CN110346592B - 来自振动频谱图的rpm的确定 - Google Patents

Abstract

一种用于确定转速的振动分析器。所述振动分析器包括：a)用于感测振动数据的输入器件，b)用于存储振动数据的存储器，以及c)处理器。所述处理器：1)产生振动数据的频谱图，2)在频谱图中定位峰值，3)输入转速，以及4)以预定转速增量扫描频谱图以提供候选转速。对于每个候选转速：i)识别多个关联谐波，ii)定位频谱图中与候选转速及其谐波最接近的峰值，iii)测量最接近的峰值与候选转速及其谐波之间的差距，iv)求和，并记录差距的总和。在步骤(5)中，选择与最小总和相关联的候选转速作为额定转速。

Description

来自振动频谱图的RPM的确定

技术领域

本发明涉及用于确定机器的转速的装置，并且更具体地涉及用于在没有实际转速测量的情况下使用振动分析来确定转速的分析器。

背景技术

诸如风扇、电动机、涡轮机等的旋转设备由于诸如磨损、变动的负载、损坏、滥用以及杂质累积的情况而倾向于随时间推移失去它们的平衡或对准。由于失去平衡和对准，设备产生过度振动，如果不修正，这会导致对设备的加速磨损和其它损坏。

振动分析器检测从旋转设备发出的振动。这种分析器确定振动的来源，是否是不平衡、未对准、轴承磨损、零件缺失或破碎，还是一些其它问题。为了正确诊断振动问题，必须知道轴的转速。然而，在数据收集时，经常不知道转速。因此，必须从振动频谱中计算转速。

振动频谱中的轴的转速的相关性对于问题诊断是必需的，这是因为经常存在许多不同的潜在的振动源，每个振动源都造成不同的振动特征(signature)。要做的第一确定中的一个是检测到的振动与设备的旋转是同步还是异步。如果异步，则进行分析以确定振动是否可以以一些其它方式与设备的转速相关。以这种方式，具体问题被隔离并修正。

例如，在一件旋转设备(诸如涡轮机)中，与转速的一次谐波同步的振动指示转子不平衡，对此，存在明确的修正方法。知道涡轮机的转速允许快速诊断出这个问题，并且减少对无关的潜在振动源的调查上浪费的时间。

作为另一示例，有缺陷的抗摩擦轴承产生具有与轴的速度的固定但非整数关系的振动。因此振动不是轴的转速的谐波。然而，在知道轴承参数(诸如内环(inner raced)故障频率和外环(outer raced)故障频率)的情况下，由有缺陷的轴承产生的振动与轴的速度相关，并且诊断和修正该问题。此外，在不知道轴的速度的情况下，有缺陷的轴承更难以诊断。

此外，在一件旋转设备(诸如可能具有多个不同尺寸的齿轮的齿轮箱)中，诸如一个齿轮上的裂纹齿的问题会造成与轴的转速同步的振动。使转速、每个齿轮上已知的齿数以及振动频谱相关允许诊断损坏的齿轮。

在每种情况下，如果设备的转速已知，则振动源的诊断更容易。转速与振动频谱的实际相关性以及相关信息的分析由技术人员执行，或者如果振动检测仪器具有这种能力，则由振动检测仪器自动执行。

问题在于，在不使用转速计来测量转速的情况下，其难以准确地确定转速。在很多情况下，转速被假定为机器被配置时的默认分配或者当使用便携式分析器收集数据时被手动输入。在这种情况下，转速最多是近似值。随着机器上的负载变化，实际的转速也可能变化。因此，由于手动数据输入错误，假定的转速可能完全不正确。因此，所需要的是当转速计和实际转速数据不可用时可以用于确定机器转速的装置。

发明内容

鉴于上述内容，本发明的第一方面是一种用于确定旋转轴的额定(nominal)转速的振动分析器。所述振动分析器包括：a)用于感测在轴的未知转速下的振动信号数据的输入器件，b)用于存储振动信号数据的存储器，以及c)处理器。处理器：1)产生振动数据的频谱图，2)在频谱图中定位峰值，以及3)输入转速，以及4)以预定的转速增量扫描频谱图，其在第一转速处开始并且在第二转速处结束，以提供每个增量处的候选转速。对于每个候选转速：i)，识别预定数量的关联谐波，ii)定位频谱图中的与候选转速及其关联谐波最接近的峰值，iii)测量最接近的峰值与候选转速及其关联谐波之间的差距(gap)，iv)对与候选转速相关联的差距求和，并且记录差距的总和。在步骤(5)中，然后选择步骤(iv)中与最小总和相关联的候选转速作为额定转速。

