旋转机械阶比跟踪技术研究进展综述_赵晓平
阶比双谱及其在旋转机械故障诊断中的应用_韩捷
阶比双谱及其在旋转机械故障诊断中的应用ORDER BISPECTRUM AND ITS APPLICATION TO THE FAULTDIAGNOSIS OF ROTATING MACHINE韩 捷李军伟李志农(郑州大学振动工程研究所,郑州450002)HAN Jie LI Jun Wei LI ZhiNong(Research Institute o f Vibration Engineering ,Zhengzhou Uiversity ,Zhengzhou 450002,China )摘要 双谱分析是处理非线性、非高斯信号的有力工具,然而,它是以分析恒频振动的稳态信号作为前提条件的,对分析旋转机械中广泛存在的变频振动信号(如旋转机械升降速信号)是无能为力的。
而阶比双谱是一种分析变频振动信号的新方法,它将非稳态信号按等转角间隔进行采样,得到阶域中的稳定信号,再进行双谱分析;仿真显示该方法优于阶比谱和传统双谱。
最后,将该方法成功地应用到旋转机械升降速过程的故障诊断中,实验结果表明该方法是有效的,阶比双谱可很好地分析机械振动的非线性非平稳信号。
关键词 阶比双谱 同步整周期采样 旋转机械 故障诊断中图分类号 TH165.3 TP206.3Abstract Bispectrum analysis,which is a useful tool for processing non -linear and non -Gaussian signal,is only adaptable to ana -lyze steady -frequency si gnal,and incapable of analyzing variable frequency signal existing in the rotating machi ne widely,such as speed -up and speed -down signal.However the order bispectrum analysis,which is a powerful tool to process variable frequency signal,samples the unstable signal at the equal in terval angular,and obtains the stable si gnal in the order domain,then calculate i ts bispectrum.T he si mulation shows that the order bispectru m analysis is superi or to the tradi tional bispectrum.Finally,the order bispectrum is successfully applied to the speed -up and speed -d own process of rotatin g machine,the experi ment result shows the order bispectrum analysis can pref -erably process non -linear and non -stationary signal i n the machine vabration.Key words Order bispectrum ;Synchronous integrated period sampling ;Rotating machine ;Fault diagnosis Correspon ding author :LI JunWei ,E -ma il :ike 944@The project supported by the National Natural Science Foundation of China(No.50675209),and a Grant form Key T echnology Pro -grams(No.0122022000),and the Talen t Innovation Funds(No.0621000500)of Henan Province of China.Manuscript received 20051217,in revi sed form 20060216.1 引言工程信号大部分呈非线性、非高斯的,如果应用功率谱进行分析,常常不能得到有意义的结果。
基于机械工艺的旋转叶轮支持技术与系统研究
193中国设备工程Engineer ing hina C P l ant中国设备工程 2018.11 （上）叶轮可以将流动质化能量转变成做机械运动的直径动力流，一直是航天发动机和汽车、轮船涡轮变压器的核心零件，其质量的好坏严重影响发动机的功能发挥。
叶轮的一般结构是由几组均匀叶片有规律地分布在轮毂转动面上。
叶轮的加工具备一定的复杂性，而这正是因为其复杂的叶面弯曲程度所造成，一般来说，如果叶片的厚度较薄，那么在整个工艺的切割过程中，由于作用力，叶片就会不由自主地出现挤压、变形，增加叶轮加工的难度。
是否可以对旋转叶轮进行复杂化加工，已经是一项衡量数控机床加工技术的重要指标，其工艺技术的改进和提高，也成为机械工艺领域的热点问题。
1 旋转叶轮机械工艺的决策支持硬件系统设计1.1 系统流程设计系统进行开发设计之前，最开始必须要知道系统的具体业务操作流程。
基于机械工艺的旋转叶轮支持技术的开发使用，旋转叶轮支持技术系统的业务流程如图1。
针对相关叶轮的使用特性，总结他们在机械决策领域的有效经验和技能，建立完备的知识储藏库。
知识储藏库主要对机械领域中长期时间生产过程累计的经验进行长远有效的控制，一方面为机械产品技术提供技能数据，另一方面实现资源共享。
相关的设计人员可以根据在 APPC 系统输入的产品技能数据，最先在数据库的知识检查中进行检索，如果可以最先找出合适的同类机械技能操作方案，则直接对方案进行适度地修改，重新得出信息数据资源，然后发送至APPC 系统，APPC 系统在给操作车间下达指令的同时，也可以获取到其在车间的具体的执行状况，进而实现即时改造。
然而，如果并没有立即检索出相同方案并加以研究的话，则可以利用数据库的优化模拟板块和切削指数模块，然后将结果输入到知识储藏库，为今后可能遇见的系统研究方案提供技术支持。
1.2 技术平台的选择ETN 平台和 Java ED 平台是如今较为传播的2种技术软件开发平台。
ETN 平台是 BIG Microsoft 的主导开发力量，最初是 Windows DAN 和OMC+的继任者出现，在使用前期就实现了Lab Web Service 的开发引用技术，对技术软件公司的应用具备一定优势。
旋转机械损伤跟踪的改进相空间曲变法
第38卷第1期振动与冲击JOURNAL OF VIBRATION AND SHOCK Vol. 38 No. 1 2019旋转机械损伤跟踪的改进相空间曲变法牛乾，杨世锡，甘春标(浙江大学机械工程学院，杭州310027)摘要：对旋转机械系统损伤演化过程的实时监测和跟踪，能够有效降低设备使用风险以及减少不必要的维护成 本，提高设备使用效能。
基于相空间曲变理论和旋转机械运行具有周期性的特点，提出了一种改进的损伤跟踪方法，可以有效减少原相空间曲变法的计算量和跟踪误差，实现系统损伤演化过程的实时跟踪。
通过数值模拟方法，以及裂纹转子实验和轴承退化实验验证了该方法。
结果表明:该方法相比于原相空间曲变法计算时间明显减小，跟踪结果更加平滑准确，对相近的损伤状态有更好的分辨能力。
