[发明专利]一种大型旋转机械的转子不平衡故障的实时诊断方法

权利要求书

1.一种大型旋转机械的转子不平衡故障的实时诊断方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：

S1：通过监测的振动数据拟合转子系统的频响函数，并辨识转子系统的物理参数，包括质量、阻尼和刚度特性；

S2：根据转子系统规定的平衡允差及其物理参数，确定转子系统产生不平衡故障的临界激励；

S3：根据转子系统的频响函数和产生不平衡故障的临界激励，计算转子系统产生不平衡故障的临界振幅，从而依据临界振幅判定转子系统是否产生不平衡故障；

步骤S1具体包括以下步骤：

S11：基于实测的振动数据拟合频响函数幂基多项式，并采用正交多项式拟合法计算频响函数的幂基多项式系数；

S12：根据动力学方程构建转子系统的加速度频响函数，由于该加速度频响函数与S11拟合的频响函数幂基多项式相等，即能计算转子系统的物理参数；

步骤S11具体包括：对于一个N自由度的转子系统，其加速度频响函数矩阵的第l行第p列元素表示为：

其中，n＝2N，m＝2N-2，N(s)、D(s)分别为传递函数的分子、分母多项式，a₀,a₁,…,a_m、b₀,b₁,…,b_n分别表示分子、分母多项式系数，且令s＝jω，ω表示频率；p₀(s)＝1，p₁(s)＝s，…，p_m(s)＝s^m；q₀(s)＝1，q₁(s)＝s，…，q_n(s)＝sⁿ；

采用正交多项式拟合法计算加速度频响函数幂基多项式系数；

首先，构造如下矩阵：

W＝[q_n(jω_-L),…,q_n(jω_-1),q_n(jω₁),…,q_n(jω_L)]^T，A＝[a₀,a₁,…,a_m]^T，B＝[b₀,b₁,…,b_n]^T；其中，A和B分别为分子、分母幂基多项式的系数向量，E为加速度频响的附加项矩阵，D为实测加速度频响序列的扩展矩阵，P、Q和W分别为分子、分母的扩展幂基矩阵和向量，L为被拟合频响数据的测量频率点数；引入负频率的概念，使ω＝ω_-L,…,ω_-1,ω₁,…,ω_L共2L个点，且令ω_-i＝-ω_i，频响函数的数学模型值H(jω_-i)＝H^*(jω_i)；

其次，计算频响函数的幂基多项式系数，基于频响函数的实测值与理论值之间的总方差最小的理论，采用下式求得频响函数的幂基多项式系数，即矩阵A和B；

其中，P_a＝EP，Q_a＝DQ，W_a＝DW；

根据实测加速度振动数据对矩阵D进行构造，具体包括以下步骤：

(1)计算转子径向动载荷：采用斯捷潘若夫公式计算各测量转速下转子的径向动载荷，该载荷即为激励力F；

其中，P₁为风机的全压，Pa；D₂为叶轮出口直径，cm；B₂为包括前后盖板的叶轮宽度，cm；q_v为风机的工况流量，m³/s；q_vd为风机的设计工况流量，m³/s；

(2)加速度频响序列构造：在相应转速下，通过计算实测振动加速度与激励力的比值，构造加速度频响序列，即矩阵D；

步骤S12中，根据动力学方程构建转子系统的加速度频响函数，具体包括：根据动力学方程，二自由度转子系统的加速度频响函数矩阵为：

H(ω)＝(jω)²[K+jωC+(jω)²M]^-1

其中，表示质量矩阵，表示阻尼矩阵，表示刚度矩阵；m₁、c₁、k₁为转子的等效质量、阻尼和刚度，m₂、c₂、k₂为非旋转部件的质量、阻尼和刚度；

考虑实际测量的方便，常在轴承座的径向方向安装振动传感器测量其振动，即需要通过计算频响函数矩阵中第1行、第2列元素辨识转子系统的相关物理参数；根据动力学方程，该元素表示为：

根据步骤S11，二自由度转子系统的加速度频响函数矩阵中第1行第2列元素为：

由于实测振动数据拟合的频响函数幂基多项式与动力学方程计算的频响函数相等，则根据上述两式即能计算转子系统的相关物理参数。

2.根据权利要求1所述的大型旋转机械的转子不平衡故障的实时诊断方法，其特征在于，步骤S2具体包括以下步骤：

S21：根据国家标准确定转子系统的平衡品质级别和平衡品质所允许的最大量值；

S22：计算转子系统在额定转速下的剩余不平衡度，并结合转子系统的物理参数确定转子系统额定转速下的激励，即临界激励。