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基于阶次提取法的轴系轴心轨迹分析邱博;王志华;李中成【摘要】针对轴系原始轴心轨迹不易识别的问题,采用阶次提取法对轴心轨迹进行提纯.以轴系试验台为基础,使用电涡流位移传感器测量径向平面内两垂直方向的振动信号,在LabVIEW中对信号进行处理并合成轴心轨迹图,利用等角度采样得到各阶次轴心轨迹,然后利用Gabor变换对感兴趣的阶次进行时域重构并叠加得到提纯后的轴心轨迹图,最后选用适当的轴心轨迹特征参数表征轴系校中的状态.实验结果表明,阶次提取法具有较好的提纯效果,提取的轴心轨迹特征参数能有效反映轴系的校中状态.%Against the difficulty of identifying the original shaft centreline orbit, a new way to purify orbit by order extraction was proposed.The vibration signal was measured based on a shafting test platform, using two eddy current displacement sensors mounted mutually perpendicular in the radial plane, the signal was processed and was used to draw the centerline orbit diagram in the Labview software, and extract the major order components of the orbit using uniform angle sampling, the extracted order components are regenerated in time domain using Gabor transform and superimposed to attain the purified orbit.Several appropriate characteristic parameters were selected which can reflect the condition of shafting alignment.It was shown that the order extraction can attain better purifying effect, and the characteristic parameters can effectively reflect the condition of shafting alignment.【期刊名称】《船海工程》【年(卷),期】2017(046)001【总页数】4页(P69-72)【关键词】轴心轨迹;阶次提取;特征参数;轴系校中【作者】邱博;王志华;李中成【作者单位】武汉理工大学能源与动力工程学院,武汉 430063;武汉理工大学能源与动力工程学院,武汉 430063;武汉理工大学能源与动力工程学院,武汉 430063【正文语种】中文【中图分类】U664.21船舶推进轴系的不合理校中会对船舶动力装置系统的性能和船舶航行安全带来严重危害[1-2]。
基于LabVIEW的轴心轨迹故障自动识别系统刘其洪;叶聪;李伟光;万好;乔于格【摘要】针对目前旋转机械故障诊断的计算量大、识别准确度不高、自动化程度低等问题,提出一种基于LabVIEW的轴心轨迹故障自动识别的新方法.对比小波与传统去噪算法,选用效果更优的小波提纯仿真轴心轨迹.通过改进的HU不变矩函数提取轴心轨迹的特征值,保证比例缩放不变性.两路相互垂直的位移传感器连接西门子LMS采集振动信号,结合关联度算法,在LabVIEW轴心轨迹故障自动识别系统上进行转子不对中故障测试,识别的结果与外8字轴心轨迹关联度高达97%,同时信号的Matlab时域轴心轨迹图为外8字,信号频谱图主要为一倍频和二倍频,均符合转子不对中故障特征.结果表明:该系统能够进行在线故障识别,为旋转机械的智能故障诊断提供参考依据.%For the problems of large computational quantity, low recognition precision and low automatization of rotating machinery fault diagnosis, a new method of automatic recognition system for shaft orbit faults based on LabVIEW is proposed. The wavelet and traditional denoising algorithms are compared and the shaft orbit simulation with wavelet purification of better effects is selected. The characteristic value of the shaft orbit is extracted by the improved HU invariant-moment function to ensure the invariance of scaling. Two mutually vertical displacement