基于瞬时频率轴心轨迹的转子动静碰磨故障诊断方法

摘要

基于瞬时频率轴心轨迹的转子动静碰磨故障诊断方法，在振动测试截面安装两个夹角为90°的位移传感器，采集位移振动信号x(t)和y(t)，分别位移振动信号x(t)和y(t)进行EEMD分解，得到的各模式分量进行频谱分析，分别挑选出以工频分量为主的IMF信号分量IMFx(t)和IMFy(t)，使用直接正交法计算得出瞬时频率IFx(t)和IFy(t)，然后对单分量信号IMFx(t)和IMFy(t)通过归一化分解成调幅和调频信号，将计算得出的X、Y方向一倍转频分量的瞬时频率IFx(t)和IFx(t)合成轴心轨迹，借助轴心轨迹形状，对转子运行状态进行识别，通过弯曲振动信号提取转子转速的瞬时波动信息，并合成瞬时频率轴心轨迹，实现转子碰磨故障的有效诊断，本发明增加了转子动静碰磨等故障诊断的准确性，提高了转子的弯曲振动监测信号的利用率。

说明书

技术领域

本发明涉及旋转机械转子故障诊断技术领域，特别涉及基于瞬时 频率轴心轨迹的转子动静碰磨故障诊断方法。

背景技术

转子碰磨故障引起的振动往往表现出非线性，非平稳特点，是一 类诊断难度很大的故障形式，现有的一些信号分析方法往往不能准 确、直观地对转子碰磨故障进行诊断，特别是早期微弱的碰磨故障的 诊断。

当转子发生沿圆周方向动静碰磨故障时，转子的切向将产生一个 反向摩擦力，力臂为转子半径，从而给转子施加了一个与旋转方向相 反的扭矩，造成了转轴转速的的异常瞬时波动，即转子异常扭振，由 于碰磨故障的弯扭耦合振动特性，转子异常扭振信息会体现在弯曲振 动信号的相位中。扭转振动信号中包含了转子发生碰磨等故障时的故 障信息，将扭振信息加以利用，对诊断转子故障有很大益处，能大大 提高碰磨故障诊断的准确性。由于大多现场运行的旋转设备都未安装 扭振测量装置，意味着无法直接获取旋转设备的扭转振动信息。相比 之下，大多大型旋转设备都已安装转子径向振动监测系统，如能从径 向振动中提取转子瞬时转速信息(即扭振信息)并加以合理利用，将 为动静碰磨类故障的现场诊断提供新的思路，具有重要的工程和经济 效益。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供基于瞬时 频率轴心轨迹的转子动静碰磨故障诊断方法，通过弯曲振动信号提取 转子转速的瞬时波动信息，并合成瞬时频率轴心轨迹，从而实现转子 碰磨故障的有效诊断。

为达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

基于瞬时频率轴心轨迹的转子动静碰磨故障诊断方法，包括以下 步骤：

步骤一，在振动测试截面安装两个夹角为90°的位移传感器， 采集位移振动信号x(t)和y(t)，规定转子旋转过程中第一个经过的测 振位移传感器为X方向传感器，顺转向旋转90°后的另一个测振位 移传感器为Y方向传感器；

步骤二，分别对测得的X、Y方向的位移振动信号x(t)和y(t)进 行EEMD分解，调整EEMD分解参数，避免模式混叠现象的产生；

步骤三，对X、Y方向位移振动信号EEMD分解得到的各模式 分量进行频谱分析，分别挑选出以工频分量为主的IMF信号分量 IMF_x(t)和IMF_y(t)；

由EEMD可知，各IMF必须满足以下两个条件：

a.整个信号上的极值点个数和过零点个数相等或至多相差一个；

b.在任意点处，由所有局部极大值点确定的上包络和由所有局 部极小值点所确定的下包络的均值为零；

上述条件，保证了信号IMF_x(t)和IMF_y(t)分别只包含一个单模式的 振动，从而求出有明确物理意义的瞬时频率；

步骤四，分别对单模式分量信号IMF_x(t)和IMF_y(t)使用直接正交法 计算得出瞬时频率IF_x(t)和IF_y(t)；

对单分量信号IMF_x(t)和IMF_y(t)通过归一化分解成调幅和调频信号， 即，

令：从信号的经验调频分量定义正交函数，

因此，信号的瞬时相位通过下式计算求出：

从而求得信号IMF_x(t)瞬时频率为：

步骤五，将计算得出的X、Y方向一倍转频分量的瞬时频率IF_x(t)和 IF_x(t)合成轴心轨迹，借助轴心轨迹形状，对转子运行状态进行识别，

当转子正常运行时，一倍转频分量的瞬时频率合成轴心轨迹图在 一定区域内呈无规则分布；当转子发生动静碰磨时，工频分量瞬时频 率合成轴心轨迹图呈现“8”字形特性，同时瞬时频率呈现反进动现 象。

