一種基于脈沖指標(biāo)的旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷方法技術(shù)

本發(fā)明專(zhuān)利技術(shù)提供一種基于脈沖指標(biāo)的旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷方法，用信號(hào)分離的思想構(gòu)建脈沖指標(biāo)，克服現(xiàn)有脈沖指標(biāo)診斷技術(shù)的缺點(diǎn)，提高診斷的精確度和可靠性，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)信號(hào)將實(shí)時(shí)采集振動(dòng)信號(hào)分為無(wú)故障振動(dòng)信號(hào)和混合信號(hào)，用混合信號(hào)和無(wú)故障振動(dòng)信號(hào)構(gòu)建脈沖指標(biāo)，具有對(duì)故障診斷更加靈敏，更加能夠通過(guò)信號(hào)的變化檢測(cè)微弱故障特征信號(hào)。旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備正常運(yùn)行和發(fā)生故障時(shí)，脈沖指標(biāo)的取值范圍重疊少，不同狀態(tài)下脈沖指標(biāo)變化明顯，對(duì)裂軸加偏心軸類(lèi)故障比較敏感，能夠很好地將此故障與其他故障區(qū)分開(kāi)來(lái)，旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷的精確度和可靠性高。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專(zhuān)利技術(shù)涉及一種旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷方法，特別涉及一種基于脈沖指標(biāo)的旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷方法，屬于故障診斷與信號(hào)處理分析

技術(shù)介紹
大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備(如汽輪機(jī)、旋轉(zhuǎn)軸承、壓縮機(jī)等)是石油、化工、機(jī)械制造、航空航天等重要工程領(lǐng)域的關(guān)鍵設(shè)備，旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備正朝著大型化、自動(dòng)化、精密化的方向不斷發(fā)展，其組成和結(jié)構(gòu)也變得越來(lái)越復(fù)雜，發(fā)生故障的概率也越來(lái)越大，因此對(duì)大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備的安全性和可靠性的要求也越來(lái)越高。但是，大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，振動(dòng)監(jiān)測(cè)信號(hào)往往存在大量的非線(xiàn)性、隨機(jī)、不可遍歷的信息，給故障信號(hào)的分析和旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障的診斷帶來(lái)很大的困難。現(xiàn)有技術(shù)的旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷主要基于振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析，而一般采用時(shí)域分析法，通過(guò)對(duì)機(jī)械振動(dòng)信號(hào)的概率密度函數(shù)分析，推導(dǎo)出了幅值域中的有量綱指標(biāo)和無(wú)量綱指標(biāo)，有量綱指標(biāo)如均值、均方根值等；無(wú)量綱指標(biāo)如脈沖指標(biāo)、裕度指標(biāo)、脈沖指標(biāo)等。在實(shí)際應(yīng)用中，現(xiàn)有技術(shù)的有量綱指標(biāo)對(duì)故障特征敏感，其數(shù)值會(huì)隨著故障的發(fā)展而上升，同時(shí)因工作條件，如負(fù)載、轉(zhuǎn)速等的變化而變化，并極易受環(huán)境干擾的影響，表現(xiàn)不夠穩(wěn)定。無(wú)量綱指標(biāo)中的脈沖指標(biāo)對(duì)于振動(dòng)監(jiān)測(cè)信號(hào)中的擾動(dòng)不敏感，對(duì)點(diǎn)蝕、磨損類(lèi)故障足夠敏感，性能較為穩(wěn)定。特別地，脈沖指標(biāo)對(duì)信號(hào)的幅值和頻率的變化不敏感，與旋轉(zhuǎn)機(jī)械的工作條件關(guān)系不大，只依賴(lài)于概率密度函數(shù)的形狀。因此，脈沖指標(biāo)在旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷中得到了廣泛的應(yīng)用。