專利名稱：一種自動顯示汽輪發(fā)電機(jī)組振動信號特征的裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及機(jī)械監(jiān)測領(lǐng)域，特別是涉及一種自動顯示汽輪發(fā)電機(jī)組振動信號特征
的裝置及方法。
背景技術(shù)：
目前，汽輪發(fā)電機(jī)組振動監(jiān)測故障診斷系統(tǒng)或TDM (Transient DataManager)系
統(tǒng)，獲得了迅速發(fā)展并廣泛應(yīng)用，基本上大中型機(jī)組都配備了 T匿系統(tǒng)，為及時(shí)判斷機(jī)組的
狀態(tài)和故障性質(zhì)起到了重要作用。TDM系統(tǒng)具有通用的振動信號分析功能，可以繪制波形、
頻譜、軸心軌跡、波特圖、極坐標(biāo)圖、級聯(lián)圖、瀑布圖和趨勢分析等分析圖形。 由于振動信號的分析涉及較深的力學(xué)和數(shù)學(xué)理論以及故障機(jī)理，現(xiàn)場人員普遍缺
乏對振動信號的深入分析能力，不能了解振動信號分析圖形所具有的含義。在TDM系統(tǒng)移
交用戶后，大多沒有發(fā)揮應(yīng)有的作用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種自動顯示汽輪發(fā)電機(jī)組振動信號特征的裝置及方法，用于幫助 用戶理解振動信號分析圖形。 本發(fā)明的一種自動顯示汽輪發(fā)電機(jī)組振動信號特征的裝置，包括典型振動故障 模塊，用于對汽輪發(fā)電機(jī)組振動故障進(jìn)行分類；故障征兆模塊，用于對振動故障的征兆進(jìn)行 匯總；信號分析模塊，用于對振動信號進(jìn)行分析，得出相應(yīng)的分析圖形；特征計(jì)算模塊，用 于根據(jù)信號分析模塊得出的分析圖形，從典型振動故障模塊和故障征兆模塊分別獲取相應(yīng) 的故障類型和該故障類型的征兆，并對所述征兆的可信度和故障的可信度進(jìn)行計(jì)算；顯示 模塊，用于將特征計(jì)算模塊的計(jì)算結(jié)果在所述分析圖形中顯示。 進(jìn)一步，所述典型振動故障模塊中的故障分類包括轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡、初始彎曲、 熱態(tài)不平衡、不對中、轉(zhuǎn)子碰摩、油膜振蕩、汽流激振、部件脫落和松動故障。所述故障征兆 模塊還用于判斷故障的各種現(xiàn)象，包括正常現(xiàn)象的時(shí)域、頻域和趨勢分析數(shù)據(jù)。所述信號 分析模塊根據(jù)相應(yīng)的分析方法得出的分析圖形包括波形、頻譜、軸心軌跡、波特圖、極坐標(biāo) 圖、瀑布圖、級聯(lián)圖和趨勢分析圖。所述特征計(jì)算模塊的計(jì)算過程是在對振動信號的時(shí)域、 頻域和趨勢分析圖形進(jìn)行特征分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)故障存在的充分與必要條件，判斷故障 是否存在以及故障的嚴(yán)重程度。 本發(fā)明的一種自動顯示汽輪發(fā)電機(jī)組振動信號特征的方法，包括下列步驟對振 動信號進(jìn)行分析，得出相應(yīng)的分析圖形；根據(jù)所述分析圖形，獲取相應(yīng)的故障類型和該故障 類型的征兆，并對所述征兆的可信度和故障的可信度進(jìn)行計(jì)算；將計(jì)算結(jié)果在所述分析圖 形中顯示。 進(jìn)一步，所述一類故障的數(shù)學(xué)模型由至少一個(gè)該故障類型的征兆組成；計(jì)算可信 度的步驟如下逐一計(jì)算各征兆的可信度；根據(jù)得出的各征兆的可信度，經(jīng)判別邏輯確定 相應(yīng)故障的可信度。所述計(jì)算的過程是在對振動信號的時(shí)域、頻域和趨勢分析圖形進(jìn)行特