相比于现有技术，本发明具有以下优点：

a)本发明的实质在于通过转子的弯曲振动信号提取扭振信息，进 而实现故障判定，提高了转子的弯曲振动监测信号的利用率。

b)相比现有扭振分析技术，本发明无需直接加装扭转振动采集装 置便可完成扭转信息提取，节约了硬件成本。

c)本发明所提出的基于瞬时频率轴心轨迹的转子动静碰磨故障 诊断方法能很好地指示发生动静碰磨的方位，并能根据发生进动方向 反转的严重程度判定转子摩擦故障的严重程度。

附图说明

图1为实施例转子设备结构示意图。

图2为实施例存在碰磨故障的滑动轴承。

图3为实施例原始位移振动信号x(t)的EEMD分解图。

图4为实施例原始位移振动信号y(t)的EEMD分解图。

图5为实施例X方向信号EEMD分解后得到的IMF_x(t)分量信号。

图6为实施例Y方向信号EEMD分解后得到的IMF_y(t)分量信号。

图7为实施例IMF_x(t)分量通过直接正交法求得的瞬时频率IF_x(t)。

图8为实施例IMF_y(t)分量通过直接正交法求得的瞬时频率IF_y(t)。

图9为实施例由IF_x(t)、IF_y(t)合成的瞬时频率轴心轨迹。

图10为该台转子设备正常运行时使用该方法得到的瞬时频率 轴心轨迹。

图11为实施例使用EMD滤波轴心轨迹法得到的滤波轴心轨 迹图。

图12为该台转子设备正常运行时使用EMD滤波轴心轨迹法 得到的轴心轨迹图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细描述。

某化工厂二氧化碳压缩器机机组结构如图1所示，运行一段时间 后机组10#轴承处振动量变大，拆机检修，发现10#滑动轴承上半瓦 有明显碰磨痕迹，如图2所示，高压缸额定工作转速13260rpm (221Hz)。

基于瞬时频率轴心轨迹的转子动静碰磨故障诊断方法，包括以下 步骤：

步骤一，在振动测试截面安装两个夹角为90°的位移传感器， 采集转子发生动静碰磨和正常运行时10#轴承监测截面处的位移振动 信号x(t)和y(t)，规定转子旋转过程中第一个经过的测振位移传感器 为X方向传感器，顺转向旋转90°后的另一个测振位移传感器为Y 方向传感器；

步骤二，对发生碰磨时10#轴承X，Y方向位移振动数据进行EEMD 分解，其中x(t)、y(t)表示X、Y方向原始信号，调整EEMD分解参数， 避免模式混叠现象的产生，分解结果如图3和图4所示；

步骤三，对X、Y方向位移振动信号EEMD分解得到的各模式 分量进行频谱分析，确定X、Y方向振动信号EEMD分解得到的各模 式分量中IMF2主要为一倍转频分量，即IMF_x(t)和IMF_y(t)，如图5和图 6所示；

步骤四，分别对单模式分量信号IMF_x(t)和IMF_y(t)使用直接正交法 计算得出瞬时频率IF_x(t)和IF_y(t)，如图7和图8所示；

步骤五，将计算得出的X、Y方向一倍转频分量的瞬时频率IF_x(t)和 IF_x(t)合成轴心轨迹，得到轴心轨迹图，如图9所示，可以发现，瞬时 频率轴心轨迹图呈现“8”字形特性，且轴心轨迹图中出现进动方向 反转位置(上部)与实际碰磨位置一致，

在滑动轴承与转子无动静碰磨故障时，于相同的测点、同一采样 频率采集10#轴承X、Y方向位移振动信号，对10#轴承X、Y方向位 移振动数据按照上面的步骤进行同样的分析。

参照图10，图10是转子正常运行时由10#轴承X，Y方向位移振 动信号EEMD分解得到的一倍转频分量求解得到的瞬时频率合成的瞬 时频率轴心轨迹图，可以看出当转子正常运行时，一倍转频频分量的 瞬时频率合成轴心轨迹图在一定区域内呈现无规则分布。

参照图11和图12，图11和图12分别是转子发生碰磨故障和正 常运行时由10#轴承X，Y方向位移振动信号EEMD分解得到的一倍转 频分量合成的轴心轨迹图，可以看出转子发生碰磨故障时IMF2(工 频分量)合成轴心轨迹出现明显畸变，但仅依靠该区别，尚无法确认 为转子发生碰磨故障，尤其当转子发生轻微的碰磨时，其对一倍转频 分量合成的轴心轨迹的影响可能并不明显，结合本文所提出的瞬时频 率轴心轨迹图，可进一步确诊。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详 细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属 技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可 以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权 利要求书确定专利保护范围。