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专利名称：一种用于机械转子单截面轴振分析的短时幅值频谱阵列的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于机械转子单截面轴振分析的短时幅值频谱阵列。
以滑动轴承为转子支承件的大型旋转机械，如大型电机、离心式压縮机等，它们的运行 状态的分析评估，所依靠的最基本工具就是转轴振动位移信号的频谱，因为转轴振动位移信 号频谱能把转轴振动按频率做分解——分解为一组对应不同频率的轴振分量展现给用户。
通常，在旋转机械的一个支承截面位置，安装两个互相垂直的指向转轴中心的振动位移 传感器，称为X传感器和Y传感器，以获取该截面上的转轴振动位移信号，例图见附图2和 附图3。所谓X传感器指，从观察转子为逆时针旋向的一端看过去，转子表面(与例图中水 平方向相交的质点)首先逆时针转过的那个传感器即为X传感器。不妨，将从该截面X传感 器和Y传感器同时采集的两方向振动位移信号序列，分别称为x信号序列和y信号序列，以 下有时简称;c信号和y信号。
有了同时拾取的转轴一个截面上的:c和少两信号序列，就可以把它们按一定的方式变换 到频域，制作转轴的振动频谱。其中，幅值频谱，有时简称幅值谱或幅频谱，是最常用的一 类振动频谱。相应地，用于观察信号在观测时段内是否平稳的短时幅值频谱阵列也是最常用 的一种转轴振动短时分析方法。
背景技术：
对同时拾取的转轴一个截面上的x和；/两信号序列， 一种常见的短时幅值频谱阵列获取 形式是读取x信号序列(或y信号序列)，按一定的时延D和短时窗长L，依次分割出一组 短时信号序列，对每一个短时信号序列进行快速离散傅立叶变换、求取各自的傅立叶级数， 再将各傅立叶级数的幅值频谱沿时间轴按短时信号序列的截取时间次序排列，则构成了一个
短时幅值频谱阵列。这种短时幅值频谱阵列的缺点是(1)短时幅值频谱阵列只能反映一个 方向上转轴振动的平稳性；(2)这种由单方向信号制作的短时幅值频谱阵列，谱图上的任一 幅值不能反映所在频率和时间点上轴振分量的最大值(即轴振幅值)；(3)两互相垂直的传感 器在截面上的安装方位有变化(如由图2变为图3)时，即使转子运行的平稳性不变，短时
幅值频谱阵列也会表现出差异，这不便于建立短时幅值频谱阵列的特征与机器状态间的关系。 对同时拾取的转轴一个截面上的x和y两信号序列，另一种短时幅值频谱阵列的获取形
式是构造复位移信号序列z-x + ^，按一定的时延D和短时窗长L，依次从复序列z中分
割出一组短时复信号序列，对每组短时复信号序列进行快速离散傅立叶变换、求取各自的傅 立叶级数，再将傅立叶级数的幅值频谱沿时间轴按各短时复信号序列的截取时间次序排列，则构成了一个短时幅值频谱阵列，不妨称为短时复谱阵列。短时复谱阵列，为x和y两信号 序列信息融合的结果，因而，其不会受X和Y两垂直传感器安装方位变化的影响，对建立短 时幅值频谱阵列的特点与机器运行平稳性的关系提供了方便。但是，缺点是(1)短时复谱 阵列是一个双边谱，负频率成分不易理解；(2)每个短时频率分量被分解成了正反两个进动 分量，它们的幅值是抽象数学运算的结果，不代表该频率下转轴振动分量振幅的实际大小。 (参考文献屈梁生著，机械故障的全息诊断原理，科学出版社，2007年7月)。

发明内容
要解决的技术问题。由单方向位移信号制作的短时幅值频谱阵列，由两方向位移信号制 作的短时复谱阵列，都不能反映转轴各频率振动分量幅值的实际大小。单方向的短时幅值频 谱阵列的谱特征还受到两互相垂直的X传感器和Y传感器在安装截面上的安装方位变化的影 响。短时复谱阵列的负频率成分难以理解，影响其使用。
技术方案。
