CN107192550B - 阶次分析系统 - Google Patents

Abstract

一种用于对旋转机器执行阶次分析的仪器。输入模块接收周期运动数据以及与所述周期运动数据时间关联的机器特性数据。处理器模块接收所述周期运动数据以及机器特性数据，将戈泽尔模块应用至所述周期运动数据以及机器特性数据，从而产生阶次数据集，其包括机器特性数据与归一化周期运动数据阶次的幅值。

Description

阶次分析系统

技术领域

本发明涉及机器健康状况、保护以及预测领域。更具体地，本发明涉及用于检测机器状况的阶次分析。

背景技术

阶次分析用于分析从具有周期运动的设备中收集的信息，如声音以及振动信号。这包括旋转机器，如涡轮、电机、泵、压缩机等。其还包括以某些其它周期性重复但不旋转的方式重复运动的机器，如折盒机(box-folding machine)。所有这些设备在本文统称为机器。

如在术语“阶次分析”中所使用的“阶次”是指机器进行如旋转等周期性重复运动的频率，其为归一化值。因此，在一个实施例中，第一阶仅是周期运动，而附加的阶次为多倍周期运动。因此，各个阶次为周期运动的谐波。尽管已经解释过这些概念不仅仅适用于旋转机器，但是本文提供的各种描述将会与旋转机器有关，以便不会过度妨碍用语。

一般来说，对于确定周期运动和机器信息(如声音以及振动等)之间存在的关系，阶次分析是有用的。使用阶次分析，人们能够识别以及分离这样的声音和振动模式，从而确定该机器各个部件的状态。

机器的许多机械特性随该机器的周期运动的变化而变化。一些机械条件，如共振，通常只能当周期运动接近或经历共振速度时才能被观察到。因此，机器声音以及振动测试通常需要上升沿(run-up)或下降沿(run-down)测试。通过持续归一化机器的周期运动，阶次分析技术使得人们不仅能在当机器以稳定周期运动运行时分析声音以及振动信号，而且也能在当周期运动随时间变化时进行该分析。

阶次分析能够用于确定声音以及振动数据的幅值以及相位，不仅对于信号的基频，而且还对于信号的谐波或更高阶次。此信息对于确定机器状态是有用的。例如，周期运动频率幅值的增加表示不平衡的情况。周期运动频率的谐波表示其它误差，比如未对准。

因此，需要一种系统，其能够提供更多的或至少部分的与上述问题有关的信息。

发明内容

上述以及其它需求通过一种对机器执行阶次分析的仪器得以满足。输入模块接收周期运动数据以及与所述周期运动数据时间关联的机器特性数据。处理器模块接收所述周期运动数据以及机器特性数据，将戈泽尔(Goertzel)模块应用至所述周期运动数据以及机器特性数据，从而产生阶次数据集，其包括机器特性数据与归一化周期运动数据阶次的幅值。

在各个实施例中，所述机器特性数据包括振动数据。在各个实施例中，所述机器特性数据包括声音数据。在一些实施例中，所述阶次数据进一步包括机器特性数据的相位。一些实施例包括显示器，用于呈现阶次数据集的表示。在一些实施例中，所述阶次数据集的表示包括机器特性数据与归一化周期运动数据的幅值曲线图。

根据本发明的另一方面，描述了一种用于对机器执行阶次分析的方法。接收周期运动数据以及与所述周期运动数据时间关联的机器特性数据。将戈泽尔模块应用至所述周期运动数据以及机器特性数据，从而产生阶次数据集，其包括机器特性数据与归一化周期运动数据阶次的幅值。

根据本发明的另一方面，描述了一种包含程序的非瞬时计算机可读介质，所述程序通过使计算机的处理器执行以下步骤，使得所述计算机能够对旋转机器执行阶次分析，所述步骤包括：接收周期运动数据以及与所述周期运动数据时间关联的机器特性数据。将戈泽尔模块应用至所述周期运动数据以及机器特性数据，从而产生阶次数据集，其包括机器特性数据与归一化周期运动数据阶次的幅值。

附图说明

当结合附图参考详细说明书考虑时，本发明进一步的优势会变得显而易见,为了更清晰地显示出细节，附图并没有完全按照比例绘制，其中在几个视图中，相同的引用标记表示相同的元件，且其中：

