本發(fā)明涉及軸心軌跡進動方向識別，具體為一種轉(zhuǎn)子系統(tǒng)軸心軌跡進動方向自動識別方法。

背景技術(shù)：

1、在旋轉(zhuǎn)機械領(lǐng)域，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的運行狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷至關(guān)重要。軸心軌跡作為旋轉(zhuǎn)機械振動狀態(tài)檢測與診斷系統(tǒng)中的一個重要特征，其形狀和進動方向能夠直觀反映轉(zhuǎn)子的運動狀態(tài)或故障信息。傳統(tǒng)的軸心軌跡識別方法大多基于“人機”對話的方式實現(xiàn)，依賴于技術(shù)人員的經(jīng)驗進行主觀判斷，這不僅影響了故障診斷的準(zhǔn)確性和智能化水平，也難以適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)對高效、精準(zhǔn)診斷的需求。軸心軌跡是指當(dāng)轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時，它會繞轉(zhuǎn)軸中心點振動，運動的軌跡即為軸心軌跡。在正常情況下，軸心軌跡應(yīng)該是一個較為穩(wěn)定的、長短軸相差不大的橢圓。然而，當(dāng)轉(zhuǎn)子發(fā)生故障時，如不平衡、不對中、油膜渦動等，軸心軌跡的形狀和進動方向會發(fā)生顯著變化。例如，不平衡故障會使軸心軌跡呈橢圓形，且通常為正進動；不對中故障則會使軸心軌跡呈香蕉形或8字形，正進動與反進動并存。

2、在申請公布號為cn103412145a的中國發(fā)明申請中，公開了一種轉(zhuǎn)子系統(tǒng)軸心軌跡進動方向自動識別方法，包括設(shè)定采樣頻率，利用振動傳感器采集轉(zhuǎn)子的徑向振動信號，并通過快速傅立葉變換?fft?得到幅值譜?；其次，采用相位差校正方法對轉(zhuǎn)子振動信號中的主要頻率成分進行校正后重構(gòu)信號?；最后，利用重構(gòu)信號合成轉(zhuǎn)子提純軸心軌跡，并由提純軸心軌跡通過局部弧段的進動方向識別得到整個軸心軌跡的進動方向。本發(fā)明方法從局部角度出發(fā)，對軸心軌跡各個局部弧段的進動方向進行識別，不受軸心軌跡復(fù)雜程度的影響，通用性更強。

3、在以上發(fā)明申請中，通過局部弧段的進動方向識別得到整個軸心軌跡的進動方向，但不同軸心軌跡的局部弧段的劃分為相同頻率，由于軸心軌跡的形狀和特征不同，對于某些簡單的軸心軌跡形狀，采用過高的劃分頻率可能會導(dǎo)致不必要的計算量增加，從而降低計算效率，且過高的劃分頻率還會引入噪聲干擾，可能無法適應(yīng)不同工況下的軸心軌跡變化，從而降低識別的準(zhǔn)確性和可靠性。

4、為此，本發(fā)明提供了一種轉(zhuǎn)子系統(tǒng)軸心軌跡進動方向自動識別方法。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、（一）解決的技術(shù)問題

2、針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種轉(zhuǎn)子系統(tǒng)軸心軌跡進動方向自動識別方法，本發(fā)明通過將軸心軌跡依據(jù)不同的劃分頻率劃分為多個局部弧段，確定軸心軌跡的進動方向，記為不同弧段劃分頻率的進動方向，結(jié)合不同弧段劃分頻率的分析時長，計算不同弧段劃分頻率的合適系數(shù)，確定每種復(fù)雜度的最佳弧段劃分頻率，依據(jù)劃分?jǐn)?shù)據(jù)集確定待分析軸心軌跡輪廓的復(fù)雜度fz對應(yīng)的弧段劃分頻率，確定待分析軸心軌跡的進動方向，可以減少后續(xù)分析中的計算量，提高分析效率，在提高軸心軌跡分析的準(zhǔn)確性、優(yōu)化弧段劃分策略、提升分析效率和可靠性以及為故障診斷提供有力支持等方面帶來了諸多好處，從而解決了背景技術(shù)中記載的技術(shù)問題。

3、（二）技術(shù)方案

4、為實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案予以實現(xiàn)：一種轉(zhuǎn)子系統(tǒng)軸心軌跡進動方向自動識別方法，包括如下步驟：

