CN110553844A - 旋转机械的不对中故障检测方法及其检测系统 - Google Patents

旋转机械的不对中故障检测方法及其检测系统 Download PDF

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CN110553844A CN201910673971.5A CN201910673971A CN110553844A CN 110553844 A CN110553844 A CN 110553844A CN 201910673971 A CN201910673971 A CN 201910673971A CN 110553844 A CN110553844 A CN 110553844A
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Abstract

本发明公开了一种旋转机械的不对中故障检测方法及其检测系统，方法包括以下步骤：测量旋转机械的输入端转频ωs以及输入端轴承的轴向和径向振动信号x(t)；基于所述转频ωs以及输入端轴承的轴向和径向振动信号x(t)进行数据处理得到滤波后的信号y(t)以及基于滤波后的信号y(t)频谱处理得到频谱幅值指标；通过第二步骤得到轴向频谱幅值指标TZ和径向频谱幅值指标TJ，当轴向振动信号的频幅值指标TZ小于第一预定值，径向振动信号的频幅值指标TJ小于第二预定值，确定旋转机械正常对中，当轴向振动信号的频幅值指标TZ大于第一预定值和/或径向振动信号的频幅值指标TJ大于第二预定值，确定发生不对中故障。

Description

旋转机械的不对中故障检测方法及其检测系统
技术领域
本发明属于旋转机械传动系统技术领域，特别是一种旋转机械的不对中故障检测方法及其检测系统。
背景技术
大型旋转机械如航空发动机，燃气轮机，风力发电机等广泛应用于航空航天，能源动力等多个重要的工业领域。这类大型旋转机械的核心是传动系统，其结构复杂，工作环境恶劣，极易发生故障。统计显示：旋转机械不对中故障占传动系统故障的60％以上。不对中故障主要体现在传动系统的联轴器不对中故障。传统的故障诊断方法可以通过振动信号判断出不对中故障，但是检测不对中类型和不对中量的大小仍然需要停机人工检测，所需时间长，造成的经济损失较大。因此需要研究在线检测诊断不对中故障的方法。其中通过在联轴器两侧的输入输出轴轴承附近布置振动传感器测点获取振动信号并进行在线分析，可以实时在线检测不对中类型，为后续维修节约了宝贵的时间，减少了停机时间，节约了维护成本。
在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成在本国中本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种旋转机械的不对中故障检测方法及其检测系统，简化了检测需求，提供了旋转机械传动系统不对中故障的在线监测，保证设备的安全运行、减少非计划停机时间，避免恶性事故的发生，提高经济和社会效益。可以对旋转机械传动系统的维护、检修计划的安排调整给出指导性建议。
本发明的目的是通过以下技术方案予以实现，一种旋转机械的不对中故障检测方法包括以下步骤：
第一步骤中，测量旋转机械的输入端转频ωs以及输入端轴承的轴向和径向振动信号x(t)；
第二步骤中，基于所述转频ωs以及输入端轴承的轴向和径向振动信号x(t)进行数据处理得到滤波后的信号y(t)以及基于滤波后的信号y(t)频谱处理得到频谱幅值指标，其中，y(t)＝x(t)*h(t)， 其中，sinc为正弦基函数，t为采样时间，τ0为时延，ω为频率，j为y(t)为滤波后的信号，ωc为低通截止频率；|Y(ω)|为频谱；为相位谱；Y1为1倍频幅值，Y1＝max(|Y(ω)|)，|ω-ωs|＜1；Y2为2倍频幅值，Y2＝max(|Y(ω)|)，|ω-2ωs|＜1；T为频谱幅值指标，T＝Y2/Y1；
第三步骤中，通过第二步骤得到轴向频谱幅值指标TZ和径向频谱幅值指标TJ，当轴向振动信号的频幅值指标TZ小于第一预定值，径向振动信号的频幅值指标TJ小于第二预定值，确定旋转机械正常对中，当轴向振动信号的频幅值指标TZ大于第一预定值和/或径向振动信号的频幅值指标TJ大于第二预定值，确定发生不对中故障。
