CN110793615A

CN110793615A - 风机振动状态检测方法、装置及配合端等效激励确定方法

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Publication number: CN110793615A
Application number: CN201911067941.6A
Authority: CN
Inventors: 赵江信; 郭宝甫; 王坤; 袁方方; 田盈; 徐军; 黄阮明; 张梦瑶; 王小凯; 李亚辉; 苑军军
Original assignee: State Grid Corp of China SGCC; Xuji Group Co Ltd; XJ Electric Co Ltd; State Grid Shanghai Electric Power Co Ltd; Xuchang XJ Software Technology Co Ltd
Current assignee: State Grid Corp of China SGCC; Xuji Group Co Ltd; XJ Electric Co Ltd; State Grid Shanghai Electric Power Co Ltd; Xuchang XJ Software Technology Co Ltd
Priority date: 2019-11-04
Filing date: 2019-11-04
Publication date: 2020-02-14
Anticipated expiration: 2039-11-04
Also published as: CN110793615B

Abstract

本发明涉及一种风机振动状态检测方法、装置及配合端等效激励确定方法，包括：按照设定采样周期对n个振动传感器在风机振动监测部位采集到的振动信号进行采样；根据采样得到的风机振动监测部位的振动信号，计算振动成分信号；根据振动成分信号的幅值以及振动传感器采集到振动信号的时间，计算风机振动监测部位配合端的等效激励信号；根据风机振动监测部位配合端的等效激励信号的周期性，确定风机振动监测部位的故障区域。本发明通过计算配合端等效激励信号来确定风机监测部件的故障情况，计算方法简单易行，能够准确地确定故障区域。

Description

风机振动状态检测方法、装置及配合端等效激励确定方法

技术领域

本发明涉及一种风机振动状态检测方法、装置及配合端等效激励确定方法，属于风力发电技术领域。

背景技术

作为一种清洁、可再生的新型能源，风电发展十分迅速，特别是海上风电开发已经成为全球的热点与前沿。风力发电机(简称风机)作为风力发电的关键设备，由于运行环境复杂，不可避免地会出现故障，如果因此导致风机的非正常停机，会严重影响发电效率。所以，监测风机的关键运行信号，分析诊断风机故障并确定故障区域是非常必要和迫切的。其中，风机的故障主要包括电气故障和机械故障，目前关于风机电气信号的监测和分析诊断系统已较为成熟，而对于风机机械信号的监测分析及故障诊断技术还相对匮乏。风机的机械故障中以振动引起的故障最为常见，因此监测并分析风机关键部件的振动影响的机械健康状态是十分必要和迫切的。

在现有技术中，对于风机部件振动影响的机械健康状态的监测和分析是通过在振动监测部位设置振动传感器，并将采集的振动数据通过电缆或光纤传输给主控PLC以及与PLC连接的服务器。现有技术中对风机部位进行振动监测和分析的对象是振动传感器采集的振动信号，而对于振动对监测部件的整体影响未涉及。实际上，振动对于监测部件的影响因为不同部位的承受能力不同而存在差异，因此，仅根据采集到的部分振动信号，会导致风机监测部分最终确定的故障区域不准确。由于对于风机部件健康状态评估是基于传感器采集的振动信号，因此会造成评估的滞后性，通常是在故障发生时或发生后，严重影响风机发电的效率。另外，振动传感器采集的振动信号会附有干扰信号，导致基于采集信号的分析存在较大误差，也会影响到故障区域的判断。此外，现有技术中对于风机监测部位健康状态的展示多属于数据和信号型的，不直观。并且现有对于振动造成影响的分析大多采用振动定位的方法，而在风机这种部件复杂配合的装置中明显不适用，并且振动定位方法通常计算过程复杂。

发明内容

本发明的目的是提供一种风机振动状态检测方法、装置及配合端等效激励确定方法，用于解决现有技术确定风机检测部件故障区域不准确的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种风机振动状态检测方法，步骤如下：

按照设定采样周期对n个振动传感器在风机振动监测部位采集到的振动信号进行再采样；

根据得到的风机振动监测部位的振动信号，计算振动成分信号；

根据振动成分信号的幅值以及振动传感器采集到振动信号的时间，计算风机振动监测部位配合端的等效激励信号；

根据风机振动监测部位配合端的等效激励信号的周期性，确定风机振动监测部位的故障区域。

本发明的有益效果是：通过将风机振动监测部位的振动信号均视为是通过在监测部位的配合端施加激励引起的，这样根据采集到的振动信号计算振动监测部位配合端的等效激励信号，根据配合端的等效激励信号的周期性，就可以获知振动监测部位发生故障的位置，以确定故障范围。本发明通过计算配合端等效激励信号来确定风机监测部件的故障情况，计算方法简单易行，能够准确地确定故障区域，在多部件复杂配合的风机装置振动影响分析中尤为有效。