在本发明的第二方面中，提供了一种用于确定旋转轴的额定转速的振动分析器。所述振动分析器包括：a)用于感测在轴的未知转速下的振动信号数据的输入器件，b)用于存储振动信号数据的存储器，以及c)处理器。处理器：1)产生振动数据的频谱图，2)在频谱图中定位峰值，以及3)以预定的转速增量扫描频谱图，其在第一转速处开始并在第二转速处结束，以提供每个增量处的候选转速。对于每个候选转速：i)识别预定数量的关联谐波，ii)定位频谱图中的与候选转速及其关联谐波最接近的峰值，iii)测量差距，以及iv)记录差距总和。接下来，(4)识别表示局部最小差距的差距总和，(5)定位与步骤(4)中的局部最小差距相关联的峰值总和，以及6)选择与最大峰值总和相关联的候选转速作为额定转速。

在本发明的第三方面中，提供了一种用于确定旋转轴的额定转速的振动分析器。所述振动分析器具有：用于感测在轴的未知转速下的振动信号数据的输入器件、用于存储振动信号数据的存储器、以及处理器。处理器：产生振动数据中的峰值的频谱图；接收所估计的转速；接收精度值；识别频谱图中的预定数量(k)的最大峰值；并记录针对每个峰值的定位振幅和关联频率。通过将每个最大峰值的定位频率除以1到N(其中N是被评估以计算转速的最大谐波数量)的整数值来创建一组候选转速，以产生用于每个定位频率的被除值(divided value)。当给定的被除值之一在所估计的转速的精度值之内时，该给定的被除值被指定为候选转速，其中每个候选频率表示谐波族。基于候选转速和候选转速的谐波倍数与每个最大峰值的接近度，为每个候选转速提供得分。选择具有最高得分的候选转速作为额定转速。

在一些方面中，输入转速或所估计的转速是机器的标示牌转速。

在其它方面中，第一转速是大约50％的输入转速，且第二转速是大约150％的输入转速。在一些方面中，第一转速是邻近频谱图的开始的转速，且第二转速处于从频谱图的总转速范围的大约1/5到大约1/10的范围。

在一些方面中，用于感测振动信号的输入器件是振动传感器。

在其它方面中，预定转速增量处于从输入转速的大约1/10到大约1/100的范围。在一些方面中，预定转速增量处于从第一转速到第二转速的转速跨度的大约1/10到大约1/100的范围。

在第一方面中，在谐波频谱中识别用于转向速度的合理起点。所述起点可以来自客户或文献。频谱以大约1％的起点的增量扫描，在大约50％的起点处开始并且在大约150％的起点处结束。在一些实施例中，范围和增量是用户可调的。

在一些方面中，通过对每个候选转速和每个最大峰值之间以及候选转速的每个谐波倍数和每个最大峰值之间的差距求和，给候选转速评分。

在其它方面中，精度值处于从大约0.5％到大约2％的范围。

还是在其它方面中，频谱图中的最大峰值的预定数量处于从1到K的范围，其中K小于或等于LOR/4，其中LOR是频谱图的分辨率的线。

在其它方面中，N典型地处于从大约6到大约10的范围。N的值可以与齿轮箱的齿轮上的齿数一样大。N的值可以是与Fmax/(所估计的速度)一样大的整数值，其中“Fmax”是最大频率。

因此，通过使用本文描述的装置，用户能够通过跨振动频谱峰值扫描来提高假定转速的精确度，或者如果这没有反映合理的转速，则能够跨所有频谱峰值扫描以确定最可能的转速。

附图说明

通过当结合以下附图考虑时参考优选实施例的详细描述，可以最好地理解本发明，在附图中：

图1是根据本公开的实施例的振动分析器的示意图；

图2是使用根据本发明的第一方面的装置来收集和使用振动数据的步骤的框图；

图3是根据本发明的第一方面的装置的频谱图中的峰值相对转速的曲线图；

图4是根据本发明的第一方面的峰值和转速之间的差距总和相对转速的图，示出了作为最小总和的额定转速；

图5是使用根据本发明的第二方面的装置来收集和使用振动数据的步骤的框图；

图6是使用根据本发明的第二方面的装置的振动数据以从候选转速和其最接近的峰值之间的最小差距之和中找出额定转速的曲线图；

图7是使用根据本发明的第三方面的装置来收集和使用振动数据的步骤的框图。

具体实施方式

上面和其它需要通过一种用于使用振动数据来确定机器(诸如泵、电动机、涡轮机、压缩机、齿轮箱等的轴)的转速的装置来满足。如下面更详细描述的，这种装置可以在没有转速计或关于机器转速的标示牌信息的情况下使用。