3征分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)故障存在的充分與必要條件，判斷故障是否存在以及故障的嚴(yán)重程度。 綜上，本發(fā)明的目的在于克服目前汽輪發(fā)電機(jī)組振動信號分析的不足，在常規(guī)的 振動信號分析圖形的基礎(chǔ)上，結(jié)合汽輪發(fā)電機(jī)組振動故障的特點(diǎn)和經(jīng)驗(yàn)，模擬人工分析方 法，對各種圖形功能進(jìn)行智能化拓展，通過與典型信號圖形和典型振動故障的模糊匹配，在 相應(yīng)的分析圖形上顯示智能化的分析結(jié)果，提高用戶對T匿系統(tǒng)的興趣，培養(yǎng)用戶對各種 分析圖形的直觀感覺，降低對用戶知識水平和經(jīng)驗(yàn)的要求，使一般用戶能夠準(zhǔn)確理解振動 信號分析圖形的特征。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例1中的裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為本發(fā)明實(shí)施例2中的方法步驟流程圖。
具體實(shí)施例方式
為了提高T匿系統(tǒng)的實(shí)用性，必須在相應(yīng)的分析圖形上顯示智能化的分析結(jié)果， 幫助用戶迅速識別振動信號中隱含的故障表現(xiàn)。因此，本發(fā)明提供了一種自動顯示汽輪發(fā) 電機(jī)組振動信號特征的裝置及方法，以下通過實(shí)施例具體說明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。
實(shí)施例1 :為本發(fā)明裝置的實(shí)施例，參見圖1所示，包括特征計(jì)算模塊，以及與特
征計(jì)算模塊相連的典型振動故障模塊、故障征兆模塊、信號分析模塊和顯示模塊。 其中，典型振動故障模塊，用于對汽輪發(fā)電機(jī)組常見的典型振動故障進(jìn)行分類，具
體可包括轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡、初始彎曲、熱態(tài)不平衡、不對中、轉(zhuǎn)子碰摩、油膜振蕩、汽流激振、
部件脫落和松動等汽輪發(fā)電機(jī)組常見故障。 故障征兆模塊，用于對典型振動故障的所有可能出現(xiàn)的征兆進(jìn)行匯總，有助于判 斷故障的各種現(xiàn)象，包括某些正?，F(xiàn)象，因?yàn)槔谜，F(xiàn)象可以排除某些故障，主要有時(shí) 域、頻域和趨勢分析數(shù)據(jù)。 信號分析模塊，用于對振動信號進(jìn)行分析，顯示相應(yīng)的圖形；可顯示的圖形可包括 波形、頻譜、軸心軌跡、波特圖、極坐標(biāo)圖、瀑布圖、級聯(lián)圖和趨勢分析等汽輪發(fā)電機(jī)組常用 的振動信號分析方法。 特征計(jì)算模塊，基于故障存在的充分與必要條件，對圖形特征進(jìn)行自動分析的征 兆和故障可信度的計(jì)算能力。具體而言，是依據(jù)特定征兆和特定故障的數(shù)學(xué)模型，對征兆的 可信度和故障的可信度進(jìn)行計(jì)算，是在對振動信號的時(shí)域、頻域和趨勢分析圖形進(jìn)行特征 分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)故障存在的充分與必要條件，判斷故障是否存在以及故障的嚴(yán)重程度。
顯示模塊，用于在常規(guī)振動分析圖形的基礎(chǔ)上，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，利用計(jì)算機(jī)軟件編 程，在相應(yīng)分析圖形比較醒目的位置，給用戶明確的提示。
實(shí)施例2 :為本發(fā)明方法的實(shí)施例，參見圖2所示，包括下列主要步驟
Sl、對振動信號進(jìn)行分析，得出相應(yīng)的分析圖形。 S2、根據(jù)所述分析圖形，獲取相應(yīng)的故障類型和該故障類型的征兆，并對所述征兆 的可信度和故障的可信度進(jìn)行計(jì)算。
S3、將計(jì)算結(jié)果在所述分析圖形中顯示。 更為具體的，以不平衡故障為例進(jìn)一步詳述如下 在典型振動故障模塊，選擇不平衡故障。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在汽輪發(fā)電機(jī)組振動故障中，不 平衡是最常見的故障，約占60%以上，特別是在新機(jī)組投運(yùn)和機(jī)組檢修后的啟動過程中。