进一步的，为了可靠获取等效激励信号以准确得到风机振动监测部位的健康状态，计算风机振动监测部位配合端的等效激励信号的步骤为：

若n个振动传感器在每个设定采样周期内均采集到1个振动信号X₁(t)、X₂(t)……X_n-1(t)、X_n(t)，并且满足V₁>V₂>……>V_n-1>V_n且t₁<t₂<……<t_n-1<t_n或满足V₁<V₂<……<V_n-1<V_n且t₁>t₂>……>t_n-1>t_n，其中，V_i为第i个振动传感器采集到的振动信号计算出的振动成分信号的幅值，t_i为第i个振动传感器采集到振动信号的时间，则根据其中两个振动成分信号的幅值以及对应两个振动传感器之间的距离，计算振动信号单位距离的衰减率；

根据选择的其中一个振动成分信号的幅值、振动信号单位距离的衰减率以及该选择的其中一个振动成分信号的幅值对应的振动传感器与目标配合端之间的距离，计算该目标配合端的等效激励信号，目标配合端为距离最大的一个振动成分信号的幅值对应的振动传感器最近的配合端。

若n个振动传感器在每个设定采样周期内均采集到2个振动信号X₁₁(t)、X₂₁(t)……X_n-11(t)、X_n1(n)和X₁₂(t)、X₂₂(t)……X_n-12(t)、X_n2(t)，并且满足V₁₁>V₂₁>……>V_n-11>V_n1，t₁₁<t₂₁<……<t_n-11<t_n1且V₁₂<V₂₂<……<V_n-12<V_n2，t₁₂>t₂₂>……>t_n-12>t_n2或满足V₁₁<V₂₁<……<V_n-11<V_n1，t₁₁>t₂₁>……>t_n-11>t_n1且V₁₂>V₂₂>……>V_n-12>V_n2，t₁₂<t₂₂<……<t_n-12<t_n2，其中，V_i1为第i个振动传感器采集到的第一振动信号计算出的振动成分信号的幅值，t_i1为第i个振动传感器采集到第一振动信号的时间，V_i2为第i个振动传感器采集到的第二振动信号计算出的振动成分信号的幅值，t_i2为第i个振动传感器采集到第二振动信号的时间，则根据各振动成分信号的幅值V₁₁、V₂₁……V_n-11、V_n1中的两个振动成分信号的幅值以及对应两个振动传感器之间的距离，计算第一振动信号单位距离的衰减率，根据各振动成分信号的幅值V₁₂、V₂₂……V_n-12、V_n2中的两个振动成分信号的幅值以及对应两个振动传感器之间的距离，计算第二振动信号单位距离的衰减率；

根据各振动成分信号的幅值V₁₁、V₂₁……V_n-11、V_n1中选择的一个振动成分信号的幅值、第一振动信号单位距离的衰减率以及该各振动成分信号的幅值V₁₁、V₂₁……V_n-11、V_n1中选择的一个振动成分信号的幅值对应的振动传感器与第一目标配合端之间的距离，计算该第一目标配合端的等效激励信号，第一目标配合端为距离各振动成分信号的幅值V₁₁、V₂₁……V_n-11、V_n1中最大的一个振动成分信号的幅值对应的振动传感器最近的配合端；根据各振动成分信号的幅值V₁₂、V₂₂……V_n-12、V_n2中选择的一个振动成分信号的幅值、第二振动信号单位距离的衰减率以及该各振动成分信号的幅值V₁₂、V₂₂……V_n-12、V_n2中选择的一个振动成分信号的幅值对应的振动传感器与第二目标配合端之间的距离，计算该第二目标配合端的等效激励信号，第二目标配合端为距离各振动成分信号的幅值V₁₂、V₂₂……V_n-12、V_n2中最大的一个振动成分信号的幅值对应的振动传感器最近的配合端。

进一步的，为了可靠判断出影响振动监测部位的健康状态的故障区域，若振动监测部位的两个配合端的等效激励信号的幅值均大于设定阈值，且两个配合端的等效激励信号均为周期性信号，则判定该振动监测部位所属部件存在故障。

进一步的，为了可靠判断出影响振动监测部位的健康状态的故障区域，若振动监测部位的至少一个配合端的等效激励信号的幅值大于设定阈值，且在大于设定阈值的等效激励信号中只有第一配合端的等效激励信号为周期性信号，则判断是否满足与该第一配合端直接相连的部件的两个等效激励信号是周期性信号；若满足，则与该第一配合端直接相连的部件存在故障，否则，该第一配合端和与其直接相连的部件的配合区域存在故障。

进一步的，为了便于直观地看出振动监测部位的振动影响情况，还包括：将振动监测部位的配合端的等效激励信号施加于有限元仿真模型的对应位置，仿真得到振动监测部位的应变图像；若振动监测部位的配合端的等效激励信号的幅值大于设定阈值，且大于设定阈值的等效激励信号均不为周期性信号，则根据仿真得到振动监测部位各有限元点仿真应变与振动监测部位各点可承受额定应变的关系确定振动监测部位的健康状态。

进一步的，为了保证同一个振动信号在采样周期内只能在振动监测部位的传感器间传播一次，振动信号在振动监测部位相距最远的两个振动传感器间的传播时间<所述设定采样周期<振动信号在振动监测部位相距最远的两个振动传感器间的传播时间+振动信号在风机振动监测部位的不同配合端和距离该配合端最近的振动传感器之间的传播时间中的最小值。