5、在轉(zhuǎn)軸軸承座相互垂直的方向上安裝兩個電渦流位移傳感器，采集振動信號得到軸心軌跡，并將軸心軌跡進行提純，得到軸心軌跡圖，提取軸心軌跡邊緣輪廓；

6、獲取軸心軌跡交點數(shù)量su、軸心軌跡輪廓的離散指數(shù)e和分形盒維數(shù)d，計算軸心軌跡輪廓的復(fù)雜度fz；

7、將軸心軌跡依據(jù)不同的劃分頻率劃分為多個局部弧段，確定軸心軌跡的進動方向，記為不同弧段劃分頻率的進動方向，結(jié)合不同弧段劃分頻率的分析時長，計算不同弧段劃分頻率的合適系數(shù)，確定每種復(fù)雜度的最佳弧段劃分頻率，依據(jù)劃分?jǐn)?shù)據(jù)集確定待分析軸心軌跡輪廓的復(fù)雜度fz對應(yīng)的弧段劃分頻率，確定待分析軸心軌跡的進動方向。

8、進一步的，在轉(zhuǎn)軸軸承座相互垂直的方向上安裝兩個電渦流位移傳感器，確保它們成90度角，啟動轉(zhuǎn)子系統(tǒng)使轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，同時兩個傳感器同步采集振動信號，測量轉(zhuǎn)軸在兩個垂直方向上的振動位移。

9、進一步的，將兩個電渦流振動傳感器輸出的振動信號分別連接到示波器的x軸和y軸輸入端，得到軸心軌跡。

10、以下是幾種常見的軸心軌跡類型：

11、橢圓形：這是旋轉(zhuǎn)機械正常運行時的典型軸心軌跡。橢圓形軌跡表明轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)過程中保持相對穩(wěn)定的運動狀態(tài)。當(dāng)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的不平衡量較小時，軸心軌跡會接近圓形。

12、月牙形（芭蕉形）：這種軌跡通常指示轉(zhuǎn)子不對中或存在其他綜合故障因素。當(dāng)月牙形變得更為彎曲，接近香蕉狀時，表明轉(zhuǎn)子的不對中程度可能已相當(dāng)嚴(yán)重。

13、“8”字形：包括內(nèi)“8”字和外“8”字。內(nèi)“8”字軌跡可能與油膜渦動等故障有關(guān)，而外“8”字則通常表明轉(zhuǎn)子存在嚴(yán)重的不對中問題。

14、內(nèi)環(huán)形：這種軌跡一般在油膜渦動時出現(xiàn)，表明轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)過程中受到了不穩(wěn)定的油膜力的影響。

15、不規(guī)則形：當(dāng)轉(zhuǎn)軸與軸承之間出現(xiàn)嚴(yán)重摩擦、振動過大或存在其他復(fù)雜故障時，軸心軌跡可能會變得雜亂無章，形成不規(guī)則形狀。

16、進一步的，將軸心軌跡進行提純，得到軸心軌跡圖，導(dǎo)入邊緣檢測算法（如canny算子、sobel算子等）檢測軸心軌跡的邊緣，并在邊緣檢測的基礎(chǔ)上，利用輪廓提取算法（如霍夫變換、輪廓跟蹤等）提取軸心軌跡邊緣輪廓。

17、軸心軌跡提純方法包括小波變換與小波包變換、諧波小波變換、數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)濾波、eemd（集合經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解）、vold-kalman濾波、基于諧波窗的方法和基于信號稀疏表征的方法。

18、進一步的，使用交點檢測算法找到軸心軌跡邊緣輪廓的交點，遍歷交點檢測結(jié)果并計數(shù)獲得軸心軌跡交點數(shù)量su。

19、進一步的，提取軸心軌跡邊緣輪廓的周長l和面積s，計算軸心軌跡輪廓的離散指數(shù)e：

20、

21、其中，e值越大，單位面積的周長就越大，區(qū)域就越離散，形狀就越復(fù)雜；反之，e越小，單位面積的周長就越小，區(qū)域就越接近于圓形，形狀就越簡單。

22、進一步的，獲取軸心軌跡邊緣輪廓，用一個邊長為的盒子（或稱為網(wǎng)格）去覆蓋軸心軌跡邊緣輪廓構(gòu)成的圖形，設(shè)n()為覆蓋s所需的最小盒子數(shù)量，計算軸心軌跡輪廓的分形盒維數(shù)d：

23、

24、分形盒維數(shù)（box-counting?dimension），也稱為盒維數(shù)或閔可夫斯基維數(shù)，是分形幾何中一種重要的維數(shù)度量方式，如果分形盒維數(shù)較大，說明軸心軌跡輪廓比較復(fù)雜、不規(guī)則，相反，如果分形盒維數(shù)較小，說明軸心軌跡輪廓比較簡單、規(guī)則。

