專利名稱：基于扭振的回轉(zhuǎn)機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于機(jī)械技術(shù)領(lǐng)域，進(jìn)一步涉及機(jī)械診斷與控制學(xué)領(lǐng)域的以激光多普勒扭振傳感器的輸出信號(hào)，監(jiān)測(cè)各類回轉(zhuǎn)機(jī)械的運(yùn)行狀態(tài)并診斷其關(guān)鍵組件(如軋輥，轉(zhuǎn)子，滾動(dòng)軸承，傳動(dòng)齒輪和聯(lián)軸節(jié))隱含故障的方法。
扭轉(zhuǎn)振動(dòng)與橫向振動(dòng)一樣，也是轉(zhuǎn)軸的基本振動(dòng)形式之一。目前，基于橫向振動(dòng)的大型回轉(zhuǎn)機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷方法以Bently公司的DDM和ADRE為典型代表。該方法通過時(shí)域波形圖，軸心軌跡圖，傅立葉譜圖和簡(jiǎn)單的趨勢(shì)分析功能來診斷不平衡，對(duì)中不良等常見故障。它完全拋棄了有關(guān)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速波動(dòng)的扭振的信息。然而，汽輪發(fā)電機(jī)組和離心壓縮機(jī)組在運(yùn)行中轉(zhuǎn)子部件的某些隱含故障橫向裂紋，對(duì)中不良及動(dòng)靜碰磨均會(huì)在扭振信號(hào)中得到明顯的反映。并且，對(duì)于承受高扭矩載荷的回轉(zhuǎn)類設(shè)備，其橫向振動(dòng)特征已不明顯，如冶金行業(yè)的大型軋機(jī)，由于坯料不均勻或軋輥磨損，作用在軋輥上的軋制力矩也隨之波動(dòng)，從而使傳動(dòng)軸系的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化；又如傳動(dòng)齒輪箱，齒輪剛度的瞬時(shí)變化，齒廓破壞而使得運(yùn)行平穩(wěn)性受到影響都將反映在齒輪軸的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)上。而周強(qiáng)在文“齒輪故障診斷參數(shù)的研究”)(<動(dòng)態(tài)分析與測(cè)試技術(shù)>1997No.2)中所提出的在箱體外壁測(cè)試振動(dòng)，由于傳遞路徑長(zhǎng)，信噪比低，在對(duì)齒面損傷如點(diǎn)蝕，膠合，齒根疲勞裂紋及局部斷齒的監(jiān)測(cè)診斷中常常會(huì)出現(xiàn)漏診和謊報(bào)的情形。
本發(fā)明的目的在于提供一套完善的轉(zhuǎn)速波動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)監(jiān)測(cè)診斷方法，通過本方法，用戶可以準(zhǔn)確便捷地測(cè)量整個(gè)轉(zhuǎn)軸的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)(瞬時(shí)轉(zhuǎn)速信息)，并進(jìn)一步通過分析扭振信號(hào)所攜帶的載荷波動(dòng)，傳動(dòng)件廓形劣化及扭轉(zhuǎn)剛度的瞬時(shí)波動(dòng)信息，來診斷主要組件的隱含故障并評(píng)定設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，調(diào)整設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)和負(fù)荷狀態(tài)，在確保設(shè)備安全的前提下，提高運(yùn)行質(zhì)量。
本發(fā)明的具體實(shí)施步驟如下1.選擇測(cè)試截面。根據(jù)監(jiān)測(cè)診斷要求和設(shè)備狀況，選定測(cè)試截面2.采集扭振信號(hào)并進(jìn)行預(yù)處理。通過激光多普勒扭振傳感器測(cè)量任一截面的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速波動(dòng)信號(hào)，然后利用專用的數(shù)據(jù)采集器完成隔直，濾波及模數(shù)轉(zhuǎn)換等預(yù)處理工作；3.扭振信號(hào)歸一化處理。將采集的扭振信號(hào)與電渦流傳感器測(cè)取的鍵相信號(hào)進(jìn)行歸一化處理；4.起停車分析。在被監(jiān)測(cè)設(shè)備的起停車階段，連續(xù)測(cè)取扭振信號(hào)并繪制出扭振Bode圖，Nyquest圖以及瀑布圖；然后，對(duì)比正常狀態(tài)的特性曲線，診斷前述組件的潛在缺陷和故障；再根據(jù)上述Bode圖，Nyquest圖以及瀑布圖提供的信息，估算整個(gè)軸系的各階扭振固有頻率和相應(yīng)振型。
