第28卷第6期2008年12月地 震 工 程 与 工 程 振 动JOURNAL OF E ART HQUAKE E NGI N EER I N G AND E NGI N EER I N G V I B RATI O N Vol .28No .6Dec .2008收稿日期:2007-11-05; 修订日期:2008-01-20 基金项目:国家自然科学基金项目(50675105) 作者简介:赵晓平(1977-),女,博士研究生,主要从事动态测试与模拟仪器研究.E 2mail:xp_zhao@文章编号:100021301(2008)0620213207旋转机械阶比跟踪技术研究进展综述赵晓平1,张令弥1,郭勤涛2(1.南京航空航天大学振动工程研究所,江苏南京210016; 2.南京航空航天大学机电学院,江苏南京210016)摘要:阶比跟踪是一种用于旋转类机械系统动态设计、故障诊断和状态监测的重要方法。
阐述了阶比跟踪的国内外发展及技术情况。
对阶比跟踪算法从不同的角度进行了分类,并对各种旋转机械阶比跟踪技术的优缺点进行了详细的分析和比较,以表格的形式进行了系统的描述。
展望了阶比跟踪算法研究的主要发展方向。
关键词:旋转机械;阶比跟踪;研究现状;综述中图分类号:T460.99 文献标志码:AAdvances and trends i n rot a ti ona l mach i n e order track i n g m ethodologyZHAO Xiaop ing 1,Z HANG L ing m i 1,G UO Q intao 2(1.I nstitute of V ibrati on Engineering,Nanjing University of Aer onautics and A str onautics,Nanjing 210016,China;2.College ofMechanical and Electrical Engineering,Nanjing University of Aer onautics and A str onautics,Nanjing 210016,China )Abstract:O rder tracking (OT )is an i m portant method for dyna m ic design,fault diagnosis and conditi on monit oring in r otating machinery .I n combinati on with the most recent advances in domestic and internati onal OT methodol o 2gies,OT algorith m s are categorized syste matically according t o different ways .The detailed analyses and compari 2s ons are made t o account f or all kinds of OT algorith m s in table .Some possible directi ons in OT algorithm research are pointed out .Key words:r otati onal machine;order tracking;recent status;su mmarizati on引言旋转机械是各种类型机械设备中数量最多、应用最广泛的一类机械,如电动机、离心式风机、水泵以及各种加工机床等。
特别是一些大型旋转机械,如离心式压缩机、气轮机、球磨机、大型钻机等在石化、电力、冶金等支持国家经济命脉的一些工业部门是属于关键设备,一旦发生故障其造成的损失及影响将是十分严重的[1]。
20世纪80年代许多发达国家开始研制旋转机械的状态监测及故障诊断系统,并很快在工业上得到应用。
目前,专用的旋转机械特征分析仪有丹麦B&K 公司的7702型阶比分析仪和美国本特利(Bently )公司的大型旋转机械振动监测系统。
更普遍的是带有一定旋转机械特征分析功能的通用动态信号分析仪或FFT 分析仪,如美国安捷伦(Agilent )公司的35670A 动态信号分析仪、美国迪飞公司(Data Physics )的ACE 动态信号分析仪及法国OROS 的动态信号分析仪等,国内主要的有扬州联能的动态信号分析仪和东方所的DASP 等。
这些动态信号分析仪的特点是:对平稳振动信号具有较强的分析功能,有的还包括了瀑布图、阶比分析等部分非平稳信号分析功能[2]。
因此,目前旋转机械故障诊断主要是基于系统的稳态振动特征,如稳态振动时的轨迹、频率,同频、倍频、分频的幅值和相位等,还没有充分利用升、降速过程中的振动信息。
而旋转机械的升、降速振动信号是典型的非稳定变频信号,振动信息中往往包含有丰富的故障特征,这些特征是准确诊断机械故障所必需的。
如果将其看作平稳信号直接进行频谱分析将产生严重的“频率模糊”,从而会导致较大的误差甚至错误。
因此在旋转机械的故障诊断中,对升、降速阶段的分析有特别的意义[3]。
振动分析法是对旋转类机械系统进行结构、故障分析和状态监测最为广泛、也是最行之有效的方法[4]。
