旋转机械阶比分析技术中阶比采样实现方式的研究

图 3 经典的计算阶比跟踪
采样 , 得到同步采样信号 ; 然后通过采集的鉴相脉 冲序列即转速脉冲序列 ( 通常是每转一个脉冲 ) 进 行转速估计 , 并作为振动相角的测量基准 ; 再由转 速估计计算等角 度 采 样 发 生 的 时 刻 序 列 ; 最后在 计算出的等角度采样发生时刻附近时间区间内对 同步采样的原始 振 动 信 号 进 行 插 值 重 采 样 , 得到 ·2 5 0·
收稿日期 : 2 0 0 4-0 1-1 3 基金项目 : 国家自然科学基金资助重点项目 ( ) 5 0 1 3 5 0 5 0
转速计每转提供 一 个 鉴 相 脉 冲 , 该脉冲被送入比 ·2 4 9·
中国机械工程第 1 6 卷第 3 期 2 0 0 5 年 2 月上半月
阶比采样的角域信号 。 1. 2. 2 跟踪 采用软硬件方式实现的组合计算阶比
研究发现 , 计算阶比跟踪的精度主要由插值 计算精度和鉴相脉冲提供的合成同步采样时标的 精度所决定 。 选 用 适 当 的 算 法 , 计算阶比跟踪可
图 1 采用光电脉冲角度编码盘的阶比跟踪
例 合 成 器, 它相当于一个锁相倍频电路 P L L, 从 而 实 现 每 转 提 供n 个 P L L 将转速脉冲 n 倍频 , 外 部 触 发 脉 冲 进 而 控 制 模/数 转 换 器 A D C 对原 始振动信号进行 ( 角域 ) 采样 。 这实际上是认为转 子系统在每一转 的 转 动 中 是 基 本 恒 定 的 , 同时比 例合成器根据触发脉冲的间隔时间来控制一个可 变截止频率的抗混叠跟踪滤波器 。
获得相当高的插值精度 。 而采用硬件计算转速脉 冲到达时间可显 著 提 高 合 成 同 步 采 样 的 精 度 , 这
[ 4] 是传统阶比跟踪的优势 。 近年来 , B o s s l e y等 在
此基础上提出了 组 合 计 算 阶 比 跟 踪 法 , 其实现原 理见图 4, 即利用高精度的插值算法和硬件脉冲 计数器实现高精度阶比跟踪 。
R e s e a r c ho nt h eM e t h o d s t oI m l e m e n tO r d e rS a m l i n i nR o t a t i n a c h i n e r p p g gM y O r d e rA n a l s i sT e c h n i u e y q Y a n i o n m i n i nS h u r e n J iZ h o n gJ g g Q g , , C h o n i n n i v e r s i t C h o n i n 4 0 0 0 3 0 g q gU y g q g : A b s t r a c t I t i s t h ek e o i n t t o i m l e m e n tC o n s t a n tA n u l a rS a m l i n f t h ev i b r a t i o ns i n a l s f o r yp p g p go g , , O r d e rA n a l s i s i nR o t a t i n a c h i n e r t h a t i sO r d e rS a m l i n w h i c ha i m s a t o b t a i n i n a m l i n i y gM y p g gs p gs g ,O n a l s i na n u l a rd o m a i n.T h e r e f o r e r d e rA n a l s i se m h a s i z e so nt h eM e t h o d st oi m l e m e n tO r d e r g y p p , S a m l i n .A f t e ra n a l z i n t h ee x i s t i n O r d e rS a m l i n m e t h o d sa th o m ea n da b r o a d a n d i n t r o d u c i n p g y g g p g g ,T t h e I n s t a n t a n e o u sF r e u e n c h e o r n t oO r d e rA n a l s i s e s tC e n t e ro fC h o n i n n i v e r s i t u t q yT yi y g q gU yp , f o r w a r daN e wM e t h o db a s e do nI n s t a n t a n e o u sF r e u e n c s t i m a t i o nt oi m l e m e n tO r d e rT r a c k i n q yE p g a n dd e v e l o e dV i r t u a lC h a r a c t e r i s t i cA n a l z e ro fR o t a t i n a c h i n e r .T h ee x i s t i n e c h n i u e