CN117407782A - 一种基于信号流图的传递路径分析与振动贡献评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于信号流图的传递路径分析与振动贡献评估方法，其步骤包括：根据待测试对象机械结构特征建立基于信号流图的传递路径模型；利用力锤激励获取对应的测点位置的频响函数，将频响函数进行相干性检验与互易性检验，并采取强制互易措施对其进行修正，得到频响函数矩阵；基于信号流图对频响函数矩阵进行分解，得到各传递路径的双向传递率；采集参考点、指示点及目标点位置处的稳定运行激励下的振动响应信号，利用双向传递率与实测信号计算各路径振动贡献度及贡献量，实现传动系统主传递路径辨识。本发明可以实现对高端装备传动系统振动传递路径的高效精准识别，指导开展故障溯源与传感器布置。
Description
技术领域
本发明属于机械设备故障溯源领域，具体涉及一种基于信号流图的传递路径分析与振动贡献评估方法。
背景技术
高端装备的传动系统具有内部零部件众多、耦合连接复杂的特点，其主动部件在运转过程中产生的振动会经由连接部件传导至整个设备。一旦系统内部零件出现不明故障，携带故障的振动信号通过内部多层耦合结构传递后，其故障特征逐渐衰减，甚至衰减到箱体外部测点很难捕捉到该信号，导致传动系统的故障很难检测，继续运行致使故障威胁不断扩大，产生难以预计的后果。其系统复杂性导致不可测性，不可测性导致不可控性，因此其内部故障信号传递机理不清阻碍了传动系统故障检测的发展。传递路径分析的作用就是厘清传动系统内部信号传递机制，得到故障振动信号的主传递路径，从而为传动系统故障信号检测外部传感器路径位置提供理论依据。厘清振动传递路径的前提是获取传递路径特性，目前主要的技术途径包括传递路径分析(Transfer Path Analysis，TPA)与运行工况传递路径分析(Operational TransferPath Analysis，OTPA)。
传递路径分析的基础是频响函数测试，需要对机械结构进行拆卸，费时费力；运行工况传递路径分析采用工况数据代替频响函数，在测试中能够保证机械系统完整性，且省时高效，但其针对传动系统传递路径分析受到了理论上的限制。针对高端装备的传动系统开展传递路径分析时，不能直接套用现有的分析技术，结合其零件众多，结构耦合类似于图结构，建立基于信号流图的传递路径分析模型，实现路径解耦与贡献评估，得出主传递路径。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于信号流图的传递路径分析与振动贡献评估方法，以克服现有技术的不足。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于信号流图的传递路径分析与振动贡献评估方法，包括以下步骤：
步骤1)、根据待测试对象机械结构特征建立信号流图模型并确定传递路径分析模型；
步骤2)、在所述信号流图模型的测点位置获取其原点频响函数与跨点频响函数，并进行工况测试以获得工况数据；
步骤3)、对步骤2)获取的跨点频响函数进行相干性检验与互易性检验，并采取强制互易措施对其进行修正，以获得频响函数矩阵；
步骤4)、基于信号流图模型对所述频响函数矩阵进行分解，得到各传递路径的双向传递率，并用矩阵表示，计算从激励源到目标点的各路径振动贡献度；
步骤5)、对步骤2)获取的工况数据进行分析并结合各路径振动贡献度得到各传递路径振动贡献量，根据某一标准按照所述各传递路径振动贡献量对所有路径进行排序，贡献量排序靠前的路径即为振动的主传递路径。
优选的，所述传递路径分析模型是振动双向传递模型。
优选的，步骤2)中，获取频响函数时，应用力锤敲击测试每个测点取用三次及以上敲击的平均值进行计算，需测量所有测点的频响函数。
优选的，步骤2)中，所述工况测试包含正常零件测试与故障零件测试。
优选的，步骤3)中，所述强制互易措施是将跨点频响函数的算术平均值作为其修正频响函数。
