CN104136896A - 用于获取旋转马达的振动信号的系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于获取振动信号以便诊断旋转马达(7)的方法和系统，包括：用于接收所述马达的暂时振动信号(X(t))以及所述马达的至少一个轴(11)的至少一个当前旋转速度(N(t))的输入装置(3)，以及用于实时地采样所述暂时振动信号(X(t))的采样装置(5)，至少一个采样信号(S)与至少一个所述当前旋转速度同步，从而生成对应的同步振动信号(x(n_t))。

Description

用于获取旋转马达的振动信号的系统

技术领域

本发明涉及获取马达的振动信号的领域，更具体地，涉及获得机载马达故障检修的振动信号的领域。

背景技术

旋转马达承受易于导致其旋转元件磨损的机械应力。监视马达的磨损或状态的一个有效的方法就是测量该马达的振动。

更具体地，对于飞机马达，后者包括用于检测由马达发出的振动的加速计类型的振动传感器。然后分析所收集的振动信号，以检测一个或多个旋转部件的异常或缺陷。此分析包括由振动传感器所检测到的信号的频率分析。

目前，振动分析要求以非常高的单一固定频率进行信号采样操作以及以与待分析的谐波及其多谐波成比例的频率进行单一过采样操作。此外，需要应用预编程用于各调和比且由马达旋转速度指示器所控制的非常窄的跟踪带通滤波器。

对过滤谐波必要的再采样操作要求内插法，所述内插法的计算量非常大且需要在非常大量的点上进行。此外，为了确保内插过滤信号值的足够精度，进行非常高频率的获取是重要的。

最后，内插信号被过采样且涉及在非常大量的点上执行傅里叶变换。而且，过滤操作要求在信号的整个带宽上进行频率分析，其计算时间非常长。

以这种方式，机载电子设备的计算能力极大地由所有的这些操作所决定。

因此，本发明的目的在于提供一种用于实时地获得振动信号而不涉及上述缺陷的系统和方法，特别是使用要求减少电子装置的简化计算。

发明内容

本发明由一种用于获取用于排除旋转马达故障的振动信号的系统所限定，其包括：

用于接收所述马达的暂时振动信号和所述马达的至少一个轴的至少一个当前转动速度的输入装置，以及

用于实时地对所述暂时振动信号采样的采样装置，至少一个采样信号与至少一个所述当前旋转速度同步，从而生成对应的同步振动信号。

以这种方式，通过以与马达的旋转成比例的频率直接地对振动信号采样，此系统使得可最小化计算时间和数据存储容量。例如，对于飞机马达，获取系统可以因此有利地使用于排除机载马达故障，而不独占机载计算器的计算时间或存储空间。

有利地，所述采样信号以预限定最大调和比和预限定采样比来构造。

以这种方式，可以预限定待检索的最大谐波同时简化同步振动信号的处理。

根据本发明的一个具体特征，系统包括用于缓冲包括预定数量的所述同步振动信号周期的样本的缓冲器，所述缓冲器的时间长度根据最小调和比来确定。

相对于马达旋转选择减少数量的参考点使得可只占据减少的存储空间同时简化频率信号的检索。

有利地，系统包括计算装置，所述计算装置用于检索来自所述缓冲样本的在最小谐波的多谐波处的频率信号以及与对应当前旋转速度成比例的频率。

这使可以直接检索所寻找的谐波，而不使用重采样技术或内插法技术。

有利地，计算装置被构造成通过使所述缓冲样本只与待检索的谐波的傅里叶系数相乘来检索所述频率信号。

以这种方式，避免使用关于整体分析带的傅里叶系数。

根据本发明的一个优选实施例，输入装置被构造成接收分别地相对于所述马达的第一和第二轴的第一和第二当前旋转速度。

采样装置被构造成通过实时地对所述时间信号采样而分别直接地生成第一和第二同步振动信号，第一采样信号与所述第一当前旋转速度同步，第二采样信号与所述第二当前旋转速度同步。

