CN104154989A - 非稳态旋转设备的振动监测方法和振动监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种非稳态旋转设备的振动监测方法和振动监测系统，所述振动监测方法包括，对以预定的采集周期采集的非稳态旋转设备的振动加速度数据执行以下处理：将所述振动加速度数据转换为振动频谱数据；从所述振动频谱数据识别预定的特征频率，并且基于识别出的特征频率计算运行转速数据；基于所述运行转速数据确定在采集所述振动加速度数据的期间转速稳定的第一时间段；对所述第一时间段内的振动加速度数据进行振动特征分析，取得振动分析数据。通过本发明的实施例的非稳态旋转设备的振动监测方法和振动监测系统，解决了由于转速波动大导致的振动有效值误差增大、频谱特征不明显、样机的监测时间长且流程复杂、设备运行过程中冲击干扰大等问题。

Description

非稳态旋转设备的振动监测方法和振动监测系统

技术领域

本发明涉及一种振动监测技术，尤其涉及一种非稳态旋转设备的振动监测方法和振动监测系统。

背景技术

现有的振动监测方法通过接收来自于振动传感器的振动信号和来自于转速传感器的转速信号，对振动信号进行模数转换，对转速信号进行脉冲捕获，将处理过的振动信号和转速信号进行封装及发送。在处理振动信号和转速信号的过程中，将转速触发时刻嵌入到数据流中，上位计算机扫描每一个上传的数据包并通过检测转速信号的到来以及转速值来实时获取转速信号的到达时刻，上位计算机根据转速信号对数据包中振动信号进行阶比分析、并按转速进行振动信号的分类处理。

在实现上述振动监测方法的过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下问题：现有技术的方法得到的转速通常分辨率较低，其两个冲击脉冲之间的转速默认是不变的；而且转速和振动同步采集并不能排除因为转速外波动所带来的冲击(诸如风力发电机偏航造成的影响)。在监测样机状态的过程中，其不具有判断转速是否恒定的功能，以此做出的频谱不能代表样机的稳定状态。从而横向比较，此种方法的监测时间较长，通常需要每个工况有效值积累上千次以上，效率和精度都有待改善。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种非稳态旋转设备的振动监测方法和振动监测系统，通过从采集的非稳态旋转设备的振动加速度数据获得稳定状态的振动分析数据，以解决由于转速波动大导致的振动有效值误差增大、频谱特征不明显、样机的监测时间长且流程复杂、设备运行过程中冲击干扰大等问题。

根据本发明的一方面，本发明提供一种非稳态旋转设备的振动监测方法，包括：对以预定的采集周期采集的非稳态旋转设备的振动加速度数据执行以下处理：将所述振动加速度数据转换为振动频谱数据；从所述振动频谱数据识别预定的特征频率，并且基于识别出的特征频率计算出运行转速数据；基于所述运行转速数据确定在采集所述振动加速度数据的期间转速稳定的第一时间段；对所述第一时间段内的振动加速度数据进行振动特征分析，取得振动分析数据。

根据本发明的一方面，本发明提供一种非稳态旋转设备的振动监测系统，包括：振动数据获取装置，用于获取以预定的采集周期采集的非稳态旋转设备的振动加速度数据；频谱数据转换装置，用于将振动数据获取装置获取的振动加速度数据转换为振动频谱数据；转速数据计算装置，用于从所述振动频谱数据识别预定的特征频率，并且基于识别出的特征频率计算出运行转速数据；第一时间段确定装置，用于基于所述运行转速数据确定在采集所述振动加速度数据的期间转速稳定的第一时间段；振动分析数据获取装置，用于对所述第一时间段内的振动加速度数据进行振动特征分析，取得振动分析数据。

本发明的实施例的振动监测方法及振动监测系统，通过基于识别出的特征频率计算运行转速数据，使计算得到的运行转速数据分辨率较高；通过基于所述运行转速数据确定采集所述振动加速度数据的期间转速稳定的时间段，并对所述转速稳定的时间段内的振动加速度数据进行振动特征分析、取得振动分析数据，从而获得转速稳定状态的振动分析数据，解决了由于转速波动大导致的振动有效值误差增大、频谱特征不明显、样机的监测时间长且流程复杂等问题。