在信號分析模塊，選擇頻譜分析方法。對于各種振動信號分析方法，最有效最普 遍使用的是頻譜圖，不同的振動故障有特定的頻率成分，根據(jù)振動頻譜，可以診斷大部分故障。 根據(jù)故障機(jī)理研究和現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)，診斷不平衡故障的充分與必要條件如下
(1)振動頻譜中一倍頻幅值較大；
(2)轉(zhuǎn)速不變時(shí)振幅基本不變；
(3)轉(zhuǎn)速不變時(shí)一倍頻相位基本不變。 這就是診斷不平衡故障的數(shù)學(xué)模型，其中三個(gè)征兆在不平衡故障的征兆集合中。
在特征計(jì)算模塊，對這三個(gè)征兆的可信度進(jìn)行計(jì)算 在計(jì)算不平衡故障的征兆"振動頻譜中一倍頻幅值較大"的可信度時(shí)，在滿足通頻 振幅達(dá)到報(bào)警值的60%以上和一倍頻振幅達(dá)到通頻振幅60%以上的條件下，采用了一倍 頻振幅與通頻振幅比較的方法，如下式所示 CF (IX) = A (IX) / (alA (TX) +a2A (LX) +a3A (HX)) (1)
并且當(dāng)CF(1X) > 1時(shí)，CF(1X) = 1。 其中CF(1X)是不平衡故障征兆"振動頻譜中一倍頻幅值較大"的可信度，A(1X)、 A(TX)、A(LX)和A(HX)分別是一倍頻、通頻、低頻和高頻的振幅，al、a2、a3為小于1的比例 系數(shù)。由(1)式可知，在通頻振幅不變時(shí)，一倍頻振幅越大，征兆的可信度也越大，但在一倍 頻振幅不變時(shí)通頻、低頻和高頻幅值的增大將使征兆的可信度降低，系數(shù)al、 a2、 a3的設(shè)置 因設(shè)備和診斷部位不同而有所差異。 在計(jì)算征兆"轉(zhuǎn)速不變時(shí)振幅基本不變"的可信度時(shí)，用C語言編制的程序如下
if (fabs(speed[l]-speed[O]) < s)
CF(A1) = max(O， l-fabs(Al-A0)/Ab);
if (CF(A1) > 1) CF(A1) = 1 ; 其中CF(A1)是征兆"轉(zhuǎn)速不變時(shí)振幅基本不變"的可信度，A0、 Al是先后兩組數(shù) 據(jù)的通頻振幅，s是兩組數(shù)據(jù)時(shí)刻轉(zhuǎn)速變化量的閾值，Ab是振幅變化的閾值，s和Ab的設(shè)置 與設(shè)備類型和振動性質(zhì)有關(guān)，對于汽輪發(fā)電機(jī)組，可分別取15r/min和報(bào)警值的10%。
在計(jì)算征兆"轉(zhuǎn)速不變時(shí)一倍頻相位基本不變"的可信度時(shí)，用C語言編制的程序 如下 if (fabs(speed[l]-speed[O]) < s) CF(W1) = min(l， l-fabs(Wl-W0)/Wb); if (CF(W1) < 0) CF(W1) = 0 ; 其中CF(W1)是征兆"轉(zhuǎn)速不變時(shí)一倍頻相位基本不變"的可信度，W0、 Wl是先 后兩組數(shù)據(jù)的一倍頻相位，s是兩組數(shù)據(jù)時(shí)刻轉(zhuǎn)速變化量的閾值，Wb是相位變化的閾值，s 和Wb的設(shè)置與設(shè)備類型和振動性質(zhì)有關(guān)，對于汽輪發(fā)電機(jī)組，可分別取15r/min和20度。
T匿系統(tǒng)實(shí)時(shí)計(jì)算這些征兆的可信度，不平衡故障的可信度可以簡單地取為三個(gè)征兆可信度的最小值。如果有一個(gè)條件不符合，就可以否定是不平衡故障。 最后屏幕顯示模塊根據(jù)計(jì)算結(jié)果，如果某故障的可信度大于閾值(如0. 3)，可以
將有關(guān)征兆和故障的可信度(或嚴(yán)重程度)在頻譜圖上實(shí)時(shí)進(jìn)行顯示，提醒用戶注意機(jī)組
狀態(tài)的變化。 以上通過實(shí)施例對本發(fā)明作了進(jìn)一步的解釋，基于本發(fā)明的原理及上述實(shí)施例，
還可實(shí)現(xiàn)其他增強(qiáng)顯示功能，具體可參見表1。表1是在常見的振動信號分析方法具有的通
用功能中增加的部分顯示功能。 表1
信號分析方 法顯示的基本功能增強(qiáng)顯示的部分功能
