CN112945535B - 一种基于数值模拟的旋转机械故障检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于数值模拟的旋转机械故障检测方法及装置。先采集故障振动响应信号，根据机械故障所产生的故障特征，采用相似查找和模拟验证的方法，将采集到的振动响应信号与故障库中的故障特征进行相似比对，找到最接近的故障，然后再利用数值仿真模型进行模拟仿真验证该故障是否可产生采集到的振动响应，从而最终更准确进行故障诊断，确定故障的类型、部位和原因，解决了现有技术中故障诊断过多的依赖于技术人员的经验判断，因而故障诊断准确性不高的技术问题，实现了提高了故障诊断准确性的技术效果。

Description

一种基于数值模拟的旋转机械故障检测方法及装置

技术领域

本发明涉及故障诊断技术领域，尤其涉及一种基于数值模拟的旋转机械故障检测方法及装置。

背景技术

目前，旋转机械在社会各个方面均有着广泛的应用，同时旋转机械的故障也十分普遍，一旦发生故障就会造成巨大的经济损失。旋转机械的类型千差万别，不同的旋转机械虽然都是转子轴承支撑系统，但是转子的直径和长度、各叶轮的位置、轴承的位置、轴承的大小、润滑油的性质等都可能不同，这些不同的参数将影响旋转机械的转子模型系统。同时，同一转子系统也具有多种故障类型，每一种故障类型反映的故障特征也不相同。技术人员在进行故障诊断时，需要具备较高的技术水平，同时有可能因为某些因素没有考虑到而出现误判。现有的故障诊断方法过多的依赖于技术人员的经验判断，因而存在故障诊断准确性不高的问题。

发明内容

本发明通过提供一种基于数值模拟的旋转机械故障检测方法及装置，解决了现有技术中故障诊断过多的依赖于技术人员的经验判断，因而故障诊断准确性不高的技术问题，实现了提高了故障诊断准确性的技术效果。