附图说明

图1为本发明实施例的用于采集非稳态旋转设备的振动加速度数据的系统配置的示意图；

图2为本发明实施例的非稳态旋转设备的振动监测方法的流程图；

图3为本发明实施例的振动加速度数据以及特征频率识别转速的示意图；

图4为本发明实施例的特征频率识别转速与转速变化率曲线；

图5为本发明实施例的通过数据库绘制得到的各转速阶比谱示意图；

图6为本发明实施例的通过数据库绘制得到的各转速有效值曲线；

图7为本发明实施例的非稳态旋转设备的振动监测系统的逻辑框图。

具体实施方式

本发明提供一种作为在正常运转状态下转速不固定的非稳态旋转设备的振动监测方法及振动监测系统，通过安装在例如风力发电机、滚动发电机等的非稳态旋转设备上的振动传感器以及数据采集设备，以一定采集周期采集所述非稳态旋转设备的振动加速度数据。然后对所述振动加速度数据执行以下处理：将所述振动加速度数据转换为振动频谱数据；从所述振动频谱数据识别预定的特征频率，并且基于识别出的特征频率计算出运行转速数据；基于所述运行转速数据确定采集所述振动加速度数据的期间转速稳定的时间段；对所述转速稳定的时间段内的振动加速度数据进行振动特征分析，取得振动分析数据。

根据本发明的振动监测方法及振动监测系统，通过基于识别出的特征频率计算出运行转速数据，使计算得到的运行转速数据分辨率较高；通过基于所述运行转速数据确定采集所述振动加速度数据的期间转速稳定的时间段，并对所述转速稳定的时间段内的振动加速度数据进行振动特征分析、取得振动分析数据，从而获得转速稳定状态的振动分析数据，解决了由于转速波动大导致的振动有效值误差增大、频谱特征不明显、样机的监测时间长且流程复杂等问题。

下面结合附图对本发明的实施例进行详细描述。

为了获得非稳态旋转设备的所述振动加速度数据，需要对所述非稳态旋转设备以一定采集周期采集所述振动加速度数据。图1为本发明的示例性实施例的采集非稳态旋转设备的振动加速度数据的系统配置的示意图。如图1所示，通过至少一个安装在所述非稳态旋转设备上的振动传感器，以及一台数据采集设备，以一定采集周期采集所述非稳态旋转设备的振动加速度数据。

图2是本发明的示例性实施例的非稳态旋转设备的振动监测方法的流程图。

参照图2，在步骤S210，将所述振动加速度数据转换为振动频谱数据。在本实施例中，可通过对所述振动加速度数据执行快速傅立叶变换(FFT)，将所述振动加速度数据转换为振动频谱数据。

根据本发明的优选实施例，在步骤S210中，还对所述以预定的采集周期采集的非稳态旋转设备的振动加速度数据执行滤波处理，以抑制和防止干扰。

在步骤S220，从所述振动频谱数据识别预定的特征频率，并且基于识别出的特征频率计算出运行转速数据。

机械在旋转过程中因结构的自身特性产生冲击，通过反映其振动特性的特征频率可反算所述非稳态旋转设备的转速。所述特征频率可以是齿槽频率的倍频、级通过频率、或者齿轮啮合频率等。其中，齿槽频率是电机绕组固定缠绕的齿形结构在相对转子做旋转运动时由于定转子之间气流的影响，产生的以齿槽个数的倍频为周期的机械冲击。磁极通过频率为电机的每个级在旋转一周的过程中通过电磁力对结构产生的机械冲击；如果电机存在n个级，旋转一周就会形成n个这样的冲击，即级通过频率。在啮合的过程中，对于一个齿数为n的齿轮来说，轴旋转一周，齿轮的齿啮合n次，即产生n次的冲击，将所述n次冲击换算成频率为齿轮的啮合频率。