5.穩(wěn)態(tài)信息處理及特征提取。在被監(jiān)測(cè)設(shè)備的工作階段，定期地測(cè)取扭振信號(hào)并繪制出扭振信號(hào)的時(shí)域波形圖和傅立葉譜圖，并計(jì)算出扭振各頻率分量精確的幅值，頻率，相位值以及峰峰值，均方差等各特征量。
6.非平穩(wěn)信息處理及特征提取。針對(duì)扭振信號(hào)調(diào)頻，調(diào)幅的非平穩(wěn)特性，采用Hilbert變換進(jìn)行包絡(luò)解調(diào)，在復(fù)平面分析其瞬時(shí)頻率和幅值的變化，再采用先進(jìn)的時(shí)頻分析技術(shù)，將一維信號(hào)拓展到二維時(shí)頻平面上進(jìn)行特征提取。
7.當(dāng)前狀態(tài)評(píng)估。利用第5～6步驟提取的特征量進(jìn)行狀態(tài)評(píng)估，判斷主要組件的故障類型和嚴(yán)重程度。
8.歷史趨勢(shì)分析。利用第5～6步驟提取的特征量進(jìn)行趨勢(shì)分析，把握整個(gè)轉(zhuǎn)軸潛在故障(如橫向裂紋)發(fā)生，發(fā)展的整個(gè)過程。
9.未來狀態(tài)預(yù)報(bào)。以趨勢(shì)分析為基礎(chǔ)，采用先進(jìn)的預(yù)測(cè)方法，來預(yù)報(bào)機(jī)組未來的運(yùn)行趨勢(shì)，協(xié)助制定機(jī)組的維修計(jì)劃，以實(shí)現(xiàn)機(jī)組的主動(dòng)維護(hù)。
10.多傳感器信息融合。通過計(jì)算機(jī)間的數(shù)據(jù)通訊與現(xiàn)有橫向振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，并進(jìn)一步進(jìn)行多傳感器的信息融合。
11.作出診斷決策。利用第4～10步驟的分析結(jié)果，作出診斷決策，確保設(shè)備安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。
本發(fā)明提供的轉(zhuǎn)軸扭振狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷方法，為回轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷領(lǐng)域開辟了新的思路，具有以下特點(diǎn)1.扭轉(zhuǎn)振動(dòng)能更直接地反映回轉(zhuǎn)機(jī)械的運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)轉(zhuǎn)軸扭矩的波動(dòng)，組件剛度變化和輪廓缺陷異常敏感；2.采用扭振趨勢(shì)分析和預(yù)報(bào)技術(shù)，為實(shí)現(xiàn)設(shè)備主動(dòng)維護(hù)提供可靠的技術(shù)保障；3.采用Hilbert包絡(luò)解調(diào)及先進(jìn)的時(shí)頻分析技術(shù)，處理伴隨著復(fù)雜的調(diào)頻，調(diào)幅現(xiàn)象的非平穩(wěn)信號(hào)，能更直觀，深入地把握扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的變化規(guī)律。
4.采用起停車分析技術(shù)測(cè)試軸系的各階扭振頻率和振型，對(duì)于改進(jìn)設(shè)計(jì)，安全運(yùn)行有重大意義。
5.采用激光多普勒扭轉(zhuǎn)振動(dòng)傳感器，與其他傳統(tǒng)的扭振測(cè)量方法相比，該方法采用非接觸測(cè)量，對(duì)測(cè)試對(duì)象無特殊要求(如計(jì)數(shù)齒輪)，具有很寬的頻率測(cè)試范圍，不受軸橫向振動(dòng)的影響。從而使得扭轉(zhuǎn)振動(dòng)測(cè)量更方便，可靠。
6.該系統(tǒng)容易在現(xiàn)有的基于橫向振動(dòng)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加以擴(kuò)充，實(shí)現(xiàn)兩系統(tǒng)間的信息融合與共享，以期多角度，全方位利用診斷信息，增強(qiáng)診斷結(jié)論的可信度。
