旋转机械阶比分析技术中阶比采样实现方式的研究

旋转机械阶比分析技术中阶比采样实现方式的研究 ———杨炯明 秦树人 季 忠
图 5 采用 DSP 方式实现的计算阶比跟踪
虑到旋转机械非平稳振动的信号特征 ,引入了时 频分析技术 ,利用如下两个对应关系提出了基于 瞬时频率估计的阶比跟踪方法[1 ,7] ,其实现原理 见图 6 。
图 6 基于瞬时频率估计的阶比跟踪
图 2 采用转速计的阶比跟踪
1. 2 计算阶比跟踪 在计算阶比跟踪中 ,采用鉴相装置和内插算
法来实现等角度采样 ,常见的计算阶比跟踪方法 有以下几种 : 1. 2. 1 经典的计算阶比跟踪
经典的计算阶比跟踪[3] 的实现原理见图 3 。 首先对原始振动信号和鉴相脉冲信号 (如转速脉 冲信号) 分两路以恒采样率同时进行等时间间隔
由上述阶比分析技术可以看出 :在阶比跟踪 的实现上 ,传统和现行方法多使用专门的角度编 码盘 、跟踪滤波器 、转速计等硬件装置 ,这些硬件 装置不仅成本较高而且安装较为复杂 ,因而阻碍 了阶比分析在工程实际中的广泛应用 。
我们在研究旋转机械阶比分析的过程中 ,考
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旋转机械阶比分析技术中阶比采样实现方式的研究 ———杨炯明 秦树人 季 忠
旋转机械阶比分析技术中阶比采样实现方式的研究
杨炯明 秦树人 季 忠
重庆大学 ,重庆 ,400030
摘要 :阶比分析的关键是实现对旋转机械振动信号的等角度采样。在分析国内外阶比分析 技术中阶比采样实现方式的基础上 ,在阶比分析中引入瞬时频率理论 ,提出了基于瞬时频率估计 的阶比跟踪方法 ,研制出了虚拟式旋转机械特征分析仪。该方法避免了现有技术中需要使用价 格比较昂贵的专用附加硬件和受现场安装条件制约的问题 ,有利于阶比分析的广泛应用。
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图 4 采用软硬件方式实现的组合计算阶比跟踪
1. 2. 3 基于 DSP 方式实现的计算阶比跟踪 最近 ,吕琛等[5] 提出了采用高速信号处理器
(digital signal p rocessor ,DSP) 电路和插值算法 来实现阶比跟踪 ,其实现原理见图 5 。DSP 中的 定时器得到转速计的转速脉冲 (每转一个脉冲) 的 间隔时间 ,并写入时间存储器块 ,同时 DSP 用固 定的采样率 (等时间间隔采样) 将 A/ D 采样得到 的数据写入信号存储器块 ; 之后 ,DSP 用相邻的 三个转速计时间读数进行二次多项式曲线拟合 , 据此可以求出转轴在该时间段内任意时刻的相 角 。根据该拟合好的多项式 ,可以对该时间段按 要求的采样率求出进行等角度采样的重采样时 刻 ;然后根据这些重采样时刻就可以用插值滤波 器进行插值重采样 ,从而得到阶比采样的数据 。 1. 3 基于瞬时频率估计的阶比跟踪 1. 3. 1 实现原理
图 1 采用光电脉冲角度编码盘的阶比跟踪
例合 成 器 , 它 相 当 于 一 个 锁 相 倍 频 电 路 PLL , PLL 将转速脉冲 n 倍频 , 从而实现每转提供 n 个 外部触发脉冲进而控制模/ 数转换器 ADC 对原 始振动信号进行 (角域) 采样 。这实际上是认为转 子系统在每一转的转动中是基本恒定的 ,同时比 例合成器根据触发脉冲的间隔时间来控制一个可 变截止频率的抗混叠跟踪滤波器 。
采用转速计的阶比跟踪实现原理[1 ,2 ] 见图 2 , 转速计每转提供一个鉴相脉冲 ,该脉冲被送入比
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关键词 :旋转机械 ;时频分析 ;阶比分析 ;阶比采样 ;阶比跟踪 中图分类号 : TN911. 72 ; TP206 文章编号 :1004 —132 Ⅹ(2005) 03 —0249 —05
Research on the Methods to Implement Order Sampl ing in Rotating Machinery Order Analysis Technique
(1) 时频分析技术中的瞬时频率与旋转机械 转速的对应关系
ni (ຫໍສະໝຸດ Baidut) = 60 f i ( t)
(1)
式中 , ni ( t) 为瞬时转速 ; f i ( t) 为瞬时频率 。
(2) 阶比与转速的对应关系
f = lR/ 60
(2)
式中 , f 为频率 , l 为阶比 ( 参考轴每转内的循环振动次
Yang J io ngming Qin Shuren J i Zho ng Cho ngqing U niver sit y , Cho ngqing , 400030 Abstract : It is t he key point to implement Co nstant A ngular Sampling of t he vibratio n signal s for Order Analysis in Rotating Machinery , t hat is Order Sampling , which aims at o btaining sampling sig2 nal s in angular do main. Therefo re , Order Analysis emp hasizes o n t he Met hods to implement Order Sampling. Af ter analyzing t he existing Order Sampling met hods at ho me and abroad , and int roducing t he Instantaneo us Frequency Theory into Order Analysis , Test Center