CN104236798B - 旋转机械启停车纯试重奈奎斯特图的单面图解平衡方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种旋转机械启停车纯试重奈奎斯特图的单面图解平衡方法，包括以下步骤：1)采集旋转机械启停车的原始键相信号和原始振动信号；2)获取原始键相信号峰值点的时间数据，由键相信号峰值点时间间隔即振动信号时间间隔，可得原始振动信号的转频信息；3)对原始振动信号进行分数阶傅里叶变换滤波处理，结合步骤2得到单一的原始转频振动信号；4)计算步骤3得到原始转频振动信号的奈奎斯特图；5)由步骤1至4方法，在平衡盘上添加试重，得到试重启停车转频振动信号的奈奎斯特图；6)试重奈奎斯特图和原始奈奎斯特图矢量相减得到纯试重奈奎斯特图；7)由纯试重奈奎斯特图和原始奈奎斯特图，利用动平衡方法求得旋转机械转子失衡量。

Description

旋转机械启停车纯试重奈奎斯特图的单面图解平衡方法

【技术领域】

本发明属于旋转机械转子动平衡领域，具体涉及一种旋转机械启停车纯试重奈奎斯特图的单面图解平衡方法。

【背景技术】

动平衡技术作为一项旋转机械的关键和基础性的技术，一直受到工业界和学术界的密切关注和重视。大量的统计数据表明转子的不平衡通常是引起旋转机械振动的主要原因。不平衡会引起转子的挠曲和内应力变化，是机器的振动加剧，降低机器的工作效率，严重时还会引起各种事故；不平衡不仅是旋转机械主要的激振源，而且也是许多种自激振动的诱发因素。一旦平衡状况得以改善，其他一些故障现象也将随之消失。所以动平衡技术的发展与完善，对旋转机械设备正常运转有着重要意义。

据相关资料分析认为，目前常常采用的旋转机械故障诊断方法大都是在恒转速状稳态下进行的，运用快速傅立叶(FFT)变换可直接将振动信号变换到频域，得到各个频率下的幅值分量和相位分量，进而得到频谱图、功率谱图或轴心轨迹图等。以上方法不能用于非稳态过程的振动信号分析，因此，寻找针对旋转机械启动停车过程的非稳态振动信号的动平衡方法具有重要意义。

旋转机械启停车是机组运行过程中的事故多发阶段。在这个过程中机组经历了一个非稳态的运行过程，这个过程包含了机组丰富的状态信息，而这些信息是常规稳态状态下所无法获得的。研究旋转机械启停车过程振动信息的提取和利用，对了解旋转机械的运行状态和旋转机械隐含的故障具有重要的指导作用。对旋转机械启停车过程振动信息的提取和利用寻找一种好的分析方法同样具有重要的意义。

常用的旋转机械非平稳过程振动信号监测诊断方法有伯德图、奈奎斯特图和瀑布图等，而伯德图、奈奎斯特图对旋转机械启停车过程的分析尤为重要。伯德图和奈奎斯特图的提出最早是在自动控制领域，用来描述控制系统不同频率下系统输入与系统输出之间的关系。后来这一方法被移植和引入到旋转机械非平稳起停车过程的监测和诊断中。如果将旋转机械失衡质量在转动过程中所引起的离心力作为系统的输入，将转子的失衡振动响应作为输出，那么转子的振动可认为是一典型的二阶质量－弹簧－阻尼系统。在旋转机械启停车这一非平稳过程中，转子的转速经历了有由小到大或相反的变化过程，由失衡质量产生的离心力的频率也同样经历了由小到大或相反的变化过程。与旋转机械启停车这一非平稳过程相对应的振动信号，正是失衡质量产生离心力所激发的振动。因此振动信号的伯德图和奈奎斯特图可以很好地描述由失衡质量产生离心力所激发的振动。旋转机械启停车过程振动信号伯德图和奈奎斯特图是目前旋转机械非平稳振动信号处理中重要和常用的方法。

