CN112557806B - 一种基于截取冲击序列的故障柱塞定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于截取冲击序列的故障柱塞定位方法，本发明应用自相关分析确定冲击的周期，手动选择一组冲击的周期起点截取参考冲击序列，通过重采样将每一组有效冲击信号的周期长度采样至和参考冲击信号一致，再根据各组有效冲击信号的包络线和参考序列的包络线的互相关分析，将每一组有效冲击信号都截取出整周期的冲击序列，这种冲击截取的方式避免了人工去截取冲击序列工作量巨大不现实的问题，同时可以截取到整周期的冲击序列，且能保证冲击序列中对应的柱塞的相对顺序不产生变化，极大提升了截取精度，使柱塞冲击特征分析更精确，诊断结果更可靠；经过实例求证，本发明可以有效地对故障柱塞定位，具有广泛的实用性。

Description

一种基于截取冲击序列的故障柱塞定位方法

技术领域

本发明涉及一种基于截取冲击序列的故障柱塞定位方法，属于机械故障诊断及信号处理领域。

背景技术

柱塞泵作为液压系统的重要装置，其性能的好坏直接影响整个系统的工作效率。因此对柱塞泵进行故障诊断非常有意义。柱塞泵一旦发生故障，轻则振动、噪声增大，降低工作效率；重则导致液压系统不能正常工作，造成工作停滞，甚至造成工业事故。振动监测是目前故障诊断中最主要、应用最多的形式，也是最有效的方法之一。利用振动信号特征参数的时间序列分析可以有效衡量设备的运行状态，在振动监测中占有重要位置。但是，针对柱塞泵整体的特征分析很难做到对故障的定位。

发明内容

本发明提供了一种基于截取冲击序列的故障柱塞定位方法，以用于通过截取冲击序列的方式进行故障柱塞的定位。

本发明的技术方案是：一种基于截取冲击序列的故障柱塞定位方法，所述方法步骤如下：

S1、对振动传感器采集到的一段时间内往复柱塞泵的速度信号进行预处理，提取出分析所需的有效冲击信号；

S2、选择其中一组有效冲击信号作为参考冲击信号，截取参考冲击信号的整周期的冲击序列作为参考冲击序列；

S3、对有效取冲击信号重采样，实现有效冲击信号的周期长度与参考冲击信号的周期长度一致；

S4、提取参考冲击序列的包络线和有效冲击信号的包络线；

S5、对有效冲击信号的包络线和参考冲击序列的包络线做互相关分析，实现所有有效冲击信号整周期的冲击序列截取；

S6、将截取的整周期冲击序列按照冲击形状分段，得到对应于不同柱塞的冲击；分段的数量与往复柱塞泵中做功的柱塞数量相等；

S7、对对应同一柱塞的冲击作特征趋势分析，通过特征的不同变化趋势，定位故障柱塞。

所述S1步骤具体如下：

对振动传感器采集到的一段时间内往复柱塞泵的速度信号剔除停机数据，对剔除停机数据的速度信号选用4阶的Butterworth滤波器，设置下截止频率为400Hz进行高通滤波得到预处理后的有效冲击信号。

所述剔除停机数据具体为：根据信号的RMS值设置阈值，将RMS值低于1的数据默认为停机数据进行剔除。

所述S2步骤具体如下：

对一组冲击信号做自相关分析，得到信号的周期长度；观察冲击信号，确定冲击周期的起点位置；通过周期起点和周期长度这两个因素的确定，将整周期的冲击序列截取出来作为参考冲击序列。

所述S3步骤具体如下：

对有效冲击信号通过自相关分析，得到有效冲击信号的周期长度T_i(i＝1,2,……,m)，对数据长度为N、周期长度为T_i的有效冲击信号进行重采样，使其数据长度为对N*T₀/T_i向上或向下取整的值；其中，m表示有效冲击信号的总组数，T₀为参考冲击信号的周期长度。

