CN102087138A - 利用转速计数据的动态统计平均来精确计算转速的振动波振动分析和相位分析系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开利用转速计数据的动态统计平均来精确计算转速的振动波振动分析和相位分析系统与方法。利用监测传动轴的转速的转速计和用转速数据计算与传动轴相关的速度参数的逻辑器件，在具有变频传动器的机器上执行振动分析。速度参数包括传动轴的最大速度、最小速度和平均速度。通过将马达传动器的振动频谱与速度参数相关联，能够根据频谱中的能量分布来识别机器故障。进一步，能够利用稳定的转速信号的脉冲边缘通过同步触发来顺序获取该机器上两个或更多个位置的振动波形。这些波形能够被比较以确定相位差从而有助于识别可能存在的机器故障。

Description

利用转速计数据的动态统计平均来精确计算转速的振动波振动分析和相位分析系统与方法

相关申请的横向引用 

本申请要求享有2009年10月26日递交、名称为“SYSTEM AND METHOD FOR VIBRATION ANALYSIS AND PHASEANALYSIS OF VIBRATION WAVEFORMS USING DYNAMIC STATISTICAL AVERAGING OF TACHOMETER DATA TOACCURATELY CALCULATE ROTATIONAL SPEED(利用转速计数据的动态统计平均来精确计算转速的振动波振动分析和相位分析系统与方法)”的印度临时申请No.2591/CHE/2009的权益，该印度临时申请的全文通过引用的方式合并于本申请文件中。 

技术领域

本公开总体上涉及振动波的振动分析和相位分析。更具体地说，本公开涉及利用转速计数据的动态统计平均结合振动波的振动分析和相位分析进行精确的速度计算。 

背景技术

机械振动能够出现在各种类型的旋转设备中，例如电动马达、风扇、涡轮中。这些振动可以是作为机器的常规运行特性的良性振动。但是，有故障的机器状况，例如不平衡、未校准、轴承器(bearing ware)、松动和偏心轴等都会导致更严重的振动。机械振动能够利用诸如测量振动波的加速计之类的传感器来测量。与加速计相结合，振动分析器能够用来获得关于所存在的振动的频率和幅度信息。 

发明内容

可利用监测传动轴的转速的转速计和用转速计数据计算与传动轴相关 的速度参数的逻辑器件，来在具有变频传动的机器上执行振动分析。速度参数可包括传动轴的最大速度、最小速度和平均速度。通过利用速度参数来校正马达传动的振动频谱，能够根据频谱中的能量分布来识别机器故障。进一步，能够利用稳定的转速信号的脉冲边缘通过同步触发来顺序获取该机器上两个或更多个位置处的振动波。这些波能够被比较以确定相位差从而识别可能存在的机器故障。 

附图说明

附图中示出了振动分析系统的示例。示例和附图都是示例性的而非限制性的。 

图1是示出根据本公开的实施例的振动分析系统的示例的框图。 

图2是示出根据本公开的实施例变频传动的示例性振动分析过程的流程图。 

图3是示出传统的振动相位分析系统的示例的框图。 

图4是用于通过把波形与从传统的振动相位分析系统得到的转速脉冲同步而得到相位信息的图。 

图5是示出根据本公开的实施例采用动态统计平均和同步触发的振动分析系统的示例的框图。 

图6是示出根据本公开的实施例利用动态统计平均和同步触发的示例性振动相位分析过程的流程图。 

图7示出根据本公开的实施例通过利用同步触发所用的转速脉冲的上升沿来得到相位信息的图。 

具体实施方式

下文和附图皆是示例性，不应理解为限制。描述众多的具体细节以提供对本公开的透彻理解。然而，在某些情况下，某些常规的或者传统的细节并未加以描述，以避免使说明书隐晦。 

无意进一步限制本公开的范围，下面给出了根据本公开的实施例的仪器、装置、方法及其相关结果。说明书中提到“一个实施例”或“实施例”意指与该实施例相关描述的特定特征、结构或特性是包括在本公开的至少一个实施例中的。在说明书中各处出现的词“在一个实施例中”并非一定都指的是同一实施例，也不一定指相互之间互斥的单独的或替代的实施例。此外，被描述为对于某些实施例来说可行的特征对于其他实施例来说可能是不可行的。类似地，那些被描述为某些实施例需要的各种需要对于其他实施例可能并不需要。 