【发明内容】

本发明的目的在于针对现有技术中旋转机械振动信息利用不充分的问题，提供了一种旋转机械启停车纯试重奈奎斯特图的单面图解平衡方法，该方法根据纯试重奈奎斯特图和待平衡转子启停车过程的奈奎斯特图，通过图解的方法求得待平衡转子的失衡量或配重量。

转机械启停车纯试重奈奎斯特图的单面图解平衡方法，包括以下步骤：

1)采集旋转机械启停车过程的原始键相信号和原始振动信号；

2)根据键相信号的特点，获取原始键相信号峰值对应点的时间数据；由所得到的时间数据获取相邻键相信号峰值的时间间隔，由于原始振动数据和原始键相信号数据是同时采集，周期性完全一致，因此原始键相信号峰值的时间间隔就是原始振动数据对应的时间间隔，即原始振动数据对应的转频信息；

3)对旋转机械启停车原始振动信号进行分数阶傅里叶变换滤波处理，结合步骤2)中所获取的原始振动数据对应的转频信息，得到单一的启停车过程原始转频振动信号；

4)计算步骤3)得到原始转频振动信号的奈奎斯特图；

5)在平衡盘上添加试重，采集旋转机械启停车过程的试重键相信号和试重振动信号；

6)根据键相信号的特点，获取试重键相信号峰值对应点的时间数据；由所得到的时间数据获取相邻键相信号峰值的时间间隔，由于试重振动数据和试重键相信号数据是同时采集，周期性完全一致，因此试重键相信号峰值的时间间隔就是试重振动数据对应的时间间隔，即试重振动数据对应的转频信息；

7)对旋转机械启停车试重振动信号进行分数阶傅里叶变换滤波处理，结合步骤6)中所获取的试重振动数据对应的转频信息，得到单一的启停车过程试重转频振动信号；

8)计算步骤7)得到试重转频振动信号的试重奈奎斯特图；

9)对步骤8)和步骤4)中得到的试重奈奎斯特图和原始奈奎斯特图进行矢量相减得到纯试重奈奎斯特图；

10)根据纯试重奈奎斯特图和待平衡转子的原始奈奎斯特图，利用动平衡方法求得旋转机械转子在任一转速下的失衡量或配重量。

本发明进一步改进在于，具体步骤如下：

步骤1)中，利用电涡流位移传感器和键相传感器分别采集转子在启车过程中原始振动数据和键相数据；

步骤3)中，对旋转机械启停车原始振动信号进行分数阶傅里叶变换滤波处理，结合步骤2)中所获取的转频信息，得到单一的启停车过程原始转频振动信号z(t)；

步骤4)中，计算步骤3)得到原始转频振动信号的奈奎斯特图，并构造转频振动向量的解析函数z₁(t)，为一复数函数，满足：

式中：x₁(t)为原始转频信号的横向振动量，y₁(t)为原始转频信号的纵向振动量；

a₁(t)为原始振动信号转频振动幅值大小， 为原始振动信号转频振动相位，

步骤8)中，根据步骤5)至7)的方法，通过在平衡盘上添加试重，得到试重启停车过程转频振动信号的奈奎斯特图，并构造加试重之后的转频振动量解析函数z₂(t)，为一复数函数，满足：

式中：x₂(t)为试重转频信号的横向振动量，y₂(t)为试重转频信号的纵向振动量；a₂(t)为试重振动信号转频振动幅值大小， 为试重振动信号转频振动相位，

步骤9)中，由公式(1)和公式(2)得到纯试重启停车振动信号的解析函数z₀(t)，为一复数函数：

式中：

a₀(t)为纯试重振动信号转频振动幅值大小， 为纯试重振动信号转频振动相位，

步骤10)中，根据公式(3)绘制启停车转频振动信号的纯试重奈奎斯特图，根据纯试重奈奎斯特图，通过图解的方法对待平衡转子进行动平衡操作，求得待平衡转子的失衡量或配重量。

