CN101451883B - 用于机械转轴振动分析的短时二维全息谱阵列 - Google Patents
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Abstract
一种用于机械转子单截面轴振分析的短时频谱阵列，称为短时二维全息谱阵列，它的制作包含下面步骤：(1)读取同步采集的来自转轴一截面两垂直方向的x信号序列和y信号序列；(2)按一定的时延D和短时窗长L，分别对x信号序列和y信号序列进行分割，依次分割出各自的一组短时信号序列；(3)用每一对时跨相同的两方向短时信号序列在频域合成一个短时二维全息谱；(4)将合成的所有短时二维全息谱沿时间轴排列，即按短时信号序列截取的时间次序排列。短时二维全息谱阵列，不仅能反映各轴振分量振动幅值随时间的动态变化，也能反映振动方向随时间动态变化的特点，是对机械转轴运行平稳性进行深度分析的工具。
Description
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短时频谱阵列。
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轴振动位移信号的频域分析工具。转轴振动位移信号的频域分析工具把转轴振动按频率做分解——分解为一组对应不同频率的轴振分量展现给用户。
通常，在旋转机械的一个支承截面位置，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，以获取该截面上的转轴振动位移信号，例图见附图2和附图3。所谓X传感器指，观察者从观察转子为逆时针旋向的一端看过去，转子表面(与例图中水平方向相交的质点)首先逆时针转过的那个传感器即为X传感器。不妨，将从该截面X传感器和Y传感器同时采集的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。
将同步采集的转轴一个截面上的x信号序列和y信号序列，按一定的方式变换到频域，则可制作转轴相应的振动频谱。短时频谱阵列用于观察一对x、y信号序列在其采集期间振动频谱随时间的动态变化情况，也就是观察这期间转轴运行的平稳性状况。
背景技术
二维全息谱是一种特别的用于单截面转轴振动分析的频谱，它在频域中集成了转子一个支承截面内X、Y两个传感器方向位移信号的幅值谱和相位谱信息，它综合地反映了转子在一个支承截面内的各个轴振分量的振动情况，既包括了各个轴振分量大小的变化，也包括了各个轴振分量方向的变化。
二维全息谱的制作方法是：(1)读取同时拾取的转轴一个截面上的x信号序列和y信号序列；(2)对x信号序列和y信号序列分别进行快速离散傅立叶变换、求取各自的傅立叶级数；(3)抽出若干感兴趣的或者主要的来自两个方向的同频率谐波分量对，将这些同频率谐波分量对合成各自的轴心轨迹，每一对同频率谐波分量合成的轴心轨迹为一个椭圆、全面反映了该频率轴振分量的振动大小和方向的变化；(4)将各频率分量对合成的轴振椭圆排列在一张图上，并在每个椭圆处标记相应的频率阶次，则构成二维全息谱，见附图6所示。频率阶次指分量频率值除以某一参考频率而获得的相对频率值，无量纲；通常，以转频作为参考频率。
短时频谱阵列，作为分析转轴在数据观测期间运行平稳性的工具，其常见的做法是：读取x信号序列(或y信号序列)，按一定的时延D和短时窗长L，分割出一组短时信号序列，对每一个短时信号序列进行快速离散傅立叶变换、求取各自的傅立叶级数；再将各短时序列傅立叶级数幅值频谱沿时间轴依次排列，则构成了一个短时幅值频谱阵列。
以上常见短时幅值频谱阵列只是一个方向位移信号的短时幅值频谱阵列，相应地它反映的也只是一个方向转轴各振动分量幅值随时间的动态变化。目前，也有由X、Y两个传感器方向位移信号制作短时幅值频谱阵列的情况，如短时复谱等。但是，不管怎样，它们都是短时幅值频谱阵列，见附图7所示(1、2等坐标为频率阶次，0.3、0.4等为时间)，还不能反映轴振分量在振动方向方面的动态变化的特点。
参考文献：屈梁生著，机械故障的全息诊断原理，科学出版社，2007年7月。
发明内容
要解决的技术问题。现有的二维全息谱，是所观测的x信号序列和y信号序列在整个观测时段内合成的一种平均谱，不能反映各振动分量在所观测时段内随时间的动态变化。现有的短时频谱阵列，都是短时幅值频谱阵列，不能反映各振动分量在振动方向方面的动态变化的特点。
技术方案。
一种用于机械转子单截面轴振分析的短时频谱阵列，称为短时二维全息谱阵列，它的制作包含如下步骤：(1)读取同步采集的来自转轴一截面两垂直方向的x信号序列和y信号序列；(2)按一定的时延D和短时窗长L，分别对x信号序列和y信号序列进行分割，依次分割出各自的一组短时信号序列，见附图4所示；(3)用每一对时跨相同的两方向短时信号序列在频域合成制作一个短时的二维全息谱；(4)将合成的所有短时的二维全息谱沿时间轴排列，即按短时信号序列截取的时间次序排列，则得到短时二维全息谱阵列。整个短时二维全息谱阵列的制作流程见附图1所示。
前已述及，对从x信号序列、y信号序列分割出的时跨相同的一对短时信号序列，设它们经傅立叶级数分解得到的两方向ωi(即2πfi)频率分量分别为：
则此两分量合成的轴心轨迹肯定是一个椭圆，又叫李萨育图形，见附图5所示，其长半轴的长度对应轴振分量的振动幅值。在特殊情况下，椭圆退化成直线或圆，可看成椭圆的特殊情形。振动椭圆全面反映了ωi频率轴振分量的振动情况，既包括该分量轴振大小的变化也包括轴振方向的变化。
