本發(fā)明屬于風(fēng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于自相關(guān)零點(diǎn)計(jì)數(shù)的風(fēng)機(jī)軸承階變信號(hào)識(shí)別方法。

背景技術(shù)：

風(fēng)機(jī)是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械功，機(jī)械功帶動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)輸出電能的電力設(shè)備。作為風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的核心，風(fēng)機(jī)具有不可替代的地位，對(duì)其運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)具有重要意義，而軸承是風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)中的典型薄弱的環(huán)節(jié)，對(duì)風(fēng)機(jī)軸承的監(jiān)測(cè)尤為重要。風(fēng)機(jī)往往在復(fù)雜變工況環(huán)境下運(yùn)行，致使其軸承監(jiān)測(cè)信號(hào)中包含大量的不可用或弱可用信號(hào)：停機(jī)空采信號(hào)和階變信號(hào)。停機(jī)空采信號(hào)為無(wú)風(fēng)情況下風(fēng)機(jī)停轉(zhuǎn)時(shí)采集獲得，幅值水平普遍偏低，完全不含任何有用信息，可以通過(guò)對(duì)比平均絕對(duì)幅值予以識(shí)別和剔除；階變信號(hào)即局部統(tǒng)計(jì)特性發(fā)生階變的監(jiān)測(cè)信號(hào)，該信號(hào)因外部沖擊或風(fēng)速突變而產(chǎn)生，可用性遠(yuǎn)低于正常監(jiān)測(cè)信號(hào)，但信號(hào)中仍含有部分信息可以利用，具有弱可用特性，在信號(hào)源匱乏的情形中，弱可用的階變信號(hào)具有重要價(jià)值。階變信號(hào)的信號(hào)特性區(qū)別于正常監(jiān)測(cè)信號(hào)，需要識(shí)別后采用特殊的方法進(jìn)行處理，但現(xiàn)有的風(fēng)電設(shè)備監(jiān)測(cè)技術(shù)并未針對(duì)階變信號(hào)給出有效的識(shí)別方法。通過(guò)繪制監(jiān)測(cè)信號(hào)的自相關(guān)序列圖形發(fā)現(xiàn)，可用監(jiān)測(cè)信號(hào)，即非階變信號(hào)，其自相關(guān)序列在零延時(shí)附近出現(xiàn)峰值，且在零線上下高頻振蕩；階變信號(hào)自相關(guān)序列同樣在零延時(shí)附近取峰值且具有振蕩特點(diǎn)，但零延時(shí)附近的振蕩中心嚴(yán)重偏離零線，致使過(guò)零點(diǎn)次數(shù)明顯低于非階變信號(hào)的自相關(guān)序列。因此通過(guò)進(jìn)行自相關(guān)序列零延時(shí)附近區(qū)間零點(diǎn)計(jì)數(shù)，可以簡(jiǎn)單快速地實(shí)現(xiàn)階變信號(hào)的識(shí)別。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明提供一種基于自相關(guān)零點(diǎn)計(jì)數(shù)的風(fēng)機(jī)軸承階變信號(hào)識(shí)別方法，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)軸承階變信號(hào)的快速有效識(shí)別。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：

一種基于自相關(guān)零點(diǎn)計(jì)數(shù)的風(fēng)機(jī)軸承階變信號(hào)識(shí)別方法，包括以下步驟：

1)獲取風(fēng)機(jī)軸承振動(dòng)信號(hào)并進(jìn)行預(yù)處理，預(yù)處理包括去均值、50Hz工頻陷波，得到預(yù)處理振動(dòng)信號(hào)其中N為信號(hào)長(zhǎng)度；

2)統(tǒng)計(jì)獲得軸承轉(zhuǎn)頻f_r的范圍，最小值記為f_rmin，最大值記為f_rmax；

3)對(duì)預(yù)處理信號(hào)進(jìn)行低通濾波，濾波截止頻率f_c選擇為軸承最大轉(zhuǎn)頻f_rmax的5～10倍，即f_c＝(5～10)f_rmax；

4)計(jì)算低通濾波后信號(hào)的自相關(guān)序列

5)采用移動(dòng)平均方法對(duì)自行關(guān)序列進(jìn)行平滑，窗寬選擇為100；

6)在自相關(guān)序列的中段區(qū)間進(jìn)行零點(diǎn)計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)區(qū)間為[X_9N/10,X_11N/10]：

6.1)令s＝9N/10，初始化零點(diǎn)計(jì)數(shù)器P⁽¹⁾＝0；

6.2)若X_s·X_s+1≤0，則P^(s+1)＝P^(s)+1，否則P^(s+1)＝P^(s)；

6.3)s＝s+1，返回步驟6.2)直到s≥11N/10，輸出計(jì)數(shù)結(jié)果P^(s)；

7)設(shè)定零點(diǎn)計(jì)數(shù)閾值其中表示向下取整，η為可靠系數(shù)，f_s為采樣頻率；

8)完成風(fēng)機(jī)軸承階變信號(hào)識(shí)別：若P^(s)＜P_ε，則認(rèn)為該風(fēng)機(jī)軸承信號(hào)具有階變特性；若P^(s)≥P_ε，則認(rèn)為該風(fēng)機(jī)軸承信號(hào)不具有階變特性。