所述自相关分析具体为：将冲击信号的自相关函数的第一峰值处对应点数与自相关函数的第二峰值处对应点数相减，得到信号的周期长度。

对有效冲击信号进行自相关分析时，设置两个限制条件：

第一：在计算周期长度时，设置阈值为参考冲击信号周期长度的两倍，当通过自相关分析得到的周期长度大于阈值，将得到的值进行减半处理后作为有效冲击信号的周期长度；否则，不做处理；

第二：在找第二峰值时，将第一峰值左右波动区间幅值置零；以参考冲击信号周期长度的1/10作为波动区间。

所述S4步骤具体如下：

对于参考冲击序列和有效冲击信号，预先设置波峰检测的宽度，采用波峰检测来获取参考冲击序列和有效冲击信号的峰值，再通过插值处理将数据长度恢复至重采样后的数据长度，最后做去均值处理得到包络线。

所述波峰检测的宽度设置为4。

所述S5步骤具体如下：

将有效冲击信号的数据长度和互相关极值对应点数相减得到有效冲击信号周期起点；根据周期起点和重采样的周期长度T₀对有效冲击信号进行整周期冲击序列截取。

本发明的有益效果是：本发明应用自相关分析确定冲击的周期，手动选择一组冲击的周期起点截取参考冲击序列，通过重采样将每一组有效冲击信号的周期长度采样至和参考冲击信号一致，再根据各组有效冲击信号的包络线和参考序列的包络线的互相关分析，将每一组有效冲击信号都截取出整周期的冲击序列，这种冲击截取的方式避免了人工去截取冲击序列工作量巨大不现实的问题，同时可以截取到整周期的冲击序列，且能保证冲击序列中对应的柱塞的相对顺序不产生变化，极大提升了截取精度，使柱塞冲击特征分析更精确，诊断结果更可靠；经过实例求证，本发明可以有效地对故障柱塞定位，具有广泛的实用性。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明应用实施案例中某采油厂的一台注水泵的一组正常未停机状态的速度信号时域波形；

图3为图2中的信号经过高通滤波后呈现的冲击信号，虚线框展示其整周期；

图4为本发明应用实施案例中某采油厂的一台注水泵的一组停机状态的速度信号时域波形；

图5为图4中信号经过高通滤波后的信号；

图6为对图3信号自相关曲线，箭头指示其周期长度；

图7为截取的图3的一个整周期的冲击序列，即参考冲击序列；

图8为图7参考冲击序列的包络线；

图9为一组有效冲击信号的包络线；

图10为应用互相关分析截取出的全部的整周期冲击序列，图中五个虚线框代表将冲击分段的位置，从左到右依次为冲击1到冲击5；

图11为图9中的有效冲击信号的包络线和图8中的参考冲击序列的包络线的互相关曲线，图中虚线标示峰值点的位置；

图12为通过图8和图9的包络线的互相关分析，在图9中截取出的整周期冲击序列；

图13为冲击1在整个时间段内的有效值趋势图；

图14为冲击2在整个时间段内的有效值趋势图；

图15为冲击3在整个时间段内的有效值趋势图；

图16为冲击4在整个时间段内的有效值趋势图；

图17为冲击5在整个时间段内的有效值趋势图。

具体实施方式

实施例1：如图1-17所示，一种基于截取冲击序列的故障柱塞定位方法，所述方法步骤如下：

S1、对振动传感器采集到的一段时间内往复柱塞泵的速度信号进行预处理，提取出分析所需的有效冲击信号；

S2、选择其中一组有效冲击信号作为参考冲击信号，截取参考冲击信号的整周期的冲击序列作为参考冲击序列；

S3、对有效取冲击信号重采样，实现有效冲击信号的周期长度与参考冲击信号的周期长度一致；

S4、提取参考冲击序列的包络线和有效冲击信号的包络线；

S5、对有效冲击信号的包络线和参考冲击序列的包络线做互相关分析，实现所有有效冲击信号整周期的冲击序列截取；

S6、将截取的整周期冲击序列按照冲击形状分段，得到对应于不同柱塞的冲击；分段的数量与往复柱塞泵中做功的柱塞数量相等；

S7、对对应同一柱塞的冲击作特征趋势分析，通过特征的不同变化趋势，定位故障柱塞。

进一步地，本申请给出如下实施过程：

柱塞泵数据为某采油厂的一台注水泵在2020年1月至2020年3月之间共3200组数据。该柱塞泵有五个柱塞做功，数据采样频率为2560Hz，每组数据有2048个点。该柱塞泵在这个时间段有两次维修的记录，分别在2020年1月23日和2020年3月15日，均是因为盘根刺漏介入维修。

