[发明专利]一种旋转机械转速波动无键相阶次跟踪方法

说明书

本发明涉及一种旋转机械转速波动无键相阶次跟踪方法，包括：获取旋转机械的振动加速度信号；进行离散短时傅里叶变换，获取时频表达式；通过双侧快速脊线提取法，估计时频表达式的初始时频脊线；通过变分非线性调频模态分解法，根据振动加速度信号和初始时频脊线，提取信号动态特征；对信号动态特征进行希尔伯特变换和解卷绕计算，获取模态分量的瞬时相位曲线，然后进行等角度重采样，获得角域信号；对角域信号加窗并利用离散傅里叶变换转换至阶次域，进行谱分析并实现故障诊断。与现有技术相比，本发明可以在不借助键相触发器等硬件设备下，消除转速变化导致的频谱模糊的不利影响，有效针对变转速工况显著的旋转机械进行信号处理以及故障诊断。

技术领域

本发明涉及旋转机械故障诊断领域，尤其是涉及一种旋转机械转速波动无键相阶次跟踪方法。

背景技术

旋转机械是工业部门的关键设备，广泛地应用于电力、石化、交通、能源、航空航天等领域，随着现代工业和科学技术的迅速发展，以高速列车传动系统、风力发电机组、航空发动机为代表的旋转机械正朝着体积大型化、设备集中化、系统自动化、控制智能化、运行高速化等方向发展，服役环境更加恶劣，运行工况更加复杂与不稳定，故障失效问题更加尖锐。以广州地铁三年期间列车各系统的故障数据为例，走行部故障占总故障数量的35％，而旋转机械故障占走行部故障的78％以上。

据统计，70％以上的旋转机械故障均为振动形式响应，并且容易测量和获取，振动信号分析已成为一种广泛采用的机械设备状态监测和故障诊断手段，实现恒工况下设备状态监测与故障诊断，其理论框架已经十分丰富、相对成熟。然而，变转速工况几乎涉及到工业、国防、民用等领域中各种关键设备，实际中旋转机械的变转速工作状态几乎无处不在。转速变化会给振动信号带来调幅、调频、调相等非平稳特征，发生严重“频谱模糊”而使得旋转机械振动信号难以分析。近几年，变转速设备的监测与诊断已经成为故障诊断领域关注的焦点之一。

阶次跟踪(OT)是解决转速波动问题最为直接和有效的方法，主要分为硬件阶次跟踪(HOT)，计算阶次跟踪(COT)，无键相阶次跟踪(TLOT)，Vold-Kalman阶次跟踪4类。其中，HOT主要存在需要较多硬件设备、控制电路复杂、成本较高等难点问题；COT主要存在需要键相触发器、计算精度稍差等难点问题；TLOT主要存在仅适用于微弱转速波动、无法获得阶次分量时域波形等难点问题；Vold- Kalman阶次跟踪主要存在计算效率较低、带宽选择不合理等难点问题。

国内有关阶次跟踪技术的发明专利申请有：

公开日为2013年10月16日，公开号为CN103353344A的中国专利中，公开了一种名称为“基于自适应STFT的旋转机械阶次跟踪方法”的发明专利。其利用窗函数尺度自适应的STFT对原始振动信号进行阶次跟踪处理，有效避免了时频域混叠，但是存在着仅适用于微弱转速波动处理的缺陷；

公开日为2016年3月9日，公开号为CN105388012A的中国专利中，公开了一种名称为“基于非线性调频小波变换的阶次跟踪方法”的发明专利。其利用非线性调频小波变换和谱峰最大值搜索获得瞬时频率，然后通过带通滤波、等角度重采样获得阶次谱图，有效地实现信号阶次跟踪处理，但是存在着仅适用于微弱转速波动处理，无法获得相关模态时域波形的缺陷；

公开日为2020年3月17日，公开号为CN110887663A的中国专利中，公开了一种名称为“变工况计算阶次跟踪与谱峭度结合的轴承故障诊断方法”的发明专利。其利用谱峭度、带通滤波和希尔伯特变换获得故障冲击包络信号，并设定脉冲阈值进行计算阶次跟踪处理，有效地在变工况下实现轴承的故障诊断，但是存在需要键相触发器，设定脉冲阈值的缺陷。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在需要硬件设备、计算精度差、仅适用于微弱转速波动、无法提取时域波形的缺陷而提供一种有效地消除变转速带来的“频谱模糊”不利影响，实现变转速工况下旋转机械准确、可靠故障诊断的旋转机械转速波动无键相阶次跟踪方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：