本说明书中所用的词汇，在本公开的上下文中以及在该词汇所用的具体上下文中，具有在本领域中的常规含义。用来描述本公开的特定的词汇在下文中讨论，或者在说明书的其他地方讨论，以便为与本公开的描述相关的人士提供附加的引导。本申请文件中任何地方使用的示例，包括这里所讨论的词汇的示例，都仅是示例性的，而非用于进一步限定本公开或任何示例词汇的范围和含义。类似，本公开亦不限于本申请文件中所给出的这种实施例。 

尽管下面出现的描述中所使用的术语是与本发明的某些具体示例的详细说明结合起来使用的，但是应该以最宽泛合理的方式来解释它们。可能会在下文强调某些术语，但是任何想要以任何限定方式解释的术语都将在本具体实施例部分中被明确、具体地限定为这样解释。 

变频传动(VFD)把固定频率电源电压转换为具有连续可变频率的电压，从而允许系统中的马达的速度是可调节的。利用VFD，马达的频率或每分钟转数(RPM)随由马达传动的负载而变化。因此，使用振动频谱分析器测量VFD将显示一频率范围而非单个频率峰。另外，振动频谱的数学快速傅立叶变换(FFT)分析基于这些频率中的每个频率上的特定马达速度。因此，FFT分析所需的输入参数之一是马达速度以及该速度是如何随时间变化的。为了分析VFD所产生的振动频谱，能够确定马达的速度参数，例如最小速度、最大速度和中间速度，以及这些速度参数在测量的获取时间内是如何变化的都将是有益的。 

旋转机器的振动分析包括机器产生的基础振动频率和谐频间的比较分析。图1是示出根据本公开的实施例特别适于监测变频传动(VFD)的振动分析系统的示例的框图100。 

需要分析的机器110可以具有联接至VFD 114的旋转传动轴112。转速计130监测传动轴112的转速。有很多种方式能够产生转速脉冲。例如，可以在需要监测的设备的旋转传动轴上放置反射带。光学变换器(optical transducer)从光源发射光并探测从反射带对发射光的反射。旋转传动轴的每一转都产生一个转速脉冲。也可以使用其它类型的变换器作为监测传动轴112速度的转速计，例如，附在传动轴上编码盘(encoding disk)能够中断光电变换器之间的光束以产生转速脉冲。 

振动分析器120监测VFD 114的振动频频。由于VFD的RPM随被传动的负载变化，因而VFD的频谱中看到的能量遍布在频带上，而非位于单一频率。例如，如果马达的RPM从6000变到7500，则频谱中的基础频率的能量遍布在100Hz到125Hz之间。类似地，频谱中的谐波也遍布在有限的频带上。相反，频率不变的普通马达将具有对应于频谱中的单峰的、恒定的RPM。因此，当VFD马达的速度在较大范围内变化时，很难比较机器所产生的基础振动频率和谐波的频率。传统上，用户只能依赖读取RPM的转速计，并没有关于马达速度的变化率的信息。 

为获取马达速度信息，原始的转速脉冲能发送到逻辑器件140中进行处理。逻辑器件140能够包括基于半导体的逻辑器件，例如场可编程门阵列(FPGA)和复杂可编程逻辑器件CPLD)、基于光的逻辑器件、基于分子的逻辑器件或任何其他类型的逻辑器件。逻辑器件140利用，例如动态统计平均技术，计算VFD 114的轴112的最大速度、最小速度的和平均速度。所计算的速度参数随后可以被发送给用户或诊断机150。由振动分析器120确定的频谱信息也可发送给用户或诊断机150进行分析。用户或诊断机120将来自振动分析器120的频谱信息与从逻辑器件140获取的速度参数相关联，以确定引起所测量的振动数据的一个或更多个机器故障情况。例如，最大轴速 对应于最高基础频率，最小轴速对应于最低基础频率。会在平均速度轴处观测到最高频谱峰值。在最高频率和最低频率之间观测到的频谱峰值对应于VFD的中间速度。 