sensors are connected with Siemens LMS to acquire vibration signals. With the correlation degree algorithm, fault test is conducted for the automatic recognition system for shaft orbit faults based on LabVIEW. The results show that the correlation between the recognized results and the external 8-character shaft orbit reaches as high as 97%. Meanwhile, the signal'sMatlab time domain shaft orbit is external 8-character and the signal frequency spectrum is mainly of one time frequency and doubled frequency, fully according with the fault characteristic of rotor misalignment. The results show that the system can recognize the faults on line and it provides a reference for intelligent fault diagnosis of rotating machinery.【期刊名称】《中国测试》【年(卷),期】2018(044)004【总页数】6页(P69-74)【关键词】LabVIEW系统;轴心轨迹;关联度;故障诊断;Matlab【作者】刘其洪;叶聪;李伟光;万好;乔于格【作者单位】华南理工大学机械与汽车工程学院,广东广州510640;华南理工大学机械与汽车工程学院,广东广州510640;华南理工大学机械与汽车工程学院,广东广州510640;华南理工大学机械与汽车工程学院,广东广州510640;华南理工大学机械与汽车工程学院,广东广州510640【正文语种】中文0 引言对于大型旋转机械，由于现场工作环境的复杂性，以及通常需要在高速重载工况下连续运行，不可避免会出现振动，一旦振幅过大，极有可能造成机械系统运行不稳定，严重时会引起机械故障或停机，甚至会对现场工作人员的人身安全造成威胁，引发安全事故[1]。
旋转机械故障诊断旋转机械是指依靠转子旋转运动进行工作的机器，在结构上必须具备最基本的转子、轴承等零部件。
典型的旋转机械：各类离心泵、轴流泵、离心式和轴流式风机、汽轮机、涡轮发动机、电动机、离心机等。
用途：1、在大型化工、石化、压缩电力和钢铁等部门，某些大型旋转机械属于生产中的关键设备2、炼油厂催化工段的三机组或四机组3、大化肥装置中的四大机组或五大机组4、乙烯装置中的三大机组5、电力行业的汽轮发电机、泵和水轮机组6、钢铁部门的高炉风机和轧钢机组旋转机械可能出现的故障类型：1、转子不平衡故障2、转子不对中故障3、转轴弯曲故障4、转轴横向裂纹的故障5、连接松动故障6、碰摩故障7、喘振转子的不平衡振动机理及特性：旋转机械的转子由于受材料的质量分布、加工误差、装配因素以及运动中的冲蚀和沉积等因素的影响，致使其质量中心与旋转中心存在一定程度的偏心距。
偏心距较大时，静态下，所产生的偏心力矩大于摩擦阻力距，表现为某一点始终恢复到水平放置的转子下部，其偏心力矩小于摩擦阻力距的区域内，称之为静不平衡。
偏心距较小时，不能表现出静不平衡的特征，但是在转子旋转时，表现为一个与转动频率同步的离心力矢量，离心力F=Mew2,从而激发转子的振动。
这种现象称之为动不平衡。
静不平衡的转子，由于偏心距e较大，表现出更为强烈的动不平衡振动。
虽然做不到质量中心与旋转中心绝对重合，但为了设备的安全运行，必须将偏心所激发的振动幅度控制在许可范围内。
1、不平衡故障的信号特征1）时域波形为近似的等福正弦波。
2）轴心轨迹为比较稳定的圆或椭圆，这是因为轴承座及基础的水平刚度与垂直刚度不同所造成。
3）频谱图上转子转动频率处的振幅。
4）在三维全息图中，转动频率的振幅椭圆较大，其他成分较小。
2、敏感参数特征1）振幅随转速变化明显，这是因为，激振力与角速度w是指数关系。
2）当转子上得部件破损时，振幅突然变大。
例如，某烧结厂抽风机转子焊接的合金耐磨层突然脱落，造成振幅突然增大。
轴心轨迹- 2. 图形解读轴心轨迹的本身能够提供很多重要的信息。
概括来说有下列的6项：1.X和Y方向的各种变量的振动幅值，包括通频幅值、过滤分量幅值等2.X和Y方向的各种过滤分量的绝对相位角3.X和Y方向的同频各种过滤分量的相对相位角4.X和Y方向包含的频率分量组成和阶次5.进动方向6.形状先说振动幅值。
从Orbit图中看到的幅值，与组成Orbit的波形有关，而波形长度、分辨率等是由采样定义决定的；采样又分为同步采样和异步采样，它们各有各的不同，各有各的用途。
根据这些不同的样本得到的幅值，甚至与波形或者Orbit图形的题头显示的幅值不同，很多人为此困惑，甚至怀疑系统的可靠性。
其实，只要明白了这些不同的值来源- 采样的方式不同，因为信号的复杂性，特别是存在低频和冲击信号时，它们之间的差异就好理解了，并进而能利用它们发现机器的某些特定故障。
关于不同硬件、软件系统对同一对象为什么读数不同的问题，以后再行详细讨论。