但是，現(xiàn)有技術(shù)利用脈沖指標(biāo)來(lái)診斷旋轉(zhuǎn)機(jī)械的故障主要有以下幾點(diǎn)問(wèn)題：一是沒(méi)有采用信號(hào)分離的思想構(gòu)建脈沖指標(biāo)，沒(méi)有對(duì)標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)信號(hào)分離，無(wú)法更好地體現(xiàn)旋轉(zhuǎn)機(jī)械的故障，對(duì)故障的診斷不敏感；二是在利用脈沖指標(biāo)進(jìn)行分析時(shí)，設(shè)備正常運(yùn)行和發(fā)生故障時(shí)的取值范圍會(huì)部分重疊，脈沖指標(biāo)變化極小，對(duì)微弱的故障信號(hào)反應(yīng)不靈敏，難以診斷和預(yù)測(cè)故障，易產(chǎn)生誤判，旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷的精確度和可靠性較差；三是采用磨合期的振動(dòng)信號(hào)作為標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)信號(hào)，沒(méi)有考慮旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備在運(yùn)行初期振動(dòng)信號(hào)中噪聲嚴(yán)重，不適宜作為標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)信號(hào)的問(wèn)題，診斷故障不準(zhǔn)確。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本專(zhuān)利技術(shù)提供一種基于脈沖指標(biāo)的旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷方法，克服傳統(tǒng)脈沖指標(biāo)診斷技術(shù)的缺點(diǎn)，提高診斷的精確度和可靠性，用信號(hào)分離的思想構(gòu)建脈沖指標(biāo)，由于對(duì)標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)信號(hào)的分離，剩余的混合信號(hào)能夠更好地體現(xiàn)旋轉(zhuǎn)機(jī)械的故障，對(duì)故障的診斷更加地敏感，所得出的診斷結(jié)果能夠準(zhǔn)確地診斷旋轉(zhuǎn)機(jī)械的故障。為達(dá)到以上技術(shù)效果，本專(zhuān)利技術(shù)所采用的技術(shù)方案如下：一種基于脈沖指標(biāo)的旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷方法，包括以下步驟：(1)通過(guò)振動(dòng)加速度傳感器采集旋轉(zhuǎn)機(jī)械在運(yùn)行磨合期后的正常運(yùn)行參數(shù)，所述正常運(yùn)行參數(shù)為按抽樣頻率fs采集的無(wú)故障振動(dòng)信號(hào)s0(t)(t＝0,1,…,T-1)；(2)對(duì)無(wú)故障振動(dòng)信號(hào)s0(t)進(jìn)行歸一化處理后得到標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)信號(hào)s(t)；(3)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)信號(hào)s(t)做快速傅里葉變換(FFT)得到標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)頻域信號(hào)S(k)(k＝0,1,…,K-1)；(4)通過(guò)振動(dòng)加速度傳感器采集旋轉(zhuǎn)機(jī)械需要故障診斷時(shí)的運(yùn)行參數(shù)，所述故障診斷時(shí)的運(yùn)行參數(shù)為按抽樣頻率fs實(shí)時(shí)采集旋轉(zhuǎn)機(jī)械運(yùn)行中的實(shí)時(shí)采集振動(dòng)信號(hào)z(t)(t＝0,1,…,T-1)；(5)對(duì)實(shí)時(shí)采集振動(dòng)信號(hào)z(t)做快速傅里葉變換(FFT)得到實(shí)時(shí)振動(dòng)頻域信號(hào)Z(k)(k＝0,1,…,K-1)；(6)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)頻域信號(hào)S(k)取復(fù)共軛為S(k)*，將Z(k)與S(k)*相乘得到Y(jié)(k)(k＝0,1,…,K-1)，再對(duì)Y(k)(k＝0,1,…,K-1)做快速傅里葉逆變換(IFFT)得到兩個(gè)信號(hào)Z(k)與S(k)*的相關(guān)函數(shù)I(t)(t＝0,1,…,T-1)；(7)在t＝0,1,…,T-1中取相關(guān)函數(shù)I(t)的模|I(t)|，|I(t)|的最大值所對(duì)應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)為實(shí)時(shí)采集振動(dòng)信號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)信號(hào)的延遲時(shí)間τ，τ＝argmax|I(t)|；(8)求實(shí)時(shí)采集振動(dòng)信號(hào)z(t)與延遲后的標