CN105758640A - 旋转设备特征频率计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种旋转设备特征频率计算方法，包括：查询设备各部件的特征频率系数；计算出各部件相应的正向特征频率；任选一种特征频率，并确定其正向特征频率位置，若该正向特征频率值不包含判断特征中的至少一项，则需要继续寻找正确的真实特征频率，寻找真实特征频率的做法：确定正向特征频率后，标示候选特征频率的频率位置；确定候选特征频率后，反向计算每个候选特征频率所对应的基础频率：任意选择一个候选特征频率的位置作为真实特征频率，标示该候选特征频率、边带以及谐波的位置；判断该特征频率是否具有判断特征；若具有则说明其为正确的特征频率；若不具有判断特征则换一个候选特征频率进行判断，直到找到正确的特征频率。

Description

旋转设备特征频率计算方法

技术领域

本发明涉及机械领域，特别是涉及一种旋转设备特征频率计算方法。

背景技术

旋转设备状态监测在现代工业生产中有着越来越大的需求。在对旋转设备进行状态监测时，诊断工程师需要判断设备是否有故障、故障部位、故障程度、甚至预测设备使用寿命，从而对设备运行状态做出准确的评估，这一过程称之为机械故障诊断。

特征频率的分析是故障诊断的一个基本依据，不同类型的设备故障经常对应着不同的特征频率特征，比如轴承滚动体出现故障的话，那么在频谱或者包络谱中，可能会找到轴承滚动体特征频率的幅值高点，并且滚动体特征频率两侧会携带一定数量的轴承所在轴转频边带以及轴承保持架特征频率的边带，以及轴承滚动体特征频率谐波，所有这些特征都是判断设备滚动体是否存在故障，故障严重程度的重要依据。因此要想对设备故障做出一个准确的评估，需要得到准确的设备部件特征频率。

对于有一定故障的设备来说，在特征频率位置处会存在以下特征的某一项或者某几项：

1.特征频率所在位置为幅值高点。

2.特征频率位置两侧带有一定数量(至少特征频率有一侧存在一条)的相关频率边带(具体不同特征频率可能携带的边带频率后面会介绍)，且边带位置处必须具有一定的幅值。

3.特征频率有高幅值的谐波。

假设在一个旋转系统中，有电机，齿轮箱，叶轮以及轴承支撑，那么这个系统中，存在的特征频率有很多，与特征频率相对应的基础频率也有很多，并且不同的特征频率携带的边带频率也可能会不同，主要有以下几种：

1.系统可能存在的基础频率：电机转频、电流频率、滑差频率、皮带轮转频、部件所在轴转频；

2.设备可能包含的特征系数：电机电极数量、电机转子导条数量、皮带特征系数、齿轮齿数、轴承外圈特征系数、轴承内圈特征系数、轴承滚动体特征系数、轴承保持架相对于外圈的特征系数、保持架相对于内圈的特征系数、叶轮叶片数；

