旋转设备基础频率的高次谐波定位方法

摘要

本发明公开了一种旋转设备基础频率的高次谐波定位方法，包括：计算特征频率；将给定基础频率及其对应的理论高次谐波频率位置在图谱上标示；根据给定的基础频率所在频率位置的幅值水平以及其理论谐波位置的幅值水平判断选定的基础频率值是否为真实基础频率所在位置以及对应的高次谐波位置是否正确；根据理论谐波频率位置与图谱上高次谐波位置的重合度，判断高次谐波的定位情况；计算得到的基础频率不能进行高次谐波定位则进行真实基础频率的计算；确定图谱上真实基础频率标示出高次谐波所对应的频率位置点，并对高次谐波定位效果进行判断；若利用真实基础频率仍然无法进行高次谐波定位，选择新的基础频率，进行再次高次谐波的定位。

说明书

技术领域

本发明涉及机械领域，特别是涉及一种旋转设备特征频率计算方法。

背景技术

在对旋转设备的振动信号，特别是故障信号进行分析时，图谱(频谱及包络解调谱， 横坐标为频率)上常常存在谐波丰富的现象，这些谐波的基础频率可以是设备的工作频 率、部件所在轴转频，甚至是各种特征频率(电气相关的特征频率、齿轮啮合频率以及 轴承特征频率等)。假设一个前提，即给出的基础频率与图谱上标示的1倍频位置能够 匹配，那么理论上，当以给定的基础频率作为一倍频进行谐波定位时，各阶谐波的理论 频率位置应该与图谱上各相应的高次谐波位置重合，亦即各谐波频率位置上为幅值高 点。但是在实际操作中，却常常不是这样，主要存在以下两个问题：

1.给定的基础频率往往不是图谱上显示的基础频率；

2.当以图谱上标示的基础频率为1倍频时，所对应的谐波频率位置点往往不是幅 值高点，与图谱上谐波频率位置存在偏差。

现有的高次谐波定位的方法，一般只能通过人为判断找到图谱上的基础频率，一些 旋转设备状态监测的系统软件能自动进行高次谐波的标示，但是这种高次倍频的定位效 果往往不好，已有的方法存在以下几个缺点：

1.完全依赖人工判断，存在较大的主观性，对于经验不丰富的用户(诊断工程师 居多)来说，要在图谱上找到正确的基础频率并不简单。

2.由于理论计算得到的高次谐波所在频率位置与图谱上高次谐波所在频率位置不 重合，导致无法正确判断各高次谐波所对应的阶次数。

3.由于理论高次谐波所在频率位置与图谱上高次谐波频率位置所在点不重合，导 致无法确定某些高幅值点是否为基础频率的高次谐波，还是设备的一些其他特征频率及 其相关频率(边带、谐波)，或者是一些未知意义的谱线。这一切，都将给用户进行设 备故障信号分析带来困难。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种旋转设备基础频率的高次谐波定位方法。

为解决上述技术问题，本发明提供的旋转设备基础频率的高次谐波定位方法，包括：

1)查询设备部件特征系数A_i，其中i为设备部件编号；

2)计算该设备部件特征频率：f_i＝A_i×f_n其中，f_n是该设备部件的工作频率；

3)将给定的基础频率f_b及其对应的理论高次谐波频率位置在图谱上标示；所述图 谱为横坐标是频率的频谱或包络解调谱；当旋转设备为旋转型松动故障时，将工作频率 f_n作为基础频率进行高次谐波定位；当旋转设备为其他故障，比如轴承故障、齿轮故障 时，则将特征频率f_i作为基础频率进行高次谐波定位；

4)对基础频率f_b所在频率位置的幅值水平以及其理论谐波位置的幅值水平进行判 断，若偏低，则说明给定的基础频率值并不是图谱上显示的真实基础频率所在位置，那 么其对应的理论高次谐波位置也就不是图谱上显示的真实谐波频率位置；

判断原则：以给定的基础频率f_b为中心频率，统计(f_b-4，f_b+4)频率范围中所有频 率点的幅值，并将这些幅值从大至小进行排列，若f_b所在频率位置点的幅值排于这些幅 值的前三位(即最大、第二以及第三)，则认为给定的理论基础频率f_b所在频率点为幅 值高点，即为图谱上显示的真实基础频率位置；否则，认为f_b所在频率点不是幅值高点， 即f_b并不是图谱上的真实基础频率，那么f_b的理论谐波位置自然也就不是图谱上真实谐 波对应的频率位置。

