專利名稱：一種旋轉(zhuǎn)機械的故障診斷方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明專利屬于機械故障診斷領(lǐng)域，具體涉及旋轉(zhuǎn)機械故障診斷與控制領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
旋轉(zhuǎn)機械的檢測一般采用同一截面相互垂直的兩個探頭來完成，但是由于轉(zhuǎn)子的 渦動特性，任一探頭檢測到的信息在譜量值和結(jié)構(gòu)上均不能反映機組運行的實際狀況，在 很多情況下差異是很大的，會直接影響診斷結(jié)果，造成誤判。為了能夠客觀地反映轉(zhuǎn)子的振 動狀態(tài)，避免因此造成的誤判，許多學(xué)者和研究人員作了大量的研究和應(yīng)用工作，其中包括 國內(nèi)的全息譜分析技術(shù)、全矢譜分析技術(shù)以及國外的全譜分析技術(shù)，這些分析方法和技術(shù) 在實際工程應(yīng)用中取得了極大的成功，但也發(fā)現(xiàn)一些不足的地方，如圖Ι-a 圖1-c所示 依次為全息譜、全矢譜和全譜各分量隨倍頻程變化的關(guān)系圖。全息譜分析技術(shù)是在各倍頻 下用橢圓來表示振動的狀態(tài)，但由于在各諧波振幅相差較多時，直接采用橢圓來表示是難 以完整表達的，所以其圖譜分辨率低。全矢譜分析技術(shù)是在各倍頻下用橢圓長半軸大小表 示振動的強度，圖譜分辨率高，但是難以區(qū)分長半軸相等而離心率不等時的振動狀態(tài)。全譜 分析技術(shù)是在各倍頻下把軸心軌跡橢圓分解的兩個正圓半徑大小在正負頻率軸上展現(xiàn)出 來，通過比較二者同一諧波下正負頻率軸上的幅值大小來判斷進動方向，圖譜分辨率高，但 由于判斷各頻率下轉(zhuǎn)子振動強度大小還需用同一諧波正負頻率軸上的幅值相加來確定，故 對強度的表達是間接進行的，很難給出整體強度結(jié)構(gòu)的表象。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種旋轉(zhuǎn)機械的故障診斷方法，可以彌補現(xiàn)有分析方法信 息表示不全和分辨率不高的缺點，提高判斷的準(zhǔn)確性。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的旋轉(zhuǎn)機械的故障診斷方法的技術(shù)方案如下一種 旋轉(zhuǎn)機械的穩(wěn)態(tài)故障診斷方法，該方法的步驟如下
(1)在轉(zhuǎn)子截面布置兩個互相垂直的位移傳感器，采集轉(zhuǎn)子振動信號在垂直平面內(nèi)，X 傳感器布置在水平方向上，Y傳感器布置在豎直方向上，由X到Y(jié)的方向與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速方向一 致，采用等轉(zhuǎn)速信號采集并用鍵相信號進行同步整周期采樣；
(2)對采集的信號進行抗混濾波、低通濾波，去掉不必要的干擾噪聲信號；
(3)采用復(fù)FFT變換，進行主振矢α、副振矢i計算；
(4)計算出矢橢圓的矢面積鞏幻和矢振比￡矢面積是含有進動方向的軸心軌跡矢橢 圓的面積，以矢面積值的大小表達單一頻率下的測點振動強度大小，矢面積值的正負表達 轉(zhuǎn)子的正反進動即P(A)I的大小表示該頻率下的振動強度狀態(tài)；鞏幻>0時，轉(zhuǎn)子為正進 動，鞏約<0時，轉(zhuǎn)子為反進動；e用于表述X軸振動絕對值和Y軸振動絕對值融合前的大 小關(guān)系，比較轉(zhuǎn)子兩個方向所受的激振力大小I I =1表示X軸和Y軸振動絕對值相等I I=α表示X軸振動絕對值和Y軸振動絕對值相差無窮大；