这使得可关于飞机马达在马达或飞机上的机载计算器的计算能力有限的情况下减少机载计算。

有利地，采样装置被构造成通过实时地对所述暂时振动信号采样而直接地生成第三同步振动信号，第三采样信号与所述第一和第二当前旋转速度的总和或差同步，所述第三采样信号通过所述第一和第二采样信号的三角组合而重组。

以这种方式，仅仅三角计算就足够直接地利用旋转速度的总和或差来生成同步振动信号。

系统包括第一、第二和第三缓冲器，所述第一、第二和第三缓冲器分别缓冲包括预定数量的所述第一同步振动信号周期的第一样本、包括预定数量的所述第二同步振动信号周期的第二样本、以及包括预定数量的所述第三同步振动信号周期的第三样本，并且，计算装置被构造成分别地检索来自所述第一、第二和第三缓冲样本的以与所述第一当前旋转速度成比例的频率的第一频率信号、以与所述第二当前旋转速度成比例的频率的第二频率信号、以及以与所述第一和第二当前旋转速度的所述总和或差值成比例的频率的第三频率信号。

本发明还涉及一种用于监视旋转马达的系统,其包括根据上述特征中的任何一项所述的获取系统,以及进一步包括用于分析频率信号以便排除马达状态故障的分析装置。

本发明还涉及一种用于获取用于排除旋转马达故障的振动信号的方法，其包括以下步骤：

接收来自所述马达的暂时振动信号以及所述马达的至少一个轴的至少一个当前旋转速度，以及

实时地对所述暂时振动信号采样，至少一个采样信号与至少一个所述当前旋转速度同步，从而生成对应的同步振动信号。

附图说明

通过阅读本发明的优选实施例参考附图，本发明的进一步特征和优点将显而易见，其中：

图1示意性地图示根据本发明的用于获取旋转马达的振动信号的系统；

图2A-2B图示根据本发明暂时振动信号的采样和频率信号的检索的例子；

图3图示根据本发明的用于机载地排除飞机马达状态故障的监视系统；

图4图示根据本发明用于获取和处理马达振动信号的算法；以及

图5图示根据本发明用于获取和处理马达振动信号的框图。

具体实施方式

本发明的基本概念是基于以与马达的旋转信号直接同步的频率的振动信号的获取。

图1示意性地图示根据本发明的用于获取旋转马达的振动信号的系统。

获取系统1包括输入装置3和采样装置5。

输入装置3被构造成接收表示马达7工作状态的暂时振动信号X(t)。从安装在马达7上的至少一个加速计类型的振动传感器9中获得该振动信号。

而且，输入装置3被构造成接收马达7的至少一个轴11的至少一个当前旋转速度N(t)。应注意的是，马达7可以包括两个或更多个马达转子，所述马达转子包括以不同速度旋转的轴。

采样装置5被构造成实时地对暂时振动信号X(t)采样，采样信号与当前旋转速度N(t)同步，从而生成对应同步振动信号x(n_t)。

图2A图示根据本发明的暂时振动信号的采样例子。

暂时振动信号X(t)是随着时间以例如250kHz量级的频率获得的连续信号。

采样信号S是与马达7的旋转速度N(t)同步的方波信号。而且，该采样信号S以预限定最大调和比kh和预限定采样比r来构造。以这种方式，采样频率S具有频率：S_f＝r×N×kh。换句话说，该采样频率实时地随着马达7的旋转速度而变化，并取决于待检索的谐波的最大量级kh以及每个所寻找周期的最小数量的点(例如，6至8个点)。根据图2A中的例子，最大谐波是3(kh＝3)，采样比是8(r＝8)。

在各上升边缘处，暂时振动信号X(t)被采样以生成同步振动信号x(n_t)。该信号x(n_t)于是成为以与马达7的旋转速度N(t)同步频率的欠采样离散信号。

以这种方式，暂时振动信号X(t)直接地被转换成与马达的旋转速度N(t)同步的数字信号x(n_t)。

处理装置13然后用来将傅立叶变换应用到同步振动信号x(n_t)，以检索与马达7的旋转速度N(t)成比例的频率信号。

处理装置13可以包括如图1所图示的获取系统1。可选的，它们可以是与获取系统1链接的另一个电子系统(未示出)的一部分。

处理装置13包括计算装置15和包括至少一缓冲器19的存储装置17。存储装置17可以包括用于执行根据本发明的获取方法的计算机代码程序。

有利地，缓冲器19被构造成缓冲包括预定数量的同步振动信号x(n_t)的周期的样本。缓冲器19的暂时时间长度根据最小调和比确定。图2A中的例子基于具有等同于0.1s的周期的最小谐波图示包括同步振动信号x(n_t)的两个周期的样本。这有助于节省存储空间，因为缓冲器19仅仅需要存储非常减少数量的同步振动信号的点(例如，8个点/谐波)。

