CN101368870B - 一种用于机械转子单截面轴振分析的幅值频谱的制作方法 - Google Patents

一种用于机械转子单截面轴振分析的幅值频谱的制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于机械转子单截面轴振分析的幅值频谱，它的制作由这些步骤组成：(1)读入同步采集的转轴一截面两垂直方向的位移信号序列x和y；(2)分别对两信号序列进行快速离散傅立叶变换；(3)基于两信号离散傅立叶变换结果求取各自傅立叶级数；(4)从获取的两傅立叶级数中，将每个频率下的来自x信号的正弦波谐波分量和来自y信号的正弦波谐波分量合成，得到一个轴心轨迹椭圆，又称为李萨育图形；(5)计算各频率下所合成椭圆的长半轴的大小，即各频率下截面上的轴振幅值的大小；(6)以频率或其阶次为横轴，以轴振幅值为纵轴，绘制出幅值频谱。每个轴振幅值代表相应频率下截面轴振实际大小，不受传感器安装方位影响。

Description

一种用于机械转子单截面轴振分析的幅值频谱的制作方法
技术领域
本发明涉及一种用于机械转子单截面轴振分析的幅值频谱。
以滑动轴承为转子支承件的大型旋转机械，如大型电机、离心式压缩机等，它们的运行状态的分析评估，所依靠的最基本工具就是转子轴振位移信号的频谱，因为转子轴振位移信号频谱能把轴振信号按频率做分解——分解为一组对应不同频率的轴振分量展现给用户。
通常，在旋转机械一个支承截面位置，安装两个互相垂直的指向转轴中心的振动位移传感器，称为X传感器和Y传感器，在定子上，以获取该截面上的转子振动位移信号，例图见附图2和附图3。所谓X传感器指，从观察转子为逆时针旋向的一端看过去，转子首先转过的那个传感器即为X传感器。不妨，将X传感器和Y传感器同时采集的一截面两方向振动位移信号序列，分别称为x信号序列和y信号序列，以下有时简称x信号和y信号。
有了同步采集的转轴一个截面上的x和y两信号序列，就可以把它们按一定的方式变换到频域，制作它们的某种频谱，进而对转子该截面及整个转子的运行状态进行分析评估。其中，幅值频谱，以下有时简称幅值谱或幅频谱，是最常用的一类频谱。
背景技术
对同步采集的转轴一个截面上的x和y两信号序列，一种最常见的幅值频谱获取形式是：对x信号和y信号序列，分别进行快速离散傅立叶变换，分别求取各自的傅立叶级数，然后绘制各自傅立叶级数的幅频谱。这种幅频谱方法的缺点是：如果两互相垂直的传感器在截面上的安装方位有变化(如由图2变为图3)时，即使转子运行状态不变，监测的x信号和y信号的幅频谱也会表现出差异，这不便于建立幅频谱特征与机器状态间的关系，也不便于比较传感器安装方位不同的两台同种机器的状态；另外，这种幅频谱，由于是单方向位移信号的频谱，如附图4、附图5、附图6、附图7所示，因此，谱图上的任一幅值不能反映其所在频率下截面轴振分量的最大值(即轴振幅值)。
对同步采集的转轴一个截面上的x和y两信号序列，另一种幅值频谱获取形式是：构造复位移信号序列z＝x+iy，对复序列z进行快速离散傅立叶变换，求取其傅立叶级数，然后绘制该傅立叶级数的幅频谱，称为复谱或者全频谱。该全频谱，对x和y两信号序列的信息有所融合，因而，其不会受两垂直传感器X和Y安装方位不同的影响，对建立幅频谱特征与机器状态间的关系提供了方便。但是，在全频谱上，每个频率分量被分解成了正反两个进动分量，它们的幅值是数学抽象的结果，不代表该频率下轴振动分量振幅的实际大小，如附图8所示。(参考文献：Don Southwick，Plus and minus spectrum，Orbit，1993，14(2)，p16-20)
发明内容
要解决的技术问题。常见幅频谱、全频谱(复谱)等这些幅值频谱，不能直观反映各频率下轴振动分量幅值的大小。常见幅频谱的谱特征还会受到两垂直传感器X和Y在安装截面上的安装方位的影响。
技术方案。
提出一种用于机械转子单截面轴振分析的幅值频谱，它的制作由下面的步骤组成：(1)读取同步采集的来自转轴一截面两垂直方向的信号序列x和y；(2)分别对两信号序列进行快速离散傅立叶变换；(3)基于两信号快速傅立叶变换结果求取各自傅立叶级数；(4)从获取的两信号傅立叶级数中，将每个频率下的来自x信号的正弦波谐波分量和来自y信号的正弦波谐波分量合成，得到一个轴心轨迹椭圆，又称为李萨育图形，如附图10所示；(5)计算各频率下所合成椭圆的长半轴的大小，即各频率下截面上的轴振幅值的大小；(6)以频率或其阶次为横轴，以轴振幅值为纵轴，绘制幅值频谱，如附图9所示。频率阶次指频率值除以某一参考频率而获得的相对频率值，无量纲。整个轴振幅值频谱的制作流程见附图1所示。
设x信号序列、y信号序列傅立叶级数分解得到的ωi(即2πfi)频率分量分别为：
Figure G2008101565846D0002124042QIETU
Figure G2008101565846D0002124051QIETU
则此两分量合成的截面内该分量轴心轨迹椭圆的长半轴计算如下：
Figure G2008101565846D00021
令
Figure G2008101565846D00022