3.设备可能包含的特征频率：

1)2倍电流频率：电流频率一般为50HZ

2)电机转子导条经过频率：电机转子导条数量与电机转频的乘积

3)皮带频率：皮带轮转速与皮带相关系数的乘积

4)齿轮传动啮合频率：齿轮所在轴转频与齿轮齿数的乘积

5)轴承外圈特征频率：轴承所在轴转频与轴承外圈特征系数的乘积

6)轴承内圈特征频率：轴承所在轴转频与轴承内圈特征系数的乘积

7)轴承滚动体特征频率：轴承所在轴转频与轴承滚动体特征系数的乘积

8)轴承保持架相对于外圈的特征频率：轴承所在轴转频与轴承保持架相对于外圈的特征系数的乘积

9)轴承保持架相对于内圈的特征频率：轴承所在轴转频与轴承保持架相对于内圈的特征系数的乘积

10)叶轮叶片通过频率：叶轮所在轴转频与叶轮叶片数量的乘积

4.不同设备故障，对应的特征频率及可能携带边带情况，以下列举几个：

1)电机转子偏心：2倍电流频率携带电极经过频率(为滑差频率与电机数量的乘积)的边带；

2)电机转子导条松动：转子导条经过频率携带2倍电流频率的边带；

3)皮带故障：皮带频率处高幅值，一般不携带边带；

4)齿轮故障：齿轮啮合频率携带齿轮所在轴转频边带；

5)轴承外圈故障：轴承外圈特征频率携带轴承所在轴转频边带；

6)轴承内圈故障：轴承内圈特征频率携带轴承所在轴转频边带；

7)轴承滚动体故障：轴承滚动体特征频率轴承保持架相对于外圈的特征频率；

8)轴承保持架故障：轴承保持架特征频率处高幅值，一般不携带边带；

9)叶轮故障或者流体扰动：叶轮叶片通过频率处高幅值，一般不携带边带；

由以上描述可知，当已知设备各部件的型号及相关参数，且给定基础频率后，理论上，设备的各个特征频率就能计算出来。

目前存在的特征频率计算方法还处于一个初略估算阶段，即根据给定的基础频率以及相关特征系数，计算出来相应的特征频率，并且标示在频谱等图谱上面，在一定程度上帮助分析数据，更好地进行故障诊断工作。但是目前的特征频率计算存在一定问题，即计算得到特征频率往往不是真实的特征频率，即使设备是故障设备，所找到的特征频率也往往不包含前面所叙述的故障特征频率应包含的三项特征的任何一项，这样就导致分析师仍然无法确定特征频率在图谱上的真实位置，以至于无法对特征频率进行边带以及谐波分析，自然就无法有效的进行设备故障分析。

导致计算的特征频率不准确的原因主要是：给定的基础频率与图谱上的标示的基础频率有偏差，而且运行的设备是一个动态系统，存在很多不定的因素影响，这样的话，依据不准确的基础频率进行特征频率计算，加上一些不确定因素的影响，理论计算得到的特征频率自然是不准确的。基础频率出现偏差主要有以下几点原因：

1.给定的基础频率可能只是一个经验值，并不是完全精确的，自然与真实基础频率有差距。

2.给定的基础频率是一个定值，但是设备是动态的，特别是对于变速设备，转轴的转频会频繁出现波动，即设备的真实基础频率是浮动的，不一定是一个固定值。

3.假设给定的基础频率是精确的，但由于系统的分辨率有限，系统图谱上不一定能标示出来完全精确的基础频率，而只能标示出在图谱分辨率能力下较接近给定基础频率的一个频率位置，这样同样会导致图谱上标示的基础频率位置与给定的基础频率不符。

综上所述：对于存在一定故障的设备，要有效的对设备故障进行诊断，则必须在图谱上找到正确的特征频率所在位置，并对其进行详细的分析。但是现有的特征频率计算方法还不足以在图谱上找到完全准确的特征频率。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种能得到旋转设备正确特征频率的计算方法。

下述“正向特征频率”指的是特征频率的理论计算值，“真实特征频率”指的是图谱上特征频率的真实所在位置。

为解决上述技术问题，本发明旋转设备特征频率计算方法，包括：

1)查询一设备各相关部件的所有特征频率系数；

2)任选设备的一种特征频率，确定其对应的特征系数A_i,并计算出其相应的正向特征频率F_i，正向特征频率的计算方法为：

F_i＝A_i×Fn，Fn为设备的基础频率；

3)在图谱上标示所述设备部件的正向特征频率F_i，以及与正向特征频率F_i相关联的边带信息、谐波信息；所述图谱为频谱或者是包络解调谱，图谱横坐标为频率，标示采用如下方式：

在图谱上对应的频率值位置将正向特征频率F_i以及此频率位置上的幅值标示出来；

以正向特征频率F_i为中心频率，在正向特征频率F_i两侧标示携带的相关边带，并标示边带频率位置上的幅值；

将正向特征频率F_i的谐波，即n×F_i，n＝1,2,3……，所在频率位置标示出来，并标示相应谐波频率位置处的幅值；

4)对正向特征频率F_i的位置进行正确性判断，若该位置的正向特征频率不包含以下三项判断特征中的至少一项，那么得到的正向特征频率是不准确的，则需要通过特征频率反向估算方法进一步寻找正确的真实特征频率；

