本發(fā)明屬于旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備故障診斷領(lǐng)域，具體涉及旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備故障診斷中故障程度計(jì)算的方法，特別涉及一種針對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備的穩(wěn)態(tài)故障的故障程度的計(jì)算方法。這里提到的旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備是指所有具有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)特征的機(jī)械設(shè)備。

背景技術(shù)：

旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備故障診斷技術(shù)是一門(mén)交叉學(xué)科，需要現(xiàn)場(chǎng)管理、機(jī)械結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)、信號(hào)處理等多方面的綜合知識(shí)。如何有效地通過(guò)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)故障程度的計(jì)算是從事設(shè)備診斷技術(shù)研究人員的重要研究?jī)?nèi)容。在設(shè)備故障診斷中，設(shè)備故障的類型的診斷已經(jīng)有諸多研究，而故障程度計(jì)算方法的研究難度較大，一方面需要研究者有非常豐富的現(xiàn)場(chǎng)管理、設(shè)備診斷的經(jīng)驗(yàn)，另一方面，需要研究者在算法實(shí)現(xiàn)方面有清晰的邏輯和高度的提煉能力。以往的技術(shù)主要通過(guò)簡(jiǎn)單的判據(jù)來(lái)判斷設(shè)備的狀態(tài)，傳統(tǒng)的故障程度的計(jì)算一般僅僅依靠有效值、峰值、平均絕對(duì)值等單一參數(shù)來(lái)進(jìn)行計(jì)算，用不同參數(shù)進(jìn)行診斷所計(jì)算出的故障程度差別較大，本發(fā)明創(chuàng)造性地從時(shí)域角度將有三個(gè)量綱參數(shù)、三個(gè)無(wú)量綱參數(shù)綜合引入設(shè)備故障程度的計(jì)算中，使得時(shí)域故障程度的計(jì)算更加科學(xué)。本發(fā)明的另一特點(diǎn)在于綜合利用了時(shí)域診斷方法及頻域診斷方法的特點(diǎn)并進(jìn)行了算法設(shè)計(jì)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障程度的計(jì)算方法，可以彌補(bǔ)現(xiàn)有計(jì)算方法參數(shù)信息不全的缺點(diǎn)，提高判斷的準(zhǔn)確性。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的旋轉(zhuǎn)機(jī)械的故障程度計(jì)算方法的技術(shù)方案，該方法的步驟如下：

一種旋轉(zhuǎn)機(jī)械穩(wěn)態(tài)故障診斷中故障程度計(jì)算方法，該方法的步驟如下：

(1)在設(shè)備轉(zhuǎn)子軸承截面布置X、Y、Z三個(gè)方向的位移傳感器，采集轉(zhuǎn)子振動(dòng)信號(hào)：X傳感器布置在徑向水平方向上，Y傳感器布置在徑垂直方向上，Z傳感器布置在軸向上；采用鍵相信號(hào)進(jìn)行同步跟蹤采樣。

(2)對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行零均值處理、抗混濾波、低通濾波，去掉噪聲信號(hào)。

(3)計(jì)算振動(dòng)信號(hào)的平均絕對(duì)值()、有效值即均方根值(X_rms)、單峰值(X_p或X_0-p)、峰-峰值(X_p-p)，以及峰值指標(biāo)、峭度指標(biāo)、脈沖指標(biāo)。

(4)選取或設(shè)定設(shè)備診斷門(mén)限值。

(5)各種參數(shù)時(shí)域診斷的故障程度計(jì)算。

(6)采用FFT變換，計(jì)算信號(hào)的幅值譜和相位譜。

(7)計(jì)算設(shè)備各軸及其部件故障特征頻率。

(8)計(jì)算故障的頻率貼近度。

(9)計(jì)算設(shè)備頻域診斷的故障程度。

采用本發(fā)明對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械的故障程度進(jìn)行計(jì)算，能準(zhǔn)確診斷設(shè)備故障，通過(guò)較簡(jiǎn)單的判據(jù)來(lái)判斷設(shè)備的狀態(tài)，用不同參數(shù)進(jìn)行診斷所計(jì)算出的故障程度，使得時(shí)域故障程度的計(jì)算更加科學(xué)，計(jì)算更加準(zhǔn)確。比較實(shí)際頻譜圖中前24個(gè)幅值最大的頻率分量與理論故障特診頻率，并計(jì)算其頻率貼近度，計(jì)算頻域故障程度。綜合設(shè)備多參數(shù)時(shí)域診斷和引入頻率貼近度的頻域診斷的結(jié)果，計(jì)算出設(shè)備故障的程度。這種故障程度的計(jì)算方法，增強(qiáng)了設(shè)備故障診斷的準(zhǔn)確性，提高了診斷的效率和精度。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明提供的旋轉(zhuǎn)機(jī)械的故障程度計(jì)算方法的技術(shù)方案，該方法的步驟如下：

