[發(fā)明專利]一種變轉(zhuǎn)速下無轉(zhuǎn)速計(jì)的旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障特征提取方法

有效

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• 申請日: 2019-12-13
• 公開（公告）號: CN110907162B
• 公開（公告）日: 2021-10-15
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 朱瑜;金超;晉文靜
• 申請（專利權(quán)）人: 北京天澤智云科技有限公司
• 主分類號: G01M13/00
• 分類號: G01M13/00;G01M13/045;G01M13/021;G01M13/028
• 代理公司: 北京煦潤律師事務(wù)所 11522
• 代理人: 惠磊

本申請涉及一種變轉(zhuǎn)速下無轉(zhuǎn)速計(jì)的旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障特征提取方法，首先采用窄帶濾波方法剔除振動數(shù)據(jù)中的干擾頻率成分和大部分隨機(jī)噪聲，接著采用短時(shí)長滑窗的方法將濾波后的振動數(shù)據(jù)分為多段，進(jìn)而利用匹配追蹤法提取每個(gè)短時(shí)段振動數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)頻或轉(zhuǎn)頻諧波頻率，最終合成振動數(shù)據(jù)整個(gè)時(shí)段的瞬時(shí)轉(zhuǎn)頻或瞬時(shí)轉(zhuǎn)頻諧波頻率。依據(jù)所提取的瞬時(shí)轉(zhuǎn)頻或瞬時(shí)轉(zhuǎn)頻諧波頻率對原始振動數(shù)據(jù)進(jìn)行階次跟蹤分析，實(shí)現(xiàn)無轉(zhuǎn)速計(jì)下變轉(zhuǎn)速機(jī)械的故障特征提取。本發(fā)明所設(shè)計(jì)的方法所提取的瞬時(shí)轉(zhuǎn)頻或瞬時(shí)轉(zhuǎn)頻諧波頻率精度高，在隨機(jī)噪聲干擾小的情況下，所提取的瞬時(shí)轉(zhuǎn)頻或瞬時(shí)轉(zhuǎn)頻諧波頻率精度接近轉(zhuǎn)速計(jì)測量精度，可實(shí)現(xiàn)變轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障特征的精確提取。

技術(shù)領(lǐng)域

本申請涉及一種變轉(zhuǎn)速下無轉(zhuǎn)速計(jì)的旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障特征提取方法，適用于機(jī)械故障預(yù)警的技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

變轉(zhuǎn)速工況是工業(yè)生產(chǎn)中旋轉(zhuǎn)機(jī)械的一種常見工況，如三相異步電機(jī)負(fù)載變化后轉(zhuǎn)速會隨之出現(xiàn)小幅波動、風(fēng)電機(jī)組的變轉(zhuǎn)速運(yùn)行工況、汽輪發(fā)電機(jī)組的啟停機(jī)工況等。目前，振動數(shù)據(jù)分析是識別旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障特征的主要手段，通過對旋轉(zhuǎn)機(jī)械的振動信號分析可識別旋轉(zhuǎn)機(jī)械的大部分機(jī)械部件故障，如軸承磨損、轉(zhuǎn)子不平衡、轉(zhuǎn)子不對中、轉(zhuǎn)子動靜碰磨、支撐松動、齒輪故障、電機(jī)異常電磁振動、葉輪故障等。在識別旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障特征時(shí)，轉(zhuǎn)速信息至關(guān)重要，旋轉(zhuǎn)機(jī)械的眾多故障特征與轉(zhuǎn)速息息相關(guān)。針對定轉(zhuǎn)速設(shè)備，傳統(tǒng)的振動數(shù)據(jù)分析方法對其故障識別十分有效，但針對變轉(zhuǎn)速工況的旋轉(zhuǎn)機(jī)械，由于其轉(zhuǎn)速的不穩(wěn)定，傳統(tǒng)的分析方法很難精確獲取其故障特征，如三相異步電機(jī)負(fù)載變化后，轉(zhuǎn)速會出現(xiàn)小幅波動，依據(jù)預(yù)先設(shè)定的固定轉(zhuǎn)速很可能無法提取到故障特征；風(fēng)電機(jī)組始終在變轉(zhuǎn)速工況下運(yùn)行，直接對風(fēng)電機(jī)組振動數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT頻譜分析將會在故障特征頻率處出現(xiàn)頻率模糊現(xiàn)象，不利于故障特征的精確提取。