A)特征频率所在位置为幅值高点；

B)特征频率两侧带有至少其中一侧带具有至少一条相关频率边带，且该相关频率边带的边带幅值必须大于等于特征频率所在位置幅值的30％；

C)特征频率有高幅值的谐波；

判断高幅值采用规则：以正向特征频率F_i的n次谐波为中心频率，统计(n*F_i-4,n*F_i+4)频率范围内所有频率点的幅值，若正向特征频率F_i的n次谐波所在频率位置点的幅值位于统计幅值的前三位，则认为特征频率的n次谐波为幅值高点；

5)确定正向特征频率F_i后，找出距离F_i所在位置F_C(F_C取值范围为5Hz～10Hz)以内,即频率位置范围在(F_i-F_C,F_i+F_C)之中且所在频率位置为幅值高点的位置为候选特征频率位置，找到N个候选特征频率的频率位置，N≥1,每个候选特征频率标示为F_iN；

6)确定N个候选特征频率后，反向计算每个候选特征频率所对应的反向基础频率Fn_iN，并以Fn_iN为基础计算此候选特征频率可能会携带的边带频率存储备用，反向基础频率的具体计算方法如下：

Fn_iN＝F_iN/A_i；

7)任意选择一个候选特征频率F_iN作为真实特征频率，在图谱上标示特征频率F_iN、F_iN可能会携带的所有边带以及F_iN的谐波的位置，并标示相应频率位置处的幅值；

8)确定步骤7)所选定作为真实特征频率的F_iN是否具有步骤4)所述的特征B)～C)；实施步骤8)时，判断特征B)的计算依据是反向计算得到的反向基础频率Fn_iN；

若所选定作为真实特征频率的F_iN边带以及谐波至少符合所述的特征B)～C)其中之一，则说明其为正确的特征频率；且通过其反算得到基础频率Fn_iN为准确基础频率；

以Fn_iN为判断依据，是指此时特征频率的边带所在的理论频率位置，是通过Fn_iN进行求取定位的。

若所选定作为真实特征频率的F_iN边带以及谐波没有符合所述的特征B)～C)中任意一个，则重复实施步骤7)和步骤8)直到找到正确的特征频率，并相应计算得到准确的基础频率。

其中，F_C值优选为5Hz、6Hz、7Hz、8Hz、9Hz或10Hz。

通过本发明提出的特征频率双向估算方法，能对旋转设备的特征频率在图谱上的真实位置进行判断，找出正确特征频率位置后，能对特征频率的边带以及谐波情况进行分析，从而对设备进行更有效的故障分析，而且可以大大提高诊断工作的效率。本发明能克服现有特征频率计算方法存在的不能准确定位图谱上的特征频率位置的问题。关于本发明使用的有效性有以下几个说明：

1.本发明实施过程中，图谱分辨率越高，越有利于定位真实特征频率在图谱上的位置。

2.本发明主要在针对故障设备的信号特征进行分析时使用。因为故障设备的振动信号在特征频率处会有更明显的特征。

3.采用本发明在计算轴承特征频率时，需在包络谱中进行，其他特征频率可以在频谱中进行分析。

4.电气相关特征频率以及齿轮相关特征频率(与基础频率为整数倍关系)可以通过本发明的双向估算方法进行真实特征频率的定位，但是轴承特征频率不能通过反向估算来得到真实基础频率，要确定其真实轴承特征频率，只能通过利用电气相关特征频率以及齿轮相关特征频率反算得到的真实基础频率来进行进一步确认。