Figure G2008101565846D00023
则有，
Figure G2008101565846D00025
此ωit下的oi 2(t)为椭圆长半轴或短半轴的平方，再计算转过90度后的椭圆的极径的平方，即 
Figure G2008101565846D00026
和
Figure G2008101565846D00027
对应的oi(t)的模平方，通过比较，可最终确定该椭圆的长半轴，即轴振幅值大小。
本发明转子单截面轴振幅值频谱的制作，所基于的原理是：一个信号，尤其是周期信号，可以进行傅立叶级数分解，分解为若干个单频率谐波分量；来自同一截面两垂直方向的同频率单频谐波分量，合成后是一个椭圆，此椭圆反映了该频率下轴振的轨迹，相应地，其椭圆长半轴也代表了该频率下的截面内轴振的幅值。
有益效果。
常见幅频谱、全频谱(复谱)不能反映各频率下轴振动分量幅值的大小。常见幅频谱的谱特征还受到两互相垂直的X传感器和Y传感器在安装截面上的安装方位变化的影响。本发明单截面轴振幅值频谱，其形状不受X传感器和Y传感器在安装截面上的安装方位变化的影响，特别是，其幅值代表了各频率下轴振动分量幅值的大小，有实际意义。本发明单截面轴振幅值频谱，便于使用者分析和建立幅值频谱的特征与机器运行状态间的关系。
从某转子一支承截面实测振动位移信号，X、Y两传感器的布置方位如附图2所示。同步采集来自X、Y位移传感器的转子振动位移信号，即x信号和y信号，采样率均为2kHz，采样点数均为1024点。附图4和附图5分别为x信号和y信号的位移信号幅频谱(阶次参考频率为186.352Hz，即转子转频)。若转移X、Y两传感器的布置方位至图3所示，再实测转子该支承截面的振动位移信号，则，经计算，x信号和y信号的位移信号幅频谱分别如附图6和附图7所示。附图4、附图5、附图6、附图7都是常见幅频谱，它们的阶次为1的分量幅值(见箭头)分别是12.8、25.6、22.1和18.4；它们都代表的只是一个方向的分量振动幅值。
附图8为以上x和y信号的全频谱，经计算，互相垂直的X、Y两传感器在截面上的布置方位变化时，全频谱不变。但附图8全频谱中，箭头所指的正负1阶进动分量的幅值(38和13)，不代表1阶频率下截面内轴振的幅值大小。
附图9为基于本发明对以上单截面x和y信号制作轴振幅值谱，经计算，互相垂直的X、Y两传感器在截面上的布置方位变化时，该单截面轴振幅值谱不变。同时，在附图9中，箭头所指的1阶轴振幅值，26.5，代表了1阶频率下截面内轴振的幅值大小。
附图说明
附图1，本发明轴振幅值频谱的制作方法流程。
附图2，X、Y位移传感器安装方位示意图1。
附图3，X、Y位移传感器安装方位示意图2。
附图4，一种传感器安装方位下的X传感器位移信号幅值频谱。
附图5，一种传感器安装方位下的Y传感器位移信号幅值频谱。
附图6，另一种传感器安装方位下的X传感器位移信号幅值频谱。
附图7，另一种传感器安装方位下的Y传感器位移信号幅值频谱。
附图8，在X、Y传感器任意垂直安装方位下两路信号合成的全频谱。
附图9，在X、Y传感器任意垂直安装方位下制作的本发明轴振幅值频谱。
附图10，X传感器和Y传感器信号之同频率分量合成的椭圆示意图。
具体实施方式(实施例)
如前所述，从某转子一支承截面实测振动位移信号，X、Y两传感器的布置方位如附图2所示。同步采集来自X、Y位移传感器的转子振动位移信号，即x信号和y信号，采样率均为2kHz，采样点数均为1024点。具体实施方式如下：
(1)读取一组同步采集的来自转子单截面X、Y传感器的转子振动位移信号，即x信号和y信号，采样率2kHz，采样点数1024点。
(2)分别对两信号序列进行快速离散傅立叶变换(FFT)，所得结果为1024点复序列。
(3)基于x、y两信号快速傅立叶变换结果，求取各自的傅立叶级数，获取由小到大共512个谐波分量的参数。
(4)从获取的两傅立叶级数中，将每个频率下的来自x信号的正弦波谐波分量和来自y信号的正弦波谐波分量合成，得到一个轴心轨迹椭圆，又称为李萨育图形，如附图10所示；共获得512个椭圆。
(5)计算各频率下所合成椭圆的长半轴的大小，即各频率下截面上的轴振幅值的大小；共512个幅值。
(6)以频率或其阶次为横轴，以轴振幅值为纵轴，绘制轴振幅值频谱，如附图9所示。附图9的阶次参考频率为186.352Hz，即转子转频。

Claims (1)

1.一种用于机械转子单截面轴振分析的幅值频谱的制作方法，其特征在于，由如下步骤组成：(1)读取同步采集的转轴一截面两垂直方向位移信号序列x和y；(2)分别对两信号序列进行快速离散傅立叶变换；(3)基于两信号离散傅立叶变换结果求取各自傅立叶级数；(4)从获取的两信号傅立叶级数中，将每个频率下的来自x信号的正弦波谐波分量和来自y信号的正弦波谐波分量合成，得到一个轴心轨迹椭圆，又称为李萨育图形；(5)计算各频率下所合成椭圆的长半轴的大小，即各频率下截面上的轴振幅值的大小；(6)以频率或其阶次为横轴，以轴振幅值为纵轴，绘制出幅值频谱。
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