为解决上述技术问题，本发明还提供了一种风机振动状态检测装置，包括处理器和存储器，所述处理器用于处理存储在存储器中的指令，以实现上述的风机振动状态检测方法。

为解决上述技术问题，本发明还提供了一种风机振动状态配合端等效激励确定方法，步骤如下：

根据振动成分信号的幅值以及振动传感器采集到振动信号的时间，计算风机振动监测部位配合端的等效激励信号。

本发明的有益效果是：通过将风机振动监测部位的振动信号均视为是通过在振动监测部位的配合端施加激励引起的，根据采集到的振动信号，可以计算出振动监测部位配合端的等效激励信号，利用该等效激励信号可以实现很多功能，例如利用等效激励信号的周期性，就能够准确地确定风机监测部件的故障区域。

为解决上述技术问题，本发明还提供了一种风机振动状态检测系统，包括处理器、存储器以及设置在风机振动监测部位的振动传感器，所述处理器连接存储器和振动传感器，用于：按照设定采样周期接收n个振动传感器发送过来的在风机振动监测部位采集到的振动信号，并将其存储在存储器中；根据存储器中存储的振动信号，计算振动成分信号；根据振动成分信号的幅值以及振动传感器采集到振动信号的时间，计算风机振动监测部位配合端的等效激励信号；根据风机振动监测部位配合端的等效激励信号的周期性，确定风机振动监测部位的故障区域。

附图说明

图1为本发明风机振动状态监测分析系统的整体结构示意图；

图2为本发明风机振动状态检测方法的流程图；

图3为本发明振动监测部位振动传感器布置示意图；

图4为本发明配合端等效激励确定方法的流程示意图；

图5为本发明振动监测部位有限元仿真示意图；

图6为本发明振动状态监测分析的流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例对本发明进行进一步详细说明。

风机振动状态检测方法实施例：

如图1所示，本实施例提供了一种风机振动状态监测分析系统，该系统包括：依次通讯连接的振动传感单元U1、数据处理单元U2、有限元仿真单元U3以及监测分析单元U4。其中，振动传感单元U1为在风机振动监测部位非均匀设置的多个振动传感器，以3个为例，其布置情况如图3所示，其中振动传感器1和2之间的距离L2>振动传感器2和3之间的距离L3。该基于有限元仿真分析的风机振动状态监测分析系统的工作原理如下：

振动传感单元U1将采集到的振动信号实时发送到数据处理单元U2。数据处理单元U2对接收到的振动信号进行再采样，经过振动激励等效方法计算得到振动监测部位配合端的等效激励信号，并实时传送到有限元仿真单元U3。有限元仿真单元U3将振动监测部位配合端的等效激励信号施加于有限元仿真模型的对应位置上，进行仿真，仿真得到振动监测部位的应变图像和各个有限元点的应变数据，并将振动监测部位的应变图像和各个有限元点的应变数据以及等效振动监测部位配合端激励压缩打包，实时传送给监测分析单元U4。监测分析单元U4将收到的打包信号解压缩，将其中的应变图像进行展示，并对配合端的等效激励信号和有限元点的应变数据进行处理分析来实现对振动监测部位振动造成的机械健康状态的诊断。

在上述风机振动状态监测分析系统的基础上，本实施例还提供了一种风机振动状态检测方法，其对应的流程图如图2所示，具体包括以下步骤：

(1)采用n个振动传感器对风机振动监测部位的振动信号进行采集。

(2)按照设定采样周期对n个振动传感器在风机振动监测部位采集到的振动信号进行再采样，根据采样数据，采用振动激励等效方法计算风机振动监测部位的配合端的等效激励信号。

其中，振动激励等效方法的基本思想是：对于监测区域的振动信号，不论其振动源位置，均可视为是通过在监测区域的配合端施加激励引起的，即研究振动对监测区域影响时，可将振动等效为配合端的激励。通过采用振动激励等效方法，不需要采用复杂的算法对振动源进行定位，采用振动激励等效方法计算得到振动监测部位配合端的等效激励信号的步骤如下：

1)对振动传感器采集的振动信号进行再采样，设定采样周期为T_采样，T＜T_采样＜T+T′，T为振动信号在振动监测部位相距最远的两个振动传感器间的传播时间，T′为振动信号在风机振动监测部位的不同配合端和距离该配合端最近的振动传感器之间的传播时间中的最小值。

其中，如图3所示，振动信号在振动监测部位相距最远的两个振动传感器间的传播时间T为振动信号在振动传感器1和振动传感器3之间的传播时间。振动信号在风机振动监测部位的不同配合端和距离该配合端最近的振动传感器之间的传播时间中的最小值T′是指：若配合端1和振动传感器1之间的距离L1<配合端2和振动传感器3之间的距离L4，则T′为振动信号在配合端1和振动传感器1之间的传播时间；若配合端1和振动传感器1之间的距离L1>配合端2和振动传感器3之间的距离L4，则T′为振动信号在配合端2和振动传感器3之间的传播时间。通过对设定采样周期T_采样进行设置，可以保证同一个振动信号在采样周期内只能在风机振动监测部位的振动传感器间传播一次。

