一種基于迭代奇異值分解的定頻干擾信號(hào)消除算法

黃東煜 張景潤(rùn) 黃文波

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一種基于迭代奇異值分解的定頻干擾信號(hào)消除算法

黃東煜1張景潤(rùn)2黃文波2

（1.海軍裝備部某軍代表室 2.華南理工大學(xué)）

采用經(jīng)典的奇異值分解法難以消除旋轉(zhuǎn)裝置振動(dòng)信號(hào)中混雜的定頻干擾信號(hào)。針對(duì)大型汽輪機(jī)旋轉(zhuǎn)裝置運(yùn)行過(guò)程中信號(hào)存在定頻干擾的問(wèn)題，研究一種迭代奇異值分解定頻干擾消除算法，用循環(huán)迭代經(jīng)典奇異值分解法逐次提取出振動(dòng)信號(hào)的主分量，對(duì)其頻譜特征中的定頻信號(hào)成分進(jìn)行篩選并剔除。采用該方法對(duì)大型滑動(dòng)軸承試驗(yàn)裝置中采集的特征信號(hào)進(jìn)行分析，結(jié)果表明：該方法能夠有效抑制定頻干擾信號(hào)，提高采集信號(hào)的信噪比，具有較好的工程應(yīng)用價(jià)值。

可傾瓦滑動(dòng)軸承；定頻干擾；迭代奇異值分解

0 引言

降低大型汽輪機(jī)旋轉(zhuǎn)裝置的噪聲是提高其性能的重要途徑。中低速狀態(tài)下，汽輪機(jī)的噪聲主要為機(jī)械振動(dòng)噪聲，主要源于轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)，因此降低汽輪機(jī)的機(jī)械振動(dòng)是提高其性能的關(guān)鍵[1-2]。

徑向滑動(dòng)軸承具有承載力大、功耗小、耐沖擊和運(yùn)轉(zhuǎn)精度高等優(yōu)點(diǎn)[3]，廣泛應(yīng)用于汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的主支承軸承。油膜支承可傾瓦軸承是一種可自動(dòng)調(diào)整自身工作狀態(tài)以適應(yīng)負(fù)載條件變化的徑向滑動(dòng)軸承，具有良好阻尼特性的雙層油膜支承結(jié)構(gòu)和較好的承載性能，可提高軸承—轉(zhuǎn)子系統(tǒng)穩(wěn)定性[4-5]。

本文以油膜支承可傾瓦軸承支撐的大型汽輪機(jī)振動(dòng)信號(hào)為研究對(duì)象，通過(guò)模擬試驗(yàn)臺(tái)采集轉(zhuǎn)子的振動(dòng)信號(hào)，研究油膜支承可傾瓦軸承振動(dòng)信號(hào)處理方法，以消除振動(dòng)信號(hào)中的定頻干擾信號(hào)。采用經(jīng)典奇異值分解法[6-7]消除定頻干擾時(shí)，需要滿足定頻分量對(duì)應(yīng)的奇異值在奇異值譜中為最大值的條件。工程實(shí)踐中，通常是與轉(zhuǎn)子振動(dòng)特征有關(guān)的信號(hào)分量較顯著，而定頻分量較弱，因而無(wú)法直接應(yīng)用奇異值分解法消除振動(dòng)信號(hào)中定頻干擾的影響[8-9]。

本文針對(duì)經(jīng)典奇異值分解法在消除定頻干擾信號(hào)時(shí)的不足，研究一種基于迭代奇異值分解的定頻干擾信號(hào)消除算法。核心是以循環(huán)迭代經(jīng)典奇異值分解法為基礎(chǔ)，逐次提取振動(dòng)信號(hào)的主分量，并依據(jù)主分量的頻譜特征篩選定頻干擾信號(hào)成分。

1 基于迭代奇異值分解的定頻干擾消除

1.1 經(jīng)典奇異值分解法

利用式(1)進(jìn)行奇異值分解，將反映定頻干擾信號(hào)的奇異值置零；再利用式(2)重構(gòu)矩陣，將矩陣中相應(yīng)的項(xiàng)相加可還原信號(hào)，同時(shí)去除定頻干擾信號(hào)。

1.2 基于迭代奇異值分解的定頻干擾消除算法

基于迭代奇異值分解的定頻干擾消除算法采用優(yōu)選差分譜峰值法確定有效奇異值階次，并用該有效階次重構(gòu)信號(hào)來(lái)消除噪聲。信號(hào)的直流成分、交流成分和噪聲在奇異值譜中具有不同特點(diǎn)。若信號(hào)含直流成分，直流成分對(duì)應(yīng)的奇異值較大，可將第一個(gè)奇異值和其余奇異值分為兩類；若信號(hào)不含直流分量，則將前兩個(gè)奇異值和其余奇異值分為兩類，這滿足經(jīng)典奇異值分解法的應(yīng)用條件。保留較大奇異值，而將其余較小奇異值置零，并重構(gòu)時(shí)域信號(hào)。對(duì)重構(gòu)的時(shí)域信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，如果為定頻基波、三次諧波，則該時(shí)域信號(hào)為待求定頻信號(hào)成分，由原信號(hào)減去該定頻信號(hào)成分得到。循環(huán)對(duì)剩余信號(hào)按以上方式處理，直到提取全部定頻信號(hào)成分。

