CN110887651A - 一种基于传感器共振滤波的转子故障微弱信号提取方法 - Google Patents

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周磊
金诚
刘岳鹏
李达银
方俊雅
敖春芳
马利亚
朱子环
陈锋
马鑫
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Abstract

本发明公开了一种基于传感器共振滤波的转子故障微弱信号提取方法，其特征在于：采用共振声发射传感器检测转子故障应力波信号，利用传感器固有的共振频率作为共振解调的共振中心频率，根据传感器＞40dB的品质因数确定共振带宽；传感器的共振频率选择与被测转子系统的材料声发射特性一致；以上述共振带宽设计带通滤波器，对转子故障应力波信号进行带通滤波；然后进行包络解调和低通滤波，再对包络波形进行频域分析提取故障特征频率。

Description

一种基于传感器共振滤波的转子故障微弱信号提取方法
技术领域
本发明涉及信号分析与处理领域，特别是用于转子系统故障诊断的应用。
背景技术
旋转机械应用广泛，其中的转子系统是故障高发部件，有效识别转子故障，尤其是早期故障，对旋转机械的设备运行维护至关重要。目前采用的诊断方法主要有振动法、烟雾法、颗粒物分析法、温度法和噪声法等，其中振动法便于长期在线自动监测，是转子诊断最常用的手段。
转子振动诊断方法采用振动传感器，如加速度计，对旋转机械关键部位进行振动监测，并通过频域方法提取振动频率，实现故障定位。但传统的振动测量对早期故障信号不敏感，且易受到外界工作噪声的干扰，信噪比不高。
为提高对转子早期故障时微弱信号的获取能力，国内外采用了共振解调技术进行信号处理，以得到冲击脉冲力激发的信号。为了保证共振解调法的有效性，必须保证带通滤波器的中心频率与振动中的共振频率相一致。由于不同设备结构的共振频率不同，在共振解调时，需要确定共振频率，将共振频率作为带通滤波的中心频率。再对滤波后的振动信号进行包络处理，然后进行频谱变换得到包络谱图，在包络谱图上找出故障的特征频率，从而确定故障的类型以及故障发生部位。
在共振解调技术中，选取不同共振频率对诊断效果影响很大，选用合适的共振频率进行解调分析才可以得到包含故障特征频率的频谱。传统共振解调技术中，为广泛获取转子的故障信号，采用的传感器通常是宽频传感器，再通过振动信号分析的方法确定共振频率，无疑增加了数据分析和处理的时间，影响在线诊断的实时性。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于传感器共振滤波的转子故障微弱信号提取方法，解决目前振动诊断中共振解调的共振频率难以识别问题，实现基于传感器固有特性的解调共振频率的确定。
本发明通过以下技术方案达到上述目的：
一种基于传感器共振滤波的转子故障微弱信号提取方法，采用共振声发射传感器检测转子故障应力波信号，利用传感器固有的共振频率作为共振解调的共振中心频率，根据传感器品质因数确定共振带宽；共振频率采用与被测转子及其壳体的材料声发射特性相一致；以上述共振带宽设计带通滤波器，对转子故障应力波信号进行带通滤波；然后进行包络解调和低通滤波，再对包络波形进行频域分析提取故障特征频率；包络解调方法可采用极值包络法、希尔伯特包络法及其改进算法；
进一步的，所述的共振声发射传感器的频响曲线共振频率峰值尖锐，共振品质因数＞40dB，共振信号的1/2幅值衰减周期≤5；同类金属材料采用的共振声发射传感器相同，同类金属材料举例，以结构钢、不锈钢为代表的铁基金属为一类，以防锈铝、硬铝为代表的铝合金为另一类。
本发明的有益效果在于：
1)利用共振声发射传感器的共振特性，放大故障微弱信号响应幅值，提高了故障应力波信号的信噪比；
2)利用共振声发射传感器固定的共振频率及带宽实现共振解调带通滤波器设计，避免了在线进行复杂计算，提高了信号处理效率；
3)共振声发射传感器的共振频率由被测转子系统的材料声发射特性决定，而与转子结构特性无关，同类金属材料可采用相同的共振声发射传感器和参数设置，避免了由于转子结构不同而需要多种共振频率的弊端，提高了工程适用性。
附图说明
图1为本发明所述的基于传感器共振滤波的转子故障微弱信号提取方法；
图2为本发明所述的共振声发射传感器的典型频响曲线。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明的实施例提供了一种基于传感器共振滤波的转子故障微弱信号提取方法，采用共振声发射传感器检测滚动轴承故障应力波信号，利用共振传感器固有的共振频率f0作为共振解调的共振中心频率，根据传感器品质因数Q确定共振带宽w＝f0/Q；以上述共振带宽设计带通滤波器，对转子故障应力波信号进行带通滤波；然后进行包络解调和低通滤波，再对包络波形进行功率谱分析，提取故障特征频率；包络解调方法根据包络波形状态，可采用极值包络法、希尔伯特包络法及其改进算法；
进一步的，所述的共振声发射传感器的共振频率根据被测滚动轴承的材料声发射特性决定，在本例中轴承材料为轴承钢，即选择与钢的声发射频率相同的频率作为共振声发射传感器的共振频率；若传感器本身存在多个共振点，以最大共振点的共振中心频率及其品质因数计算；频响曲线共振频率峰值尖锐，共振品质因数Q＞40dB，共振信号的1/2幅值衰减周期≤5。
以上仅为本发明的较佳实施例，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于传感器共振滤波的转子故障微弱信号提取方法，采用共振声发射传感器检测转子故障应力波信号，利用传感器固有的共振频率作为共振解调的共振中心频率，根据传感器品质因数确定共振带宽；共振频率采用与被测转子及其壳体的材料声发射特性相一致；以上述共振带宽设计带通滤波器，对转子故障应力波信号进行带通滤波；然后进行包络解调和低通滤波，再对包络波形进行频域分析提取故障特征频率；包络解调方法可采用极值包络法、希尔伯特包络法及其改进算法。
2.所述的共振声发射传感器的频响曲线共振频率峰值尖锐，共振品质因数＞40dB，共振信号的1/2幅值衰减周期≤5；同类金属材料采用的共振声发射传感器相同，同类金属材料举例，以结构钢、不锈钢为代表的铁基金属为一类，以防锈铝、硬铝为代表的铝合金为另一类。
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