本发明进一步改进在于，步骤10)中，通过图解的方法对待平衡转子进行动平衡操作，具体步骤如下：

在已经得到的原始启停车过程奈奎斯特图和纯试重奈奎斯特图上，分别找到转速为n时所对应的原始转频振动向量和纯试重转频振动向量然后同时旋转纯试重转频振动向量和纯试重添加矢量使得纯试重转频振动向量和原始转频振动向量重合，这时纯试重转频振动向量和纯试重添加矢量分别到达新的位置，得到新的纯试重转频振动向量和新的纯试重添加矢量等比例延长振动向量和使得这时振动向量分别到达目标平衡位置，得到目标纯试重转频振动向量和目标纯试重添加矢量此时矢量就是图解得到在转速n下的不平衡量；平衡时只需往相反方向加同样的配重量即可。

与现有技术相比，本发明具有如下的优点：

本发明旋转机械启停车纯试重奈奎斯特图的单面图解平衡方法，该方法基于传统的通过由电涡流位移传感器测量到的旋转机械启停车过程转子振动信号和键相信号，计算得到启停车过程的奈奎斯特图。在此基础上，通过两次启停车，原始启停车和试重启停车，利用两次结果矢量相减求得纯试重响应的奈奎斯特图。相比较一般的奈奎斯特图，纯试重奈奎斯特图可以得到任一转速下试重与转子振动幅值、相位的直接对应关系。最后根据得到的纯试重奈奎斯特图和待平衡转子启停车过程的奈奎斯特图，通过图解的方法求得待平衡转子奈奎斯特图任一转速下的失衡量。一般的平衡方法只能在某一转速下平衡待平衡转子的不平衡量，而纯试重奈奎斯特图可以求得待平衡转子任一转速下的失衡量，对转子进行平衡。

本发明意义在于根据旋转机械启停车过程非平稳振动信号的奈奎斯特图，通过图解的方法求得旋转机械转子在各个转速下的失衡量，为旋转机械的动平衡提供指导。

【附图说明】

图1为基于奈奎斯特图的单面图解平衡方法示意图；

图2(a)为单盘转子结构的主视图，图2(b)为单盘转子结构的侧视图；

图3为原始振动信号的波形图；

图4为键相信号的波形图；

图5为键相脉冲信号截取振动信号示意图；

图6为转频振动信号波形图；

图7为频振动信号的奈奎斯特图；

图8为试重启车过程转频振动信号的奈奎斯特图；

图9为纯试重奈奎斯特图；

图10为基于奈奎斯特图的单面图解平衡方法算例图；

图11为基于奈奎斯特图的单面图解平衡方法平衡后的效果图。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

本发明提出的动平衡方法平衡原理如下：

如图1所示，任取一平衡转速为n，图中含有待平衡转子失衡振动的奈奎斯特图，其中，为转速为n时的原始转频振动向量，图中含有0°角处添加的失衡质量后引起的转子转频振动减去原始振动所得到的纯试重奈奎斯特图，为转速为n时的纯试重转频振动向量，为该纯试重添加矢量，平衡过程如下：

1)同时旋转向量和向量，使得和方向相反，这时，和分别到达新的位置，得到新的纯试重转频振动向量和新的纯试重添加矢量

2)对向量和进行等比例缩放，使得这时分别到达目标平衡位置，得到目标纯试重转频振动向量和目标纯试重添加矢量

3)在转子转速为n时，若加上矢量的平衡配重，即可对该转子进行平衡。

本发明旋转机械启停车纯试重奈奎斯特图的单面图解平衡方法，包括以下步骤：

1)采集旋转机械启停车过程的原始键相信号和原始振动信号；

2)根据键相信号的特点，获取原始键相信号峰值对应点的时间数据；由所得到的时间数据获取相邻键相信号峰值的时间间隔，由于原始振动数据和原始键相信号数据是同时采集，周期性完全一致，因此原始键相信号峰值的时间间隔就是原始振动数据对应的时间间隔，即原始振动数据对应的转频信息；

