CN111307440A - 一种旋转机械工频故障的定性诊断方法 - Google Patents

Abstract

一种旋转机械工频故障的定性诊断方法，首先在转子故障响应敏感截面处相互垂直安装的两个测点同步采集多组轴振动位移信号及其对应的键相信号，然后利用二维全息差谱提取振动信号中的纯故障工频分量，最后构建工频对应的二维全息差谱瀑布图及其特征趋势图来完整描述纯故障进动轨迹特征的变化特点；本发明能直观地反映纯故障工频轨迹特征的变化规律，有效地从故障发展过程中挖掘差异化信息，实现了转子工频故障的准确定性诊断。

Description

一种旋转机械工频故障的定性诊断方法

技术领域

本发明属于机械故障诊断技术领域，具体涉及一种旋转机械工频故障的定性诊断方法。

背景技术

转子工频故障是旋转机械中最为常见的一类振动难题，诱发该类故障的因素众多，由于这些不同类型、性质的故障所产生的转子振动响应都表现为以工频分量为主导故障分量，不同故障的响应信号之间存在着相互叠加、耦合，诊断工程师常常很难对这些故障进行准确区分。根据转子振动机理分析，导致转子出现工频故障的原因可以大致概括为两方面，一方面，转子平衡状态在机组运行过程中发生恶化，引起旋转离心激振力进一步增大；另一方面，轴承安装不良、润滑油缺陷、管道应力等问题导致转子-轴承支承系统的动态特性发生劣化。对于实际运行的机组，更为复杂的工频故障可能是以上两方面因素共同作用的结果。众所周知，设备故障的类型往往直接决定其故障维修策略与维修代价。在实际设备故障处理过程中，由于无法准确地对工频故障进行定性诊断，导致轴承支承系统故障与转子失衡故障相互混淆、或者盲目地使用现场动平衡技术来解决非转子平衡问题等现象经常发生，误诊、误修所导致的设备维修时间延长、维修成本增加的情况仍然屡见不鲜。因此，转子工频故障的准确定性诊断是实现其高效处理的基础与前提。

传统的诊断方法如FFT、STFT等虽然能够揭示故障响应信号的主要特征频率，但它们仍无法提取足够有效的故障信息以实现转子工频故障的准确定性诊断，而如何从设备运行状态相关的振动、工艺数据中挖掘更丰富的差异化诊断信息是解决该类问题的关键。针对该问题，国内外的研究人员先后提出许多新的转子故障诊断方法，包括全频谱、形状及方向指数、方向功率谱与交叉谱、全息谱等，上述研究通过融合同一轴承截面上、相互垂直安装的两个传感器采集的转子轴振动信号的幅值、频率、相位等特征信息，为改善转子工频故障诊断的准确性提供了有价值的诊断信息，但同时也存在一些不足。以上方法基本上都是以原始振动信号中总的工频分量为分析对象，它既包含了纯故障响应的工频分量，也包含了初始状态(无故障或正常状态)的工频分量，而初始工频分量的混入会淹没或干扰纯故障响应工频分量所携带的一些关键故障信息，不利于差异化信息的提取与表达。此外，现有大多数方法主要侧重于单一时刻的转子进动轨迹特征提取，忽视了这些特征随时间的变化特点所隐藏的诊断信息，适用于提取与表征这些特征变化规律的方法也同样十分匮乏。这些不利因素给转子工频故障的准确定性诊断带来了极大的困扰，严重影响了旋转机械的故障检修效率。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明目的在于提供一种旋转机械工频故障的定性诊断方法，有效地从旋转机械故障发展过程中挖掘差异化诊断信息，从而实现其转子工频故障的准确定性诊断。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种旋转机械工频故障的定性诊断方法，包括以下步骤：

1)确定转子系统故障响应敏感的轴振动位移测量截面，从故障发生的时刻开始，在故障发展过程中依次选择k个状态，k＝0,1,2,…,M，同步采集k个状态下测量截面处相互垂直安装的X、Y测点的振动波形及对应的键相信号，并对采集的振动波形完成信号键相截断，得到多组振动信号样本x_k(t)、y_k(t)；