优选的，步骤4)中，将所述频响函数矩阵求逆获得阻抗阵，两自由度之间的跨点阻抗与其原点阻抗之比即为所述双向传递率，
其计算公式如下：
其中i≠j；/>其中i＝j；
式中Tij为指示点响应j点到i点的直接传递率，Λij为激励源j到参考点i的直接传递率，Zij为j点与i点之间的跨点阻抗，Zii为i点的原点阻抗，Hii为i点的原点频响函数，阻抗阵Z＝H-1，H为步骤3)获得的频响函数矩阵。
优选的，传递路径分析模型根据激励源测点信号、指示点信号、目标点信号及传递率的关系可表示为：
X＝TX+ΛXext (1)，
即
式中，n为测点数目，X为各测点工况测试信号矩阵，T为双向传递率矩阵，Λ为参考点直接传递率矩阵，Xext为某一点激励源单独作用于该点的响应；根据频响函数与工况数据进行计算：
式中，Hnn为n点的原点频响函数，H为步骤3)获得的频响函数矩阵，表示以向量/>为对角线元素构造对角矩阵，X为各测点工况测试信号矩阵。
优选的，步骤4)中，双向传递率矩阵为式(1)中的T，直接传递率矩阵为Λ，路径k的贡献度为：
式中，为路径k上的激励源j指向目标点m的传递率乘积，Δ为图行列式，/>其中，/>为所有环路传递率的和，/>为任意两个没有公共交叉点和分路的环路的乘积，/>为任意三个没有交叉点和分路的环路的乘积，环路是振动信号传递形成的闭合回路。
优选的，步骤5)中，对于路径中的任一路径k的贡献量为其中，/>为激励源j单独作用于该点的响应，Ck为所述路径k的贡献度，对各路径贡献量大小进行排序，贡献量排序靠前的路径即为振动传递的主传递路径。
本发明还提供了一种基于信号流图的传递路径分析与振动贡献评估系统，所述系统包括数据采集模块、数据预处理模块和数据处理模块；
数据采集模块用于采集参考点安装位置、指示点及目标点安装位置处在力锤激励下的振动响应信号以及实际工况下的振动响应信号；数据采集模块将实际工况下的振动响应信号传输至数据处理模块；
数据采集模块将采集的力锤激励下的振动响应信号以及实际工况下的振动响应信号传递给数据预处理模块进行数据预处理，预处理后的振动响应信号传输至数据处理模块；
数据处理模块用于存储根据参考点位置及数量和目标点位置建立的基于信号流图的传递路径分析模型，并根据预处理后的振动响应信号得到频响函数矩阵以及传递率矩阵，继而求解得到从激励源参考点到目标的各路径贡献度，然后利用实际工况下的振动响应信号求解某一点激励源单独作用于该点的响应，该响应与传递函数矩阵相乘，得到不同传递路径的振动贡献量结果并输出。
进一步的，根据待测试对象机械结构特征确定激励源位置、指示点，在激励源位置和传递路径周围确定参考点、指示点安装位置和参考点、指示点安装数量，然后确定目标点安装位置，在数据处理模块中建立基于信号流图的传递路径分析模型。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明一种基于信号流图的传递路径分析与振动贡献评估方法，根据待测试对象机械结构特征确定激励源位置、参考点位置、指示点位置、目标点位置以及传递路径，建立信号流图模型，根据信号流图模型确定传递路径分析模型，利用力锤激励获取对应信号流图模型的测点位置的原点与跨点频响函数，采集参考点安装位置、指示点安装位置及目标点安装位置处的稳定运行激励下的振动响应信号，获取的跨点频响函数进行相干性检验与互易性检验，并采取强制互易措施对其进行修正，得到频响函数矩阵，基于信号流图对频响函数矩阵进行分解，得到各传递路径的双向传递率，并用矩阵表示，计算从激励源到目标点的各路径振动贡献度，将实际工况下振动响应信号求解某一点激励源单独作用于该点的响应，该响应与传递函数矩阵相乘，得到不同传递路径的振动贡献量结果并进行排序，利用路径贡献分析结果指导高端装备传动系统故障检测的传感器布置路径位置。
进一步的，将传递特性分解为双向传递率，结合图论知识，使振动传递特性更加细化明确，信息更加丰富，进而实现对高端装备传动系统振动传递路径的高效精准识别，指导开展故障溯源与传感器布置。