步骤1：对振动传感器采集到的一段时间内往复柱塞泵的速度信号剔除停机数据，对剔除停机数据的速度信号选用4阶的Butterworth滤波器，设置下截止频率为400Hz进行高通滤波得到预处理后的有效冲击信号；其中，剔除停机数据具体为：根据信号的RMS值设置阈值，将RMS值低于1的数据默认为停机数据进行剔除。

具体的：对待截取的3200组数据以RMS阈值进行筛选，共有未停机的正常数据2239组，对这些剔除停机数据的速度信号选用4阶的Butterworth滤波器，设置下截止频率为400Hz进行高通滤波得到预处理后有效的冲击信号。正常未停机状态下的原始信号如图2所示(RMS值为2.24)，选用4阶的Butterworth滤波器，设置下截止频率为400Hz对原始数据进行高通滤波，滤波之后可见周期性明显冲击，冲击信号如图3所示。而停机状态的原始信号如图4所示(RMS值为0.90)，滤波之后依然谱线杂乱，并无明显冲击(如图5)。故要对原始数据进行筛选，把诸如图4所示信号剔除。

本申请通过去除停机数据，剔除了无明显冲击的信号，并进一步对正常信号进行滤波，可获周期性明显冲击信号；同时本申请中设置下截止频率为400Hz，不仅避免了取值过低带来滤波后信号中还存在一定程度的低频干扰，冲击会不够明显的不足；同时避免了高于400Hz的截止频率进行高通滤波，截取出来的信号幅值较低，覆盖不到信号频带，不利于进一步分析的不足。

步骤2：对一组冲击信号做自相关分析，得到信号的周期长度；人为观察冲击信号，确定冲击周期的起点位置；通过周期起点和周期长度这两个因素的确定，将整周期的冲击序列截取出来作为参考冲击序列。

具体的：对图3中的冲击信号做自相关分析，自相关函数如图6所示。得到信号的整周期长度为843；人为观察图3，确定冲击周期的起点位置为788。即从横坐标788开始，截取843的周期长度，如图3虚线框。框中可见五个冲击，三大两小，对应柱塞泵的5个柱塞。将整周期的冲击序列截取出来作为参考冲击序列如图7。其中，自相关分析具体为：将冲击信号的自相关函数的第一峰值处对应点数与自相关函数的第二峰值处对应点数相减，得到信号的周期长度。如图6中，第一峰值对应点数为2047(LabVIEW从0计数，数据长度2048)，第二峰值处对应点数为1204，箭头所示横坐标跨度为一个周期843。

步骤3：对有效冲击信号通过自相关分析，得到有效冲击信号的周期长度T_i(i＝1,2,……,m)，对数据长度为N、周期长度为T_i的有效冲击信号进行重采样，使其数据长度为对N*T₀/T_i向上或向下取整的值，保证有效冲击信号的周期长度和参考冲击信号一致；其中，m表示有效冲击信号的总组数，T₀为参考冲击信号的周期长度；

对有效冲击信号进行自相关分析时，设置两个限制条件：

第一：对一段时间的冲击信号而言，周期长度往往相差不会太大；在计算周期长度时，设置阈值为参考冲击信号周期长度的两倍，当通过自相关分析得到的周期长度大于阈值，将得到的值进行减半处理后作为有效冲击信号的周期长度；否则，不做处理；