有利地，计算装置15被构造成通过使被缓冲样本与仅待检索的谐波而非在全部分析带上的傅立叶系数点对点相乘来检索频率信号X₁,…X_kh。这些频率信号X₁,…X_kh具有最小谐波的多谐波以及与对应旋转速度N(t)成比例的频率(参见图2B)。

图2B图示应用到在图2A中所代表的缓冲样本的谐波1，2和3的傅立叶系数的实部的例子，以检索分别地具有量级kh＝1、kh＝2和kh＝3的三个频率信号X₁₁、X₁₂和X₁₃。傅立叶系数的虚部(未示出)取决于π/2的相位位移。

以这种方式，本发明使得可在非常减少数量的操作中以马达旋转的多频率直接地检索谐波部件，而无插入值，并且只将非常减少数量的点存储在存储器中。这使得可节省大量的计算时间和存储空间。

应该注意得是，获取系统和方法应用于任何类型的旋转马达。在以下所述的情况下，将特别地讨论机载地排除飞机马达故障的振动信号的获取。

图3图示根据本发明的用于机载地查找飞机马达状态故障的监视系统。

监视系统2包括获取系统1和异常检测系统21。

飞机马达7包括在高压压缩机25上游处的低压压缩机23和在低压涡轮机29的上游处的高压涡轮机27。低压压缩机23和低压涡轮机29由具有旋转速度N₁的第一轴11a连接。类似地，高压压缩机25和高压涡轮机27由具有旋转速度N₂的第二轴11b连接。第二轴11b是与第一轴11a同轴的管，两个轴由轴间轴承(未示出)所分隔。该两个轴11a，11b可以相反旋转，轴承于是具有旋转速度N₁+N₂。可选的，该两个轴可以共同旋转，轴间轴承于是具有旋转速度N₁-N₂。

加速计类型的振动传感器被放置在用于检测因此所发放出的振动的马达7中。此外，马达7包括用于分别地测量第一和第二轴11a、11b的第一和第二旋转速度N₁,N₂的传感器31。

以这种方式，为了正确地诊断在工作中马达7的状态，本发明提出了分别直接地且实时地检索三组频率信号，所述三组频率信号分别与用于实时检测马达7任何部件的任何异常工作的旋转速度N₁、N₂和N₁+N₂成比例。

图4和5分别地图示根据图3用于获取和处理马达振动信号的算法和框图。

在步骤E1-E3(框图B1-B3)中，输入装置3在马达7工作的预定周期过程中接收代表马达工作状态的暂时振动信号X(t)以及分别地相对于马达7的第一和第二轴11a，11b的第一和第二当前速度N₁(t)和N₂(t)。

在其过程中获得暂时振动信号X(t)和当前速度N₁(t)和N₂(t)的预限定周期可例如对应于特定飞行阶段或整个飞行。

在步骤E4-E9(框图B4-B9)中，采样装置5被构造成通过实时地对暂时振动信号(X(t))采样而分别直接地生成第一和第二同步振动信号(x₁(n_t),x₂(n_t))，第一采样信号(S1)与第一当前旋转速度N₁(t)同步，第二采样信号(S2)与所述第二当前旋转速度N₂(t)同步。

更具体地，在步骤E4和E5(框图B4和B5)中，生成第一和第二采样信号。

第一采样信号S1具有根据第一速度N₁限定的频率，具有预限定最大调和比kh和预限定采样比r。在例中，第一采样信号的频率是S_f1＝8×N₁×kh₁。采样比在这种情况下被选择为等于8，以有利于傅立叶变换计算。