振动分析器可用于感测、分析以及记录旋转设备中的振动，如果振动未修正，则该振动能够降低旋转设备的效率，甚至损坏旋转设备。优选地，便携式或手持式分析器被用来收集和分析振动数据，该振动数据也可以被上传并存储在基本计算机中以用于进一步分析。本发明的方面不限于便携式或手持式振动分析器，这是因为连续的或在线的分析器也可以用于收集振动数据以及在振动数据的采集后分析中使用的振动分析软件程序。

如图1所示，根据本发明的方面的振动分析器100的示意图包括处理器110、模数转换器112、存储器114、显示设备116以及报警器件118。来自机器120的振动数据由振动传感器122检测，以借由模数转换器112输入到振动分析器100。振动数据被存储在存储器114中，并且数据的频谱图由处理器110生成以用于导出机器120的转速。一旦确定了机器的转速，就可以使用振动数据来确定振动源，以便可以在损坏发生之前修正振动。

本发明的第一方面通过参考图2-4来说明。图2是用于确定转速的过程150的框图，并且图3是由处理器110生成的振动数据的频谱图200。参考图2，在步骤152中将振动数据分析系统安装在振动分析器100上。在步骤154中将振动数据数据库存储在分析器100的存储器114中，并且在步骤156中在分析器存储器114中创建机器120位置和振动传感器122的表示。在步骤158中使用传感器122将机器120的振动数据记录在数据库中。使用所记录的数据，在步骤160中创建数据的频谱图200，如图3所示。在频谱图200中，y轴表示图200中的峰值振幅，并且x轴表示以每秒周数计的频率或以每分钟转数计的转速。将理解的是，频率可以转换成每分钟转数，反之亦然。在步骤162中通过任何传统的峰值定位方法来定位频谱图200中的峰值。例如，可以通过本领域技术人员已知的插值、求和或拟合技术来定位峰值。图3中的每个峰值具有与其相关联的振幅(即，加速度、速度或位移)，或换句话说，存在于该特定频率下发生的旋转设备的运动中的能量。

根据本发明的第一方面，在步骤164中由用户输入起始转速210。可以基于公布的机器120的转速或基于可比较机器120的假定转速来选择起始转速210。接下来，在步骤166中以预定增量从稍小于起始转速210的点扫描频谱图200，以提供候选转速212。使候选转速212跨频谱递增预定量以获得多个候选转速214-226。例如，如果跨频谱选择总共6到10个候选转速，则候选转速将递增跨频谱的总转速跨度的1/6到1/10。

接下来，识别与每个候选转速最接近的频谱的峰值230-244。最接近的峰值可以处于高于或低于每个候选转速的转速处。峰值和候选转速之间的距离被确定并被定义为峰值230-244和候选转速214-226之间的差距(gap)250-264。然后，计算最接近的峰值的谐波，并且在步骤172中识别与转速候选的那些计算出的谐波中的每个最接近的峰值的转速候选。再一次，记录计算出的谐波的转速候选和它们最接近的峰值之间的差距。在一些实施例中，使用八个计算出的谐波，并且在其它实施例中，谐波的数量是用户可定义的。对于每组候选转速和它们的谐波，全部的差距250-264在步骤170中计算，被存储在存储器114中。对于每组候选转速和它们的谐波的差距250-264的总和相对于转速而被绘制，以提供具有最小值的V字形线。图4说明了对于起始转速的每个增量的差距总和的示图300。当候选转速如线310所示增加时，差距总和减小，在点320处达到最小值，然后增加。选择点320(图4)作为机器120的额定转速。

在一些情况下，由于例如输入误差，输入转速可能远离实际转速。根据本发明的第二方面，转向速度没有合理的起点，在这种情况下，本发明的第一方面中描述的扫描的起点和终点没有根据。在本发明的这个方面中，扫描点开始接近零转速，并且延伸到总谐波频谱的大约第1/8。如在本发明的第一方面中给定的这个范围内识别转向速度候选，并且计算候选转速的差距总和。

