[发明专利]一种用于机械转子单截面轴振分析的短时幅值频谱阵列

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于机械转子单截面轴振分析的短时幅值频谱阵列。

以滑动轴承为转子支承件的大型旋转机械，如大型电机、离心式压缩机等，它们的运行状态的分析评估，所依靠的最基本工具就是转轴振动位移信号的频谱，因为转轴振动位移信号频谱能把转轴振动按频率做分解——分解为一组对应不同频率的轴振分量展现给用户。

通常，在旋转机械的一个支承截面位置，安装两个互相垂直的指向转轴中心的振动位移传感器，称为X传感器和Y传感器，以获取该截面上的转轴振动位移信号，例图见附图2和附图3。所谓X传感器指，从观察转子为逆时针旋向的一端看过去，转子表面(与例图中水平方向相交的质点)首先逆时针转过的那个传感器即为X传感器。不妨，将从该截面X传感器和Y传感器同时采集的两方向振动位移信号序列，分别称为x信号序列和y信号序列，以下有时简称x信号和y信号。

有了同时拾取的转轴一个截面上的x和y两信号序列，就可以把它们按一定的方式变换到频域，制作转轴的振动频谱。其中，幅值频谱，有时简称幅值谱或幅频谱，是最常用的一类振动频谱。相应地，用于观察信号在观测时段内是否平稳的短时幅值频谱阵列也是最常用的一种转轴振动短时分析方法。

背景技术

对同时拾取的转轴一个截面上的x和y两信号序列，一种常见的短时幅值频谱阵列获取形式是：读取x信号序列(或y信号序列)，按一定的时延D和短时窗长L，依次分割出一组短时信号序列，对每一个短时信号序列进行快速离散傅立叶变换、求取各自的傅立叶级数，再将各傅立叶级数的幅值频谱沿时间轴按短时信号序列的截取时间次序排列，则构成了一个短时幅值频谱阵列。这种短时幅值频谱阵列的缺点是：(1)短时幅值频谱阵列只能反映一个方向上转轴振动的平稳性；(2)这种由单方向信号制作的短时幅值频谱阵列，谱图上的任一幅值不能反映所在频率和时间点上轴振分量的最大值(即轴振幅值)；(3)两互相垂直的传感器在截面上的安装方位有变化(如由图2变为图3)时，即使转子运行的平稳性不变，短时幅值频谱阵列也会表现出差异，这不便于建立短时幅值频谱阵列的特征与机器状态间的关系。

对同时拾取的转轴一个截面上的x和y两信号序列，另一种短时幅值频谱阵列的获取形式是：构造复位移信号序列z＝x+iy，按一定的时延D和短时窗长L，依次从复序列z中分割出一组短时复信号序列，对每组短时复信号序列进行快速离散傅立叶变换、求取各自的傅立叶级数，再将傅立叶级数的幅值频谱沿时间轴按各短时复信号序列的截取时间次序排列，则构成了一个短时幅值频谱阵列，不妨称为短时复谱阵列。短时复谱阵列，为x和y两信号序列信息融合的结果，因而，其不会受X和Y两垂直传感器安装方位变化的影响，对建立短时幅值频谱阵列的特点与机器运行平稳性的关系提供了方便。但是，缺点是：(1)短时复谱阵列是一个双边谱，负频率成分不易理解；(2)每个短时频率分量被分解成了正反两个进动分量，它们的幅值是抽象数学运算的结果，不代表该频率下转轴振动分量振幅的实际大小。(参考文献：屈梁生著，机械故障的全息诊断原理，科学出版社，2007年7月)。

发明内容

要解决的技术问题。由单方向位移信号制作的短时幅值频谱阵列，由两方向位移信号制作的短时复谱阵列，都不能反映转轴各频率振动分量幅值的实际大小。单方向的短时幅值频谱阵列的谱特征还受到两互相垂直的X传感器和Y传感器在安装截面上的安装方位变化的影响。短时复谱阵列的负频率成分难以理解，影响其使用。

技术方案。

一种用于机械转子单截面轴振分析的短时幅值频谱阵列，它的制作由下面的步骤组成：(1)读取同步采集的来自转轴一截面两垂直方向的x和y信号序列；(2)按一定的时延D和短时窗长L，依次对x和y信号序列分别进行分割，分割出各自的一组短时信号序列，分割方法见附图4；(3)对每一对时跨相同的两方向短时信号序列分别进行快速离散傅立叶变换；(4)基于每一对快速傅立叶变换的结果，求取相应的一对傅立叶级数；(5)对每一对求取的傅立叶级数，将其每个频率下的两方向谐波分量合成——合成结果为一个轴心轨迹椭圆，如附图6所示；(6)对每一对时跨相同的两短时信号序列，计算其各频率分量所合成轴心轨迹椭圆的长半轴的大小，即各频率下轴振幅值的大小；(7)对每一对时跨相同的两短时信号序列，以频率或其阶次为横轴，以轴振幅值为纵轴，得到该时跨段内的短时幅值频谱，如附图7；(8)将各时跨段的短时幅值频谱沿时间轴按短时信号序列截取的时间次序排列，则得到短时幅值频谱阵列，如附图8所示。频率阶次指频率值除以某一参考频率而获得的相对频率值，无量纲。整个短时幅值频谱阵列的制作流程见附图1所示。