根据本发明的优选实施例，所述特征频率是倍频，但本发明的构思通过逻辑修改同样适用于其他的特征频率。其中，所述从所述振动频谱数据识别预定的特征频率，并且基于识别出的特征频率计算出运行转速数据的处理包括：从所述振动频谱数据识别出预定个数的倍频；根据在识别出预定个数的倍频的第二时间段内的振动频谱数据和齿槽数量计算出所述第二时间段内的运行转速，从而使得到的转速分辨率更高。具体地，可用以下公式计算所述第二时间段内的运行转速：

转速＝max(带通后的振动频谱)/(非稳态旋转设备的齿槽数量×倍频个数)×60。

在步骤S230，基于所述运行转速数据确定在采集所述振动加速度数据的期间转速稳定的第一时间段。

根据本发明的示例性实施例，在步骤S230中，对所述运行转速数据求导数，取得转速变化率数据及转速变化率曲线，然后根据以下条件从所述转速变化率数据提取第一时间段：存在连续的稳速采集时间点并且所述连续的稳速采集时间点持续的时间超过预定的稳速时间长度，其中，每两个相邻的稳速采集时间点的转速变化率之间的斜率绝对值小于预定斜率容差。比如：如果转速变化率曲线几个连续点Y值绝对值的大小均小于所述预定斜率容差，且连续点个数满足所述预定的稳速时间长度要求，则认为机组的转速在该段时间内稳定，从而获得转速稳定且持续时间较长的第一时间段，即所述连续点当中两端点之间的时间段。

进一步地，还可以以预定的比例将提取的第一时间段分成两段，并且选取所述两段当中的后半段，以减小因为转速突变带来的振动扰动在一定时间内未衰减而造成的测量误差。

在步骤S240，对所述第一时间段内的振动加速度数据进行振动特征分析，取得振动分析数据。

根据本发明的优选实施例，在步骤S240中，按照预定的转速间隔对所述第一时间段对应的振动加速度数据进行分仓，每个分仓的振动加速度数据都对应一个转速区间，也就是说，按照转速区间将某个转速区间对应的振动加速度数据分到所述转速区间对应的分仓中；具体的分仓的个数可为：(机组工作转速上限–机组工作转速下限)/预定的转速间隔；对任一分仓的振动加速度数据进行振动特征分析，取得振动分析数据，从而获得各个转速区间的振动分析数据。

具体来说，通过以下至少一种方式对任一分仓的振动加速度数据进行振动特征分析，取得振动分析数据：对所述分仓的振动加速度数据执行快速傅立叶变换，取得所述分仓的频谱数据；计算出所述分仓的振动加速度的有效值；计算出所述分仓的振动加速度数据的阶比。其中，所述计算出所述分仓的振动加速度数据的阶比的处理包括：对所述分仓的振动加速度数据执行快速傅立叶变换，取得所述分仓的频谱数据；基于所述频谱数据和所述第一时间段的转速平均值对应的频率计算出所述分仓的振动加速度数据的阶比，计算公式为：阶比＝频率/(转速平均值×60)，其中，所述第一时间段的转速平均值通过对所述第一时间段内的采集时间点计算出的运行转速数据求平均获得。此外，所述分仓的振动加速度的有效值为所述分仓内的振动加速度的均方根。

根据本发明的优选实施例，存储所述振动分析数据，从而可将存储的振动分析数据提供给用户。根据本发明的另一优选实施例，如果所述转速平均值在预定的转速区间内，则存储计算出的振动分析数据，从而得到所述预定的转速区间内的振动分析数据。以下在图3～图6中示出非稳态旋转设备的振动监测方法中分析计算振动分析数据的示例。图3示出了本发明示例性实施例中采集的振动加速度数据，以及基于识别出的特征频率计算得到的运行转速数据。

图4为基于识别出的特征频率计算得到的运行转速与转速变化率曲线，下方的曲线为对转速(上方曲线)求导得到的转速变化率曲线，可以看到当转速出现较大波动的时候，变化率曲线在零附近的绝对值会突然增高，通过设置变化率曲线绝对值的上限(预定斜率容差)，以判断转速是否平稳。例如将斜率容差设置为0.05，则代表两个相邻转速间隔点之间Y轴差值不会超过0.05倍的转速间隔。