第二：在找第二峰值时，将第一峰值左右波动区间幅值置零；以参考冲击信号周期长度的1/10作为波动区间。

具体的：将周期长度为T_i(i＝1、2、……2239)，数据长度为N的2239组有效冲击信号重采样，使其数据长度变为N*T₀/T_i向上或向下取整的值(i＝1、2、……2239)，保证有效冲击信号的周期长度和参考冲击信号一致，才能通过互相关分析找到有效冲击信号的周期起点；其中所有冲击信号的数据长度N都是2048，T₀为参考冲击信号的周期长度843，T_i为每组冲击信号通过自相关分析确定的各自的周期长度。

通过设置限制条件对有效冲击信号进行自相关分析，可以修正由于冲击信号信噪比低导致自相关分析出现的错误，可以获得更精确的周期长度参与重采样计算，获得更精确的数据长度，用于参与后续互相关分析；

步骤4：对于参考冲击序列和有效冲击信号，预先设置波峰检测的宽度，采用波峰检测来获取参考冲击序列和有效冲击信号的峰值，再通过插值处理将数据长度恢复至重采样后的数据长度，最后做去均值处理得到包络线。参考冲击序列的包络线如图8所示，任选一组有效待截取冲击信号包络线如图9所示。

进一步地，可以设置所述波峰检测的宽度设置为4。宽度的设置是通过创造性的劳动确定的，通过该设置可以使得包络线的平滑程度恰到好处，在信号之间差异性较大时依然能保证互相关分析的精度，可以更好地用于后续互相关分析，从而有效地寻找周期起点。

步骤5：将有效冲击信号的数据长度和互相关极值对应点数相减得到有效冲击信号周期起点；根据周期起点和重采样的周期长度T₀对有效冲击信号进行整周期冲击序列截取(由于已经做了重采样，有效冲击信号的周期长度与参考冲击信号周期长度T₀一致)，在所有有效冲击信号中将整周期的冲击序列截取出来，截取结果展示如图10；

具体的：互相关分析具体为：截取整周期时的周期起点由有效冲击信号的数据长度和互相关极值对应位置相减得到；以其中任一组数据(第1243组)作说明，互相关曲线如图11所示，峰值处对应点数1602，重采样之后的数据长度为2405。故其周期起点为803(2405-1602)，周期长度与参考冲击信号一致为T₀＝843，截取整周期冲击序列如图12所示。

步骤6：将图10展示的2239组冲击序列的每一组都按虚线框所示位置分为5段，分别为冲击1、冲击2、冲击3、冲击4、冲击5，对应五个柱塞做功产生的冲击。

步骤7、对对应同一柱塞的冲击作RMS特征趋势分析，通过特征的不同变化趋势，定位故障柱塞。

图13-17分别对应冲击1-5的RMS趋势图。可以看到，在维修节点1月23日之前，冲击1、冲击3、冲击4、冲击5均有明显的下行趋势，这是因为柱塞在磨损后，渗漏增大，使得冲击力度减弱。冲击2则相对平稳，可以推断冲击2对应的柱塞的盘根无刺漏或者磨损的程度比其他几个柱塞要轻。根据注水泵的维修记录得知1月23日进行维修和更换，对应趋势图上再次开机之后有效值的显著提升，和整体的振动烈度一致，因此推断出此次维修不仅对通过本发明定位的柱塞1、柱塞3、柱塞4、柱塞5进行了维修，也对柱塞2进行了维修。再看第二次维修的节点3月15日之前，12日左右冲击1、冲击3都具有明显下行趋势，猜测这两个柱塞应该都有不同程度的磨损，但3月15日维修之后只有冲击1强度明显变大，冲击3继续降低，推断出此次维修的对象是柱塞1，而对定位的另一个柱塞：柱塞3没有进行维修。

综上所述，将本发明所述方法，成功应用于工业现场的柱塞泵振动数据，证明了该方法的可行性和有效性。

上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (10)