本发明提供了一种基于数值模拟的旋转机械故障检测方法，包括：

获取实时振动响应信号；

将所述实时振动响应信号与故障库中的故障振动响应信号进行比对；

若比对成功，获取与所述故障振动响应信号对应的故障信息；

根据所述故障信息在预先构建的旋转机械转子系统的数值模拟模型中模拟故障，获得输出振动响应信号；

将所述输出振动响应信号与所述实时振动响应信号进行比对，分析所述故障信息的准确性。

进一步地，在所述将所述实时振动响应信号与故障库中的故障振动响应信号进行比对之前，还包括：

建立所述故障库；所述故障库中至少包括：故障振动响应信号以及与所述故障振动响应信号对应的故障信息；

所述获取与所述故障振动响应信号对应的故障信息，包括：

通过查询所述故障库，获取与所述故障振动响应信号对应的故障信息。

进一步地，在所述根据所述故障信息在预先构建的旋转机械转子系统的数值模拟模型中模拟故障之前，还包括：

将转子的基本结构尺寸、材料属性、轴承位置作为基本输入参数采用集总参数法构建所述旋转机械转子系统的数值模拟模型。

进一步地，所述将转子的基本结构尺寸、材料属性、轴承位置作为基本输入参数采用集总参数法构建所述旋转机械转子系统的数值模拟模型，包括：

将所述转子的基本结构尺寸、材料属性、轴承位置作为所述基本输入参数，将轴承刚度和阻尼参数作为附加输入参数，采用集总参数法构建所述旋转机械转子系统的数值模拟模型。

进一步地，所述将所述输出振动响应信号与所述实时振动响应信号进行比对，分析所述故障信息的准确性，包括：

将所述输出振动响应信号与所述实时振动响应信号进行比对；

若比对不成功，发出故障信息错误信息。

本发明还提供了一种基于数值模拟的旋转机械故障检测装置，包括：

实时振动响应信号获取模块，用于获取实时振动响应信号；

比对模块，用于将所述实时振动响应信号与故障库中的故障振动响应信号进行比对；

故障信息获取模块，用于若所述比对模块的比对结果为比对成功，获取与所述故障振动响应信号对应的故障信息；

数值模拟模块，用于根据所述故障信息在预先构建的旋转机械转子系统的数值模拟模型中模拟故障，获得输出振动响应信号；

分析模块，用于将所述输出振动响应信号与所述实时振动响应信号进行比对，分析所述故障信息的准确性。

进一步地，还包括：

故障库建立模块，用于建立所述故障库；所述故障库中至少包括：故障振动响应信号以及与所述故障振动响应信号对应的故障信息；

所述故障信息获取模块，具体用于若所述比对模块的比对结果为比对成功，查询所述故障库，获取与所述故障振动响应信号对应的故障信息。

进一步地，还包括：

数值模拟模型构建模块，用于将转子的基本结构尺寸、材料属性、轴承位置作为基本输入参数采用集总参数法构建所述旋转机械转子系统的数值模拟模型。

进一步地，所述数值模拟模型构建模块，具体用于将所述转子的基本结构尺寸、材料属性、轴承位置作为所述基本输入参数，将轴承刚度和阻尼参数作为附加输入参数，采用集总参数法构建所述旋转机械转子系统的数值模拟模型。

进一步地，所述分析模块，包括：

比对单元，用于将所述输出振动响应信号与所述实时振动响应信号进行比对；

报错单元，用于若所述比对单元的比对结果为比对不成功，发出故障信息错误信息。

本发明中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

先采集故障振动响应信号，根据机械故障所产生的故障特征，采用相似查找和模拟验证的方法，将采集到的振动响应信号与故障库中的故障特征进行相似比对，找到最接近的故障，然后再利用数值仿真模型进行模拟仿真验证该故障是否可产生采集到的振动响应，从而最终更准确进行故障诊断，确定故障的类型、部位和原因，解决了现有技术中故障诊断过多的依赖于技术人员的经验判断，因而故障诊断准确性不高的技术问题，实现了提高了故障诊断准确性的技术效果。

附图说明

图1为本发明实施例提供的基于数值模拟的旋转机械故障检测方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的基于数值模拟的旋转机械故障检测方法的原理图；

图3为本发明实施例中故障数据库的组成示例图；

图4为本发明实施例中采集振动响应信号的振动响应采集机构的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的基于数值模拟的旋转机械故障检测装置的模块图；

其中，1-转轴，2-叶轮，3-振动传感器，4-支架，5-数据采集系统。

具体实施方式

本发明实施例通过提供一种基于数值模拟的旋转机械故障检测方法及装置，解决了现有技术中故障诊断过多的依赖于技术人员的经验判断，因而故障诊断准确性不高的技术问题，实现了提高了故障诊断准确性的技术效果。

本发明实施例中的技术方案为解决上述问题，总体思路如下：

先采集故障振动响应信号，根据机械故障所产生的故障特征，采用相似查找和模拟验证的方法，将采集到的振动响应信号与故障库中的故障特征进行相似比对，找到最接近的故障，然后再利用数值仿真模型进行模拟仿真验证该故障是否可产生采集到的振动响应，从而最终更准确进行故障诊断，确定故障的类型、部位和原因，解决了现有技术中故障诊断过多的依赖于技术人员的经验判断，因而故障诊断准确性不高的技术问题，实现了提高了故障诊断准确性的技术效果。

为了更好地理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

参见图1和图2，本发明实施例提供的基于数值模拟的旋转机械故障检测方法，包括：

S110：获取实时振动响应信号；

S120：将实时振动响应信号与故障库中的故障振动响应信号进行比对；

S130：若比对成功，说明出现故障，故障库中存在该故障的相关信息，获取与故障振动响应信号对应的故障信息；

若比对不成功，说明未出现故障，或，已出现故障但故障库中不存在该故障的相关信息，发送提示信息，提示技术人员进行分析；若已出现故障但故障库中不存在该故障的相关信息，则将该故障信息与该振动响应信号添加到故障库中，更新故障库；