2)判断每个设定采样周期内采集到的每个振动传感器的振动信号个数，此时分为三种情况：

情况1：

步骤A：若每个采样周期内采集到每个振动传感器的1个振动信号，即振动传感器1、2……n-1、n采集到的振动信号分别为X₁(t)、X₂(t)……X_n-1(t)、X_n(t)，说明如果此设定采样周期内存在振动，振动是从其中一个配合端开始传输的。那么，采用互相关去噪方法对X₁(t)、X₂(t)……X_n-1(t)、X_n(t)进行去噪处理，提取振动成分信号S₁(t)，S₂(t-t₁₂)……S_n-1(t-t_1n-1)，S_n(t-t_1n)，振动信号与对应振动成分信号的关系为：

其中，Z₁(t)、Z₂(t)……Z_n-1(t)、Z_n(t)为外界随机干扰信号，λ₁、λ₂……λ_n-2、λ_n-1为衰减因数，t₁₂、t₁₃……t_1n-1、t_1n为振动信号到达振动传感器1和其余传感器的时延差。

需要说明的是，在步骤A中，本实施例是采用互相关的方式对振动信号进行去噪处理，以提取中振动成分信号，也就是有效振动信号，对应的具体过程属于现有技术，此处不再赘述。当然，作为其他的实施方式，也可以采用现有技术中的中值滤波、均值滤波等方法来对振动信号进行滤波。

步骤B：根据提取的振动成分信号，得到振动成分信号的幅值V₁、V₂……V_n-1、V_n，对振动成分信号的幅值V₁、V₂……V_n-1、V_n以及对应振动传感器采集到振动信号的时间t₁、t₂……t_n-1、t_n进行判断。

步骤C：若V₁>V₂>……>V_n-1>V_n且t₁<t₂<……<t_n-1<t_n，则根据振动成分信号的幅值V₁、V₂和振动传感器1、2的距离L2，计算振动信号单位距离的衰减率β₁，对应的计算公式为：

需要说明的是，在计算振动信号单位距离的衰减率β₁时，利用振动成分信号的幅值V₁、V₂和对应振动传感器1、2的距离L2的目的是为了提高衰减率β₁的准确性。作为其他的实施方式，可以使用振动成分信号的幅值V₁、V₂……V_n-1、V_n中任意两个振动成分信号的幅值以及对应两个振动传感器之间的距离，计算振动信号单位距离的衰减率。

步骤D：根据振动成分信号的幅值V₁、振动信号单位距离的衰减率β₁以及振动传感器1与其最近的配合端之间的距离L1，计算该最近配合端的等效激励信号V₀₁，计算公式为：

需要说明的是，在计算等效激励信号V₀₁时，使用振动成分信号的幅值V₁以及振动传感器1与其最近的配合端之间的距离L1是为了提高等效激励信号V₀₁的准确性。作为其他的实施方式，可以选择振动成分信号的幅值V₁、V₂……V_n-1、V_n中任意一个振动成分信号的幅值以及该选择的振动成分信号的幅值对应的振动传感器与目标配合端之间的距离，计算等效激励信号，这里的目标配合端就是指距离最大的一个振动成分信号的幅值对应的振动传感器最近的配合端。

另外，在情况1中，若V₁<V₂<……<V_n-1<V_n且t₁>t₂>……>t_n-1>t_n，则根据振动成分信号的幅值V_n-1、V_n和振动传感器n-1、n的距离Ln，计算振动信号单位距离的衰减率β₂，对应的计算公式为：

根据振动成分信号的幅值V_n、振动信号单位距离的衰减率β₂以及振动传感器n与其最近的配合端之间的距离Ln+1，计算该最近配合端的等效激励信号V₀₂，计算公式为：

在情况1中，若不满足V₁>V₂>……>V_n-1>V_n且t₁<t₂<……<t_n-1<t_n，也不满足V₁<V₂<……<V_n-1<V_n且t₁>t₂>……>t_n-1>t_n，说明此采样周期内混有与振动信号同频的干扰信号，则丢弃数据。

情况2：

步骤a：若每个设定采样周期内采集到每个振动传感器的2个振动信号，即振动传感器1、2……n-1、n采集到的一组振动信号分别为X₁₁(t)、X₂₁(t)……X_n-11(t)、X_n1(t)，振动传感器1、2……n-1、n采集到的另外一组振动信号分别为X₁₂(t)、X₂₂(t)……X_n-12(t)、X_n2(t)，说明如果此设定采样周期内存在振动，振动是从两个配合端分别传输的，采用互相关去噪方法分别对X₁₁(t)、X₂₁(t)……X_n-11(t)、X_n1(t)和X₁₂(t)、X₂₂(t)……X_n-12(t)、X_n2(t)进行去噪处理，提取振动成分信号S₁₁(t)、S₂₁(t-t₁₂)……S_n1(t-t_1n)和S₁₂(t)、S₂₂(t+t₁₂)……S_n2(t+t_1n)，t₁₂、t₁₃……t_1n-1、t_1n为振动信号到达振动传感器1和其余传感器的时延差。

需要说明的是，在步骤a中，本实施例也是采用互相关的方式对振动信号进行去噪处理，以提取中振动成分信号。作为其他的实施方式，同样也可以采用现有技术中的中值滤波、均值滤波等方法来对振动信号进行滤波。