所述的方法中，第三步骤中，轴向振动信号的频幅值指标TZ小于第一预定值，径向振动信号的频幅值指标TJ大于第二预定值，确定发生平行不对中故障。
所述的方法中，第三步骤中，轴向振动信号的频幅值指标TZ大于第一预定值，径向振动信号的频幅值指标TJ大于第二预定值，且TZ＜2TJ，确定发生角度不对中故障。
所述的方法中，第三步骤中，轴向振动信号的频幅值指标TZ大于第一预定值，径向振动信号的频幅值指标TZ大于第二预定值，且TZ≥2TJ，确定发生混合不对中故障。
所述的方法中，第三步骤中，所述第一预定值等于所述第二预定值。
所述的方法中，第三步骤中，所述第一预定值和所述第二预定值均为0.02。
所述的方法中，第一步骤中，使用转速传感器对输入端转频ωs进行测量；使用加速度传感器对输入端轴承的轴向和径向振动信号x(t)进行测量。
所述的方法中，第一步骤中，采样频率10kHz；振动频率分析阈值不超过500Hz。
根据本发明的另一方面，一种实施所述的旋转机械的不对中故障检测方法的检测系统包括，
旋转机械，其包括输出端、联轴器和输入端，所述联轴器分别连接输出端和输入端，所述输入端经由轴承支撑；
检测单元，其包括用于测量旋转机械的输入端转频ωs的第一检测传感器以及测量输入端轴承的轴向和径向振动信号x(t)的第二检测传感器，
处理单元，其连接所述检测单元，其包括，
滤波单元，其基于所述述转频ωs以及输入端轴承的轴向和径向振动信号x(t)生成滤波后的信号y(t)，
频谱计算单元，基于所述信号y(t)得到轴向频谱幅值指标TZ和径向频谱幅值指标TJ，其中，
响应于轴向振动信号的频幅值指标TZ小于第一预定值，径向振动信号的频幅值指标TJ小于第二预定值，处理单元生成旋转机械正常对中结果，
响应于轴向振动信号的频幅值指标TZ大于第一预定值和/或径向振动信号的频幅值指标TJ大于第二预定值，处理单元生成发生不对中故障结果，其中，
响应于轴向振动信号的频幅值指标TZ小于第一预定值，径向振动信号的频幅值指标TJ大于第二预定值，处理单元生成发生平行不对中故障结果，
响应于轴向振动信号的频幅值指标TZ大于第一预定值，径向振动信号的频幅值指标TJ大于第二预定值，且TZ＜2TJ，处理单元生成发生角度不对中故障结果，
响应于轴向振动信号的频幅值指标TZ大于第一预定值，径向振动信号的频幅值指标TJ大于第二预定值，且TZ≥2TJ，处理单元生成发生混合不对中故障结果。
所述的检测系统中，第一检测传感器包括转速传感器，第二检测传感器包括加速度传感器，处理单元无线连接移动终端，所述移动终端包括电脑、手机、手环、大屏幕和云服务器。
和现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明针对传动系统中联轴器振动信号的特性研究选取了不对中故障诊断及分类的评估参量，经过大量实验分析、计算统计，评估参量选取了合适的阈值，对旋转机械传动系统的不对中故障监测给出了理论指导，通过分析振动信号的频谱诊断出了不对中故障，通过对比轴向和径向频谱，提出了频谱的幅值指标并以此区分了不对中故障的类型，通过使用该方法诊断并识别了不对中故障类型，为旋转机械设备的维护、检修计划的安排调整给出指导性建议，减少非计划停机时间、提高设备的经济效益与社会效益，本方法计算简便、快捷，便于工程实际应用。
附图说明
通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本发明各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。
在附图中：
图1是根据本发明一个实施例的旋转机械的不对中故障检测方法的步骤示意图；
图2是根据本发明一个实施例的实施旋转机械的不对中故障检测方法的检测系统的结构示意图；
图3是根据本发明一个实施例的实施旋转机械的不对中故障检测方法的检测系统的传感器的测点分布示意图；
图4(a)、图4(b)是根据本发明一个实施例的实施旋转机械的不对中故障检测方法的检测系统检测的0.2mm平行不对中轴向、径向振动信号时域图；
图5(a)、图5(b)是根据本发明一个实施例的实施旋转机械的不对中故障检测方法的检测系统检测的0.5°角度不对中轴向、径向振动信号时域图；
图6(a)、图6(b)是根据本发明一个实施例的实施旋转机械的不对中故障检测方法的检测系统检测的0.2mm平行不对中轴向、径向振动信号频谱图；
