基于Vold-Kalman跟踪滤波的旋转机械阶比分析方法研究

论文摘要

阶比分析技术是旋转机械振动信号分析和故障诊断的一项重要技术。当前主要采用等角度重采样加FFT方法进行阶比跟踪,但这种方法只能得到阶比谱图和跟踪阶比谱图,不能得到阶比的时域提取。另外,旋转机械由多个转动部件组成,不同转轴对应的阶比在频率上会有交叉。而传统的阶比跟踪方法只能参考一个基准频率,提取的阶比分量波形会受到交叉阶比的干扰,从而产生失真,基于Vold-Kalman跟踪滤波的阶比跟踪技术能够很好地解决这两个问题。本文基于Vold-Kalman跟踪滤波方法,研究了转速曲线的计算方法,阶比分量的提取,最后进行了阶比分析系统的研发,对于旋转机械特征分析有着非常重要的意义。转速计算是阶比分析的关键技术之一,也是实现Vold-Kalman阶比跟踪的必要条件,对转速的计算按有无转速计两种情况进行了研究。对于有转速脉冲信号的情况,实现了基于一阶数字微分和最小二乘五点三次平滑方法的转速曲线计算方法。这种方法不仅大大减小了计算量和计算复杂程度,还减少或消除了转速误差和缺陷。对于没有转速脉冲信号而只有振动信号的情况下,提出了基于能量重心法IFE的转速曲线计算方法。该方法与基于STFT峰值搜索的瞬时频率估计方法相比,由于对信号进行了整周期采样处理,使得频率分辨率能够自适应的变化,能量重心校正法的引入可以对误差进行修正,提高了分析精度,并减小了各相邻谱线之间的干扰。基于Vold-Kalman跟踪滤波方法,实现了阶比分量的时域提取。该方法能够从时域中直接分离各阶比,且不产生相位偏移。采用预处理共轭梯度法求解多轴阶比,实现了邻近和交叉阶比分量的解耦提取。提出了一种无转速计的旋转机械Vold-Kalman阶比跟踪方法,与需要转速计的经典Vold-Kalman阶比跟踪方法相比,该方法无需鉴相装置,完全用软件方式实现,是对现有方法的补充。最后,以VC++为开发平台,研发了基于Vold-Kalman阶比跟踪技术的旋转机械阶比分析系统。其主要功能包括:转速曲线、阶比重采样、幅值谱分析、阶比谱分析、STFT时频分析、Vold-Kalman跟踪滤波等功能。系统界面友好,操作方便,实验验证结果表明该系统可以有效地提取和分析旋转机械非平稳振动信号的特征信息。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 课题来源
• 1.2 国内外阶比分析技术的研究现状
• 1.2.1 阶比分析的提出
• 1.2.2 国内外阶比分析技术研究现状
• 1.3 课题的提出和研究意义
• 1.4 本文的研究目的和主要研究内容
• 1.4.1 研究目的
• 1.4.2 主要研究内容
• 2 基于转速脉冲信号计算转速曲线的阶比跟踪技术
• 2.1 转速测量的主要方法
• 2.2 基于一阶数字微分和最小二乘五点三次平滑法的转速计算原理
• 2.2.1 插值型求导公式求解一阶数字微分
• 2.2.2 一阶数字微分计算转速的算法原理
• 2.2.3 转速曲线平滑方法
• 2.3 阶比重采样及实现方法
• 2.3.1 等角度重采样时刻计算
• 2.3.2 阶比重采样
• 2.4 阶比分析中的谱分析
• 2.4.1 阶比谱分析
• 2.4.2 STFT 时频谱分析及其算法实现
• 2.5 实例分析
• 2.6 本章小结
• 3 无转速计的转速曲线算法研究
• 3.1 瞬时频率及其估计方法
• 3.1.1 瞬时频率
• 3.1.2 瞬时频率估计方法
• 3.1.3 基于STFT 的瞬时频率估计
• 3.2 能量重心离散频谱校正法
• 3.2.1 Hanning 窗函数的能量特性
• 3.2.2 离散频谱能量重心法校正原理
• 3.2.3 基于能量重心法的瞬时频率估计（IFE）的原理及其算法实现
• 3.3 仿真与实验分析
• 3.3.1 仿真分析
• 3.3.2 实验分析与结果
• 3.4 本章小结
• 4 基于 Vold-Kalman 跟踪滤波的阶比分量提取技术的研究
• 4.1 Vold-Kalman 跟踪滤波
• 4.1.1 第一代Vold-Kalman 跟踪滤波
• 4.1.2 第二代Vold-Kalman 跟踪滤波
• 4.2 基于第二代Vold-Kalman 跟踪滤波器的阶比分量求解方法研究
• 4.2.1 单轴阶比的求解方法
• 4.2.2 多轴阶比的求解方法
• 4.2.3 预处理共轭梯度法
• 4.3 仿真实验验证
• 4.3.1 单轴阶比仿真实验
• 4.3.2 交叉阶比仿真实验
• 4.4 Vold-Kalman 滤波器参数
• 4.4.1 加权因子r 和滤波器带宽
• 4.4.2 Vold-Kalman 滤波器带宽选择
• 4.5 基于无转速计的旋转机械Vold-Kalman 阶比跟踪研究
• 4.5.1 仿真分析
• 4.5.2 实验分析与结果
• 4.6 本章小结
• 5 旋转机械阶比分析系统的开发
• 5.1 系统总体设计
• 5.2 硬件的选型与设计
• 5.3 系统软件设计
• 5.3.1 系统界面设计
• 5.3.2 程序控制模块
• 5.3.3 数据输入模块
• 5.3.4 参数设置模块
• 5.3.5 阶比分析模块
• 5.3.6 数据显示模块
• 5.4 旋转机械阶比分析系统的实验验证
• 5.5 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 后续研究工作的展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录
• B. 作者在攻读学位期间参与的科研项目