计算阶比跟踪技术及其在振动监测中的应用

汪 江， 张 辉， 田万军， 陈 悦， 庞 靖

(中国大唐集团科学技术研究院有限公司 华东分公司， 安徽 合肥 230031)

计算阶比跟踪技术及其在振动监测中的应用

汪 江， 张 辉， 田万军， 陈 悦， 庞 靖

(中国大唐集团科学技术研究院有限公司 华东分公司， 安徽 合肥 230031)

傅里叶变换在分析旋转机械升、降速等非稳态振动信号时会产生频谱泄露，导致频谱模糊，阶比分析能够有效解决这一问题，文章比较了计算阶比跟踪与硬件阶比跟踪技术的各自优缺点，通过Matlab仿真示例演示了计算阶比跟踪技术的明显优势，并设计开发了汽轮发电机组振动在线监测系统。

傅里叶变换；阶比分析；计算阶比跟踪技术；振动监测系统

0 前言

傅里叶变换是旋转机械振动信号频域分析的基础，但是对于非稳态信号，直接采用傅里叶变换会引起“频谱模糊”。计算阶比跟踪技术是一种新的振动信号采集和分析方法，可以有效解决旋转机械升速、降速等非稳态情况下振动信号分析，减少频谱泄露。应用这一技术，本文设计开发旋转机械振动监测系统，应用于发电厂汽轮发电机组振动在线监测与故障诊断，取得了很好的效果，具有非常广阔的应该前景。

1 旋转机械阶比分析

傅里叶变换是一种有效的信号分析方法，是振动信号频域分析的基础。但傅里叶变换仅仅适用于稳态振动信号分析，对于升降速等变速瞬态信号，直接使用傅里叶变换会导致产生频谱泄露，产生频谱模糊现象。

旋转机械振动具有以下的特点：(1)大多数旋转机械转速是波动的，其主要频率成分受转速波动的影响，设备振动基频信息是与实时转速相对应的；(2)旋转机械振动基频及其倍频或者分数倍频中蕴含着丰富的故障信息，通过对这类信息的解读，可以有效分析旋转机械设备上存在的问题，便于对设备故障进行维修处理。

因此，对于旋转机械振动分析，传统的傅立叶变换已经无法满足需要了。为了解决这些问题，更好地对旋转机械的非平稳信号进行分析，揭示其频谱特征，尤其是其频率随时间变化的规律，提出了阶比分析技术。

阶比分析技术是在复杂振动信号中提取与转速信号(基频)相关的信息，从调制的复杂信号中提取各谐波成分，抑制与测量目标无关的噪声或者不关心的频率成分。阶比分析技术的关键在于实现非平稳信号的阶比跟踪采样，简单地说就是：旋转机械每转动一周，在转子上均匀的采集若干个样本点，每两个连续采样点之间的角度严格相等，即等角度采样。由于转速本身是变化的，这就要求采样频率要根据转速做相应的变化，对信号采集分析提出了一定要求。

2 计算阶比跟踪技术

目前主要有2种阶比跟踪采样方法：硬件阶比跟踪技术和计算阶比跟踪技术(computed order tracking)。[1]

硬件阶比跟踪技术直接通过模拟设备来实现振动信号的等角度采样，模拟设备包括锁相环、倍频电路和跟踪滤波器(抗混叠滤波器)。由锁相环产生触发脉冲，倍频电路产生一个与其成比例的倍频信号来控制采样速率和模拟跟踪滤波器的截止频率，从而保证了振动信号的等角度间隔采样。

硬件阶比跟踪存在的问题是：(1)采样频率需要根据上一周旋转机械的实际转速(转频)来进行估计，因此存在一定误差；(2)需要采用截止频率随转速不断变化的抗混叠滤波器，结构复杂，设备成本昂贵。

计算阶比跟踪技术是近些年随着计算机和数字信号处理技术的发展出现的，一种利用数字滤波、重采样技术实现的阶比跟踪方法。计算阶比跟踪通过同步采集旋转机械振动信号和转速脉冲信号，借助于信号重采样和数字滤波技术，通过每转内插入阶比重采样时刻来实现振动时域信号的角域等角度采样。

计算阶比跟踪技术是一种软件跟踪技术，其优点是结构简单、成本低，不需要添加任何硬件，并且能够对瞬时转动频率做出准确的计算，实现精确的同步阶比采样。

计算阶比跟踪技术的具体流程如图1所示。[2,3]

