非平稳旋转机械障碍诊断之时-频阶比探讨研究.docVIP

　　非平稳旋转机械障碍诊断之时-频阶比探讨研究 1引言 1.1课题研究的背景与意义 以转子为主要元件的旋转机械是一类被广泛使用的关键机械设备，在各类机械设备中所占数量最多，应用范围最广，其运行状态的好坏对生产有着非常重要的影响。在许多事关国家国防安全和经济发展命脉的基础和重要行业（如航空航天、电力、冶金、化工、矿山等）中因为旋转机械出现故障而造成的恶性事故曾经给国家和企业造成了极大的损失，因此对旋转机械的运行状态进行有效地监测和诊断是非常必要的。旋转机械故障诊断的一个重要内容是对间歇性变转速非平稳故障的检测与诊断[3]。所谓非平稳性，是指信号的统计特性包括时域统计特性（如方差、均值、峭度、偏斜度等）和频域统计特性（如互谱、频谱、功率谱、相干分析等）与时间变化有关。机械设备运行过程中的许多常见故障，如剥落、松动、爬行、摩擦、裂纹、冲击、喘振、断裂、旋转失速、油膜振荡及油膜祸动等，在发生或发展过程中将导致动态非平稳信号的出现[5]。现代工矿企业中也存在许多变工况运转的机电设备如冶金乳机、破碎机、矿山电沪、发动机等。这些设备在运行过程中功率、转速、负载等往往表现出间歇性和非平稳性。与此同时，旋转机械的启、停机过程的升降速阶段非稳态信号中包含着丰富的故障信息[6]。启动升速过程中因为要通过机组共振区，振动信号包含了更多机组设备状态信息；在降速过程中，不论是由于设备正常停机还是由于故障导致的非正常停机，此阶段的过程监测都可以更为完整地显示机组状态信息。由此可见，对于大型旋转机械升、降速及其它非平稳变工况运行状态的特征信号进行分析，可以更早、更全面地测出设备的运行状态。这对于众多拥有大型旋转机械的企业保障其自身生产具有十分重要的意义。 振动分析方法是旋转机械状态监测和故障诊断最广泛也是最为有效的处理方法[7]。于上世纪90年代发展出来的阶比分析是一种针对非平稳旋转机械振动信号的变频采样（即跟踪测量）分析技术[8]。阶比分析已经成为旋转机械特征分析中必不可少的一种重要分析手段。目前，带有阶比分析功能的专用旋转机械特征分析仪器主要有丹麦Bamp;K公司的PULSE3560C系统7702型阶比分析软件和7703型Vold-Kalman阶比跟踪滤波软件以及美国NI公司的旋转机械振动信号专用分析仪(LabVIEW order analysis toolset)等。这些特征分析仪价格普遍比较昂贵，且需要配有诸如转速计、角度编码盘、跟踪滤波器等一些特定的硬件设备，在实际工程应用的安装使用过程中十分不便。近年来提出的时-频阶比分析[9][10][11]利用瞬时频率与转速之间的线性对应关系获取旋转主轴的转速信息，从而摆脱了硬件设备的限制，扩大了适用范围，降低了使用成本。但是硬件的缺失与软件算法对其产生了一定限制，使得目前时-频阶比分析的精度和速度与传统硬件阶比分析尚且存在较大的差距。另一方面，伴随着计算机技术水平的迅速发展和不断提高，现代时频分析技术（如短时傅里叶变换、小波变换、小波包分解、Wigner-ViUe分布、EMD分解、Hilbert-Huang变换等）发展迅速，为国内外研究的热点与前沿。因此，充分研究利用现代时频分析方法的必威体育精装版研#成果并发挥其各自的优势开展时-频阶比分析在间歇性非平稳旋转机械中的故障诊断研究具有十分重要的意义。 1.2阶比分析技术的国内外研究现状 1.2.1 阶比的定义 振动分析方法是旋转机械状态监测和故障诊断最广泛和最行之有效的处理方法。阶比分析是振动分析法的一种，其核心是获得相对于参考轴的恒定角度增量釆样（如图1-1)。阶比指旋转参考轴（如主轴等）每旋转一周循环振动的次数。通常，将参考轴的转频（基频）定义为第一阶比。 1.2.2 阶比分析 国内外研究进展根据不同的分类标准可以把阶比分析分为不同的类型。如图1-2所示，根据实现过程不同可以分为硬件式阶比分析和软件式阶比分析；根据转速信号获取方式不同可以分为有转速计的阶比分析和无转速计的阶比分析；根据信号处理方式不同可以分为离线阶比分析和在线阶比分析；从时间角度划分又可以分为传统阶比分析和现代阶比分析。 2阶比分析中时频分析方法的比较研究 阶比分析的关键是通过等角度重釆样去除非平稳旋转机械振动信号中的转速信息，将时域非平稳信号转换为角域周期循环平稳信号。在等角度重采样前首先要获取基准轴的转速信息。转速信息的获取主要有两种方式：一种是利用转速计或光电角度编码盘等专门的鉴相装置直接获取；另一种是利用参考轴瞬时转速和瞬时频率之间的关系间接获取。时-频阶比分析采用后一种转速信息获取方式。时-频阶比分析的最为关键的步骤是时频分析，这是精确计算转速曲线与获取准确阶比谱的基础。本章根据时-频阶比分析中瞬时频率估计的特点，将近年来发展迅速并且具有最佳时