(1)在設(shè)備轉(zhuǎn)子軸承截面布置X、Y、Z三個(gè)方向的位移傳感器，采集轉(zhuǎn)子振動(dòng)信號(hào)：X傳感器布置在徑向水平方向上，Y傳感器布置在徑垂直方向上，Z傳感器布置在軸向上，采用鍵相信號(hào)進(jìn)行同步跟蹤采樣；之所以要同時(shí)采集三個(gè)方向的振動(dòng)信號(hào)，主要是因?yàn)椴煌墓收项愋驮诓煌较虻谋憩F(xiàn)能力不同。比如動(dòng)平衡不良故障在徑向X、Y方向表現(xiàn)得比較明顯；基礎(chǔ)松動(dòng)在垂直徑向Y方向表現(xiàn)得比較明顯；對(duì)中不良故障在徑向表現(xiàn)比較明顯等等。所以同時(shí)采集三個(gè)方向的數(shù)據(jù)，比較三個(gè)數(shù)據(jù)，以較為嚴(yán)重的數(shù)據(jù)作為診斷和計(jì)算的對(duì)象。

(2)對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行零均值處理、抗混濾波、低通濾波，去掉噪聲信號(hào)；

做零均值處理非常重要，否則直流分量將影響FFT變換的結(jié)果，在0Hz產(chǎn)生很大的頻率分量。而抗混濾波、低通濾波都是為了使采集的信號(hào)更加有效，降低信號(hào)的混疊干擾。

(3)通過(guò)公式(1-1)～(1-12)計(jì)算振動(dòng)信號(hào)的平均絕對(duì)值、有效值、峰值、峰峰值，以及峰值指標(biāo)、峭度指標(biāo)、脈沖指標(biāo)。

在步驟(3)中：

單峰值計(jì)算的是將信號(hào)取絕對(duì)值，然后從中選取前最大的10個(gè)值再求平均得到；

峰-峰值計(jì)算是選取信號(hào)中正值最大的前十個(gè)值的平均值減去負(fù)值最小的前十個(gè)值的平均值得到；

設(shè)信號(hào)的概率密度函數(shù)為p(x)，某時(shí)刻信號(hào)的瞬時(shí)值為x，信號(hào)采樣離散后的某個(gè)瞬時(shí)值為x_i，采樣點(diǎn)數(shù)為n。

機(jī)械振動(dòng)信號(hào)分析中，單峰值(X_p或X_p-p)、峰-峰值(X_p-p)、平均值()、平均絕對(duì)值()、有效值即均方根值(X_rms)等是常用分析參量。有效值反映信號(hào)的能量大小，有效值診斷法多適用作穩(wěn)態(tài)振動(dòng)的情況；峰值用來(lái)觀察信號(hào)強(qiáng)度的變化很方便，當(dāng)機(jī)器振動(dòng)不平穩(wěn)、振動(dòng)響應(yīng)隨時(shí)間變化時(shí)，可用振幅一時(shí)間圖診斷法，該方法在研究旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備過(guò)渡過(guò)程(開(kāi)機(jī)和停機(jī))中是有效的，根據(jù)曲線的變化趨勢(shì)及狀態(tài)可判斷系統(tǒng)的狀態(tài)和故障。斜度α反映p(x)對(duì)于縱坐標(biāo)的不對(duì)稱性，越不對(duì)稱，α越大。體現(xiàn)在振動(dòng)信號(hào)中表現(xiàn)出幅值的分布情況，正偏離越大，說(shuō)明大信號(hào)有明顯增加。工程實(shí)踐中，隨著設(shè)備故障的發(fā)生和發(fā)展，其有量綱參數(shù)如：平均絕對(duì)值()、有效值X_rms、峭度β會(huì)逐漸增大。峭度β對(duì)大幅值信號(hào)非常敏感，當(dāng)大幅值信號(hào)概率增加時(shí)，則β將迅速增大，這有利判斷信號(hào)中是否含有沖擊類的故障。尤其對(duì)診斷滾動(dòng)軸承故障很有用，比如當(dāng)軸承內(nèi)外圈出現(xiàn)裂紋、滾珠軸承滾道剝落或滾動(dòng)元件出現(xiàn)破損等故障，將在時(shí)域波形中引起較大的脈沖。