(5)畫出矢面積和矢振比相對于倍頻或其它變量的關(guān)系(6)在穩(wěn)態(tài)故障診斷中，對矢面積風(fēng)勾、矢振比及關(guān)系圖進行分析先看相同的故障 特征頻率下的變量特征，分析可能的故障類型，再根據(jù)相應(yīng)的故障特征頻率下矢振比的大 小及軸向振動和振幅進行判別，共同結(jié)合確定故障的具體類型；在處理瞬態(tài)過程信息時，結(jié) 合伯德圖的表示方法，畫出矢面積瞬時關(guān)系圖，分析圖譜中矢面積值最大處所對應(yīng)的頻率 和轉(zhuǎn)速值即為轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的共振頻率及臨界轉(zhuǎn)速值。 主振矢、副振矢、矢振比及矢面積的計算方法如下 “ 1
式中，《、！>分別表示主振矢、副振矢，ε表示矢振比，風(fēng)幻表示矢面積。本發(fā)明專利具有以下功能和特點
1.本方法借鑒了全息譜用橢圓描述的振動狀態(tài)的優(yōu)點，融合進了橢圓數(shù)值化；吸收了 全矢譜中長半軸表示振動強度數(shù)值化的優(yōu)點，融合進了不同離心率的振動特征；利用了全 譜數(shù)值化描述兩個正圓半徑判斷進動方向的優(yōu)點，融合進了可區(qū)分振動狀態(tài)的特征。2.利用矢面積譜圖和矢振比相結(jié)合對故障進行判斷，避免了單獨使用矢面積時產(chǎn) 生的誤判現(xiàn)象，增強了診斷的準(zhǔn)確性。3.相比于其他方法來說，由于矢面積本身所具有的特性，使本方法具有靈敏度高、 穩(wěn)定性好的特點。


圖Ι-a是全息譜的示意圖； 圖l_b是全矢譜的示意圖； 圖1-c是全譜的示意圖； 圖2-a是矢面積隨主振矢變化的曲線圖； 圖2-b是矢面積隨副振矢變化的曲線圖； 圖2-c是矢面積隨倍頻程變化的曲線圖3-a是穩(wěn)態(tài)故障診斷中全矢譜方法主振矢隨倍頻程變化的曲線圖； 圖3-b是穩(wěn)態(tài)故障診斷中全矢譜方法副振矢隨倍頻程變化的曲線圖； 圖3-c是穩(wěn)態(tài)故障診斷中全矢譜方法相位角隨倍頻程變化的曲線圖； 圖4-a是穩(wěn)態(tài)故障診斷中矢面積法矢面積隨倍頻程變化的曲線圖；的大小表示該頻率下的振動強度狀態(tài)。^t) >0時，轉(zhuǎn)子為正進動，Sm <0
圖4-b是穩(wěn)態(tài)故障診斷中矢面積法矢振比隨倍頻程變化的曲線圖； 圖5-a是瞬態(tài)故障診斷中X軸隨轉(zhuǎn)速變化的伯德圖； 圖5-b是瞬態(tài)故障診斷中Y軸隨轉(zhuǎn)速變化的伯德圖； 圖5-c是瞬態(tài)故障診斷中全矢伯德圖； 圖5-d是瞬態(tài)故障診斷中矢面積隨轉(zhuǎn)速變化的伯德圖。
具體實施例方式旋轉(zhuǎn)機械隨著某些工藝參數(shù)和運行參數(shù)的變化過程的響應(yīng)是一組完整的過程信 號，它對于分析設(shè)備的穩(wěn)定性，進行故障診斷以及參數(shù)識別等具有重要價值。通過一組過程 信號的分析，可以分析轉(zhuǎn)子的振動特性，查詢幅值和相位變化的原因，獲得機組實際運行的 臨界轉(zhuǎn)速等關(guān)鍵參數(shù)，確定轉(zhuǎn)子的不平衡響應(yīng)，研究結(jié)構(gòu)和元件的共振等，是故障診斷的重 要依據(jù)之一。本發(fā)明中是在對現(xiàn)有全息譜、全矢譜、全譜分析技術(shù)的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)分析了各參數(shù) 與轉(zhuǎn)子系統(tǒng)參數(shù)、激振力參數(shù)的關(guān)系，并吸收現(xiàn)有旋轉(zhuǎn)機械故障診斷分析方法的優(yōu)點，提出 了用于旋轉(zhuǎn)機械故障診斷的一種新方法一矢面積法，即在各倍頻下用含進動方向的轉(zhuǎn)子 軸心運動軌跡橢圓的面積來表示振動狀態(tài)，與矢振比先后結(jié)合應(yīng)用于實際診斷中，結(jié)果表 明它具有獨特的診斷效果，是一種有效的故障診斷分析新方法，是對全矢譜分析方法的創(chuàng) 新和補充?；谵D(zhuǎn)子動力學(xué)理論，在各個響應(yīng)頻率下，轉(zhuǎn)子的軸心運動軌跡是一個橢圓。矢量 振動信號是描述轉(zhuǎn)子空間振動的一組動態(tài)信號，簡稱矢量信號；矢橢圓是含有進動方向的 矢量信號描繪的軸心軌跡橢圓；把含有進動方向的軸心軌跡矢橢圓的面積稱之為矢面積， 代數(shù)式本身含有矢量意義，正負代表正反進動，數(shù)值是橢圓的面積值。