图5为经过分仓处理后各分仓振动加速度的阶比谱汇总。通过该图可以直观地看到机组在各个转速下频谱的特征，如某一转速下，机组的倍频突然增高，将成为样机监测报告的重要内容。

图6为经过分仓处理后各分仓振动加速度的有效值汇总，通过不同转速下有效值曲线，可以观察到机组在不同转速下的振动规律，一定程度上能反应整机的振动水平和动力学特性。

图7是本发明实施例的非稳态旋转设备的振动监测系统的逻辑框图。

参照图7，本发明的非稳态旋转设备的振动监测系统包括：振动数据获取装置710、频谱数据转换装置720、转速数据计算装置730、第一时间段确定装置740、振动分析数据获取装置750。

振动数据获取装置710，用于获取以预定的采集周期采集的非稳态旋转设备的振动加速度数据。振动数据获取装置710包括至少一个安装在所述非稳态旋转设备上的振动传感器，以及一台至少2通道的数据采集设备，通过所述振动传感器和所述数据采集设备以一定采集周期采集所述非稳态旋转设备的振动加速度数据。

频谱数据转换装置720，用于将振动数据获取装置获取的振动加速度数据转换为振动频谱数据。在本实施例中，频谱数据转换装置720可通过对所述振动加速度数据执行快速傅立叶变换(FFT)将所述振动加速度数据转换为振动频谱数据。

转速数据计算装置730，用于从所述振动频谱数据识别预定的特征频率，并且基于识别出的特征频率计算出运行转速数据。在本实施例中，所述特征频率可以是齿槽频率的倍频、级通过频率、或者齿轮啮合频率等。

根据本发明的优选实施例，所述特征频率是倍频。其中，所述转速数据计算装置730从所述振动频谱数据识别出预定个数的倍频，并且根据在识别出预定个数的倍频的第二时间段内的振动频谱数据和齿槽数量计算出所述第二时间段内的运行转速，从而使得到的转速分辨率更高。具体地，可用以下公式计算出所述第二时间段内的运行转速：转速＝max(振动频谱数据)/(非稳态旋转设备的齿槽数量×倍频个数)×60。

第一时间段确定装置740，用于基于所述运行转速数据确定在采集所述振动加速度数据的期间转速稳定的第一时间段。

根据本发明的优选实施例，第一时间段确定装置740对所述运行转速数据求导数，取得转速变化率数据，并且根据以下条件从所述转速变化率数据提取第一时间段：存在连续的稳速采集时间点并且所述连续的稳速采集时间点持续的时间超过预定的稳速时间长度，其中，每两个相邻的稳速采集时间点的转速变化率之间的斜率绝对值小于预定斜率容差。比如：如果转速变化率曲线几个连续点Y值绝对值的大小均小于所述预定斜率容差，且连续点个数满足所述预定的稳速时间长度要求，则认为机组的转速在该段时间内稳定。从而获得转速稳定且持续时间较长的第一时间段。

进一步地，第一时间段确定装置740还以预定的比例将提取的第一时间段分成两段，并且选取所述两段当中的后半段，以减小因为转速突变带来的振动扰动在一定时间内未衰减而造成的测量误差。

振动分析数据获取装置750，用于对所述第一时间段内的振动加速度数据进行振动特征分析，取得振动分析数据。

根据本发明的优选实施例，振动分析数据获取装置750按照预定的转速间隔对所述第一时间段对应的振动加速度数据进行分仓，每个分仓的振动加速度数据都对应一个转速区间，具体的分仓的个数可为：(机组工作转速上限–机组工作转速下限)/预定的转速间隔，并且对任一分仓的振动加速度数据进行振动特征分析，取得振动分析数据，从而获得各个转速区间的振动分析数据。具体来说，所述振动分析数据获取装置750通过以下至少一种方式对任一分仓的振动加速度数据进行振动特征分析，取得振动分析数据：对所述分仓的振动加速度数据执行快速傅立叶变换，取得所述分仓的频谱数据；计算出所述分仓的振动加速度的有效值，所述有效值为所述分仓内的振动加速度的均方根；计算出所述分仓的振动加速度数据的阶比，振动分析数据获取装置750对所述分仓的振动加速度数据执行快速傅立叶变换，取得所述分仓的频谱数据，并且基于所述频谱数据和所述第一时间段的转速平均值对应的频率计算出所述分仓的振动加速度数据的阶比，计算公式为：阶比＝频率/(转速平均值×60)，其中，所述第一时间段的转速平均值通过对所述第一时间段内的采集时间点计算出的运行转速数据求平均获得。