平均絕對(duì)值值

其離散表達(dá)式：

有效值(均方根值)

其離散表達(dá)式：

斜度(歪度)

其離散表達(dá)式：

峭度

其離散表達(dá)式：

脈沖指標(biāo)：

峰值指標(biāo)：

峭度指標(biāo)：

或

由于計(jì)算機(jī)計(jì)算數(shù)值時(shí)需要將連續(xù)的模擬量轉(zhuǎn)化為具有間隔的離散的數(shù)值，所以上面(1-1)、(1-3)、(1-5)、(1-7)、(1-9)、(1-11)給出連續(xù)信號(hào)的表達(dá)式，(1-2)、(1-4)、(1-6)、(1-8)、(1-10)、(1-12)給出了離散信號(hào)的數(shù)學(xué)表達(dá)式。

(4)選取或設(shè)定設(shè)備診斷門(mén)限值

根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)(見(jiàn)表一)及設(shè)備情況設(shè)置設(shè)備有量綱參數(shù)的診斷門(mén)限值。根據(jù)設(shè)備功率大小及應(yīng)用需求，結(jié)合國(guó)際振動(dòng)烈度等級(jí)(有效值標(biāo)準(zhǔn))選擇表一中某一等級(jí)作為該設(shè)備的振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)。峰值、平均絕對(duì)值等有量綱參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)可以按來(lái)確定。無(wú)量綱參數(shù)的診斷門(mén)限值設(shè)置如下：脈沖指標(biāo)I_F0＝4，、峰值指標(biāo)C_F0＝4、峭度指標(biāo)K_u0＝4。

表一 IS02372國(guó)際振動(dòng)烈度標(biāo)準(zhǔn)

表二 振動(dòng)烈度等級(jí)(2Hz～1000Hz)

按照多年現(xiàn)場(chǎng)診斷的經(jīng)驗(yàn)，無(wú)量綱參數(shù)的診斷門(mén)限值設(shè)置如下：脈沖指標(biāo)I_F0＝4，、峰值指標(biāo)C_F0＝4、峭度指標(biāo)K_u0＝4。

(5)設(shè)峭度指標(biāo)、脈沖指標(biāo)、峰值指標(biāo)、有效值、峰值、平均絕對(duì)值等六個(gè)參數(shù)的故障程度分別用ρ_Ku、ρ_If、ρ_Cf、ρ_rms、ρ_p、ρ_av表示；設(shè)脈沖指標(biāo)、峰值指標(biāo)、峭度指標(biāo)、有效值、峰值、平均絕對(duì)值的門(mén)限值分別用I_F0、C_F0、K_u0、X_rms0、X_p0、表示。設(shè)脈沖指標(biāo)、峰值指標(biāo)、有效值、峰值、平均值的權(quán)重依次設(shè)為：η_Ku、η_If、η_Cf、η_rms、η_p、η_av。設(shè)有效值、峰值、平均絕對(duì)值等有量綱參數(shù)在與該分析數(shù)據(jù)具有相同比較條件的起始診斷時(shí)刻振動(dòng)數(shù)據(jù)的變化梯度算子，分別用Δ_rms、Δ_p、Δ_av表示。通過(guò)以下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：

式中X_rms為當(dāng)前被分析數(shù)據(jù)的有效值，X_rmsi為相同檢測(cè)條件下早期對(duì)比數(shù)據(jù)的有效值，X_rms0為門(mén)限值；T_X、T_i分別為當(dāng)前被分析數(shù)據(jù)的檢測(cè)時(shí)間和相同檢測(cè)條件的早期檢測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)間，單位為秒。例如T_i＝2015年1月1日0時(shí)0分0秒、T_X＝2015年1月2日0時(shí)0分0秒，則T_X-T_i＝86400。

同理，峰值和平均值的變化梯度算子為：

如果振動(dòng)的有量綱參數(shù)在某對(duì)比評(píng)價(jià)時(shí)間內(nèi)量值增加，則梯度算子大于1。如果量值減小則梯度算子小于1。該梯度算子的引入使得故障程度的計(jì)算不僅僅考慮當(dāng)前數(shù)據(jù)的狀態(tài)，同時(shí)考慮了與比較數(shù)據(jù)的相對(duì)關(guān)系，將幅值增大還是幅值減小的情況予以區(qū)別，并量化后引入到時(shí)域診斷的算式中。