附图说明

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1是本发明实施例示意图一。

图2是本发明实施例示意图二。

图3是本发明实施例示意图三。

图4是本发明实施例示意图四。

图5是本发明实施例示意图五。

图6是本发明实施例示意图六。

图7是本发明实施例示意图七。

图8是本发明实施例示意图八。

图9是本发明实施例示意图九。

图10是本发明实施例示意图十。

图11是本发明实施例示意图十一。

附图标记说明

所有附图中，实线表示相应的频谱位置上有幅值，而虚线仅表示频率位置信息，不表示幅值信息。

具体实施方式

本发明一实施例，包括以下步骤：

1)查询一设备各相关部件的所有特征频率系数；

2)任选设备的一种特征频率，确定其对应的特征系数A_i,并计算出其相应的正向特征频率F_i，其中正向特征频率的计算方法为：

F_i＝A_i×Fn；其中，Fn为设备的基础频率；

3)在图谱上标示所述设备部件的正向特征频率F_i，以及与正向特征频率F_i相关联的边带信息、谐波信息；所述图谱为频谱或者是包络解调谱，横坐标为频率，标示采用如下方式：

在图谱上对应的频率值位置将正向特征频率F_i以及此频率位置上的幅值标示出来；

以正向特征频率F_i为中心频率，在正向特征频率F_i两侧标示携带的相关边带，并标示边带频率位置上的幅值；

将正向特征频率F_i的谐波，即n×F_i，n＝1,2,3……，所在频率位置标示出来，并标示相应谐波频率位置处的幅值；

4)若通过步骤3)标示得到的正向特征频率F_i位置不包含以下三项特征中的至少一项，那么得到的正向特征频率是不准确的，则需要通过特征频率反向估算方法进一步寻找正确的真实特征频率；

A)特征频率所在位置为幅值高点，如图1所示。图2表示的是特征频率所在位置不是幅值高点，用于与图1作对比演示；

B)特征频率两侧中，至少其中一侧带有至少一条相关频率边带，且该相关频率边带的边带幅值必须大于等于特征频率所在位置幅值的30％；如图3所示，此处以基础频率作为边带频率，且两边各标示2条边带，同样的，图4是为了说明边带所在频率位置不是幅值高点，即特征频率不携带边带信息，与图3形成对比；

C)特征频率有高幅值的谐波；

判断高幅值采用规则：以正向特征频率F_i的n次谐波为中心频率，统计(n*F_i-4,n*F_i+4)频率范围内所有频率点的幅值，若正向特征频率F_i的n次谐波所在频率位置点的幅值位于统计幅值的前三位，则认为特征频率的n次谐波为幅值高点；

如图5所示，此处标示到3倍频，特征频率带有高幅值的谐波，图5中，特征频率的2、3倍频都是幅值高点；图6是为了说明特征频率谐波频率位置点不是幅值高点，即该特征频率不携带高幅值的谐波，即指特征频率的2倍以及以上谐波都不是幅值高点，图6中，特征频率的2、3倍频都不是幅值高点的谐波与图5形成对比；

5)确定正向特征频率F_i后(是指计算得到特征频率的理论计算值)，且发现其并不符合特征频率的3大特征时，则需要通过以特征频率的理论计算值F_i为位置依据，确定候选特征频率的位置，如图8所示，本实施例对距离F_i所在位置F_C(F_C取值范围为5Hz～10Hz，本实施例为5Hz)以内，即对频率范围(F_i-F_C,F_i+F_C)内所有频率点进行幅值统计，找出所在频率位置为幅值高点的位置为候选特征频率位置，找到N个候选特征频率的频率位置，N≥1，每个候选特征频率标示为F_iN；

本实施例中找出4个频率位置作为候选真实特征频率，按频率从小到大的顺序排列，分别为F_i1，F_i2，F_i3，F_i4；

6)确定4个候选特征频率后，反向计算每个候选真实特征频率所对应的基础频率Fn_iN，并以Fn_iN为基础计算此候选特征频率可能会携带的边带频率存储备用，基础频率的具体计算方法如下：

Fn_iN＝F_iN/A_i；

假设选定F_i3作为真实特征频率，根据相应的特征系数(比如电机笼条数量、齿轮齿数等)进行反向估算，得到与F_i3相应的基础频率Fn_i3，将与特征频率相关的边带、谐波、谐波边带位置都标记出来,并标示相应频率位置处的幅值。若得到的特征频率符合边带以及谐波判断特征B)～C)任意一项，如图8-11所示，则说明F_i3即为真实特征频率，否则需要再选定另一个候选特征频率进行重复的相关计算以及标示，直到找到真实特征频率。此时，判断特征B)的计算依据是反向计算得到的反向基础频率Fn_iN，即此时特征频率的边带所在的理论频率位置，是通过Fn_iN进行求取定位的；

