集4路信號,第1路為轉(zhuǎn)速脈沖信號,第2路為X向振動信號,第3路為Y向振動信號,第4路為實驗臺振動加速度信號。用512Hz采樣率進(jìn)行同步采樣,采集兩組數(shù)據(jù)分別為正常、加偏心質(zhì)量。加偏心質(zhì)量測得的轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號見圖8,加偏心質(zhì)量測得的X,Y方向振動信號見圖9。用采到的脈沖信號及X,Y向振動信號,據(jù)本文方法進(jìn)行重采樣,所得加偏心質(zhì)量重采樣后X,Y向信號見圖10。4測定轉(zhuǎn)子故障的光譜分析本文針對極端環(huán)境、特殊工況只能采集到轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定振動信號、階次全息譜分析精度不高問題,提出FT細(xì)化校正階次全息譜分析,并對模擬信號及轉(zhuǎn)子試驗臺采集信號分析,結(jié)論如下:(1)對非平穩(wěn)信號進(jìn)行階次全息譜分析時,可用三次樣條插值方法進(jìn)行階次重采樣,FT細(xì)化校正法進(jìn)行頻譜計算,能在存在密集普情況下獲得較精確的全息譜。(2)對轉(zhuǎn)子試驗臺信號進(jìn)行階次全息譜分析與直接階次譜分析對比充分說明該方法的有效性。通過與正常信號分析對比驗證FT細(xì)化校正階次全息譜分析方法能正確判斷轉(zhuǎn)子試驗臺故障。對原X,Y方向信號及重采樣后X,Y方向信號進(jìn)行頻譜與階次譜分析,其局部見圖11、圖12。由圖11看出,轉(zhuǎn)速頻率在30~40Hz波動,此時則不能選擇工頻,但重采樣后即可較好提取到1階頻率。對基于三次樣條插值跟蹤重采樣信號直接進(jìn)行階次全息譜分析所得階次全息譜見圖13。用FT細(xì)化校正方法對重采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行階次全息譜分析,見圖14。由圖14看出,工頻振幅較大,且為橢圓,而轉(zhuǎn)子失衡時全息譜特征除工頻橢圓外基本無其它倍頻分量,工頻橢圓形狀較扁,可