2)对振动信号样本x_k(t)、y_k(t)依次进行FFT分析，得到初始状态与多个故障状态下的频谱数据X_k(f)、Y_k(f)，通过测点X、Y在某一故障状态下的频谱图确定主导特征分量；在判断主导特征分量为转子工频分量后，采用幅值谱内插校正方法精确计算所有振动信号样本中主导特征分量对应的频率、幅值及相位，如下所示：x_k＝A(k)sin(ωt+α(k))、y_k＝B(k)sin(ωt+β(k))，其中A、B表示X、Y方向上工频ω对应的总振动幅值；α、β是相应的工频相位；

3)选择正常状态时测点X、Y的主导特征分量作为初始基准值，分别将故障状态下对应的主导特征分量与之求差，依次得到相应特征频率处的纯故障响应轨迹，也即二维全息差谱；具体为：初始状态对应的工频轨迹为：x₀＝A(0)sin(ωt+α(0))、y₀＝B(0)sin(ωt+β(0))，第k个样本的纯故障工频轨迹表示为：Δx_k＝x_k-x₀＝A_f(k)sin(ωt+α_f(k))、Δy_k＝y_k-y₀＝B_f(k)sin(ωt+β_f(k))，其中：A_f、B_f是X、Y方向上纯故障工频分量的幅值；α_f、β_f是相应的相位，通过上述算式，能够得到各个故障状态下工频ω处的二维全息差谱；

4)根据步骤3)得到的纯故障工频分量特征数据，代入进动轨迹特征计算公式，分别求取各个故障状态下纯故障工频轨迹的特征值，特征值包括长半轴r_a、短半轴r_b、初相失幅值r₀、初相失相位α₀、椭圆度e、长轴倾斜角θ；长半轴

短半轴

初相失幅值

初相失相位α₀＝arctan(B_fsinβ_f/A_fsinα_f)、椭圆度

长轴倾斜角

其中：幅值比ε＝B_f/A_f，相位差

5)根据步骤3)、4)得到的纯故障工频分量特征数据及轨迹特征值，分别绘制工频对应的二维全息差谱瀑布图及其特征值变化趋势图，得到故障发展过程中多个状态对应的纯故障工频轨迹及其特征的连续变化规律，结合纯故障工频轨迹及其特征的连续变化规律对转子工频故障进行定性诊断。

所述的步骤1)中转子轴振动位移及键相信号的测量方式为非接触式测量。

所述的步骤2)中测点X、Y信号的主导故障分量的幅值与其通频幅值之比大于0.5，故障状态下X、Y方向上工频对应的总振动幅值A、B不小于5μm。

所述的步骤5)中纯故障工频轨迹的形状与倾斜方向不会随转子失衡量大小、方位的变化而发生改变，这是区分转子平衡故障与非平衡故障的关键特征。

本发明的有益效果为：

本发明利用二维全息差谱有效地分离转子轴振动位移信号中的纯故障响应分量，并构建二维全息差谱瀑布图及其特征趋势图来描述纯故障进动轨迹特征随时间的变化特点，实现了从故障发展过程中有效提取差异化诊断信息；该方法为准确区分转子平衡故障与非平衡故障提供了关键故障信息，有利于实现转子工频故障的定性诊断，促进了旋转机械故障诊断理论的进一步完善与发展。

附图说明

图1是实施例中本特利转子实验台及轴振动测量传感器布置图。

图2中图(a)是实施例中3#轴承截面处测点3X在试加重量为0.2g状态下的频谱图；图(b)是实施例中3#轴承截面处测点3Y在试加重量为0.2g状态下的频谱图。

图3是实施例中改变试加重量时3#轴承截面处工频轨迹趋势图。

图4是实施例中改变试加重量时3#轴承截面处纯故障工频轨迹趋势图。

图5是实施例中改变试加重量时3#轴承截面处纯故障工频轨迹的特征趋势图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细阐述。