一种用于机械转子单截面轴振分析的短时幅值频谱阵列，它的制作由下面的步骤组成 (l)读取同步采集的来自转轴一截面两垂直方向的x和;;信号序列；(2)按一定的时延D和 短时窗长L，依次对Jc和y信号序列分别进行分割，分割出各自的一组短时信号序列，分割 方法见附图4; (3)对每一对时跨相同的两方向短时信号序列分别进行快速离散傅立叶变换； (4)基于每一对快速傅立叶变换的结果，求取相应的一对傅立叶级数；(5)对每一对求取的 傅立叶级数，将其每个频率下的两方向谐波分量合成——合成结果为一个轴心轨迹椭圆，如 附图6所示；(6)对每一对时跨相同的两短时信号序列，计算其各频率分量所合成轴心轨迹 椭圆的长半轴的大�。�即各频率下轴振幅值的大�。�(7)对每一对时跨相同的两短时信号序 列，以频率或其阶次为横轴，以轴振幅值为纵轴，得到该时跨段内的短时幅值频谱，如附图 7; (8)将各时跨段的短时幅值频谱沿时间轴按短时信号序列截取的时间次序排列，则得到短
时幅值频谱阵列，如附图8所示。频率阶次指频率值除以某一参考频率而获得的相对频率值，
无量纲。整个短时幅值频谱阵列的制作流程见附图1所示。
设从x信号序列、y信号序列分割出的时跨相同的一对短时信号序列，其傅立叶级数分 解得到的w,(即2;r/;)频率分量分别为
= 4c cos(叫+ A)
则此两分量合成的轴心轨迹椭圆长半轴计算如下<formula>formula see original document page 5</formula>
此6V下的o/(0则为椭圆长半轴或短半轴的平方，再计算转过卯度后的椭圆的半径的平方， 即x, (f) = 4 cos( ,/ + & + ;r / 2)和乂 0)=」y cos(w,/ + % + ;r /2)对应的o,")的平方，通过比较，
可最终确定该椭圆的长半轴，即该分量轴振幅值大小。
本发明——用于转子单截面轴振分析的短时幅值频谱阵列，它的制作所基于的规律是 一个周期性振动信号序列，可以进行傅立叶级数分解，分解为若干个单频率振动谐波分量； 来自同一轴截面的两垂直方向的同频率单频谐波分量，合成后是一个椭圆，此椭圆有该频率 轴振分量振动轨迹的物理含义，相应地，其椭圆长半轴也代表了该频率轴振分量的轴振幅值； 将一系列短时序列的轴振幅值频谱沿时间轴按时间先后次序排列，可显示转轴振动组成分量 的平稳性。
有益效果。
由单方向位移信号制作的短时幅值频谱阵列，由两方向位移信号制作的短时复谱阵列，
都不能反映转轴各频率振动分量幅值的实际大小。单方向的短时幅值频谱阵列的谱特征还受 到两互相垂直的X传感器和Y传感器在安装截面上的安装方位变化的影响。短时复谱阵列的 负频率成分难以理解，影响其使用。
本发明——用于转子单截面轴振分析的短时幅值频谱阵列，谱图形状不受X传感器和Y 传感器在安装截面上的安装方位变化的影响，特别是，其幅值代表了各频率轴振分量幅值的 实际大�。�有实际意义，谱图也没有负频率成分，便于使用者直观地分析和建立短时幅值频 谱阵列的特征与机器运行状态间的关系。


附图l，本发明短时幅值频谱阵列的制作流程。 附图2， 一截面X、 Y位移传感器安装方位示意图1。 附图3， 一截面X、 Y位移传感器安装方位示意图2。
附图4，从x和y信号截取短时信号序列的方法示意图。附图5， 一对短时信号序列傅立叶级数的幅值频谱。
附图6， 一对两方向单频率谐波分量合成的椭圆示意图。
附图7， 一对短时信号序列傅立叶级数合成的短时幅值频谱。 附图8，各短时幅值频谱沿时间轴排列成的短时幅值频谱阵列。
具体实施方式
(实施例)
从某转子一支承截面实测振动位移信号，X、 Y两传感器的布置方位如附图3所示。同 步采集来自X、 Y位移传感器的转子振动位移信号，即x信号和y信号，采样率均为2kHz， 采样点数均为1024点。
