CN102967414B - 基于频谱校正的微速差双转子系统不平衡分量的提取方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于频谱校正的微速差双转子系统不平衡分量的提取方法，先安装振动平衡测量系统；启动微速差双转子系统并升速至平衡转速稳定后，以其中一转子为触发基准，采用同步整周期方式进行同步采样获得振动信号数据序列，将该序列前N/2点向后平移N/4点，将序列的前、后N/4点置零构造成新序列，并对两序列加汉宁窗处理，然后进行快速傅里叶变换得到相应的频谱；计算出内、外转子频率对应的谱线序号；触发基准转子的工频分量直接从其频谱中对应位置提取；另一转子的工频分量和相位则采用相位差频谱校正方式来获取；本方法对采样的时域序列加汉宁窗处理，减少频谱泄露；对于非触发转子的工频分量获取采用相位差频谱校正，确保其幅值和相位的精度。

Description

基于频谱校正的微速差双转子系统不平衡分量的提取方法

技术领域

本发明涉及属于转子动平衡以及振动的信号处理技术领域，涉及微速差双转子系统的转子动平衡。

背景技术

微速差双转子系统的典型代表是卧螺离心机，其结构如图1所示，其中差速器1、左轴承座2、测振传感器3、转鼓(外转子)4、螺旋(内转子)5、外基准光电传感器6、测振传感器7、右轴承座8和内基准光电传感器9如图所示设置。图中的测振传感器3和7分别安装于左右轴承座处，并将传感器连接至现场动平衡仪构成振动平衡测量系统。

微速差双转子系统已广泛用于化工、轻工、制药、食品、环保等行业中，在使用过程中存在的最大问题是内、外转子不平衡引起机组的强烈振动。

目前对于此类机组的现场平衡，尤其是在需要同时平衡内外转子的时候效果很不理想。微速差双转子系统整机动平衡的困难在于：如何从复杂的拍振信号中准确地分离出内、外转子各自的不平衡分量。

近年来，一些学者就这个问题进行了研究，提出了几种对该类转子系统的整机动平衡方法，比较典型的有：矢量瓦特机光点轨迹识别法、外接信号补偿法、傅氏分析仪相关滤波法、计算机软件相关分析法等。矢量瓦特机光点轨迹识别法只能识别不太复杂的轨迹；外接信号补偿法需要在现场调节补偿信号，只能实现十分粗糙的平衡；傅氏分析仪相关滤波法在分离频率十分接近的拍振时，由于频谱的泄露而产生较大的误差，难以在生产实际中推广应用。

微速差双转子系统的现场动平衡一般采用单面或双面的影响系数法来进行，以内转子或外转子的基准脉冲触发来对合成振动信号进行同步采样，如以外转子为基准，则对于外转子振动分量来说是同步整周期采样，其外转子工频振动分量不存在频谱泄露，但是对内转子振动分量来说属于非整周期采样，必然存在频谱泄露，导致该转子工频分量的获取误差增大，同时由于内、外转子频率距离很近，因此泄露的能量会影响到外转子，反之亦然。内外转子的不平衡分量(即幅值和相位)获取误差的增大必然影响到该类机组的整机平衡效果，甚至导致平衡失败。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于频谱校正的微速差双转子系统不平衡分量的提取方法，以实现简单的微速差双转子系统的不平衡分量的高精度提取。

为实现上述目的，本发明的基于频谱校正的微速差双转子系统不平衡分量的提取方法步骤如下：

(1)安装微速差双转子的振动平衡测量系统，其中根据触发基准转子为外转子或内转子来分别安装外基准光电传感器或内基准光电传感器；

(2)设内、外转子的转速分别为Ω₁和Ω₂，且Ω₂>Ω₁，转速差ΔΩ＝Ω₂-Ω₁，启动微速差双转子系统并升速至平衡转速稳定后，以触发基准转子为触发基准，采用同步整周期方式进行同步采样，获得振动信号数据序列X₀(N)，所述同步采样的周期数大于临界周期数；

(3)将振动信号数据序列X₀(N)前N/2点向后平移N/4点，其中N表示总的采样点数，将序列的前后N/4点置零构造一个新序列X₁(N)，并对X₀(N)和X₁(N)进行加汉宁窗处理，然后进行快速傅里叶变换得到相应的频谱Y₀(N)和Y₁(N)；