1.一种基于截取冲击序列的故障柱塞定位方法，其特征在于：所述方法步骤如下：

S1、对振动传感器采集到的一段时间内往复柱塞泵的速度信号进行预处理，提取出分析所需的有效冲击信号；

S2、选择其中一组有效冲击信号作为参考冲击信号，截取参考冲击信号的整周期的冲击序列作为参考冲击序列；

S3、对有效取冲击信号重采样，实现有效冲击信号的周期长度与参考冲击信号的周期长度一致；

S4、提取参考冲击序列的包络线和有效冲击信号的包络线；

S5、对有效冲击信号的包络线和参考冲击序列的包络线做互相关分析，实现所有有效冲击信号整周期的冲击序列截取；

S6、将截取的整周期冲击序列按照冲击形状分段，得到对应于不同柱塞的冲击；分段的数量与往复柱塞泵中做功的柱塞数量相等；

S7、对对应同一柱塞的冲击作RMS特征趋势分析，通过特征的不同变化趋势，定位故障柱塞。

2.根据权利要求1所述的基于截取冲击序列的故障柱塞定位方法，其特征在于：所述S1步骤具体如下：

对振动传感器采集到的一段时间内往复柱塞泵的速度信号剔除停机数据，对剔除停机数据的速度信号选用4阶的Butterworth滤波器，设置下截止频率为400Hz进行高通滤波得到预处理后的有效冲击信号。

3.根据权利要求2所述的基于截取冲击序列的故障柱塞定位方法，其特征在于：所述剔除停机数据具体为：根据信号的RMS值设置阈值，将RMS值低于1的数据默认为停机数据进行剔除。

4.根据权利要求1所述的基于截取冲击序列的故障柱塞定位方法，其特征在于：所述S2步骤具体如下：

对一组冲击信号做自相关分析，得到信号的周期长度；观察冲击信号，确定冲击周期的起点位置；通过周期起点和周期长度这两个因素的确定，将整周期的冲击序列截取出来作为参考冲击序列。

5.根据权利要求1所述的基于截取冲击序列的故障柱塞定位方法，其特征在于：所述S3步骤具体如下：

对有效冲击信号通过自相关分析，得到有效冲击信号的周期长度T_i（i=1,2,……,m），对数据长度为N、周期长度为T_i的有效冲击信号进行重采样，使其数据长度为对N*T₀/T_i向上或向下取整的值；其中，m表示有效冲击信号的总组数，T₀为参考冲击信号的周期长度。

6.根据权利要求4或5所述的基于截取冲击序列的故障柱塞定位方法，其特征在于：所述自相关分析具体为：将冲击信号的自相关函数的第一峰值处对应点数与自相关函数的第二峰值处对应点数相减，得到信号的周期长度。

7.根据权利要求5所述的基于截取冲击序列的故障柱塞定位方法，其特征在于：对有效冲击信号进行自相关分析时，设置两个限制条件：

第一：在计算周期长度时，设置阈值为参考冲击信号周期长度的两倍，当通过自相关分析得到的周期长度大于阈值，将得到的值进行减半处理后作为有效冲击信号的周期长度；否则，不做处理；

第二：在找第二峰值时，将第一峰值左右波动区间幅值置零；以参考冲击信号周期长度的1/10作为波动区间。

8.根据权利要求1所述的基于截取冲击序列的故障柱塞定位方法，其特征在于：所述S4步骤具体如下：

对于参考冲击序列和有效冲击信号，预先设置波峰检测的宽度，采用波峰检测来获取参考冲击序列和有效冲击信号的峰值，再通过插值处理将数据长度恢复至重采样后的数据长度，最后做去均值处理得到包络线。

9.根据权利要求8所述的基于截取冲击序列的故障柱塞定位方法，其特征在于：所述波峰检测的宽度设置为4。

10.根据权利要求1所述的基于截取冲击序列的故障柱塞定位方法，其特征在于：所述S5步骤具体如下：

将有效冲击信号的数据长度和互相关极值对应点数相减得到有效冲击信号周期起点；根据周期起点和重采样的周期长度T₀对有效冲击信号进行整周期冲击序列截取。

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