虛擬式旋轉(zhuǎn)機(jī)械特征分析儀的研制

虛擬式旋轉(zhuǎn)機(jī)械特征分析儀的研制

0階比跟蹤技術(shù)的發(fā)展樓梯比較分析技術(shù)是旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)信號(hào)分析和故障診斷的重要技術(shù)之一。通常，序列比較分析是角域采樣信號(hào)的光譜分析。因此階比分析的關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)振動(dòng)信號(hào)的等角度采樣,即階比采樣,從而得到角域采樣信號(hào)。階比采樣是指采樣的觸發(fā)間隔為旋轉(zhuǎn)機(jī)械每轉(zhuǎn)過一定角度的時(shí)間間隔。精確的階比分析要求對振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行等角度采樣,即采樣率的調(diào)整要與參考軸轉(zhuǎn)速的變化一致,該階比采樣過程在階比分析中稱為階比跟蹤,其實(shí)現(xiàn)方式是階比分析研究的重點(diǎn)。目前,國內(nèi)外在階比分析技術(shù)中已經(jīng)作了大量的研究,主要分為兩大類:一類是采用鑒相裝置的硬件式階比跟蹤,另一類是計(jì)算階比跟蹤(COT)。這兩類技術(shù)一方面需要使用價(jià)格比較昂貴的專用附加硬件,另一方面受到現(xiàn)場安裝條件的制約,因此限制了其應(yīng)用。重慶大學(xué)測試中心將瞬時(shí)頻率理論引入到階比分析中,提出了基于瞬時(shí)頻率估計(jì)的階比跟蹤方法,避免了現(xiàn)有階比分析技術(shù)中需要專用附加硬件和安裝不便的問題,實(shí)現(xiàn)了無需轉(zhuǎn)速計(jì)的基于瞬時(shí)頻率估計(jì)的階比跟蹤方法,研制出了虛擬式旋轉(zhuǎn)機(jī)械特征分析儀。1階段比較分析技術(shù)的研究1.1采用相圖設(shè)備的硬件階比跟蹤1.1.1光電脈沖角域采樣系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)基于光電脈沖角度編碼盤的硬件式階比跟蹤直接源于角域采樣的經(jīng)典理論,是最早實(shí)現(xiàn)的階比跟蹤,由于實(shí)時(shí)性好,在目前的工程實(shí)際中仍有應(yīng)用。其實(shí)現(xiàn)原理見圖1,它使用特定的鑒相裝置——光電脈沖角度編碼盤,產(chǎn)生外部觸發(fā)脈沖,通過采樣率合成器和模擬跟蹤濾波器等硬件手段來實(shí)現(xiàn)階比采樣的角域信號(hào)。由于在正常運(yùn)行狀態(tài)下軸轉(zhuǎn)速趨于恒定,因此這種方法在正常運(yùn)行條件下可以進(jìn)行精確采樣。1.1.2動(dòng)態(tài)振動(dòng)信號(hào)采樣采用轉(zhuǎn)速計(jì)的階比跟蹤實(shí)現(xiàn)原理見圖2,轉(zhuǎn)速計(jì)每轉(zhuǎn)提供一個(gè)鑒相脈沖,該脈沖被送入比例合成器,它相當(dāng)于一個(gè)鎖相倍頻電路PLL,PLL將轉(zhuǎn)速脈沖n倍頻,從而實(shí)現(xiàn)每轉(zhuǎn)提供n個(gè)外部觸發(fā)脈沖進(jìn)而控制模/數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC對原始振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行(角域)采樣。這實(shí)際上是認(rèn)為轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在每一轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)中是基本恒定的,同時(shí)比例合成器根據(jù)觸發(fā)脈沖的間隔時(shí)間來控制一個(gè)可變截止頻率的抗混疊跟蹤濾波器。