旋轉機械非平穩信號特征分析儀開發

杜維康

摘 要：隨著我國經濟的快速發展，旋轉機械不斷的增加，而且是企業的關鍵設備，如果出現失效的情況，就會有巨大的損失，所以有效的的旋轉機械信號分析方法是十分重要的，旋轉機械特征分析是旋轉機械故障診斷和狀態監測的重要組成部分，其中振動測試方法又是特征分析的主要手段，現在的測試儀器對平穩振動信號有很完善的測試和分析手段，但是對以升、降速過程為代表的旋轉機械非平穩振動信號的特征的分析還有很多的不足，本文介紹新的旋轉機械特征分析的虛擬儀器，這儀器在功能上主要包括先進的時頻分析技術，提出并實現基于瞬時頻率的階比跟蹤、階比跟蹤濾波、階比分量提取和階比分析等多項新技術，彌補過去的儀器旋轉機械非穩定信號分析上的不足。

關鍵詞：旋轉機械；非平衡；信號特征分析儀；開發

一、旋轉機械的重要性

現在的機械設備發展向著大型化、高速化、連續化和自動化方向發展、機械設備的功能也不斷的增加，性能指標也越來越高，組成和結構也十分的復雜，使得設備的管理和維修人員素質要求很高，現代化機械設備的廣泛應用有效的促進生產的發展，有效的提高生產率，改善產品的質量，降低生產成本和改善工人勞動條件，但是也存在一定的危機，當設備出現故障，就會造成嚴重的經濟損失，這就使得機械監測及故障診斷技術和學科的誕生和興起。由于旋轉機械的種類很多，主要是指功能有旋轉運行來完成的機械設備，例如汽輪機、發電機組、電動機、離心式壓縮機、發動機、給水泵、航空發動機、增速減速用齒輪傳動裝置的機械設備等，旋轉機械故障是指機器的功能失常，例如機器運行失穩、振動和噪聲嚴重、機器的工作轉速出現變化、介質的溫度壓力等出現異常情況。所以應該了解和掌握旋轉機械在故障狀態下的振動特征，監測機器的運行狀態，并且提高診斷故障的準確度。

二、故障診斷技術研究的主要內容

故障診斷技術不得吸收各門科學技術發展的新成果，其中涉及到系統論、控制論、信息論、檢測、估計理論、計算機科學等內容，是集數學、物理力學。化學、電子技術、信息處理、人工智能等技術的新的學科，其中故障診斷技術研究的主要內容有故障機理、故障信息處理技術、人工智能技術的應用，對于旋轉機械轉子動力學問題大部分都是非線性的，由于數學理論和計算條件的限制，會把非線性問題線性化來得到相似的結果，但是會導致嚴重的誤差，隨著非線性動力學理論的不斷發展和計算機發展速度的提高，對旋轉機械系統非線性特征的研究得到人們的重視，并且成為現在旋轉機械轉子動力學研究的重要課題。

三、虛擬式旋轉機械振動信號分析儀

振動信號分析是旋轉機械現代狀態監測和故障診斷的重要組成，旋轉機械故障有很多的形式，使用故障的原因及特征信號也是不同的，對于故障故障原因及振動特征信號的分析，進行準確的判斷，現在攥著機械故障診斷主要是對于系統的穩態振動特征，沒有充分的利用升/降速過程中的振動信息，對于變速的過程振動信號中會有很多的故障特征信息，這些信息可以對機械故障進行準確的判斷，例如穩態振動時的軌跡、頻譜，對于同頻、倍頻、分頻的幅值和相位等。

過去的特征分析手段主要是基于離散傅里葉變換，在原理上DFT僅適用于穩定信號，旋轉機械在運行的時候，轉速是由波動的，尤其是在升、降速階段十分的明顯，這些狀態對應的振動信號屬于非平穩信號，無法直接的滿足傅里葉變換對信號的平穩性要求，所以嚴格的來說不能適合用早常規的頻譜分析法分析，如果人為的應用把這類信號假定為平穩信號進行分析，就會造成很大的誤差甚至是錯誤，國內外對非平穩信號的聯合時頻分析技術的研究得到快速的發展，尤其是在旋轉機械非穩定信號特征分析中具有創新成果和突破的可能。

四、旋轉機械特征分析儀

1.儀器操作面板

在對面板機械設計的時候應充分的發揮出計算機強大的顯示功能，分析結果顯示上采用國外流行的色譜圖和叉線光標顯示，可以看到信號的整體概況，用叉線光標對色譜圖作剖面顯示，上面剖面顯示的選定頻率隨著時間的變化，左面剖面顯示選定時刻下的瞬時功率譜，具有局部放大、數據截斷等功能，而且操作十分的簡便直觀。

2.階比分析功能介紹

旋轉機械轉子部件引起的振動與轉速有很大的關系，所以才產生階比分析技術，其定義為參考軸每轉內發生的訓話振動次數。

E=循環振動次數/轉

階比與振動頻率的關系公式：

對于階比的分析是可以用在旋轉機械升、降速非穩定過程分析的有限的分析手段，所以階比分析是旋轉機械特征分析中重要的分析方法，也是現在人們研究的重點，階比分析可以實現相對基本轉軸的等角度采樣和相關的階比跟蹤濾波，過去的方法中一般都是使用硬件角度編碼盤、轉速計等裝置和跟蹤濾波，這樣會使得在安裝的時候十分的復雜，而且成本很高，使其無法廣泛的推廣應用，但是現在的儀器充分的發揮虛擬儀器的優點，采用時頻分析中瞬時頻率研究的最新成果，并且把應用在階比分析中，好處在于不用硬件和安裝條件的階比分析技術，并且取得一定的成果，使得階比分析不斷的簡化。

3.時域分析功能介紹

在過去的旋轉機械振動信號分析中主要以FFT分析為基礎，在分析的時候會假設信號是穩定的，這是一個比較重要的條件，這種方法經過一段時間的檢驗，主要以信號分析為主，但是信號的穩定性進行假設是不太準確的，有時甚至會影響其結果，當某個磨床工作的時候振動信號用這儀器的短時傅里葉變換時頻分析功能譜圖顯示，信號在過去的頻譜分析時假定是穩定的，但是其本身穩定性假設不準確。時頻分析的出現提供了解決這一問題的途徑，時頻分析提供振動信號的時頻聯合特征，有效的顯示出信號的局部特征，所以可以實現旋轉機械的非穩定性、非線性故障的監測與分析，可以對機械松動、油膜渦動、喘振及升、降過程進行分析，所以這種方法的應用前景十分的廣泛。

4.階比分析實驗

這種儀器采用國外先進的色譜圖和叉線光標顯示，可以看到信號的整體情況還可以用叉線光標對色譜圖作剖面顯示，轉速階比譜、階比譜陣、跟蹤階比譜都可以清晰的顯示，實驗對象為偏心電機在升、降速階段使得簡支梁結構出現振動，測試信號為加速度信號，安裝在機座處，過去采用頻率是50kHz，分析時對該信號進行16倍降采樣和恒定截止頻率抗頻混濾波，階比跟蹤濾波時設定的最大分析階比范圍為10階。

結語：

旋轉機械非平穩信號特征分析儀的研發與應用有效的縮短我國在儀器技術領域與國際之間的差距，這儀器有限的彌補現有儀器在旋轉機械升、降速等非平穩信號分析方面的不足，彌補過去的儀器在旋轉機械非平穩信號分析上對硬件需求，具有很高的應用價值，值得大力推廣。

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