(4)计算出内、外转子频率对应的谱线序号分别为k_内和k_外，k_内＝[Ω₁N/(f_s60)+1]，k_外＝[Ω₂N/(f_s60)+1]，其中f_s表示同步采集的采样频率,“[]”表示四舍五入方式取整；

(5)触发基准转子的工频分量直接从频谱Y₀(N)中对应位置提取；

(6)非触发基准转子的工频分量计算方法为：

设k为非触发基准转子的谱线序号，如果触发基准为外转子，k取值分别为k_内，如果触发基准为内转子，k取值为k_外；

计算出归一化的频率校正量为：

$\mathrm{\Δk}=\frac{-2(({\mathrm{\θ}}_{k1}-{\mathrm{\θ}}_{k0})-\mathrm{\πk}/2)}{\mathrm{\π}}=\frac{-2(\mathrm{\Δ\θ}-\mathrm{\πk}/2)}{\mathrm{\π}},$

其中，θ_k1和θ_k0分别表示频谱Y₀(N)和Y₁(N)谱线号为k处对应的相位；

校正频率为： $f_x=(k+\mathrm{\Δk})\frac{f_s}{N};$

校正后的幅值为：y_k0为Y₀(N)中谱线号为k处对应的幅值；

校正后的相位为：θ_k＝θ_k0-Δkπ。

进一步的，所述步骤(2)中临界周期数为：如果以外转子为触发基准转子时临界周期数为4Ω₂/ΔΩ，如果以内转子为基准转子时临界周期数为4Ω₁/ΔΩ。

进一步的，所述步骤(5)中若是以外转子为触发基准转子，对应的谱线序号为k_外；若以内转子为触发基准转子，对应的谱线序号为k_内。

本发明的基于频谱校正的微速差双转子系统不平衡分量的提取方法，对采样的时域序列加汉宁窗处理，减少频谱泄露；对于非触发转子的工频分量获取采用相位差频谱校正，确保其幅值和相位的精度；本方法采用一次触发同步采样可以同时准确分离出内、外转子各自的不平衡分量，应用本方法可以同时对内、转子进行动平衡；相对于未经频谱校正，而直接通过快速傅里叶变换求得的内外转子的不平衡分量，本方法分离精度高，幅值误差小于1％，频率误差小于0.02个频率分辨率，相位误差小于5度；本方法算法简单，运行效率高，可软件实现，没有任何特殊硬件需求；对于传统单转子的动平衡仪或动平衡机，可应用本方法可方便改造成为微速差双转子现场动平衡仪或动平衡机。

附图说明

图1是微速差双转子动平衡测试系统示意图；

图2是微速差双转子系统的“拍振”时域波形图；

图3是微速差双转子系统的“拍振”频谱图；

图4是仿真“拍振”信号的时域波形图；

图5是仿真“拍振”信号的频谱图；

图6是实施例的方法流程图。

具体实施方式

由于双转子系统的机组工作转速一般在800-300r/min，内、外转子转速差小，一般为7-14r/min,其典型的机组“拍振”波形信号如图2所示，其幅值谱如图3所示，采用常规的采集方式和FFT分析技术无法准确获取内、外转子的不平衡分量，常常导致平衡效果差，甚至平衡失败。

要想准确获取内、外转子的不平衡分量，必须对常规方法做如下改进：1)提高采样的频率分辨率，本方法中要求内外转子对应频线间隔不小于4个频谱分辨率；2)对采样的时域序列加汉宁窗处理，减少频谱泄露；3)对于非触发转子的工频分量获取采用相位差频谱校正，确保其幅值和相位的精度。

本方法主要应用于微速差双转子现场动平衡或平衡机平衡过程中的内、外转子各自的不平衡分量，属于动平衡中的核心技术环节。对于该类双转子的动平衡，可采用单面或双面的影响系数法进行。