1.2計(jì)算序列比較的跟蹤在計(jì)算階比跟蹤中,采用鑒相裝置和內(nèi)插算法來實(shí)現(xiàn)等角度采樣,常見的計(jì)算階比跟蹤方法有以下幾種:1.2.1轉(zhuǎn)速估計(jì)采樣過程經(jīng)典的計(jì)算階比跟蹤的實(shí)現(xiàn)原理見圖3。首先對原始振動(dòng)信號(hào)和鑒相脈沖信號(hào)(如轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào))分兩路以恒采樣率同時(shí)進(jìn)行等時(shí)間間隔采樣,得到同步采樣信號(hào);然后通過采集的鑒相脈沖序列即轉(zhuǎn)速脈沖序列(通常是每轉(zhuǎn)一個(gè)脈沖)進(jìn)行轉(zhuǎn)速估計(jì),并作為振動(dòng)相角的測量基準(zhǔn);再由轉(zhuǎn)速估計(jì)計(jì)算等角度采樣發(fā)生的時(shí)刻序列;最后在計(jì)算出的等角度采樣發(fā)生時(shí)刻附近時(shí)間區(qū)間內(nèi)對同步采樣的原始振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行插值重采樣,得到階比采樣的角域信號(hào)。1.2.2提高階比跟蹤精度研究發(fā)現(xiàn),計(jì)算階比跟蹤的精度主要由插值計(jì)算精度和鑒相脈沖提供的合成同步采樣時(shí)標(biāo)的精度所決定。選用適當(dāng)?shù)乃惴?計(jì)算階比跟蹤可獲得相當(dāng)高的插值精度。而采用硬件計(jì)算轉(zhuǎn)速脈沖到達(dá)時(shí)間可顯著提高合成同步采樣的精度,這是傳統(tǒng)階比跟蹤的優(yōu)勢。近年來,Bossley等在此基礎(chǔ)上提出了組合計(jì)算階比跟蹤法,其實(shí)現(xiàn)原理見圖4,即利用高精度的插值算法和硬件脈沖計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)高精度階比跟蹤。1.2.3旋轉(zhuǎn)重采樣時(shí)的采樣最近,呂琛等提出了采用高速信號(hào)處理器(digitalsignalprocessor,DSP)電路和插值算法來實(shí)現(xiàn)階比跟蹤,其實(shí)現(xiàn)原理見圖5。DSP中的定時(shí)器得到轉(zhuǎn)速計(jì)的轉(zhuǎn)速脈沖(每轉(zhuǎn)一個(gè)脈沖)的間隔時(shí)間,并寫入時(shí)間存儲(chǔ)器塊,同時(shí)DSP用固定的采樣率(等時(shí)間間隔采樣)將A/D采樣得到的數(shù)據(jù)寫入信號(hào)存儲(chǔ)器塊;之后,DSP用相鄰的三個(gè)轉(zhuǎn)速計(jì)時(shí)間讀數(shù)進(jìn)行二次多項(xiàng)式曲線擬合,據(jù)此可以求出轉(zhuǎn)軸在該時(shí)間段內(nèi)任意時(shí)刻的相角。根據(jù)該擬合好的多項(xiàng)式,可以對該時(shí)間段按要求的采樣率求出進(jìn)行等角度采樣的重采樣時(shí)刻;然后根據(jù)這些重采樣時(shí)刻就可以用插值濾波器進(jìn)行插值重采樣,從而得到階比采樣的數(shù)據(jù)。1.3基于波動(dòng)頻率估計(jì)的階比跟蹤1.3.1硬件裝置阻礙階比分析的應(yīng)用由上述階比分析技術(shù)可以看出:在階比跟蹤的實(shí)現(xiàn)上,傳統(tǒng)和現(xiàn)行方法多使用專門的角度編碼盤、跟蹤濾波器、轉(zhuǎn)速計(jì)等硬件裝置,這些硬件裝置不僅成本較高而且安裝較為復(fù)雜,因而阻礙了階比分析在工程實(shí)際中的廣泛應(yīng)用。我們在研究旋轉(zhuǎn)機(jī)械階比分析的過程中,考慮到旋轉(zhuǎn)機(jī)械非平穩(wěn)振動(dòng)的信號(hào)特征,引入了時(shí)頻分析技術(shù),利用如下兩個(gè)對應(yīng)關(guān)系提出了基于瞬時(shí)頻率估計(jì)的階比跟蹤方法,其實(shí)現(xiàn)原理見圖6。