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)信號(hào)s(t-τ)的相關(guān)系數(shù)c，c＝E[z(t)s(t-τ)]；(9)計(jì)算混合信號(hào)y(t),y(t)為故障特征提取信號(hào)和噪聲的混合信號(hào)，y(t)＝z(t)-cs(t-τ)；(10)計(jì)算出脈沖指標(biāo)一種基于脈沖指標(biāo)的旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷方法，進(jìn)一步的，根據(jù)脈沖指標(biāo)Iys的值，判斷旋轉(zhuǎn)機(jī)械是否發(fā)生故障及故障類(lèi)別，以下區(qū)間值均包括邊界值：脈沖指標(biāo)Iys的值在3.3236到5.4038之間時(shí)，旋轉(zhuǎn)機(jī)械運(yùn)行正常；脈沖指標(biāo)Iys的值在6.8489到8.7005之間時(shí)，考慮旋轉(zhuǎn)機(jī)械發(fā)生了裂軸故障；脈沖指標(biāo)Iys的值在6.1114到8.8693之間時(shí)，考慮旋轉(zhuǎn)機(jī)械發(fā)生了彎軸故障；脈沖指標(biāo)Iys的值在6.2296到8.2932之間時(shí)，考慮旋轉(zhuǎn)機(jī)械發(fā)生了偏心軸故障；脈沖指標(biāo)Iys的值在5.7939到8.7031之間時(shí)，考慮旋轉(zhuǎn)機(jī)械發(fā)生了裂軸+彎軸故障；脈沖指標(biāo)Iys的值在5.8316到8.9699之間時(shí)，考慮旋轉(zhuǎn)機(jī)械發(fā)生了裂軸+偏心軸故障；脈沖指標(biāo)Iys的值在6.0261到7.9502之間時(shí)，考慮旋轉(zhuǎn)機(jī)械發(fā)生了彎軸+偏心軸故障；脈沖指標(biāo)Iys的值在7.7297到8.9531之間時(shí)，考慮旋轉(zhuǎn)機(jī)械發(fā)生了裂軸+彎軸+偏心軸故障。一種基于脈沖指標(biāo)的旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷方法，進(jìn)一步的，快速傅里葉變換(FFT)采用有限序列離散傅里葉變換(DFT)的快速算法，所述快速傅里葉變換(FFT)采用頻率抽取算法，在頻域內(nèi)把序列按照奇偶分組并利用周期性和對(duì)稱(chēng)性進(jìn)行計(jì)算。一種基于脈沖指標(biāo)的旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷方法，進(jìn)一步的，快速傅里葉逆變換(IFFT)通過(guò)Y(k)頻域中的頻譜，將每個(gè)頻率分量變換成時(shí)域正弦波，再全部疊加得到相關(guān)函數(shù)I(t)。一種基于脈沖指標(biāo)的旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷方法，進(jìn)一步的，步驟(1)和步驟(4)按1024個(gè)點(diǎn)為一組進(jìn)行采樣，采樣頻率為1000Hz。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本專(zhuān)利技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于：1.本專(zhuān)利技術(shù)提供的一種基于脈沖指標(biāo)的旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷方法，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)信號(hào)將實(shí)時(shí)采集的旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)信號(hào)分為無(wú)故障振動(dòng)信號(hào)和混合信號(hào)，其中混合信號(hào)包含了故障特征信號(hào)和高斯噪聲。用混合信號(hào)和無(wú)故障振動(dòng)信號(hào)構(gòu)建脈沖指標(biāo)，使用了信號(hào)分離的思想構(gòu)建脈沖指標(biāo)，由于對(duì)標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)信號(hào)的分離，剩余的混合信號(hào)能夠更好地體現(xiàn)旋轉(zhuǎn)機(jī)械的故障，對(duì)故障的診斷更加地敏感，與現(xiàn)有脈沖指標(biāo)相比，更加能夠通過(guò)信號(hào)的變化檢測(cè)微弱故障特征信號(hào)。2.本專(zhuān)利技術(shù)提供的一種基于脈沖指標(biāo)的旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷方法，通過(guò)一系列的數(shù)學(xué)運(yùn)算，使得旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備正常運(yùn)行和發(fā)生故障時(shí)，得到的脈沖指標(biāo)的取值范圍相對(duì)重疊少，不同狀態(tài)下脈沖指標(biāo)變化明顯，不容易產(chǎn)生誤判，對(duì)裂軸加偏心軸類(lèi)故障敏感，能夠很好地將此故障與其他故障區(qū)分開(kāi)來(lái)，旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷的精確度和可靠性較高。