专利名称：一种立式旋转轴局部碰磨检测方法
技术领域：
本发明涉及旋转机械性能检测领域，特别涉及一种立式旋转轴局部碰磨检测方法，用于对立式旋转机械局部碰磨周向位置进行检测和分析。
背景技术：
随着对旋转机械高转速高效率的要求，转子与静子的间隙越来越小，导致转子和静子间的碰磨事故经常发生。旋转机械运行过程中，由于转子的质量不平衡、热弯曲或不对中等原因，都会引发碰磨故障。碰磨发生时，先是局部碰磨，这时在一个周期内转子与静子发生一次或数次碰磨，在某些条件下会产生复杂的非线性运动，而且局部碰磨的不断加剧最后会导致整周碰磨，如果不能及时发现并采取措施，会使机器在运转过程中产生过度振动和噪声，加速轴承等零件的磨损，降低机器的寿命和效率，严重的会迅速导致机器的损坏，甚至会直接危及人身安全。
立式结构的旋转机械，其轴承不承受旋转轴重量，在一般情况下由于旋转轴存在质量偏心，使径向载荷的方向不断变化，旋转轴处于一个围绕轴承内径圆心涡动的状态。因此，轴承周向各处发生碰磨的可能性都相等，为判定碰磨发生的位置带来了很大困难。同时，实际的测量信号中往往存在着多种非线性和非平稳的杂波和噪声成分，而且碰磨产生的振动信号也为典型的非线性和非平稳信号，传统的时域和频域检测方法很难准确地对碰磨故障进行诊断，更无法确定碰磨发生的准确位置。最新的小波分解技术虽然可以对非线性和非平稳信号进行处理，但是由 于振动信号中的碰磨特征信号成分往往被淹没在信号背景噪声之中，而小波 分解技术无法有效地将碰磨特征信号从高频背景噪声中分离出来，从而无法 准确地判断发生碰磨的位置和程度。
发明内容
本发明目的在于为克服现有技术的不足，提供一种立式旋转轴局部碰磨 检测方法，简单实用，能够有效判断旋转机械的旋转轴与定子发生碰撞的定 子周向位置，为旋转机械碰磨故障的诊断和维修提供依据。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现。 一种立式旋转轴局部碰磨检测方法，其特征在于，包括以下步骤-首先，将位移传感器安装在立式旋转轴一侧的相应定子上，保证位移传 感器的探头和立式旋转轴表面之间的距离保持在量程范围内，在立式旋转轴 以旋转频率f转动过程中，采集立式旋转轴的振动信号，得到原始的振动曲 线X(t);
然后，将原始的振动曲线x(t)进行经验模态EMD分解，得到第一基波分 量和第一 IMF分量；将第一基波分量进行经验模态EMD分解，得到第二基波 分量和第二 IMF分量；将第二基波分量进行经验模态EMD分解，得到第三基 波分量和第三IMF分量；依次类推，直到得到第n基波分量和第n IMF分量， 所述第n IMF分量的频率等于旋转频率f ， n为自然数；
所述经验模态EMD分解是先将待分解曲线的所有局部极大值点连接起 来形成上包络线，将所有局部极小值点连接起来形成下包络线，上、下包络 线的平均值为基波分量，待分解曲线减去基波分量的差值为IMF分量；最后，在第一到第n-l IMF分量中寻找具有碰磨特征的IMF分量作为碰 磨信号分量，将所述碰磨信号分量与所述第n IMF分量进行比对，确定立式 旋转轴局部碰磨的定子位置。
本发明的进一步特点在在于
所述待分解曲线的所有局部极大值点通过三次样条线连接起来形成上包 络线，将所有局部极小值点通过三次样条线连接起来形成下包络线。 所述位移传感器为电涡流位移传感器。
由于本发明采用了经验模态EMD信号分解技术，将旋转轴原始的振动曲 线x(t)进行多次经验模态EMD分解，能够有效地从振动曲线x(t)中提取碰磨 特征，相应的IMF分量作为碰磨信号分量，减少了其他杂波、噪声信号的干 扰；立式旋转轴局部碰磨的定子位置确定简单、实用。
图1为立式旋转轴的振动信号的采集示意图。 图2为振动曲线的一次经验模态EMD分解示意图，其中
(a) 为立式旋转轴的振动曲线示意(b) 为含有上包络线的振动曲线示意(c) 为含有上、下包络线的振动曲线示意(d) 为含有上、下包络线和基波分量的振动曲线示意(e) 为振动曲线的IMF分量示意图。
图3为一个立式旋转轴以旋转频率f转动的原始的振动信号及其四次经 验模态EMD分解示意图。
图4为图3的立式旋转轴局部碰磨的定子位置确定示意图。
具体实施例方式
下面结合附图和具体实施方式
对本发明做进一步详细说明。
参照图1，将位移传感器安装在立式旋转轴一侧的相应定子上，保证位移
传感器的探头1和立式旋转轴2表面之间的距离保持在位移传感器的探头1 的量程范围内，在立式旋转轴以旋转频率f转动过程中，探头1采集得到立 式旋转轴的振动信号3，通过A/D转换器4输入到计算机5中，得到原始的振 动曲线x(t)。 一般情况下，位移传感器釆样频率应大于或等于1000Hz。
参照图2，说明振动曲线的一次经验模态EMD分解方法。以立式旋转轴的 原始的振动曲线x(t)为例，如图2 (a)所示，分别确定振动曲线x(t)的所有