波形圖(1) 顯示振動信號的 快速變化過程 (2) 顯示通頻振動的 峰峰值和有效值(1) 根據(jù)鍵相位置變化確定是否存在非周期信號 (2) 根據(jù)波形的對稱性確定是否存在松動等故障 (3) 根據(jù)不同周期的波形的重復(fù)性確定是否存在碰 摩等故障 (4) 顯示經(jīng)過濾波的波形，確定不同頻率成分的比例 關(guān)系以及是否存在噪聲信號
頻譜圖(1) 顯示振動信號各 頻率分量的分布情 況 (2) 顯示各頻率分量 的幅4直和相4立(1) 根據(jù)高頻與IX和通頻的比值確定是否存在松動 等故障 (2) 根據(jù)低頻與IX和通頻的比值確定是否存在軸系 失穩(wěn)等故障 (3) 才艮據(jù)相位的穩(wěn)定性確定是否存在碰摩等故障 (4) 顯示特定頻譜對應(yīng)的故障 (5) 顯示特定頻率范圍的頻譜，確定某種故障的發(fā)展 趨勢
軸心軌跡圖(l)顯示某軸承處水 平牙口垂直方向振動 合成后軸的運(yùn)動情 況(1) 自動識別軸心軌跡的形狀和運(yùn)動方向，判斷是否 存在不平衡、不對中和碰摩等故障 (2) 自動識別不同部位軸心軌跡的差別，確定是否存 在軸系異常等故障 (3) 顯示經(jīng)過濾波的軸心軌跡，確定軸心運(yùn)動是否存 在異常
波特圖 極坐標(biāo)圖(l)顯示啟停機(jī)過程 中IX幅值和相位與 轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系(1) 顯示軸系臨界轉(zhuǎn)速，確定軸系的動力特性 (2) 顯示不平衡的大小和角度，作為動平衡的參考 (3) 顯示任意頻率的幅值和相位與轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系
6級聯(lián)圖 瀑布圖a)顯示在某一段時(shí) 間內(nèi)各種頻率成分 隨轉(zhuǎn)速(級聯(lián)圖)或 時(shí)間(瀑布圖)的變 化趨勢a)顯示故障頻率出現(xiàn)時(shí)的轉(zhuǎn)速或時(shí)間 (2) 轉(zhuǎn)速或時(shí)間坐標(biāo)可以用其它參數(shù)，如勵磁電流和 負(fù)荷等表示，顯示故障頻率出現(xiàn)時(shí)機(jī)組的狀態(tài) (3) 顯示異常頻率成分所占的比例及其變化趨勢
趨勢分析(i)顯示某振動量隨 時(shí)間的變化情況a)振動量可以由用戶指定，可以是振幅，也可以是 特定頻率的幅值和相位等 (2)可選多個(gè)通道進(jìn)行對比分析，顯示是否有相互關(guān) 系以及是否存在非振動信號 綜上，本發(fā)明將復(fù)雜高深的汽輪發(fā)電機(jī)組振動信號分析方法，用易于理解的方式 進(jìn)行在線實(shí)時(shí)解釋說明，填補(bǔ)了國內(nèi)外這方面的研究空白，可以幫助用戶快速掌握如何從 分析圖形中發(fā)現(xiàn)機(jī)組存在的異常現(xiàn)象，極大地提高了目前廣泛使用的T匿系統(tǒng)的實(shí)用性， 可以更好地發(fā)揮TDM系統(tǒng)對汽輪發(fā)電機(jī)組安全運(yùn)行的重要作用。 顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對本發(fā)明進(jìn)行各種改動和變型而不脫離本發(fā)明的精 神和范圍，例如表1中所示的其他增強(qiáng)顯示功能。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于 本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動和變型在內(nèi)。
權(quán)利要求
一種自動顯示汽輪發(fā)電機(jī)組振動信號特征的裝置，其特征在于，包括典型振動故障模塊，用于對汽輪發(fā)電機(jī)組振動故障進(jìn)行分類；故障征兆模塊，用于對振動故障的征兆進(jìn)行匯總；信號分析模塊，用于對振動信號進(jìn)行分析，得出相應(yīng)的分析圖形；特征計(jì)算模塊，用于根據(jù)信號分析模塊得出的分析圖形，從典型振動故障模塊和故障征兆模塊分別獲取相應(yīng)的故障類型和該故障類型的征兆，并對所述征兆的可信度和故障的可信度進(jìn)行計(jì)算；顯示模塊，用于將特征計(jì)算模塊的計(jì)算結(jié)果在所述分析圖形中顯示。