步骤b：根据提取的振动成分信号，得到振动成分信号的幅值V₁₁、V₂₁……V_n-11、V_n1和V₁₂、V₂₂……V_n-12、V_n2，对振动成分信号的幅值V₁₁、V₂₁……V_n-11、V_n1和V₁₂、V₂₂……V_n-12、V_n2以及对应振动传感器采集到振动信号的时间t₁₁、t₂₁……t_n-11、t_n1和t₁₂、t₂₂……t_n-12、t_n2进行判断。

步骤c：若V₁₁>V₂₁>……>V_n-11>V_n1，t₁₁<t₂₁<……<t_n-11<t_n1且V₁₂<V₂₂<……<V_n-12<V_n2，t₁₂>t₂₂>……>t_n-12>t_n2，则根据振动成分信号的幅值V₁₁、V₂₁和振动传感器1、2的距离L2，计算振动信号单位距离的衰减率β₁，根据振动成分信号的幅值V_n2、V_n-12和振动传感器n-1、n的距离Ln，计算振动信号单位距离的衰减率β₂。

其中，与情况1中的步骤C类似，在计算振动信号单位距离的衰减率β₁和振动信号单位距离的衰减率β₂时，作为其他的实施方式，也可以采用对应所有振动成分信号的幅值中的任意两个幅值以及这两个幅值对应的振动传感器的距离进行实现，此处不再赘述。

步骤d：根据振动成分信号的幅值V₁₁、振动信号单位距离的衰减率β₁以及振动传感器1与其最近的配合端之间的距离L1，计算该最近配合端的等效激励信号V₀₁；根据振动成分信号的幅值V_n2、振动信号单位距离的衰减率β₂以及振动传感器n与其最近的配合端之间的距离Ln+1，计算该最近配合端的等效激励信号V₀₂，对应的计算公式可以参考情况1。

其中，与情况1中的步骤D类似，在计算等效激励信号V₀₁和等效激励信号V₀₂时，作为其他的实施方式，也可以采用对应所有振动成分信号的幅值中的任意一个幅值以及这幅值对应的振动传感器与目标配合端的距离进行实现，此处不再赘述。

另外，在情况2中，若V₁₁<V₂₁<……<V_n-11<V_n1，t₁₁>t₂₁>……>t_n-11>t_n1且V₁₂>V₂₂>……>V_n-12>V_n2，t₁₂<t₂₂<……<t_n-12<t_n2，则根据振动成分信号的幅值V_n1、V_n-11和振动传感器n-1、n的距离Ln，计算振动信号单位距离的衰减率β₂，根据振动成分信号的幅值V₁₂、V₂₂和振动传感器1、2的距离L2，计算振动信号单位距离的衰减率β₁。根据振动成分信号的幅值V_n1、振动信号单位距离的衰减率β₂以及振动传感器n与其最近的配合端之间的距离Ln+1，计算该最近配合端的等效激励信号V₀₂。根据振动成分信号的幅值V₁₂、振动信号单位距离的衰减率β₁以及振动传感器1与其最近的配合端之间的距离L1，计算该最近配合端的等效激励信号V₀₁，对应的计算公式可以参考情况1。

在情况2中，若不满足V₁₁>V₂₁>……>V_n-11>V_n1，t₁₁<t₂₁<……<t_n-11<t_n1且V₁₂<V₂₂<……<V_n-12<V_n2，t₁₂>t₂₂>……>t_n-12>t_n2，也不满足V₁₁<V₂₁<……<V_n-11<V_n1，t₁₁>t₂₁>……>t_n-11>t_n1且V₁₂>V₂₂>……>V_n-12>V_n2，t₁₂<t₂₂<……<t_n-12<t_n2，说明此设定采样周期内混有与振动信号同频的干扰信号，则丢弃数据。

情况3：不满足每个设定采样周期内采集到每个振动传感器的1个振动信号，也不满足每个设定采样周期内采集到每个振动传感器的2个振动信号，则说明此采样周期内存在纯干扰信号，丢弃数据。

为了使上述步骤1)和2)中的内容更加清楚明了，以图3中的布置有3个振动传感器的振动监测部位为例进行说明，对应的步骤流程图如图4所示：

按照设定采样周期对振动传感器采集到的振动信号进行再采样，根据每个设定采样周期内采集到的每个振动传感器的振动信号个数，分为三种情况：

情况1：如果一个设定采样周期内分别得到三个振动传感器的一个信号X₁(t)、X₂(t)、X₃(t)，则说明如果此设定采样周期内存在振动，振动是从配合端1或配合端2开始传输的。采用互相关去噪方法对X₁(t)、X₂(t)、X₃(t)进行去噪处理后，提取振动成分信号S₁(t)和S₂(t-t₁₂)、S₃(t-t₁₃)，计算公式为：

其中，Z₁(t)、Z₂(t)、Z₃(t)为外界随机干扰信号，λ₁为振动信号从振动传感器1到振动传感器2的衰减因数，λ₂为振动信号从振动传感器1到振动传感器3的衰减因数，t₁₂为振动信号到达振动传感器1和振动传感器2的时延差，t₁₃为振动信号到达振动传感器1和振动传感器3的时延差。λ₁、λ₂可取大于或小于1的数；t₁₂、t₁₃可取正、负值。