图7(a)、图7(b)是根据本发明一个实施例的实施旋转机械的不对中故障检测方法的检测系统检测的0.5°角度不对中轴向、径向振动信号频谱图。
以下结合附图和实施例对本发明作进一步的解释。
具体实施方式
下面将参照附图1至图7(b)更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本发明实施例的限定。
为了更好地理解，图1是根据本发明一个实施例的铁路机车轴承及齿轮故障诊断方法的步骤示意图，如图1所示，一种旋转机械的不对中故障检测方法包括以下步骤：
第一步骤S1中，测量旋转机械的输入端转频ωs以及输入端轴承的轴向和径向振动信号x(t)；
第二步骤S2中，基于所述转频ωs以及输入端轴承的轴向和径向振动信号x(t)进行数据处理得到滤波后的信号y(t)以及基于滤波后的信号y(t)频谱处理得到频谱幅值指标，其中，y(t)＝x(t)*h(t)， 其中，t为采样时间，τ0为时延，ω为频率，j为y(t)为滤波后的信号，ωc为低通截止频率；|Y(ω)|为频谱；为相位谱；Y1为1倍频幅值，Y1＝max(|Y(ω)|)，|ω-ωs|＜1；Y2为2倍频幅值，Y2＝max(|Y(ω)|)，|ω-2ωs|＜1；T为频谱幅值指标，T＝Y2/Y1；
第三步骤S3中，通过第二步骤得到轴向频谱幅值指标TZ和径向频谱幅值指标TJ，当轴向振动信号的频幅值指标TZ小于第一预定值，径向振动信号的频幅值指标TJ小于第二预定值，确定旋转机械正常对中，当轴向振动信号的频幅值指标TZ大于第一预定值和/或径向振动信号的频幅值指标TJ大于第二预定值，确定发生不对中故障。
在一个实施例中，本发明的检测方法包括，
步骤1，在旋转机械中，使用转速传感器对输入端4转速进行测量；使用加速度传感器，对输入端轴承的轴向5和径向6振动进行测量，采样频率10kHz；振动频率分析阈值不超过500Hz；
步骤2，对所采集的径向与轴向振动信号x(t)，单位为g(9.8m/s2)，按以下方法进行如下处理：
y(t)＝x(t)*h(t)
其中
Y1＝max(|Y(ω)|)，|ω-ωs|＜1
Y2＝max(|Y(ω)|)，|ω-2ωs|＜1
T＝Y2/Y1
其中，y(t)为滤波后的信号，ωc为低通截止频率；|Y(ω)|为频谱；为相位谱；ωs为转速传感器测得的电机输出轴转频；Y1为1倍频幅值；Y2为2倍频幅值；T为频谱幅值指标；
步骤3，对于步骤2计算得到的轴向频谱幅值指标TZ，轴向振动信号的频幅值指标TZ小于0.02，径向振动信号的频幅值指标TJ大于0.02，认为发生平行不对中故障；轴向振动信号的频幅值指标TZ大于0.02，径向振动信号的频幅值指标TJ大于0.02，且TZ＜2TJ，认为发生角度中故障；轴向振动信号的频幅值指标TZ大于0.02，径向振动信号的频幅值指标TZ大于0.02，且TZ≥2TJ，认为发生混合不对中故障。
所述的方法的优选实施方式中，第三步骤S3中，轴向振动信号的频幅值指标TZ小于第一预定值，径向振动信号的频幅值指标TJ大于第二预定值，确定发生平行不对中故障。
所述的方法的优选实施方式中，第三步骤S3中，轴向振动信号的频幅值指标TZ大于第一预定值，径向振动信号的频幅值指标TJ大于第二预定值，且TZ＜2TJ，确定发生角度不对中故障。
所述的方法的优选实施方式中，第三步骤S3中，轴向振动信号的频幅值指标TZ大于第一预定值，径向振动信号的频幅值指标TZ大于第二预定值，且TZ≥2TJ，确定发生混合不对中故障。
所述的方法的优选实施方式中，第三步骤S3中，所述第一预定值等于所述第二预定值。
所述的方法的优选实施方式中，第三步骤S3中，所述第一预定值和所述第二预定值均为0.02。
所述的方法的优选实施方式中，第一步骤S1中，使用转速传感器对输入端转频ωs进行测量；使用加速度传感器对输入端轴承的轴向和径向振动信号x(t)进行测量。
所述的方法的优选实施方式中，第一步骤S1中，采样频率10kHz；振动频率分析阈值不超过500Hz。
如图2所示，一种实施所述的旋转机械的不对中故障检测方法的检测系统包括，
旋转机械3，其包括输出端1、联轴器2和输入端4，所述联轴器2分别连接输出端和输入端4，所述输入端经由轴承支撑；
检测单元7，其包括用于测量旋转机械的输入端转频ωs的第一检测传感器以及测量输入端轴承的轴向6和径向5振动信号x(t)的第二检测传感器，
处理单元8，其连接所述检测单元，其包括，