关键词：旋转机械；损伤演化；相空间曲变；损伤跟踪中图分类号：TH113; TH133 文献标志码： A DOI： 10. 13465/j. cnki. jvs. 2019.01.003A modified phase s pace warping method for tracking damage evolution of rotating machineriesNIU Qian,YANG Shixi,GAN Chunbiao(School of Mechanical Engineering，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China)Abstract:Monitoring in real time and tracking damage evolution of rotating mechanical systems can efectively reduce their operation risk and unnecessary maintenance costs to improve equipment efficiency. space warping theory and the periodic characteristic of rotating machineries，a modified damage-track proposed to reduce computation cost and tracking error of the original phase space warpig met the system’s damage evolution in real time.Numerical simulations and tests of cracked rotors and bearing degradation verified the effectiveness o f the proposed method.The results showed that compared to the original phase space warj^ing method，the computation time of the proposed method obviously decreases，the tracking result is more smooth and accurate，and the proposed method has a better distinguish ability for similar damage state Key words:rotating machinery；damage evolution；phase space warj^ing；damage-tracking旋转机械广泛应用于机械、能源、石化、冶金、航空 等不同领域，是应用最为广泛的一类机械系统。
重大项目“大型旋转机械非线性动力学问题” 取得重要进展
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旋转机械自动平衡技术综述
姓名: 王鹏飞学号:3080102535 班级: 过控0801旋转机械自动平衡技术综述Automatic Balancing of Rotating Machinery摘要：转子在线自动平衡技术可以在旋转机械运行期间调整其不平衡量来及时降低振动，使其始终稳定运行．文章介绍了带自由移动补偿质量的被动式自动平衡装置和强迫移动、合成和去掉补偿质量的主动式自动平衡装置。
其中前者主要包括液体型、环型、球型和摆锤型；后者包括喷涂型、电腐蚀型、电子光束型、激光型和电化学型包括电动机型和遥控型以及液压型、电磁型和电磁轴承型．综述了国内外各种旋转机械在线自动平衡装置的结构和工作原理，讨论了在线自动平衡技术最新的研究成果，列举了在线自动平衡技术的工程应用实例，介绍了应用电磁型自动平衡装置解决柔性弯曲转子和立式超重力机转子振动的试验．转子在线自动平衡技术已经大量应用到机械加工设备，如磨床等，显著提高了加工精度；有些还应用于流程工业中大型的旋转机械上，如汽轮机、风机和压缩机等，取得了巨大的经济效益。
关键词：旋转机械；自动平衡技术；研究发展方向；不平衡力；动平衡Abstract:The rotor balance in online automatic adjustment during the running of rotating machinery to reduce vibration balabcing timely, making it has stable operation. This paper introduces free mobile compensation with the quality of passive auto-balance device and forcing mobile, synthesis and removing compensation quality active auto-balance device. Among the former mainly including liquid ring type, type, type ball and pendulum, Thelatter including spraying type, corrosion, electron beam, laser and electrochemical type includes electric machine and remote control type and hydraulic model, electromagnetic and electromagnetic bearing type. At home and abroad was reviewed various rotating machineryon-line automatic balance device structure and working principle of on-line automatic balance, discussed the technology, the latest research results of the automatic balance list ofthe engineering application examples, the paper introduces application of electromagneticauto-balance device type flexible rotor and vertical bending over the rotor vibration test gravity machine, automatic balance. The rotor online application has to mechanical processing equipment, such as grinder, remarkably raised the processing precision, Somealso applied in the process industry of rotating machinery medium, such as steam turbineand compressor, fan and made great economic benefits.Key words:Rotating machinery; Automatic balance; Research and developm ent direction; Unbalance force; Dynamic balance引言随着科学技术的发展，旋转机械由过去的小功率、低转速日益向大型、高速、精密和自动化方向发展。
旋转机械振动序列预测
旋转机械振动序列预测
戈志华
【期刊名称】《华北电力大学学报(自然科学版)》
【年(卷),期】1998(000)003
【摘要】分析了旋转机械振动系统的非线性现象，从混沌理论出发，给出了振动序列预测的思想方法。
研究了神经网络用于非线性预测的理论基础，并利用春进行相空间重构。
建立了旋转机械振动预测的非线性模型，并在模拟转子实验台上进行了实际验证，取得了满意的效果，提出了一种实用的确定嵌入维数的方法。
【总页数】1页(P75)
【作者】戈志华
【作者单位】华北电力大学动力系;华北电力大学动力系
【正文语种】中文
【中图分类】TH113.1
【相关文献】
1.基于混沌时间序列的旋转机械状态趋势预测研究 [J], 朱春梅;徐小力;张建民
2.ARIMA模型在旋转机械振动预测中的应用 [J], 雷文平;郑鹏
3.基于混沌时间序列的旋转机械非平稳状态预测方法研究 [J], 朱春梅;徐小力;张建民
4.基于广义回归神经网络的旋转机械振动特征预测 [J], 陈东超;徐婧;洪瑞新;顾煜炯;何成兵
5.旋转机械振动状态监测及预测维修软件 [J], 郑万泔;徐勤效;凌宏升;汪苏健
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基于瞬时频率估计的自适应Void-Kalman阶比跟踪研究
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与
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第２ ７卷第 １ ２期
Ｊ ＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＶＩ ＢＲＡＴ ＯＮ ＡＮＤ ＨＯＣＫ Ｉ Ｓ
基 于 瞬 时 频 率 估 计 的 自适 应 Ｖｏｄ Ｋａｍａ ｉ． ｌ ｎ阶 比 跟 踪 研 究
赵 晓平 张令弥 郭勤涛 ， ，