使用矢面積法進行故障診斷時，首先要布置好傳感器采集信號，具體操作如下在 轉(zhuǎn)子截面布置兩個互相垂直的位移傳感器，采集轉(zhuǎn)子振動信號。在垂直平面內(nèi)，X傳感器布 置在水平方向上，Y傳感器布置在豎直方向上，由X到Y(jié)的方向與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速方向一致，采用 等轉(zhuǎn)速信號采集并用鍵相信號進行同步整周期采樣。根據(jù)全矢譜技術(shù)，對采集到的信號進行抗混濾波、低通濾波等，去掉不必要的干擾 噪聲信號后，采用復(fù)FFT變換，進行主振矢a、副振矢b的計算
在根據(jù)全矢譜技術(shù)求出的主振矢和副振矢的基礎(chǔ)之上，用矢橢圓面積表述振動狀態(tài)特
時，轉(zhuǎn)子為反進動。矢振比ff = ω / ,可結(jié)合公式(1)計算，得到如下結(jié)果
kl大小代表軌跡橢圓偏心率、離心率的大小和橢圓的扁平程度，kl越大，離心率越大 (橢圓越扁)的正負代表正反進動為正表示轉(zhuǎn)子正進動，f為負表示轉(zhuǎn)子反進動?？捎糜诹私釯軸振動絕對值和7軸振動絕對值融合前的大小關(guān)系，比較轉(zhuǎn)子兩
個方向所受的激振力大小?？梢宰C明，若I軸和/軸振動絕對值相等，則矢振比等于1 ； 若I軸和/軸振動絕對值不等，則矢振比I I大于1 ；若I軸振動絕對值遠遠大于/軸振動絕
對值(或ι軸振動絕對值遠遠小于/軸振動絕對值)，則矢振比kl趨于無窮大。矢振比可以彌補新方法產(chǎn)生誤判的缺陷。如在短軸遠遠小于長軸時，新方法繪制 的矢面積值在圖譜中出現(xiàn)零值，會產(chǎn)生誤判現(xiàn)象，但是結(jié)合矢振比，則可成功判別因為此 時矢振比絕對值在圖譜中出現(xiàn)無窮大，該頻率下轉(zhuǎn)子軸心振動形狀近似為一直線，即相位 差力〃整數(shù)倍，此種情況下對應(yīng)一種特定的故障模式，如聯(lián)軸器不對中。如圖2(a C)所示為本發(fā)明新方法的矢面積隨不同參數(shù)所繪制的曲線圖，對比圖 1，我們可以清晰比較得出矢面積法與全息譜、全矢譜和全譜法相比所具有的優(yōu)勢如下
(1)借鑒了全息譜用橢圓描述的振動狀態(tài)的優(yōu)點，融合進了橢圓數(shù)值化的優(yōu)點；
(2)借鑒了全矢譜中長半軸表示振動強度數(shù)值化的優(yōu)點，融合進了不同離心率的振動 特征；
(3)借鑒了全譜數(shù)值化描述兩個正圓半徑判斷進動方向的優(yōu)點，融合進了可區(qū)分振動 狀態(tài)的特征；
(4)本方法與以往診斷方法相比，在旋轉(zhuǎn)機械故障診斷及控制方面具有靈敏度高，且穩(wěn) 定的突出特點。本發(fā)明的新方法既可以應(yīng)用在旋轉(zhuǎn)機械的穩(wěn)態(tài)故障診斷中，同時在處理旋轉(zhuǎn)機械 的瞬態(tài)過程信息時，同樣也表現(xiàn)出優(yōu)秀的特性，下面就本方法分別在穩(wěn)態(tài)故障診斷中的不 平衡故障診斷和瞬態(tài)故障診斷中的應(yīng)用為例詳細說明本方法的實現(xiàn)過程。某公司一臺雙吸離心式引風(fēng)機，自1993年投入運行以來，風(fēng)機平臺振動強烈，嚴(yán) 重影響系統(tǒng)的正常生產(chǎn)。雖經(jīng)多次測試和維修，但收效甚微。用全矢譜技術(shù)分析，如圖 3 (a c)所示，發(fā)現(xiàn)1倍頻處振動強度大。根據(jù)故障特征頻率1倍頻下振動強度大，判斷此 故障可能是基礎(chǔ)共振或不平衡所致，無法具體判別是何種故障。用本文方法對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進 行分析，如圖4(a)所示，發(fā)現(xiàn)1倍頻下面積值大，Y垂直徑向振動大于X水平軸和Z軸兩 個方向上的振動，這些特征都與基礎(chǔ)共振或不平衡引起的故障現(xiàn)象相似。假設(shè)是基礎(chǔ)共振引起的振動，那么基礎(chǔ)的固有頻率略低于風(fēng)機的工作頻率或者二 者非常接近，將會產(chǎn)生某一個方向過大的振動。但是通過本文方法診斷分析得知1倍頻下
