[发明专利]一种基于非线性压缩变换的转子碰摩故障检测方法及系统

说明书

技术领域

本发明涉及旋转机械故障诊断领域，具体涉及一种基于非线性压缩变换的转子碰摩故障检测方法及系统。

背景技术

动静件碰摩是一类常见的旋转机械故障，轻者可引起动静件的摩擦损伤，重者可造成严重的摩擦与碰撞故障。碰摩发生时，一般先是局部碰摩，随着碰摩加剧最终导致整周碰摩。因此，采取有效的信号处理方法及时准确检测碰摩故障对于防止重大碰摩事故的发生，具有重要的实际意义。

传统的碰摩故障信号处理方法通过频谱分析判断是否存在转子系统转频、倍频及其分数频谱的方法判断是否存在碰摩故障。然而，这些特征与转子系统的不平衡、不对中等故障的特征相同或者类似。当发现某个特征存在时，很难定位到转子系统存在碰摩故障。因此，寻找碰摩故障唯一性的振动信号碰摩特征，是有效诊断碰摩故障的关键。

发明内容

针对上述部分问题，本发明提供了一种基于非线性压缩变换的转子碰摩故障的检测方法及系统，用于检测旋转机械中转子系统碰摩故障。

一种基于非线性压缩变换的转子碰摩故障检测方法，所述方法通过对转子系统的振动信号进行非线性压缩变换得到所述振动信号的时频表示，结合所述时频表示计算所述振动信号的瞬时频率，进而进一步计算所述瞬时频率的震荡部分的频谱；假设f_r为所述转子系统的转频，如果所述频谱的最大谱峰位于[0.99f_r，1.01f_r]范围内且幅值超出所述转频的2％，则可判定所述转子系统存在碰摩故障；否则，判定所述转子系统不存在碰摩故障；所述非线性压缩变换包括以下步骤：

S100：计算振动信号的短时傅里叶变换：

上式中，为振动信号x(t)的短时傅里叶变换时频表示结果，其中t为时间变量，f为频率变量，g_σ(t)为短时傅里叶变换的参数化窗函数，σ为尺度参数；

S101：计算振动信号的导数窗短时傅里叶变换：

上式中，为振动信号x(t)的导数窗短时傅里叶变换时频表示结果，g′_σ(t)为短时傅里叶变换的参数化窗函数g_σ(t)的一阶导数，其中σ为尺度参数；

S102：得到振动信号x(t)的非线性压缩变换后的时频表示P_x(t，f)：

一种基于非线性压缩变换的转子碰摩故障检测系统，所述系统包括时频变换装置、脊线搜索装置和故障分析装置；

所述时频变换装置通过对转子系统的振动信号进行非线性压缩变换得到所述振动信号的时频表示，并将所述时频表示传给脊线搜索装置；

所述脊线搜索装置接收所述时频变换装置的时频表示，在所述时频表示中搜索脊线获取瞬时频率，并将所述瞬时频率传给故障分析装置；

所述故障分析装置接收所述脊线搜索装置的瞬时频率，通过计算获取述瞬时频率的震荡部分，利用所述震荡部分的频谱进行分析，如果所述频谱的最大谱峰位于[0.99f_r，1.01f_r]范围内且幅值超出所述转频的2％，则可判定所述转子系统存在碰摩故障；否则，判定所述转子系统不存在碰摩故障；其中f_r为所述转子系统的转频；

所述非线性压缩变换包括以下处理过程：

P100：将所述检测信号变换成信号时频表示；

P101：计算振动信号的短时傅里叶变换：

上式中，为振动信号x(t)的短时傅里叶变换时频表示结果，其中t为时间变量，f为频率变量，g_σ(t)为短时傅里叶变换的参数化窗函数，σ为尺度参数，i是虚数单位；

P102：计算振动信号的导数窗短时傅里叶变换：

上式中，为振动信号x(t)的导数窗短时傅里叶变换时频表示结果，g′_σ(t)为短时傅里叶变换的参数化窗函数g_σ(t)的一阶导数，其中σ为尺度参数；

P103：得到振动信号x(t)的非线性压缩变换后的时频表示P_x(t，f)：

本发明通过提取转子系统碰摩故障时的瞬时频率，通过分析其震荡特征判断故障是否存在。该方法通过提取与转子系统不平衡、不对中等故障不同的震荡瞬时频率特征，判定碰摩故障是否存在，结果快速可靠，简单易行，适用转子的在线健康监测。

附图说明

图1 Bently转子实验台布置示意图；