（ ．南京航空航天大学 振动工程研究所 ， １ 南京 ２０ １ ； ．南京航空航天大学 机 电学 院， １０ ６ ２ 南京 ２０１） １０ ６
以上两 种方法 都无 能为 力 。 本 文提 出 的基 于 瞬 时频 率 估 计 （ 时傅 里 叶变 换 短 ｓ 盯 和 Ｖ ｔ ｂ 算 法 相 结 合 的 Ｓ Ｆ — Ａ） Ａ Ｋ — Ｔ Ｔ ｉ ｒｉ ｅ Ｔ ＴＶ 的 Ｖ ＦＯ 新方法 ， 此方 法无需 安装 键 相装 置 ， 而 简化 了阶 比分 从
的数 学模 型为 一个二 阶 自递归 系统 。 Ｏ（ ｔ ｎ＋１ ）一ｐｔ ／ ｏ （ ）＋ｑ （ ２ ｎ一１ （ ） （ ） ）＝ ｎ ３ 定 义两个 状态 变量 Ｏ （ ） ｔ ｎ 和 （ ｎ＋１ ， 写成 一 ）可 对状 态 方程 Ｊ ：
Ｏ Ｔ仍需 用鉴相 装置 进行 转 速跟 踪 ， 使得 阶 比谱 的测 这 量还是 较为 繁琐 ， 特别在 不 方便 安 装 鉴相 装 置 的场 合 ，
析对硬 件 的要 求 ； 软 件 的方 法实 现 了对 振 动 信 号 的 用
阶 比跟 踪 ， 方法 是对原 有 阶 比跟 踪技术 的有力 补充 。 此
１ 自适应 ＶｏｄＫ ｌ ｎ阶 比跟 踪 理 论 基 础 ｉ． ａｍａ
应 Ｖ ｉ—ａｍ ｎ阶 比跟 踪 （ Ｖ ＦＯ ） 和传 统 的 以硬 件 实 现 的 Ｖ ｌ— ａ ａ ｏ Ｋｌａ ｄ Ａ Ｋ —Ｔ ， ｏ Ｋ ｌ ｎ阶 比跟 踪 （ Ｋ —Ｔ 相 比 ， 方 法 具 有 无 需 转 ｄ ｍ Ｖ ＦＯ ） 此
旋转导向工具研究现状及发展趋势
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ: ｒｏｔａｒｙ ｓｔｅｅｒｉｎｇꎻ ｂｏｒｅｈｏｌｅ ｔｒａｊｅｃｔｏｒｙ ｃｏｎｔｒｏｌꎻ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｓｔａｔｕｓꎻ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｔｒｅｎｄ
０ 引 言
旋转导向技术是目前国内外石油钻井领域先进
的井眼轨迹控制技术ꎬ 该技术可以使钻具在旋转钻
井的过程中按照预设井眼轨道实施钻进ꎮ 旋转导向
工具作为实施该技术的重要装备ꎬ 它集成了井下恶
劣环境下的机、 电、 液一体化前沿技术ꎬ 体现了当
∗ 基金项目: 湖北省技术创新专项 “ 智能油气钻采井眼轨迹控制工具研究” (２０１９ＡＡＡ０１０) ꎮ
因此采用的仍是其传统的调制式推靠控制方法ꎻ 而
导向扶 正 套 带 动 钻 头 偏 转 部 分 继 承 了 ＰｏｗｅｒＤｒｉｖｅ
Ｘｃｅｅｄ 动态指向式工具的原理 [６] ꎮ 基于此ꎬ 该公司
将其定义为复合式旋转导向工具ꎮ 由于推靠垫块不
是作用在井壁上ꎬ 而是作用在工具导向扶正套内壁
上ꎬ 使工具可以适用于软硬地层ꎬ 在全程旋转钻进
和静态式ꎮ
１ １ 推靠式旋转导向工具
２０１８ 年ꎬ Ｗｅａｔｈｅｒｆｏｒｄ 公司推出了一种新的全
旋转推靠式工具 Ｍａｇｎｕｓ [２] ꎬ 如图 １ 所示ꎮ
１—钻头ꎻ２—推靠垫块ꎻ３—无刷直流电机ꎻ
４—近钻头井斜角、伽马传感器ꎻ５—稳定器ꎮ
图 １ Ｍａｇｎｕｓ 工具结构图
Ｆｉｇ １ Ｍａｇｎｕｓ ｔｏｏｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
际大型跨国油服公司所垄断ꎮ 为缩小与国外技术的差距并取长补短ꎬ 详细论述了几种国外最新的
参数对自适应Vold-Kalman阶比跟踪影响的研究＊
基 于瞬时频 率估计 的 Ａ Ｋ ＿ Ｔ的基本 思 想是 ： Ｖ ＦＯ 通 过瞬时频 率估 计 得 到 参 考轴 的转 速 信 号 ， 据 转 速 信 根 号和频 率的关 系式 Ｒ Ｍ ＝ ６ 算 参考轴 瞬 时频 率 ， Ｐ ． ０计
然后根 据瞬 时频 率 计 算 出 每一 采 点 对 应 的 相 位 ， 而 从
号模 型 ， Ｙ ｎ 表示 由 ｎ时 刻多 个 阶 比分 量 ａ （ ） 设 （） 尼 和 噪声 几 的合成信 号 （） 。
（） ７ Ｙｎ （ ）一Ｃ（ ） ／ ‘： （ ） ｎ Ａ（， ｎ ７ ） 其 中 Ｃ（ ） ｎ 为观测 阵 ， 示为 ： 表
大学科研启动经费资助
收稿 日期 ：２ ０ ０ ２ 修改稿收到 日期 ：０９—１ ４ ０ ９— ２— ６ ２０ ２—２ 第一作者 赵晓平 女 ， 博士 ， 讲师 ，９ ７年 １月生 １７
转子 的惯性 ， 比信 号 的幅值 是 平 滑变化 的 ， 滑意 味 阶 平 着 阶 比信号 的幅值 可 以用低 阶 多项 式表 示 ］ 。取信 号
的数 学模型 为一个 二阶 自递归 系统 ］ 。
口（ ｎ＋１ ）一ｐ 凡 ａ （ ）＋ｇ ／—１ ： （ ） （ ） 口（ ２ ） ｎ ３
・
∑ ｉ Ａ ， 中 （） （）・ ｔ其 ｉ为基准 轴第 个 采样 点 的瞬
自适应 Ｋｌａ ａ ｎ滤 波 器 的输 入 与 输 出 的时 间 是 由 ｍ 时 间更 新 和 观 测 更 新 算 法 联 系 在 一 起 的 ， 因此 在 用
ＡＶＫＦ
—
时角速 度 ， 为 采样 时 间 间 隔 。第 阶分 量 用包 络 和
示为： （ ）＝ａ （ ） ｔ ￡ ｔ０（ ）＋ａ ｔ０ ｔ 一（ ） 一（） （） １
捣固机械激振技术现况及展望综述
捣固机械激振技术现况及展望综述本文阐述了捣固装置的发展概况,重点论述了捣固装置激振技术研究现状,最后,指出了目前存在的问题,并对解决方法进行了探讨。
国内外捣固装置现状和研究概况国际捣固车的发展过程经历了由步进式发展为连续式,单枕捣固到双枕捣固乃至多枕捣固,单一的捣固模式到多种作业模式,检测方式由弦线检测发展到光学检测,由线路几何参数相对基准的检测发展到线路几何参数绝对基准检测。
捣固技术一直是沿着提高作业效率、提高作业控制精度、提高作业质量的轨迹发展。
国外Plasser公司、Matisa公司和Harsco三家公司产品技术已趋成熟,生产的捣固机械大多为重型、高效、多功能等形式。
Plasser公司成立于1953年,总部在奥地利,是当今全球最着名的铁路工程机械制造商之一;是专门从事对铁路线路、道岔和接触的新建、大修与养护作业的机械和车辆的研究、开发、制造和销售的专业厂家。
目前,所制造的D09-32型捣固车采用连续式捣固作业,弦线检测方式,能以三点或四点法引导作业,其捣固装置采用偏心轴连杆摇摆式激振方式。
Matisa公司是世界着名的大型养路机械制造商,从1945年在瑞士正式成立以来,以生产捣固机驰名世界。
振动、夹持捣固法就是它的专利。
该公司产品一度垄断国际市场,行销世界各地。
主要产品有抄平、起拨道捣固机及其他大型养路机械等,目前作业检测采用光学检测方式,作业精度高,其捣固装置采用双轴椭圆激振方式。
Harsco公司是美国专业生产铁路养路机械,具有100年的历史,在美国南卡罗来纳、密歇根、明尼苏达、和澳大利亚及英国有生产基地。
其主要产品有MARK系列捣固车及其它线路维修车,所制造的捣固车在北美洲拥有大部分市场,目前作业检测采用光学检测方式,控制系统采用总性控制技术,其捣固装置采用水平面扭转激振方式。
有关国外这方面的相关技术多查询于国外专利,因为在该方面相关的研究文献及技术资料涉及到生存发展,所以相关研究资料鲜有公开。
多机器人轨迹规划研究综述及发展趋势
机床与液压
ＭＡＣＨＩＮＥ ＴＯＯＬ ＆ ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳ
第 ４９ 卷 第 １２ 期
Ｊｕｅ ２０２１
Ｖｏｌ ４９ Ｎｏ １２
ＤＯＩ： １０．３９６９ ／ ｊ ｉｓｓｎ １００１－３８８１ ２０２１ １２ ０３８
本文引用格式： 牛启臣，张弓，张功学，等．多机器人轨迹规划研究综述及发展趋势［ Ｊ］ ．机床与液压，２０２１，４９（１２） ：１８４－１８９．
划技术的发展趋势进行分析和展望， 指出其未来的研
究方向。
１ 轨迹规划分类
轨迹规划的目标是对轨迹跟踪运动进行设计， 在
保证作业任务和精度的前提下， 使机器人末端执行器
收稿日期： ２０２０－０４－０８
基金项目： 国家重点研发计划 （ ２０１８ＹＦＡ０９０２９０３） ； 国家自然科学基金面上项目 （ ６２０７３０９２） ； 广东省自然科学基金项目
主 ／ 从方案设置工件上点 ｕ 的姿态与时间的函数， 并
通过约束关系自动计算两条机器人末端执行器的路
径。 ＺＨＯＵ 等 ［２６］ 研究了无夹具的多机器人系统协同
焊接轨迹规划问题， 建立了多机器人焊接工作站的通
用闭合运动链， 提出了一种基于闭合运动链模型的多
机器人协同轨迹规划方法， 如图 ５ 所示。
· １８６·
０ 前言
在工作空间大范围重叠情况下， 对于每个机器人的协
随着智能技术的发展， 多机器人系统已取代单机
