CN103412145A - 一种转子系统轴心轨迹进动方向自动识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了轨迹检测技术领域的一种转子系统轴心轨迹进动方向自动识别方法。首先，设定采样频率，利用振动传感器采集转子的径向振动信号，并通过快速傅立叶变换FFT得到幅值谱；其次，采用相位差校正方法对转子振动信号中的主要频率成分进行校正后重构信号；最后，利用重构信号合成转子提纯轴心轨迹，并由提纯轴心轨迹通过局部弧段的进动方向识别得到整个轴心轨迹的进动方向。本发明方法从局部角度出发，对轴心轨迹各个局部弧段的进动方向进行识别，不受轴心轨迹复杂程度的影响，通用性更强。

Description

一种转子系统轴心轨迹进动方向自动识别方法

技术领域

本发明属于轨迹检测技术领域，尤其涉及一种转子系统轴心轨迹进动方向自动识别方法。

背景技术

轴心轨迹是判断旋转机械运行状态的一个重要依据。轴心轨迹的形状以及轴心轨迹的进动方向是轴心轨迹的两个重要特征。当转子处于不同运行状态时，轴心轨迹的形状将发生变化，进动方向也可能改变，如不平衡故障转子的轴心轨迹呈椭圆形，正进动；不对中故障轴心轨迹呈香蕉形或8字形，正进动与反进动并存。因此，通过识别轴心轨迹的形状以及进动方向可判断转子的运行状态。在轴心轨迹进动方向识别方面，不少学者已进行了研究。

有的学者将椭圆轴心轨迹视为两个正圆轨迹的合成，其中一个正进动，一个反进动。当正进动圆比反进动圆大时，为正进动；反之，为反进动。该方法仅能识别椭圆形轴心轨迹进动方向，不能识别复杂的轴心轨迹进动方向。有的学者利用轴心轨迹上连续的几个点进行判断，即选取连续的几个点(xi,yi)（i=1,2,3…N），计算点(xi,yi)到原点的连线与x轴的夹角α_i=arctan(y_i/x_i)，若α_i<α_i+1<α_i+2，则轴心轨迹的进动方向为正进动；反之，为反进动。该方法可识别包含坐标原点的简单轴心轨迹进动方向，但是不能识别复杂的轴心轨迹进动方向。还有一些学者通过截取轴心轨迹中某一旋转周期内的采样点构成复杂多边形，利用平面图形的平移变换判断多边形各顶点的凹凸性和多边形在各顶点处的旋转方向，进而得到轴心轨迹的进动方向。该方法计算较为复杂，并且对于复杂的轴心轨迹，只能识别轴心轨迹部分区域的进动方向，其他区域的进动方向需要人为给出该区域的凹凸特性进行判断，效率较低。

发明内容

针对背景技术中提到的现有的轴心轨迹识别方法在识别复杂的轴心轨迹时，只能识别轴心轨迹部分区域的进动方向，识别算法复杂且效率低下的问题，本发明提出了一种转子系统轴心轨迹进动方向自动识别方法。

一种转子系统轴心轨迹进动方向自动识别方法，其特征在于，所述方法具体包括以下步骤：

步骤1：设定采样频率，利用振动传感器采集转子X轴和Y轴方向的径向振动信号，将采集的电压信号保存到计算机中；

步骤2：对转子X轴和Y轴方向的振动信号通过快速傅立叶变换FFT得到幅值谱；

步骤3：采用相位差频谱校正法提取X轴和Y轴方向振动信号的主要频率分量；

步骤4：将步骤3得到的X轴和Y轴方向各主要频率分量的幅值、频率和相位合成波形，并叠加得到X轴和Y轴方向重构信号，再利用重构信号合成转子提纯轴心轨迹；

步骤5：利用步骤4得到的转子提纯轴心轨迹确定转子轴心轨迹的进动方向。

步骤3中，X轴和Y轴方向振动信号的主要频率分量包括信号的基频、分频及倍频。

步骤5中，利用步骤4得到的转子提纯轴心轨迹确定转子轴心的进动方向的具体过程为：

步骤501：设P₁、P₂、P₃为转子提纯轴心轨迹上连续三点，其坐标分别为(x₁,y₁)、(x₂,y₂)、(x₃,y₃)；通过这三个连续的点确定一段圆弧，圆弧圆心为O₁，圆弧圆心坐标为(a,b)；

