基于自适应计算阶次跟踪的旋转机械阶次分析系统

摘要

阶次分析技术是旋转机械振动信号分析和故障诊断的重要技术之一，其特点是充分利用转速信息。旋转机械在升、降速阶段产生的振动信号是一基频随时间不断变化的非平稳信号，基于FFT的传统谱分析方法无法有效的提取和分析该阶段的特征信息，而阶次分析技术的出现很好的解决了这一问题。本课题主要围绕这一全新的旋转机械振动信号分析技术而展开。 转速计算是阶次分析中的关键技术之一，本文提出并实现了基于一阶数字微分、单脉冲分段插值的转速计算方法。该方法通过对一阶数字微分计算得到的初始转速进行分段变点数插值，获得每个采样时刻的转速，建立起了转速值同振动幅值的对应关系，为后续的阶次分析打下了基础。 阶次跟踪技术一直是阶次分析的研究重点，本文在比较和分析当前国内外各种阶次跟踪方法优缺点的基础上，结合求解的初始转速和圆周运动学方程，提出并实现了基于圆周运动学方程的自适应计算阶次跟踪技术。该技术根据转速变化的大小，自适应的选择不同的方法进行阶次重采样。在转速变化缓慢时，采用一次线性插值方法；在转速变化大时，采用匀角加速运动方程方法；在转速变化剧烈时，采用三次样条插值的方法来进行阶次跟踪。该方法在保证计算精度要求的同时，提高了计算的执行效率。对阶次重采样后的振动信号作FFT即可得到阶次谱。为了得到阶次谱中感兴趣阶次的时域波形，文章还实现了基于Gabor时频滤波技术的阶次分量提取。 时频谱阵是分析非平稳振动信号的常用方法，但对于旋转机械而言，时频谱阵很难揭示出峰值同转速之间的关系。本文在分析短时傅立叶变换实现原理的基础上，结合计算得到的转速曲线，提出并实现了基于转速时刻加窗的傅立叶变换(FT)算法，为旋转机械转速谱阵计算提供了理论依据。 在深入研究现有阶次分析技术的基础上，根据提出的新观点和新方法，研制和开发了面向旋转机械的阶次分析系统。该系统从运行界面、结果显示到各项算法功能的实现均是利用VC++从底层编程开发完成。现场测试实验分析结果表明本文所提出的阶次分析方法是正确的、有效的，所研发的阶次分析系统功能全面，具有明显的实用价值，为推动阶次分析技术在旋转机械非平稳振动中的应用打下了坚实的基础。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1引言

1.2课题来源

1.3国内外阶次分析技术研究现状

1.3.1阶次跟踪技术研究现状

1.3.2阶次分量提取技术研究现状

1.4课题研究的目的和意义

1.5本文主要研究内容和创新之处

2基于数字微分和单脉冲分段插值的转速曲线算法研究

2.1转速测量的主要方法

2.2基于一阶数字微分和单脉冲分段插值的转速曲线计算

2.2.1转速脉冲到达时刻的计算

2.2.2插值型求导公式计算一阶数字微分

2.2.3一阶数字微分计算初始转速

2.2.4单脉冲分段插值计算转速曲线

2.3基于数字微分和单脉冲分段插值的转速曲线计算流程图

2.4实例分析

2.5本章小结

3基于圆周运动方程的自适应计算阶次跟踪技术研究

3.1目前主要计算阶次跟踪技术

3.1.1基于二次曲线拟合的计算阶次跟踪技术

3.1.3基于三次样条曲线插值的计算阶次跟踪技术

3.2基于圆周运动方程的自适应计算阶次跟踪技术

3.2.1圆周运动方程理论

3.2.2自适应选择拟合方法计算阶次重采样时刻

3.2.3基于圆周运动方程的自适应计算阶次跟踪技术计算流程图

3.3阶次谱分析

3.4阶次分量提取

3.4.1 Gabor变换与展开的简介

3.4.2基于Gabor时频滤波提取阶次分量

3.4.3阶次分量提取的具体步骤及其算法流程图

3.5实例分析

3.6本章小结

4基于转速时窗FT的转速谱阵算法研究

4.1谱分析中窗函数的讨论

4.2 STFT算法原理及其实现

4.2.1连续信号的STFT

4.2.2离散信号的短时傅立叶变换

4.2.3 STFT的算法实现

4.3基于转速时窗FT的转速谱阵算法研究

4.3.1转速时窗FT的转速谱阵理论及其算法实现

4.3.2基于转速时窗FT的转速谱阵计算流程图

4.3.3转速谱阵的特点

4.4实例分析

4.5本章小结

5旋转机械阶次分析系统的研制与开发

5.1系统总体设计

5.2系统软件设计

5.2.1程序控制模块

5.2.2数据采集和参数设置模块

5.2.3数据分析模块

5.2.4数据显示模块

5.3电机升降速实测试验

5.4本章小结

6总结与展望

6.1本课题主要工作总结

6.2后续研究工作和展望

致 谢

参考文献

附 录：