进一步的，在数据处理模块进行传递路径分析时，依据信号流图模型可灵活地将指示点改为目标点，进而分析新目标点的各路径贡献，更加符合传感器布置位置随故障变化灵活不固定的特点，为实现振动传递敏感测点的布置提供充分的理论依据。
附图说明
图1为本发明实施例中仿真设置示意图；
图2为基于信号流图建立的传递路径分析模型示意图；
图3(a)为本发明实施例中频响函数相干性检验的结果图；图3(b)为本发明互易性检验的幅频结果图；图3(c)为本发明强制互易性修正后的幅频结果图；
图4为本发明实施例中信号流图的邻接矩阵；
图5为本发明实施例中传递率矩阵的结果图；
图6为本发明实施例中重构目标点响应与测量目标点响应结果对比图；
图7为本发明实施例中将指示点更换为目标点后，重构目标点响应与测量目标点响应结果对比图；
图8为本发明实施例中贡献量评估结果图。
具体实施方式
下面将参照附图1至图8详细地描述本公开的具体实施例。虽然附图中显示了本公开的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本公开的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本公开的范围。本公开的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
为便于对本公开实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本公开实施例的限定。
一种设基于信号流图的传递路径分析与振动贡献评估方法，包括以下步骤：
步骤1)、根据待测试对象机械结构特征确定激励源位置、参考点位置、指示点位置、目标点位置以及传递路径，建立信号流图模型，根据信号流图模型确定传递路径分析模型；
具体的，分析测试对象机械结构特征，根据测试对象机械结构特征确定激励源位置，并划分传递路径，在激励源附近确定传感器的参考点安装位置；在远离激励源的待分析处选定适于加装传感器的目标点位置，其他测点为传感器指示点安装位置，根据测点数量确定传感器安装数量。
具体的，根据机械结构特征建立信号流图模型，基于信号流图模型建立传递路径分析模型。
步骤2)、在测试对象对应信号流图模型的测点位置应用力锤敲击测试获取其原点与跨点频响函数，并进行工况测试，采集参考点安装位置、指示点安装位置及目标点安装位置处在该试验工况参数的稳定激励下的振动响应信号；
具体的，使用力锤激励获取所有确定测点的原点与跨点频响函数所需的原始数据，频响函数计算使用功率谱估计方法。
具体的，在稳定工况激励下，获取实际工况的运行振动原始数据。
步骤3)、对步骤2)获取的跨点频响函数进行相干性检验与互易性检验，并采取强制互易措施对其进行修正，以获得频响函数矩阵；
具体的，相干性检验确定频响函数测试的可信度，互易性检验得到频响函数的互易性并进行强制互易修正，以二者频响函数的算数平均值作为修正的频响函数。
步骤4)、基于信号流图对频响函数矩阵进行分解，得到各传递路径的双向传递率，并用矩阵表示，计算从激励源到目标点的各路径振动贡献度；
具体的，双向传递率为：
式中Tij为指示点响应j点到i点的直接传递率，Λij为激励源j到参考点i的直接传递率，Zij为j点与i点之间的跨点阻抗，Zii为i点的原点阻抗，Hii为i点的原点频响函数，阻抗阵Z＝H-1，H为步骤3)获得的频响函数矩阵。
具体的，传递路径分析模型根据激励源测点信号、指示点信号、目标点信号及传递率的关系可表示为：X＝TX+ΛXext；
即
式中，n为测点数目，X为各测点工况测试信号矩阵，T为双向传递率矩阵，Λ为参考点直接传递率矩阵，Xext为某一点激励源单独作用于该点的响应；可根据频响函数与工况数据进行计算：
式中，Hnn为n点的原点频响函数，H为步骤3)获得的频响函数矩阵，表示以向量/>为对角线元素构造对角矩阵，X为各测点工况测试信号矩阵。
具体的，传递率矩阵中的T和Λ，路径k的贡献度为