基于迭代奇異值分解的定頻干擾信號(hào)消除算法流程如圖1所示。

圖1 迭代奇異值分解定頻干擾信號(hào)消除算法流程圖

2 測(cè)試裝置與數(shù)據(jù)采集

汽輪機(jī)模擬試驗(yàn)臺(tái)裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖

試驗(yàn)裝置架設(shè)在裝有空氣阻尼器的基座上，基座起到基礎(chǔ)隔振作用。伺服電機(jī)為試驗(yàn)系統(tǒng)提供動(dòng)力源，通過(guò)同步帶、傳動(dòng)裝置和聯(lián)軸器帶動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。同步帶傳動(dòng)既保證傳動(dòng)比的準(zhǔn)確性，又可降低伺服電機(jī)振動(dòng)的傳遞，且傳動(dòng)裝置將同步帶拉力傳遞到基座上，使轉(zhuǎn)子只承受扭矩而不承受拉力。兩個(gè)軸承座和軸承為轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的支承部分，通過(guò)隔振平臺(tái)架設(shè)在基座上，將轉(zhuǎn)子與伺服電機(jī)和傳動(dòng)裝置隔離，從而降低伺服電機(jī)和傳動(dòng)裝置的振動(dòng)對(duì)轉(zhuǎn)子的影響。轉(zhuǎn)子兩端的推力軸承可防止轉(zhuǎn)子產(chǎn)生軸向竄動(dòng)。稀油站提供試驗(yàn)裝置所需的潤(rùn)滑油。測(cè)試系統(tǒng)通過(guò)電渦流位移傳感器、加速度傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器和轉(zhuǎn)速光電傳感器等采集試驗(yàn)裝置數(shù)據(jù)。控制系統(tǒng)用于控制伺服電機(jī)、稀油站和測(cè)試系統(tǒng)的正確運(yùn)行。

LMS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)如圖3所示，用于采集傳感器數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有16個(gè)數(shù)據(jù)采集通道硬件以及Test.Lab數(shù)據(jù)采集與分析軟件，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件、軟件能較好地滿足試驗(yàn)需求。

圖3 LMS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

圖4 試驗(yàn)臺(tái)及電渦流位移傳感器安裝示意圖

圖5 電渦流位移傳感器安裝位置

3 試驗(yàn)與結(jié)果分析

以試驗(yàn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)裝置獲取的振動(dòng)信號(hào)為例，分析迭代算法的工程應(yīng)用效果。原始信號(hào)如圖6(a)所示，其中含有多個(gè)定頻干擾信號(hào)并且噪聲幅值較大。

圖6 試驗(yàn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)裝置振動(dòng)信號(hào)的波形及頻譜

根據(jù)圖1的算法流程，信號(hào)處理分為6個(gè)步驟。

圖7 試驗(yàn)臺(tái)振動(dòng)信號(hào)降噪后的波形及頻譜

圖8 直流分量的波形及頻譜

圖9 主分量的波形及頻譜

5）根據(jù)圖1迭代算法，判斷結(jié)果為未獲取全部定頻干擾成分，返回到步驟4）。

圖10 主分量的波形及頻譜

圖11 主分量X3的波形及頻譜

圖12 主分量的波形及頻譜

圖13 振動(dòng)信號(hào)消除定頻干擾和噪聲后的波形及頻譜

比較圖13與圖6可以發(fā)現(xiàn)：振動(dòng)信號(hào)的定頻干擾和噪聲被剔除，可得到清晰的轉(zhuǎn)子特征成分。

圖14 定頻基波分量擬合前、后的對(duì)比

4 結(jié)論

針對(duì)汽輪機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)軸承振動(dòng)特性的定頻干擾問(wèn)題，提出了基于迭代奇異值分解的定頻干擾消除算法，將其應(yīng)用在油膜支承可傾瓦軸承振動(dòng)特性的試驗(yàn)中。結(jié)果表明：該方法能夠有效去除振動(dòng)測(cè)試信號(hào)中的定頻干擾成分，所提出的算法具有較好的工程應(yīng)用價(jià)值。

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An Algorithm Based on Iterative Singular Value Decomposition for Eliminating Interference in Constant Frequency Signal

Huang Dongyu1Zhang Jingrun2Huang Wenbo2

(1.A Navy Representative Room of the General Equipment Department 2.South China University of Technology)

In order to solve the problem of constant-frequency-signal interference in rotating machinery signals, an algorithm based on singular value decomposition is proposed. This paper analyzes the characteristics of oil-film pivot tilting-pad bearing and builds a sliding bearing test system. Because the classical singular value decomposition method can not be directly applied to the constant-frequency-signal interference removal of mechanical vibration signals, an iterative singular value decomposition constant-frequency-signal interference cancellation algorithm is studied. It is a cyclic iterative classical singular value decomposition method to extract the main components of the vibration signal successively. And based on the main component of the spectrum features to filter out the frequency components. The experimental results show that this method can effectively suppress constant-frequency-signal interference and has certain engineering application value.

Tilting Pad Journal Bearing; Constant-Frequency-Signal Interference; Iterative Singular Value Decomposition

黃東煜，男，1968年生，碩士研究生，高級(jí)工程師，主要研究方向：質(zhì)量控制與信息。E-mail: 1035805780@qq.com