根据本发明的优选实施例，所述振动监测系统还包括：振动分析数据存储装置(未示出)，用于存储所述振动分析数据，从而可将存储的振动分析数据提供给用户。此外，振动分析数据存储装置还可通过判断所述转速平均值是否在预定的转速区间内，如果所述转速平均值在预定的转速区间内，则所述振动分析数据存储装置存储计算出的振动分析数据。

根据本发明的优选实施例，所述振动监测系统还包括：滤波处理装置(未示出)，用于对所述振动数据获取装置710获取的振动加速度数据执行滤波处理，从而抑制和防止干扰，提高振动加速度数据的准确性。

通过上述本发明的实施例的振动监测方法及振动监测系统，通过基于识别出的特征频率计算出运行转速数据，使计算得到的运行转速数据分辨率较高；通过基于所述运行转速数据确定采集所述振动加速度数据的期间转速稳定的时间段，并对所述转速稳定的时间段内的振动加速度数据进行振动特征分析、取得振动分析数据，从而获得转速稳定状态的振动分析数据，解决了由于转速波动大导致的振动有效值误差增大、频谱特征不明显、样机的监测时间长且流程复杂等问题。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，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，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (18)

1.一种非稳态旋转设备的振动监测方法，其特征在于，所述振动监测方法包括，对以预定的采集周期采集的非稳态旋转设备的振动加速度数据执行以下处理：

将所述振动加速度数据转换为振动频谱数据；

从所述振动频谱数据识别预定的特征频率，并且基于识别出的特征频率计算出运行转速数据；

基于所述运行转速数据确定在采集所述振动加速度数据的期间转速稳定的第一时间段；

对所述第一时间段内的振动加速度数据进行振动特征分析，取得振动分析数据。

2.根据权利要求1所述的振动监测方法，其特征在于，通过对所述振动加速度数据执行快速傅立叶变换，将所述振动加速度数据转换为振动频谱数据。

3.根据权利要求2所述的振动监测方法，其特征在于，所述特征频率是倍频，

其中，所述从所述振动频谱数据识别预定的特征频率，并且基于识别出的特征频率计算出运行转速数据的处理包括：

从所述振动频谱数据识别出预定个数的倍频；

根据在识别出预定个数的倍频的第二时间段内的振动频谱数据和齿槽数量计算出所述第二时间段内的运行转速。

4.根据权利要求3所述的振动监测方法，其特征在于，所述基于所述运行转速数据确定在采集所述振动加速度数据的期间转速稳定的第一时间段的处理包括：

对所述运行转速数据求导数，取得转速变化率数据；

根据以下条件从所述转速变化率数据提取第一时间段：存在连续的稳速采集时间点并且所述连续的稳速采集时间点持续的时间超过预定的稳速时间长度，其中，每两个相邻的稳速采集时间点的转速变化率之间的斜率绝对值小于预定斜率容差。

5.根据权利要求4所述的振动监测方法，其特征在于，所述从所述转速变化率数据提取第一时间段的处理还包括：以预定的比例将提取的第一时间段分成两段，并且选取所述两段当中的后半段。