5)根据理论谐波频率位置与图谱上高次谐波位置的重合度，对高次谐波的定位情 况进行一个初步判断；

所述初步判断是利用理论基础频率f_b以及其谐波频率计算公式 f_h＝n×f_b,n＝1,2,3...，得到各阶谐波的理论频率值；以判断某阶谐波f_h的定位情况为 例进行定位判断说明：以f_h为中心频率，统计在(f_h-4，f_h+4)频率范围中所有频率点 的幅值，并将这些幅值从大至小进行排列，若f_h所在频率位置点的幅值排于这些幅值的 前三位(即最大、第二以及第三)，则认为计算得到的理论谐波频率f_h即为图谱上显示 的真实谐波频率所在位置，即认为此谐波定位准确；否则，认为谐波定位不准确；

6)当利用理论计算得到的基础频率f_b不能成功进行高次谐波定位时，则进行真实 基础频率f_b′的计算；

7)当确定图谱上真实基础频率f_b′后，图谱上标示出f_b′的高次谐波所对应的频率位 置点(标示的谐波次数可以选择)，并判断高次谐波定位是否准确；

判断高次谐波定位是否准确是利用图谱上真实基础频率f_b′以及其谐波频率计算公 式f_h′＝n×f_b′,n＝1,2,3...，得到各阶谐波的理论频率值；以f_h′为中心频率，统计在 (f_h′-4，f_h′+4)频率范围中所有频率点的幅值，并将这些幅值从大至小进行排列，若f_h′ 所在频率位置点的幅值排于这些幅值的前三位，则认为计算得到的理论谐波频率f_h′即 为图谱上显示的真实谐波频率所在位置，即认为此谐波定位准确；否则，认为谐波定位 不准确；

8)若利用f_b′仍然无法进行高次谐波的准确定位，依次以N*f_b′，N＝2,3，…作为新 的基础频率，进行高次谐波的定位，直到达到高次谐波定位准确为止。

具体操作如下：当以图谱上真实的(N-1)*f_b′为基础频率进行高次谐波定位失败 后，将启用图谱上真实的N*f_b′作为基础频率继续进行高次谐波定位。计算图谱上真实 N*f_b′所在的频率位置则是通过以下方法：虽然以(N-1)*f_b′为基础频率进行高次谐波 定位失败，但是当时使用的基础频率(N-1)*f_b′是通过特征频率计算得到的，其频率 值与图谱上真实(N-1)*f_b′是重合的，因此每基于某个基础频率完成一次高次谐波定 位时，会同时反算出其相应的1倍基础频率f_b″，在进行下一次高次谐波定位时，会依 据f_b″进行新的基础频率理论值的计算，即新的基础频率的理论值为N*f_b″，再在新的基 础频率理论值N*f_b″基础上利用特征频率计算在图谱进行真实基础频率的识别，然后利 用得到的真实基础频率进行相应的高次谐波定位。

完成基础频率高次谐波的定位，且定位效果达到标准之后，能会反算出相应的基础 频率。且若基础频率是电气相关特征频率或者齿轮相关特征频率，能进一步反算得到相 应的设备工作频率，以此作为此时的精确设备工作频率f_n′。

其中，进一步优化上述方法，实施步骤8)N的取值范围小于等于二分之一理论最 高谐波次数。

其中，实施步骤4)、步骤5)和步骤7)时，可统计在(f_k′-3，f_k′+3)频率范围中所 有频率点的幅值。

其中，实施步骤4)、步骤5)和步骤7)时，可统计在(f^k′-5，f^k′+5)频率范围中所有 频率点的幅值。

鉴于现有高次谐波定位方法存在的问题，本发明以某个阶次的基础频率作为新的基 础频率进行高次谐波定位，能达到更好的定位效果。利用低次谐波，向高次谐波逐次逼 近，从而在图谱中准确定位高次谐波，并得到相应的真实基础频率，当基础频率不是设 备工作频率时，甚至可以用其来反算得到精确的设备工作频率(反算设备工作频率的操 作不适用于基础频率为轴承特征频率的情况)，得到的精确设备工作频率可用于进行更 精确的故障信号分析。

通过本发明提出的利用低次谐波定位高次谐波的方法，可以在图谱上定位某些基础 频率(可以是设备的工作频率，也可以是一些特征频率)的高次谐波。且当基础频率为 工作频率、电气相关特征频率、齿轮相关特征频率时，本发明还能反算得到一个精确的 设备工作频率，供进行设备故障诊断时使用。本发明能带来的具体有益效果如下所述：