基于频谱校正的微速差双转子系统不平衡分量的提取方法的流程图如图6所示，具体实施方式为：

1)首先安装振动平衡测量系统。图1给出了典型的双转子(卧螺离心机)的基本结构和动平衡测试系统，对于图1中3,7位置的测振传感器可以选用惯性式速度传感器，也可以采用压电式加速度传感器。不同于传统的双转子动平衡方式，这里只需要1只光电传感器安装于图1中的位置6或9处，如果以外转子为基准触发采样就将传感器安装于图1的位置6处，如果以内转子为基准则安装于位置9处。对于内外转子的双面动平衡需要将2只测振传感器安装于左右轴承座(即位置3和7处)，然后将传感器连接至现场动平衡仪。以下步骤给出了动平衡过程中的一次采样后提取内外转子不平衡分量的方法。

2)信号采集要求采用同步整周期的采集方法，其触发基准可以为内、外转子中任一转子；设内、外转子的转速分别为Ω₁和Ω₂ r/min，转速差ΔΩ＝(Ω₂-Ω₁)r/min(设Ω₂>Ω₁)，启动微速差双转子系统至平衡转速稳定后，以外转子(即位置6处光电传感器脉冲信号)为触发基准，采用同步整周期方式进行采集，同步采样的周期数必须大于临界周期数，临界周期数的定义为：如以外转子为触发基准时临界周期数为4Ω₂/ΔΩ，以内转子为基准是临界周期数为4Ω₁/ΔΩ；对于常见卧螺离心机，根据其工作转速和转速差的范围，综合考虑了采集时间和计算精度的要求，本方法推荐的典型采集参数配置如表1所示。

表1推荐采集参数典型配置

外转子工作转速(r/min)	转速差(r/min)	每周期点数	周期数	采样点数
					800	14	16	256	4096
800	7	8	512	4096
					1500	14	8	512	4096
1500	7	8	512	4096
					3000	14	8	1024	8192
3000	7	8	2048	16384

3)根据采样的振动信号数据X₀(N)构造一个新序列X₁(N)，方法为：将原时域序列X₀(N)前N/2点平移N/4点，将序列的前后N/4点置零。并对X₀(N)和X₁(N)进行加汉宁窗处理，然后进行快速傅里叶变换得到相应的频谱Y₀(N)和Y₁(N)；比如N＝8，原时域序列为1,2,3,4,5,6,7,8，平移的方式是将序列的前N/2向后平移N/4个点，其它点直接置零，即变成0,0,1,2,3,4,0,0；

4)计算出内、外转子频率对应的谱线序号分别为k_内和k_外，k_内＝[Ω₁N/(f_s60)+1]，k_外＝[Ω₂N/(f_s60)+1],其中f_s表示同步采集的采样频率,“[]”表示四舍五入方式取整；

5)对于触发基准转子的工频分量，直接从频谱Y₀(N)中对应位置提取；例如：以外转子为触发基准进行采样，设y_n、θ_n分别为频谱Y₀(N)中谱线号为k处对应的频谱幅值和相位，则外转子的工频分量(即幅值和相位)为y_k和θ_k，这里k＝N/R,N为采样总点数，R是同步采集时每周期的采样点数；

6)对于另一转子(非触发基准转子)的工频分量计算是采用相位差频谱校正方式获取，方式如下：

设k为谱线序号，如触发基准为外转子，k取值分别为k_内，如为内转子，k取值为k_外。

计算出归一化的频率校正量为：

$\mathrm{\Δk}=\frac{-2(({\mathrm{\θ}}_{k1}-{\mathrm{\θ}}_{k0})-\mathrm{\πk}/2)}{\mathrm{\π}}=\frac{-2(\mathrm{\Δ\θ}-\mathrm{\πk}/2)}{\mathrm{\π}}$

其中，θ_k1和θ_k0分别表示频谱Y₀(N)和Y₁(N)谱线号为k处对应的相位。

校正频率为： $f_x=(k+\mathrm{\Δk})\frac{f_s}{N};$

校正后的幅值为：y_k0为Y₀(N)中谱线号为k处对应的幅值；

校正后的相位为：θ_k＝θ_k0-Δkπ。

7)利用5)，6)步中获取的工频的幅值、相位来分别进行内、外转子的动平衡。

为了对本方法的效果进行验证，采用式(1)仿真一组微速差双转子复合振动信号：

$X=A_1\sin (2\mathrm{\π}\frac{{\mathrm{\Ω}}_1}{60}t+{\mathrm{\φ}}_1)+A_2\sin (2\mathrm{\π}\frac{{\mathrm{\Ω}}_2}{60}t+{\mathrm{\φ}}_2)---\left(1\right)$