现在参考图5和图6，说明了使用根据本发明的第二方面的振动分析器来确定转速的过程400。步骤402到420类似于上述步骤152到170。在步骤402中，将振动数据分析系统安装在振动分析器100的存储器114中。在步骤404中在存储器114中创建振动数据数据库以存储振动数据，并且在步骤406中在分析器存储器114中创建机器120位置和振动传感器122的表示。在步骤408中，使用传感器122将机器120的振动数据记录在数据库中。使用所记录的数据，在步骤410中创建数据的频谱图500，如图6所示。在频谱图500中，y轴表示所确定的差距总和的值，并且x轴表示以每秒周数计的频率或以每分钟转数计的转速。在步骤412中，以预定的转速增量从第一转速到第二转速扫描频谱图500以识别每个增量处的候选转速。典型地使用从大约6个到大约10个旋转增量。接下来，在步骤414中识别针对步骤412中的每个候选转速的预定数量的谐波。在一些实施例中，谐波的数量范围从6到10。在其它实施例中，谐波的数量由用户定义。

在步骤416中定位与候选转速及步骤414中识别出的其关联谐波最接近的峰值，并在步骤418中测量峰值与候选转速之间的差距并在步骤420中求和。将差距总和绘制为提供了多个最小总和和峰值总和的图6中的之字形线510。如果可用，则通过图6中的线512示出用户输入的转速。为了确定哪个最小总和是实际转速，在步骤422中对每个转速增量处的峰值总和求和，并且将其绘制为线510顶部的线514。具有较高峰值总和的转速候选在步骤424中被选择作为实际转速的最可能的候选。在这种情况下，最高峰值总和通过与图6中的点516相关联的最小值来示出。虽然前述内容不是转速的精确确定，但与关于机器120的详细信息(诸如极数、齿轮齿数等)一起获得的最可能的候选对于确定机器120的实际转速是有用的。

在第三方面中，当转速不在所测量的谐波频谱内表示时，本发明的前两个方面可能无法识别机器120的额定转速。图7中说明了使用根据本发明的这个方面的分析器的过程700。步骤702-710类似于本发明的第一方面的步骤152-160和本发明的第二方面的步骤402-410，因此不再重复。在步骤712中，选择所估计的转速和精度值。所估计的转速可以来自客户、关于机器的标示牌信息或类似机器在相似条件下操作的历史。精度值(％精度)是用户所选值，并且范围可以从大约0.5％到大约2％。

接下来，审视频谱以通过上述峰值定位方法在步骤714中定位频谱中的峰值。在步骤716中，选择频谱中所定位峰值的最大振幅峰值，并记录所定位的最大峰值的振幅及它们的关联频率。定位在频谱中的最大峰值的数量为k，其中k范围从1到K，且其中K由用户输入并且必须小于或等于频谱的分辨率的线(line)除以4。最大峰值提供了为计算转速而要考虑的所定位的振幅和关联频率。所定位的频率在步骤718中除以从1到N的整数值以提供被除值，其中N是为找到所定位的转速而评估的谐波的最大数量。候选转速由落入步骤720中估计的转速的精度值内的被除值来指定。每个候选转速表示谐波族，并且每个候选转速及其谐波倍数基于其与每个最大峰值的接近度而被评分。

在步骤722中通过以下公式来计算每个谐波族的总得分：

总得分＝2-(所定位的频率(k)/(n*候选转速(j)))，

其中j是多个候选转速的数量，且n是所考虑的谐波族的数量。

在步骤724中将转速选择为具有最高得分的候选转速。如果两个或多于两个的候选转速具有相同的最高得分，那么具有最大振幅峰值的候选转速族将产生转速。

一旦确定了未知转速，计算出的转速就可以用来帮助分析测试频谱，以及由此的机器的特性。例如，旋转轴的速度可以与从轴感测到的振动信息一起使用，以定位诸如不平衡、未对准以及轴承损坏的问题。一旦这些问题与信息一起被诊断出来，那么技术人员就可以修正问题。因此，如所描述的确定转速的方法是检测、分析并解决旋转设备问题的重要步骤。

尽管以上描述了本发明的优选实施例，但本领域的普通技术人员应该理解，在不脱离本发明的精神的情况下，本发明能够进行多种修改、重新布置以及替换。

Claims (19)