3.本專(zhuān)利技術(shù)提供的一種基于脈沖指標(biāo)的旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷方法，采用磨合期結(jié)束后的振動(dòng)信號(hào)歸一化后作為標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)信號(hào)，考慮了旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備在運(yùn)行初期振動(dòng)信號(hào)中噪聲嚴(yán)重，不適宜作為標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)信號(hào)的問(wèn)題，故障信號(hào)反應(yīng)靈敏，診斷故障更加準(zhǔn)確有效。附圖說(shuō)明圖1是本專(zhuān)利技術(shù)提供的一種基于脈沖指標(biāo)的旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷方法的流程圖。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖，對(duì)本專(zhuān)利技術(shù)提供的一種基于脈沖指標(biāo)的旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷方法的技術(shù)方案進(jìn)行進(jìn)一步的描述，使本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以更好的理解本專(zhuān)利技術(shù)并能予以實(shí)施。參見(jiàn)圖1和表1，本專(zhuān)利技術(shù)提供一種基本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種基于脈沖指標(biāo)的旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷方法，其特征在于，包括以下步驟：(1)通過(guò)振動(dòng)加速度傳感器采集旋轉(zhuǎn)機(jī)械在運(yùn)行磨合期后的正常運(yùn)行參數(shù)，所述正常運(yùn)行參數(shù)為按抽樣頻率fs采集的無(wú)故障振動(dòng)信號(hào)s0(t)(t＝0,1,…,T?1)；(2)對(duì)無(wú)故障振動(dòng)信號(hào)s0(t)進(jìn)行歸一化處理后得到標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)信號(hào)s(t)；(3)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)信號(hào)s(t)做快速傅里葉變換得到標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)頻域信號(hào)S(k)(k＝0,1,…,K?1)；(4)通過(guò)振動(dòng)加速度傳感器采集旋轉(zhuǎn)機(jī)械需要故障診斷時(shí)的運(yùn)行參數(shù)，所述故障診斷時(shí)的運(yùn)行參數(shù)為按抽樣頻率fs實(shí)時(shí)采集旋轉(zhuǎn)機(jī)械運(yùn)行中的實(shí)時(shí)采集振動(dòng)信號(hào)z(t)(t＝0,1,…,T?1)；(5)對(duì)實(shí)時(shí)采集振動(dòng)信號(hào)z(t)做快速傅里葉變換得到實(shí)時(shí)振動(dòng)頻域信號(hào)Z(k)(k＝0,1,…,K?1)；(6)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)頻域信號(hào)S(k)取復(fù)共軛為S(k)*，將Z(k)與S(k)*相乘得到Y(jié)(k)(k＝0,1,…,K?1)，再對(duì)Y(k)(k＝0,1,…,K?1)做快速傅里葉逆變換得到兩個(gè)信號(hào)Z(k)與S(k)*的相關(guān)函數(shù)I(t)(t＝0,1,…,T?1)；(7)在t＝0,1,…,T?1中取相關(guān)函數(shù)I(t)的模|I(t)|，|I(t)|的最大值所對(duì)應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)為實(shí)時(shí)采集振動(dòng)信號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)信號(hào)的延遲時(shí)間τ，τ＝argmax|I(t)|；(8)求實(shí)時(shí)采集振動(dòng)信號(hào)z(t)與延遲后的標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)信號(hào)s(t?τ)的相關(guān)系數(shù)c，c＝E[z(t)s(t?τ)]；(9)計(jì)算混合信號(hào)y(t),y(t)為故障特征提取信號(hào)和噪聲的混合信號(hào)，y(t)＝z(t)?cs(t?τ)；(10)計(jì)算出脈沖指標(biāo)...

