旋轉(zhuǎn)機(jī)械非平穩(wěn)信號(hào)特征分析儀開(kāi)發(fā)

杜維康

摘 要：隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，旋轉(zhuǎn)機(jī)械不斷的增加，而且是企業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備，如果出現(xiàn)失效的情況，就會(huì)有巨大的損失，所以有效的的旋轉(zhuǎn)機(jī)械信號(hào)分析方法是十分重要的，旋轉(zhuǎn)機(jī)械特征分析是旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷和狀態(tài)監(jiān)測(cè)的重要組成部分，其中振動(dòng)測(cè)試方法又是特征分析的主要手段，現(xiàn)在的測(cè)試儀器對(duì)平穩(wěn)振動(dòng)信號(hào)有很完善的測(cè)試和分析手段，但是對(duì)以升、降速過(guò)程為代表的旋轉(zhuǎn)機(jī)械非平穩(wěn)振動(dòng)信號(hào)的特征的分析還有很多的不足，本文介紹新的旋轉(zhuǎn)機(jī)械特征分析的虛擬儀器，這儀器在功能上主要包括先進(jìn)的時(shí)頻分析技術(shù)，提出并實(shí)現(xiàn)基于瞬時(shí)頻率的階比跟蹤、階比跟蹤濾波、階比分量提取和階比分析等多項(xiàng)新技術(shù)，彌補(bǔ)過(guò)去的儀器旋轉(zhuǎn)機(jī)械非穩(wěn)定信號(hào)分析上的不足。

關(guān)鍵詞：旋轉(zhuǎn)機(jī)械；非平衡；信號(hào)特征分析儀；開(kāi)發(fā)

一、旋轉(zhuǎn)機(jī)械的重要性

現(xiàn)在的機(jī)械設(shè)備發(fā)展向著大型化、高速化、連續(xù)化和自動(dòng)化方向發(fā)展、機(jī)械設(shè)備的功能也不斷的增加，性能指標(biāo)也越來(lái)越高，組成和結(jié)構(gòu)也十分的復(fù)雜，使得設(shè)備的管理和維修人員素質(zhì)要求很高，現(xiàn)代化機(jī)械設(shè)備的廣泛應(yīng)用有效的促進(jìn)生產(chǎn)的發(fā)展，有效的提高生產(chǎn)率，改善產(chǎn)品的質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本和改善工人勞動(dòng)條件，但是也存在一定的危機(jī)，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障，就會(huì)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，這就使得機(jī)械監(jiān)測(cè)及故障診斷技術(shù)和學(xué)科的誕生和興起。由于旋轉(zhuǎn)機(jī)械的種類很多，主要是指功能有旋轉(zhuǎn)運(yùn)行來(lái)完成的機(jī)械設(shè)備，例如汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)組、電動(dòng)機(jī)、離心式壓縮機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)、給水泵、航空發(fā)動(dòng)機(jī)、增速減速用齒輪傳動(dòng)裝置的機(jī)械設(shè)備等，旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障是指機(jī)器的功能失常，例如機(jī)器運(yùn)行失穩(wěn)、振動(dòng)和噪聲嚴(yán)重、機(jī)器的工作轉(zhuǎn)速出現(xiàn)變化、介質(zhì)的溫度壓力等出現(xiàn)異常情況。所以應(yīng)該了解和掌握旋轉(zhuǎn)機(jī)械在故障狀態(tài)下的振動(dòng)特征，監(jiān)測(cè)機(jī)器的運(yùn)行狀態(tài)，并且提高診斷故障的準(zhǔn)確度。