of Cho ngqing U niver sit y p ut forward a New Met hod based o n Instantaneo us Frequency Estimatio n to implement Order Tracking , and developed Virt ual Characteristic Analyzer of Rotating Machinery. The existing techniques need expensive and special hardwares. Furt hermore , it is inco nvenient to set up t he hardware in so me sit ua2 tio ns. However , t his New Met hod avoids t hese p ro blems , so it is helpf ul to utilize Order Analysis wi del y . Key words : rotating machinery ; time - f requency analysis ; o rder analysis ; order sampling ; o rder t racking
中国机械工程第 16 卷第 3 期 2005 年 2 月上半月
阶比采样的角域信号 。 1. 2. 2 采用软硬件方式实现的组合计算阶比 跟踪
研究发现 ,计算阶比跟踪的精度主要由插值 计算精度和鉴相脉冲提供的合成同步采样时标的 精度所决定 。选用适当的算法 ,计算阶比跟踪可 获得相当高的插值精度 。而采用硬件计算转速脉 冲到达时间可显著提高合成同步采样的精度 ,这 是传统阶比跟踪的优势 。近年来 ,Bo ssley 等[4] 在 此基础上提出了组合计算阶比跟踪法 ,其实现原 理见图 4 ,即利用高精度的插值算法和硬件脉冲 计数器实现高精度阶比跟踪 。
基于光电 脉 冲 角 度 编 码 盘 的 硬 件 式 阶 比 跟 踪[1 ,2] 直接源于角域采样的经典理论 ,是最早实 现的阶比跟踪 ,由于实时性好 ,在目前的工程实际 中仍有应用 。其实现原理见图 1 ,它使用特定的 鉴相装置 ———光电脉冲角度编码盘 ,产生外部触 发脉冲 ,通过采样率合成器和模拟跟踪滤波器等 硬件手段来实现阶比采样的角域信号 。由于在正 常运行状态下轴转速趋于恒定 ,因此这种方法在 正常运行条件下可以进行精确采样 。 1. 1. 2 采用转速计的阶比跟踪
图 3 经典的计算阶比跟踪
采样 ,得到同步采样信号 ;然后通过采集的鉴相脉 冲序列即转速脉冲序列 (通常是每转一个脉冲) 进 行转速估计 ,并作为振动相角的测量基准 ;再由转 速估计计算等角度采样发生的时刻序列 ;最后在 计算出的等角度采样发生时刻附近时间区间内对 同步采样的原始振动信号进行插值重采样 ,得到
数) ; R 为参考轴转速 。
阶比与转速 (或频率) 有直接的对应关系 , 可
以保持和转速的恒定联系 , 阶比为 1 总是表示转
速的 1 倍 , 同理 , 阶比为 2 表示转速的两倍 , 其他
阶比分量的意义依次类推 。
1. 3. 2 具体算法 基于瞬时频率估计的阶比跟踪算法的具体实
现步骤如下[1 ,7～11 ] : (1) 利用时频分析手段对原始采样的振动信
收稿日期 :2004 —01 —13 基金项目 :国家自然科学基金资助重点项目 (50135050)
的阶比跟踪方法 ,避免了现有阶比分析技术中需 要专用附加硬件和安装不便的问题 ,实现了无需 转速计的基于瞬时频率估计的阶比跟踪方法 ,研 制出了虚拟式旋转机械特征分析仪 。
1 阶比分析技术的研究
1. 1 采用鉴相装置的硬件式阶比跟踪 1. 1. 1 采用光电脉冲角度编码盘的阶比跟踪
0 引言
阶比分析技术是旋转机械振动信号分析和故 障诊断的重要技术之一[1 ,2] ,通俗地说 ,阶比分析 就是角域采样信号的频谱分析 。因此阶比分析的 关键是实现振动信号的等角度采样 ,即阶比采样 , 从而得到角域采样信号 。阶比采样是指采样的触 发间隔为旋转机械每转过一定角度的时间间隔 。 精确的阶比分析要求对振动信号进行等角度采 样 ,即采样率的调整要与参考轴转速的变化一致 , 该阶 比 采 样 过 程 在 阶 比 分 析 中 称 为 阶 比 跟 踪[1 ,3～7 ] ,其实现方式是阶比分析研究的重点 。目 前 ,国内外在阶比分析技术中已经作了大量的研 究 ,主要分为两大类 :一类是采用鉴相装置的硬件 式阶比跟踪 ,另一类是计算阶比跟踪 ( CO T) 。这 两类技术一方面需要使用价格比较昂贵的专用附 加硬件 ,另一方面受到现场安装条件的制约 ,因此 限制了其应用 。重庆大学测试中心将瞬时频率理 论引入到阶比分析中 ,提出了基于瞬时频率估计
max
{ T F ( n , k) }
n = ni
( ki ±1) - p ≤k ≤( ki ±1) + p
ni = n1 ±1 , n1 ±2 , … n1 , n , ni = 0 , 1 ,2 , …, M - 1
k0 , k1 , k , ki = 0 ,1 , 2 , …, N - 1
式中 , I F E 为峰值搜索得到的瞬时频率估计值 ; T F 为用
号进行时频分析 ,得到时频谱 。 (2) 在时频谱图上进行峰值搜索 , 获得参考
轴离散瞬时频率 f i ( k) 的估计值 。
具体的峰值搜索算法为
I F E ( n1 , k1 )
=
arg
k0 -
max {
p ≤k ≤k0 + p
T F ( n1
, k) }
(3)
I F E ( ni , ki ) = arg
于峰值搜索的时频面 ;arg max 表示取最大值的参数 (在
此为 ki ) ; p 为设定的局部极大值搜索范围 ; M 为时频面的
时间线数 ; N 为时频面的频率线数 。