其中，A₁＝0.9，A₂＝0.4，Ω₁＝802r/min,Ω₂＝816r/min，φ₁＝320度，φ₂＝15度，以外转子作为触发基准同步采样，每周期采样点数为16个点，采样点数为4096点，其时域波形和频谱如图4和图5所示。分别采用3种方法对该信号进行分离：方法1为矩形窗+FFT法，即将采样时域信号FFT变换，然后提取内，外转子的不平衡分量；方法2为汉宁窗+FFT法，与方法1的不同之处就是采用了不同的窗处理；本方法专利中采用的方法为方法3。3种方法处理结果如表2所示。

表2 3种不平衡分量分离方法的效果对比

从表2可知，对于外转子，即触发基准转子来说，尽管其采样属于同步整周期采样，采用矩形窗和直接FFT方法，提取的不平衡分量仍然存在一定的误差，特别是相位误差为7.91度，这会对动平衡效果产生较大的影响。但是经汉宁窗处理后再采用FFT分析方法提取的幅值和相位精度很高。而本方法则直接采用这一组幅值和相位。而对于内转子来说，由于频谱泄露的影响，前两种方法得出的不平衡分量的幅值和相位均存在较大误差，特别是相位误差达到了70度，这么大的误差在实际应用中会直接导致平衡失败，而采用本方法校正后幅值和相位误差明显减小。

Claims (3)

1.一种基于频谱校正的微速差双转子系统不平衡分量的提取方法，其特征在于，该方法的步骤如下：

(1)安装微速差双转子的振动平衡测量系统，其中根据触发基准转子为外转子或内转子来分别安装外基准光电传感器或内基准光电传感器；

(2)设内、外转子的转速分别为Ω₁和Ω₂，且Ω₂>Ω₁，转速差ΔΩ＝Ω₂-Ω₁，启动微速差双转子系统并升速至平衡转速稳定后，以触发基准转子为触发基准，采用同步整周期方式进行同步采样，获得振动信号数据序列X₀(N)，所述同步采样的周期数大于临界周期数；

(3)将振动信号数据序列X₀(N)前N/2点向后平移N/4点，其中N表示总的采样点数，将序列的前后N/4点置零构造一个新序列X₁(N)，并对X₀(N)和X₁(N)进行加汉宁窗处理，然后进行快速傅里叶变换得到相应的频谱Y₀(N)和Y₁(N)；

(4)计算出内、外转子频率对应的谱线序号分别为k_内和k_外，k_内＝[Ω₁N/(f_s60)+1]，k_外＝[Ω₂N/(f_s60)+1]，其中f_s表示同步采集的采样频率,“[]”表示四舍五入方式取整；

(5)触发基准转子的工频分量直接从频谱Y₀(N)中对应位置提取；

(6)非触发基准转子的工频分量计算方法为：

设k为非触发基准转子的谱线序号，如果触发基准为外转子，k取值分别为k_内，如果触发基准为内转子，k取值为k_外；

计算出归一化的频率校正量为：

$\mathrm{\Δk}=\frac{-2(({\mathrm{\θ}}_{k1}-{\mathrm{\θ}}_{k0})-\mathrm{\πk}/2)}{\mathrm{\π}}=\frac{-2(\mathrm{\Δ\θ}-\mathrm{\πk}/2)}{\mathrm{\π}},$

其中，θ_k1和θ_k0分别表示频谱Y₀(N)和Y₁(N)谱线号为k处对应的相位；

校正频率为： $f_x=(k+\mathrm{\Δk})\frac{f_s}{N};$

校正后的幅值为： $A_k=\frac{2\mathrm{\π\Δk}}{\sin \left(\mathrm{\π\Δk}\right)}\·(1-\mathrm{\Δk}\·\mathrm{\Δk})y_{k0},$ y_k0为Y₀(N)中谱线号为k处对应的幅值；

校正后的相位为：θ_k＝θ_k0-Δkπ。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中临界周期数为：如果以外转子为触发基准转子时临界周期数为4Ω₂/ΔΩ，如果以内转子为基准转子时临界周期数为4Ω₁/ΔΩ。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述步骤(5)中若是以外转子为触发基准转子，对应的谱线序号为k_外；若以内转子为触发基准转子，对应的谱线序号为k_内。