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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。
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。
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。
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
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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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。
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。