滤波单元，其基于所述述转频ωs以及输入端轴承的轴向和径向振动信号x(t)生成滤波后的信号y(t)，
频谱计算单元，基于所述信号y(t)得到轴向频谱幅值指标TZ和径向频谱幅值指标TJ，其中，
响应于轴向振动信号的频幅值指标TZ小于第一预定值，径向振动信号的频幅值指标TJ小于第二预定值，处理单元生成旋转机械正常对中结果，
响应于轴向振动信号的频幅值指标TZ大于第一预定值和/或径向振动信号的频幅值指标TJ大于第二预定值，处理单元生成发生不对中故障结果，其中，
响应于轴向振动信号的频幅值指标TZ小于第一预定值，径向振动信号的频幅值指标TJ大于第二预定值，处理单元生成发生平行不对中故障结果，
响应于轴向振动信号的频幅值指标TZ大于第一预定值，径向振动信号的频幅值指标TJ大于第二预定值，且TZ＜2TJ，处理单元生成发生角度不对中故障结果，
响应于轴向振动信号的频幅值指标TZ大于第一预定值，径向振动信号的频幅值指标TJ大于第二预定值，且TZ≥2TJ，处理单元生成发生混合不对中故障结果。
本发明基于联轴器的运行方式及其不对中故障机理，确定了传感器的测点布置，研究并设计了一个评估参量：频谱幅值指标；经过测试分析、计算统计对传动系统的振动状态确定了相应的阈值。本发明通过使用该定量故障检测方法可以在线监测不对中故障并进行预警，同时能区分不对故障类型，减少非计划停机时间、提高设备的经济效益与社会效益，并为后期的维修调试方案提供参考。
所述的检测系统的优选实施例中，第一检测传感器包括转速传感器，第二检测传感器包括加速度传感器，处理单元无线连接移动终端，所述移动终端包括电脑、手机、手环、大屏幕和云服务器。
所述的检测系统的优选实施例中，处理单元包括单片机、专用集成电路ASIC或现场可编程门阵列FPGA，处理单元包括存储单元，存储单元可以包括一个或多个只读存储器ROM、随机存取存储器RAM、快闪存储器或电子可擦除可编程只读存储器EEPROM。
为了进一步理解本发明，图3是传感器的测点分布图，分别测量输入端4转速，输入端轴承径向5和轴向6两处的振动。
加速度传感器按图2布置，测量所示测点的振动信号，采样频率10kHz，测量时长2min，分析时间5s。转速传感器按图3布置，测量输入轴转速。
图4(a)、图4(b)为发生0.2mm平行不对中时，输入端轴承的轴向、径向振动信号。按公式1 y(t)＝x(t)*h(t)得到滤波后的信号y(t)，对信号y(t)按公式3得到图6(a)、图6(b)中的频谱，根据测量得到的转速ωs＝30Hz，分别按公式4 Y1＝max(|Y(ω)|)，|ω-ωs|＜1，公式5 Y2＝max(|Y(ω)|)，|ω-2ωs|＜1和公式6 T＝Y2/Y1，计算得到轴向信号频谱指标TZ＝0.0198，径向信号频谱指标TJ＝0.448，对照表1，传动系统发生平行不对中故障，验证方法有效。
图5(a)、图5(b)为发生0.5°角度不对中时，输入端轴承的轴向、径向振动信号。按公式y(t)＝x(t)*h(t)得到滤波后的信号y(t)，对信号y(t)按公式得到图7(a)、图7(b)中的频谱，根据测量得到的转速ωs＝30Hz，分别按公式Y1＝max(|Y(ω)|)，|ω-ωs|＜1，公式Y2＝max(|Y(ω)|)，|ω-2ωs|＜1和公式T＝Y2/Y1，计算得到轴向信号频谱指标TZ＝0.467，径向信号频谱指标TJ＝0.528，对照表1，传动系统发生角度不对中故障，验证方法有效。
表1
状态 轴向频谱幅值指标T<sub>Z</sub> 径向频谱幅值指标T<sub>J</sub>
正常 ＜0.02 ＜0.02
平行不对中 ＜0.02 ＞0.02
角度不对中 ＞0.02，T<sub>Z</sub>＜2T<sub>J</sub> ＞0.02
混合不对中 ＞0.02，T<sub>Z</sub>≥2T<sub>J</sub> ＞0.02
尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。

Claims (10)

1.一种旋转机械的不对中故障检测方法，所述方法包括以下步骤：
第一步骤(S1)中，测量旋转机械的输入端转频ωs以及输入端轴承的轴向和径向振动信号x(t)；