图1为根据本发明的实施例的阶次分析系统的功能框图；

图2为根据本发明的实施例的戈泽尔模块的功能框图；

图3为根据本发明的实施例的梳状滤波器模块的功能框图；

图4为根据本发明的实施例的用于梳状滤波器模块的频率选择性设置的曲线图；

图5为根据本发明的实施例的用于梳状滤波器模块的谐波带宽选择性设置的曲线图；

图6为根据本发明的实施例的用于汉宁滤波器模块应用的时域描述以及频域描述的曲线图；

图7为根据本发明的实施例的周期运动数据集的某一阶次的幅值以及相位的曲线图，其具有用于警报以及危险部分的区域。

具体实施方式

现参考图1，其根据本发明的实施例，示出了阶次分析系统100的功能框图，包括速度检测模块102、数据感测模块104、输入110、存储器112、测量模块106、报警模块108以及处理器114。

如本文所使用的，术语“模块”包括硬件以及软件组件。在一些实施例中，模块为自定义硬件，其具有嵌入在固件中的软件，固件是不能改变或不容易改变的。在其它实施例中，模块主要通过运行在通用计算系统硬件上的软件来实现。如下文所述的一些模块经常包括专用硬件，如各种类型的传感器，这些专用硬件通常不包括在通用计算系统的硬件中。

如上文所介绍的，在一些实施例中，阶次分析系统100以自定义硬件来实现。在替代实施例中，阶次分析系统100主要以运行在通用计算平台上的软件来实现，该平台具有根据需要的专用设备来提供速度以及数据感测信息。

速度检测模块102使用由外部输入提供的速度信息进行速度评估。一些实施例包括外部触发器输入或直接的传感器输入，如转速表。在一些实施例中，速度信息被接收为数字信号，在其它实施例中，速度信息被接收为模拟信号并且被转换成数字信号，如通过速度检测模块102。

数据获取模块104对来自传感器或原始信号源的数据进行采样，例如为了获取声音数据或振动数据。在一些实施例中，如果数据尚未设置在数字域中，则其将模拟信号转成数字信号。接着在数字域中完成采样数据的后续处理。在一些实施例中，对数据信号执行某种预处理，如下文更详细所述。

例如通过输入110接收速度以及机器数据，在各个实施例中，输入110采用USB、串行、并行或专有输入中的一个或多个。从周期运动模块102以及机器数据模块104接收的数据存储在存储器112中，至少暂时存储在存储器112中。例如，如果将对数据进行后处理，则存储器112能够将数据保存很长一段时间。然而，如果将对数据进行实时分析，则其可只是缓存在存储器112中。

测量模块106从存储器112接收周期运动数据110，或在一些实施例中，直接通过输入110从速度模块102以及机器数据模块104接收周期运动数据110。测量模块106使用周期运动信息110(其可以是旋转)执行从所测量的振动输入信号122中进行选择性频率提取。机器数据信号112的不同成分(幅值和相位)能够被直接监控或被以各种方式组合以产生新信息。

监控以及报警模块108监控测量模块106的输出，并且将该输出与各种标准以及限制进行比较。当出现违反任何标准或限制时，报警模块108产生此类通知给系统操作员，或以其它方式输出具有指示特定违例的信号，以便能够采取与该违例有关的操作。在一些实施例中，该操作是自动执行的，而在其它实施例中，该操作是手动执行的。

系统100一般处于处理器114的控制下。在系统100的一些实施例中，还存在用户界面116以及通信模块118，此网络通信界面用于系统100和其它计算系统之间的通信。

现参考图2，其示出更详细的测量模块106实施例，测量模块106用于描述信号处理，在一个实施例中，该信号处理用于检测周期运动频率及其谐波及子谐波的幅值以及相位。

图2所示的实施例实现戈泽尔模块。图2所示的具体模块为变化的或经修改的戈泽尔模块。在本实施例中，连续更新戈泽尔模块106的参数设置，以便适配新的周期运动频率，这在机器上升沿以及下降沿期间尤其有利。

如图2所示的戈泽尔模块106包括梳状滤波器202、多个共振器块204以及时域加窗模块206。在一些实施例中，如图3所示实现梳状滤波器202。梳状滤波器202应用在时域中。共振器块204接着将时间信号转换到频域，然后在频域中执行加窗206，而不是在时域中进行加窗滤波。