阶比跟踪是振动分析法的一种,其技术核心在于获得相对参考轴的恒定角增量采样数据,即实现等角度采样。
这在实施上需要能准确获得阶比采样的时刻及相应的基准转速(或频率),即实现阶比跟踪(order tracking )。
近年来,国内外研究人员提出了各种阶比跟踪算法,主要有:建立在角域采样理论上的传统计算阶比跟踪(COT );现代的阶比跟踪有Vold -kal m an 阶比跟踪(VKF_OT )、短时傅里叶变换阶比跟踪(STFT_OT )及Gabor 阶比跟踪(G OT )等。
目前国内外商业软件中应用最多的仍然是传统计算阶比跟踪。
1 阶比跟踪阶比跟踪即为从复信号中提取瞬时频率和对谐波成分调幅的一种方法。
因此,阶比跟踪的关键即为瞬时频率的提取。
频率(f )与转速的关系为:f =R /60(1)式中R 为参考轴转速(PR M /m in ),f 为参考轴的旋转频率。
但在分析中常以某基轴转速为基准,相对于基轴转速的倍数X ,称为阶比。
表示为:X =R i /R (2)式中,R 同式(1),R i 为旋转机械的转速。
从式(1)(2)中不难看出,阶比能很好地表示与转速有关的振动。
阶比分析得到的结果相对于频域来说又叫阶比域,在数学上两者是一样的,但在物理意义上又有所不同。
阶比域中的分辨率ΔO =2πR =2πN Δθ,其中ΔO 为阶比分辨率,R 为参考轴转速,N 表示重采样点数,Δθ为恒定角增量;采样阶比O samp le =N ΔO =2πΔθ;Nyquist 阶比O N yquist =O max =O samp le 2。
图1 变频信号的功率谱和阶比谱对比Fig .1 Comparis on bet w een power s pectru m and order s pectru m412地 震 工 程 与 工 程 振 动 第28卷为了便于说明对旋转机械升、降速过程的非平稳信号进行阶比分析的重要性,以传统的重采样阶比跟踪为例,在MAT LAB平台上仿真了一组0～20Hz的正弦扫频信号与转速脉冲信号,以此来描述旋转机械启动升速过程的重采样阶比跟踪过程。
图1(a)为仿真的转子振动信号,图1(b)是直接对转子振动信号的FFT分析结果;出现了明显的“频率模糊”现象,因此,传统的FFT分析不适合分析非平稳信号。
图1(c)为对原始的振动信号进行了角域的重采样,从而转变为角域的正弦信号;对角域的振动信号进行阶比分析的结果只有在阶比1处有一个峰值,无论转速怎么变化,都只有一个峰值,从图1(d)可以很清楚地看到这一阶的振动大小。
目前,现代的阶比跟踪算法,有些采用的不是重采样阶比跟踪。
例如Gabor阶比跟踪(G OT)、Kal m an阶比跟踪(VKF_OT)。
2 阶比跟踪算法图2 阶比跟踪算法分类Fig.2 Categorized OT algorith ms图3 现代阶比跟踪算法分类Fig.3 Categorized modern OT algorith m s 传统的阶比跟踪算法主要有硬件阶比跟踪和计算阶比跟踪两种,目前国内外主要采用的仍然是计算阶比跟踪。
现代阶比跟踪技术分为两类:一类是可以对波形进行重构的阶比跟踪技术;另一类是不能进行波形重构的阶比跟踪技术。
第一类能够对被分析信号在时间频率(阶比)平面进行分析,但不能对特定的信号进行波形重构。
基于重采样的计算阶比跟踪阶比跟踪技术则属于不能进行波形重构的阶比跟踪技术。
然而,可以进行波形重构的阶比跟踪算法,则能够对某个特定阶比或频谱信号进行时域信号的重构。
例如,基于角速度和角位移的Vold2Kal m an滤波器和Gabor阶比跟踪算法都属于此类。
2.1 传统的阶比跟踪(1)硬件阶比跟踪算法传统的硬件阶比跟踪算法直接通过模拟设备实现对模拟的振动信号进行恒定角增量(Δθ)采样。
该方法通常包括一个采样率合成器和一个抗混叠跟踪滤波器,也可用一个频率计数器来监测轴的转速。
常规的同步采样数据靠特定的硬件装置获得,例如可以通过安装光电脉冲角度编码盘或转速计得到的转速信号来控制采样,该装置可调节采样速率,使振动信号的采样对应恒定的角增量。
跟踪滤波器等硬件不但结构复杂、价格昂贵,而且在旋转机械转速变化快时,其跟踪精度得不到保证,因而限制了其在工程实际中的广泛应用。
(2)计算阶比跟踪算法计算阶比跟踪是HP公司的Potter开发的[5],其实现思想是对振动信号和转速信号单独采样,并通过数字信号处理算法用软件实现等角度间隔采样,这个过程即计算阶比跟踪(Co mputed order tracking)法,简称COT法。
重采样的计算阶比跟踪算法的核心是对旋转机械升、降速振动信号相对于参考轴进行恒角度增量512第6期 赵晓平等:旋转机械阶比跟踪技术研究进展综述采样,此类时域非稳定信号在角度域则成为稳定信号,再对角度域的稳定信号进行谱分析即可得到清晰的阶比谱图,图中的每一根谱线反映了旋转机械振动信号中以振动频率为参考轴的倍数和振动幅值的大小,称为阶比分量。
和硬件阶比跟踪方法相比较,计算阶比跟踪法的转速测量装置大大简化,安装也更加方便,从而成为目前旋转机械阶比跟踪应用最广泛的一种方法,并成为B &K 、A gilent 等著名测试仪器产品的功能。
虽然COT 法在使用上比传统方法已大为简化,并成功地用于工程实际,但仍需要用鉴相装置进行转速跟踪,在不方便安装鉴相装置的场合,硬件阶比跟踪和计算阶比跟踪则无能为力。