【技術(shù)特征摘要】
1.一種基于脈沖指標(biāo)的旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷方法，其特征在于，包括以下步驟：(1)通過(guò)振動(dòng)加速度傳感器采集旋轉(zhuǎn)機(jī)械在運(yùn)行磨合期后的正常運(yùn)行參數(shù)，所述正常運(yùn)行參數(shù)為按抽樣頻率fs采集的無(wú)故障振動(dòng)信號(hào)s0(t)(t＝0,1,…,T-1)；(2)對(duì)無(wú)故障振動(dòng)信號(hào)s0(t)進(jìn)行歸一化處理后得到標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)信號(hào)s(t)；(3)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)信號(hào)s(t)做快速傅里葉變換得到標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)頻域信號(hào)S(k)(k＝0,1,…,K-1)；(4)通過(guò)振動(dòng)加速度傳感器采集旋轉(zhuǎn)機(jī)械需要故障診斷時(shí)的運(yùn)行參數(shù)，所述故障診斷時(shí)的運(yùn)行參數(shù)為按抽樣頻率fs實(shí)時(shí)采集旋轉(zhuǎn)機(jī)械運(yùn)行中的實(shí)時(shí)采集振動(dòng)信號(hào)z(t)(t＝0,1,…,T-1)；(5)對(duì)實(shí)時(shí)采集振動(dòng)信號(hào)z(t)做快速傅里葉變換得到實(shí)時(shí)振動(dòng)頻域信號(hào)Z(k)(k＝0,1,…,K-1)；(6)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)頻域信號(hào)S(k)取復(fù)共軛為S(k)*，將Z(k)與S(k)*相乘得到Y(jié)(k)(k＝0,1,…,K-1)，再對(duì)Y(k)(k＝0,1,…,K-1)做快速傅里葉逆變換得到兩個(gè)信號(hào)Z(k)與S(k)*的相關(guān)函數(shù)I(t)(t＝0,1,…,T-1)；(7)在t＝0,1,…,T-1中取相關(guān)函數(shù)I(t)的模|I(t)|，|I(t)|的最大值所對(duì)應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)為實(shí)時(shí)采集振動(dòng)信號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)信號(hào)的延遲時(shí)間τ，τ＝argmax|I(t)|；(8)求實(shí)時(shí)采集振動(dòng)信號(hào)z(t)與延遲后的標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)信號(hào)s(t-τ)的相關(guān)系數(shù)c，c＝E[z(t)s(t-τ)]；(9)計(jì)算混合信號(hào)y(t),y(t)為故障特征提取信號(hào)和噪聲的混合信號(hào)，y(t)＝z(t)-cs(t-τ)；(10)計(jì)算出脈沖指標(biāo)2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于脈沖指標(biāo)的旋轉(zhuǎn)機(jī)械...

【專(zhuān)利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：張清華，王子為，鄒子君，譚巨興，肖明，
申請(qǐng)(專(zhuān)利權(quán))人：廣東工業(yè)大學(xué)，
類(lèi)型：發(fā)明
國(guó)別省市：廣東;44