基于阶比分析的转子系统油膜涡动故障诊断研究_胡爱军

收稿日期：2011-

09-08作者简介：胡爱军（1971-）男，副教授，主要从事状态监测与故障诊断研究。

基于阶比分析的转子系统油膜

涡动故障诊断研究

胡爱军，朱

瑜

（华北电力大学机械工程系，保定071003）

摘要：针对转子升速过程中油膜涡动信号的非平稳特点，将阶比分析应用于油膜涡动故障诊断中。首先对转子升

速时的振动信号进行时域采样，再对时域信号进行等角度采样，将其转化为角域平稳信号，然后对角域信号进行频谱分析识别油膜涡动故障频率。对实测油膜涡动信号分析表明，阶比分析能有效地避免传统频谱分析方法中的“频率模糊”现象，能够准确识别转子升速过程中油膜涡动故障频率。关键词：油膜涡动；阶比分析；频率模糊分类号：TK288文献标识码：A

文章编号：1001-

5884（2012）03-0223-03Analysis of Oil Whirl Diagnosis Based on Order Analysis for Rotor System

HU Ai-jun ，ZHU Yu

（Mechanical Engineering Department ，North China Electric Power University ，Baoding 071003，China ）

Abstract ：In order to process the non-stationary oil whirl signal that is produced during rotor ’s speeding up ，the order analysis is used for the oil whirl diagnosis．First ，the vibration signals at speeding up is sampled at constant time increments in time domain ，

and then the data is sampled at constant angle increments ，the time-domain signal is changed into angle-domain signal ，then ，the angle-domain signal will be analyzed with spectrum to detect the oil whirl diagnosis frequency．The practical oil whirl signal is analyzed and results show that order analysis can avoid frequency ambiguity of the traditional spectrums and order analysis can identify oil whirl diagnosis frequency accurately．Key words ：oil whirl ；order analysis ；frequency ambiguity

0前言

汽轮机等大型旋转机械通常采用滑动轴承来支承转子，在转子升速过程中，通常会发生油膜涡动的故障，使系统不能正常工作。及时准确地识别转子升速过程中的油膜涡动故障，并采取相应的处理措施，对确保转子系统安全稳定运行具有重要意义。长期以来，对旋转机械的故障诊断，主要采用振动信号频谱分析的方法，通过分析振动的频谱图来判断转子系统故障

［1］

。转子升速过程中油膜涡动发生时，时域

采样信号为典型的非平稳信号，直接对时域采样信号进行频谱分析，

就会产生“频率模糊”现象［2］

。文献［3］指出，对于

旋转机械因转速变化而引起的非平稳振动信号，采用阶比分析要比小波分析、短时傅立叶变换等分析方法更具优势。而阶比分析的关键在于获得等角度增量的采样信号。传统的等角度采样依靠硬件，不仅成本较高，而且较为繁琐。文献［4］提出了一种基于瞬时频率估计的阶比跟踪方法，通过对原始信号的时频分布进行峰值搜索估计转子的瞬时频率，依靠转子的瞬时频率对时域信号进行等角度采样，

取得了较好的效果。为此，本文将采用基于瞬时频率估计的方法实现对油膜涡动故障信号的阶比分析，首先通过小波时频分析获得

时域信号的小波时频分布图，

并通过峰值搜索法提取转子的瞬时频率，依据瞬时频率进行等角度采样，将角域信号进行频谱分析，提取油膜涡动故障频率。

1小波时频分析

［5－7］

小波分析是多尺度的时频分析方法。信号的时频特征（时间、频率、幅值等）可通过小波分解结果的时频参数来获得。若ψ（t ）为小波母函数，

则ψ（t ）要满足条件∫

+?

0ψ（ω）

2ω

d ω＜?

（1）

式中，ψ（ω）是ψ（t ）的傅立叶变换。

通过对小波母函数进行平移和伸缩可得到小波基函数

ψa ，b （t ）=1槡

a ψt －

b ()

a （2）式中，

a 为尺度因子；

b 为平移因子。若原始信号为s （t ），则信号s （t ）的连续小波时频变换为

W s （a ，b ）=∫

s （t ）·ψ*a ，b （t ）d t

（3）

式中，ψ*

a ，

b （t ）是ψa ，b （t ）的复共轭。

随着尺度因子a 和平移因子b 的变化，可得到小波系数

W s （a ，b ）。利用灰度图表示W s （a ，b ）可得到小波时频分布灰

第54卷第3期汽轮机技术Vol．54No．3

2012年6月

TURBINE TECHNOLOGY

Jun．2012

度图。

2峰值搜索法

阶比分析的关键是获得恒定角增量的等角度采样信号。基于瞬时频率的阶比分析依靠转子瞬时频率对时域信号进行等角度差值采样。文献［4］给出了一种转子瞬时频率估计的峰值搜索法，并指出当信号的一阶阶比成分可以和其它频率成分分开时，利用峰值搜索法可以获得较好的结果。利用峰值搜索法提取转子瞬时频率，首先对时域信号进行时频分析获得时频分布图，在时频分布图的一阶转速附近进行峰值搜索从而获得转子瞬时频率。峰值搜索法的具体算法为