式中，为路径k上的激励源j指向目标点m的传递率乘积，Δ为图行列式，/>其中，/>为所有环路传递率的和，/>为任意两个没有公共交叉点和分路的环路的乘积，/>为任意三个没有交叉点和分路的环路的乘积。环路是振动信号传递形成的闭合回路。
步骤5)、对步骤2)获取的工况数据进行分析，将激励源的参考点位置测试信号与各路径贡献度相乘，得到各路径振动贡献量，获得振动传递的主传递路径。
具体的，路径k的贡献量为其中，/>为激励源j单独作用于该点的响应，Ck为所述路径k的贡献度，对各路径贡献量大小进行排序，贡献量排序靠前的路径即为振动传递的主传递路径。
本发明提出一种基于信号流图的双向传递路径模型，更加丰富了传递路径信号传递信息；另一方面，本发明可依据信号流图模型可灵活地将指示点改为目标点，进而分析新目标点的各路径贡献，更加符合传感器布置位置随故障变化灵活不固定的特点，为实现振动传递敏感测点的布置提供充分的理论依据。
实施例1：
1)使用8自由度集中质量仿真模型，其模型示意图与激励源位置如图1所示。该模型由8个质量块组成，质量块之间用10组弹簧和阻尼连接，其连接耦合关系如图1中所示，其激励源位置在质量块m1处。具体参数如下表所示：
| 质量m | m1 | m2 | m3 | m4 | |
| 值(kg) | 2.1 | 1.3 | 1.5 | 2.5 | |
| 质量m | m5 | m6 | m7 | m8 | |
| 值(kg) | 1.5 | 3 | 1 | 1.7 | |
| 刚度k | k12 | k13 | k14 | k25 | k36 |
| 值(N/m) | 1e7 | 8e6 | 4e6 | 2e6 | 8e6 |
| 刚度k | k47 | k58 | k68 | k78 | k80 |
| 值(N/m) | 6e6 | 8.3e6 | 5.8e6 | 7.8e6 | 1e7 |
| 阻尼c | c12 | c13 | e14 | c25 | c36 |
| 值(N·s/m) | 700 | 410 | 200 | 300 | 300 |
| 阻尼c | c47 | c58 | c68 | c78 | c80 |
| 值(N·s/m) | 400 | 350 | 360 | 580 | 740 |
刚度与阻尼的下标为两测点编号之间的刚度与阻尼。依据仿真模型结构建立基于信号流图的传递路径分析模型如图2所示，图中8个圆圈序号1-8为8个自由度，分别表示仿真模型中的质量块1-8，其中施加激励源的质量块m1为参考点，质量块m8为目标点，其余质量块为指示点，邻接的质量块之间有所述双向传递率。模型中从激励源到目标点有三条振动传递路径，其中路径1-2-5-8为路径1、路径1-3-6-8为路径2、路径1-4-7-8为路径3。
2)在测试对象对应信号流图模型的测点位置获取其原点与跨点频响函数，并进行工况测试，采集参考点安装位置、指示点安装位置及目标点安装位置处在该试验工况参数的稳定激励下的振动响应信号。
3)采用谱估计计算频响函数，其中频响函数H12与H21的计算结果如图3(b)所示，分别为0-2500Hz带宽的幅值图与相位图。由图可得，两个频响函数的幅值与相位并不完全重合，互易性有待修正。因此，对获取的跨点频响函数进行相干性检验与互易性检验，并采取强制互易措施对其进行修正，其检验结果与修正结果如图3(a)、图3(c)所示。相干性检验是检验输出与输入相干关系，用于评定频响函数估计的可信度，如果相干系数为1时，表示输出信号与输入信号完全相干，相干系数在0～1之间时，表示有噪声干扰，如图3(a)所示实例中相干系数基本在0.8以上，表示频响函数估计具有高可信度。对比图3(b)与图3(c)可知，采用强制互易性修正可将具有互易性的频响函数幅值相位重合；