对本发明实施例提供的基于数值模拟的旋转机械故障检测方法进行具体说明，在将实时振动响应信号与故障库中的故障振动响应信号进行比对之前，还包括：

建立故障库；故障库中至少包括：故障振动响应信号以及与故障振动响应信号对应的故障信息；其中，故障信息可以包括：故障名称、故障类型、故障重要性、故障部位、故障发生原因、解决方案等。在本实施例中，转子系统的常见故障包括：不平衡、不对中、油膜振荡等，每种故障对应出各自的故障特征，包括时域波形信号、时域特征参数(如平均值、有效值和峰值等)、频域波形、频域1X幅值与其他频率信号幅值的比率关系、轴心轨迹等。既包括不同故障信号的具体值的大小，同时包括各值间的比例关系，如1倍频幅值与2倍频幅值的比例关系，从而形成各种故障对应故障特征的数据库，本发明实施例建立的故障库如图3所示。

在这种情况下，获取与故障振动响应信号对应的故障信息，包括：

通过查询故障库，获取与故障振动响应信号对应的故障信息。

S140：根据故障信息在预先构建的旋转机械转子系统的数值模拟模型中模拟故障，获得输出振动响应信号；

下面对本发明实施例中构建旋转机械转子系统的数值模拟模型的具体过程进行说明：

在根据故障信息在预先构建的旋转机械转子系统的数值模拟模型中模拟故障之前，还包括：

将转子的基本结构尺寸、材料属性、轴承位置作为基本输入参数采用集总参数法构建旋转机械转子系统的数值模拟模型。

为了能够获得更加准确的故障分析结果，将转子的基本结构尺寸、材料属性、轴承位置作为基本输入参数采用集总参数法构建旋转机械转子系统的数值模拟模型，包括：

将转子的基本结构尺寸、材料属性、轴承位置作为基本输入参数，将轴承刚度和阻尼参数作为附加输入参数，采用集总参数法构建旋转机械转子系统的数值模拟模型。该模型的建立不需要转子的详细数据，可根据转轴的基本结构尺寸(直径和长度)和材料属性(密度、弹性模量)，得到转轴各段的质量分布和刚度分布。结构复杂的叶轮可根据质量和刚度等效，转换成各圆盘进行分析。轴承根据结构和性质的不同，等效成不同的阻尼系数和刚度系数，从而最终得到总的数值模拟模型。

在本实施例中，数值模拟模型的输入参数可以通过测量到的振动响应和临界转速进行验证或估计计算得到。

S150：将输出振动响应信号与实时振动响应信号进行比对，分析故障信息的准确性。

对本步骤进行具体说明：

将输出振动响应信号与实时振动响应信号进行比对，分析故障信息的准确性，包括：

将输出振动响应信号与实时振动响应信号进行比对；

若比对成功，说明故障分析结果准确，根据获得的故障信息进行故障检修；

若比对不成功，说明故障分析结果不准确，发出故障信息错误信息，进行后续应对措施。

参见图4，下面对本发明实施例中采集振动响应信号的振动响应采集机构的结构进行说明：

叶轮2安装在转轴1上，转轴1两端通过支架4设置在水平面上，转轴1与叶轮2的轴线位于同一水平线上。振动传感器3的测量端对向转轴1。振动传感器3通过连接线与电源连接，振动传感器3通过连接线连接到数据采集系统5。电机通过联轴器带动转子旋转，产生振动。振动传感器3测量振动信号，然后通过数据采集系统5输出获得所需的振动响应信号。

为了采集更多的振动响应信号，在转轴1的两端各设置两个相互垂直的振动传感器3，共四个振动传感器3。

转轴1各端测量的振动响应信号，通过分析处理可得到该处的轴心轨迹图。

在本实施例中，转轴1和叶轮2都为均质金属材料。四个振动传感器3采用规格、型号相同的传感器。

参见图5，本发明实施例提供的基于数值模拟的旋转机械故障检测装置，包括：

实时振动响应信号获取模块100，用于获取实时振动响应信号；

比对模块200，用于将实时振动响应信号与故障库中的故障振动响应信号进行比对；

故障信息获取模块300，用于若比对模块200的比对结果为比对成功，说明出现故障，故障库中存在该故障的相关信息，获取与故障振动响应信号对应的故障信息；

数据处理模块，用于若比对模块200的比对结果为比对不成功，说明未出现故障，或，已出现故障但故障库中不存在该故障的相关信息，发送提示信息，提示技术人员进行分析；若已出现故障但故障库中不存在该故障的相关信息，则将该故障信息与该振动响应信号添加到故障库中，更新故障库；