总之，善于综合利用不同的数据源和不同的图形，是一个合格振动分析师的基本技能。
上图是对于一个简单的Orbit计算/测量其X方向的振动幅值的步骤，很容易理解，这里就不多解释了。
再说说绝对相位角和相对相位角。
凡是谈到相位角，都是指的跟踪窄带滤波后的单频率波形的相位角，也就是所谓的过滤波形的相位角。
通频或者多频率合成波形是没有相位角意义的。
另外，在Orbit 中去看相位关系，无论是绝对相位还是相对相位角，并不直接和精确，下图是示意方法、步骤。
精确的测量还是用时基图更好些。
通过Orbit图分别看X/Y方向包含的频率分量也不是很方便的，用频谱图更好。
但对于某些应用，比如要确定振动频率是否是精确的半倍频，以便确认是摩擦还是流体诱导失稳，但现有的频谱图的分辨率不高，又没有机会，或者因其它原因，以高频率分辨率去重采数据（同步采样：减小每转采集的点数；异步采样：增加线数和/或减小分析频率范围，或细化分析），可以看Orbit图键相标记点是否“锁定”不失为一个好的方法。
摘要轴心轨迹是轴的一个重要的特征参量，对于轴的检测有重要的作用。
轴类零件在机械中是一个很重要的部件，其精度直接影响到机械的质量、寿命和运转的情况。
在当前市场竞争日益激烈的时代，只有保证产品的质量才能保证企业的发展。
只有先进的制造工艺是不够的，还要有更高的检测技术。
本文介绍了轴心轨迹检测的现状，轴心轨迹检测的原理和分析方法。
介绍了测试仪器的发展历程，即从传统的硬件化仪器经过虚拟仪器再到今天的智能控件化虚拟仪器。
根据轴心轨迹的特征采用电涡流传感器来检测，并设计了机械结构和控制电路，对轴类零件的检测有了一个新的发展。
关键词：轴心轨迹传感器智能ABSTRACTOrbit is an important axis of the characteristic parameters for the detection axis play an important role. Shaft in machinery is a very important component, the precision of a direct impact on mechanical quality of life and functioning of the situation. In the current era of increasingly competitive market, only to ensure the quality of products can ensure the development of enterprises. Only advanced manufacturing technology is not enough, but also has a higher detection technology. This article describes the detection of core path status, orbit test of the theory and analysis. Describes the development process of testing instruments, from traditional hardware-based devices through virtual machines to today's intelligent control of virtual instruments. According to the characteristics of orbits with eddy current sensors to detect and design the mechanical structure and control circuitry, the detection of the shaft with a new development.Key words: Axis Orbit Intelligent Sensor第1章绪论1.1研究目的和意义随着经济的发展，世界贸易日益频繁，各国之间的竞争日趋激烈。
六、诊断实例例1：圆筒瓦油膜振荡故障的诊断某气体压缩机运行期间，状态一直不稳定，大部分时间振值较小，但蒸汽透平时常有短时强振发生，有时透平前后两端测点在一周内发生了20余次振动报警现象，时间长者达半小时，短者仅1min左右。
图1-7是透平1＃轴承的频谱趋势，图1-8、图1-9分别是该测点振值较小时和强振时的时域波形和频谱图。
经现场测试、数据分析，发现透平振动具有如下特点。
图1-7 1*轴承的测点频谱变化趋势图1-8测点振值较小时的波形与频谱图1-9测点强振时的波形和频谱(1)正常时，机组各测点振动均以工频成分(143.3Hz）幅值最大，同时存在着丰富的低次谐波成分，并有幅值较小但不稳定的69.8Hz（相当于0.49×）成分存在，时域波形存在单边削顶现象，呈现动静件碰磨的特征。
(2)振动异常时，工频及其他低次谐波的幅值基本保持不变，但透平前后两端测点出现很大的0.49×成分，其幅度大大超过了工频幅值，其能量占到通频能量的75%左右。
(3)分频成分随转速的改变而改变，与转速频率保持0.49×左右的比例关系。
(4)将同一轴承两个方向的振动进行合成，得到提纯轴心轨迹。
正常时，轴心轨迹稳定，强振时，轴心轨迹的重复性明显变差，说明机组在某些随机干扰因素的激励下，运行开始失稳。
(5)随着强振的发生，机组声响明显异常，有时油温也明显升高。
