[发明专利]一种旋转机械时变全息特征表达方法及系统

说明书

本发明公开了一种旋转机械时变全息特征表达方法及系统，包括：等时间间隔采集转子选定截面上的两路相互垂直的径向振动位移信号，并同步采集转速信号；确定所要提取的特征阶次；利用时变相位解调和时变滤波，从两路相互垂直的径向振动位移信号中，将所要提取的特征阶次分离为单一的时变频率分量信号；对于每一特征阶次，将两路相互垂直的径向振动位移信号合成，构造随时间变化的三维螺旋线；将各阶次对应的三维螺旋线按阶次排列，构造水平径向振幅、垂直径向振幅、时间、阶次的四维时变全息谱；将阶次轴与水平方向位移轴合并，将四维时变全息谱表达为三维可视化螺旋线的组合。本发明增强了时变特征表达能力，适用于转速随时间任意变化的运行工况。

技术领域

本发明涉及旋转机械故障诊断技术领域，特别涉及一种非平稳运行工况下的旋转机械时变全息特征表达方法及系统。

背景技术

大型旋转机械运行状态监测与故障诊断，是保障装备安全运行的重要手段。为了从实测振动信号中准确提取状态信息，常用的特征提取方法主要分为时域特征、频域特征两类。然而，时域特征如波形、时域指标等虽然能反映信号强弱关系，但仅基于振动强弱难以准确判断故障位置及成因；频域特征如傅里叶频谱、包络谱等能够反映不同频率成分的信息，但与时间特征剥离，只能反映信号的某个侧面特征。全息谱分析集成了大型旋转机械在两个相互垂直方向的幅值、频率、相位信息，克服了传统诊断方法的片面性，在电力、石油化工行业的装备状态监测与故障诊断中应用尤为广泛。

二维全息谱和全息瀑布图是两种最常用的全息谱分析方法。其中，二维全息谱将转子某截面测得的两路相互垂直的振动信号分别进行傅里叶频谱分析，对应提取主要频率分量的幅值和相位，再将两通道特征复合处理，得到各频率分量对应的二维振动轨迹，将这些振动轨迹按频率顺序排列在一张谱图中，即得到二维全息谱。二维全息谱合并了两通道信号的幅值谱和相位谱信息，不仅反映了两个方向上振动信号的幅值，也反映了它们之间的相位关系，椭圆的偏心率和长轴方向不同程度地表征了该分量的振动特性。然而，该方法仅适用于恒定运行工况下的特征提取，所用的基于傅里叶频谱分析的合成方法无法提取时变信息，且二维振动轨迹无法描述振动特性随时间变化的细节。

全息瀑布图的实质是升速或降速时，各转速下二维全息谱的叠置。中国发明专利CN 103728123 B公开了一种起停机工况下的全息瀑布图构造方法，该方法利用Kalman滤波原理，将不同转速阶次成分提取为独立信号，对每一个阶次信号通过分别计算各个转速频率对应的两路垂直振动信号的幅值与相位，构造该频率下的全息椭圆，并将不同转速下的全息椭圆按转速频率大小排列，即得到全息瀑布图。该方法实质上是一系列二维图形的叠置，因此仅适用于转速单调变化的起停机工况。当转速随时间任意变化时，不同转速下的全息椭圆相互重叠，无法准确辨识时变特征。此外，基于Kalman滤波的不同转速阶次成分提取方法依赖于复杂的多参数优化，实际计算量大、耗时长，且效果和准确性依赖于人为设置的权重参数，对于不同转速变化工况的信号，权重参数的差异造成额外误差，削弱了两路垂直振动信号的幅值和相位信息合成效果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种旋转机械时变全息特征表达方法及系统，能够适用于任意时变运行工况的时变全息谱构造，并避免Kalman滤波引入的潜在误差，从而灵活完整地表达转子的时变振动特性。

为解决上述技术问题，本发明的实施例提供如下方案：

一方面，提供了一种旋转机械时变全息特征表达方法，包括以下步骤：

S1、等时间间隔采集转子选定截面上的两路相互垂直的径向振动位移信号，并同步采集转速信号；

S2、确定所要提取的特征阶次；

S3、利用时变相位解调和时变滤波，从两路相互垂直的径向振动位移信号中，将所要提取的特征阶次分离为单一的时变频率分量信号；

S4、对于每一特征阶次，将两路相互垂直的径向振动位移信号合成，构造随时间变化的三维螺旋线；