类似地，第二采样信号S2是其中频率根据第二速度N₂而限定的信号，具有预限定最大调和比kh₂和预限定采样比r。在例中，第二采样信号的频率是S_f2＝8×N₂×kh₂。

在步骤E6和E7中，第一和第二采样信号S1，S2的上升边缘被检测以形成方波信号，从而对暂时振动信号X(t)取样。

在步骤E8(框图B81，B82)中，暂时信号X(t)首先使用第一低通滤波器B81过滤，其中，截止频率取决于待检索的谐波kh₁的最大频率。可选的，第一低通滤波器B81由第一采样信号S1所控制，其中，瞬时频率与第一选转速度N1(t)成比例。过滤在采样上游的振动信号X(t)使得可预防频谱混淆的任何风险。

以上所过滤的振动信号X(t)然后根据第一采样信号的各上升边缘由第一异步DAC模拟-数字转换器B82而被采样，以生成第一同步振动信号x₁(n_t)。

类似地，在步骤E9(框图B91，B92)中，暂时信号X(t)使用第二低通滤波器B92过滤，其中截止频率取决于待检索的谐波kh₂的最大频率，或由第二采样信号S2所控制，其中瞬时频率与第二旋转速度N2(t)成比例。经过滤的振动信号X(t)随后根据第二采样信号S2由第二异步DAC B92所采样，以生成第二同步振动信号x₂(n_t)。

信号x₁(n_t)x₂(n_t)是分别与旋转速度N₁和N₂同步的离散信号。

在步骤E10(框图B10)中，包括预定数量的第一同步振动信号x₁(n_t)的周期的第一样本在第一缓冲器B10中被缓冲，其中暂时时间长度根据最小调和比h₁来确定。

类似地，在步骤E11(框图B11)中，包括预定数量的第二同步振动信号x₂(n_t)的周期的第二样本在第二缓冲器B11中被缓冲，其中暂时时间长度根据最小调和比h₂来确定。

第一和第二缓冲器B10，B11分别在旋转N1和N2的各转向提示处(框图B101,B111)被激活。实际上，下游的傅立叶变换计算以缓冲器刷新率的分谐波频率执行。这些计算的执行频率以马达轴的旋转速度来同步。

在步骤E12-E17(框图B12-B17)中，计算装置将检索第一和第二组的频率信号X₁₁,…X_1kh1和X₂₁,…X_2kh2。

更具体地，在步骤E12(框图B12)中,计算装置15生成仅待检索的谐波关于第一旋转速度N₁的第一傅立叶系数：(sin(2πnk)+jcos(2πnk))/8×Nh，傅立叶分析的增量nk验证0＜nk＜kh₁×8-10<nk<kh₁×8-1；Nh是所计算的谐波的数量，其中，Nh＝1,2,…,kh₁，并且kh₁是对于旋转速度N₁的待分析谐波的最大量级。

在步骤E13(框图B13)中，计算装置15生成仅待检索的谐波关于第二旋转速度N₂的第二傅立叶系数：(sin(2πnk)+jcos(2πnk))/8×Nh，傅立叶分析的增量nk验证0<nk<kh₂×8-1；Nh是所计算的谐波的数量，其中，Nh＝1,2,…,kh₂，并且kh₂是对于旋转速度N₂的待分析谐波的最大量级。

在步骤E14(框图B14)中，在矩阵中的第一傅立叶系数与第一同步振动信号x₁(n_t)的第一样本相乘，以生成第一组频率信号X₁₁,…X_1kh1(E16,B16)。

在步骤E15(框图B15)中，在矩阵中的第二傅立叶系数与第二同步振动信号x₂(n_t)的第二样本相乘，以生成第二组频率信号X₂₁,…X_2kh2(E16,B17)。

在步骤E19-E27(框图B19-B27)中，采样装置5进一步被构造成通过实时地采样暂时振动信号X(t)而直接地生成第三同步振动信号x₃(n_t)，第三采样信号S3与第一和第二当前旋转速度的总和N₁+N₂同步。