器人成为构建智能产线的研究焦点
的环境适宜性和协作能力
一机器人系统
［３］
［２］
［１］
。 因它具有更强
， 多机器人系统相对于单
的优势已被公认为是使机器人工作
单元具有更高灵活性和工作效率的关键因素。
旋转机械振动故障诊断理论与技术进展综述_冯志鹏
振动与冲击第20卷第4期J OURNA L OF VIBR ATION AND SHOCK Vol.20No.42001旋转机械振动故障诊断理论与技术进展综述*冯志鹏宋希庚薛冬新谢宇邓东风(大连理工大学内燃机研究所,大连116024)(中国石油锦州石化分公司机动设备处,锦州121001)摘要非线性理论、信号处理、知识工程和计算智能等学科的发展,丰富了故障诊断的内容。
总结了旋转机械故障机理、征兆提取和诊断推理等方面的一些进展情况。
关键词:旋转机械,故障诊断中图分类号:TH1130引言大型旋转机械如风机、压缩机和汽轮机等设备,是石油、化工、冶金和电力等现代企业中的关键生产工具,对这些设备开展状态监测与故障诊断工作,保障设备安全可靠的运行,可以取得巨大的经济效益和社会效益。
大型旋转机械的故障常在振动状况方面体现出来,因此,根据振动信号进行监测与诊断目前仍是设备维护管理的主要手段,经过多年的发展与完善,旋转机械振动故障诊断已经形成了比较完备的理论与技术体系。
近年来,随着非线性理论的发展,尤其是信号处理、知识工程和计算智能等理论技术与故障诊断的融合渗透,使旋转机械振动故障诊断的内容得到了进一步的丰富与充实。
1故障机理研究旋转机械在发生故障时,往往在振动状况方面得到体现。
许多专家学者应用转子动力学理论对旋转机械的故障机理进行了研究,为旋转机械振动故障诊断奠定了基础。
发生故障的旋转机械在运行中一般处于非线性振动状态,陈予恕等[1]应用非线性动力学理论,针对发电机组轴系存在的关键振动问题,建立了转子非线性动力学模型,从理论、试验和数值计算等方面,对各种故障因素影响下的动力学行为进行了综合分析,提出了对轴系振动故障进行综合治理的方案。
高金吉[2]对高速涡轮机械振动故障机理进行了研究,探讨了振动主导频率与产生振动的直接原因之间的关系,编制了亚异步、同频、超异步振动故障原因、机理及识别特征表格,给出了在设计制造、安装维修、运行操作、机器劣化等方面产生故障的主要问题及防治方法。
无转速计的旋转机械Vold-Kalman阶比跟踪研究
摘 要 ：结合旋转机械升降速阶段振动信号的特点， 提出一种无转速计的旋转机械 Ｖｉ Ｋ ｈａ ｏ —ａｎｎ阶比跟踪方法。 ｄ
该方法利用 能量 重心法对振动信号进行频谱校正 ， 估计瞬 时频率 ， 获得参 考轴转速 信号 ， 对振动 信号进行 Ｖ ｌ— ａｎｎ 再 ｏｄＫ ｈａ
阶 比跟 踪 ， 取 阶 比分 量 。 与需 要 转 速 计 的经 典 Ｖ ｌ— ａｎｎ阶 比跟 踪方 法 相 比 ， 方 法 无 需 鉴 相 装 置 ， 全 用 软 件 方 式 提 ｏ Ｋｈａ ｄ 该 完
ｏ ｄ ｒｎ ｒ ｃ ｎ ｔｃ ｏｏ ｙ， ｔ ｅ ｒ ｐ ｓ ｄ ｒ ｅ ｉｇ ｔａ ｋｉｇ ｅ ｈｎ ｌ ｇ ｈ ｐ ｏ ｏ ｅ ｍｅ ｈ ｄ ａ ｈｉｈ ｒ ｃｓｏ ｗｉ ｎ ａｄ ｆ ｔ ｃ ｏ ｔｒ ｎ ｏｈ ｒ ｐ ｃ ａ ｔ ｏ ｈ ｓ ｇ ｐ ｅ ｉｉｎ ｔ ｈ ｏ ｉ ｏ ａ ｈ ｍｅ ｅ ａ ｄ ｔ ｅ ｓ ｅ ｉｌ ｈ ｒ ｗａ ｅ Ｔｈ ｅ ｕｌｓｏ ｉ ｌ ｔ ｎ ａ ｄ ａ ｐ ｉａ ｉｎ ｓ ｗ ｈ ｔｔ ｅ ｐ ｏ ｏ ｅ ｔ ｄ ｃ ｎ，ｉ ｉ ｏ ｉ ａｄ ｒ． ｅ ｒ ｓ ｔ ｆｓｍｕ ａ ｉ ｎ ｐ ｌｃ ｔ ｈｏ ｔ ａ ｈ ｒ ｐ ｓ ｄ ｍｅｈｏ ａ ｏ ｏ ｎ ｔｍｅ ｄ ｍａｎ，ｅ ｔａ ｔｐ ｅ ｉｅ ｙ ｘ ｒ ｃ ｒ ｃｓ ｌ
ｔ ｅ ａ ｌ ｕ ｅ ａ ｄ ｔ ｅ ｏ ｄ ｒｃ ｍｐ ｎ ｎ ｓ ｏ ａ ｙ ｎ ｅ ｕ ｎ ｙ ｓｇ ａ ｓ ｈ ｍｐｉ ｄ ｎ ｈ ｒ ｅ ｏ ｏ ｅ ｔ ｆｖ ｒ ｉ ｇ ｆ ｑ ｅ ｃ ｉｎ ｌ． ｔ ｒ
Ｋ ｙ ｏ ｄ ： ｏ ｅ ｔ ｃｉｇ Ｖ ｉ— ａｍ ｎ ｉｔ ｉｇ ｉｓ ｎａ ｅｕ ｆ ｑ ｅ ｃ ｅｔ ａ ｏ （ＩＥ ） ｅ ｅｇ ｅ ｗ ｒ ｓ ｒ ｒ ｒ ｋｎ ； ｏ Ｋ ｌ ａ ｆ ｅ ｎ ； ｎｔ ｔ ｏ ｓ ｒ ｕ ｎｙ ｓ ｍ ｔ ｎ ｄ ａ ｄ ｌｒ ａ ｎ ｅ ｉ ｉ Ｆ ； ｎｒ ｙ
转子动力学研究方向综述
转子动力学研究方向综述（上海大学机电工程与自动化学院，上海200072）摘要：旋转机械被广泛地应用于包括燃气轮机，航空发动机，工业压缩机及各种电动机等机械装置中。
转子动力学是研究所有与旋转机械转子及其部件和结构有关的动力学特性，包括动态响应、振动、强度、疲劳、稳定性、可靠性、状态监测、故障诊断和控制的学科。
本文回顾了转子动力学的发展历史，分析了研究转子动力学面临的几个主要问题。
总结了国内外在转子平衡技术方面、转子系统振动控制技术方面、转子动力学设计方面、转子振动噪声和参数识别方面、转子的动力学特性方面研究的情况。
最后讨论了我国转子动力学面临的主要问题。
关键词：转子；动力学；旋转机械Review of Researches Direction on Rotor DynamicsGAO hai-zhou(School of Mechanical Engineering and Automation, Shanghai University, Shanghai 200072, China)Abstract: Rotating machinery is widely applied to include gas turbine, aviation engine, industrial compressor and all kinds of motor and other machinery. Rotor dynamics is the study of all to the rotor of the rotating machinery and its components and structure dynamic characteristics, including dynamic response, vibration, strength, fatigue, stability, reliability and condition monitoring, fault diagnosis and control subjects. This paper reviews the development history of rotor dynamics, analyses several main problems in the study of rotor dynamics. In rotor balancing technology at home and abroad are summarized, the rotor system vibration control technology, the rotor dynamics design, rotor vibration noise and parameter identification, rotor dynamic aspects of the research. Finally discusses the major problems of rotor dynamics in ChinaKey words: rotor; dynamics; rotary machine引言旋转机械[1]被广泛地应用于包括燃气轮机，航空发动机，工业压缩机及各种电动机等机械装置中。
机械文献综述
顶式砝码加压式四轴球体研磨机的发展现状及分析摘要该文章首先分析了现有研磨技术的优点以及各种技术的不足之处，针对四轴球体研磨机尚未完成的顶式立轴砝码加压式这一问题进行了一系列的分析和设计。
该篇文章中根据四轴球体研磨机的工作原理，对球体和四个磨具所在位置、运动速度、运动形态、球体研磨成型原理进行了理论分析，为该机械设计时的主要技术参数的确定提供了理论依据，并且提出了实现球体均等研磨的充分必要条件。
此外还从四轴球体研磨机顶式砝码加压式球体研磨的力学模型入手，运用高点切削作用机制和误差均匀化效应，阐述了球体圆度误差趋小化研磨机理，从而确定了球体研磨的工艺路线。
最后，运用Pro/E5.0三维制图软件对顶式砝码加压式四轴球体研磨机的全部零件进行实体建模并进行装配和运动仿真，从而使设计得到进一步完善，确认球体研磨机的可行性，使这一路论进一步得到完善。