I I近似為1，如圖4(b)所示，由之前分析可知，kl =1表示I軸和7軸振動絕對值相等，這說
明實際故障中并沒有在某一方向存在過大振動，故排除故障是由基礎(chǔ)共振引起的。
假設(shè)是不平衡造成的振動，雖然各點的振動存在相位差，但是垂直徑向和水平徑 向振動都比較大(即Ni較小)，和用本文方法分析的ι倍頻下kl近似為ι相符合，可能為此
故障發(fā)生原因。經(jīng)拆除進行平衡試驗發(fā)現(xiàn)故障正是由轉(zhuǎn)子不平衡所致。矢面積法圖譜與其他方法單通道分析法、雙通道分析法(如全息譜、全譜、全矢譜 等)相比，故障特征頻率更明顯、單一或故障特征頻率下的矢面積值更大且單一。通過深入 研究故障機理，并經(jīng)過大量的試驗，用本發(fā)明新方法進一步總結(jié)出工頻故障特征下不同的 矢振比特征。在相同的故障特征頻率下，結(jié)合矢振比能有效地區(qū)分不同的故障，可應(yīng)用到實 際診斷中，提高診斷的準(zhǔn)確性。 表1通過矢面積法總結(jié)的工頻故障征兆
在上表中，軸向振動是三維空間中除水平方向和垂直方向(這兩個方向信息融合)夕卜， 單獨另一個通道軸向值拿出來進行協(xié)助分析的特征量。軸心軌跡是雙通道融合后的軌跡圖 形，即矢面積的計算圖形，矢面積值的大小正是各個頻率下軸心軌跡圖形面積值的大小；而 振幅隨轉(zhuǎn)速變化中的“振幅”在這里指的是矢面積的大小，此處指固有頻率下，矢面積值隨 轉(zhuǎn)速的變化。在起停過程中，轉(zhuǎn)子經(jīng)歷了各種轉(zhuǎn)速，其振動信號是轉(zhuǎn)子系統(tǒng)對轉(zhuǎn)速變化的響應(yīng)， 是轉(zhuǎn)子動態(tài)特性和故障征兆外在反映，包含了平時難以獲得的豐富信息，因此，起停過程分 析是轉(zhuǎn)子監(jiān)測的一項重要工作。和全矢譜技術(shù)一樣，矢面積法在處理旋轉(zhuǎn)機械瞬態(tài)過程信 息時，同樣也表現(xiàn)出優(yōu)秀的特性——能精確找到轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的共振頻率及臨界轉(zhuǎn)速值，它是 借助伯德圖的表示方法，從而精確判斷轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速，指導(dǎo)設(shè)置機器的工作轉(zhuǎn)速避 開臨界轉(zhuǎn)速，以免機器發(fā)生共振。如圖5 (a d)所示依次為X軸繪制的伯德圖、Y軸繪制的伯德圖、全矢伯德圖和 矢面積法繪制的伯德圖，矢面積法繪制的伯德圖是將各轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)子軸心運動軌跡面積值 繪制在直角坐標(biāo)系上的曲線圖。如圖5-a所示，在3150r/s轉(zhuǎn)速下的振動最大為110 _ ,而在圖5_c中可以得至lj， 3250r/s轉(zhuǎn)速下的振動最大為148 _。由此可見，此傳統(tǒng)單通道分析法隨X、Y通道的選擇 而發(fā)生變化，無法具體確定該設(shè)備的臨界轉(zhuǎn)速值大小。由全矢伯德圖5-c可以分析3200r/ s下的振動最大，而用矢面積法繪制的伯德圖5-d同樣可以精確直觀分析出3200r/s下的振 動最大，且較全矢伯德圖更加清晰直觀。該圖縱坐標(biāo)表示的不是轉(zhuǎn)子在升車過程中不同轉(zhuǎn) 速下某一通道的振值，而是轉(zhuǎn)子軸心運動軌跡的面積值，從而使升車過程的瞬態(tài)信號特征 表現(xiàn)特別明顯，而且這種顯著表現(xiàn)不會像傳統(tǒng)分析一樣隨通道變化而改變。
權(quán)利要求