第二步骤(S2)中，基于所述转频ωs以及输入端轴承的轴向和径向振动信号x(t)进行数据处理得到滤波后的信号y(t)以及基于滤波后的信号y(t)频谱处理得到频谱幅值指标，其中，y(t)＝x(t)*h(t)， 其中，sinc为正弦基函数，t为采样时间，τ0为时延，ω为频率，j为y(t)为滤波后的信号，ωc为低通截止频率；|Y(ω)|为频谱；为相位谱；Y1为1倍频幅值，Y1＝max(|Y(ω)|)，|ω-ωs|＜1；Y2为2倍频幅值，Y2＝max(|Y(ω)|)，|ω-2ωs|＜1；T为频谱幅值指标，T＝Y2/Y1；
第三步骤(S3)中，通过第二步骤得到轴向频谱幅值指标TZ和径向频谱幅值指标TJ，当轴向振动信号的频幅值指标TZ小于第一预定值，径向振动信号的频幅值指标TJ小于第二预定值，确定旋转机械正常对中；当轴向振动信号的频幅值指标TZ大于第一预定值和/或径向振动信号的频幅值指标TJ大于第二预定值，确定发生不对中故障。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，优选的，第三步骤(S3)中，轴向振动信号的频幅值指标TZ小于第一预定值，径向振动信号的频幅值指标TJ大于第二预定值，确定发生平行不对中故障。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，第三步骤(S3)中，轴向振动信号的频幅值指标TZ大于第一预定值，径向振动信号的频幅值指标TJ大于第二预定值，且TZ＜2TJ，确定发生角度不对中故障。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，第三步骤(S3)中，轴向振动信号的频幅值指标TZ大于第一预定值，径向振动信号的频幅值指标TZ大于第二预定值，且TZ≥2TJ，确定发生混合不对中故障。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，第三步骤(S3)中，所述第一预定值等于所述第二预定值。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，第三步骤(S3)中，所述第一预定值和所述第二预定值均为0.02。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，第一步骤(S1)中，使用转速传感器对输入端转频ωs进行测量；使用加速度传感器对输入端轴承的轴向和径向振动信号x(t)进行测量。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，第一步骤(S1)中，采样频率10kHz；振动频率分析阈值不超过500Hz。
9.一种实施如权利要求1-8中任一项所述的旋转机械的不对中故障检测方法的检测系统，其包括，
旋转机械，其包括输出端、联轴器和输入端，所述联轴器分别连接输出端和输入端，所述输入端经由轴承支撑；
检测单元，其包括用于测量旋转机械的输入端转频ωs的第一检测传感器以及测量输入端轴承的轴向和径向振动信号x(t)的第二检测传感器，
处理单元，其连接所述检测单元，其包括，
滤波单元，其基于所述述转频ωs以及输入端轴承的轴向和径向振动信号x(t)生成滤波后的信号y(t)，
频谱计算单元，基于所述信号y(t)得到轴向频谱幅值指标TZ和径向频谱幅值指标TJ，其中，
响应于轴向振动信号的频幅值指标TZ小于第一预定值，径向振动信号的频幅值指标TJ小于第二预定值，处理单元生成旋转机械正常对中结果，
响应于轴向振动信号的频幅值指标TZ大于第一预定值和/或径向振动信号的频幅值指标TJ大于第二预定值，处理单元生成发生不对中故障结果，其中，
响应于轴向振动信号的频幅值指标TZ小于第一预定值，径向振动信号的频幅值指标TJ大于第二预定值，处理单元生成发生平行不对中故障结果，
响应于轴向振动信号的频幅值指标TZ大于第一预定值，径向振动信号的频幅值指标TJ大于第二预定值，且TZ＜2TJ，处理单元生成发生角度不对中故障结果，
响应于轴向振动信号的频幅值指标TZ大于第一预定值，径向振动信号的频幅值指标TJ大于第二预定值，且TZ≥2TJ，处理单元生成发生混合不对中故障结果。
10.根据权利要求9所述的检测系统，其中，第一检测传感器包括转速传感器，第二检测传感器包括加速度传感器，处理单元无线连接移动终端，所述移动终端包括电脑、手机、手环、大屏幕和云服务器。
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