基于信號融合的動平衡轉(zhuǎn)子故障診斷研究*

徐 健 張 軍

(中國工程物理研究院機(jī)械制造工藝研究所，四川 綿陽 621900)

基于信號融合的動平衡轉(zhuǎn)子故障診斷研究*

徐 健 張 軍

(中國工程物理研究院機(jī)械制造工藝研究所，四川 綿陽 621900)

針對動平衡轉(zhuǎn)子故障診斷問題，提出利用基于信號融合的雙邊譜的新方法。該方法首先將垂直和水平方向的振動信號直接在時(shí)域內(nèi)合成一個(gè)復(fù)信號，然后對該復(fù)信號做快速傅里葉變換(FFT)得到其雙邊譜，并針對特定的故障頻率的幅值、相位進(jìn)行合成得到全息譜信號，快速獲得機(jī)械故障的特征參數(shù)。同時(shí)，給出了該方法和全息譜的等價(jià)性證明；最后，案例分析表明，該方法是有效的。

動平衡；復(fù)信號；雙邊譜；全息譜

動平衡技術(shù)是工業(yè)上應(yīng)用最廣泛的檢測技術(shù)之一，對回轉(zhuǎn)的部件，動平衡可以進(jìn)行準(zhǔn)確、有效的質(zhì)量去重，使部件最終達(dá)到較高的回轉(zhuǎn)精度。傳統(tǒng)的平衡機(jī)在大質(zhì)量、低速零件的領(lǐng)域能夠滿足檢測要求。由于現(xiàn)代制造方法向著高、精、穩(wěn)方向發(fā)展，零件尺寸減??；同時(shí)，電機(jī)技術(shù)的發(fā)展使得轉(zhuǎn)速大幅提高。因此，要求平衡機(jī)具有高轉(zhuǎn)速以及優(yōu)良的穩(wěn)定性。對高速平衡機(jī)而言，工作轉(zhuǎn)速一般在10 000 r/min左右，自身電機(jī)轉(zhuǎn)子性能(同軸度、軸向竄動、徑向圓跳動等)的微小故障可直接導(dǎo)致零件測量結(jié)果失真，可能引發(fā)災(zāi)難性的事故。鑒于此，有必要對平衡機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測與故障診斷。目前國內(nèi)外對回轉(zhuǎn)主軸故障診斷的廣泛應(yīng)用方法仍然是FFT幅值譜[1]，軸心軌跡[2]，瀑布圖[3]等，這些方法主要缺點(diǎn)是相位與幅值分離，不直觀，而且相位差較大[4]；針對單一幅值譜與相位分離的問題，上世紀(jì)80年代末期以來，提出一種全息譜[4]技術(shù)。全息譜技術(shù)的核心是將轉(zhuǎn)子的一個(gè)支撐面內(nèi)X、Y兩個(gè)方向信號分別做FFT變換[5]，并利用其單邊譜然后集成兩個(gè)方向的幅值譜和相位譜，得到其軸心軌跡。

由此可以看出，全息譜是使用了X、Y的單邊譜，只對其正頻率譜進(jìn)行合成，過程繁瑣，且不直觀。本文提出一種基于信號融合的故障診斷技術(shù)，該技術(shù)的特點(diǎn)是將振動信號當(dāng)著復(fù)信號處理，并直接對其做FFT變換，獲取故障參數(shù)以保證高速平衡機(jī)的正常工作。

1 信號融合雙邊譜診斷原理

1.1 動平衡電機(jī)轉(zhuǎn)子模型

為了確定圓盤運(yùn)動時(shí)，其中中心o′的位置，以固定坐標(biāo)系A(chǔ)xys作為參考。o′的坐標(biāo)以(x，y)表示。設(shè)轉(zhuǎn)軸的回轉(zhuǎn)軸心線通過圓盤中心，它以角速度Ω做等速轉(zhuǎn)動。當(dāng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)軸是直的。如果在它的一側(cè)加一橫向沖擊，則因轉(zhuǎn)軸有彈性而發(fā)生彎曲振動，或圓盤做橫向振動[6]。圓盤的質(zhì)量以m表示。它所受的力是轉(zhuǎn)軸的彈性恢復(fù)力F。

F=-kr

(1)

式中：k為轉(zhuǎn)軸的剛度系數(shù)，r=oo′。相對于固定坐標(biāo)系A(chǔ)xy，圓盤的微分運(yùn)動方程為：

令

(2)

(3)

它的解是

(4)

如果令

式(3)變?yōu)?/p>

(5)

其解為

z=B1eiωnt+B2e-iωnt

(6)

(3)B1=B2；軌跡為直線，點(diǎn)o′做直線簡諧運(yùn)動。

1.2 信號融合的雙邊譜故障診斷原理

由式(6)可以看出，軸心軌跡由B1、B2，及±ωn唯一確定，其中-ωn是反進(jìn)動頻率。另一方面可以知道，對z做FFT變化，就可很簡單地確定B1、B2及±ωn。將B1、B2及±ωn對應(yīng)起來就可以獲得對應(yīng)的幅值譜、相位譜，如圖2所示。由于ωn有正負(fù)之分，所以稱為雙邊譜，可以得到軸心軌跡，如圖3所示。根據(jù)軸心軌跡就可以得到相應(yīng)的故障參數(shù)。