一種旋轉(zhuǎn)機械的穩(wěn)態(tài)故障診斷方法，其特征在于該方法的步驟如下(1)在轉(zhuǎn)子截面布置兩個互相垂直的位移傳感器，采集轉(zhuǎn)子振動信號在垂直平面內(nèi)，X傳感器布置在水平方向上，Y傳感器布置在豎直方向上，由X到Y(jié)的方向與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速方向一致，采用等轉(zhuǎn)速信號采集并用鍵相信號進行同步整周期采樣；(2)對采集的信號進行抗混濾波、低通濾波，去掉不必要的干擾噪聲信號；(3)采用復(fù)FFT變換，進行主振矢 、副振矢計算；(4)計算出矢橢圓的矢面積和矢振比矢面積是含有進動方向的軸心軌跡矢橢圓的面積，以矢面積值的大小表達單一頻率下的測點振動強度大小，矢面積值的正負表達轉(zhuǎn)子的正反進動即的大小表示該頻率下的振動強度狀態(tài)；時,轉(zhuǎn)子為正進動，時，轉(zhuǎn)子為反進動; 用于表述X軸振動絕對值和Y軸振動絕對值融合前的大小關(guān)系，比較轉(zhuǎn)子兩個方向所受的激振力大小=1表示X軸和Y軸振動絕對值相等，=表示X軸振動絕對值和Y軸振動絕對值相差無窮大；(5)畫出矢面積和矢振比相對于倍頻或其它變量的關(guān)系圖；(6)在穩(wěn)態(tài)故障診斷中，對矢面積、矢振比及關(guān)系圖進行分析先看相同的故障特征頻率下的變量特征，分析可能的故障類型，再根據(jù)相應(yīng)的故障特征頻率下矢振比的大小及軸向振動和振幅進行判別，共同結(jié)合確定故障的具體類型；在處理瞬態(tài)過程信息時，結(jié)合伯德圖的表示方法，畫出矢面積瞬時關(guān)系圖，分析圖譜中矢面積值最大處所對應(yīng)的頻率和轉(zhuǎn)速值即為轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的共振頻率及臨界轉(zhuǎn)速值。dest_path_image002.jpg,dest_path_image004.jpg,dest_path_image006.jpg,dest_path_image008.jpg,dest_path_image010.jpg,dest_path_image012.jpg,dest_path_image014.jpg,512676dest_path_image008.jpg,dest_path_image016.jpg,392907dest_path_image016.jpg,dest_path_image018.jpg,955476dest_path_image006.jpg,376093dest_path_image008.jpg
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)機械的故障診斷方法，其特征在于主振矢、副振矢、矢 振比及矢面積的計算方法如下 式中，β、 分別表示主振矢、副振矢，ε表示矢振比，鞏勾表示矢面積。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種旋轉(zhuǎn)機械的故障診斷方法，通過測取測振截面上互相垂直的兩個通道的振動原始信號，對采集的信號進行抗混濾波、低通濾波等，去掉不必要的干擾噪聲信號后，采用復(fù)FFT變換，進行主振矢a、副振矢b的計算，進而得出矢面積及矢振比的相關(guān)數(shù)值及其相對于各變量的圖譜，用此矢面積表達單一頻率下的測點振動強度大小和方向，用矢振比來表述矢橢圓的偏心率(離心率)的大小及橢圓的扁平程度和正反進動。本方法對旋轉(zhuǎn)機械的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)故障診斷都具有良好的效果，利用矢面積譜圖和矢振比相結(jié)合對故障進行判斷，避免了單獨使用矢面積時產(chǎn)生的誤判現(xiàn)象，增強了診斷的準(zhǔn)確性，提高了診斷的效率和精度。
文檔編號G01M7/02GK101929917SQ201010130450
公開日2010年12月29日 申請日期2010年3月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月24日
發(fā)明者陳先利, 韓捷 申請人:陳先利;韓捷