图2是示出根据本公开的实施例的变频传动的示例性振动分析过程的流程图200。 

在框205处，系统利用使用速度传感器或者加速计作为传感器的频谱分析器记录VFD的振动频谱。振动频谱指示传动器的能量在什么频率下，例如由于机械故障而耗散。在VFD的情况下，频谱可具有主峰，在主峰的两侧具有旁瓣。此外，振动频谱峰值的幅度指示在这些频率处存在的能量的量，并且能够协助识别可能的振动源。 

在框210处，监测VFD的轴的转速计捕获轴的各转的脉冲，并将数据发送给逻辑器件。逻辑器件利用动态统计平均技术计算轴的速度。在框215处，确定轴的最大速度；在框220处，确定轴的最小速度；而在框225处，确定轴的平均速度。 

随后，在框230处，轴的最大速度、最小速度和平均速度被呈现给用户或诊断机。该处理在框299处结束。用户或诊断机随后能够将频谱与所确定的轴的速度相关联，以得出关于不同频率处的能量分布的结论。 

但是，在某些情况下，不同机器故障的振动频谱看起来可能类似。例如，传动轴的弯曲可能会展示与马达未对准或不平衡相似的振动频谱。因此，仅使用振动分析可能是不够的。振动相位分析能够协助对模糊的故障状态进行区别的分析。 

利用相位分析，确定传动器与负载的振动信号间的机械相位差。可替代地，可以确定机器上的任意两点之间的相位差。由于加速计在一个时刻只能测量源自一点的振动，因而来自机器上不同位置处的波形是在不同时刻顺序地捕获的，因此，不能被直接比较。图3是示出包括需要被分析的机器310、转速计320、模拟前端330和处理器340的传统振动相位分析系统的示例的框图300。 

机器310的旋转传动轴312由转速计320监测。来自机器310上的不同位置处的加速计测量结果被馈送给模拟前端330中的通道1，331、通道2，332和通道3，333。三个通道可用于容纳来自三轴加速计的三个独立输入。但是，相位分析测量并不是一定需要使用所有的三个通道。转速脉冲信号被馈送给模拟前端330中的第四通道334。来自四个通道331、332、333和334的数据被发送给模数转换器(ADC)335，而来自ADC 335的输出的数据被传输给处理器340。注意，传统的相位分析技术需要用于转速信号的独立ADC通道。 

处理器340包括3个模块：数据获取模块342、数据同步模块344和分析模块346。数据获取模块342从模拟前端330接收获取的加速计数据。数据同步模块344使用转速脉冲序列作为其它通道中的每个通道所获取的数据的共同参考。通过同步在为其它通道，即通道331、332和332，中的每一个通道获取数据时得到的转速脉冲序列，可以确定顺序获取的波形之间的相位差。分析模块346分析通道之间的相位差。注意，利用传统的相位分析系统，为了同步从其它三个数据通道331、332和333获得的数据，必须得到整个转速脉冲序列334。 

图4是用于通过把波形与传统的振动相位分析系统中的转速脉冲同步而得到相位信息的图400。 

图4中上部的图示出了由加速计利用第一通道获取的从传动器得到的振动数据。上部的图中还示出了利用转速计通道334与传动器振动数据同时地获取的转速脉冲序列。 

图4中部的图示出了由转速计利用第二通道获取的从负载得到的振动数据。中部的图中还示出了利用转速计通道334与负载振动数据同时地获取的转速脉冲序列。 

图4下部的图示出了在已经利用两个转速脉冲序列对两个波形进行同步之后，传动器和负载两方的振动数据。由于转速脉冲序列对于传动器波形和负载波形来说是相同的，故而该转速脉冲序列被用作基准。在同步了波形之 后，直接计算传动器振动信号与负载振动信号之间的相位差。 

图5是示出根据本公开实施例的使用动态统计平均的振动相位分析系统的示例的框图500。 

类似于传统的相位分析系统，待分析的机器510的旋转传动轴512利用转速计520来监测，来自机器510上的各个位置的加速计测量结果被馈送到模拟前端530中的通道1，531，通道2，532和/或通道3，533。并不是必需使用所有三条通道来确定相位差信息。通道输出被发送给ADC 535，而ADC535的输出被发送给处理器540。注意，与传统的振动相位分析系统相反，加速计信号不是发送给ADC 535。而是将加速计信号发送给逻辑器件550以用于触发在其它通道531、532和533上获取数据。此外，加速计信号不被存储。 