本發(fā)明用于監(jiān)測(cè)診斷轉(zhuǎn)子橫向裂紋的裝置如圖2所示。1，2分別為轉(zhuǎn)軸的兩測(cè)試截面，3為鍵相傳感器，4，5分別為兩激光多普勒扭振傳感器，6為數(shù)據(jù)采集器，7為便攜式計(jì)算機(jī)。整個(gè)監(jiān)測(cè)診斷過程如下1.根據(jù)監(jiān)測(cè)橫向裂紋的要求，選擇兩個(gè)測(cè)試截面1和2；2.使用激光多普勒扭振傳感器4，5分別測(cè)量截面1，2處扭振信號(hào)，同時(shí)通過鍵相傳感器3測(cè)量鍵相信號(hào)，并將采集到的三路信號(hào)接入數(shù)據(jù)采集器6完成預(yù)處理工作，再將上述三路信號(hào)送入便攜式計(jì)算機(jī)7進(jìn)行后續(xù)處理；3.將兩路扭振信號(hào)按鍵相信號(hào)進(jìn)行歸一化處理；4.在轉(zhuǎn)子起車階段，連續(xù)測(cè)取上述三路信號(hào)，并繪制了如圖3所示的Bode圖(幅頻特性曲線)，其中水平軸r為轉(zhuǎn)速，垂直軸A為幅值。普通轉(zhuǎn)子的響應(yīng)一般只包括工頻分量(IX)，而裂紋轉(zhuǎn)子的頻率響應(yīng)包括工頻分量和倍頻分量(圖中2X和3X)，而且2X和3X會(huì)出現(xiàn)明顯的諧波響應(yīng)；5.定期測(cè)量扭振信號(hào)并繪制其時(shí)域波形圖和傅立葉譜圖，在頻域，精確計(jì)算各頻率分量精確的幅值，頻率，相位信息；在時(shí)域，計(jì)算峰峰值和均方差值；另外，將兩測(cè)試截面的扭振信號(hào)作差，繪制了如圖4所示的轉(zhuǎn)角差曲線，其中水平軸t為時(shí)間，垂直軸K為扭轉(zhuǎn)剛度，θ為兩截面的轉(zhuǎn)角差。由于裂紋轉(zhuǎn)子的扭振剛度呈現(xiàn)周期性變化，由此將導(dǎo)致轉(zhuǎn)子兩端的轉(zhuǎn)角差也會(huì)出現(xiàn)周期性的變化，結(jié)合鍵相信號(hào)，我們可以準(zhǔn)確判定裂紋的周向位置；6.采用Hilbert包絡(luò)解調(diào)以及小波，短時(shí)傅立葉變換進(jìn)一步提取其非平穩(wěn)特征；7.根據(jù)峰峰值判定轉(zhuǎn)子故障的嚴(yán)重程度，根據(jù)扭振各頻率分量的幅值，相位信息以及轉(zhuǎn)角差信息來判斷轉(zhuǎn)子是否出現(xiàn)橫向裂紋；8.以兩截面的轉(zhuǎn)角差為特征量，作出趨勢(shì)圖，來準(zhǔn)確地把握橫向裂紋的擴(kuò)展規(guī)律；
9.通過轉(zhuǎn)角差的歷史數(shù)據(jù)訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，預(yù)報(bào)橫向裂紋的擴(kuò)展趨勢(shì)，以便確定最佳的停機(jī)時(shí)間；10.通過測(cè)量水平和垂直兩方向的橫向振動(dòng)，繪制了二維全息譜圖(圖5)，可見明顯的IX，2X分量，而且1X分量橢圓比較圓，2X分量橢圓比較扁。進(jìn)一步判啶轉(zhuǎn)子出現(xiàn)了橫向裂紋；11.綜合以上分析，特別是第4，5，10步提取的診斷特征，可以確定轉(zhuǎn)子確實(shí)出現(xiàn)了橫向裂紋，并建議嚴(yán)密監(jiān)測(cè)其擴(kuò)展趨勢(shì)。


圖1為本發(fā)明的流程圖。
權(quán)利要求
1.基于扭振的回轉(zhuǎn)機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法，其具體步驟如下(1)選擇測(cè)試截面；(2)采集扭振信號(hào)并進(jìn)行預(yù)處理；(3)扭振信號(hào)歸一化處理；(4)起停車分析；(5)穩(wěn)態(tài)信息處理及特征提??；(6)非平穩(wěn)信息處理及特征提取；(7)當(dāng)前狀態(tài)評(píng)估；(8)歷史趨勢(shì)分析；(9)未來狀態(tài)預(yù)報(bào)；(10)多傳感器信息融合；(11)作出診斷決策。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于扭振的回轉(zhuǎn)機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法，其特征在于所述的采集扭振信號(hào)并進(jìn)行預(yù)處理是通過激光多普勒扭振傳感器測(cè)量任一截面的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速波動(dòng)信號(hào)，然后利用專用的數(shù)據(jù)采集器完成隔直，濾波及模數(shù)轉(zhuǎn)換等預(yù)處理工作。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于扭振的回轉(zhuǎn)機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法，其特征在于所述的起停車分析是在被監(jiān)測(cè)設(shè)備的起停車階段，連續(xù)測(cè)取扭振信號(hào)并繪制出扭振Bode圖，Nyquest圖以及瀑布圖；然后，對(duì)比正常狀態(tài)的特性曲線，診斷前述組件的潛在缺陷和故障；再根據(jù)上述Bode圖，Nyquest圖以及瀑布圖提供的信息，估算整個(gè)軸系的各階扭振固有頻率和相應(yīng)振型。