2. 如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述典型振動故障模塊中的故障分類包括轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡、初始彎曲、熱態(tài)不平衡、不對中、轉(zhuǎn)子碰摩、油膜振蕩、汽流激振、部件脫落和松動故障。
3. 如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述故障征兆模塊還用于判斷故障的各種現(xiàn)象，包括正?，F(xiàn)象的時(shí)域、頻域和趨勢分析數(shù)據(jù)。
4. 如權(quán)利要求l所述的裝置，其特征在于，所述信號分析模塊根據(jù)相應(yīng)的分析方法得出的分析圖形包括波形、頻譜、軸心軌跡、波特圖、極坐標(biāo)圖、瀑布圖、級聯(lián)圖和趨勢分析圖。
5. 如權(quán)利要求1至4任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，所述特征計(jì)算模塊的計(jì)算過程是在對振動信號的時(shí)域、頻域和趨勢分析圖形進(jìn)行特征分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)故障存在的充分與必要條件，判斷故障是否存在以及故障的嚴(yán)重程度。
6. —種自動顯示汽輪發(fā)電機(jī)組振動信號特征的方法，其特征在于，包括下列步驟對振動信號進(jìn)行分析，得出相應(yīng)的分析圖形；根據(jù)所述分析圖形，獲取相應(yīng)的故障類型和該故障類型的征兆，并對所述征兆的可信度和故障的可信度進(jìn)行計(jì)算；將計(jì)算結(jié)果在所述分析圖形中顯示。
7. 如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，一類故障的數(shù)學(xué)模型由至少一個(gè)該故障類型的征兆組成；計(jì)算可信度的步驟如下逐一計(jì)算各征兆的可信度；根據(jù)得出的各征兆的可信度，經(jīng)判別邏輯確定相應(yīng)故障的可信度。
8. 如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述計(jì)算的過程是在對振動信號的時(shí)域、頻域和趨勢分析圖形進(jìn)行特征分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)故障存在的充分與必要條件，判斷故障是否存在以及故障的嚴(yán)重程度。
9. 如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，根據(jù)相應(yīng)的分析方法得出的分析圖形包括波形、頻譜、軸心軌跡、波特圖、極坐標(biāo)圖、瀑布圖、級聯(lián)圖和趨勢分析圖。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種自動顯示汽輪發(fā)電機(jī)組振動信號特征的裝置及方法，涉及機(jī)械監(jiān)測領(lǐng)域，用于幫助用戶理解振動信號分析圖形。裝置包括典型振動故障模塊、故障征兆模塊、信號分析模塊，用于對振動信號進(jìn)行分析，得出相應(yīng)的分析圖形；特征計(jì)算模塊，用于根據(jù)信號分析模塊得出的分析圖形，從典型振動故障模塊和故障征兆模塊分別獲取相應(yīng)的故障類型和該故障類型的征兆，并對征兆的可信度和故障的可信度進(jìn)行計(jì)算；顯示模塊，用于將特征計(jì)算模塊的計(jì)算結(jié)果在分析圖形中顯示。方法包括對振動信號進(jìn)行分析得出相應(yīng)的分析圖形；根據(jù)分析圖形獲取相應(yīng)的故障類型和該故障類型的征兆，并對征兆的可信度和故障的可信度進(jìn)行計(jì)算；將計(jì)算結(jié)果在分析圖形中顯示。
文檔編號G09F9/00GK101706356SQ20091024132
公開日2010年5月12日 申請日期2009年12月4日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月4日
發(fā)明者嚴(yán)可國, 阮躍 申請人:北京英華達(dá)軟件工程有限公司