逻辑器件550包括两个模块，动态统计平均处理器模块552和同步触发模块554。动态统计平均处理器模块552处理来自转速计520的输入信号，并且能够确定传动轴在给定时间段上的平均转速。当动态统计平均处理器模块552确定传动轴112的RPM稳定并因而确定马达的RPM稳定时，同步触发模块554搜索转速脉冲的边缘，然后开始从通道531、532和533中的一个或多个通道获取数据。可以使用上升沿或下降沿来触发从其它通道获取数据，但是通道间的数据获取中，上升沿或下降沿的选择必须一致，从而能够正确地同步获取的波形。 

处理器模块540包括3个模块，数据获取模块542、数字信号处理(DSP)模块543和数据分析模块544。数据获取模块542从模拟前端530中的ADC535接收数据，并与逻辑器件550通信以确定各个通道何时应该开始从监测机器510的加速计获取数据。通过利用基于稳定的转速脉冲序列的边缘的同步触发，从通道531、532和533接收的信号的相位信息得以保留，从而能够计算出相位差。分析模块544分析通道之间的相位差。在一个实施例中，分析模块544还可以使用确定的相位差来诊断机器故障。DSP模块543对来自ADC 535的数据进行处理，所述处理包括但不限于振动频谱的快速傅立叶变换(FFT)分析。 

在传统系统的基础上使用振动相位分析系统具有节约成本的优点。例如，由于转速信号不需要由ADC 535处理，因而不需要转速信号的模数通道。进一步地，不需要另外的处理能力来处理转速信号。而且，由于只需要识别转速脉冲的边缘，因而不使用存储器来获取并存储转速信号以用于后续处理。 

图6是示出根据本公开的实施例的采用动态统计平均和同步触发的示例性振动相位分析过程的流程图600。 

在框605中，系统捕获提供传动轴的转动基准的转速脉冲。然后，在框610处，使用逻辑器件计算旋转传动轴的RPM。接下来，在判决框615处，系统确定RPM是否稳定。如果RPM不稳定(框615-否)，过程回到框610，重新计算轴的RPM。如果RPM稳定(框615-是)，过程继续至判决框620。 

在判决框620处，系统尝试发现转速脉冲的边缘，即上升沿或者下降沿。若系统未发现转速脉冲的边缘(框620-否)，则处理停留在判决框620。若系统确实发现了转速脉冲的边缘(框620-是)，则处理继续至框630。 

在框630处，通过同步到转速脉冲的边缘，系统开始从机器被评估的部分，如传动器，的加速计输入的数据获取。注意，与传统的振动相位分析方法不同，不需持续获取转速信号并将之存储在存储器中以便在随后对加速计波形进行同步。仅仅需识别转速脉冲之一的边缘，以便触发振动波形的获取。在从机器的第一部分获取加速计输入之后，用户应移动加速计以测量机器的第二部分，例如负载。尽管起因于加速计数据获取期间的RPM变化的顺序获取可能会引起误差，但是，利用传统方法的加速计数据的并发采样同样会引起类似的误差。

在框635处，系统再次捕获转速计输入脉冲，并且在框640处，使用逻辑器件来计算机器的RPM。在判决框645处，系统确定RPM是否稳定。若RPM不稳定(框645-否)，则处理返回到框640。若RPM稳定(框645-是)，则处理继续至判决框650。在判决框650处，系统再次尝试发现转速脉冲的边缘。若系统未发现转速脉冲的边缘(框650-否)，则处理停留在判决框650。若系统确实发现转速脉冲的边缘(框650-是)，则处理继续至 框655。 

在框655处，与框630类似，通过同步至转速脉冲的边缘，系统开始从机器被评估的不同部分，例如从负载，的加速计输入的数据获取。注意，若在框620和630，系统发现转速脉冲的上升沿并用转速脉冲的上升沿来同步，则在框650和655处，系统也必须发现并使用用于同步的上升沿。类似地，如果在框620和630处使用下降沿，则在框650和655处，系统必须一致地使用下降沿。 

