旋转机械阶比跟踪技术研究进展综述_赵晓平

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:A

Advances and trends i n rot a ti ona l mach i n e order track i n g m ethodology

ZHAO 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 of

Mechanical 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 m

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