关键词：研磨技术；球体研磨；四轴球体研磨机AbstractThe article first analyzes the advantages of the existing grinding technology and technical shortcomings, for Four shafts ball-lapping machine has not been completed ball top-style pressure-type vertical weight issue a series of analysis and design. The article in the ball under the four-axis milling machine works on the sphere and the four grinding location, velocity, movement patterns, ball grinding forming principle of the theoretical analysis, the mechanical design to determine the main technical parameters provides a theoretical basis, and proposed to achieve equal ground ball necessary and sufficient condition .In addition, from a four-axis grinding machine-top ball pressure-type ball mill weight of the mechanical model, the use of high cutting mechanism and error homogenization effect, set the ball roundness error of abrasive and tends to determine the sphere grinding process route. Finally, the use ofthree-dimensional mapping software Pro/E5.0 weight-top ball pressure-type four-axis grinding machines for solid modeling and all the parts for assembly and motion simulation, so the design has been further improved, sure ball grinding machinefeasibility, to further improve on the road.Key Words：Lapping technology; Ball-lapping; Four shafts ball-lapping machine;前言本课题主要是为了能够保障曲面研磨以及高精度球体制造中能有足够的精度等级，应用于先进的机械领域，属于研究课题。
改进的Seam Carving 瞬时频率估计算法研究
ＤＯＩ：１０．１３８７８／ｊ．ｃｎｋｉ．ｊｎｕｉｓｔ．２０１７．０２．０１５赵晓平１，２㊀吴家新１，２㊀周子贤１，２改进的ＳｅａｍＣａｒｖｉｎｇ瞬时频率估计算法研究摘要旋转机械升降速阶段微弱振动信号具有潜在性和动态响应的微弱性等特点，因此瞬时频率是限制早期故障诊断发展的关键问题．针对这一问题，该文引入了图像处理领域的ＳｅａｍＣａｒｖｉｎｇ（ＳＣ）算法，并对ＳＣ算法进行改进，结合短时傅里叶变换（Ｓｈｏｒｔ⁃ＴｉｍｅＦｏｕｒｉｅｒＴｒａｎｓｆｏｒ⁃ｍａｔｉｏｎ，ＳＴＦＴ），提出了ＳＴＦＴ⁃ＳＣ瞬时频率估计算法．ＳＴＦＴ⁃ＳＣ算法采用ＳＴＦＴ对振动信号进行时频分析，然后利用ＳｅａｍＣａｒｖｉｎｇ算法中的能量梯度，采用动态规划的思想寻求ｓｅａｍ路径，实现了旋转机械振动信号的一阶瞬时频率提取，最后对一阶时频数据进行时域重构，将重构的时域信号和仿真信号进行相关性分析．结果表明，ＳＴＦＴ⁃ＳＣ算法对于高噪声㊁邻近阶比等振动信号都具有非常好的效果．关键词旋转机械；ＳｅａｍＣａｒｖｉｎｇ算法；瞬时频率估计；能量梯度中图分类号ＴＰ２４２文献标志码Ａ收稿日期２０１６⁃０３⁃１８资助项目国家自然科学基金（５１５０５２３４）作者简介赵晓平，女，博士，副教授，主要研究方向为动态测试与虚拟仪器．ｚｘｐ＠ｎｕｉｓｔ．ｅｄｕ．ｃｎ１南京信息工程大学计算机与软件学院，南京，２１００４４２南京信息工程大学江苏省网络监控工程中心，南京，２１００４４０㊀引言㊀㊀滚动轴承升降速阶段微弱振动信号包含了大量的运行状态信息，其中一些是难以发现的系统缺陷．实现这一阶段高效的故障特征提取，是滚动轴承故障诊断的重要环节，对轴承设备的正常运行具有重要意义［１］．而瞬时频率估计是高效特征提取的关键．针对旋转机械振动信号的特点，早期提出的瞬时频率估计方法主要有：ＳＴＦＴ谱峰搜索法［２］㊁隐马尔科夫模型瞬时频率估计方法［３］㊁分段最小二乘拟合的瞬时频率估计算法［４］等．但这几种常用的算法都有其各自的局限性，如ＳＴＦＴ谱峰搜索法在求取多分量信号的瞬时频率时，采用的是遮隔技术，从而增加了计算量，除此以外，遮隔宽度的设定也会影响瞬时频率的估计精度．隐马尔科夫模型瞬时频率估计方法采用了大量的矩阵运算，增加了运算量．分段最小二乘拟合的瞬时频率估计算法是根据分段点处是否为速度瞬变点来设定边界条件的，从而有一定的局限性．在以上算法的基础上，近两年提出了ＳＴＦＴ⁃ＶＦ（Ｓｈｏｒｔ⁃ＴｉｍｅＦｏｕｒｉｅｒＴｒａｎｓｆｏｒｍ⁃ＶｉｔｅｒｂｉａｌｇｏｒｉｔｈｍＦｉｔ，ＳＴＦＴ⁃ＶＦ）瞬时估计算法［５］以及对谱峰搜索方法的各种改进算法［６］等．ＳＴＦＴ⁃ＶＦ算法是将ＳＴＦＴ和Ｖｉｔｅｒｂｉ算法结合提出的瞬时频率估计算法，该算法运用了Ｖｉｔｅｒｂｉ算法寻找最小时间点间的最优频率路径，结合旋转机械非平稳信号的特点，实现了对参考轴瞬时频率的估计，因旋转机械信号数据量大，因此计算效率上有待进一步提高．改进的峰值搜索法与传统的峰值搜索法相比在降低信号干扰方面有了很大的改进，但在计算精度和抗干扰方面仍待提高．ＳｅａｍＣａｒｖｉｎｇ算法［７］是图像处理领域根据像素的能量梯度来寻求ｓｅａｍ路径（最佳路径）的算法．本文以振动信号的时频谱图为基础，引入ＳｅａｍＣａｒｖｉｎｇ寻求最短路径的思想，根据滚动轴承振动信号的特点，对其进行改进，将短时傅里叶变换和ＳｅａｍＣａｒｖｉｎｇ算法相结合，提出ＳＴＦＴ⁃ＳＣ瞬时频率估计算法．１㊀ＳｅａｍＣａｒｖｉｎｇ算述描述ＳｅａｍＣａｒｖｉｎｇ算法是近年来图像处理领域内的一个新的研究热点，是一种基于内容的图像缩放算法［８］．它的基本思想是根据图像中㊀㊀㊀㊀像素的重要性，通过逐步赋值或删除图像中单像素宽连续的近似水平或垂直的曲线（ｓｅａｍ）（即寻找一条最短路径），从而来调整图像尺寸的大小．为了寻找ｓｅａｍ，首先要计算图像的能量分布．对于高度为ｎ，宽度为ｍ的图像，其像素点为（ｘ，ｙ），０ɤｘɤ（ｎ－１）且０ɤｙɤ（ｍ－１）．在像素点（ｘ，ｙ）的密度值用函数Ｉ（ｘ，ｙ）来表示，那么像素点的能量值ｅ（Ｉ（ｘ，ｙ））为ｅ（Ｉ（ｘ，ｙ））＝∂∂ｘＩ（ｘ，ｙ）＋∂∂ｙＩ（ｘ，ｙ）＝㊀㊀｜Ｇｘ（Ｉ（ｘ，ｙ））｜＋｜Ｇｙ（Ｉ（ｘ，ｙ））｜，（１）其中，Ｇｘ和Ｇｙ分别为水平和垂直方向的Ｓｏｂｅｌ算子．在寻找最优ｓｅａｍ的过程中，须先寻找以旋转机械工频为起始点的最小能量的ｓｅａｍ．为了寻找总能量最低的ｓｅａｍ，采用了动态规划算法，相应的状态转移方程为Ｍ（ｘ，ｙ）＝ｅ（Ｉ（ｘ，ｙ））＋ｍｉｎ（Ｍ（ｘ－１，ｙ－１），㊀㊀Ｍ（ｘ－１，ｙ），Ｍ（ｘ－１，ｙ＋１）），（２）Ｍ（ｘ，ｙ）表示（ｘ，ｙ）坐标点上像素修改后的累积能量，即Ｍ是求解动态规划所用的和值矩阵，记录的是当前状态对应的路径能量和．在寻找最短路径的过程中，使用矩阵ｐａｔｈ做记录，从而找出能量最短的路径．２㊀ＳＴＦＴ⁃ＳＣ瞬时频率估计算法对于旋转机械升降速阶段的振动信号，为了能更加准确地获取故障诊断的信息，采样频率一般比较高，振动信号的数量比较大，可以对数据进行分段处理，也可对数据进行抽取．以上是在文献［５］和文献［９］中所采用的方法．ＳＴＦＴ⁃ＳＣ算法具有快速和高效性，不对原始数据进行降采样，以旋转机械升速阶段振动信号为例，ＳＴＦＴ⁃ＳＣ瞬时频率估计算法的流程如图１所示．１）对振动信号进行时频分析．首先对振动信号进行ＳＴＦＴ分析，从而得到信号的时频谱图．给定一个时间宽度很短的窗函数γ（ｔ），令窗滑动，则信号ｘ（ｔ）的ＳＴＦＴ为［９］Ｓ（γ）ｘ（ｔ，ｆ）＝ʏ＋ɕ－ɕ［ｘ（τ）γ∗（τ－ｔ）］ｅｘｐ（－ｊ２πｆτ）ｄｔ，（３）式（３）中，∗代表复共轭．ＳＴＦＴ频谱（ＳＰＥＣ）即ＳＴＦＴ的时间－频率能量分布（瞬时频率谱密度）定义为Ｓｘ模值的平方：Ｐ（ｔ，ｆ）＝｜Ｓ（ｔ，ｆ）｜２．（４）２）初始值的选取．