25、進一步的，獲取軸心軌跡交點數(shù)量su、軸心軌跡輪廓的離散指數(shù)e和分形盒維數(shù)d，計算軸心軌跡輪廓的復(fù)雜度fz：

26、

27、其中，表示歷史軸心軌跡樣本中交點數(shù)量的最大值，表示歷史軸心軌跡樣本中交點數(shù)量的最小值，表示歷史軸心軌跡樣本中離散指數(shù)的最大值，表示歷史軸心軌跡樣本中離散指數(shù)的最小值，表示歷史軸心軌跡樣本中分形盒維數(shù)的最大值，表示歷史軸心軌跡樣本中分形盒維數(shù)的最小值。

28、進一步的，將軸心軌跡依據(jù)不同的劃分頻率劃分為多個局部弧段，針對每個局部弧段，采用速度矢量分析方法識別其進動方向，統(tǒng)計所有局部弧段的進動方向，確定軸心軌跡的進動方向，記為不同弧段劃分頻率的進動方向，其中，正進動記為1，反進動記為0。

29、進一步的，使用計時器對不同弧段劃分頻率下的進動方向分析時長進行計時，記為不同弧段劃分頻率的分析時長。

30、進一步的，獲取不同弧段劃分頻率的進動方向，計算進動方向均值，結(jié)合不同弧段劃分頻率的分析時長，計算不同弧段劃分頻率的合適系數(shù)：

31、

32、其中， i表示不同弧段劃分頻率的編號。

33、進一步的，獲取不同弧段劃分頻率的合適系數(shù)的最小值對應(yīng)的弧段劃分頻率做為該軸心軌跡的最佳弧段劃分頻率，收集軸心軌跡樣本，分析其對應(yīng)的復(fù)雜度和最佳弧段劃分頻率，確定每種復(fù)雜度的最佳弧段劃分頻率，搭建劃分?jǐn)?shù)據(jù)集；

34、其中，每種復(fù)雜度的最佳弧段劃分頻率為同種復(fù)雜度軸心軌跡的最佳弧段劃分頻率的均值。

35、進一步的，依據(jù)劃分?jǐn)?shù)據(jù)集確定待分析軸心軌跡輪廓的復(fù)雜度fz對應(yīng)的弧段劃分頻率，將軌跡劃分為多個局部弧段，針對每個局部弧段，采用速度矢量分析方法識別其進動方向，統(tǒng)計所有局部弧段的進動方向，確定待分析軸心軌跡的進動方向。

36、（三）有益效果

37、本發(fā)明提供了一種轉(zhuǎn)子系統(tǒng)軸心軌跡進動方向自動識別方法，具備以下有益效果：

38、1、在轉(zhuǎn)軸軸承座相互垂直的方向上安裝兩個電渦流位移傳感器，采集振動信號得到軸心軌跡，并將軸心軌跡進行提純，得到軸心軌跡圖，提取軸心軌跡邊緣輪廓，通過提純軸心軌跡并提取邊緣輪廓，能夠更準(zhǔn)確地判斷旋轉(zhuǎn)機械的運行狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)潛在故障，提高故障診斷的準(zhǔn)確性。

39、2、獲取軸心軌跡交點數(shù)量su、軸心軌跡輪廓的離散指數(shù)e和分形盒維數(shù)d，計算軸心軌跡輪廓的復(fù)雜度fz，可以全面評估軸心軌跡的復(fù)雜性和不規(guī)則性，從而制定更合理的局部弧段劃分策略，可以更靈活地調(diào)整局部弧段劃分的策略，以適應(yīng)不同軸心軌跡的分析需求。

40、3、將軸心軌跡依據(jù)不同的劃分頻率劃分為多個局部弧段，確定軸心軌跡的進動方向，記為不同弧段劃分頻率的進動方向，結(jié)合不同弧段劃分頻率的分析時長，計算不同弧段劃分頻率的合適系數(shù)，確定每種復(fù)雜度的最佳弧段劃分頻率，依據(jù)劃分?jǐn)?shù)據(jù)集確定待分析軸心軌跡輪廓的復(fù)雜度fz對應(yīng)的弧段劃分頻率，確定待分析軸心軌跡的進動方向，可以減少后續(xù)分析中的計算量，提高分析效率，在提高軸心軌跡分析的準(zhǔn)確性、優(yōu)化弧段劃分策略、提升分析效率和可靠性以及為故障診斷提供有力支持等方面帶來了諸多好處。