实施例在本特利转子试验台上模拟了转子失衡问题诱发的工频故障，其结构简图如图1所示：该实验台包含电机A与转子B，电机A的转子由1#、2#轴承支撑，转子B由3#、4#轴承支撑，两根转子通过挠性联轴器C联接，在转子B的跨内沿轴向对称布置了用于添加试重块的1#、2#平衡盘，转轴直径为10mm，前后支承的跨距为325mm，两个平衡盘的直径均为75mm；每个平衡盘在半径为32mm的圆周上等角度、均匀地分布了16个螺纹孔，用于在转子不平衡模拟实验中添加试重块。分别在3#、4#轴承的测振带处X、Y方向上安装两个相互垂直的振动传感器，测量转子B的轴振动，在电机A的2#轴承处安装一个键相传感器K，振动传感器与键相传感器均采用直径为5mm规格的本特利电涡流传感器。

实验时，电机工作转速设定为4000r/min，从H端观察转子系统旋转方向为逆时针。在实验开始之前，对实验台进行了精细调整和平衡校正，实测转子B两端轴承各测点振动峰峰值均在7μm以下，可以认为此实验台初始状态处于无故障的理想状态。实验分两个步骤进行：首先，不添加任何试重块，将电机升速至工作转速4000r/min，采集初始状态下的转子轴振动数据；然后，选择角度为0°的位置分别在两质量盘上加相同的试重块，维持模拟不平衡量方位不变，只改变不平衡量的大小，试重量从0.2g至1.6g按0.2g间隔递增，模拟转子B平衡状态逐渐恶化的过程，每次改变试重量大小后，让转子升速至工作转速4000r/min后再停机。在此实验过程中，通过向平衡盘上添加试重块来模拟转子失衡故障，从而引起转子工频故障，然后利用本发明方法对其进行定性诊断。

一种旋转机械工频故障的定性诊断方法，包括以下步骤：

1)如图1所示，选择靠近3#轴承的电涡流传感器3X、3Y作为故障响应敏感的转子轴振动测量截面，分别在转子系统初始状态及8种不同配重状态下，使转子转速稳定在工作转速，利用便携式监测系统同步采集测点3X、3Y的振动波形及对应的键相信号，采样频率为2048Hz，采样点数为2048，并对采集的振动信号完成信号键相截断的预处理，得到多组振动信号样本x_k(t)、y_k(t)(k＝0,1,2,…,8)；

2)对振动信号x_k(t)、y_k(t)依次进行FFT分析，得到频谱数据X_k(f)、Y_k(f)(k＝0,1,2,…,8)，其中试重量为0.2g时测点3X、3Y的频谱如图2所示，根据这些频谱图可以确定3#轴承处振动信号中主导故障分量对应的频率值为工频66Hz，然后采用幅值谱内插校正方法分别提取两个测点所有样本的工频振动幅值A(k)、B(k)及相位α(k)、β(k)等特征，其数值如表1所示；

表1

通过这些特征参数，重构得到该转子系统初始状态以及8种试加重状态对应的工频轨迹图，如图3所示：从图3可以观察到，即便只改变试重量的大小时，工频轨迹的长轴倾斜方向并不能保持恒定，变化幅度达到约88°，工频椭圆的形状也存在十分明显的变化，它们的变化特点与转子失衡故障的征兆并不相符；导致这种现象的主要原因在于，传统方法所观察的工频轨迹并不完全是由纯失衡故障诱发的，其中还包含了正常状态的初始工频分量，初始分量的混入使纯故障诱发的响应特征受到了严重地干扰，导致一些重要的故障信息被掩盖；

3)选择未加试重时测点3X、3Y的工频分量作为初始基准值，分别将8种试加重对应的工频分量与之求差，可以依次得到8种不同失衡状态对应纯故障工频轨迹，其特征数据如表2所示；

表2

根据表2中的特征数据，可以得到8种试加重状态下工频ω处的二维全息差谱；

4)根据步骤3)得到的纯故障工频分量特征数据，代入进动轨迹特征计算公式，分别求取8种试加重状态下纯故障工频轨迹的特征值，特征值包括长半轴r_a、短半轴r_b、初相失幅值r₀、初相失相位α₀、椭圆度e、长轴倾斜角θ；长半轴

