本發(fā)明屬于風(fēng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于自相關(guān)零點(diǎn)計(jì)數(shù)的風(fēng)機(jī)軸承階變信號識別方法。

背景技術(shù)：

風(fēng)機(jī)是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械功，機(jī)械功帶動電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)輸出電能的電力設(shè)備。作為風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的核心，風(fēng)機(jī)具有不可替代的地位，對其運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測具有重要意義，而軸承是風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)中的典型薄弱的環(huán)節(jié)，對風(fēng)機(jī)軸承的監(jiān)測尤為重要。風(fēng)機(jī)往往在復(fù)雜變工況環(huán)境下運(yùn)行，致使其軸承監(jiān)測信號中包含大量的不可用或弱可用信號：停機(jī)空采信號和階變信號。停機(jī)空采信號為無風(fēng)情況下風(fēng)機(jī)停轉(zhuǎn)時采集獲得，幅值水平普遍偏低，完全不含任何有用信息，可以通過對比平均絕對幅值予以識別和剔除；階變信號即局部統(tǒng)計(jì)特性發(fā)生階變的監(jiān)測信號，該信號因外部沖擊或風(fēng)速突變而產(chǎn)生，可用性遠(yuǎn)低于正常監(jiān)測信號，但信號中仍含有部分信息可以利用，具有弱可用特性，在信號源匱乏的情形中，弱可用的階變信號具有重要價值。階變信號的信號特性區(qū)別于正常監(jiān)測信號，需要識別后采用特殊的方法進(jìn)行處理，但現(xiàn)有的風(fēng)電設(shè)備監(jiān)測技術(shù)并未針對階變信號給出有效的識別方法。通過繪制監(jiān)測信號的自相關(guān)序列圖形發(fā)現(xiàn)，可用監(jiān)測信號，即非階變信號，其自相關(guān)序列在零延時附近出現(xiàn)峰值，且在零線上下高頻振蕩；階變信號自相關(guān)序列同樣在零延時附近取峰值且具有振蕩特點(diǎn)，但零延時附近的振蕩中心嚴(yán)重偏離零線，致使過零點(diǎn)次數(shù)明顯低于非階變信號的自相關(guān)序列。因此通過進(jìn)行自相關(guān)序列零延時附近區(qū)間零點(diǎn)計(jì)數(shù)，可以簡單快速地實(shí)現(xiàn)階變信號的識別。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明提供一種基于自相關(guān)零點(diǎn)計(jì)數(shù)的風(fēng)機(jī)軸承階變信號識別方法，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)軸承階變信號的快速有效識別。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：

一種基于自相關(guān)零點(diǎn)計(jì)數(shù)的風(fēng)機(jī)軸承階變信號識別方法，包括以下步驟：

1)獲取風(fēng)機(jī)軸承振動信號并進(jìn)行預(yù)處理，預(yù)處理包括去均值、50Hz工頻陷波，得到預(yù)處理振動信號其中N為信號長度；

2)統(tǒng)計(jì)獲得軸承轉(zhuǎn)頻f_r的范圍，最小值記為f_rmin，最大值記為f_rmax；

3)對預(yù)處理信號進(jìn)行低通濾波，濾波截止頻率f_c選擇為軸承最大轉(zhuǎn)頻f_rmax的5～10倍，即f_c＝(5～10)f_rmax；

4)計(jì)算低通濾波后信號的自相關(guān)序列

5)采用移動平均方法對自行關(guān)序列進(jìn)行平滑，窗寬選擇為100；

6)在自相關(guān)序列的中段區(qū)間進(jìn)行零點(diǎn)計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)區(qū)間為[X_9N/10,X_11N/10]：

6.1)令s＝9N/10，初始化零點(diǎn)計(jì)數(shù)器P⁽¹⁾＝0；

6.2)若X_s·X_s+1≤0，則P^(s+1)＝P^(s)+1，否則P^(s+1)＝P^(s)；

6.3)s＝s+1，返回步驟6.2)直到s≥11N/10，輸出計(jì)數(shù)結(jié)果P^(s)；

7)設(shè)定零點(diǎn)計(jì)數(shù)閾值其中表示向下取整，η為可靠系數(shù)，f_s為采樣頻率；

8)完成風(fēng)機(jī)軸承階變信號識別：若P^(s)＜P_ε，則認(rèn)為該風(fēng)機(jī)軸承信號具有階變特性；若P^(s)≥P_ε，則認(rèn)為該風(fēng)機(jī)軸承信號不具有階變特性。