P（n

1，k

1

）=arg max

k0－p＜k＜k0+p

｛p（n

1

，k）｝

P（n

i ，k

i

）=arg max

n=n i?1

k i?1－p＜k＜k i?1+p

｛p（n，k

{

）｝

（4）

式中，arg max表示取最大值的参数（在此为k）；p为设定的搜索范围；n i、k i为峰值坐标，即n i时刻对应的瞬时频率为

k

i

。依据式（4）进行峰值搜索时，搜索的起始位置一般选择瞬时频率较为明显，且与其它频率成分相距较远地方进行峰值搜索。

3油膜涡动故障阶比分析步骤

对转子升速过程油膜涡动信号进行阶比分析，具体步骤为：

（1）对转子升速过程油膜涡动时域信号进行小波时频分析，获得时域信号的时频分布图。

（2）采用峰值搜索法对时频分布图进行峰值搜索，提取转子瞬时频率。

（3）利用多项式对峰值搜索法提取的瞬时频率进行最小二乘拟合，得到拟合瞬时频率f（t）。

（4）确定等角度采样间隔，并对最小二乘拟合获得的瞬时频率f（t）积分

2π∫T n T0f i（t）d t=nΔθ（5）式中，T n为等角度采样的键相时标；n为等角度采样时刻序列号；Δθ为等角度采样间隔。由式（5）即可获得等角度采样的键相时标T n。

（5）依据等角度采样键相时标对时域信号进行插值采样，获得角域信号。其中，差值采样选用拉格朗日线性差值。

（6）对角域信号进行频谱分析，识别油膜涡动故障频率。4实例分析

在旋转机械故障模拟的Bently转子实验台上进行转子升速过程的油膜涡动实验，转子实验台的一阶临界转速在1900r/min左右。实验时，通过转子实验台的转速控制装置调节转子转速，使转子转速由零逐渐升高，最高转速不超过转子一阶临界转速的2倍。在转子中部用电涡流传感器测量转子升速过程的转子的径向振动，其中采样频率f s=1280 Hz，截取转子升速过程中部分振动信号进行分析。转子升速过程的振动信号如图1所示，升速过程振动信号的幅值谱如图2所示

。

图3转子升速过程振动信号的时频分布图

由图3可看出，转子升速过程中，一阶转频最为突出，和其它阶频率成分没有交叉，区分明显，并且近似呈线性变化。在时频分布图中，以一阶转频的最右侧为起始位置进行峰值搜索，提取转子的瞬时频率。考虑到时频分布图中转子瞬时频率近似线性变化，采用一次多项式对瞬时频率进行最小二乘拟合。瞬时频率的峰值搜索结果及最小二乘拟合结果如图4所示。

设定等角度采样间隔Δθ=1rad，对图4中的转子瞬时频率进行积分获取等角度采样的键相时标，并根据键相时标对

422汽轮机技术第54卷

1181－1187．

（上接第222页）

（1）迎面风速在1．6m/s到2．2m/s之间变化时，压力变化不大，且当迎面风速在2．2m/s时，排汽压力波动范围接近额定值，机组运行经济性最好。

（2）冬季环境温度较低时排汽流量增大对压力变化影响很小，且压力低于最低运行压力。此时机组应采取防冻措施。夏季环境温度较高时，排汽压力较高，机组运行负荷增加，此时应采取喷水降温措施。

（3）计算结果与实际偏差不大，说明参数优化结果较设计值好。可为同类1000MW空冷机组在变工况下选择合适的运行值提供参考依据。

参考文献

［1］丁尔谋．发电厂空冷技术［M］．北京：水利电力出版社，1992．［2］严俊杰，张春雨．直接空冷系统变工况特性的理论研究［J］．热能动力工程，2000，（6）：601－603．

［3］马义伟．空冷器设计与应用［M］．哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1998．

［4］刘志昌．工程流体力学［M］．天津：天津科学技术出版社，1995．［5］杨世铭．传热学［M］．北京：高等教育出版社，1998．

［6］周兰欣，杨靖．600MW直接空冷机组变工况特性研究［J］．动力工程，2007，11（2）：165－168，217．

［7］严俊杰，张春雨．直接空冷装置经济性诊断理论的研究［J］．华北工学院测试技术学报，2000，（1）：1－6．

［8］任浩仁，李蔚，盛德仁，等．火电机组变工况下运行指标应达值的分析［J］．中国电机工程学报，1999，19（9）：50－52．［9］杨立军，杜小泽，杨勇平，等．火电站直接空冷凝汽器性能考核评价方法［J］．中国电机工程学报，2007，27（2）：59－63．［10］梁伟平，任平杰，李遵基．直接空冷机组空冷风机变频调速的节能分析［J］．中国电力，2008，41（9）：58－59．

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第3期胡爱军等：基于阶比分析的转子系统油膜涡动故障诊断研究