根据提取的振动成分信号，得到振动成分信号的幅值V₁、V₂、V₃，判断振动成分信号的幅值V₁、V₂、V₃和振动传感器采集到振动信号的时间t₁、t₂、t₃的关系：

如果V₁>V₂>V₃且t₁<t₂<t₃，则根据振动成分信号的幅值V₁、V₂和振动传感器1、2的距离L2计算振动信号单位距离的衰减率β₁。根据振动成分信号的幅值V₁、振动信号单位距离的衰减率β₁和振动传感器1与配合端1之间的距离L1计算配合端1的等效激励信号V₀₁，计算公式为：

如果V₁<V₂<V₃且t₁>t₂>t₃，则根据振动成分信号的幅值V₂、V₃和振动传感器2、3的距离L3计算振动信号单位距离的衰减率β₂。根据振动成分信号的幅值V₃、振动信号单位距离的衰减率β₂和振动传感器3与配合端2之间的距离L4计算配合端2的等效激励信号V₀₂，计算公式为：

另外，若不满足V₁>V₂>V₃且t₁<t₂<t₃，也不满足V₁<V₂<V₃且t₁>t₂>t₃，则说明此设定采样周期内混有与振动信号同频的干扰信号，丢弃数据。

情况2：如果一个设定采样周期内分别得到三个振动传感器的两个信号X₁₁(t)、X₂₁(t)、X₃₁(t)和X₁₂(t)、X₂₂(t)、X₃₂(t)，则说明如果此设定采样周期内存在振动，振动是从两个配合端，即配合端1和配合端2分别传输的。采用互相关去噪方法对X₁₁(t)、X₂₁(t)、X₃₁(t)进行去噪处理，得到振动成分信号S₁₁(t)、S₂₁(t-t₁₂)、S₃₁(t-t₁₃)，采用互相关去噪方法对X₁₂(t)、X₂₂(t)、X₃₂(t)进行去噪处理，得到振动成分信号S₁₂(t)、S₂₂(t+t₁₂)、S₃₂(t+t₁₃)。其中，t₁₂为振动信号到达振动传感器1和振动传感器2的时延差，t₁₃为振动信号到达振动传感器1和振动传感器3的时延差。

根据提取的振动成分信号，得到振动成分信号的幅值V₁₁、V₂₁、V₃₁和V₁₂、V₂₂、V₃₂，判断振动成分信号的幅值V₁₁、V₂₁、V₃₁和V₁₂、V₂₂、V₃₂以及振动传感器采集到振动信号的时间t₁₁、t₂₁、t₃₁和t₁₂、t₂₂、t₃₂的关系：

如果V₁₁>V₂₁>V₃₁，t₁₁<t₂₁<t₃₁且V₁₂<V₂₂<V₃₂，t₁₂>t₂₂>t₃₂，则根据振动成分信号的幅值V₁₁、V₂₁和振动传感器1、2的距离L2计算振动信号单位距离的衰减率β₁，根据振动成分信号的幅值V₃₂、V₂₂和振动传感器2、3的距离L3计算振动信号单位距离的衰减率β₂。根据振动成分信号的幅值V₁₁、振动信号单位距离的衰减率β₁和振动传感器1与配合端1之间的距离L1计算配合端1的等效激励信号V₀₁；根据振动成分信号的幅值V₃₂、振动信号单位距离的衰减率β₂和振动传感器3与配合端2之间的距离L4计算配合端2的等效激励信号V₀₂。

如果V₁₁<V₂₁<V₃₁，t₁₁>t₂₁>t₃₁且V₁₂>V₂₂>V₃₂，t₁₂<t₂₂<t₃₂，则根据振动成分信号的幅值V₃₁、V₂₁和振动传感器2、3的距离L3计算振动信号单位距离的衰减率β₂，根据振动成分信号的幅值V₁₂、V₂₂和振动传感器1、2的距离L2计算振动信号单位距离的衰减率β₁。根据振动成分信号的幅值V₃₁、振动信号单位距离的衰减率β₂和振动传感器3与配合端2之间的距离L4计算配合端2的等效激励信号V₀₂；根据振动成分信号的幅值V₁₂、振动信号单位距离的衰减率β₁和振动传感器1与配合端1之间的距离L1计算配合端1的等效激励信号V₀₁。

(3)将振动监测部位配合端的等效激励信号施加于有限元仿真模型的对应位置，仿真得到振动监测部位的应变图像和各个有限元点的应变数据。

其中，有限元仿真单元U3在有限元仿真软件中根据风机的实际情况，建立风机振动监测部位和配合部件的有限元模型。其中，现有的有限元仿真软件有很多，在本实施例中，所采用的有限元仿真软件为COMSOLMultiphysics。另外，有限元仿真单元U3在有限元仿真软件中建立风机振动监测部位和配合部件的有限元模型的具体过程属于现有技术，此处不再赘述。