对于轴承特征频率位置的确定，当以计算得到的正向轴承特征频率为基准，结合前面所述的合适的位置及幅值判断准则，可选取得到N(N≥1)个候选轴承特征频率，通过真实电机相关特征频率反算得到的基础频率作为真实基础频率，对得到的所有候选轴承特征频率进行特征评估(包括候选轴承特征频率的边带以及谐波特征情况)，最后得到图谱上真实的轴承特征频率。

以上通过具体实施方式和实施例对本发明进行了详细的说明，但这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员还可做出许多变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种旋转设备特征频率的计算方法，包括以下步骤：

1)查询一设备各相关部件的所有特征频率系数；

2)任选设备的一种特征频率，确定其对应的特征系数A_i,并计算出其相应的正向特征频率F_i，正向特征频率的计算方法为：

F_i＝A_i×Fn，Fn为设备的基础频率；

3)在图谱上标示所述设备部件的正向特征频率F_i，以及与正向特征频率F_i相关联的边带频率位置、谐波频率位置；所述图谱横坐标为频率，标示如下：

在图谱上对应的频率值位置将正向特征频率F_i以及此频率位置上的幅值标示出来；

以正向特征频率F_i为中心频率，在正向特征频率F_i两侧标示携带的相关边带，并标示边带频率位置上的幅值；

将正向特征频率F_i的谐波，即n×F_i，n＝1,2,3……，所在频率位置标示出来，并标示相应谐波频率位置处的幅值；

4)对正向特征频率F_i的位置进行正确性判断，若该位置的正向特征频率不包含以下三项判断特征中的至少一项，那么得到的正向特征频率是不准确的，需要进行后续步骤；

A)特征频率所在位置为幅值高点；

B)特征频率两侧中，至少其中一侧带有至少一条相关频率边带，且该相关频率边带的边带幅值必须大于等于特征频率所在位置幅值的30％；

C)特征频率有高幅值的谐波；

判断高幅值采用：以正向特征频率F_i的n次谐波为中心频率，统计(n*F_i-4,n*F_i+4)频率范围内所有频率点的幅值，若正向特征频率F_i的n次谐波所在频率位置点的幅值位于统计幅值的前三位，则认为特征频率的n次谐波为幅值高点；

5)确定正向特征频率F_i后，找出距离F_i所在位置F_C，F_C取值范围为5Hz～10Hz,即频率位置范围在(F_i-F_C,F_i+F_C)之中且所在频率位置为幅值高点的位置为候选特征频率位置，找到N个候选特征频率的频率位置，N≥1,每个候选特征频率标示为F_iN；

6)确定N个候选特征频率后，反向计算每个候选特征频率所对应的反向基础频率Fn_iN，并以Fn_iN为基础计算此候选特征频率可能会携带的边带频率，反向基础频率的具体计算方法如下：Fn_iN＝F_iN/A_i；

7)任意选择一个候选特征频率F_iN作为真实特征频率，在图谱上标示特征频率F_iN、F_iN可能会携带的所有边带以及F_iN的谐波的位置；

8)确定步骤7)所选定作为真实特征频率的F_iN是否具有步骤4)所述的特征B)～C)；其中，特征B)是利用步骤6)计算得到的基础频率Fn_iN作为判断依据；

若所选定作为真实特征频率的F_iN边带以及谐波至少符合所述判断特征B)～C)其中之一，则说明其为正确的特征频率；若所选定作为真实特征频率的F_iN边带以及谐波没有符合所述的特征B)～C)中任意一个，则重复实施步骤7)和步骤8)直到找到正确的特征频率，并相应计算得到准确的基础频率。

2.如权利要求1所述的旋转设备特征频率计算方法，其特征是:步骤3)所述图谱为频谱或者是包络解调谱。

3.如权利要求1所述的旋转设备特征频率计算方法，其特征是:实施步骤5)时，F_C值范围为6Hz、7Hz、8Hz或9Hz。