sn e e d p y gM y gt q , i t i s i n c o n v e n i e n t t os e t u t h eh a r d w a r e i ns o m e s i t u a e x e n s i v ea n ds e c i a l h a r d w a r e s . F u r t h e r m o r e p p p , , t i o n s .H o w e v e r t h i sN e wM e t h o da v o i d st h e s ep r o b l e m s s oi t i sh e l f u l t ou t i l i z eO r d e rA n a l s i s p y w i d e l . y : ; ; ; ; K e o r d s r o t a t i n a c h i n e r t i m e f r e u e n c n a l s i s o r d e ra n a l s i s o r d e rs a m l i n o r d e r gm y q ya y y p g yw t r a c k i n g
1, 2] 采用转速计的阶比跟踪 实 现 原 理 [ 见 图 2,
前, 国内外在阶比 分 析 技 术 中 已 经 作 了 大 量 的 研 究, 主要分为两大类 : 一类是采用鉴相装置的硬件 式阶比跟踪 , 另一 类 是 计 算 阶 比 跟 踪 ( 。这 C O T) 两类技术一方面需要使用价格比较昂贵的专用附 加硬件 , 另一方面受到现场安装条件的制约 , 因此 限制了其应用 。 重庆大学测试中心将瞬时频率理 论引入到阶比分 析 中 , 提出了基于瞬时频率估计
图 2 采用转速计的阶比跟踪
1. 2 计算阶比跟踪 在计算阶比跟 踪 中 , 采用鉴相装置和内插算 法来实现等角度 采 样 , 常见的计算阶比跟踪方法 有以下几种 : 1. 2. 1 经典的计算阶比跟踪 3] 的 实 现 原 理 见 图 3。 经典的计 算 阶 比 跟 踪 [ 首先对原始振动信 号 和 鉴 相 脉 冲 信 号 ( 如转速脉 冲信号 ) 分两路以 恒 采 样 率 同 时 进 行 等 时 间 间 隔
由于实时性好 , 在目前的工程实际 现的阶比跟踪 , 中仍有应用 。 其 实 现 原 理 见 图 1, 它使用特定的 鉴相装置 - 光电 脉 冲 角 度 编 码 盘 , 产生外部触 发脉冲 , 通过采 样 率 合 成 器 和 模 拟 跟 踪 滤 波 器 等 硬件手段来实现阶比采样的角域信号 。 由于在正 常运行状态下轴 转 速 趋 于 恒 定 , 因此这种方法在 正常运行条件下可以进行精确采样 。 1. 1. 2 采用转速计的阶比跟踪
就是角域采样信号的频谱分析 。 因此阶比分析的 关键是实现振动信号的等角度采样 , 即阶比采样 , 从而得到角域采样信号 。 阶比采样是指采样的触 发间隔为旋转机 械 每 转 过 一 定 角 度 的 时 间 间 隔 。 精确的阶 比 分 析 要 求 对 振 动 信 号 进 行 等 角 度 采 样, 即采样率的调整要与参考轴转速的变化一致 , 该阶 比 采 样 过 程 在 阶 比 分 析 中 称 为 阶 比 跟 踪
旋转机械阶比分析技术中阶比采样实现方式的研究 - 杨炯明
秦树人
季
忠
旋转机械阶比分析技术中阶比采样实现方式的研究
杨炯明 秦树人 季 忠
重庆学 , 重庆 , 4 0 0 0 3 0
摘要 : 阶比分析的关键是实现对旋转机械振动信号的等角度采样 。 在分析国内外阶比分析 技术中阶比采样实现方式的基础上 , 在阶比分析中引入瞬时频率理论 , 提出了基于瞬时频率估计 研制出了虚拟式旋转机械特征分析仪 。 该方法避免了现有技术中需要使用价 的阶比跟踪方法 , 格比较昂贵的专用附加硬件和受现场安装条件制约的问题 , 有利于阶比分析的广泛应用 。 关键词 : 旋转机械 ; 时频分析 ; 阶比分析 ; 阶比采样 ; 阶比跟踪 中图分类号 : TN 9 1 1. 7 2; T P 2 0 6 文章编号 : ) 1 0 0 4-1 3 2Ⅹ ( 2 0 0 5 0 3-0 2 4 9-0 5
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1 阶比分析技术的研究
1. 1 采用鉴相装置的硬件式阶比跟踪 1. 1. 1 采用光电脉冲角度编码盘的阶比跟踪 基于光 电 脉 冲 角 度 编 码 盘 的 硬 件 式 阶 比 跟 踪
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直 接 源 于 角 域 采 样 的 经 典 理 论, 是最早实
, 其实现方式是阶比分析研 究 的重 点 。 目
0 引言
阶比分析技术是旋转机械振动信号分析和故 障诊断的重要 技 术 之 一
[ 1, 2]
避免了现有阶比分析技术中需 的阶比跟踪方法 , 要专用附加硬件 和 安 装 不 便 的 问 题 , 实现了无需 转速计的基于瞬 时 频 率 估 计 的 阶 比 跟 踪 方 法 , 研 制出了虚拟式旋转机械特征分析仪 。 , 通 俗 地 说, 阶比分析