步骤502：将原坐标系XOY进行平移，平移后坐标系为XO₁Y；分别计算

与

轴的夹角角度α₁、α₂、α₃；

步骤503：将XO₁Y坐标系绕点O₁逆时针旋转α₁，使

轴和

重合，即令α₁=0，进而得新坐标系X₁O₁Y₁；此时，

与轴的夹角分别为 $\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&alpha;}}_1^{\&prime;}=0\\ {\mathrm{\&alpha;}}_2^{\&prime;}={\mathrm{\&alpha;}}_2-{\mathrm{\&alpha;}}_1\\ {\mathrm{\&alpha;}}_3^{\&prime;}={\mathrm{\&alpha;}}_3-{\mathrm{\&alpha;}}_1\end{array}\right.;$

步骤504：在X₁O₁Y₁坐标系中，以P₁为起始点按P₁→P₂→P₃的顺序沿圆弧旋转；比较α′₂与α′₃的大小来判断圆弧的旋转方向；当α′₃＞α′₂时，圆弧的旋转方向为逆时针；当α′₃＜α′₂时，圆弧的旋转方向为顺时针；

步骤505：以转子提纯轴心轨迹的起始点开始，将前一段圆弧的终点作为后一段圆弧的起始点，重复执行步骤501-504；最终确定转子轴心轨迹的进动方向。

本发明的有益效果是，所提出的技术方案从局部角度出发，对轴心轨迹各个局部弧段的进动方向进行识别，不受轴心轨迹复杂程度的影响，通用性更强。

附图说明

图1是本发明提供的圆弧示意图；

图2是本发明提供的原始振动信号的波形及转子轴心轨迹图；其中，（a）是X轴方向振动信号波形图；（b）是Y轴方向振动信号波形图；（c）是原始转子轴心轨迹图；

图3是本发明提供的方法对转子轴心轨迹进动方向识别结果。

具体实施方式

下面结合附图，对优选的实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

图1是本发明提供的圆弧示意图。图1中，P₁、P₂、P₃为转子提纯轴心轨迹上连续三点，其坐标分别为(x₁，y₁)、(x₂，y₂)、（x₃，y₃)；O₁为通过这三个连续的点确定的一段圆弧的圆心；XO₁Y为原坐标系XOY进行平移后坐标系为；X₁O₁Y₁为XO₁Y坐标系绕点O₁逆时针旋转得到的新的坐标系。

根据本发明提出的方法，在Bently RK4转子实验台上进行转子碰磨实验，碰磨发生时转子转速为1500r/min。

步骤1：设定采样频率2560Hz，转子X轴和Y轴方向的径向振动信号，将采集的电压信号保存到计算机中；数据波形及原始轴心轨迹如图2；

步骤2：对转子X轴和Y轴方向的振动信号通过快速傅立叶变换FFT得到幅值谱；

步骤3：采用相位差频谱校正法提取X轴和Y轴方向振动信号的主要频率分量；本实施例中X轴方向振动信号的主要频率成分为1倍频、

倍频、2倍频、3倍频和4倍频；Y轴方向振动信号的主要频率成分为1倍频、2倍频、3倍频和4倍频。

步骤4：将步骤3得到的X轴和Y轴方向各主要频率分量的幅值、频率和相位合成波形，并叠加得到X轴和Y轴方向重构信号，再利用重构信号合成转子提纯轴心轨迹；

步骤5：利用步骤4得到的转子提纯轴心轨迹确定转子轴心的进动方向的具体过程为：

步骤501：设P₁、P₂、P₃为转子提纯轴心轨迹上连续三点，其坐标分别为(x₁，y₁)、(x₂，y₂)、（x₃，y₃)；通过这三个连续的点确定一段圆弧，圆弧圆心为O₁，圆弧圆心坐标为(a,b)；