具体实施方式
如下-
(1) 读取一组同步采集的来自转子单截面X、 Y传感器的转子振动位移信号，即x信号 和y信号，采样率2kHz，采样点数1024点。
(2) 取时延D为4个采样间隔，短时窗长L为128个采样间隔，按此时延D和短时窗长 L，依次对x和;H言号序列分别进行分割，分割出各自的一组短时信号序列；选取的 时延D和短时窗长L在实际中可以根据需要调整；时延D选得越�。�分割的短时序
列越多，即短时谱数越多，但计算量增大；窗长L选得越小，时域分辨率越大，但 频域分辨率减小。
(3) 对每一对时跨相同的两方向短时信号序列分别进行快速离散傅立叶变换，所得结果 均为L点复序列(这里为128点序列)。
(4) 基于每一对快速傅立叶变换的结果，求取相应的一对傅立叶级数，获取由小到大共 L/2个谐波分量的参数(这里为64个谐波分量)。其幅值谱见幅图5。
(5) 对每一对求取的傅立叶级数，将其每个频率下的两方向谐波分量合成，得到该频率 下的一个轴心轨迹椭圆，如附图6所示，——所有频率下的两谐波分量合成一组椭 圆，共L/2个椭圆(这里为64个椭圆)。附图6为附图5虚线指示的两分量合成的椭 圆。
(6) 对每一对时跨相同的两短时信号序列，计算各频率分量所合成椭圆的长半轴的大�。� 即各频率下轴振幅值的大�。�共L/2个(这里为64个)。
(7) 对每一对时跨相同的两短时信号序列，以频率或其阶次为横轴，以轴振幅值为纵轴， 得到该短时跨段内的短时幅值频谱，如附图7所示。
(8) 将各时跨段的短时幅值频谱沿时间轴按短时序列截取的时间次序排列，则得到本发 明短时幅值频谱阵列，如附图8所示，其中，0,2,4,6,8,10为频率阶次(参考频率为 135.432Hz)，无量纲，0.3,0.4等为时间，单位为秒。
权利要求
1、一种用于机械转子单截面轴振分析的短时幅值频谱阵列，其特征是，它的制作由下面的步骤组成(1)读取同步采集的来自转轴一截面两垂直方向的x和y信号序列；(2)按一定的时延D和短时窗长L，依次对x和y信号序列分别进行分割，分割出各自的一组短时信号序列；(3)对每一对时跨相同的两方向短时信号序列分别进行快速离散傅立叶变换；(4)基于每一对快速傅立叶变换的结果，求取相应的一对傅立叶级数；(5)对每一对求取的傅立叶级数，将其每个频率下的两方向谐波分量合成——合成结果为一个轴心轨迹椭圆；(6)对每一对时跨相同的两短时信号序列，计算各频率分量所合成椭圆的长半轴的大�。�即各频率下轴振幅值的大�。�(7)对每一对时跨相同的两短时信号序列，以频率或其阶次为横轴，以轴振幅值为纵轴，得到该时跨段内的短时幅值频谱；(8)将各时跨段的短时幅值频谱沿时间轴按其短时序列截取的时间次序排列，得到短时幅值频谱阵列。
全文摘要
一种用于机械转子单截面轴振分析的短时幅值频谱阵列，其制作步骤为(1)读取同步采集的转轴一截面两垂直方向x和y信号；(2)依次对x和y信号序列分别进行分割截�。�截出各自的一组短时信号；(3)对每一对两方向短时信号分别进行快速傅立叶变换；(4)分别求取它们的傅立叶级数；(5)对求取的每对傅立叶级数，将其每个频率下的两方向谐波分量合成为一个椭圆；(6)计算各频率分量所合成椭圆的长半轴的大�。�即各频率下轴振分量幅值的大�。�(7)对每一对两短时信号，以频率或其阶次为横轴，以轴振幅值为纵轴，得到该时跨段内的短时幅值频谱；(8)将各时跨段的短时幅值频谱沿时间轴依次排列，则得到短时幅值频谱阵列。
文档编号G01H17/00GK101451882SQ20081024343
公开日2009年6月10日 申请日期2008年12月24日 优先权日2008年12月24日
发明者刘红星, 莹 肇, 威 郑 申请人:南京大学