故障库建立模块，用于建立故障库；故障库中至少包括：故障振动响应信号以及与故障振动响应信号对应的故障信息；其中，故障信息可以包括：故障名称、故障类型、故障重要性、故障部位、故障发生原因、解决方案等。在本实施例中，转子系统的常见故障包括：不平衡、不对中、油膜振荡等，每种故障对应出各自的故障特征，包括时域波形信号、时域特征参数(如平均值、有效值和峰值等)、频域波形、频域1X幅值与其他频率信号幅值的比率关系、轴心轨迹等。既包括不同故障信号的具体值的大小，同时包括各值间的比例关系，如1倍频幅值与2倍频幅值的比例关系，从而形成各种故障对应故障特征的数据库。

在这种情况下，故障信息获取模块300，具体用于若比对模块200的比对结果为比对成功，通过查询故障库，获取与故障振动响应信号对应的故障信息。

数值模拟模块400，用于根据故障信息在预先构建的旋转机械转子系统的数值模拟模型中模拟故障，获得输出振动响应信号；

下面对本发明实施例中构建旋转机械转子系统的数值模拟模型的具体过程进行说明：

在本实施例中，通过数值模拟模型构建模块构建旋转机械转子系统的数值模拟模型。具体地，数值模拟模型构建模块，用于将转子的基本结构尺寸、材料属性、轴承位置作为基本输入参数采用集总参数法构建旋转机械转子系统的数值模拟模型。

为了能够获得更加准确的故障分析结果，数值模拟模型构建模块，具体用于将转子的基本结构尺寸、材料属性、轴承位置作为基本输入参数，将轴承刚度和阻尼参数作为附加输入参数，采用集总参数法构建旋转机械转子系统的数值模拟模型。该模型的建立不需要转子的详细数据，可根据转轴的基本结构尺寸(直径和长度)和材料属性(密度、弹性模量)，得到转轴各段的质量分布和刚度分布。结构复杂的叶轮可根据质量和刚度等效，转换成各圆盘进行分析。轴承根据结构和性质的不同，等效成不同的阻尼系数和刚度系数，从而最终得到总的数值模拟模型。

在本实施例中，数值模拟模型的输入参数可以通过测量到的振动响应和临界转速进行验证或估计计算得到。

分析模块500，用于将输出振动响应信号与实时振动响应信号进行比对，分析故障信息的准确性。

具体地，分析模块500，包括：

比对单元，用于将输出振动响应信号与实时振动响应信号进行比对；

报错单元，用于若比对单元的比对结果为比对不成功，说明故障分析结果不准确，发出故障信息错误信息，进行后续应对措施。

1、先采集故障振动响应信号，根据机械故障所产生的故障特征，采用相似查找和模拟验证的方法，将采集到的振动响应信号与故障库中的故障特征进行相似比对，找到最接近的故障，然后再利用数值仿真模型进行模拟仿真验证该故障是否可产生采集到的振动响应，从而最终更准确进行故障诊断，确定故障的类型、部位和原因。并将设备解体验证后的判断案例储存进数据库，用来判断后面设备的运行状态和故障分析，解决了现有技术中故障诊断过多的依赖于技术人员的经验判断，因而故障诊断准确性不高的技术问题，实现了提高了故障诊断准确性的技术效果。

2、数值模拟模型的建立不需要转子的详细数据，可根据基本结构、材料属性建立，同时模型中不确定的参数，可通过测量到的振动响应和固有频率等参数得到修正和估计值，使整个数值模拟模型的结果更加准确。

本发明实施例通过比对测量到的故障特征与故障数据库特征比对，提高了故障判断的效率，同时通过数值模拟验证提高了故障诊断的准确性。本发明实施例针对某一旋转机械进行建模，可以消除不同旋转机械转子振动特性不同的影响。本发明实施例考虑到不同旋转机械的特点，将转子的直径和长度、各叶轮的位置、轴承的位置、轴承的大小、润滑油的性质等参数考虑到转子的旋转模型中，模型将这些参数都考虑在内，同时通过测量的振动响应和临界转速来修正模型参数，提高了模型结果的准确性。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种基于数值模拟的旋转机械故障检测方法，其特征在于，包括：

