旋转机械非平稳信号特征分析仪开发

杜维康

摘 要：随着我国经济的快速发展，旋转机械不断的增加，而且是企业的关键设备，如果出现失效的情况，就会有巨大的损失，所以有效的的旋转机械信号分析方法是十分重要的，旋转机械特征分析是旋转机械故障诊断和状态监测的重要组成部分，其中振动测试方法又是特征分析的主要手段，现在的测试仪器对平稳振动信号有很完善的测试和分析手段，但是对以升、降速过程为代表的旋转机械非平稳振动信号的特征的分析还有很多的不足，本文介绍新的旋转机械特征分析的虚拟仪器，这仪器在功能上主要包括先进的时频分析技术，提出并实现基于瞬时频率的阶比跟踪、阶比跟踪滤波、阶比分量提取和阶比分析等多项新技术，弥补过去的仪器旋转机械非稳定信号分析上的不足。

关键词：旋转机械；非平衡；信号特征分析仪；开发

一、旋转机械的重要性

现在的机械设备发展向着大型化、高速化、连续化和自动化方向发展、机械设备的功能也不断的增加，性能指标也越来越高，组成和结构也十分的复杂，使得设备的管理和维修人员素质要求很高，现代化机械设备的广泛应用有效的促进生产的发展，有效的提高生产率，改善产品的质量，降低生产成本和改善工人劳动条件，但是也存在一定的危机，当设备出现故障，就会造成严重的经济损失，这就使得机械监测及故障诊断技术和学科的诞生和兴起。由于旋转机械的种类很多，主要是指功能有旋转运行来完成的机械设备，例如汽轮机、发电机组、电动机、离心式压缩机、发动机、给水泵、航空发动机、增速减速用齿轮传动装置的机械设备等，旋转机械故障是指机器的功能失常，例如机器运行失稳、振动和噪声严重、机器的工作转速出现变化、介质的温度压力等出现异常情况。所以应该了解和掌握旋转机械在故障状态下的振动特征，监测机器的运行状态，并且提高诊断故障的准确度。

二、故障诊断技术研究的主要内容

故障诊断技术不得吸收各门科学技术发展的新成果，其中涉及到系统论、控制论、信息论、检测、估计理论、计算机科学等内容，是集数学、物理力学。化学、电子技术、信息处理、人工智能等技术的新的学科，其中故障诊断技术研究的主要内容有故障机理、故障信息处理技术、人工智能技术的应用，对于旋转机械转子动力学问题大部分都是非线性的，由于数学理论和计算条件的限制，会把非线性问题线性化来得到相似的结果，但是会导致严重的误差，随着非线性动力学理论的不断发展和计算机发展速度的提高，对旋转机械系统非线性特征的研究得到人们的重视，并且成为现在旋转机械转子动力学研究的重要课题。

三、虚拟式旋转机械振动信号分析仪

振动信号分析是旋转机械现代状态监测和故障诊断的重要组成，旋转机械故障有很多的形式，使用故障的原因及特征信号也是不同的，对于故障故障原因及振动特征信号的分析，进行准确的判断，现在攥著机械故障诊断主要是对于系统的稳态振动特征，没有充分的利用升/降速过程中的振动信息，对于变速的过程振动信号中会有很多的故障特征信息，这些信息可以对机械故障进行准确的判断，例如稳态振动时的轨迹、频谱，对于同频、倍频、分频的幅值和相位等。

过去的特征分析手段主要是基于离散傅里叶变换，在原理上DFT仅适用于稳定信号，旋转机械在运行的时候，转速是由波动的，尤其是在升、降速阶段十分的明显，这些状态对应的振动信号属于非平稳信号，无法直接的满足傅里叶变换对信号的平稳性要求，所以严格的来说不能适合用早常规的频谱分析法分析，如果人为的应用把这类信号假定为平稳信号进行分析，就会造成很大的误差甚至是错误，国内外对非平稳信号的联合时频分析技术的研究得到快速的发展，尤其是在旋转机械非稳定信号特征分析中具有创新成果和突破的可能。

四、旋转机械特征分析仪

1.仪器操作面板

在对面板机械设计的时候应充分的发挥出计算机强大的显示功能，分析结果显示上采用国外流行的色谱图和叉线光标显示，可以看到信号的整体概况，用叉线光标对色谱图作剖面显示，上面剖面显示的选定频率随着时间的变化，左面剖面显示选定时刻下的瞬时功率谱，具有局部放大、数据截断等功能，而且操作十分的简便直观。

2.阶比分析功能介绍

旋转机械转子部件引起的振动与转速有很大的关系，所以才产生阶比分析技术，其定义为参考轴每转内发生的训话振动次数。

E=循环振动次数/转

阶比与振动频率的关系公式：

对于阶比的分析是可以用在旋转机械升、降速非稳定过程分析的有限的分析手段，所以阶比分析是旋转机械特征分析中重要的分析方法，也是现在人们研究的重点，阶比分析可以实现相对基本转轴的等角度采样和相关的阶比跟踪滤波，过去的方法中一般都是使用硬件角度编码盘、转速计等装置和跟踪滤波，这样会使得在安装的时候十分的复杂，而且成本很高，使其无法广泛的推广应用，但是现在的仪器充分的发挥虚拟仪器的优点，采用时频分析中瞬时频率研究的最新成果，并且把应用在阶比分析中，好处在于不用硬件和安装条件的阶比分析技术，并且取得一定的成果，使得阶比分析不断的简化。

3.时域分析功能介绍

在过去的旋转机械振动信号分析中主要以FFT分析为基础，在分析的时候会假设信号是稳定的，这是一个比较重要的条件，这种方法经过一段时间的检验，主要以信号分析为主，但是信号的稳定性进行假设是不太准确的，有时甚至会影响其结果，当某个磨床工作的时候振动信号用这仪器的短时傅里叶变换时频分析功能谱图显示，信号在过去的频谱分析时假定是稳定的，但是其本身稳定性假设不准确。时频分析的出现提供了解决这一问题的途径，时频分析提供振动信号的时频联合特征，有效的显示出信号的局部特征，所以可以实现旋转机械的非稳定性、非线性故障的监测与分析，可以对机械松动、油膜涡动、喘振及升、降过程进行分析，所以这种方法的应用前景十分的广泛。

4.阶比分析实验

这种仪器采用国外先进的色谱图和叉线光标显示，可以看到信号的整体情况还可以用叉线光标对色谱图作剖面显示，转速阶比谱、阶比谱阵、跟踪阶比谱都可以清晰的显示，实验对象为偏心电机在升、降速阶段使得简支梁结构出现振动，测试信号为加速度信号，安装在机座处，过去采用频率是50kHz，分析时对该信号进行16倍降采样和恒定截止频率抗频混滤波，阶比跟踪滤波时设定的最大分析阶比范围为10阶。

结语：

旋转机械非平稳信号特征分析仪的研发与应用有效的缩短我国在仪器技术领域与国际之间的差距，这仪器有限的弥补现有仪器在旋转机械升、降速等非平稳信号分析方面的不足，弥补过去的仪器在旋转机械非平稳信号分析上对硬件需求，具有很高的应用价值，值得大力推广。

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