旋转机械升速过程总有一稳图１㊀ＳＴＦＴ⁃ＳＣ瞬时频率估计算法流程Ｆｉｇ １㊀ＳＴＦＴ⁃ＳＣｉｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓｆｒｅｑｕｅｎｃｙｅｓｔｉｍａｔｉｏｎｆｌｏｗｃｈａｒｔ定转速（相对恒定）阶段，例如对额定转速为６０００ｒ／ｍｉｎ的升速阶段，在时频面上最终时刻参考轴对应的频率应在１００Ｈｚ附近．将１００Ｈｚ作为瞬时频率估计的起始点．对于时频谱中超过最高频率的数据可以将其去掉避免不必要的计算，从而降低计算量．３）计算各向梯度．在图像处理中，像素的重要度定量地表示每个像素对图像视觉内容的重要程度，也称之为该像素点的能量．像素重要度的计算可通过像素梯度㊁图像熵㊁视觉关注度等确定．本文采用信号功率谱能量进行梯度计算．具体而言，以升速阶段为例，将整个寻求瞬时频率的过程，进行局部分析，如图２所示．假设当前的瞬时频率为中心点５，那么下一个瞬时频率从中心点５出发，为纵向和横向的８连通路．根据旋转机械升速阶段振动信号的特点，分析可知，从中心点５到点２㊁点３㊁点６㊁点８和点９等５个方向上的可能性几乎为零．因此，点５前一时刻的瞬时频率值只能是点１㊁点４和点７方向上的某一个值．求取点５到点１㊁点４和点７的能量梯度．这种思想，将ＳＴＦＴ⁃ＳＣ计算效率大幅提高．５１２学报（自然科学版），２０１７，９（２）：２１４⁃２１９ＪｏｕｒｎａｌｏｆＮａｎｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ），２０１７，９（２）：２１４⁃２１９图２㊀寻求ｓｅａｍ过程Ｆｉｇ ２㊀Ｐｒｏｃｅｓｓｏｆｓｏｌｖｉｎｇｓｅａｍ４）功率谱梯度寻求ｓｅａｍ．寻求ｓｅａｍ路径的过程中，在本文采用动态规划算法来确定能量最小的ｓｅａｍ通路，修改过程可以用式（２）累积能量的动态转移方程表示．选取功率谱在ｔ时刻某一频率ｆ的幅值Ｐ（ｔ，ｆ），计算其与ｔ＋１时刻Ｐ（ｔ＋１，ｆ）之间的梯度，并以该梯度作为甄别瞬时频率的参数：Ｇ＝（Ｐ（ｔ＋１，ｆ）－Ｐ（ｔ，ｆ））／ｆ，（５）式（５）中选取的Ｐ（ｔ，ｆ）必须使沿信号功率谱梯度最小，以利于达到最好的瞬时频率估计的效果．甄别参数可表示为Ｇ＝Ｐ（ｔ＋１）－Ｐ（ｔ）ｋΔｆ＝㊀㊀｜Ｘ［ｋ＋１］｜２／Ｎ－｜Ｘ［ｋ］｜２／Ｎｋ（２π／Ｎ）＝㊀㊀１２πｋ（｜Ｘ［ｋ＋１］｜２－｜Ｘ［ｋ］｜２），㊀㊀ｋ＝０，１， ，Ｎ－１，（６）其中Ｎ表示采样点数．对于图２来讲，即点１㊁点４㊁点７等３个点与点５的梯度差最小，说明该像素最有可能是ｓｅａｍ路径上的点，同时将另外２个点的功率谱值置为０，此方法能够高效地将信号中的噪声滤除掉，具体结果见后文的图６．重复以上过程，直到得到ｘ＝０且ｙ＝０，从而求出连通初始点到原点的ｓｅａｍ通路．５）振动信号重构．通过ＳＴＦＴ⁃ＳＣ算法获取信号的１阶瞬时频率值，实现各阶分量的时域信号重构．将重构的时域信号和仿真信号进行相关性分析，从而验证ＳＴＦＴ⁃ＳＣ特征提取算法的高效性．３㊀实验验证３ １㊀仿真实验为了验证算法，设计一个基准频率和幅值均变化的仿真信号，取采样频率ｆｓ＝２０４８Ｈｚ，采样时间Ｔ＝２０ｓ，基准频率从２０Ｈｚ（ｆｓｔａｒｔ）到１００Ｈｚ（ｆｗｏｒｋ）线性变化，第ｎ个点的频率表示为ｆ（ｎ）＝（ｆｗｏｒｋ－ｆｓｔａｒｔ）ｎ／Ｎ，角速度为ω（ｎ）＝２πｆ（ｎ），转过的相位角为ϕ（ｎ）＝ðｎｉ＝ｉω（ｉ）Δｔ．其中１阶频率信号的幅值在２００处跳变，如式（７）所示：Ａ（ｎ）＝０，㊀ｎ＜２００，１，㊀ｎȡ２００．{（７）取一个１ ３阶频率信号，和１阶振动信号构成邻近分量，幅值为正弦变化，如式（８）所示：Ｂ（ｎ）＝１ ２＋ｓｉｎ（１ ３πｎ／Ｎ）．（８）第３阶频率信号的赋值呈０到１线性变化．由３个频率成分组建的多分量仿真信号如式（９）所示：ｓ（ｎ）＝Ａ（ｎ）ˑｓｉｎϕ（ｎ）＋Ｂ（ｎ）ˑｓｉｎ（１ ２ˑϕ（ｎ））＋（ｎ／Ｎ）ˑｓｉｎ（２ˑϕ（ｎ））＋η（ｎ），（９）式中η（ｎ）为３０％的高斯白噪声，其时域波形如图３所示，图４为１阶时域信号．图３㊀仿真信号Ｆｉｇ ３㊀Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｉｇｎａｌ图４㊀１阶时域信号Ｆｉｇ ４㊀Ｆｉｒｓｔｏｄｅｒｔｉｍｅ⁃ｄｏｍａｉｎｓｉｇｎａｌ对时域信号进行频谱分析，图５为仿真的时域信号的频谱．从图５中可以看出共包含３个频率分量，其中１阶频率分量和１ ３阶频率分量是临近阶比分量．在图５基础上进行ＳＴＦＴ⁃ＣＳ１阶分量瞬时频率估计，结果如６所示．从图６中可以看出１阶信号为从２０ １００Ｈｚ的２０ｓ的信号，与仿真的１阶时域信号特征吻合．为了进一步证明ＳＴＦＴ⁃ＳＣ瞬时频率估计的高效性，本文从两个方面进行了验证：提取出的１阶瞬时频率与仿真的１阶频率进行了对比；对提取出的１６１２赵晓平，等．改进的ＳｅａｍＣａｒｖｉｎｇ瞬时频率估计算法研究．ＺＨＡＯＸｉａｏｐｉｎ，ｅｔａｌ．ＩｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓｆｒｅｑｕｅｎｃｙｅｓｔｉｍａｔｉｏｎｂａｓｅｄｏｎｉｍｐｒｏｖｅｄＳｅａｍＣａｒｖｉｎｇａｌｇｏｒｉｔｈｍ．阶信号进行时域重构，结果如图７所示．且对重构的时域信号和仿真的１阶信号进行相关性分析．图５㊀时域信号的频谱Ｆｉｇ ５㊀Ｓｐｅｃｔｒｕｍｏｆｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｉｇｎａｌ图６㊀ＳＴＦＴ⁃ＳＣ算法估计的１阶瞬时频率Ｆｉｇ ６㊀ＦｉｒｓｔｏｒｄｅｒｉｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓｆｒｑｕｅｎｃｙｅｓｔｉｍａｔｅｄｂｙＳＴＦＴ⁃ＳＣ图７㊀提取的１阶信号和仿真１阶信号对比Ｆｉｇ ７㊀Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｂｅｔｗｅｅｎｅｓｔｉｍａｔｅｄａｎｄｓｉｍｕｌａｔｅｄｆｉｒｓｔｏｒｄｅｒｓｉｇｎａｌ从图７可以看出，提取出的１阶瞬时频率和仿真的１阶频率信号完全重叠，其中红色虚线为ＳＴＦＴ⁃ＳＣ瞬时频率估计算法提取出的１阶瞬时频率值，黑色圆圈为仿真的１阶频率信号．另外对图４和图８进行了相关性分析，其相关性达到了９８ ６％，其相似度极高，从而证明ＳＴＦＴ⁃ＣＳ算法的高效性．在对振动信号进行ＳＴＦＴ时频分析时，加窗重叠对时域重构的精度有一定影响．３ ２㊀实测试验采用ＯＲＯＳＲ３Ｘ系的动态信号分析仪和笔者自主研发的旋转机械阶比分析软件（ＯｒｄＴｒａ）对卧式螺旋离心机（简称卧螺离心机）升速阶段振动信号进行测试实验．卧螺离心机相关参数如表１所示．图８㊀重构的１阶频率信号Ｆｉｇ ８㊀１Ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄｆｉｒｓｔｏｒｄｅｒｓｉｇｎａｌ表１㊀卧螺离心机主要技术参数Ｔａｂｌｅ１㊀Ｔｅｃｈｎｉｃａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｓｐｉｒａｌｃｅｎｔｒｉｆｕｇｅｓ转鼓工作转速／转速差／功率／整机质量／外形尺寸／（ｒ㊃ｍｉｎ－１）（ｒ㊃ｍｉｎ－１）ｋＷｋｇｍｍ３３００３０４５４２００４５００ˑ１２４０ˑ１３４０㊀振动传感器布置在左右轴承座，从水平和垂直两个方向测量大端和小端瓦振．在大端和小端都安装了支架固定电涡流传感器用来测量轴的振动．光电传感器安装于转鼓大端．传感器的布置如图９所示．试验中，测量瓦振的传感器为本特利９２００速度传感器，灵敏度为２０ｍＶ／（ｍｍ㊃ｓ－１）；测量轴振的传感器为东南仪器厂生产的电涡流传感器，灵敏度为８Ｖ／ｍｍ；测量脉冲信号的传感器为东南仪器厂生产的光电传感器，转速测量取值以脉冲前沿为触发参考．图９㊀卧螺离心机大端传感器布置Ｆｉｇ ９㊀Ｓｅｎｓｏｒｓｏｆｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｓｐｉｒａｌｃｅｎｔｒｉｆｕｇｅ以大端垂直方向轴振升速阶段振动信号为例，图１０为其时域信号．对振动信号进行频谱分析，频谱分析结果如图１１所示．从图１１可以看出卧螺离心机振动信号中包含了多个分量．采用ＳＴＦＴ⁃ＳＣ瞬时频率估计算法对卧螺离心机进行１阶瞬时频率估计，结果如图１２所示．７１２学报（自然科学版），２０１７，９（２）：２１４⁃２１９ＪｏｕｒｎａｌｏｆＮａｎｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ），２０１７，９（２）：２１４⁃２１９图１０㊀卧螺离心机大端时域信号Ｆｉｇ １０㊀Ｔｉｍｅ⁃ｄｏｍａｉｎｓｉｇｎａｌｏｆｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｓｐｉｒａｌｃｅｎｔｒｉｆｕｇｅ图１１㊀卧螺离心机大端时频谱Ｆｉｇ １１㊀Ｓｐｅｃｔｒｕｍｏｆｓｉｍｕｌａｔｅｄｓｉｇｎａｌｏｆｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｓｐｉｒａｌｃｅｎｔｒｉｆｕｇｅ图１２㊀ＳＴＦＴ⁃ＳＣ瞬时频率估计Ｆｉｇ １２㊀ＩｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓｆｒｅｑｕｅｎｃｙｅｓｔｉｍａｔｅｄｂｙＳＴＦＴ⁃ＳＣ４ 结论１）本文详细介绍了基于ＳＴＦＴ⁃ＳＣ瞬时频率估计算法的实现过程．