本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明首先對(duì)待識(shí)別信號(hào)進(jìn)行去均值和工頻陷波預(yù)處理，然后根據(jù)軸承轉(zhuǎn)頻范圍設(shè)定截止頻率并進(jìn)行低通濾波，之后計(jì)算濾波信號(hào)的自相關(guān)序列并在序列中段區(qū)間進(jìn)行零點(diǎn)計(jì)數(shù)，最后設(shè)置零點(diǎn)閾值，比較完成信號(hào)識(shí)別。該識(shí)別方法復(fù)雜度低、識(shí)別率高，極大的提高了信號(hào)的利用率，可嵌入風(fēng)力發(fā)電機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)作可用數(shù)據(jù)預(yù)篩選工具使用。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明流程圖。

圖2為實(shí)施例SL1500型風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。

圖3為實(shí)施例一組風(fēng)機(jī)軸承非階變信號(hào)和一組階變信號(hào)的時(shí)域波形及自相關(guān)序列對(duì)比圖：圖3(a)為非階變信號(hào)時(shí)域波形；圖3(b)為階變信號(hào)時(shí)域波形；圖3(c)為非階變信號(hào)自相關(guān)序列；圖3(d)為階變信號(hào)自相關(guān)序列。

圖4為實(shí)施例某機(jī)組一段時(shí)間內(nèi)監(jiān)測(cè)信號(hào)的零點(diǎn)計(jì)數(shù)結(jié)果及閾值。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述。

如圖1所示，一種基于自相關(guān)零點(diǎn)計(jì)數(shù)的風(fēng)機(jī)軸承階變信號(hào)識(shí)別方法，包括以下步驟：

1)獲取風(fēng)機(jī)軸承振動(dòng)信號(hào)并進(jìn)行預(yù)處理，包括去均值、50Hz工頻陷波，得到預(yù)處理振動(dòng)信號(hào)其中N為信號(hào)長(zhǎng)度；

2)統(tǒng)計(jì)獲得軸承轉(zhuǎn)頻f_r的大致范圍，最小值記為f_rmin，最大值記為f_rmax；

3)對(duì)預(yù)處理信號(hào)進(jìn)行低通濾波，濾波截止頻率f_c選擇為軸承最大轉(zhuǎn)頻的5～10倍，即f_c＝(5～10)f_rmax；

4)計(jì)算低通濾波后信號(hào)的自相關(guān)序列

5)采用移動(dòng)平均方法對(duì)自行關(guān)序列進(jìn)行平滑，窗寬選擇為100；

6)在自相關(guān)序列的中段區(qū)間進(jìn)行零點(diǎn)計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)區(qū)間為[X_9N/10,X_11N/10]：

6.1)令s＝9N/10，初始化零點(diǎn)計(jì)數(shù)器P⁽¹⁾＝0；

6.2)若X_s·X_s+1≤0，則P^(s+1)＝P^(s)+1，否則P^(s+1)＝P^(s)；

6.3)s＝s+1，返回步驟6.2)直到s≥11N/10，輸出計(jì)數(shù)結(jié)果P^(s)；

7)設(shè)定零點(diǎn)計(jì)數(shù)閾值其中表示向下取整，η為可靠系數(shù)，f_s為采樣頻率；

8)完成風(fēng)機(jī)軸承階變信號(hào)識(shí)別：若P^(s)＜P_ε，則認(rèn)為該風(fēng)機(jī)軸承信號(hào)具有階變特性；若P^(s)≥P_ε，則認(rèn)為該風(fēng)機(jī)軸承信號(hào)不具有階變特性。