6.根据权利要求5所述的振动监测方法，其特征在于，所述对所述第一时间段内的振动加速度数据进行振动特征分析，取得振动分析数据的步骤包括：

按照预定的转速间隔对所述第一时间段对应的振动加速度数据进行分仓；

对任一分仓的振动加速度数据进行振动特征分析，取得振动分析数据。

7.根据权利要求6所述的振动监测方法，其特征在于，通过以下至少一种方式对任一分仓的振动加速度数据进行振动特征分析，取得振动分析数据：

对所述分仓的振动加速度数据执行快速傅立叶变换，取得所述分仓的频谱数据；

计算出所述分仓的振动加速度的有效值；

计算出所述分仓的振动加速度数据的阶比。

8.根据权利要求7所述的振动监测方法，其特征在于，所述计算出所述分仓的振动加速度数据的阶比的处理包括：

对所述分仓的振动加速度数据执行快速傅立叶变换，取得所述分仓的频谱数据，

基于所述频谱数据和所述第一时间段的转速平均值对应的频率计算出所述分仓的振动加速度数据的阶比，其中，所述第一时间段的转速平均值通过对所述第一时间段内的采集时间点计算出的运行转速数据求平均获得。

9.根据权利要求8所述的振动监测方法，其特征在于，如果所述转速平均值在预定的转速区间内，则存储计算出的振动分析数据。

10.根据权利要求9所述的振动监测方法，其特征在于，所述振动监测方法还包括：对所述以预定的采集周期采集的非稳态旋转设备的振动加速度数据执行滤波处理。

11.一种非稳态旋转设备的振动监测系统，其特征在于，所述振动监测系统包括：

振动数据获取装置，用于获取以预定的采集周期采集的非稳态旋转设备的振动加速度数据；

频谱数据转换装置，用于将振动数据获取装置获取的振动加速度数据转换为振动频谱数据；

转速数据计算装置，用于从所述振动频谱数据识别预定的特征频率，并且基于识别出的特征频率计算出运行转速数据；

第一时间段确定装置，用于基于所述运行转速数据确定在采集所述振动加速度数据的期间转速稳定的第一时间段；

振动分析数据获取装置，用于对所述第一时间段内的振动加速度数据进行振动特征分析，取得振动分析数据。

12.根据权利要求11所述的振动监测系统，其特征在于，所述频谱数据转换装置通过对所述振动加速度数据执行快速傅立叶变换，将所述振动加速度数据转换为振动频谱数据。

13.根据权利要求12所述的振动监测系统，其特征在于，所述特征频率是倍频，

其中，所述转速数据计算装置用于从所述振动频谱数据识别出预定个数的倍频，并且根据在识别出预定个数的倍频的第二时间段内的振动频谱数据和齿槽数量计算出所述第二时间段内的运行转速。

14.根据权利要求13所述的振动监测系统，其特征在于，第一时间段确定装置用于对所述运行转速数据求导数，取得转速变化率数据，并且根据以下条件从所述转速变化率数据提取第一时间段：存在连续的稳速采集时间点并且所述连续的稳速采集时间点持续的时间超过预定的稳速时间长度，其中，每两个相邻的稳速采集时间点的转速变化率之间的斜率绝对值小于预定斜率容差。

15.根据权利要求14所述的振动监测系统，其特征在于，所述第一时间段确定装置还用于以预定的比例将提取的第一时间段分成两段，并且选取所述两段当中的后半段。

16.根据权利要求15所述的振动监测系统，其特征在于，所述振动分析数据获取装置用于按照预定的转速间隔对所述第一时间段对应的振动加速度数据进行分仓，并且对任一分仓的振动加速度数据进行振动特征分析，取得振动分析数据。

17.根据权利要求16所述的振动监测系统，其特征在于，所述振动分析数据获取装置用于通过以下至少一种方式对任一分仓的振动加速度数据进行振动特征分析，取得振动分析数据：

对所述分仓的振动加速度数据执行快速傅立叶变换，取得所述分仓的频谱数据；

计算所述分仓的振动加速度的有效值；

计算出所述分仓的振动加速度数据的阶比。

18.根据权利要求17所述的振动监测系统，其特征在于，所述振动分析数据获取装置用于对所述分仓的振动加速度数据执行快速傅立叶变换，取得所述分仓的频谱数据，并且基于所述频谱数据和所述第一时间段的转速平均值对应的频率计算出所述分仓的振动加速度数据的阶比，其中，所述第一时间段的转速平均值通过对所述第一时间段内的采集时间点计算出的运行转速数据求平均获得。