則按各參數(shù)診斷的故障概率的計(jì)算方法如下：

峭度指標(biāo)故障概率：

脈沖指標(biāo)故障概率：

峰值指標(biāo)故障概率：

有效值故障概率：

峰值故障概率：

平均絕對(duì)值故障概率：

綜合各參數(shù)時(shí)域診斷的故障程度用ρ_A表示，則其表達(dá)式為：

ρ_A＝ρ_Ku+ρ_If+ρ_Cf+ρ_rms+ρ_p+ρ_ave (1-22)

由于給每種參數(shù)一定的診斷權(quán)重，各參數(shù)權(quán)重之和為100％，所以各參數(shù)的時(shí)域診斷中故障程度用“和”的關(guān)系來(lái)表示。

時(shí)域診斷中主要針對(duì)式(1-13)即作說(shuō)明。式中X_rms為當(dāng)前被分析數(shù)據(jù)的有效值，X_rmsi為相同檢測(cè)條件下早期對(duì)比數(shù)據(jù)的有效值，X_rms0為有效值的門(mén)限值有效值。T_X、T_i分別為當(dāng)前被分析數(shù)據(jù)的檢測(cè)時(shí)間和相同檢測(cè)條件的早期檢測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)間，單位為秒。例如T_i＝2015年1月1日0時(shí)0分0秒、T_X＝2015年1月2日0時(shí)0分0秒，則T_X-T_i＝86400，式中34560為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

也就是說(shuō)，如果一天內(nèi)則Δ_rms＝1+0.4＝1.4。

(6)采用FFT變換，計(jì)算信號(hào)的幅值譜和相位譜；由于采用了外觸發(fā)的跟蹤采樣方法，采集的數(shù)據(jù)有效性將提高，并且振動(dòng)信號(hào)的相位將可以被用于診斷分析。由于不采用觸發(fā)采樣而采集到的數(shù)據(jù)屬于隨機(jī)采樣數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)僅幅值譜等頻域量值有意義，而相位譜則沒(méi)有診斷參考的意義。另由于FFT變換屬于公開(kāi)的成熟技術(shù)，這里不再具體闡述。

(7)計(jì)算設(shè)備各軸及其部件故障特征頻率；一臺(tái)設(shè)備可能存在若干個(gè)軸，每個(gè)軸又可能有若干軸承、齒輪、葉輪等部件，這些部件各種故障的特征頻率都需要計(jì)算出來(lái)，包括軸類故障，如不平衡、不對(duì)中、松動(dòng)等故障類型。計(jì)算出這些故障作為理論故障頻率備查。旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備的故障特征頻率的計(jì)算依照如下表三、表四、表五所歸納的特征進(jìn)行計(jì)算。

表三：旋轉(zhuǎn)機(jī)械常見(jiàn)故障特征表(診斷規(guī)則)

表三中f_r為某軸的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率，即轉(zhuǎn)軸每秒鐘回轉(zhuǎn)的次數(shù)。

表四：滾動(dòng)軸承故障特征頻率表

表四中D----軸承節(jié)徑，d----滾動(dòng)體直徑，α----接觸角，z----滾動(dòng)體個(gè)數(shù)，f_r為軸承所在軸的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率。

表五 齒輪故障特征頻率表

表五中z_r表示內(nèi)齒圈齒數(shù)、z_s表示太陽(yáng)輪齒數(shù)、f_s表示太陽(yáng)輪轉(zhuǎn)頻、f_x為行星輪轉(zhuǎn)頻。

(8)計(jì)算故障的頻率貼近度

本發(fā)明提出了“頻率貼近度”的概念，它的含義是理論故障特征頻率與實(shí)際頻譜中典型頻率值之間的貼近程度，設(shè)為η_ff。我們給定它按下面的式子來(lái)計(jì)算：

式中η_ff為頻率貼近度，f_a為某故障的實(shí)際故障頻率，f_t為理論故障頻率。

(9)計(jì)算設(shè)備頻域診斷的故障程度

某種故障的嚴(yán)重程度計(jì)算一方面考慮故障特征頻率分量絕對(duì)量值得大小，另一方面考慮各頻率分量幅值之間的相對(duì)關(guān)系，綜合兩方面的因素，提出了基于頻域的故障診斷的故障程度的計(jì)算方法。設(shè)頻域診斷的故障程度用ρ_f表示。

式中A_max為最大頻率分量幅值，A_amax為故障頻率最高幅值，η_ff為頻率貼近度。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障程度計(jì)算方法，其特征在于：綜合時(shí)域診斷與頻域診斷的特點(diǎn)給出某種故障的故障程度ρ′_A的計(jì)算方法如下：

ρ′_A＝ρ_Aρ_f (1-25)

其中ρ_A和ρ_f分別見(jiàn)式(1-22)和(1-24)。