的局部极大值点和极小值点极值点；然后用三次样条线将所有的局部极大值 点连接起来形成上包络线f ±(t)，如图2 (b)所示。
对于一个时间序列x(t)二[x(t》、x(t2)、…、x(ti).....x(U]，采用
三次样条线就是对于x(t)内的每个子区间[ti，t』，都采用三次多项式曲线 fi(x)将x(ti)和x(tw)两点连接起来，这样会产生n个三次多项式，艮卩
,(t)，
f(x)=-
设每个三次多项式曲线为-
fi(ti) -atj+btj+cti+d 为了使三次样条曲线具有唯一性，三次多项式曲线满足如下连续条件和边界
条件
① fi(ti)二fw(ti)
② f/ (ti)=fi+I， (ti)③ f/' (ti)=fi+1，， (ti)
④ f ， ， (Xl) 二f ， ， (Xn) 这样就可以求得每个子区间[ti，tw]上的三次多项式曲线。
如图2 (C)所示，再用三次样条线将所有的局部极小值点连接起来形成 下包络线fT(t)，上、下包络线包络所有的数据点。如图2 (d)所示，上、 下包络线的平均值为基波分量，记为nu (t)，mi(t) = [f上(t)+f T(t)]/2;如图 2 (e)所示，待分解振动曲线x(t)减去基波分量nu (t)的差值为IMF分量， 记为h!(t)， h,(t)二x(t)-nu(t)。
参照图3，本实施例采用电涡流位移传感器，其采样频率为1000Hz。立 式旋转轴以旋转频率f为25Hz的转速进行转动，电涡流位移传感器采集其原 始的振动信号，振动信号输入计算机后，计算机分别计算和绘制出原始的振 动曲线、第一 IMF分量、第二 IMF分量、第三IMF分量、第四IMF分量。第 四IMF分量的频率为旋转频率f ，即25Hz。然后，在第一到第三IMF分量中 寻找具有碰磨特征的IMF分量；根据实验证明，碰磨特征为明显的调幅特征， 第二 IMF分量具有明显的调幅特征，即为碰磨信号分量。
参照图4，将第二 IMF分量与第四IMF分量进行比较，第二 IMF分量的 碰磨特征部分相对于第四IMF分量波谷极值点的滞后相位角为^可以确定立 式旋转轴局部碰磨的定子位置距离位移传感器的探头滞后相位角为e，即立式 旋转轴从位移传感器的探头处沿转动方向旋转相位角e后对应的定子位置，为 立式旋转轴的碰磨位置。
权利要求
1、一种立式旋转轴局部碰磨检测方法，其特征在于，包括以下步骤首先，将位移传感器安装在立式旋转轴一侧的相应定子上，保证位移传感器的探头和立式旋转轴表面之间的距离保持在量程范围内，在立式旋转轴以旋转频率f转动过程中，采集立式旋转轴的振动信号，得到原始的振动曲线x(t)；然后，将原始的振动曲线x(t)进行经验模态EMD分解，得到第一基波分量和第一IMF分量；将第一基波分量进行经验模态EMD分解，得到第二基波分量和第二IMF分量；将第二基波分量进行经验模态EMD分解，得到第三基波分量和第三IMF分量；依次类推，直到得到第n基波分量和第n IMF分量，所述第n IMF分量的频率等于旋转频率f，n为自然数；所述经验模态EMD分解是先将待分解曲线的所有局部极大值点连接起来形成上包络线，将所有局部极小值点连接起来形成下包络线，上、下包络线的平均值为基波分量，待分解曲线减去基波分量的差值为IMF分量；最后，在第一到第n-1IMF分量中寻找具有碰磨特征的IMF分量作为碰磨信号分量，将所述碰磨信号分量与所述第n IMF分量进行比对，确定立式旋转轴局部碰磨的定子位置。
2、 根据权利要求1所述的一种立式旋转轴局部碰磨检测方法，其特征在 于，所述待分解曲线的所有局部极大值点通过三次样条线连接起来形成上包 络线，将所有局部极小值点通过三次样条线连接起来形成下包络线。
3、 根据权利要求1所述的一种立式旋转轴局部碰磨检测方法，所述位移 传感器为电涡流位移传感器。
全文摘要
本发明涉及旋转机械性能检测领域，公开了一种立式旋转轴局部碰磨检测方法，用于对立式旋转机械局部碰磨周向位置进行检测和分析。它包括以下步骤首先，在立式旋转轴以旋转频率f转动过程中，采集立式旋转轴的振动信号，得到原始的振动曲线x(t)；然后，将原始的振动曲线x(t)进行多次经验模态EMD分解，直到得到第n基波分量和第n IMF分量，所述第n IMF分量的频率等于旋转频率f，n为自然数；最后，在第一到第n-1 IMF分量中寻找具有碰磨特征的IMF分量作为碰磨信号分量，将所述碰磨信号分量与所述第n IMF分量进行比对，确定立式旋转轴局部碰磨的定子位置。
文档编号G01B7/00GK101464125SQ20091002098
公开日2009年6月24日 申请日期2009年1月20日 优先权日2009年1月20日
发明者张优云, 张其东, 张征凯, 朱永生, 王金彪 申请人:西安交通大学