旋转机械虚拟式振动信号特征分析仪

　　0　引言

　　振动信号分析一直是旋转机械现代状态监测和故障诊断的重要组成部分。旋转机械故障有许多种形式,其故障原因及特征信号各不相同。对各种故障原因及振动特征信号的分析,是进行准确诊断的必要前提。目前的旋转机械故障诊断主要是基于系统的稳态振动特征[1],没有充分利用升/降速过程中的振动信息,而变速过程的振动信号中往往含有丰富的故障特征信息,这些特征信息是对机械故障进行准确诊断所必需的。

　　1　虚拟式旋转机械振动信号分析仪

　　参照目前国外可进行旋转机械振动信号分析仪器的功能和对未来特征分析的发展趋势,确定了旋转机械振动信号特征分析仪应具有的功能,如图1所示。这些功能可以有效地对旋转机械的转子、结构部件在正常运行过程中引起的稳态振动进行分析,也可对旋转机械的升/降速、瞬态等非稳态过程进行分析。图中虚线框内的内容是重庆大学测试中心在以往虚拟式FFT分析仪、小波变换分析仪等虚拟仪器研发中已开发成功的“软功能库”模块。时频分析功能和阶比分析功能则是在本研究中新研发的“软功能库”模块。在充分分析国内外对旋转机械非平稳信号特征分析的基础上,根据图1所示的功能,把快速发展的时频分析技术和虚拟仪器技术结合起来,研制成功了虚拟式旋转机械振动信号特征分析仪,该仪器的操作面板见图2。

　　该仪器实现了短时傅里叶变换、魏格纳分布、Gabor变换等时频分析功能[2,3],并在此基础上实现了基于瞬时频率估计的旋转机械阶比分析功能。它只需利用旋转机械自身的振动信号,就可实现阶比分析,而不像国内外现有流行的旋转机械分析仪需要使用鉴相装置来直接或间接地实现等角度采样。

　　1.1　时频分析

　　时频分析同时提供了振动信号的时频联合特征,能揭示出信号的局部特性,因此可实现旋转机械非平稳、非线性故障的监测与分析,可对诸如机械松动、油膜涡动、喘振及升/降速等非平稳过程的异常振动进行分析[1]。

　　利用虚拟式旋转机械特征分析仪中集成的时频分析功能可以实现旋转机械振动信号的时频联合特征的有效提取,同时为进一步进行旋转机械的阶比分析提供了技术支撑。

　　1.2　阶比分析

　　阶比分析是旋转机械特征分析中必不可少的重要分析方法,阶比分析的关键是要实现对参考轴的等角度采样和阶比跟踪滤波。传统和现行方法中多使用专门的角度编码盘、跟踪滤波器、转速计等硬件装置,这些硬件装置不仅安装复杂而且成本较高,因此阻碍了阶比分析在工程实际中的广泛应用。目前国外权威公司对旋转机械的噪声和振动分析常用的方法是Vold-Kalman阶比跟踪法,但是它需要转速计等硬件装置。本仪器基于瞬时频率估计的旋转机械阶比跟踪[4],只需直接通过对振动信号自身的时频分布进行处理即可进行阶比分析,在安装上大大简化,弥补了现有仪器在旋转机械非稳定信号分析上对硬件需求的缺陷。