然后将数据处理单元U2传送的经过振动激励等效方法计算得到的配合端的等效激励信号施加到有限元模型的对应位置上，进行应变仿真。将仿真得到的振动监测部位应变图像、各个有限元点的应变数据和数据处理单元U2传送的振动监测部位配合端的等效激励信号打包压缩，实时传送给监测分析单元U4。例如，图5给出了某次仿真得到的振动监测部位应变图像，该振动监测部位图像包括图5的左侧图形和右侧的条状图，条状图是对颜色表示应变大小的说明，相当于图例。

(4)对振动监测部位的应变图像进行展示，并对振动监测部位配合端的等效激励信号和有限元点的应变数据进行分析，得到振动监测部位对应的健康状态。

具体的，监测分析单元U4对有限元仿真单元U3传送过来的打包信号解压缩，将其中的应变图像进行展示，并对配合端的等效激励信号和有限元点的应变数据进行处理分析来实现对振动监测部位振动造成的机械健康状态的诊断。其中，对振动监测部位配合端的等效激励信号和有限元点的应变数据进行分析的步骤包括：

4.1)设定阈值，筛选出超过设定阈值的振动监测部位的配合端的等效激励信号。

其中，风机不同监测部位对应设定的阈值不同，需要根据现场试验和经验以及需要进行确定。

4.2)判断筛选出的振动监测部位的配合端的等效激励信号是否为周期性信号，此时分为三种情形：

第一种情形，若筛选出的振动监测部位的配合端的等效激励信号为两个，且两个配合端的等效激励信号均为周期性信号，则说明该振动监测部位所属零件存在故障，建议对此部件进行检查。

第二种情形：若筛选出的振动监测部位的配合端的等效激励信号中的其中一个为周期性信号(包括：筛选出的振动监测部位的配合端的等效激励信号只有一个且为周期性信号；筛选出的振动监测部位的配合端的等效激励信号有两个且只有一个为周期性信号)，则判断是否满足与周期性配合端的等效激励信号所属配合端直接相连的部件的两个配合端的等效激励信号是周期性信号，若满足，则与周期性配合端的等效激励信号所属配合端直接相连的部件存在故障；否则，周期性配合端的等效激励信号所属配合端和与其直接相连的部件的配合区域存在故障。

第三种情形：若筛选出的振动监测部位的配合端的等效激励信号均不为周期性信号(包括：筛选出的振动监测部位的配合端的等效激励信号只有一个且不为周期性信号；筛选出的振动监测部位的配合端的等效激励信号有两个且均不为周期性信号)，则将振动监测部位各有限元点仿真应变大小ε_仿i与对应振动监测部位各点可承受额定应变ε_额i进行比较：如果ε_仿i>ε_额i，则说明振动导致的该振动监测部位的健康状态为告警状态；如果ε_仿i>η*ε_额i，0<η<1，取η＝0.8，则振动导致的该振动监测部位的健康状态为预警状态；否则，振动导致的该振动监测部位的健康状态为正常状态。

其中，振动监测部位各有限元点仿真应变大小ε_仿i即为仿真得到的有限元点的应变数据，包含在有限元仿真单元U3传送的压缩包中。

例如，在图5中，振动监测部位为B，振动状态监测分析的步骤流程图如图6所示，此时，若筛选出的振动监测部位B的两个配合端的等效激励信号均为周期性信号，也就是等效配合端B1和B2的激励信号均为周期性信号，则说明振动监测部位B所属部件存在故障，建议对此部件进行检查。若振动监测部位B的两个配合端B1和B2的等效激励信号只有一个为周期性信号，则继续判断与周期性等效激励信号所属等效配合端B1或B2直接相连的部件A或C的两个配合端的等效激励信号是否是周期信号，如果是，则说明此直接相连的部件A或C存在故障，建议对部件进行检查；如果否，则说明配合区域，即A与B或B与C的配合区域存在故障，建议进行检查。

上述的风机振动状态检测方法基于振动传感器的采集信号，结合有限元分析，充分考虑了检测部件各部位的不同可承受能力，可以对监测部件整体的状态及状态变化进行直观的展示，并可以对监测部件的健康状态进行预警，解决了监测部件不全面，状态评估滞后性和展示不直观的缺陷。通过采用振动激励等效方法，不需要对振动源进行定位，算法简单，在多部件复杂配合的风机装置振动影响分析中尤为有效，并去掉了环境干扰信号的影响，使监测分析更准确。

另外，需要说明的是，上述的风机振动状态检测方法不仅可以应用在风机的故障检测过程中，同样可以应用在其他设备的故障检测过程中。

风机振动状态检测装置实施例：

本实施例提供了一种风机振动状态检测装置，包括处理器和存储器，该处理器用于处理存储在存储器中的指令，以实现一种风机振动状态检测方法，由于该风机振动状态检测方法已经在上述的风机振动状态检测方法实施例中进行了详细介绍，此处不再赘述。

风机振动状态配合端的等效激励确定方法实施例：

本实施例提供了一种风机振动状态配合端的等效激励确定方法，用于确定风机振动监测部位两个配合端的等效激励信号。当然，该方法不仅可以适用于风机振动监测部位的配合端等效激励信号确定，还可以适用于其他设备的振动监测部位的配合端等效激励信号确定。并且，计算出的配合端的等效激励信号不仅可以应用于监测部件的故障检测过程中，还有其他的用途。由于该风机振动状态配合端的等效激励确定方法已经在上述的风机振动状态检测方法实施例中进行了详细介绍，此处不再赘述。