具体步骤是：

(1)采用较高固定采样频率连续同步采集旋转机械振动信号和转速键相脉冲信号；其固定采样频率通常是1.5倍或2倍最大转速频率×阶比数M。

(2)根据人为设置的阈值(或自动计算得到)识别键相脉冲信号上升沿和下降沿的到达时间，计算每两个脉冲间的时间差，从而确定旋转机械实时转速和瞬时频率。

(3)采用插值滤波器，对两个键相脉冲时间进行N(=2×M)倍插值滤波，得到与振动均角信号对应的时间序列。

(4)由旋转机械瞬时频率和所述时间序列，对振动信号进行数字抗混叠滤波，由插值重采样算法得到对应时间序列的振动等角度采样信号(角域波形)。

(5)对等角度采样信号进行傅里叶变换(FFT)得到旋转机械振动阶比谱，对等角度采样信号进行恒带宽滤波或者Gabor变换，得到连续的各阶谐波波形。

3 仿真示例

本文采用Matlab语言生成一段仿真振动信号，信号由3部分合成：一个幅值为1mm/s，频率由1Hz随时间线性变化至10Hz的振动时域信号(基频)；一个幅值为0.25mm/s，频率由0.5Hz随时间线性变化至5Hz的振动时域信号(二分之一倍频)；一个幅值为0.55mm/s，频率由2Hz随时间线性变化至20Hz的振动时域信号(二倍频)，信号时长为16秒。同时生成一个用于键相参考的键相脉冲信号。

直接对仿真的振动时域信号进行FFT变换，得到振动信号频谱图如图3。

图3可以看出，频谱发生了泄露，由这张图根本无法判断原始信号频率成分。

图4是采用计算阶比跟踪技术后，对得到的等角度角域振动波形进行FFT变换后得到的阶比谱，可以很清晰地看出，振动信号中包含幅值为1的基频、幅值为0.25的二分之一倍频及幅值为0.55的二倍频频率成分。

仿真示例证明了计算阶比跟踪技术在对非稳态振动信号处理上的明显优势。

4 应用研究

本文在此基础上，采用计算阶比跟踪技术，完成了旋转机械振动计算阶比跟踪算法编制，设计开发了汽轮发电机组振动在线监测系统。

系统采用B/S结构模式[4]，由现场振动数据采集器、服务器和客户端组成[5，6]。现场采集器实时采集汽轮发电机组键相信号和振动信号，分析计算得到各轴承的振动特征数据和动态波形及频谱数据，经以太网传输至服务器保存，电厂专业技术人员在客户端可以通过浏览器对机组振动数据进行分析和故障诊断。

现场采集端采用C++开发，采用计算阶比跟踪技术对实时采集的数据进行分析计算，采集端程序运行界面如图5所示。

服务器端和客户端采用Java进行开发，服务器采用Servlet，客户端采用Applet动态网页技术，Web服务器使用Apache Tomcat，数据库采用MySql。

图6-10为开发的汽轮发电机组振动远程在线监测系统的部分分析图谱和监测页面。

[1] K.R.Fyfe, E.D.S.Munck. Analysis of Computed Order Tracking[J]. Mechanical Systems and Signal Processing, 1997.

[2] 汪江,杜晓峰,田万军,等，一种实现旋转机械振动信号同步阶比跟踪分析的方法:中国，201310076093.1[P]，2013-03-11.

[3] 汪江,杜晓峰,田万军,等.一种实现旋转机械振动信号同步阶比跟踪分析的装置:中国，201320108725.3[P], 2013-03-11.

[4] Java SE Application Design With MVC[EB/OL]. [2007-03]. http://st-www.cs.illinois.edu/ users/smarch/ st-docs/ mvc.html.

[5] 汪江, 杜晓峰, 田万军, 等. 500kV淮蚌线淮河大跨越输电塔振动测试与模态识别[J]. 中国电力, 2009, 42(2): 30-33.

[6] 汪江, 王青华, 陆颂元. 基于Internet的大型发电机组远程状态监测与故障诊断技术的若干问题[J]. 汽轮机技术, 2004, 46(1): 1- 4.

[责任编辑：程蓓]

Computed Order Tracking and Its Application in Rotating Machinery Vibration Monitoring

WANGJiang,ZHANGHui,TIANWan-jun,CHENYue,PANGJing

(ChinaDatangCorporationScienceandTechnologyResearchInstituteCo.,Ltd.EasternChinaBranch,Hefei230031,China)

Spectrum leakage can be found when using Fourier transform for unsteady vibration signal, which is acquired from rotating machinery during speed-up or speed-down. Order analysis is a technology which can avoid the occurrence of spectrum leakage. The article compares a computed order tracking technology (COT) with the traditional order tracking one which bases on hardware, and reveals the advantage of COT by using a Matlab simulated example. A steam turbine generator unit vibration monitoring system is developed using COT in the last.

Fourier transform; order analysis; computed order tracking technology; vibration monitoring system

2015- 06-10

汪 江(1975-)，男，安徽安庆人，高级工程师，工学博士，从事旋转机械振动、故障诊断，振动检测技术及在线监测系统开发研究。

TP391.9

A

1672-9706(2015)03- 0098- 06