1.能确切的知道图谱上各高次谐波所对应的阶次数；

2.能通过高次谐波的准确定位，区分图谱中某些与基础频率高次谐波非常相近的高 幅值谱线，而这些谱线往往可能是其他特征频率或者与其相关的频率信息(谐波或者边 带)；

3.当已知轴承特征频率时，通过对非轴承特征频率的高次谐波定位反算得到的精确 设备工作频率f_n′，则可利用f_n′对轴承特征系数的变化量(即将计算得到的轴承特征系 数与相应的出厂轴承特征系数进行比较)进行判断，从而来判断轴承结构是否出现变化， 而这种变化往往预示着轴承故障的存在。

附图说明

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1是本发明实施例的示意图一。

图2是本发明实施例的示意图二。

图3是本发明实施例的示意图三。

具体实施方式

1)查询设备部件特征系数A_i，其中i为设备部件编号；

2)计算该设备部件特征频率：f_i＝A_i×f_n其中，f_n是该设备部件的工作频率；

3)将给定的基础频率f_b及其对应的理论高次谐波频率位置在图谱上标示；所述图 谱为横坐标是频率的频谱或包络解调谱；当旋转设备为旋转型松动故障时，将工作频率 f_n作为基础频率进行高次谐波定位；当旋转设备为其他故障，则将特征频率f_i作为基础 频率进行高次谐波定位；

若给定的基础频率f_b就是精确的基础频率，那么基础频率f_b的高次谐波定位将如图 1所示，即f_b所对应的频率位置点以及相应的高次谐波理论频率位置点均为幅值高点。 但实际上，以给定的基础频率进行高次谐波定位往往得不到理想效果，如图2所示，即 从基础频率开始，一直到高次谐波，所在频率位置都不能与图谱上的真实谐波谱线进行 很好的重合。

4)对基础频率f_b所在频率位置的幅值水平以及其理论谐波位置的幅值水平进行判 断，若偏低，则说明给定的基础频率值并不是图谱上标示的真实基础频率所在位置，且 其对应的高次谐波位置也是不正确的；

所述对幅值水平进行判断是以给定的基础频率f_b为中心频率，统计(f_b-4，f_b+4)频 率范围中所有频率点的幅值，并将这些幅值从大至小进行排列，若f_b所在频率位置点的 幅值排于这些幅值的前三位，则认为给定的理论基础频率f_b所在频率点为幅值高点，即 为图谱上显示的真实基础频率位置；否则，认为f_b所在频率点不是幅值高点，即f_b并不 是图谱上的真实基础频率，那么f_b的理论谐波位置不是图谱上真实谐波对应的频率位 置；

5)根据理论谐波频率位置与图谱上高次谐波位置的重合度，初步判断高次谐波的 定位情况；

所述初步判断是利用给定的基础频率f_b以及其谐波频率计算公式 f_h＝n×f_b,n＝1,2,3...，得到各阶谐波的理论频率值；以f_h为中心频率，统计在 (f_h-4，f_h+4)频率范围中所有频率点的幅值，并将这些幅值从大至小进行排列，若f_h所 在频率位置点的幅值排于这些幅值的前三位，则认为计算得到的理论谐波频率f_h即为图 谱上显示的真实谐波频率所在位置，即认为此谐波定位准确；否则，认为谐波定位不准 确；

6)当利用理论计算得到的基础频率f_b不能成功进行高次谐波定位，则进行真实基 础频率f_b′的计算；

当以特征频率作为基础频率时，真实基础频率f_b′(即图谱上的真实的特征频率) 可以采用以下方式求取：

A)查询设备部件特征系数A_i，其中i为设备部件编号；

B)计算该设备部件特征频率：f_i＝A_i×f_n其中，f_n是该设备的工作频率；

C)在图谱上标示所述设备部件的正向特征频率f_i，即特征频率的理论计算值，以 及与正向特征频率f_i相关联的边带信息、谐波信息；所述图谱为频谱或者是包络解调谱， 图谱横坐标为频率，标示采用如下方式：

在图谱上对应的频率值位置上将正向特征频率f_i标示出来，并且将此频率位置上的 幅值也标示出来；

以正向特征频率f_i为中心频率，在正向特征频率f_i两侧标示携带的相关边带，并标 示边带频率位置上的幅值；

将正向特征频率f_i的谐波，即n×f_i，n＝1,2,3……，所在频率位置标示出来，并 标示相应谐波频率位置处的幅值；

D)若正向特征频率f_i不包含以下三项判断特征中的至少一项，那么得到的正向特 征频率是不准确的，则需要通过特征频率反向估算方法进一步寻找正确的真实特征频 率：

a)特征频率所在位置为幅值高点；

b)特征频率两侧带有一定数量，即至少特征频率的一侧带一条相关频率边带，且 边带必须具有一定的幅值(边带幅值必须大于等于特征频率所在位置幅值的30％)；实施 步骤D)时，判断特征b)的计算依据是基础频率f_n；

c)特征频率有高幅值的谐波；

E)找出距离f_i所在位置f_c(f_c取值范围为5Hz～10Hz)以内,即频率位置范围在 (f_i-f_c,f_i+f_c)之中且所在频率位置为幅值高点的位置为候选特征频率位置找到N个候 选特征频率的频率位置，N≥1,每个候选特征频率标示为f_iN；