在已经获取和存储了第二加速计波形之后，在框660处，系统确定这两个顺序获取的信号之间的相位差。由于在框630获取的数据和在框650获取的数据由逻辑器件利用稳定的转速信号的同样的边缘来触发，故而该数据是同步的，即便在获取第二波形时有延迟。 

通过使用加速计获取第三振动波形还可以分析机器的第三部分。在用户移动加速计监测该适当部分时，可以以新的加速计数据重复框635-655。然后，可以在框660确定获取的三个振动波形中的任意振动波形之间的相位差。过程结束于框699。 

图7示出根据本公开的实施例用于通过使用转速脉冲的上升沿的同步触发而得到的相位信息的图。 

图7中上部的图示出了转速脉冲的上升沿和通过利用转速脉冲的上升沿的同步触发的使用而从传动器得到的振动数据。 

图7中中部的图示出了转速脉冲的上升沿和通过利用转速脉冲的上升沿的同步触发的使用而从负载得到的振动数据。 

图7中下部的图把通过同步触发技术得到的传动器和负载振动数据与用来同步波形的转速脉冲的上升沿一起示出。根据该图，直接确定传动器振动信号和负载振动信号之间的相位差。 

除非上下文中清楚地要求了相反的意思，否则贯穿说明书和权利要求，词汇“包括”(“comprise，”“comprising，”)及类似的词汇都应被理解为是开放意义上的包括，而非排除或者排斥意义上的包括；也就是说，具有“包括， 但是不限于”的意义。当用在本文中时，词汇“连接(connected、coupled)”及类似词汇，意味着直接或者间接地在两个元件之间连接；这些元件之间的连接可以是物理的、逻辑的或者二者相结合的连接。此外，词汇“这里(herein)”、“上(above)”、“下(below)”和类似含义的词汇，当用在本专利申请文件中时，应指代的是本申请整体而非本申请的任何特定部分。在上下文允许的情况下，上述具体说明书中使用单数符号或者复数符号的词汇还可分别包含这些单数符号或者复数符号。词汇“或(or)”，在指代两项或者更多项的列表时，涵盖了下述对此词汇的阐释：该列表中的任意项；该列表中的所有项；以及该列表中的项的任意组合。 

对本公开的实施例的详尽描述其目的不在于排除或者将教导限制在上文公开的精确形式中。上文所公开的本公开的实施例或者示例出于示例目的，各种等同修改可能是在本公开范围之内的，正如相关领域的技术人员会认识到的那样。例如，尽管处理或者框以预定的顺序出现，但是可以按照不同的顺序执行具有步骤的例程或者使用具有框的系统，且某些处理或者框可以被移除、挪动、增添、细分、组合和/或修改以提供替代形式或者亚组合形式。此外，尽管处理或者框有时是以串行的顺序执行的，但是这些处理或者框也可代之以并行形式，或者，代之以在不同的时机执行。还应注意文中所有的具体数值都仅是示例，替代性实施例可使用不同的值或者范围。 

本文所提供的公开的教导可以应用到其他系统中，而非必须用在上述的系统中。上述各实施例的元素和动作能够加以结合以提供另外的实施例。 

上述说明书描述了本公开的特定实施例并描述了所预料的最佳方式，然而不管说明书在文字上显得如何详尽，其教导都是能够以各种方式来实施的。系统的细微之处可能在实施细节方面变化相当大，但是这亦由本文所公开的主题囊括。如上所述，所使用的特定的术语在描述本公开的特定特征或方面时，不应被认为表示该术语在本文中被重新定义为限于与该术语相关的公开的任何特定特性、特征或方面。总的来说，用在权利要求书中的词汇不应被理解为将公开的范围限定到申请文件所公开的具体实施例中，除非在上述具 体实施方式部分明确地定义了这些词汇。相应地，本公开的实际范围不仅涵盖了所公开的实施例，还涵盖了按照权利要求书实践或者实施本公开的所有等同方式。 

Claims (20)

1.一种振动分析系统，包括转速计和逻辑器件，其中该转速计监测联接到变频传动器(VFD)的转轴的旋转并产生转速信号，所述逻辑器件根据所述转速信号确定该转轴的速度参数，其中所述速度参数被与该VFD的振动频谱中的峰值相关联，以识别联接至该转轴的机器中的故障。