在步骤E19-E21中，该第三采样信号S3通过处理装置13由第一和第二采样信号S1，S2的三角结合进行重建。

实际上，在步骤E19(框图B19)中，生成第一中间同步信号，其中频率根据第一速度N₁和预限定最大调和比kh₃限定。特别地，生成来自第一采样信号(步骤E4，框图B4)的具有频率N1*kh₃*8的正弦信号和余弦信号:sin(8×N₁×kh₃)和cos(8×N₁×kh₃)。

类似地，在步骤E20(框图B20)中，生成第二中间同步信号，其中频率根据第二速度N₂和预限定最大调和比kh₃限定。特别地，生成来自第二采样信号(步骤E5，框图B5)的具有频率N2*kh₃*8正弦信号和余弦信号:sin(8×N₂×kh₃)和cos(8×N₂×kh₃)。

在步骤E21中，进行来自步骤E19的sin(8×N₁×kh₃)与来自步骤E20的cos(8×N₂×kh₃)，以及来自步骤E19的cos(8×N₁×kh₃)与来自步骤E20的sin(8×N₂×kh₃)的乘法(B211，B212)，分别形成信号sin(8×N₁×kh₃)×cos(8×N₂×kh₃)和cos(8×N₁×kh₃)×sin(8×N₂×kh₃)。在框图B213中，这些后来的两个信号被添加以形成具有格式sin(8×kh₃×(N1+N2)的信号。基于此信号，确定了第三采样信号S3，其中频率根据第一速度N₁、第二速度N₂、预限定最大调和比kh₃和预限定采样比r(在这种情况下，r＝8)来限定。

应该注意得是，如果马达11a,11b的第一和第二轴共同旋转，则足以由减法代替框图B213的加法，以产生采样信号，其中频率根据第一速度N₁与第二速度N₂之间的差来定义。

在步骤E22(框图B22)中，此采样信号的上升边缘被检索以形成用于对暂时信号X(t)采样的方波信号。

实际上，在步骤E23(框图B231，B232)中，暂时振动信号X(t)首先使用第三低通滤波器B231而被过滤，其中，截止频率取决于待检索的谐波kh₃的最大频率。可选的，第三低通滤波器B231由第三采样信号S3控制。所过滤的振动信号X(t)随后根据第三采样信号S3由第三异步DAC B232所采样，以生成第三同步振动信号x₃(n_t)。以这种方式，信号x₃(n_t)是与旋转速度N₁+N₂同步的离散信号。

在步骤E24(框图B24)中，包括预定数量的第三同步振动信号x₃(n_t)的周期的第三样本在第三缓冲器B24中被缓冲，其中暂时时间长度根据最小调和比h₃来确定。第三缓冲器B24在旋转N1+N2的各转向提示处(框图B241)被激活。

在步骤E25(框图B25)中，计算装置13产生仅待检索的谐波的关于旋转速度N₁+N₂的第三傅立叶系数:(sin(2πnk)+jcos(2πnk))/8×Nh，傅立叶分析的增量nk验证0<nk<kh₃×8-1；Nh是所计算的谐波的数量，其中，Nh＝1,2,…,kh₃，kh₃是对于旋转速度N₁+N₂的待分析谐波的最大量级。

在步骤E26(框图B26)中，在矩阵中的第三傅立叶系数与第三同步振动信号x₃(n_t)的第三样本相乘，以生成第三组频率信号X₃₁,…X_3kh3(E16,B27)。

根据本发明的系统和方法没有在工作或过采样操作下使用，并使用FFT简化的傅立叶变换计算。实际上，仅具有相关谐波的信号被检索用于具有最小计算和存储的马达的故障查找。而且，也不使用跟踪滤波器。

以这种方式，机载存储器(RAM存储器，计算速度)所需要的性能被降低。而且，减少了所引致的过热并增加了操作范围。

而且，第一、第二和第三组的频率信号分别适用于查找马达的第一轴、第二轴和轴间轴承的故障。

实际上，检测系统21(参看图3)实时地检索第一组、第二组和第三组的频率信号，以对它们进行分析。检测系统21包括分析装置23，所述分析装置23用于例如使频率信号与其它信号关联，或用于将所述频率信号与预限定阈值相比较，以实时地监视马达7的状态。该检测系统可例如关于对应相关阈值监视频率信号的各种谐波振幅的状况。超出阈值可以因此激活警报或警告信息31。