本文提出的ＳＴＦＴ⁃ＳＣ算法首次将图像处理领域的ＳｅａｍＣａｒｖｉｎｇ算法应用到旋转机械的瞬时频率估计领域，并根据信号的特点，对ＳＣ算法进行了改进．２）ＳＴＦＴ⁃ＳＣ瞬时频率估计算法通过功率谱梯度寻求ｓｅａｍ，在计算过程中根据信号的特点采用动态规划算法，大大降低了计算量，提高了瞬时频率估计的效率．３）实验证明该方法对多分量复杂的滚动轴承故障信号㊁邻近阶比多分量信号和强噪声振动信号都有快速和高精度的提取效果．本文的研究结果对旋转机械故障诊断具有极强的指导意义和参考价值．参考文献Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ［１］㊀明安波，褚福磊，张炜．滚动轴承复合故障特征分离的小波⁃频谱自相关方法［Ｊ］．机械工程学报，２０１３，４９（３）：８０⁃８７ＭＩＮＧＡｎｂｏ，ＣＨＵＦｕｌｅｉ，ＺＨＡＮＧＷｅｉ．Ｃｏｍｐｏｕｎｄｆａｕｌｔｆｅａｔｕｒｅｓｓｅｐａｒａｔｉｏｎｏｆｒｏｌｌｉｎｇｅｌｅｍｅｎｔｂｅａｒｉｎｇｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｗａｖｅｌｅｔｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎａｎｄｓｐｅｃｔｒｕｍａｕｔｏ⁃ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１３，４９（３）：８０⁃８７［２］㊀郭瑜，秦树人，汤宝平，等．基于瞬时频率估计的旋转机械阶比跟踪［Ｊ］．机械工程学报，２００３，３９（３）：３２⁃３６ＧＵＯＹｕ，ＱＩＮＳｈｕｒｅｎ，ＴＡＮＧＢａｏｐｉｎｇ，ｅｔａｌ．Ｏｒｄｅｒｔｒａｃｋｉｎｇｏｆｒｏｔａｔｉｎｇｍａｃｈｉｎｅｒｙｂａｓｅｄｏｎｉｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓｆｒｅ⁃ｑｕｅｎｃｙｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ［Ｊ］．ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎ⁃ｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００３，３９（３）：３２⁃３６［３］㊀梁玉前，秦树人，郭瑜．旋转机械升降速信号的瞬时频率估计［Ｊ］．机械工程学报，２００３，３９（９）：７５⁃８０ＬＩＡＮＧＹｕｑｉａｎ，ＱＩＮＳｈｕｒｅｎ，ＧＵＯＹｕ．Ｉｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓｆｒｅ⁃ｑｕｅｎｃｙｅｓｔｉｍａｔｉｏｎｏｆｒｕｎ⁃ｕｐｏｒｒｕｎ⁃ｄｏｗｎｓｉｇｎｏｆｒｏｔａｔｉｎｇｍａｃｈｉｎｅｒｙ［Ｊ］．ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００３，３９（９）：７５⁃８０［４］㊀孔庆鹏，宋开臣，陈鹰．基于分段最小二乘拟合的瞬时频率估计方法［Ｊ］．农业机械学报，２００６，３７（１１）：２０４⁃２０６ＫＯＮＧＱｉｎｇｐｅｎｇ，ＳＯＮＧＫａｉｃｈｅｎ，ＣＨＥＮＹｉｎｇ．Ｉｎｓｔａｎｔａ⁃ｎｅｏｕｓｆｒｅｑｕｅｎｃｙｅｓｔｉｍａｔｉｏｎｂａｓｅｄｏｎｐｉｅｃｅｗｉｓｅｌｅａｓｔｓｑｕａｒｅｓｆｉｔｔｉｎｇ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌＭａｃｈｉｎｅｒｙ，２００６，３７（１１）：２０４⁃２０６［５］㊀赵晓平，赵秀莉，侯荣涛，等．一种新的旋转机械升降速阶段振动信号的瞬时频率估计算法［Ｊ］．机械工程学报，２０１１，４７（７）：１０３⁃１０８ＺＨＡＯＸｉａｏｐｉｎｇ，ＺＨＡＯＸｉｕｌｉ，ＨＯＵＲｏｎｇｔａｏ，ｅｔａｌ．Ａｎｅｗｍｅｔｈｏｄｆｏｒｉｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓｆｒｅｑｕｅｎｃｙｅｓｔｉｍａｔｉｏｎｏｆｒｕｎ⁃ｕｐｏｒｒｕｎ⁃ｄｏｗｎｖｉｂｒａｔｉｏｎｓｉｇｎａｌｆｏｒｒｏｔａｔｉｎｇｍａｃｈｉｎｅｒｙ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１１，４７（７）：１０３⁃１０８［６］㊀胡爱军，朱瑜．基于改进的峰值搜索法的旋转机械瞬时频率估计［Ｊ］．振动与冲击，２０１３，３２（７）：１１３⁃１１７ＨＵＡｉｊｕｎ，ＺＨＵＹｕ．Ｉｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓｆｒｅｑｕｅｎｃｙｅｓｔｉｍａｔｉｏｎｏｆａｒｏｔａｔｉｎｇｍａｃｈｉｎｅｒｙｂａｓｅｄｏｎａｎｉｍｐｒｏｖｅｄｐｅａｋｓｅａｒｃｈｍｅｔｈｏｄ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＶｉｂｒａｔｉｏｎａｎｄＳｈｏｃｋ，２０１３，３２（７）：１１３⁃１１７［７］㊀ＤｏｎｇＷ，ＺｈｏｕＮ，ＰａｕｌＪ⁃Ｃ，ｅｔａｌ．Ｏｐｔｉｍｉｚｅｄｉｍａｇｅｒｅｓｉｚｉｎｇｕｓｉｎｇｓｅａｍｃａｒｖｉｎｇａｎｄｓｃａｌｉｎｇ［Ｊ］．ＡＣＭＴｒａｎｓ⁃ａｃｔｉｏｎｏｎＧｒａｐｈｉｃｓ，２００９，２８（５）：１２５⁃１３２［８］㊀ＷｅｉＪＤ，ＬｉｎＹＪ，ＷｕＹＪ．Ａｐａｔｈａｎａｌｙｓｉｓｍｅｔｈｏｄｔｏｄｅ⁃ｔｅｃｔｓｅａｍｃａｒｖｅｄｉｍａｇｅｓ［Ｊ］．ＰａｔｔｅｒｎＲｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎＬｅｔｔｅｒｓ，２０１４，３６（１）：１００⁃１０６［９］㊀赵晓平，侯荣涛．基于Ｖｉｔｅｒｂｉ算法的Ｇａｂｏｒ阶比跟踪技术［Ｊ］．机械工程学报，２００９，４５（１１）：２４７⁃２５２ＺＨＡＯＸｉａｏｐｉｎｇ，ＨＯＵＲｏｎｇｔａｏ．Ｇａｂｏｒｏｒｄｅｒｔｒａｃｋｉｎｇｂａｓｅｄｏｎｖｉｔｅｒｂｉａｌｇｏｒｉｔｈｍ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎ⁃ｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００９，４５（１１）：２４７⁃２５２８１２赵晓平，等．改进的ＳｅａｍＣａｒｖｉｎｇ瞬时频率估计算法研究．ＺＨＡＯＸｉａｏｐｉｎ，ｅｔａｌ．ＩｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓｆｒｅｑｕｅｎｃｙｅｓｔｉｍａｔｉｏｎｂａｓｅｄｏｎｉｍｐｒｏｖｅｄＳｅａｍＣａｒｖｉｎｇａｌｇｏｒｉｔｈｍ．ＩｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓｆｒｅｑｕｅｎｃｙｅｓｔｉｍａｔｉｏｎｂａｓｅｄｏｎｉｍｐｒｏｖｅｄＳｅａｍＣａｒｖｉｎｇａｌｇｏｒｉｔｈｍＺＨＡＯＸｉａｏｐｉｎ１，２㊀ＷＵＪｉａｘｉｎ１，２㊀ＺＨＯＵＺｉｘｉａｎ１，２１ＳｃｈｏｏｌｏｆＣｏｍｐｕｔｅｒ＆Ｓｏｆｔｗａｒｅ，ＮａｎｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＳｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ㊀２１００４４２ＪｉａｎｇｓｕＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｅｎｔｅｒｏｆＮｅｔｗｏｒｋＭｏｎｉｔｏｒｉｎｇ，ＮａｎｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＳｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ㊀２１００４４Ａｂｓｔｒａｃｔ㊀Ｆｅａｔｕｒｅｅｘｔｒａｃｔｉｏｎｏｆｉｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓｆｒｅｑｕｅｎｃｙｉｓｔｈｅｋｅｙｆｏｒｆａｕｌｔｄｉａｇｎｏｓｉｓｏｆｒｏｔａｔｉｎｇｍａｃｈｉｎｅｓ，ｃｏｎｓｉｄ⁃ｅｒｉｎｇｔｈａｔｔｈｅｖｉｂｒａｔｉｏｎｓｉｇｎａｌｓｏｆｂｅａｒｉｎｇａｒｅｕｓｕａｌｌｙｐｏｔｅｎｔｉａｌａｎｄｖｅｒｙｗｅａｋｆｏｒｄｙｎａｍｉｃｒｅｓｐｏｎｓｅ．