1.一种用于确定旋转轴的额定转速的振动分析器，包括：

a)用于感测轴的未知转速下的振动信号数据的输入器件，

b)存储器，用于存储所述振动信号数据，

c)处理器，用于：

1)产生所述振动信号数据的频谱图，

2)定位所述频谱图中的峰值，

3)对输入转速进行输入，

4)以预定转速增量扫描所述频谱图，其在第一转速处开始并在第二转速处结束，以提供每个增量处的候选转速，并且对于每个候选转速：

i)识别预定数量的关联谐波，

ii)定位频谱图中的与所述候选转速及其关联谐波最接近的峰值，

iii)测量最接近的峰值与所述候选转速及其关联谐波之间的差距，

iv)对与所述候选转速相关联的差距求和，并记录所述差距的总和，以及

5)选择与iv)中的最小总和相关联的候选转速作为额定转速。

2.根据权利要求1所述的振动分析器，其中

所述第一转速是50％的输入转速。

3.根据权利要求1所述的振动分析器，其中

所述第二转速是150％的输入转速。

4.根据权利要求1所述的振动分析器，其中

输入转速是机器的标示牌转速。

5.根据权利要求1所述的振动分析器，其中

用于感测振动信号的输入器件是振动传感器。

6.根据权利要求1所述的振动分析器，其中

所述预定转速增量处于从所述输入转速的1/10到1/100的范围。

7.一种用于确定旋转轴的额定转速的振动分析器，包括：

a)用于感测轴的未知转速下的振动信号数据的输入器件，

b)存储器，用于存储所述振动信号数据，

c)处理器，用于：

1)产生所述振动信号数据的频谱图，

2)定位所述频谱图中的峰值，

3)以预定转速增量扫描所述频谱图，其在第一转速处开始并在第二转速处结束以提供每个增量处的候选转速，并且对于每个候选转速：

i)识别预定数量的关联谐波，

ii)定位频谱图中的与所述候选转速及其关联谐波最接近的峰值，

iii)测量差距，以及

iv)记录所述差距的总和，

4)识别表示局部最小差距的差距的总和，

5)对与4)中的局部最小差距相关联的峰值总和求和，

6)选择与5)中的最大峰值总和相关联的候选转速作为所述额定转速。

8.根据权利要求7所述的振动分析器，其中

所述第一转速是邻近所述频谱图的开始的转速。

9.根据权利要求7所述的振动分析器，其中

所述第二转速处于从所述频谱图的总转速范围的1/5到1/10的范围。

10.根据权利要求7所述的振动分析器，其中

用于感测振动信号的输入器件是振动传感器。

11.根据权利要求7所述的振动分析器，其中

所述预定转速增量处于从所述第一转速到所述第二转速的转速跨度的1/10到1/100的范围。

12.一种用于确定旋转轴的额定转速的振动分析器，包括：

用于感测轴的未知转速下的振动信号数据的输入器件，

存储器，用于存储所述振动信号数据，

处理器，用于：

产生所述振动信号数据中的峰值的频谱图，

接收所估计的转速，

接收精度值，

识别所述频谱图中的预定数量k的最大峰值，并记录针对每个峰值的所定位的振幅和关联频率，

通过以下步骤创建一组候选转速：

将所述最大峰值中的每个的所定位的频率除以1到N的整数值，其中N是为了计算转速而评估的谐波数量，以产生所定位的频率中的每个的被除值，以及

将落入所估计的转速的精度值内的被除值指定为候选转速，其中每个候选转速表示谐波族，

基于所述候选转速和所述候选转速的谐波倍数与所述最大峰值中的每个的接近度，给每个候选转速评分，以及

选择具有最高得分的候选转速作为所述额定转速。

13.根据权利要求12所述的振动分析器，其中

所估计的转速是所述旋转轴的标示牌速度。

14.根据权利要求12所述的振动分析器，其中

所述精度值处于从0.5％到2％的范围。

15.根据权利要求12所述的振动分析器，其中

所述频谱图中的最大峰值的预定数量k处于从1到K的范围，其中K小于或等于LOR/4，其中LOR是所述频谱的分辨率的线。

16.根据权利要求12所述的振动分析器，其中N处于从6到不多于Fmax/所估计的转速的范围，其中Fmax是对特定频谱图所评估的最大频率。

17.根据权利要求12所述的振动分析器，其中每个谐波族的总得分通过以下公式计算：

总得分＝2-所定位的频率k/(n*候选转速j)，

其中j是多个候选转速的数量，且n是所考虑的谐波族的数量。

18.根据权利要求17所述的振动分析器，其中

所述转速等于具有最高得分的候选转速。

19.根据权利要求18所述的振动分析器，其中

如果两个或多于两个的候选转速具有相同得分，则将所述转速确定为具有最大得分的并且具有作为所述谐波族的成员之一的最大定位振幅峰值的候选转速。

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