CN106503387B - 一种磁悬浮轴承轴系跌落轨迹响应识别方法 - Google Patents

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Abstract

一种磁悬浮轴承轴系跌落轨迹响应识别方法，包括：一，计算钟摆振动频率f0，获得采样时间长度L；二，采集时间长度为L的轴心沿x、y轴方向上位移信号，以采样时间起点标记时间；三，计算该段时间内轴心径向位移的期望值R；四，比较保护轴承的气隙D和期望值R之间的差值是否大于判断值ε1，若是轴系响应为混合摩擦和弹跳，反之则为钟摆振动或全周摩擦，设定本段采样周期开始时刻为脱离混合摩擦和弹跳的时刻te；五，计算起点为te时刻单次采样时间内，轴心在x方向上位移的离散傅里叶变换；六，计算部分离散傅里叶变换绝对值最大值对应的频率fd；七，比较fd与钟摆振动频率f0间的差值是否大于判断值ε2，若是轴系响应为全周摩擦，反之则为钟摆振动。

Description

一种磁悬浮轴承轴系跌落轨迹响应识别方法
技术领域
本发明属于磁悬浮轴系位移信号后处理技术领域，特别涉及一种磁悬浮轴承轴系跌落轨迹响应识别方法。
背景技术
磁悬浮轴承因为可提供非接触式支撑，具备高转速、低损耗、低噪音的优点，而且磁悬浮轴承的刚度、阻尼可调节，因此在旋转机械领域的应用前景良好。磁悬浮轴承高速轴系发生跌落时，轴系与保护轴承内圈之间将发生碰撞和摩擦。根据ISO 14839，磁悬浮轴承轴系跌落后的轨迹响应包括钟摆振动、混合摩擦和弹跳以及全周摩擦。不同的轨迹响应都将导致轴系-保护轴承系统受到损伤，只是程度不同。可以设计保护装置，针对不同响应下轴系的运动形式采用有针对性的控制策略减小损伤程度，这需要一种轴系响应类型识别的自动算法。ISO 14839中根据轴系与保护轴承内圈之间的碰摩力识别三种轨迹响应。然而，在大多数设备中，轴系与保护轴承内圈之间的碰摩力难以精确测量，提高测量精度必须安装力传感器。这增加了整个设备的复杂性，不但提高了设备成本，且降低了可靠性。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种磁悬浮轴承轴系跌落轨迹响应识别方法，旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一；本方法仅使用轴系的位移信号，获取容易，计算简单便捷。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种磁悬浮轴承轴系跌落轨迹响应识别方法，包括以下步骤：
第一步，根据装置尺寸计算钟摆振动频率f0，获得采样时间长度L；
第二步，采集时间长度为L的轴心沿x、y轴方向上位移信号，以采样时间起点标记时间；
第三步，计算采样时间内轴心径向位移的期望值R；
第四步，比较保护轴承的气隙D和期望值R之间的差值绝对值是否大于判断值ε1，若是则轴系响应为混合摩擦和弹跳，反之则为钟摆振动或全周摩擦，设定本段采样周期开始时刻为脱离混合摩擦和弹跳的时刻te；
本段采样周期开始时刻即：第一个大于判断值ε1那段采样时间L对应的开始时刻。
第五步，计算起点时刻为te的单次采样时间内，轴心在x方向上位移的离散傅里叶变换；
第六步，计算部分离散傅里叶变换绝对值最大值对应的频率fd；
第七步，比较fd与钟摆振动频率f0之间的差值是否大于判断值ε2，若是轴系响应为全周摩擦，反之则为钟摆振动。
在所述第一步中，根据装置尺寸计算钟摆振动频率f0，获得采样时间长度L，其计算公式为：
其中，D为保护轴承的气隙，g为重力加速度；
采样时间长度L则为：
在所述第三步中，采样时间内轴心径向位移的期望值R，其计算公式为：
其中，N为采样点个数，x(n)和y(n)为第n个点采样点的轴心在x和y方向的位移。
在所述第五步中，采样时间内，轴心在x方向上位移的离散傅里叶变换，离散傅里叶的计算公式为：
这步可以采用快速傅里叶变换完成。
在所述第六步中，部分离散傅里叶变换中幅值最大对应的频率fd的计算公式为：
fd＝f(arg max(X(k)))。
与现有技术相比，本发明基于一种内积运算，即快速傅里叶变换和期望计算，所以具备较强的抗噪能力；且快速傅里叶变换计算速度快，该方法又具备良好的计算速度。
附图说明
图1是根据本发明实施例的一种磁悬浮轴承轴系跌落轨迹响应识别方法的流程图。
图2是根据本发明一个具体实施例的最终进入钟摆振动的轴系响应轨迹曲线。
图3是根据本发明一个具体实施例的最终进入全周摩擦的轴系响应轨迹曲线。
图4是图2所示的轴心位移信号在不同采样时间起点轴心径向位移的期望值。
图5是图3所示的轴心位移信号在不同采样时间起点轴心径向位移的期望值。
图6为图2所示的轴心位移信号在起点te单次采样时间内轴心x方向位移的离散傅里叶谱。
图7为图3所示的轴心位移信号在起点te单次采样时间内轴心x方向位移的离散傅里叶谱。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参照附图描述根据本发明实施例提出的一种磁悬浮轴承轴系跌落轨迹响应识别方法，首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的一种磁悬浮轴承轴系跌落轨迹响应识别方法。
图1为方法流程图，在本实施例中，该方法在matlab软件平台下进行实现。基于一个仿真模型，对方法进行演示和说明。
图2和图3分别为最终进入钟摆振动和全周摩擦的轨迹相应曲线。
基于此，在本实施例中，该方法包括以下步骤：
第一步，根据装置尺寸计算钟摆振动频率f0，获得采样时间长度L，计算公式为
其中，其中，D为保护轴承的气隙，g为重力加速度。
采样时间长度L则为：
模型中l为1.5×10-4m，加速度g为9.8m/s2，则钟摆振动频率f0约为40.68Hz，且采样时间长度L为0.025s。
第二步，采集时间长度为L的轴心沿x、y轴方向上位移信号。本示例采集了约1.3s位移信号，如图2和图3所示。
第三步，计算该段时间内轴心径向位移的期望值R；图4和图5分别是由图2和图3所示的轴心位移信号求解得到的轴心径向位移的期望值。特殊说明，在对信号进行采集过程中，两次采集时间间隔是可以调整的，在此采集时间间隔长度为L，即，单次采集时间长度。
第四步，比较保护轴承气隙D和期望值R之间的差值绝对值是否大于判断值ε1，即判断|D-R|＞ε1是否成立，若是轴系响应为混合摩擦和弹跳，反之则为钟摆振动或全周摩擦，且设定此时刻为脱离混合摩擦和弹跳时刻te。在此设定ε1值为10-6m。由图4和图5可知，轴系轨迹响应分别在0.1s和0.05s后进入了钟摆振动和全周摩擦，对应te为0.1s和0.05s。
第五步，计算起点te时刻单次采样时间内，轴心沿x方向上位移的离散傅里叶变换。图6和图7分别为图2和图3所示轴系轨迹相应在te时刻采样时间内的离散傅里叶变换。
第六步，计算部分离散傅里叶变换绝对值最大值对应的频率fd。如图6和图7所示，fd在两次轴系跌落相应中对应的fd分别为40Hz和80Hz。
第七步，比较fd与钟摆振动频率f0之间的差值是否大于判断值ε2，若是轴系响应为全周摩擦，反之则为钟摆振动。在此设定ε2为1。由于钟摆振动频率为40Hz，由下式，
fd-f0＞ε2
计算可知，图2所示轴系响应在0.1s后进入钟摆振动，图3所示轴系响应在0.05s后进入全周摩擦。由此可知，该方法可以正确鉴别高速磁悬浮轴承在跌落后轴系响应类型，并找到了两次轴系响应脱离混合摩擦和弹跳的时间(误差小于单次采样时间L，即0.025s)。
根据本发明实施例的磁悬浮轴承轴系跌落轨迹响应识别方法，其使用轴系的位移信号，获取较为容易，且基于快速傅里叶变换和期望计算，所以具备较强的抗噪能力；同时，利用快速傅里叶变换又决定了其具备良好的计算速度。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“钟摆振动”、“混合摩擦和弹跳”和“全周摩擦”是国际标准ISO 14839中定义的磁悬浮轴承跌落至保护轴承后的轨迹响应类型。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”或“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (4)