ＡｎｅｗＳＴＦＴ⁃ＳＣ（ＳｈｏｒｔＴｉｍｅＦｏｕｒｉｅｒＴｒａｎｓｆｏｒｍａｎｄＳｅａｍＣａｒｖｉｎｇ）ｆｅａｔｕｒｅｅｘｔｒａｃｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｉｓｔｈｕｓｐｒｏｐｏｓｅｄｗｈｉｃｈｃａｎｅｓｔｉｍａｔｅｉｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓｆｒｅｑｕｅｎｃｙｏｆｖｉｂｒａｔｉｏｎｓｉｇｎａｌｏｆｒｏｌｌｉｎｇｂｅａｒｉｎｇｓ．ＳｅａｍＣａｒｖｉｎｇｍｅｔｈｏｄ，ｕｓｕａｌｌｙａｐｐｌｉｅｄｉｎｔｈｅｆｉｅｌｄｏｆｉｍａｇｅｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，ｉｓｒｅｖｉｓｅｄａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｒｏｌｌｉｎｇｂｅａｒｉｎｇ．Ｉｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓｆｒｅｑｕｅｎｃｙｏｆｔｈｅｖｉ⁃ｂｒａｔｉｏｎｓｉｇｎａｌｉｓｅｓｔｉｍａｔｅｄｕｓｉｎｇｔｈｅＳＴＦＴ，ｔｈｅｎｔｈｅｆｉｒｓｔｏｒｄｅｒＳｅａｍｒｏｕｔｅｉｓｓｏｌｖｅｄｕｓｉｎｇｔｈｅｅｎｅｒｇｙｇｒａｄｉｅｎｔｓｏｆＳｅａｍＣａｒｖｉｎｇａｎｄｄｙｎａｍｉｃｐｌａｎｎｉｎｇｍｅｔｈｏｄ；ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅｆｉｒｓｔｏｒｄｅｒｓｉｇｎａｌｉｓｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄａｎｄｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｅｄｓｉｇｎａｌ．ＲｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｐｒｏｐｏｓｅｄＳＴＦＴ⁃ＳＣｍｅｔｈｏｄｉｓｅｆｆｅｃｔｉｖｅａｎｄｑｕｉｃｋｆｏｒｅｓｔｉｍａｔｉｏｎｏｆｖｉｂｒａｔｉｏｎｓｉｇｎａｌｅｖｅｎｕｎｄｅｒｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅｏｆｓｔｒｏｎｇｎｏｉｓｅａｎｄａｄｊａｃｅｎｔｏｒｄｅｒｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｏｆｓｉｇｎａｌ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ㊀ｒｏｔａｔｉｎｇｍａｃｈｉｎｅ；ＳｅａｍＣａｒｖｉｎｇ；ｉｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓｆｒｅｑｕｅｎｃｙｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ；ｅｎｅｒｇｙｇｒａｄｉｅｎｔ９１２学报（自然科学版），２０１７，９（２）：２１４⁃２１９ＪｏｕｒｎａｌｏｆＮａｎｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ），２０１７，９（２）：２１４⁃２１９。
基于等角度重采样的非稳态振动数据分析方法研究
０ 引言
不能真实反应这一过程中的振动量值ꎮ 所选数据段
较长时ꎬ该段数据内旋转频率是个变化量ꎬ将直接导
在俯冲拉起、自转下滑以及地面开车不同状态
致旋转频率对应的振动量值偏小ꎬ直升机某些位置
之间切换时ꎬ直升机处于非稳定状态ꎬ旋翼等动部件
对振动量值有明确的限值要求ꎬ若计算结果偏小将
的旋转频率会发生变化ꎬ采用 ＦＦＴ 或短时傅立叶变
ｔｉｍｅꎬｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｃａｎ’ ｔ ｒｅｆｌｅｃｔ ｔｈｅ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｖａｌｕｅｓ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐｒｏｃｅｓｓ. Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｓｏｌｖｅ ｔｈｉｓ ｐｒｏｂｌｅｍꎬｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｔｈｅ
ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｅｑｕａｌ ａｎｇｌｅ ｒｅｓａｍｐｌｉｎｇ ｔｏ ａｎａｌｙｚｅ ｔｈｅ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｄａｔａ ｂｙ ｏｒｄｅｒ ｒａｔｉｏꎬａｎｄ ｏｂｔａｉｎｓ ｔｈｅ ｒｅａｌ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｖａｌｕｅｓ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ
Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｕｎｓｔｅａｄｙ ｓｔａｔｅ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｄａｔａ ａｎａｌｙｓｉｓ ｍｅｔｈｏｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｅｑｕａｌ ａｎｇｌｅ ｒｅｓａｍｐｌｉｎｇ
ＺＨＡＮＧ ＷｕｌｉｎꎬＬＩ ＸｉａｏｌｕꎬＦＡＮ Ｚｈｅｎｇｂｉｎｇ
Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｔｈｅ ｒｏｔａｔｉｏｎ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｏｆ ｔｈｅ ｈｅｌｉｃｏｐｔｅｒ ｍｏｖｉｎｇ ｐａｒｔｓ ｉｓ ａ ｖａｒｉａｂｌｅ ｉｎ ｓｏｍｅ ｓｐｅｃｉａｌ ｓｔａｔｅｓꎬｓｕｃｈ ａｓ ｄｉｖｅ－ｈｉｋｅ ａｎｄ
果并不能真实反应这一过程中的振动量值ꎮ 为解决这一问题ꎬ本文以旋翼转速为基准ꎬ引入等角度重采样方法对振
动数据进行阶比分析ꎬ得到了不同阶次频率的真实振动量值ꎬ为特殊状态下的振动数据分析提供一种分析手段ꎮ
基于LabVIEW的旋转机械阶比分析
经过传统 Ｆ Ｔ变换计算得 到的功率谱。经过计 Ｆ 算 ， 动机 基轴 基频 应从 １０Ｈｚ 至 约 ８ ， 发 ０ 减 ０Ｈｚ倍 频 应 分 布 在 图 ５ 中 ， 以 发 现 在 倍 频 处 发 生 了 可 “ 漂移” 频率分布出现“ ， 涂抹” 现象。频谱图的能 量值在加速过程中 ， 沿着横坐标在不停地叠加和 跳动 ， 最后的结果也明显不符合理论分析。
图 ４ 图 ５分 别 为 原 始 振 动 信 号 和 振 动 信 号 、
频 率／ Ｈｚ
图 ７ 振动信号阶 比跟踪瀑布图
中阶比谱等较为清晰地记录了旋转机械振动信号 的特征值 。
４ 结论
（） １ 实验验 证 阶 比分 析 可有 效 地解 决 旋 转机 械升、 降速 过程 中频 谱 “ 糊 ” 象 等 问题 ， 有 模 现 是 效 的旋 转机 械振 动信 号分 析方法 ； （） ２ 笔者 采用 的一 次 线性 插 值 方 式得 到 转 速 脉 冲 ， 阶 比分析 实现 故 障模 式识 别精 度较 低 ， 对 需
统特 征信 息进 行处 理 。
阶比分析的本质是将时域的非稳定等时间间
隔采 样信 号通 过 恒 定 角增 量 采 样 ， 变 为 角 域 的 转
生的与转 速有 关的振动 信号成分有效 地分离 出 来 。笔 者基 于 Ｌｂ ＩＷ 图形 化 编 程 语 言 实 现 了 ａＶＥ
对旋 转机 械变 工况 工作 状 态下 的 阶 比分 析特 征值
摘
要： 阐述 了 Ｆ Ｔ Ｆ 分析与 阶 比分 析的基本理论 ， 出了 阶 比分析在 旋转机 械特征值 获取 中的优势 ； 细论 得 详
述 了基 于 Ｌ ｂ ＩＷ 语言 实现 阶比分析的编程方式 ， ａＶＥ 并插值 获得转速信 号 ， 以获取等 角度采样 振动信 号 ； 实验
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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。