风机振动状态检测系统实施例：

本实施例提供了一种风机振动状态检测系统，包括处理器、存储器以及设置在风机振动监测部位的振动传感器，处理器连接存储器和振动传感器，用于实现一种风机振动状态检测方法。由于该风机振动状态检测系统的工作过程已经在上述的风机振动状态检测方法实施例中进行了详细介绍，此处不再赘述。

最后应当说明的是，以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对其保护范围的限制，尽管参照上述实施例对本申请进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解，本领域技术人员阅读本申请后依然可对申请的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但这些变更、修改或者等同替换，均在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims

1.一种风机振动状态检测方法，其特征在于，步骤如下：

2.根据权利要求1所述的风机振动状态检测方法，其特征在于，计算风机振动监测部位配合端的等效激励信号的步骤为：

3.根据权利要求1所述的风机振动状态检测方法，其特征在于，计算风机振动监测部位配合端的等效激励信号的步骤为：

若n个振动传感器在每个设定采样周期内均采集到2个振动信号X₁₁(t)、X₂₁(t)……X_n-11(t)、X_n1(t)和X₁₂(t)、X₂₂(t)……X_n-12(t)、X_n2(t)，并且满足V₁₁>V₂₁>……>V_n-11>V_n1，t₁₁<t₂₁<……<t_n-11<t_n1且V₁₂<V₂₂<……<V_n-12<V_n2，t₁₂>t₂₂>……>t_n-12>t_n2或满足V₁₁<V₂₁<……<V_n-11<V_n1，t₁₁>t₂₁>……>t_n-11>t_n1且V₁₂>V₂₂>……>V_n-12>V_n2，t₁₂<t₂₂<……<t_n-12<t_n2，其中，V_i1为第i个振动传感器采集到的第一振动信号计算出的振动成分信号的幅值，t_i1为第i个振动传感器采集到第一振动信号的时间，V_i2为第i个振动传感器采集到的第二振动信号计算出的振动成分信号的幅值，t_i2为第i个振动传感器采集到第二振动信号的时间，则根据各振动成分信号的幅值V₁₁、V₂₁……V_n-11、V_n1中的两个振动成分信号的幅值以及对应两个振动传感器之间的距离，计算第一振动信号单位距离的衰减率，根据各振动成分信号的幅值V₁₂、V₂₂……V_n-12、V_n2中的两个振动成分信号的幅值以及对应两个振动传感器之间的距离，计算第二振动信号单位距离的衰减率；

4.根据权利要求3所述的风机振动状态检测方法，其特征在于，若振动监测部位的两个配合端的等效激励信号的幅值均大于设定阈值，且两个配合端的等效激励信号均为周期性信号，则判定该振动监测部位所属部件存在故障。

5.根据权利要求2或3所述的风机振动状态检测方法，其特征在于，若振动监测部位的至少一个配合端的等效激励信号的幅值大于设定阈值，且在大于设定阈值的等效激励信号中只有第一配合端的等效激励信号为周期性信号，则判断是否满足与该第一配合端直接相连的部件的两个等效激励信号是周期性信号；若满足，则与该第一配合端直接相连的部件存在故障，否则，该第一配合端和与其直接相连的部件的配合区域存在故障。

6.根据权利要求2或3所述的风机振动状态检测方法，其特征在于，还包括：将振动监测部位的配合端的等效激励信号施加于有限元仿真模型的对应位置，仿真得到振动监测部位的应变图像；若振动监测部位的配合端的等效激励信号的幅值大于设定阈值，且大于设定阈值的等效激励信号均不为周期性信号，则根据仿真得到振动监测部位各有限元点仿真应变与振动监测部位各点可承受额定应变的关系确定振动监测部位的健康状态。

7.根据权利要求1-3中任一项所述的风机振动状态检测方法，其特征在于，振动信号在振动监测部位相距最远的两个振动传感器间的传播时间<所述设定采样周期<振动信号在振动监测部位相距最远的两个振动传感器间的传播时间+振动信号在风机振动监测部位的不同配合端和距离该配合端最近的振动传感器之间的传播时间中的最小值。

8.一种风机振动状态配合端等效激励确定方法，其特征在于，步骤如下：

9.一种风机振动状态检测装置，其特征在于，包括处理器和存储器，所述处理器用于处理存储在存储器中的指令，以实现如权利要求1-7中任一项所述的风机振动状态检测方法。

10.一种风机振动状态检测系统，其特征在于，包括处理器、存储器以及设置在风机振动监测部位的振动传感器，所述处理器连接存储器和振动传感器，用于：按照设定采样周期接收n个振动传感器发送过来的在风机振动监测部位采集到的振动信号，并将其存储在存储器中；根据存储器中存储的振动信号，计算振动成分信号；根据振动成分信号的幅值以及振动传感器采集到振动信号的时间，计算风机振动监测部位配合端的等效激励信号；根据风机振动监测部位配合端的等效激励信号的周期性，确定风机振动监测部位的故障区域。