2.如权利要求1所述的振动分析系统，其中所述逻辑器件使用动态统计平均技术来确定所述速度参数，并且所述速度参数包括所述转轴在一时间段中的最大速度、最小速度和平均速度。

3.如权利要求1的振动分析系统，进一步包括被配置为从联接至该VFD的机器的第一点和第二点顺序得到波形的加速计，其中使用转速脉冲边缘来同步触发波形的获取以确定所述波形之间的相位差。

4.如权利要求3的振动分析系统，其中使用所述转速脉冲的上升沿或者下降沿来同步触发所述波形的获取。

5.如权利要求3所述的振动相位分析，其中所述逻辑器件在获取所述波形之前确定所述转速脉冲是稳定的。

6.一种振动分析系统，包括：

转速计，被配置为监测传动轴的旋转并产生针对该传动轴的旋转的一个或多个转速脉冲；

模拟前端，被配置为利用加速计从联接至该传动轴的机器的不同点捕获至少两个振动波形；

逻辑器件，被配置为执行转速脉冲的统计平均以计算传动轴的平均速度并基于所述转速脉冲同步触发所述振动波形的获取；和

联接至该模拟前端和该逻辑器件的数据处理器，被配置为分析所述振动波形以确定相位差，其中所述相位差有助于识别该机器的故障。

7.如权利要求6所述的系统，其中基于转速脉冲同步触发振动波形的获取包括触发所述转速脉冲之一的边缘。

8.如权利要求7所述的系统，其中使用上升沿或者下降沿来同步触发振动波形的获取。

9.一种振动分析系统，包括：

监测传动轴的旋转并产生针对该传动轴的各转的脉冲的装置；

模拟前端，被配置为利用加速计从联接至该传动轴的机器的不同点顺序捕获至少两个振动波形；

对与所述脉冲有关的信息进行数学运算以计算传动轴的速度参数并基于利用所述脉冲的同步触发来开始获取所述振动波形的装置；和

联接至该模拟前端和所述用于执行脉冲的统计平均的装置的数据处理器，被配置为分析所述振动波形以确定相位差。

10.如权利要求9所述的系统，进一步包括联接至该数据处理器的分析器，被配置为至少基于所确定的相位差来识别所述机器的故障。

11.如权利要求9所述的系统，其中利用所述脉冲的同步触发包括触发所述脉冲之一的边缘。

12.如权利要求11所述的系统，其中使用上升沿或者下降沿来进行同步触发。

13.一种分析振动频谱的方法，包括：

监测联接至变频传动器(VFD)的轴的可变转速；

确定该轴的最大速度、最小速度和平均速度；

测量该VFD的振动频谱；

将所述轴的最大速度、最小速度和平均速度与该振动频谱中的峰值相关联以确定能量频率分布，以识别联接至该轴的机器的故障。

14.如权利要求13的方法，其中计算该轴的最大速度、最小速度和平均速度包括执行动态统计平均。

15.一种获得两个顺序获取的波形之间的相位差的方法，包括：

监测机器的轴的转速；

产生针对该轴的至少一转的脉冲；

识别该轴的稳定转速；

利用同步触发获取第一振动波形；

基于同步触发获取第二振动波形；和

确定该第一振动波形和该第二振动波形之间的相位差以根据该相位差识别该机器的故障。

16.如权利要求15所述的方法，其中同步触发包括识别所述脉冲之一的边缘。

17.一种对机器执行振动分析的方法，包括：

监测联接至VFD和机器的轴的转速；

产生针对该轴的各转的脉冲；

确定该轴的速度参数；

测量该VFD振动频谱；和

将该轴的速度参数与该振动频谱中的峰值相关联以确定能量频率分布；

识别该轴的稳定转速；

利用同步触发获取第一振动波形；

基于同步触发获取第二振动波形；

确定该第一振动波形和该第二振动波形之间的相位差；和

根据该相位差以及该轴的速度参数与所述振动频谱之间的相关性识别该机器的故障。

18.如权利要求17所述的方法，其中所述速度参数包括该轴的最大速度、最小速度和平均速度。

19.如权利要求17所述的方法，其中同步触发包括识别所述脉冲之一的边缘。

20.如权利要求19所述的方法，其中使用上升沿或者下降沿来同步触发。

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