4)基于信号流图对频响函数矩阵进行分解，得到各传递路径的双向传递率，并用矩阵表示，由于该传递路径分析模型的传递率与各测点信号流图的邻接矩阵相关，信号流图的邻接矩阵如图4所示。如图4所示，自由度1-8之间邻接的为黑色，非邻接的为灰色。所述双向传递率矩阵的值理论分布如图5所示，其颜色越深表示双向传递率越大，将图5与图4进行对比可知，双向传递率矩阵的值分布与邻接矩阵一致，然后计算从激励源到目标点的各路径振动贡献度；
所述双向传递率为：
式中Tij为指示点响应j点到i点的直接传递率，Λij为激励源j到参考点i的直接传递率，Zij为j点与i点之间的跨点阻抗，Zii为i点的原点阻抗，Hii为i点的原点频响函数，阻抗阵Z＝H-1，H为步骤3)获得的频响函数矩阵。
传递路径分析模型根据激励源测点信号、指示点信号、目标点信号及传递率的关系可表示为：X＝TX+ΛXext；
即
式中，n＝8为测点数目，X为各测点工况测试信号矩阵，T为双向传递率矩阵，Λ为参考点直接传递率矩阵，Xext为某一点激励源单独作用于该点的响应；可根据频响函数与工况数据进行计算：
式中，Hnn为n点的原点频响函数，H为步骤3)获得的频响函数矩阵，表示以向量/>为对角线元素构造对角矩阵，X为各测点工况测试信号矩阵。路径k的贡献度为/>
式中，为路径k上的激励源j指向目标点m的传递率乘积，Δ为图行列式，/>其中，/>为所有环路传递率的和，/>为任意两个没有公共交叉点和分路的环路的乘积，/>为任意三个没有交叉点和分路的环路的乘积，环路是振动信号传递形成的闭合回路。所述路径1的贡献度为/>所述路径2的贡献度为/>所述路径3的贡献度为/>
5)获取的工况数据进行分析，将激励源的参考点位置测试信号与各路径贡献度相乘，得到各路径振动贡献量，路径k的贡献量为对各路径贡献量大小进行排序，贡献量排序靠前的路径即为振动传递的主传递路径。如图6所示，使用传递率矩阵重构的目标点响应与测量的目标点响应对比得出，基于信号流图的分析模型可高精度实现传递路径分析。如图7所示为目标点更换后使用传递率矩阵重构的目标点响应与测量的目标点响应对比图，依据信号流图模型可灵活地将指示点改为目标点，进而分析新目标点的各路径贡献，更加符合传感器布置位置随故障变化灵活不固定的特点，为实现振动传递敏感测点的布置提供充分的理论依据。
评估所有振动频带的路径贡献量以及故障振动特征频带的路径贡献量，其评估结果如图8所示。将各传递路径振动贡献量对所有路径进行排序，对于所有振动频带，其排序为：路径1>路径3>路径2，路径1贡献量最大；对于故障振动特征频带，其排序为：路径2>路径1>路径3，路径2的振动贡献最大。因此，故障振动的主传递路径为路径2，为达到更易检测故障的目的，应该在路径2上布置传感器。
上述对本申请中涉及的发明的一般性描述和对其具体实施方式的描述不应理解为是对该发明技术方案构成的限制。本领域所属技术人员根据本申请的公开，可以在不违背所涉及的发明构成要素的前提下，对上述一般性描述或/和具体实施方式(包括实施例)中的公开技术特征进行增加、减少或组合，形成属于本申请保护范围之内的其它的技术方案。
Claims (10)
1.一种基于信号流图的传递路径分析与振动贡献评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)、根据待测试对象机械结构特征建立信号流图模型并确定传递路径分析模型；
步骤2)、在所述信号流图模型的测点位置获取其原点频响函数与跨点频响函数，并进行工况测试以获得工况数据；
步骤3)、对步骤2)获取的跨点频响函数进行相干性检验与互易性检验，并采取强制互易措施对其进行修正，以获得频响函数矩阵；
步骤4)、基于信号流图模型对所述频响函数矩阵进行分解，得到各传递路径的双向传递率，并用矩阵表示，计算从激励源到目标点的各路径振动贡献度；
步骤5)、对步骤2)获取的工况数据进行分析并结合各路径振动贡献度得到各传递路径振动贡献量，根据某一标准按照所述各传递路径振动贡献量对所有路径进行排序，贡献量排序靠前的路径即为振动的主传递路径。
2.根据权利要求1所述的一种基于信号流图的传递路径分析与振动贡献评估方法，其特征在于，优选的，所述传递路径分析模型是振动双向传递模型。