2 信號融合雙邊譜分析與全息譜的等價(jià)性

全息譜的原理是由式(4)中系數(shù)X、Y以及ax、ay來合成軸心軌跡。信號融合的原理是由x、y合成復(fù)數(shù)z，求出如式(6)的表達(dá)式，由復(fù)系數(shù)B1、B2來合成軸心軌跡。其實(shí)質(zhì)是完全等價(jià)的，下面給出證明。

證明：由于cos(ωt)=(eiωt+e-iωt)/2，sin(ωt)=i(e-iωt-eiωt)/2,代入式(4)(6)可得：

=B1eiωt+B2e-iωt

(7)

其中：B1=(Xeiax+Yeiay)/2，B2=(Xe-iax-Ye-iay)/2。

可以看出，式(7)和(4)等價(jià)。也就是說，用z的雙邊譜參數(shù)合成軸心軌跡與x、y的分別求解單邊譜參數(shù)再合成是等價(jià)的。

3 實(shí)驗(yàn)分析

本文選擇一臺運(yùn)行在11 180r/min(186.34Hz)的動平衡機(jī)故障數(shù)據(jù)作為案例進(jìn)行分析。其中，采樣頻率為2 000Hz,數(shù)據(jù)長度為1024點(diǎn)，如圖4。圖5 是x、y的時(shí)域信號，圖6為原始軸心軌跡圖。可見，在由時(shí)域內(nèi)原始軸心軌跡是無法判斷故障的。所以需要對此信號做處理，主要是對0.27X,0.42X,1X,2X,3X,4X等特定頻率的軌跡做處理，提取相應(yīng)的故障參數(shù)。首先利用本文方法對由x、y合成的復(fù)信號z=x+iy數(shù)據(jù)做FFT得到其雙邊譜，如圖7所示。從圖7可以看出各個(gè)主要頻率點(diǎn)的正、負(fù)進(jìn)動圓的半徑，同時(shí)可以判斷出各個(gè)頻率點(diǎn)的橢圓旋向，就是bently公司提出的全譜[7],兩種方法等價(jià)。

與此同時(shí)，本文對使用全息譜技術(shù)[7]做了分析，過程如下：先對x、y信號做FFT獲得單邊譜，如圖8所示。然后計(jì)算橢圓長軸半徑、短軸半徑等，接下來求出正、負(fù)進(jìn)動圓半徑，合成橢圓等。其過程與本文方法對比如表1。

表1 本文方法和全息譜對比

FFT次數(shù)進(jìn)動圓半徑橢圓旋向判斷橢圓合成信息融合譜1次直接讀取直接判斷直接合成全息譜2次間接計(jì)算間接判斷直接合成

4 結(jié)語

本文提出了一種基于信號融合雙邊譜進(jìn)行故障分析的方法，該方法不僅本質(zhì)上和全息譜等價(jià)，而且比全息譜技術(shù)更簡單有效，只需做一次FFT變化，一次譜校正，無需對X、Y方向分別分析。此外，雙邊譜可以直接看出反進(jìn)動、正進(jìn)動圓參數(shù)，將bently公司的全譜技術(shù)直接體現(xiàn)出來。

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[2]程珩，杜嵐松. 旋轉(zhuǎn)機(jī)械軸心軌跡故障診斷[J]. 太原理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，34(5)：1-2

[3]江恒，王友釗. 旋轉(zhuǎn)機(jī)械在線狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)開發(fā)研究[J]. 石油礦場機(jī)械，2005，34(3)：68-70.

[4]屈梁生. 機(jī)械故障的全息診斷原理[M]. 北京：科學(xué)出版社，2007.

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Fault diagnosis research of dynamic balancing rotor based on signal fusion

XU Jian, ZHANG Jun

(Institute of Mechanical Manufacturer Technology, China Academy of Engineering Physics, Mianyang 621900，CHN)

According to the fault diagnosis problem of dynamic balancing rotor, a new method is proposed based on signal fusion bilateral spectrum. At first, the vertical and horizontal vibration signals are directly combined into complex signals in time-domain; and then the complex bilateral spectrum is obtained by fast Fourier transform (FFT). Furthermore, the holospectrum, which can fast find many machinery faults, can be obtained using the amplitude and phase at some special frequencies. At the same time, the equivalence of holospectrum technique and the proposed method is verified. Finally, a case study shows the effectiveness of the proposed method.

dynamic balancing; complex signal; bilateral spectrum; holospectrum

*國家“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”科技重大專項(xiàng)“強(qiáng)激光光學(xué)元件超精密制造關(guān)鍵裝備研制”項(xiàng)目(2013ZX04006011)

TB936

A

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.12.010

徐健，男，1988年生，碩士，研究方向?yàn)闄C(jī)電一體化設(shè)計(jì)、電源設(shè)計(jì)。

穎) (

2016-05-24)

161218