對于變轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障特征的精確提取問題，目前較為成熟的分析方法為“階次跟蹤”?！半A次跟蹤”技術(shù)的基本原理是依據(jù)轉(zhuǎn)速信息實(shí)現(xiàn)振動數(shù)據(jù)的等角度重采樣，將時(shí)域非平穩(wěn)振動數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為角域平穩(wěn)振動數(shù)據(jù)。精確獲取瞬時(shí)轉(zhuǎn)速信息是實(shí)現(xiàn)階次跟蹤的核心問題。目前，在獲取瞬時(shí)轉(zhuǎn)速信息的方法主要有如下四種：第一種通過轉(zhuǎn)速計(jì)實(shí)時(shí)采集變轉(zhuǎn)速設(shè)備的轉(zhuǎn)速脈沖數(shù)據(jù)；第二種通過對振動數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)頻域分析如短時(shí)傅里葉變換(STFT)、連續(xù)小波變換(CWT)，在時(shí)頻域中識別設(shè)備的轉(zhuǎn)速信息；第三種方法是通過Hilbert變換提取瞬時(shí)轉(zhuǎn)頻；第四種方法是將振動數(shù)據(jù)分為多段，對多段振動數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜校正，獲得每段振動數(shù)據(jù)的瞬時(shí)頻率，進(jìn)而獲取整個(gè)時(shí)段振動數(shù)據(jù)的瞬時(shí)頻率。

第一種方法優(yōu)點(diǎn)是能夠精確獲取設(shè)備轉(zhuǎn)速信息，效果較好，在實(shí)際中已有應(yīng)用。缺點(diǎn)是依賴轉(zhuǎn)速計(jì)，在無轉(zhuǎn)速計(jì)或者轉(zhuǎn)速脈沖數(shù)據(jù)異常時(shí)該方法將失效。第二種方法優(yōu)點(diǎn)是不依賴轉(zhuǎn)速計(jì)，但該方法受限于高的時(shí)域分辨率和頻域分辨率無法兼得，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速提取結(jié)果不夠準(zhǔn)確。第三種方法優(yōu)點(diǎn)是針對單分量信號，其瞬時(shí)頻率提取精度高，尤其是具有很高的時(shí)間精度，可計(jì)算出原始信號每一時(shí)刻位置對應(yīng)的瞬時(shí)頻率。該方法缺點(diǎn)是，該方法對噪聲十分敏感，當(dāng)振動信號中含有微弱噪聲時(shí)，所提取的瞬時(shí)頻率誤差極大；此外，當(dāng)原始振動信號非整周期截?cái)鄷r(shí)，Hilbert變換方法提取的瞬時(shí)轉(zhuǎn)頻存在“端點(diǎn)效應(yīng)”，瞬時(shí)頻率的首尾部位會出現(xiàn)畸變，不再適用于旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障特征的精確提取。第四種方法的優(yōu)點(diǎn)是，采用頻譜校正方法提取瞬時(shí)頻率時(shí)，當(dāng)所分各段振動數(shù)據(jù)時(shí)長較長時(shí)，可提取到較高精度的瞬時(shí)頻率。但所分?jǐn)?shù)據(jù)段時(shí)間較長時(shí)，對應(yīng)的瞬時(shí)頻率時(shí)間精度會降低。若所分各段振動數(shù)據(jù)時(shí)長較短時(shí)，頻譜中待提取的轉(zhuǎn)頻成分和對應(yīng)的諧波成分將離的十分近，如振動數(shù)據(jù)時(shí)長為一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期時(shí)，其對應(yīng)的轉(zhuǎn)頻和二倍頻緊鄰。此時(shí)采用頻譜校正法無法提取到較高精度的瞬時(shí)頻率。因此，采用頻譜校正的方法提取瞬時(shí)轉(zhuǎn)頻，本質(zhì)上也會存在時(shí)間分辨率和頻率分辨率無法同時(shí)提高的問題。

由此可見，現(xiàn)有的針對無轉(zhuǎn)速計(jì)的變轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障特征提取方法均存在一定的不足，不能滿足實(shí)際需求。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是設(shè)計(jì)一種變轉(zhuǎn)速下無轉(zhuǎn)速計(jì)的旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障特征提取方法，可實(shí)現(xiàn)在無轉(zhuǎn)速計(jì)場景下對變轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障特征進(jìn)行精確提取。

根據(jù)本申請的變轉(zhuǎn)速下無轉(zhuǎn)速計(jì)的旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障特征提取方法，其特征在于，包括以下步驟：