本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明首先對待識別信號進(jìn)行去均值和工頻陷波預(yù)處理，然后根據(jù)軸承轉(zhuǎn)頻范圍設(shè)定截止頻率并進(jìn)行低通濾波，之后計(jì)算濾波信號的自相關(guān)序列并在序列中段區(qū)間進(jìn)行零點(diǎn)計(jì)數(shù)，最后設(shè)置零點(diǎn)閾值，比較完成信號識別。該識別方法復(fù)雜度低、識別率高，極大的提高了信號的利用率，可嵌入風(fēng)力發(fā)電機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)作可用數(shù)據(jù)預(yù)篩選工具使用。

附圖說明

圖1為本發(fā)明流程圖。

圖2為實(shí)施例SL1500型風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖。

圖3為實(shí)施例一組風(fēng)機(jī)軸承非階變信號和一組階變信號的時域波形及自相關(guān)序列對比圖：圖3(a)為非階變信號時域波形；圖3(b)為階變信號時域波形；圖3(c)為非階變信號自相關(guān)序列；圖3(d)為階變信號自相關(guān)序列。

圖4為實(shí)施例某機(jī)組一段時間內(nèi)監(jiān)測信號的零點(diǎn)計(jì)數(shù)結(jié)果及閾值。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述。

如圖1所示，一種基于自相關(guān)零點(diǎn)計(jì)數(shù)的風(fēng)機(jī)軸承階變信號識別方法，包括以下步驟：

1)獲取風(fēng)機(jī)軸承振動信號并進(jìn)行預(yù)處理，包括去均值、50Hz工頻陷波，得到預(yù)處理振動信號其中N為信號長度；

2)統(tǒng)計(jì)獲得軸承轉(zhuǎn)頻f_r的大致范圍，最小值記為f_rmin，最大值記為f_rmax；

3)對預(yù)處理信號進(jìn)行低通濾波，濾波截止頻率f_c選擇為軸承最大轉(zhuǎn)頻的5～10倍，即f_c＝(5～10)f_rmax；

4)計(jì)算低通濾波后信號的自相關(guān)序列

5)采用移動平均方法對自行關(guān)序列進(jìn)行平滑，窗寬選擇為100；

6)在自相關(guān)序列的中段區(qū)間進(jìn)行零點(diǎn)計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)區(qū)間為[X_9N/10,X_11N/10]：

6.1)令s＝9N/10，初始化零點(diǎn)計(jì)數(shù)器P⁽¹⁾＝0；

6.2)若X_s·X_s+1≤0，則P^(s+1)＝P^(s)+1，否則P^(s+1)＝P^(s)；

6.3)s＝s+1，返回步驟6.2)直到s≥11N/10，輸出計(jì)數(shù)結(jié)果P^(s)；

7)設(shè)定零點(diǎn)計(jì)數(shù)閾值其中表示向下取整，η為可靠系數(shù)，f_s為采樣頻率；

8)完成風(fēng)機(jī)軸承階變信號識別：若P^(s)＜P_ε，則認(rèn)為該風(fēng)機(jī)軸承信號具有階變特性；若P^(s)≥P_ε，則認(rèn)為該風(fēng)機(jī)軸承信號不具有階變特性。