步骤502：将原坐标系XOY进行平移，平移后坐标系为XO₁Y；分别计算

与

轴的夹角角度α₁、α₂、α₃；

步骤503：将XO₁Y坐标系绕点O₁逆时针旋转α₁，使轴和

重合，即令α₁=0，进而得新坐标系X₁O₁Y₁；此时，

与

轴的夹角分别为 $\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&alpha;}}_1^{\&prime;}=0\\ {\mathrm{\&alpha;}}_2^{\&prime;}={\mathrm{\&alpha;}}_2-{\mathrm{\&alpha;}}_1\\ {\mathrm{\&alpha;}}_3^{\&prime;}={\mathrm{\&alpha;}}_3-{\mathrm{\&alpha;}}_1\end{array}\right.;$

步骤504：在X₁O₁Y₁坐标系中，以P₁为起始点按P₁→P₂→P₃的顺序沿圆弧旋转；比较α′₂与α′₃的大小来判断圆弧的旋转方向；当α′₃＞α′₂时，圆弧的旋转方向为逆时针；当α′₃＜α′₂时，圆弧的旋转方向为顺时针；

步骤505：以转子提纯轴心轨迹的起始点开始，将前一段圆弧的终点作为后一段圆弧的起始点，重复执行步骤501-504；从而确定转子轴心轨迹的进动方向；轴心轨迹进动方向识别结果如图3，图3中“○”表示正进动，“*”表示反进动。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应该涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种转子系统轴心轨迹进动方向自动识别方法，其特征在于，所述方法具体包括以下步骤：

步骤1：设定采样频率，利用振动传感器采集转子X轴和Y轴方向的径向振动信号，将采集的电压信号保存到计算机中；

步骤2：对转子X轴和Y轴方向的振动信号通过快速傅立叶变换FFT得到幅值谱；

步骤3：采用相位差频谱校正法提取X轴和Y轴方向振动信号的主要频率分量；

步骤4：将步骤3得到的X轴和Y轴方向各主要频率分量的幅值、频率和相位合成波形，并叠加得到X轴和Y轴方向重构信号，再利用重构信号合成转子提纯轴心轨迹；

步骤5：利用步骤4得到的转子提纯轴心轨迹确定转子轴心轨迹的进动方向。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3中，X轴和Y轴方向振动信号的主要频率分量包括信号的基频、分频及倍频。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤5中，利用步骤4得到的转子提纯轴心轨迹确定转子轴心的进动方向的具体过程为：

步骤501：设P₁、P₂、P₃为转子提纯轴心轨迹上连续三点，其坐标分别为(x₁,y₁)、(x₂,y₂)、(x₃,y₃)；通过这三个连续的点确定一段圆弧，圆弧圆心为O₁，圆弧圆心坐标为(a,b)；

步骤502：将原坐标系XOY进行平移，平移后坐标系为XO₁Y；分别计算

与轴的夹角角度α₁、α₂、α₃；

步骤503：将XO₁Y坐标系绕点O₁逆时针旋转α₁，使轴和

重合，即令α₁=0，进而得新坐标系X₁O₁Y₁；此时，

与

轴的夹角分别为 $\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&alpha;}}_1^{\&prime;}=0\\ {\mathrm{\&alpha;}}_2^{\&prime;}={\mathrm{\&alpha;}}_2-{\mathrm{\&alpha;}}_1\\ {\mathrm{\&alpha;}}_3^{\&prime;}={\mathrm{\&alpha;}}_3-{\mathrm{\&alpha;}}_1\end{array}\right.;$

步骤504：在X₁O₁Y₁坐标系中，以P₁为起始点按P₁→P₂→P₃的顺序沿圆弧旋转；比较α′₂与α′₃的大小来判断圆弧的旋转方向；当α′₃＞α′₂时，圆弧的旋转方向为逆时针；当α′₃＜α′₂时，圆弧的旋转方向为顺时针；

步骤505：以转子提纯轴心轨迹的起始点开始，将前一段圆弧的终点作为后一段圆弧的起始点，重复执行步骤501-504；从而确定转子轴心轨迹的进动方向。

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