[發(fā)明專利]變速工況下設備振動信號早期故障分析和特征提取方法

在審

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• 申請日: 2020-12-24
• 公開（公告）號: CN112781709A
• 公開（公告）日: 2021-05-11
• 發(fā)明（設計）人: 陳蔚
• 申請（專利權）人: 上海核工程研究設計院有限公司
• 主分類號: G01H1/00
• 分類號: G01H1/00;G01M13/04
• 代理公司: 上海精晟知識產權代理有限公司 31253
• 代理人: 劉寧

本發(fā)明公開了一種變速工況下設備振動信號早期故障分析和特征提取方法，包括同步高速采集設備振動信號和轉速脈沖信號，高頻振動信號包絡提取，識別轉速脈沖信號脈沖沿時標，瞬時轉動頻率估計，計算角度域采樣時間序列，振動包絡信號數字跟蹤抗混疊濾波，原始振動包絡信號階比跟蹤采樣，比包絡信號FFT分析。有效解決了變轉速工況下軸承、齒輪箱等設備早期故障信號分析和故障特征提取問題，提高了信號分析精度和故障診斷準確性。

技術領域

本發(fā)明屬于設備故障分析技術領域，特別是涉及核電行業(yè)生產現(xiàn)場轉動設備狀態(tài)監(jiān)測、預測性維護及故障診斷領域。

背景技術

滾動軸承、齒輪箱等設備的振動信號具有時變性、強噪聲、頻率成分復雜的特點，頻譜中既包含齒輪箱部件(太陽輪、行星輪、齒圈等)、軸承部件(內圈、外圈、滾動體等)自身的特征頻率，又包含各個齒輪副的嚙合頻率，以及動力輸入和負載設備的振動耦合信息。

齒輪箱及軸承部件早期缺陷會產生微弱的周期性沖擊脈沖信號，這些脈沖信號的抗干擾能力弱，穩(wěn)定性不高，往往被掩蓋在背景信號及噪聲下，并且還會形成信號調制，不容易被提取和識別。在二十世紀七十年代左右，技術人員提出了共振解調方法，通過對采集的振動信號進行高頻帶通濾波，利用希爾伯特變換提取信號包絡，對包絡信號進行快速傅里葉變換，計算得到沖擊脈沖信號的沖擊周期頻率，結合軸承及齒輪箱部件的結構，識別故障特征進而確定軸承、齒輪箱是否有故障，屬于哪種故障類型。

共振解調技術很好的解決了齒輪箱及軸承設備在恒轉速運行工況下的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷問題，在工業(yè)領域得到了廣泛應用。但是工業(yè)現(xiàn)場設備運行工況復雜，經常會遇到變轉速、變工況等非穩(wěn)態(tài)環(huán)境，傳統(tǒng)的共振解調技術應用效果不佳，需要采用新的振動信號分析技術，解決變速工況下軸承、齒輪箱類設備的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷難題。

發(fā)明內容

本發(fā)明提供一種變速工況下設備振動信號早期故障分析和特征提取方法，解決工業(yè)現(xiàn)場軸承、齒輪箱設備變轉速工況下的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷問題，所述方法如下：

步驟1)同步高速采集設備振動信號和轉速脈沖信號，采用較高的采樣頻率，經過ADC模塊同步采集轉動設備的一路轉速脈沖信號和多路振動信號；

步驟2)高頻振動信號包絡提取，采用數字帶通濾波器對所述高頻振動信號進行帶通濾波，剔除振動幅值較大低頻和高頻背景信號，對帶通濾波后得到的振動信號應用共振解調技術提取信號包絡波形；

步驟3)識別轉速脈沖信號脈沖沿時標，對所述轉速脈沖信號進行閾值檢波，由設定的鍵相脈沖閾值，準確識別和記錄鍵相脈沖信號上升沿或下降沿的到達時刻t0、t1、t2…tN；

步驟4)瞬時轉動頻率估計，由所述轉速脈沖時標計算兩個脈沖間的時間差，dt0＝t1-t0，dt1＝t2-t1，…，dtN-1＝tN-tN-1，通過數字微分方法計算得到轉速rpm和瞬時轉動頻率f；

步驟5)計算角度域采樣時間序列，確定角度域等角度采樣階比數M，即轉子每轉動一周需要等角度采集的樣本個數；由所述轉速脈沖信號脈沖沿時標和等角度采樣階比數通過插值計算得到角度域等角度采樣時間序列；

步驟6)振動包絡信號數字跟蹤抗混疊濾波，對所述步驟2)提取的原始振動包絡信號進行數字抗混疊濾波，所述數字抗混疊濾波的濾波器截止頻率由所述步驟4)計算得到瞬時轉頻和所述步驟5)中的采樣階比數M確定；

步驟7)原始振動包絡信號階比跟蹤采樣，按照所述步驟5)計算得到的所述角度域采樣時間序列，對所述步驟6)濾波后的所述原始振動包絡信號進行數字重采樣，得到角域等角度振動包絡波形信號；

步驟8)比包絡信號FFT分析，對所述階比跟蹤采樣的所述等角度包絡波形信號進行FFT計算，得到振動包絡信號階比譜，應用所述包絡信號階比譜實現(xiàn)軸承、齒輪箱故障特征頻率成分計算，通過對這些特征頻率的監(jiān)測，完成故障預警和診斷功能。