[发明专利]一种基于复信号双边谱分析的旋转机械故障诊断方法

说明书

技术领域

本发明属于机械故障诊断技术领域，涉及一种基于复信号双边谱分析的旋转机械故障诊断方法。

背景技术

旋转机械广泛应用于航空、航天、石油、化工、交通、电力等工业生产领域，其可靠运行不仅涉及到企业的经济效益，而且影响到生产的安全性及连续性，因此对于旋转机械的故障预测和诊断的相关研究并及时准确地识别故障萌发与演变，对确保设备平稳运行、减少甚至避免重大安全事故具有相当重要的意义。

设备故障诊断技术70年代初形成于英国，由于其实用性以及为社会和企业带来的效益而受到企业和政府主管部门的重视。随着科学技术的进步和发展，尤其是计算机技术的迅速发展和普及，故障诊断已逐步形成了一门较为完整的新兴交叉综合工程学科。就旋转机械故障诊断其技术而言，振动诊断方法涉及面最广，理论基础最雄厚，研究成果最多也最为成熟。针对振动信号的分析技术主要包括针对平稳信号的相关分析，统计特征分析，频谱分析和针对非平稳信号的时频分析，分形理论，小波变换，阶次分析等新的分析方法。

故障诊断的关键是信号处理及故障特征提取。为了提取故障的特征信息，许多先进的信号处理方法先后发展起来，其中快速傅立叶变换(FFT)是故障诊断中特征提取的主要手段。以傅立叶变换为基础的经典谱分析方法已经成为信息处理中最重要、最基本的技术，目前几乎所有的动态分析仪器都是以它作为核心进行信号处理的。但是，这些方法主要缺点是相位与幅值分离，分析结果不直观；仅以同一截面单一传感器的信息为研究对象，分析结果不准确。针对这一问题，国内外学者先后提出了以同源信息融合为基础的分析方法，其中包括全息谱分析技术、全谱分析技术及全矢谱分析技术，融合后的信息相对于单通道的信息来说，故障特征信息更准确、更可靠。

全谱分析方法的指导思想是：转子在各个谐波的组合作用下的涡动轨迹是一个可以分解成同频率的两正、反进动的正圆的椭圆。全谱图谱的横坐标表示频率，与传统频谱图的不同之处在，它的频率有正负频率之分；其纵坐标表示在各正负频率下进动圆的半径。正频率表示正进动，负频率表示反进动。全谱分析方法可以迅速得识别进动方向，进而得到转子振动的全貌，图谱分辨率高，但是由于图谱中表示的是正反进动圆的半径，而不是椭圆轨迹的长、短半轴，因而不能准确表达出各谐波下的振动强度，也不便进行能量分析。

全息谱技术的指导思想为：转子的涡动是由各谐波频率下的组合作用而形成的，各个谐波频率的真实运动轨迹都是一个椭圆。全息谱的核心方法是将转子的一个支撑面内X，Y两个方向信号分别做FFT变换，并利用其单边谱然后集成两个方向的幅值谱和相位谱，得到其轴心轨迹。从全息谱分析方法最终所得的图谱来看，其图很是直观且较为形象，它能够较真实地描述了转子在各个谐波频率下的涡动状况。但全息谱分析方法也有其局限性，由于其图谱都是用椭圆的形式来表示转子的涡动情况的，故此在其图谱中，我们看到的是一个一个的椭圆，由于一张图谱中不可能画太多的椭圆，也就是说利用全息谱分析方法所得的图谱的分辨率不会太高；另外，如果某一个频率上的振动比较剧烈或者特征频率点较多时，也就是说特征频率差别较小时，所得到的图谱中将会出现很多杂乱无章的椭圆，且可能它们会交叠在一起，这就使得对特征频率的辨别很难判断，同时也不易对其进行能量上的分析。

全矢谱很好地继承了全谱和全矢谱的长处，并有效的弥补了两者的不足。全矢谱的指导思想是：转子的涡动现象是由各谐波下的组合作用而产生的，转子在各阶谐波频率下的涡动强度是对其进行故障诊断和识别的基本依据。其涡动轨迹是一系列的椭圆，定义椭圆的长半轴作为主振矢，短半轴作为副振矢，长半轴与x轴之间的夹角为振矢角，转子的轴心沿该椭圆轨迹运动时的相位角为矢相位。全矢谱的核心方法是先将转子X，Y方向的信号合成一个单复信号，然后对此复信号做FFT变换，并从复信号幅值谱相位谱提取出X，Y方向的单边谱，并进行合成。全矢谱的图谱具有和传统图谱一样好的频率分辨率以及动态特性，并且还可以做能量分析。但是，全息谱和全矢量谱有一个共同的缺点。就是，只使用了X，Y的单边谱，只对其正频率谱进行合成，这样导致获取某些故障特征参数十分困难，且计算复杂。

负频率信息具有明确的物理意义，而且对于旋转机械来说，是十分重要的信息。因此，本发明提出一种基于复信号双边谱分析的旋转机械故障诊断技术，该技术的特点是将振动信号处理成复信号，并直接对其做FFT变换，得到不对称的双边谱。利用正、负半轴频谱直接获取故障参数。经过多次实验及理论研究发现，运用复信号双边谱技术可以更简单更直接得到现有的所有FFT故障诊断的参数。

发明内容