获取实时振动响应信号；

将所述实时振动响应信号与故障库中的故障振动响应信号进行比对；

若比对成功，获取与所述故障振动响应信号对应的故障信息；

根据所述故障信息在预先构建的旋转机械转子系统的数值模拟模型中模拟故障，获得输出振动响应信号；

将所述输出振动响应信号与所述实时振动响应信号进行比对，分析所述故障信息的准确性；

利用数值模拟模型进行模拟仿真验证该故障是否可产生采集到的振动响应，从而最终更准确进行故障诊断，确定故障的类型、部位和原因。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述将所述实时振动响应信号与故障库中的故障振动响应信号进行比对之前，还包括：

建立所述故障库；所述故障库中至少包括：故障振动响应信号以及与所述故障振动响应信号对应的故障信息；

所述获取与所述故障振动响应信号对应的故障信息，包括：

通过查询所述故障库，获取与所述故障振动响应信号对应的故障信息。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述根据所述故障信息在预先构建的旋转机械转子系统的数值模拟模型中模拟故障之前，还包括：

将转子的基本结构尺寸、材料属性、轴承位置作为基本输入参数采用集总参数法构建所述旋转机械转子系统的数值模拟模型。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述将转子的基本结构尺寸、材料属性、轴承位置作为基本输入参数采用集总参数法构建所述旋转机械转子系统的数值模拟模型，包括：

将所述转子的基本结构尺寸、材料属性、轴承位置作为所述基本输入参数，将轴承刚度和阻尼参数作为附加输入参数，采用集总参数法构建所述旋转机械转子系统的数值模拟模型。

5.如权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，所述将所述输出振动响应信号与所述实时振动响应信号进行比对，分析所述故障信息的准确性，包括：

将所述输出振动响应信号与所述实时振动响应信号进行比对；

若比对不成功，发出故障信息错误信息。

6.一种基于数值模拟的旋转机械故障检测装置，其特征在于，包括：

实时振动响应信号获取模块，用于获取实时振动响应信号；

比对模块，用于将所述实时振动响应信号与故障库中的故障振动响应信号进行比对；

故障信息获取模块，用于若所述比对模块的比对结果为比对成功，获取与所述故障振动响应信号对应的故障信息；

数值模拟模块，用于根据所述故障信息在预先构建的旋转机械转子系统的数值模拟模型中模拟故障，获得输出振动响应信号；

分析模块，用于将所述输出振动响应信号与所述实时振动响应信号进行比对，分析所述故障信息的准确性；

利用数值模拟模型进行模拟仿真验证该故障是否可产生采集到的振动响应，从而最终更准确进行故障诊断，确定故障的类型、部位和原因。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，还包括：

故障库建立模块，用于建立所述故障库；所述故障库中至少包括：故障振动响应信号以及与所述故障振动响应信号对应的故障信息；

所述故障信息获取模块，具体用于若所述比对模块的比对结果为比对成功，查询所述故障库，获取与所述故障振动响应信号对应的故障信息。

8.如权利要求6所述的装置，其特征在于，还包括：

数值模拟模型构建模块，用于将转子的基本结构尺寸、材料属性、轴承位置作为基本输入参数采用集总参数法构建所述旋转机械转子系统的数值模拟模型。

9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述数值模拟模型构建模块，具体用于将所述转子的基本结构尺寸、材料属性、轴承位置作为所述基本输入参数，将轴承刚度和阻尼参数作为附加输入参数，采用集总参数法构建所述旋转机械转子系统的数值模拟模型。

10.如权利要求6-9中任一项所述的装置，其特征在于，所述分析模块，包括：

比对单元，用于将所述输出振动响应信号与所述实时振动响应信号进行比对；

报错单元，用于若所述比对单元的比对结果为比对不成功，发出故障信息错误信息。

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