實(shí)施例：從某企業(yè)SL1500型風(fēng)機(jī)采集監(jiān)測(cè)信號(hào)對(duì)本發(fā)明進(jìn)行驗(yàn)證，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示。該型號(hào)風(fēng)機(jī)將葉片傳入的動(dòng)力經(jīng)由兩級(jí)行星輪系和一級(jí)定軸輪系增速后輸入發(fā)電機(jī)，完成風(fēng)能到電能的轉(zhuǎn)化。監(jiān)測(cè)信號(hào)通過(guò)加速度傳感器采集，安裝在圖2所示的發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)端軸承支座上，采樣頻率為25600Hz，信號(hào)長(zhǎng)度為102400，即4s，監(jiān)測(cè)時(shí)間為2014年9月25日至2015年4月10日，共獲取81組驅(qū)動(dòng)端軸承監(jiān)測(cè)信號(hào)。選取其中的一組非階變信號(hào)及一組典型階變信號(hào)繪制時(shí)域波形和自相關(guān)序列如圖3。由圖可以看出，非階變信號(hào)時(shí)域振動(dòng)平穩(wěn)、幅值均勻，自相關(guān)序列在零延時(shí)附近出現(xiàn)峰值，并且在零線上下高頻振蕩；階變信號(hào)時(shí)域幅值水平與非階變信號(hào)相似，但出現(xiàn)明顯的階變斷裂，自相關(guān)序列同樣在零延時(shí)附近取峰值，但零延時(shí)附近的振蕩中心嚴(yán)重偏離零線，致使過(guò)零點(diǎn)次數(shù)明顯低于非階變信號(hào)的自相關(guān)序列。因此可以通過(guò)計(jì)數(shù)自相關(guān)序列零延時(shí)附近區(qū)間的零點(diǎn)個(gè)數(shù)，簡(jiǎn)單快捷地實(shí)現(xiàn)階變信號(hào)的識(shí)別。

對(duì)從機(jī)組獲取的81組驅(qū)動(dòng)端軸承監(jiān)測(cè)信號(hào)進(jìn)行階變信號(hào)識(shí)別驗(yàn)證。首先對(duì)比絕對(duì)均值剔除停機(jī)空采數(shù)據(jù)，之后采用本發(fā)明方法對(duì)剩余信號(hào)進(jìn)行識(shí)別：依次進(jìn)行預(yù)處理、軸承轉(zhuǎn)頻范圍統(tǒng)計(jì)、低通濾波、自相關(guān)序列計(jì)算、零點(diǎn)計(jì)數(shù)、自相關(guān)序列平滑、零點(diǎn)閾值設(shè)定和比較識(shí)別。統(tǒng)計(jì)本實(shí)驗(yàn)中軸承的轉(zhuǎn)頻范圍約為18-30Hz，因此設(shè)定低通濾波截止頻率f_c＝200Hz，安全系數(shù)η＝0.9，相應(yīng)的零點(diǎn)閾值計(jì)算為P_ε＝25。將所有驅(qū)動(dòng)端軸承監(jiān)測(cè)信號(hào)的零點(diǎn)計(jì)數(shù)結(jié)果和閾值繪制圖形如圖4，由圖可以看出，第18、28和34組數(shù)據(jù)為停機(jī)空采數(shù)據(jù)，第30、48、50、55、71和77組信號(hào)零點(diǎn)計(jì)數(shù)結(jié)果小于零點(diǎn)閾值P_ε＝25，根據(jù)判斷規(guī)則識(shí)別為階變信號(hào)。將81組數(shù)據(jù)的實(shí)際可用性情況統(tǒng)計(jì)填入表1中，對(duì)比圖4和表1發(fā)現(xiàn)，除了第26組識(shí)別出錯(cuò)外，其余各組識(shí)別均符合事實(shí)，識(shí)別率為85.7％，能夠滿(mǎn)足工程實(shí)際的需求。該實(shí)驗(yàn)證明了本發(fā)明方法的有效性。

使用本發(fā)明方法對(duì)機(jī)組的81組信號(hào)進(jìn)行識(shí)別耗時(shí)統(tǒng)計(jì)如表2所示，識(shí)別平均耗時(shí)為35.78s，單個(gè)信號(hào)平均耗時(shí)為0.44s，對(duì)4s長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)識(shí)別僅消耗大約數(shù)據(jù)時(shí)長(zhǎng)1/10的時(shí)間，充分證明了本方法簡(jiǎn)單、快速的特點(diǎn)。另外實(shí)驗(yàn)用計(jì)算機(jī)配備2.4GHz主頻的雙核CPU，若采用更高配置的服務(wù)器運(yùn)行本發(fā)明，運(yùn)行耗時(shí)將更短。

表1風(fēng)機(jī)監(jiān)測(cè)信號(hào)可用性統(tǒng)計(jì)

注：A表示可用監(jiān)測(cè)信號(hào)，H表示停機(jī)空轉(zhuǎn)信號(hào)，S表示階變信號(hào)

表2風(fēng)機(jī)監(jiān)測(cè)信號(hào)耗時(shí)統(tǒng)計(jì)

本發(fā)明提供一種基于自相關(guān)零點(diǎn)計(jì)數(shù)的風(fēng)機(jī)軸承階變信號(hào)識(shí)別方法，適用對(duì)象為風(fēng)力發(fā)電機(jī)軸承，但通過(guò)調(diào)整低通濾波截止頻率、閾值并對(duì)方法做出修正后同樣適用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪階變信號(hào)的識(shí)別，因此通過(guò)更換參數(shù)或修正本方法等將本方法應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪階變信號(hào)的識(shí)別并未脫離本發(fā)明的構(gòu)思，也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。