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于扭振的回轉(zhuǎn)機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法，其特征在于所述的穩(wěn)態(tài)信息處理及特征提取是在被監(jiān)測(cè)設(shè)備的工作階段，定期地測(cè)取扭振信號(hào)并繪制出扭振信號(hào)的時(shí)域波形圖和傅立葉譜圖，并計(jì)算扭振各頻率分量精確的幅值，頻率，相位值以及峰峰值，均方差等各特征量。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于扭振的回轉(zhuǎn)機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法，其特征在于所述的非平穩(wěn)信息處理及特征提取是針對(duì)扭振信號(hào)調(diào)頻，調(diào)幅的非平穩(wěn)特性，采用Hilbert變換進(jìn)行包絡(luò)解調(diào)，在復(fù)平面分析其瞬時(shí)頻率和幅值的變化，再采用先進(jìn)的時(shí)頻分析技術(shù)，將一維信號(hào)拓展到二維時(shí)頻平面上進(jìn)行特征提取。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于扭振的回轉(zhuǎn)機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法，其特征在于所述的的歷史趨勢(shì)分析是利用5～6步提取的特征量進(jìn)行趨勢(shì)分析，把握整個(gè)軸系潛在故障(如橫向裂紋)發(fā)生，發(fā)展的整個(gè)過程。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于扭振的回轉(zhuǎn)機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法，其特征在于所述的的未來狀態(tài)預(yù)報(bào)是以趨勢(shì)分析為基礎(chǔ)，采用先進(jìn)的預(yù)測(cè)方法，來預(yù)報(bào)機(jī)組未來的運(yùn)行趨勢(shì)，協(xié)助制定機(jī)組的維修計(jì)劃，以實(shí)現(xiàn)機(jī)組的主動(dòng)維護(hù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于扭振的回轉(zhuǎn)機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法，其特征在于所述的多傳感器信息融合是通過計(jì)算機(jī)間的數(shù)據(jù)通訊與現(xiàn)有橫向振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，并進(jìn)一步進(jìn)行多傳感器的信息融合。
全文摘要
本發(fā)明公開一種基于扭振的回轉(zhuǎn)機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法,其步驟是采集信號(hào)預(yù)處理后進(jìn)行歸一化處理,然后進(jìn)行起停車分析、穩(wěn)態(tài)與非穩(wěn)態(tài)信息處理及特征提取,利用提取的特征是進(jìn)行狀態(tài)評(píng)估和趨勢(shì)分析,再進(jìn)行未來狀態(tài)預(yù)報(bào)和多傳感器信息融合,最后完成診斷決策,本方法可準(zhǔn)確測(cè)量轉(zhuǎn)軸的扭轉(zhuǎn)振動(dòng),監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)軸診斷關(guān)鍵組件的隱含故障的運(yùn)行狀態(tài),調(diào)整設(shè)備運(yùn)行參數(shù)和負(fù)荷狀態(tài)確保設(shè)備安全運(yùn)行。
文檔編號(hào)G01H1/10GK1191968SQ9811280
公開日1998年9月2日 申請(qǐng)日期1998年1月14日 優(yōu)先權(quán)日1998年1月14日
發(fā)明者屈梁生, 徐光華, 史樂鋒 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)