F)确定N个候选特征频率后，反向计算每个候选真实特征频率所对应的反向基础 频率并以为基础计算此候选特征频率可能会携带的边带频率存储备用，反向基 础频率的具体计算方法如下：

$F_{n_{\mathrm{iN}}}=F_{n_{\mathrm{iN}}}/A_i;$

G)任意选择一个候选特征频率作为真实特征频率f_iN，在图谱上标示特征频率f_iN、 f_iN可能会携带的所有边带以及f_iN的谐波的位置，并标示相应频率位置处的幅值；

H)确定步骤G)所选定作为真实特征频率的f_iN是否具有步骤D)所述的特征b)～c)； 实施步骤H)时，判断特征b)的计算依据是反向计算得到的反向基础频率

若所选定作为真实特征频率的边带以及谐波至少符合所述的特征b)～c)其中 之一，则说明其为正确的特征频率；且通过其反算得到的基础频率为准确基础频率；

若所选定作为真实特征频率的f_iN边带以及谐波没有符合所述的特征b)～c)中任意 一个，则重复实施步骤G)和步骤H)直到找到正确的特征频率，并得到准确的基础频 率。

7)当确定图谱上真实基础频率f_b′后，图谱上标示出f_b′的高次谐波所对应的频率位 置点，并判断高次谐波定位是否准确；

判断高次谐波定位是否准确是利用图谱上真实基础频率f_b′以及其谐波频率计算公 式f_h′＝n×f_b′,n＝1,2,3...，得到各阶谐波的理论频率值；以f_h′为中心频率，统计在 (f_h′-4，f_h′+4)频率范围中所有频率点的幅值，并将这些幅值从大至小进行排列，若f_h′ 所在频率位置点的幅值排于这些幅值的前三位，则认为计算得到的理论谐波频率f_h′即 为图谱上显示的真实谐波频率所在位置，即认为此谐波定位准确；否则，认为谐波定位 不准确；

8)若利用f_b′仍然无法进行高次谐波的准确定位，依次以N*f_b′，N＝2,3，…作为新 的基础频率，进行高次谐波的定位，直到达到满意的定位效果为止；在实施步骤8)时， 优选N的取值范围小于等于二分之一理论最高谐波次数。

在这边为了方便情况说明，我们假设以2倍的基础频率为新的基础频率进行高次谐 波定位时，能达到很好的定位效果，如图3所示。图中f_b′为上一次标定利用系统特征 频率识别功能得到的真实基础频率，而f_b则为预先给定的基础频率，可以看到两个基础 频率存在一定的偏差。现在，我们以2倍的基础频率(用f_q表示)作为新的基础频率进 行高次谐波定位。以上一级定位时得到的真实基础频率f_b′为基准，求得新的理论基础 频率f_q(f_q＝2×f_b′)，再以f_q为依据，通过系统的特征频率识别功能在图谱上对真实2 倍基础频率所在频率位置f_q′进行定位，最后再以f_q′作为新的基础频率进行高次谐波定 位，如图3可以看到，当以f_q′作为基础频率时，其相应的理论高次谐波频率位置与图 谱上的谐波频谱重合度非常好，达到合格标准：必须所有谐波都能达到定位准确的标准。 各谐波定位准确性的评判标准：对某个谐波频率位置左右4Hz的频率范围内所有频率点 的幅值进行统计，并将这些幅值从大至小进行排列，若谐波所在频率位置点的幅值排于 这些幅值的前三位(即最大、第二以及第三)，则认为计算得到的各个理论谐波频率即 为图谱上显示的真实谐波频率所在位置，即认为谐波定位准确；否则，认为谐波定位不 准确。因此，以f_q′反算得到精确基础频率，甚至进一步反算得到的精确设备工作频率， 在用户进行后续的信号分析时，都具有重大的意义。

以上通过具体实施方式和实施例对本发明进行了详细的说明，但这些并非构成对本 发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员还可做出许多变形和改 进，这些也应视为本发明的保护范围。