3.根据权利要求1所述的一种基于信号流图的传递路径分析与振动贡献评估方法，其特征在于，步骤2)中，获取频响函数时，应用力锤敲击测试每个测点取用三次及以上敲击的平均值进行计算，需测量所有测点的频响函数。
4.根据权利要求1所述的一种基于信号流图的传递路径分析与振动贡献评估方法，其特征在于，步骤2)中，所述工况测试包含正常零件测试与故障零件测试。
5.根据权利要求1所述的一种基于信号流图的传递路径分析与振动贡献评估方法，其特征在于，步骤3)中，所述强制互易措施是将跨点频响函数的算术平均值作为其修正频响函数。
6.根据权利要求1所述的一种基于信号流图的传递路径分析与振动贡献评估方法，其特征在于，步骤4)中，将所述频响函数矩阵求逆获得阻抗阵，两自由度之间的跨点阻抗与其原点阻抗之比即为所述双向传递率，
其计算公式如下：
其中i≠j；/>其中i＝j；
式中Tij为指示点响应j点到i点的直接传递率，Λij为激励源j到参考点i的直接传递率，Zij为j点与i点之间的跨点阻抗，Zii为i点的原点阻抗，Hii为i点的原点频响函数，阻抗阵Z＝H-1，H为步骤3)获得的频响函数矩阵。
7.根据权利要求6所述的一种基于信号流图的传递路径分析与振动贡献评估方法，其特征在于，传递路径分析模型根据激励源测点信号、指示点信号、目标点信号及传递率的关系可表示为：
X＝TX+ΛXext (1)，
即
式中，n为测点数目，X为各测点工况测试信号矩阵，T为双向传递率矩阵，Λ为参考点直接传递率矩阵，Xext为某一点激励源单独作用于该点的响应；根据频响函数与工况数据进行计算：
式中，Hnn为n点的原点频响函数，H为步骤3)获得的频响函数矩阵，表示以向量/>为对角线元素构造对角矩阵，X为各测点工况测试信号矩阵。
8.根据权利要求7所述的一种基于信号流图的传递路径分析与振动贡献评估方法，其特征在于，步骤4)中，双向传递率矩阵为式(1)中的T，直接传递率矩阵为Λ1，路径k的贡献度为：
式中，为路径k上的激励源j指向目标点m的传递率乘积，Δ为图行列式，其中，/>为所有环路传递率的和，/>为任意两个没有公共交叉点和分路的环路的乘积，/>为任意三个没有交叉点和分路的环路的乘积，环路是振动信号传递形成的闭合回路。
9.根据权利要求1所述的一种基于信号流图的传递路径分析与振动贡献评估方法，其特征在于，步骤5)中，对于路径中的任一路径k的贡献量为其中，/>为激励源j单独作用于该点的响应，Ck为所述路径k的贡献度，对各路径贡献量大小进行排序，贡献量排序靠前的路径即为振动传递的主传递路径。
10.根据权利要求1所述的一种基于信号流图的传递路径分析与振动贡献评估方法，其特征在于，步骤2)中，工况测试包含正常零件测试与故障零件测试。
Priority Applications (1)
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| CN117633520A (zh) * | 2024-01-26 | 2024-03-01 | 西安理工大学 | 基于递归图像的轴流式水轮机空化初生检测方法 |
-
2023
- 2023-09-05 CN CN202311134801.2A patent/CN117407782A/zh active Pending
Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN117633520A (zh) * | 2024-01-26 | 2024-03-01 | 西安理工大学 | 基于递归图像的轴流式水轮机空化初生检测方法 |
| CN117633520B (zh) * | 2024-01-26 | 2024-04-05 | 西安理工大学 | 基于递归图像的轴流式水轮机空化初生检测方法 |
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