3)对旋转机械启停车原始振动信号进行分数阶傅里叶变换滤波处理，结合步骤2)中所获取的原始振动数据对应的转频信息，得到单一的启停车过程原始转频振动信号；

4)计算步骤3)得到原始转频振动信号的奈奎斯特图；

5)在平衡盘上添加试重，采集旋转机械启停车过程的试重键相信号和试重振动信号；

6)根据键相信号的特点，获取试重键相信号峰值对应点的时间数据；由所得到的时间数据获取相邻键相信号峰值的时间间隔，由于试重振动数据和试重键相信号数据是同时采集，周期性完全一致，因此试重键相信号峰值的时间间隔就是试重振动数据对应的时间间隔，即试重振动数据对应的转频信息；

7)对旋转机械启停车试重振动信号进行分数阶傅里叶变换滤波处理，结合步骤6)中所获取的试重振动数据对应的转频信息，得到单一的启停车过程试重转频振动信号；

8)计算步骤7)得到试重转频振动信号的试重奈奎斯特图；

9)对步骤8)和步骤4)中得到的试重奈奎斯特图和原始奈奎斯特图进行矢量相减得到纯试重奈奎斯特图；

10)根据纯试重奈奎斯特图和待平衡转子的原始奈奎斯特图，利用动平衡方法求得旋转机械转子在任一转速下的失衡量或配重量。

本发明旋转机械启停车纯试重奈奎斯特图的单面图解平衡方法，具体包括以下步骤：

1)根据实验平台自身对振动信号的分析要求，本发明中所使用的数据是由电涡流位移传感器采集得到，并且要确定合适的键相传感器的安装角度、振动传感器的安装角度，见图2，采集转子在启车过程中原始振动数据和键相数据，该算法只针对其中任一组原始振动数据(见图3)和键相数据(见图4)。

2)根据键相信号的特点，获取原始键相信号峰值对应点的时间数据；由所得到的时间数据获取相邻键相信号峰值的时间间隔，由于原始振动数据和原始键相信号数据是同时采集，周期性完全一致，因此原始键相信号峰值的时间间隔就是原始振动数据对应的时间间隔，即原始振动数据对应的转频信息，见图5。

3)对旋转机械启停车原始振动信号进行分数阶傅里叶变换滤波处理，结合步骤2)中所获取的原始振动数据对应的转频信息，得到单一的启停车过程转频振动信号z(t)，见图6。

4)计算步骤3)得到原始转频振动信号的奈奎斯特图，见图7，并构造转频振动量的解析函数z₁(t)，为一复数函数，满足：

式中：x₁(t)为原始转频信号的横向振动量，y₁(t)为原始转频信号的纵向振动量；

a₁(t)为原始振动信号转频振动幅值大小， 为原始振动信号转频振动相位，

5)同理，根据步骤1)至4)的方法，通过在平衡盘上添加试重，得到试重启停车过程转频振动信号的奈奎斯特图，见图8，并构造加试重之后的转频振动量解析函数z₂(t)，为一复数函数，满足：

式中：x₂(t)为试重转频信号的横向振动量，y₂(t)为试重转频信号的纵向振动量；

a₂(t)为试重振动信号转频振动幅值大小， 为试重振动信号转频振动相位，

6)由公式(1)和公式(2)得到纯试重启停车振动信号的解析函数z₀(t)，为一复数函数：

式中：a₀(t)为纯试重振动信号转频振动幅值大小， 为纯试重振动信号转频振动相位，

根据公式(3)绘制启停车转频振动信号的纯试重奈奎斯特图，见图9。

根据纯试重奈奎斯特图，通过图解的方法对待平衡转子进行动平衡，求得待平衡转子的失衡量或配重量。

通过图解的方法对待平衡转子进行动平衡操作，具体步骤如下：分别找到转速为n时所对应的原始转频振动向量和纯试重转频振动向量然后同时旋转纯试重转频振动向量和纯试重添加矢量使得纯试重转频振动向量和原始转频振动向量重合，这时纯试重转频振动向量和纯试重添加矢量分别到达新的位置，得到新的纯试重转频振动向量和新的纯试重添加矢量等比例延长振动向量和使得这时振动向量分别到达目标平衡位置，得到目标纯试重转频振动向量和目标纯试重添加矢量此时矢量就是图解得到在转速n下的不平衡量；平衡时只需往相反方向加同样的配重量即可，见图10。