二维全息谱是将若干感兴趣的或者主要的频率分量的振动椭圆排列在一张图上，并在每个椭圆处标记相应的频率阶次，见附图6所示。附图6中，“X”为阶次标记，“+”号表示正进动方向，“-”号表示反进动方向；“+3X”指，转频的3倍频轴振分量椭圆，正进动方向。二维全息谱上，正进动方向指振动椭圆的进动方向与转子的旋向相同，反进动则指振动椭圆的进动方向与转子的旋向相反。
以上短时二维全息谱阵列由于是许多短时的二维全息谱排列而成，每个阶次对应一组进动椭圆，用一大堆“+”或“-”号排列在同一阶次椭圆组旁边不便于观察，可以借用阿拉伯数标出有几个“+”几个“-”即可；也可以还是只使用一个“+”或“-”号，但给它们赋予新的含义，让“+”表示该频率阶次下的所有椭圆进动方向相同，让“-”表示该频率阶次下的所有椭圆进动方向存在不一致的情况，以此反应进动方向的平稳性，附图8的短时二维全息谱阵列图中，每个阶次处的“+”、“-”号即取这样的含义。另外，为了便于观察，附图8中一组椭圆排列的时间轴垂直于纸面放置，这时，如果椭圆形状不动态变化，则一组椭圆会重合。本发明短时二维全息谱阵列对一组同阶次椭圆进动方向的处理是一个附加的特征。
本发明短时二维全息谱阵列的制作方法所基于的规律是：周期性信号序列，可以进行傅立叶级数分解，分解为若干个单频率谐波分量；来自同一轴截面的两垂直方向的同频率单频谐波分量，合成的轴心轨迹是一个椭圆，此椭圆能全面反应该频率轴振分量振动的大小和方向变化；将若干感兴趣的或者主要的频率成分下的振动椭圆排列在一张图上，即二维全息谱，则能比较全面地反映整个转轴单截面的振动情况；将一系列短时序列的二维全息谱沿时间轴按时间先后次序排列，则能全面显示转轴振动大小和方向的动态平稳性。
有益效果。
现有的二维全息谱，是所观测的x和y两信号序列在整个观测时段内的一种平均谱，不能反映各振动分量在所观测时段内随时间的动态变化。现有的短时频谱阵列，都是一些短时幅值频谱阵列，见附图7所示，不能反映各振动分量在振动方向方面的动态变化特点。本发明短时二维全息谱阵列，解决了这样问题，能全面反映感兴趣的或者主要的轴振分量的振动情况随时间的动态变化，因此，对分析机械转轴运行的动态平稳性有重要作用。
附图说明
附图1，本发明短时二维全息谱阵列的制作流程。
附图2，一截面X、Y位移传感器安装方位示意图1。
附图3，一截面X、Y位移传感器安装方位示意图2。
附图4，从x和y信号截取短时信号序列的方法示意图。
附图5，一对两方向同频率谐波分量合成的椭圆示意图。
附图6，一截面x、y信号的二维全息谱。
附图7，一截面x和y信号的短时幅值频谱阵列。
附图8，本发明一截面x、y信号的短时二维全息谱阵列。
具体实施方式(实施例)
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3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)读取一对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)本例中取时延D为32个采样间隔，短时窗长L为256个采样间隔，按此时延D和短时窗长L，依次对x和y信号序列分别进行分割，分割出各自的一组短时信号序列，见附图4所示。在实际中时延D和短时窗长L的选取可以根据需要调整；时延D选得越小，分割的短时序列越多，即短时谱数越多，但计算量增大；窗长L选得越小，时域分辨率越大，但频域分辨率减小。
(3)用每一对时跨相同的两方向短时信号序列制作一个短时二维全息谱，方法同未经分割的x信号和y信号序列制作二维全息谱，见附图6所示。
(4)将合成的所有短时信号序列的短时二维全息谱沿时间轴排列，即按短时信号序列截取的时间次序排列，则得到短时二维全息谱阵列，见附图8所示。前已述及，为了便于观察，让附图8中一组椭圆排列的时间轴垂直于纸面放置。
另外，附图8中，让“+”表示一组椭圆进动方向相同的情况，让“-”表示一组椭圆进动方向存在不一致的情况，以此反应进动方向的平稳性。附图8中的数字加X和附图6中的数字加X都表示阶次。
Claims (2)
1.一种用于机械转子单截面轴振分析的短时频谱阵列，其特征是，它的制作包含如下步骤：(1)读取同步采集的来自转轴一截面两垂直方向的x信号序列和y信号序列，即该转轴截面两互相垂直方向的振动位移信号序列；(2)按一定的时延D和短时窗长L，分别对x信号序列和y信号序列进行分割，依次分割出各自的一组短时信号序列；(3)用每一对时跨相同的两方向短时信号序列在频域合成制作一个对应该短时的二维全息谱；(4)将合成的所有短时二维全息谱沿时间轴排列，即按短时信号序列截取的时间次序排列，得到短时二维全息谱阵列。
2.根据权利要求1中所述的短时频谱阵列，其特征是，得到的短时二维全息谱阵列中每个频率阶次对应的一组振动椭圆的进动方向情况，可以用1个阿拉伯数加一个“+”和1个阿拉伯数加一个“-”来标注，“+”表示正进动，“-”表示反进动，阿拉伯数分别表示正进动和反进动的次数；也可以只使用一个“+”或“-”号来标注进动方向情况，不使用阿拉伯数字，但让“+”表示该频率阶次下的所有椭圆进动方向相同的情况，让“-”表示该频率阶次下的所有椭圆进动方向存在不一致的情况。
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