實(shí)施例：從某企業(yè)SL1500型風(fēng)機(jī)采集監(jiān)測信號對本發(fā)明進(jìn)行驗(yàn)證，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示。該型號風(fēng)機(jī)將葉片傳入的動力經(jīng)由兩級行星輪系和一級定軸輪系增速后輸入發(fā)電機(jī)，完成風(fēng)能到電能的轉(zhuǎn)化。監(jiān)測信號通過加速度傳感器采集，安裝在圖2所示的發(fā)電機(jī)驅(qū)動端軸承支座上，采樣頻率為25600Hz，信號長度為102400，即4s，監(jiān)測時間為2014年9月25日至2015年4月10日，共獲取81組驅(qū)動端軸承監(jiān)測信號。選取其中的一組非階變信號及一組典型階變信號繪制時域波形和自相關(guān)序列如圖3。由圖可以看出，非階變信號時域振動平穩(wěn)、幅值均勻，自相關(guān)序列在零延時附近出現(xiàn)峰值，并且在零線上下高頻振蕩；階變信號時域幅值水平與非階變信號相似，但出現(xiàn)明顯的階變斷裂，自相關(guān)序列同樣在零延時附近取峰值，但零延時附近的振蕩中心嚴(yán)重偏離零線，致使過零點(diǎn)次數(shù)明顯低于非階變信號的自相關(guān)序列。因此可以通過計(jì)數(shù)自相關(guān)序列零延時附近區(qū)間的零點(diǎn)個數(shù)，簡單快捷地實(shí)現(xiàn)階變信號的識別。

對從機(jī)組獲取的81組驅(qū)動端軸承監(jiān)測信號進(jìn)行階變信號識別驗(yàn)證。首先對比絕對均值剔除停機(jī)空采數(shù)據(jù)，之后采用本發(fā)明方法對剩余信號進(jìn)行識別：依次進(jìn)行預(yù)處理、軸承轉(zhuǎn)頻范圍統(tǒng)計(jì)、低通濾波、自相關(guān)序列計(jì)算、零點(diǎn)計(jì)數(shù)、自相關(guān)序列平滑、零點(diǎn)閾值設(shè)定和比較識別。統(tǒng)計(jì)本實(shí)驗(yàn)中軸承的轉(zhuǎn)頻范圍約為18-30Hz，因此設(shè)定低通濾波截止頻率f_c＝200Hz，安全系數(shù)η＝0.9，相應(yīng)的零點(diǎn)閾值計(jì)算為P_ε＝25。將所有驅(qū)動端軸承監(jiān)測信號的零點(diǎn)計(jì)數(shù)結(jié)果和閾值繪制圖形如圖4，由圖可以看出，第18、28和34組數(shù)據(jù)為停機(jī)空采數(shù)據(jù)，第30、48、50、55、71和77組信號零點(diǎn)計(jì)數(shù)結(jié)果小于零點(diǎn)閾值P_ε＝25，根據(jù)判斷規(guī)則識別為階變信號。將81組數(shù)據(jù)的實(shí)際可用性情況統(tǒng)計(jì)填入表1中，對比圖4和表1發(fā)現(xiàn)，除了第26組識別出錯外，其余各組識別均符合事實(shí)，識別率為85.7％，能夠滿足工程實(shí)際的需求。該實(shí)驗(yàn)證明了本發(fā)明方法的有效性。

使用本發(fā)明方法對機(jī)組的81組信號進(jìn)行識別耗時統(tǒng)計(jì)如表2所示，識別平均耗時為35.78s，單個信號平均耗時為0.44s，對4s長度的數(shù)據(jù)識別僅消耗大約數(shù)據(jù)時長1/10的時間，充分證明了本方法簡單、快速的特點(diǎn)。另外實(shí)驗(yàn)用計(jì)算機(jī)配備2.4GHz主頻的雙核CPU，若采用更高配置的服務(wù)器運(yùn)行本發(fā)明，運(yùn)行耗時將更短。

表1風(fēng)機(jī)監(jiān)測信號可用性統(tǒng)計(jì)

注：A表示可用監(jiān)測信號，H表示停機(jī)空轉(zhuǎn)信號，S表示階變信號

表2風(fēng)機(jī)監(jiān)測信號耗時統(tǒng)計(jì)

本發(fā)明提供一種基于自相關(guān)零點(diǎn)計(jì)數(shù)的風(fēng)機(jī)軸承階變信號識別方法，適用對象為風(fēng)力發(fā)電機(jī)軸承，但通過調(diào)整低通濾波截止頻率、閾值并對方法做出修正后同樣適用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪階變信號的識別，因此通過更換參數(shù)或修正本方法等將本方法應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪階變信號的識別并未脫離本發(fā)明的構(gòu)思，也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。