1.一种磁悬浮轴承轴系跌落轨迹响应识别方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，根据装置尺寸计算钟摆振动频率f0，获得采样时间长度L，计算公式为：
其中，D为保护轴承的气隙，g为重力加速度；
采样时间长度L则为：
第二步，采集时间长度为L的轴心沿x、y轴方向上位移信号，以采样时间起点标记时间；
第三步，计算采样时间内轴心径向位移的期望值R；
第四步，比较保护轴承的气隙D和期望值R之间的差值绝对值是否大于判断值ε1，若是则轴系响应为混合摩擦和弹跳，反之则为钟摆振动或全周摩擦，设定本段采样周期开始时刻为脱离混合摩擦和弹跳的时刻te；
第五步，计算起点时刻为te的单次采样时间内，轴心在x方向上位移的离散傅里叶变换；
第六步，计算部分离散傅里叶变换绝对值最大值对应的频率fd；
第七步，比较fd与钟摆振动频率f0之间的差值是否大于判断值ε2，若是轴系响应为全周摩擦，反之则为钟摆振动。
2.根据权利要求1所述的一种磁悬浮轴承轴系跌落轨迹响应识别方法，其特征在于，在所述第三步中，采样时间内轴心径向位移的期望值R，其计算公式为：
其中，N为采样点个数，x(n)和y(n)为第n个点采样点的轴心在x和y方向的位移。
3.根据权利要求1所述的一种磁悬浮轴承轴系跌落轨迹响应识别方法，其特征在于，在所述第五步中，采样时间内，轴心在x方向上位移的离散傅里叶变换，离散傅里叶的计算公式为：
这步可以采用快速傅里叶变换完成。
4.根据权利要求3所述的一种磁悬浮轴承轴系跌落轨迹响应识别方法，其特征在于，在所述第六步中，部分离散傅里叶变换中幅值最大对应的频率fd的计算公式为：
fd＝f(argmax(X(k)))。
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