诊断意见：根据现场了解到，压缩机第一临界转速为3362r/min，透平的第一临界转速为8243r/min，根据上述振动特点，判断故障原因为油膜涡动。
根据机组运行情况，建议降低负荷和转速，在加强监测的情况下，维持运行等待检修机会处理。
生产验证：机组一直平稳运行至当年大检修。
检修中将轴瓦形式由原先的圆筒瓦更改为椭圆瓦后，以后运行一直正常。
例2：催化气压机油膜振荡某压缩机组配置为汽轮机十齿轮箱＋压缩机，压缩机技术参数如下：工作转速：7500r/min出口压力：1.OMPa 轴功率：1700kW 进口流量：220m3 /min 进口压力：0.115MPa转子第一临界转速：2960r/min1986年7月，气压机在运行过程中轴振动突然报警，Bently 7200系列指示仪表打满量程，轴振动值和轴承座振动值明显增大，为确保安全，决定停机检查。
轴心轨迹- 1. 合成
对于滑动轴承支承的大型旋转机械，主要的振动源是转子系统。
转子振动（轴振）一般用位移传感器（涡流传感器）测量，时域波形（时基图）表示的就是被测转子表面沿探头测量方向的位移随时间的变化，这无疑是重要的基本信息。
涡流探头一般安装在靠近轴承箱上，通常在内侧，测量转子相对于轴承箱（瓦）壳体的运动，所以也叫相对振动。
在忽略轴向运动条件下，转子的任一径向截面是作平面运动，所以需要两个共面、互相垂直的传感器才能全面地描述转子的运动，转子截面一般认为是刚体，所以该平面运动可以简化为轴心的运动，即轴心轨迹- Orbit。
理论上，壳体上的两个相互垂直（甚至不垂直）的两个传感器信号，无论是速度还是加速度信号，都能作出Orbit图来，但它们的物理意义不清晰，应用受影响。
所以，一般谈论轴心轨迹，都是指涡流传感器测量的相对位移量。
加之键相传感器的引入，易于解释的物理意义，能提供大量的诊断信息，可以说Orbit图是故障诊断中最有分量的图形。
本特利产品都将Orbit作为Logo，可见对它的青睐和重视。
下图是Orbit图的合成原理。
虽然图示传感器是在水平和垂直方向，实际上截面上任何一对相互垂直安装的传感器信号都是可以的。
Orbit图是直角坐标系，X、Y标示方向与其对应的探头安装方向一致，原点就是XY时域波形的平均值，幅值的刻度/量程、方向与各自波形一致，作Orbit图时要求两个时域波形刻度/量程一致，Orbit 图上的每一个点，对应的分别是同一时刻X、Y方向传感器的时域波形的瞬时位移值。
Orbit图形的视角是以物理垂直上方为0度参考的。
对于立式布置的机器，可以是西或者别的约定方向（如物料的入口管道布置方向）为参考方向。
转子的旋转方向、传感器布置位置、振动方向等各种方向必须约定，一般的约定是从驱动端往非驱动端看的方向。
位移的正方向，是指转子朝向探头运动的方向，是振动位移的正方向。
另外，无论转子的旋转方向如何，Y方向约定都在X方向逆时针转90度的方向。
Orbit图是两个时域波形的物理合成，所以本身是时域图形。
键相标记是一转一个事件的第三个专门的传感器，一般同一根轴系共用一个键相传感器，连续的两个键相标记点表示转子转了一圈，所以本质上它是计时标记。
键相标记所在的位置表示的是当键相槽正好经过键
相探头时轴中心的位置。
因此，同时基图一样，一个Orbit图中也可以有多个周期。
上图中，从时域波形的键相标记来看，转子转了两圈，Orbit也是两圈，只是第二圈与第一圈完全重合。
转子的旋转方向也要在Orbit图中表达出来，它只与机器的工艺设计有关，一般是固定的，因工艺参数的变化，转子出现反转故障另当别论。
机器的旋转方向可以通过画在机器上的箭头找到；另外一个方法是从慢转速Orbit上猜到，因为慢转速进动方向通常是正进动，正进动方向就是振动方向和转子旋转方向一致时的方向，而振动方向是从空点到亮点转的方向。
但要谨慎的是，本方法成立的前提是传感器的定义方向是正确的，没有通道交叉，也不存在导致反进动的机械故障。
事实上，发现异常通常都会先怀疑上述原因中的非机械因素。
波形通过窄带滤波可以得到单频率波形（叫做过滤波形），如转速频率的谐频：1X、2X、nX，甚至与转速频率相关的非整数倍频率：0.5X、0.47X等，其中X是转速频率。
由同样频率的一对过滤波形组成的Orbit图叫做过滤Orbit图。
现代的Orbit图都是计算机处理的，轴心轨迹的形状与传感器的安装位置无关，只和观察的参考位置有关，也就是只与下图的Up参考视图方向有关。
下图最下一排是用示波器看图形时的形状，Orbit形状与传感器的安装位置是有关系的，如最下排右方的图形放平了来看，是不一样的，那是因为视图的Up参考方向变了，类似于你看图时在偏头看，这是示波器的局限所致。
也说明当用示波器去看Orbit图时，应该调整或者说明其参考Up的方向。
无论是过滤的波形还是过滤的Orbit图，都不是直接从时域波形中构造的。
它们都是从过滤的单个矢量或两个矢量虚拟构造的。
需要注意的是，orbit图比起探头的直径来说很小，一般探头直径是8mm，瓦的间隙大多不到1mm，振动最大值一般都小于0.3mm，为了视图方便，都放大了振动、间隙相对于探头的尺寸。
所以测量轴方向一般总是不变的。
下图是相对大小示例，瓦的间隙比图中还小。
Orbit相比构成它的两个时基图来说，明显的好处是示出了转子在任何方向的振动，而不仅仅是传感器安装/测量方向的振动。
更能反映一个径向截面的振动全貌。
上图能很好地说明测量方向的最大振动和径向截面最大振动的关系。
经常有人问为什么有的机器（主要是来自欧洲）用Smax作为跳机值，看了这个图就应该明白，Smax反映了截面的最大振动。