实施例：

实验台简介：本次发明中算法采用的单盘转子实验台，图2(a)和(b)为该实验台的结构示意图，A和B是实验台的支撑截面，传感器1、传感器2对应的截面是测量面，用来测量转子轴的振动信号，传感器1与传感器2互成90°，同时，定义传感器1所在的方向为X方向，定义传感器2所在的方向为Y方向，传感器3用来测量键相信号。最右端为固定在轴上的圆盘，用作平衡盘，平衡盘沿圆周方向加工有均匀分布的24个孔，孔的加工方向为轴向，可以在这些孔里人为添加不同质量，作失衡质量。

转速控制器直接与转子实验台相连，用以对转子转速的控制和显示。本实验转子的转速为200r/min到4000r/min；采样频率为Fs＝24000Hz；传感器1采集到的数据为本发明中使用的旋转机械启停车振动数据；传感器3采集到的数据为本发明中使用的键相信号数据，在平衡盘上加失衡量1.2g∠90°采集的振动数据作为待平衡量。

1、根据实验平台自身对振动信号的分析要求，本发明中所使用的数据是由电涡流位移传感器采集得到，并且要确定合适的键相传感器的安装角度、振动传感器的安装角度，见图2(a)和(b)，图中1为电涡流位移传感器，3为键相传感器。采集转子在启停车过程中振动数据和转子的键相数据，图3为传感器1测得的振动数据。图4为键相传感器3测得的键相数据。

2、从图3可以看到在7s处左右启停车过程振动数据有比较明显的波动，通过分析，该现象是由于其他倍频造成的，对原始启停车振动信号进行保相滤波，得到启停车过程转频振动信号，见图6，在7s左右出现了峰值波动现象消失了，信号波形图比较平稳。

3、如图5所示，键相信号相邻的峰值去截取启停车过程转频振动信号，可以得到振动信号的每一个周期点值，为后面绘制奈奎斯特图做准备。

4、绘制原始启车转频振动信号的奈奎斯特图，见图7。

5、在平衡盘上加失衡量0.8g∠0°采集的数据的作为基准作为试重启车并绘制试重启车转频振动信号的奈奎斯特图，见图8。

6、由步骤4和5分别得到的原始启车转频振动信号的奈奎斯特图和试重启车转频振动信号的奈奎斯特图，通过矢量相减计算纯试重奈奎斯特图，见图9。

7、根据纯试重奈奎斯特图，通过图解的方法对待平衡转子进行动平衡，求得待平衡转子任一转速下的失衡量或配重量，本实验以转速2000rpm下做动平衡，见图10。图中A为转速2000rpm下的原始振动向量，B为转速2000rpm下的纯试重振动向量，C为纯试重添加矢量。同时旋转向量和向量，使得和方向相反，这时纯试重转频振动向量和纯试重添加矢量分别到达新的位置，得到新的纯试重转频振动向量和新的纯试重添加矢量等比例延长振动向量和使得这时振动向量分别到达目标平衡位置，得到目标纯试重转频振动向量和目标纯试重添加矢量此时矢量就是图解得到在转速n下的不平衡量，的相反向量即为所添加的不平衡量。从图上可以看出，要平衡掉所添加的不平衡量，需要在-75°的方位添加平衡配重1.13g。所得到的结果大体上和理论的1.2g∠-90°相吻合，由于转子在添加不平衡量1.2g之前存在一定的失衡量，所以结果会有一定的误差。平衡后的效果，见图11。

以上内容是结合具体的振动信息对发明做进一步的说明，不能认定本发明方法的具体实施仅限于此，在不脱离本方法的前提下，还可以做出若干简单的演示或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (3)

1.旋转机械启停车纯试重奈奎斯特图的单面图解平衡方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)采集旋转机械启停车过程的原始键相信号和原始振动信号；

2)根据键相信号的特点，获取原始键相信号峰值对应点的时间数据；由所得到的时间数据获取相邻键相信号峰值的时间间隔，由于原始振动数据和原始键相信号数据是同时采集，周期性完全一致，因此原始键相信号峰值的时间间隔就是原始振动数据对应的时间间隔，即原始振动数据对应的转频信息；