短半轴

初相失幅值

初相失相位α₀＝arctan(B_fsinβ_f/A_fsinα_f)、椭圆度

长轴倾斜角

其中：幅值比ε＝B_f/A_f，相位差

5)根据步骤3)、4)得到的8种试加重状态下纯故障工频分量特征数据及轨迹特征值，分别绘制转子工频对应的二维全息差谱瀑布图及其特征值趋势图，如图4、图5所示；从这两幅图中不难观察到，纯故障工频轨迹的倾斜角θ、椭圆度e基本保持恒定，与试重量的大小无关，这表明其形状、倾斜方向不受试重量大小的影响，该特点与转子失衡故障的特征完全相符，理论分析的结论与实验结果一致，验证了本发明在定性识别转子工频故障方面的有效性；由此可见，通过二维全息差谱瀑布图及特征趋势图，来描述纯故障响应进动轨迹特征随时间的连续变化特点，能够为定性诊断转子工频故障提供重要的差异化诊断信息。

Claims (4)

1.一种旋转机械工频故障的定性诊断方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)确定转子系统故障响应较敏感的轴振动位移测量截面，从故障发生的时刻开始，在故障发展过程中依次选择k个状态，k＝0,1,2,…,M，同步采集k个状态下该测量截面处相互垂直安装的X、Y测点的振动波形及对应的键相信号，并对采集的振动波形完成信号键相截断，得到多组振动信号样本x_k(t)、y_k(t)；

2)对这些振动信号样本x_k(t)、y_k(t)依次进行FFT分析，得到初始状态与多个故障状态下的频谱数据X_k(f)、Y_k(f)，通过测点X、Y在某一故障状态下的频谱图确定主导特征分量；在判断主导特征分量为转子工频分量后，采用幅值谱内插校正方法精确计算所有信号样本中主导特征分量对应的频率、幅值及相位，如下所示：x_k＝A(k)sin(ωt+α(k))、y_k＝B(k)sin(ωt+β(k))，其中A、B表示X、Y方向上工频ω对应的总振动幅值；α、β是相应的工频相位；

3)选择正常状态时测点X、Y的主导特征分量作为初始基准值，分别将故障状态下对应的主导特征分量与之求差，依次得到相应特征频率处的纯故障响应轨迹，也即二维全息差谱；具体为：初始状态对应的工频轨迹为：x₀＝A(0)sin(ωt+α(0))、y₀＝B(0)sin(ωt+β(0))，第k个样本的纯故障工频轨迹表示为：Δx_k＝x_k-x₀＝A_f(k)sin(ωt+α_f(k))、Δy_k＝y_k-y₀＝B_f(k)sin(ωt+β_f(k))，其中：A_f、B_f是X、Y方向上纯故障工频分量的幅值；α_f、β_f是相应的相位，通过上述算式，能够得到各个故障状态下工频ω处的二维全息差谱；

4)根据步骤3)得到的纯故障工频分量特征数据，代入进动轨迹特征计算公式，分别求取各个故障状态下纯故障工频轨迹的特征值，特征值包括长半轴r_a、短半轴r_b、初相失幅值r₀、初相失相位α₀、椭圆度e、长轴倾斜角θ；长半轴

短半轴

初相失幅值

初相失相位α₀＝arctan(B_fsinβ_f/A_fsinα_f)、椭圆度

长轴倾斜角

其中：幅值比ε＝B_f/A_f，相位差

5)根据步骤3)、4)得到的纯故障工频分量特征数据及轨迹特征值，分别绘制工频对应的二维全息差谱瀑布图及其特征值变化趋势图，得到故障发展过程中多个状态对应的纯故障工频轨迹及其特征的连续变化规律，结合纯故障工频轨迹及其特征的连续变化规律对转子工频故障进行定性诊断。

2.根据权利要求1所述的一种旋转机械工频故障的定性诊断方法，其特征在于：所述的步骤1)中转子轴振动位移及键相信号的测量方式为非接触式测量。

3.根据权利要求1所述的一种旋转机械工频故障的定性诊断方法，其特征在于：所述的步骤2)中测点X、Y信号的主导故障分量的幅值与其通频幅值之比大于0.5，故障状态下X、Y方向上工频对应的总振动幅值A、B不小于5μm。

4.根据权利要求1所述的一种旋转机械工频故障的定性诊断方法，其特征在于：所述的步骤5)中纯故障工频轨迹的形状与倾斜方向不会随转子失衡量大小、方位的变化而发生改变，这是区分转子平衡故障与非平衡故障的关键特征。

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