(1)時(shí)頻分析技術(shù)中的時(shí)頻頻率與旋轉(zhuǎn)機(jī)械速度的相應(yīng)關(guān)系ni(t)=60fi(t)(1)式中,ni(t)為瞬時(shí)轉(zhuǎn)速;fi(t)為瞬時(shí)頻率。(2)循環(huán)振動(dòng)次數(shù)的確定f=lR/60(2)式中,f為頻率,l為階比(參考軸每轉(zhuǎn)內(nèi)的循環(huán)振動(dòng)次數(shù));R為參考軸轉(zhuǎn)速。階比與轉(zhuǎn)速(或頻率)有直接的對應(yīng)關(guān)系,可以保持和轉(zhuǎn)速的恒定聯(lián)系,階比為1總是表示轉(zhuǎn)速的1倍,同理,階比為2表示轉(zhuǎn)速的兩倍,其他階比分量的意義依次類推。1.3.2快速搜索法檢測階比基于瞬時(shí)頻率估計(jì)的階比跟蹤算法的具體實(shí)現(xiàn)步驟如下:(1)利用時(shí)頻分析手段對原始采樣的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻分析,得到時(shí)頻譜。(2)在時(shí)頻譜圖上進(jìn)行峰值搜索,獲得參考軸離散瞬時(shí)頻率fi(k)的估計(jì)值。具體的峰值搜索算法為式中,IFE為峰值搜索得到的瞬時(shí)頻率估計(jì)值;TF為用于峰值搜索的時(shí)頻面;argmax表示取最大值的參數(shù)(在此為ki);p為設(shè)定的局部極大值搜索范圍;M為時(shí)頻面的時(shí)間線數(shù);N為時(shí)頻面的頻率線數(shù)。由預(yù)先確定的起始點(diǎn)坐標(biāo)(n1,k0)進(jìn)行第一次搜索,得到時(shí)頻面上第一個(gè)峰值坐標(biāo)(n1,k1),此時(shí)ni=n1,ki=k1;然后根據(jù)當(dāng)前峰值坐標(biāo)(ni,ki)向前后兩個(gè)方向同時(shí)進(jìn)行搜索,此時(shí)如果ni+1>N-1,則停止向前搜索,否則根據(jù)當(dāng)前起點(diǎn)坐標(biāo)(ni+1,ki±1)繼續(xù)向前搜索;如果ni-1<0,則停止向后搜索,否則根據(jù)當(dāng)前起點(diǎn)坐標(biāo)(ni-1,ki±1)繼續(xù)向后搜索;搜索完成以后,當(dāng)前的ni變?yōu)閚i±1,而當(dāng)前的ki即為在當(dāng)前ni處的峰值坐標(biāo)。如此反復(fù),直到前后兩個(gè)方向的搜索都完成為止,所獲得的一系列峰值坐標(biāo)點(diǎn)(ni,ki)即表示了在時(shí)頻面上對應(yīng)的瞬時(shí)頻率估計(jì)值fi(k)。也就是說根據(jù)時(shí)間坐標(biāo)線ni所對應(yīng)時(shí)刻的頻率坐標(biāo)線ki和頻率分辨率的乘積即可得到fi(k)。選擇合適的初始近似峰值坐標(biāo)(n1,k0)和設(shè)定合適的局部極大值搜索范圍p,即可成功搜索出峰值坐標(biāo)(ni,ki)。(3)通過分段最小二乘擬合的方法獲得連續(xù)瞬時(shí)頻率fi(t)的擬合曲線,進(jìn)而得到其瞬時(shí)轉(zhuǎn)速ni(t)的擬合曲線;對于旋轉(zhuǎn)機(jī)械升/降速階段,fi(t)基本滿足光滑連續(xù)條件,在小范圍內(nèi)用擬合多項(xiàng)式或樣條方程實(shí)現(xiàn)高精度逼近是可行的。根據(jù)上一步搜索得到的峰值坐標(biāo)點(diǎn)(ni,ki)進(jìn)行曲線擬合,這里取二階方程擬合,則擬合方程為fi(t)=at2+bt+c(4)誤差ε的平方和為F(a,b,c)=∑niε2ni=∑ni[fi(tni)?fni]2F(a,b,c)=∑niεni2=∑ni[fi(tni)-fni]2(5)令求解式(6)即可得到擬合系數(shù)a,b,c。(4)根據(jù)瞬時(shí)頻率fi(t)的擬合曲線來產(chǎn)生相應(yīng)的鑒相時(shí)標(biāo)Tn。