在一些实施例中，滤波器202具有如下传递函数：

在一些实施例中，不存在滤波器202，但是在其它实施例中，其被设置为非常有频率选择性的，如图4所示。在其它实施例中，滤波器202被设置为便于提供待检测的谐波附近的特定带宽，如图5所示。根据本发明的各个实施例根据测量需要使用不同类型的梳状滤波器202。对于高选择性频率提取，在一些是实施例中，将滤波器202设置为具有陷波(notch)特性，如图4所示。对于使用更多加窗滤波器的带限提取，在一些实施例中，将滤波器设置用于限制带宽，如图5所示。

如图2所示，每一共振器块204从来自梳状滤波器202(如果存在的话)的输入信号中提取单频率点。共振器块204提供周期运动频率功能，这是阶次分析的起点。在一些实施例中，单个谐波检测所需的共振器块204的数量取决于待执行的频域中的平均数。在如图2所示的实施例中，示出了5个共振器块204，而在其它实施例中，可以实现不同数量的共振器块204。在每次测量后(在一些实施例中，测量样品的数量是可配置的)，为共振器块204计算新系数。在新数据可用的任何时候，将评估输出同步到测量周期。

在一些实施例中，通过余弦滤波器在频域中完成加窗功能206，如图6所示的汉宁滤波器(Hanning filter)。本发明的实施例使用加窗功能206用于对来自一些数量的共振器块204的输出进行加权。这包括阶次分析结果中的边带区间。对于高速度梯度，这种架构有助于确保输入数据处于戈泽尔模块106的观察者范围中。

根据本发明的各个实施例，对于每一速度的基频或谐频部分提取，使用单个戈泽尔模块106。在此类实施中，每一戈泽尔模块106能够被独立配置或配置为一组。

因此，本发明的各个实施例使用频域中的戈泽尔模块106进行阶次分析，如在用于旋转机器的保护以及预测系统中。通过使用戈泽尔模块106，共振器204、梳状滤波器202以及窗口206参数能够被连续更新，以支持快速并且精确的幅值以及相位信息。进一步地，快速傅里叶变换使用块处理，而如果使用梳状滤波器202的话，则戈泽尔模块106只需要柔性延迟线。

现参考图7，其根据本发明的实施例，示出了周期运动数据集的某一阶次的幅值以及相位的曲线图，其具有用于警报以及危险部分的区域。

出于说明以及描述的目的，已经呈现了本发明实施例的前述描述。其并不是要详尽无遗地说明本发明或将本发明限制为所公开的确切形式。在以上教导下能够进行显而易见的修改或变形。选择并描述所述实施例是为了说明本发明的原理及其实际应用，从而使任何本领域的普通技术人员都能以各种实施例的方式使用本发明，以及利用适合于预期的特定使用的各种变形来使用本发明。当根据公平、合法、公正授权的宽度解读本发明时，所有此类修改和变形都应落入本文所附权利要求所确定的本发明范围内。

Claims (4)

1.一种对机器执行阶次分析的仪器，其特征在于，所述仪器包括：

速度检测模块，用于检测机器的周期移动元件的速度并提供速度信号；

感测模块，用于检测声音和振动中至少一个并提供机器信号；

输入模块，用于接收速度信号和机器信号；

存储器，用于将速度信号保持为运动数据并将机器信号保持为机器数据；

测量模块，包括戈泽尔模块，其中戈泽尔模块用于使用运动数据从机器数据执行选择性频率提取并提供阶次数据集；

报警模块，用于接收阶次数据集并将阶次数据集与标准和限制中的至少一个进行比较，并且当违反标准和限制中至少一个时，输出具有指示违例的信号；

用户界面，包括用于将信息显示给用户的显示器；

通信模块，用于在所述仪器和其他计算系统之间进行通信，以及

处理器模块，用于

控制测量模块将戈泽尔模块应用至所述运动数据和所述机器数据，

从阶次数据集产生机器数据与归一化周期运动数据阶次的极坐标表示和复数表示中的至少一种，以及

将极坐标表示作为显示器上的曲线图呈现给用户，所述曲线图包括周期性运动数据的阶次的相位及幅值，其中带有用于警报及危险部分的区域。

2.根据权利要求1所述的仪器，其中所述极坐标表示包括表示机器的元件的360度旋转的圆、在圆的中心表示推力矢量的方向指示器、设置在圆内表示机器的安全操作区的第一楔形物以及设置在圆内表示违反标准和限制中至少一个的第二楔形物。

3.根据权利要求1所述的仪器，其中所述阶次数据集的复数表示包括机器特性数据的实部和虚部中的至少一个。

4.根据权利要求1所述的仪器，其中所述阶次数据集的表示包括机器特性数据与归一化周期运动数据的幅值曲线图。