可选的，频率信号的分析可以脱机执行，以在飞行过程中进一步最小化计算时间。

有利地，第一组、第二组和第三组的频率信号可以在飞行之间随着时间存储在用于分析马达7状态的改进的数据库中。

应注意的是，监视系统可以整合进一特定单元中或是现有电子单元的一部分中。有利地，在飞机上的机载电脑或合并在EMU(马达监视单元)类型的飞机马达中的电脑的获取和处理设备可用于操作根据本发明的获取振动信号并查找马达故障的系统。

Claims (9)

1.一种用于获取振动信号以查找回转马达(7)故障的系统，其特征在于其包括：

用于接收所述马达的暂时振动信号(X(t))和所述马达的至少一个轴(11)的至少一个当前旋转速度(N(t))的输入装置(3)，以及

用于实时地对所述暂时振动信号(X(t))采样的采样装置(5)，至少一个采样信号(S)与所述至少一个当前旋转速度同步，从而生成对应的同步振动信号(X(n_t)),所述采样信号(S)以预限定最大调和比和预限定采样比来设定。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，其包括用于缓冲包括预定数量周期的所述同步振动信号的样本的缓冲器(19)，所述缓冲器的暂时时间长度根据最小调和比来确定。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，其包括计算装置(15)，所述计算装置(15)用于检索来自所述缓冲后样本的，在最小谐波的多谐波处的频率信号(X₁,…X_kh)以及与对应当前旋转速度成比例的频率。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述计算装置(15)设定为通过使所述缓冲后样本与仅待检索谐波的傅立叶系数相乘来检索所述频率信号(X₁,…X_kh)。

5.根据前述权利要求中任何一项所述的系统，其特征在于：

所述输入装置(3)设定为分别接收相对于所述马达的第一和第二轴的第一和第二当前旋转速度(N₁(t)，N₂(t))，以及

所述采样装置(5；B82，B92)设定为通过实时地对所述暂时信号(X(t))采样而分别直接地生成第一和第二同步振动信号(x₁(n_t),x₂(n_t))，第一采样信号(S1)与所述第一当前旋转速度同步，第二采样信号(S2)与所述第二当前旋转速度同步。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述采样装置(5；B232)设定为通过实时地对所述暂时振动信号采样而直接地生成第三同步振动信号(x₃(n_t))，第三采样信号(S3)与所述第一和第二当前旋转速度的总和或差同步，所述第三采样信号通过所述第一和第二采样信号的三角结合而重建。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，其包括第一、第二和第三缓冲器(B10，B11，B24)，所述第一、第二和第三缓冲器分别用于缓冲包括预定数量周期的所述第一同步振动信号(x₁(n_t))的第一样本、包括预定数量周期的所述第二同步振动信号(x₂(n_t))的第二样本、以及包括预定数量周期的所述第三同步振动信号(x₃(n_t))的第三样本，所述计算装置设定为分别由所述第一、第二和第三缓冲后样本检索在与所述第一当前旋转速度成比例的频率上的第一频率信号(X₁₁,…X_1kh)、在与所述第二当前旋转速度成比例的频率上的第二频率信号(X₁₁,…X_1kh)，以及在与所述第一和第二当前旋转速度的所述和或差成比例的频率上的第三频率信号(X₁₁,…X_1kh)。

8.一种用于监视旋转马达的系统，其包括根据权利要求1至7中任何一项所述的获取系统，其特征在于，其进一步包括用于分析频率信号，以查找所述马达状态故障的分析装置(23)。

9.一种用于获取振动信号，以查找旋转马达故障的方法，其特征在于，其包括以下步骤：

接收来自所述马达的暂时振动信号(X(t))和所述马达的至少一个轴的至少一个当前旋转速度(N(t))，以及

实时地对所述暂时振动信号采样，至少一个采样信号(S)与所述至少一个当前旋转速度同步，以生成对应的同步振动信号(x(n_t))，所述采样信号(S)以预定的最大调和比和预定的采样比来设定。