二、故障診斷技術(shù)研究的主要內(nèi)容

故障診斷技術(shù)不得吸收各門科學(xué)技術(shù)發(fā)展的新成果，其中涉及到系統(tǒng)論、控制論、信息論、檢測(cè)、估計(jì)理論、計(jì)算機(jī)科學(xué)等內(nèi)容，是集數(shù)學(xué)、物理力學(xué)?；瘜W(xué)、電子技術(shù)、信息處理、人工智能等技術(shù)的新的學(xué)科，其中故障診斷技術(shù)研究的主要內(nèi)容有故障機(jī)理、故障信息處理技術(shù)、人工智能技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)于旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)問(wèn)題大部分都是非線性的，由于數(shù)學(xué)理論和計(jì)算條件的限制，會(huì)把非線性問(wèn)題線性化來(lái)得到相似的結(jié)果，但是會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的誤差，隨著非線性動(dòng)力學(xué)理論的不斷發(fā)展和計(jì)算機(jī)發(fā)展速度的提高，對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械系統(tǒng)非線性特征的研究得到人們的重視，并且成為現(xiàn)在旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)研究的重要課題。

三、虛擬式旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)信號(hào)分析儀

振動(dòng)信號(hào)分析是旋轉(zhuǎn)機(jī)械現(xiàn)代狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷的重要組成，旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障有很多的形式，使用故障的原因及特征信號(hào)也是不同的，對(duì)于故障故障原因及振動(dòng)特征信號(hào)的分析，進(jìn)行準(zhǔn)確的判斷，現(xiàn)在攥著機(jī)械故障診斷主要是對(duì)于系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)振動(dòng)特征，沒(méi)有充分的利用升/降速過(guò)程中的振動(dòng)信息，對(duì)于變速的過(guò)程振動(dòng)信號(hào)中會(huì)有很多的故障特征信息，這些信息可以對(duì)機(jī)械故障進(jìn)行準(zhǔn)確的判斷，例如穩(wěn)態(tài)振動(dòng)時(shí)的軌跡、頻譜，對(duì)于同頻、倍頻、分頻的幅值和相位等。

過(guò)去的特征分析手段主要是基于離散傅里葉變換，在原理上DFT僅適用于穩(wěn)定信號(hào)，旋轉(zhuǎn)機(jī)械在運(yùn)行的時(shí)候，轉(zhuǎn)速是由波動(dòng)的，尤其是在升、降速階段十分的明顯，這些狀態(tài)對(duì)應(yīng)的振動(dòng)信號(hào)屬于非平穩(wěn)信號(hào)，無(wú)法直接的滿足傅里葉變換對(duì)信號(hào)的平穩(wěn)性要求，所以嚴(yán)格的來(lái)說(shuō)不能適合用早常規(guī)的頻譜分析法分析，如果人為的應(yīng)用把這類信號(hào)假定為平穩(wěn)信號(hào)進(jìn)行分析，就會(huì)造成很大的誤差甚至是錯(cuò)誤，國(guó)內(nèi)外對(duì)非平穩(wěn)信號(hào)的聯(lián)合時(shí)頻分析技術(shù)的研究得到快速的發(fā)展，尤其是在旋轉(zhuǎn)機(jī)械非穩(wěn)定信號(hào)特征分析中具有創(chuàng)新成果和突破的可能。

四、旋轉(zhuǎn)機(jī)械特征分析儀

1.儀器操作面板

在對(duì)面板機(jī)械設(shè)計(jì)的時(shí)候應(yīng)充分的發(fā)揮出計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的顯示功能，分析結(jié)果顯示上采用國(guó)外流行的色譜圖和叉線光標(biāo)顯示，可以看到信號(hào)的整體概況，用叉線光標(biāo)對(duì)色譜圖作剖面顯示，上面剖面顯示的選定頻率隨著時(shí)間的變化，左面剖面顯示選定時(shí)刻下的瞬時(shí)功率譜，具有局部放大、數(shù)據(jù)截?cái)嗟裙δ?，而且操作十分的?jiǎn)便直觀。

2.階比分析功能介紹

旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)子部件引起的振動(dòng)與轉(zhuǎn)速有很大的關(guān)系，所以才產(chǎn)生階比分析技術(shù)，其定義為參考軸每轉(zhuǎn)內(nèi)發(fā)生的訓(xùn)話振動(dòng)次數(shù)。

E=循環(huán)振動(dòng)次數(shù)/轉(zhuǎn)