3)对旋转机械启停车原始振动信号进行分数阶傅里叶变换滤波处理，结合步骤2)中所获取的原始振动数据对应的转频信息，得到单一的启停车过程原始转频振动信号；

4)计算步骤3)得到原始转频振动信号的奈奎斯特图；

5)在平衡盘上添加试重，采集旋转机械启停车过程的试重键相信号和试重振动信号；

6)根据键相信号的特点，获取试重键相信号峰值对应点的时间数据；由所得到的时间数据获取相邻键相信号峰值的时间间隔，由于试重振动数据和试重键相信号数据是同时采集，周期性完全一致，因此试重键相信号峰值的时间间隔就是试重振动数据对应的时间间隔，即试重振动数据对应的转频信息；

7)对旋转机械启停车试重振动信号进行分数阶傅里叶变换滤波处理，结合步骤6)中所获取的试重振动数据对应的转频信息，得到单一的启停车过程试重转频振动信号；

8)计算步骤7)得到试重转频振动信号的试重奈奎斯特图；

9)对步骤8)和步骤4)中得到的试重奈奎斯特图和原始奈奎斯特图进行矢量相减得到纯试重奈奎斯特图；

10)根据纯试重奈奎斯特图和待平衡转子的原始奈奎斯特图，利用动平衡方法求得旋转机械转子在任一转速下的失衡量或配重量。

2.根据权利要求1所述的旋转机械启停车纯试重奈奎斯特图的单面图解平衡方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤1)中，利用电涡流位移传感器和键相传感器分别采集转子在启车过程中原始振动数据和键相数据；

步骤3)中，对旋转机械启停车原始振动信号进行分数阶傅里叶变换滤波处理，结合步骤2)中所获取的转频信息，得到单一的启停车过程原始转频振动信号z(t)；

步骤4)中，计算步骤3)得到原始转频振动信号的奈奎斯特图，并构造转频振动向量的解析函数z₁(t)，为一复数函数，满足：

式中：x₁(t)为原始转频信号的横向振动量，y₁(t)为原始转频信号的纵向振动量；

a₁(t)为原始振动信号转频振动幅值大小， 为原始振动信号转频振动相位，

步骤8)中，根据步骤5)至7)的方法，通过在平衡盘上添加试重，得到试重启停车过程转频振动信号的奈奎斯特图，并构造加试重之后的转频振动量解析函数z₂(t)，为一复数函数，满足：

式中：x₂(t)为试重转频信号的横向振动量，y₂(t)为试重转频信号的纵向振动量；a₂(t)为试重振动信号转频振动幅值大小， 为试重振动信号转频振动相位，

步骤9)中，由公式(1)和公式(2)得到纯试重启停车振动信号的解析函数z₀(t)，为一复数函数：

式中：

a₀(t)为纯试重振动信号转频振动幅值大小， 为纯试重振动信号转频振动相位，

步骤10)中，根据公式(3)绘制启停车转频振动信号的纯试重奈奎斯特图，根据纯试重奈奎斯特图，通过图解的方法对待平衡转子进行动平衡操作，求得待平衡转子的失衡量或配重量。

3.根据权利要求2所述的旋转机械启停车纯试重奈奎斯特图的单面图解平衡方法，其特征在于，步骤10)中，通过图解的方法对待平衡转子进行动平衡操作，具体步骤如下：

在已经得到的原始启停车过程奈奎斯特图和纯试重奈奎斯特图上，分别找到转速为n时所对应的原始转频振动向量和纯试重转频振动向量然后同时旋转纯试重转频振动向量和纯试重添加矢量使得纯试重转频振动向量和原始转频振动向量重合，这时纯试重转频振动向量和纯试重添加矢量分别到达新的位置，得到新的纯试重转频振动向量和新的纯试重添加矢量等比例延长振动向量和使得这时振动向量分别到达目标平衡位置，得到目标纯试重转频振动向量和目标纯试重添加矢量此时矢量就是图解得到在转速n下的不平衡量；平衡时只需往相反方向加同样的配重量即可。