其算法如下:2π∫TnT0Τ0Τnfi(t)dt=nΔθn=1,2,…,N(7)式中,n為采樣時(shí)刻序列號(hào);Δθ為等角度增量,Δθ=π/Omax;Omax為最大理論階比分析范圍;N為FFT長度。故式(4)的積分為aT3n3+aT2n2+cTn=n2Omax+aT303bT202+cT0(8)aΤn33+aΤn22+cΤn=n2Οmax+aΤ033bΤ022+cΤ0(8)式(8)的數(shù)值解即為階比采樣的鑒相時(shí)標(biāo)Tn。(5)根據(jù)鑒相時(shí)標(biāo)Tn對原始采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行插值以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的等角度插值重采樣,進(jìn)而得到階比采樣的角域離散轉(zhuǎn)角序列x(Tn):x(Tn)=∑mx(mTs)hs(mTs?Tn)x(Τn)=∑mx(mΤs)hs(mΤs-Τn)(9)hs(t)=sin(πfst)πfsths(t)=sin(πfst)πfst(10)式中,Ts為時(shí)域采樣間隔;m的取值使得mTs在Tn的附近;hs(t)為插值濾波器。(6)利用離散轉(zhuǎn)角序列x(Tn)即可通過FFT進(jìn)行階比分析。2虛擬式旋轉(zhuǎn)機(jī)械特征分析方法根據(jù)重慶大學(xué)測試中心提出的基于瞬時(shí)頻率估計(jì)的階比跟蹤方法,研制出了虛擬式旋轉(zhuǎn)機(jī)械特征分析儀。利用該儀器對一偏心電機(jī)在升降速階段引起的懸臂梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)進(jìn)行了實(shí)測試驗(yàn),試驗(yàn)裝置見圖7,電機(jī)為一直流電機(jī),安裝在一簡支梁振動(dòng)臺(tái)上,其升降速過程可用調(diào)壓器控制。2.1電機(jī)實(shí)際運(yùn)行測試試驗(yàn)中升速過程是在接通電源后迅速將驅(qū)動(dòng)電壓由0調(diào)至170V,降速測試時(shí)是將控制電壓由170V迅速調(diào)回0,因此,基本上是測量電機(jī)的空載升速和停機(jī)降速過程。測試信號(hào)為加速度信號(hào),由B&K4370加速度傳感器將振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電荷信號(hào),再用B&K2635電荷放大器濾波、放大后轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)供A/D采樣。B&K2635電荷放大器參數(shù)設(shè)定為:加速度信號(hào),31.6倍放大,2～1000Hz帶通濾波。A/D采樣頻率固定為50kHz。在測試中為簡化起見,直接使用電壓作為輸出結(jié)果單位。2.2結(jié)果分析(1)升速階段信號(hào)分析頻譜分析試驗(yàn)主要用于和階比譜分析作對比。分析信號(hào)采用電機(jī)升速階段的一段信號(hào),其信號(hào)時(shí)域波形和頻譜分析結(jié)果見圖8。由圖8可以看出,頻譜結(jié)果有嚴(yán)重的“頻率模糊”現(xiàn)象,這是因?yàn)轭l譜分析不適用于旋轉(zhuǎn)機(jī)械的升降速過程中非平穩(wěn)信號(hào)的分析。(2)采樣數(shù)據(jù)處理根據(jù)圖6所示的原理,首先對振動(dòng)信號(hào)的短時(shí)傅里葉變換時(shí)頻譜圖進(jìn)行峰值搜索得到瞬時(shí)頻率估計(jì)值,然后根據(jù)瞬時(shí)頻率的擬合曲線產(chǎn)生相應(yīng)的鑒相時(shí)標(biāo),再根據(jù)鑒相時(shí)標(biāo)對原始采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行插值重采樣得到角域采樣數(shù)據(jù),最后進(jìn)行階比譜分析。其角域波形和階比幅值譜見圖9。3