階比與振動(dòng)頻率的關(guān)系公式：

對(duì)于階比的分析是可以用在旋轉(zhuǎn)機(jī)械升、降速非穩(wěn)定過(guò)程分析的有限的分析手段，所以階比分析是旋轉(zhuǎn)機(jī)械特征分析中重要的分析方法，也是現(xiàn)在人們研究的重點(diǎn)，階比分析可以實(shí)現(xiàn)相對(duì)基本轉(zhuǎn)軸的等角度采樣和相關(guān)的階比跟蹤濾波，過(guò)去的方法中一般都是使用硬件角度編碼盤、轉(zhuǎn)速計(jì)等裝置和跟蹤濾波，這樣會(huì)使得在安裝的時(shí)候十分的復(fù)雜，而且成本很高，使其無(wú)法廣泛的推廣應(yīng)用，但是現(xiàn)在的儀器充分的發(fā)揮虛擬儀器的優(yōu)點(diǎn)，采用時(shí)頻分析中瞬時(shí)頻率研究的最新成果，并且把應(yīng)用在階比分析中，好處在于不用硬件和安裝條件的階比分析技術(shù)，并且取得一定的成果，使得階比分析不斷的簡(jiǎn)化。

3.時(shí)域分析功能介紹

在過(guò)去的旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)信號(hào)分析中主要以FFT分析為基礎(chǔ)，在分析的時(shí)候會(huì)假設(shè)信號(hào)是穩(wěn)定的，這是一個(gè)比較重要的條件，這種方法經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的檢驗(yàn)，主要以信號(hào)分析為主，但是信號(hào)的穩(wěn)定性進(jìn)行假設(shè)是不太準(zhǔn)確的，有時(shí)甚至?xí)绊懫浣Y(jié)果，當(dāng)某個(gè)磨床工作的時(shí)候振動(dòng)信號(hào)用這儀器的短時(shí)傅里葉變換時(shí)頻分析功能譜圖顯示，信號(hào)在過(guò)去的頻譜分析時(shí)假定是穩(wěn)定的，但是其本身穩(wěn)定性假設(shè)不準(zhǔn)確。時(shí)頻分析的出現(xiàn)提供了解決這一問(wèn)題的途徑，時(shí)頻分析提供振動(dòng)信號(hào)的時(shí)頻聯(lián)合特征，有效的顯示出信號(hào)的局部特征，所以可以實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)機(jī)械的非穩(wěn)定性、非線性故障的監(jiān)測(cè)與分析，可以對(duì)機(jī)械松動(dòng)、油膜渦動(dòng)、喘振及升、降過(guò)程進(jìn)行分析，所以這種方法的應(yīng)用前景十分的廣泛。

4.階比分析實(shí)驗(yàn)

這種儀器采用國(guó)外先進(jìn)的色譜圖和叉線光標(biāo)顯示，可以看到信號(hào)的整體情況還可以用叉線光標(biāo)對(duì)色譜圖作剖面顯示，轉(zhuǎn)速階比譜、階比譜陣、跟蹤階比譜都可以清晰的顯示，實(shí)驗(yàn)對(duì)象為偏心電機(jī)在升、降速階段使得簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)振動(dòng)，測(cè)試信號(hào)為加速度信號(hào)，安裝在機(jī)座處，過(guò)去采用頻率是50kHz，分析時(shí)對(duì)該信號(hào)進(jìn)行16倍降采樣和恒定截止頻率抗頻混濾波，階比跟蹤濾波時(shí)設(shè)定的最大分析階比范圍為10階。

結(jié)語(yǔ)：

旋轉(zhuǎn)機(jī)械非平穩(wěn)信號(hào)特征分析儀的研發(fā)與應(yīng)用有效的縮短我國(guó)在儀器技術(shù)領(lǐng)域與國(guó)際之間的差距，這儀器有限的彌補(bǔ)現(xiàn)有儀器在旋轉(zhuǎn)機(jī)械升、降速等非平穩(wěn)信號(hào)分析方面的不足，彌補(bǔ)過(guò)去的儀器在旋轉(zhuǎn)機(jī)械非平穩(wěn)信號(hào)分析上對(duì)硬件需求，具有很高的應(yīng)用價(jià)值，值得大力推廣。

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