一种基于多状态多域分析的大型风机振动故障诊断方法

本发明涉及大型风机振动故障诊断技术，一种基于多状态多域分析的大型风机振动故障诊断方法。

背景技术：

1、大型风机属于典型的旋转机械设备，广泛应用于发电、石油化工及钢铁冶金等领域。大型风机通常包括电机、联轴器、风机转子、轴承及轴承支座等部件，各部件相互连接并形成耦合运行系统。运行过程中，轴承磨损、转子不平衡、联轴器不对中、电机转子偏心、转子刚度不对称以及系统共振等异常均可能引起振动增大。长期异常振动容易造成部件损坏或设备停机，影响生产连续性及运行安全。

2、现有旋转机械振动诊断通常根据振动信号中的特征阶次识别异常类型。例如，轴承内圈、外圈、保持架及滚动体故障分别具有与轴承几何参数和运行转速相关的特征阶次；转子质量分布不均匀产生的动不平衡通常表现为一阶振动；联轴器不对中通常伴随二阶及其谐阶次振动；电机转子偏心、转子刚度不对称等异常也可能产生二阶、四阶等特征振动。现有技术还可采用阶次分析、轴心轨迹分析、角度域分析及频响测试等方式，对振动阶次组成、轴系运动状态、振动方向及结构固有频率进行分析。

3、然而，在大型风机的实际运行过程中，异常振动通常并非由单一因素造成。不同异常可能产生相同或相近的阶次成分，同一异常也可能同时产生多个阶次成分；同时，电机侧产生的振动激励可经联轴器及相关连接部件向风机侧传递，并可能在激励频率接近某一部件固有频率时被进一步放大。因此，风机轴承支座处检测到的较大振动，既可能来源于风机侧自身异常，也可能来源于电机侧振动传递或者传递路径中部件的共振放大。

4、现有诊断方法多基于单一运行状态或者单类振动特征进行判断。仅依据阶次成分与故障类型之间的对应关系，难以区分相同阶次下的不同激励来源；仅依据轴心轨迹或角度域特征，难以确定振动激励的传递路径及共振放大部件；仅通过频响测试确定部件固有频率，也难以建立固有频率与实际运行阶次、激励来源之间的对应关系。特别是在联轴器不对中、电机转子刚度不对称及结构共振等因素共同存在时，现有方法难以准确区分激励源、振动传递路径和共振放大环节，进而影响整改方案的针对性。

5、因此，如何结合不同运行状态下的阶次特征、轴心轨迹和角度域特征，并关联联轴器对中状态、振动传递关系及各部件的频响特征，准确确定大型风机异常振动的激励来源、传递路径、共振放大部件及其相互关系，是现有大型风机振动诊断技术需要解决的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于多状态多域分析的大型风机振动故障诊断方法，以解决现有诊断方法在联轴器不对中、电机侧异常及结构共振等多重因素叠加时，仅依据单一运行状态或单类振动特征难以区分振动激励来源、确定振动传递关系及定位共振放大部件，进而导致故障诊断结果及整改方向针对性不足的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供一种基于多状态多域分析的大型风机振动故障诊断方法，包括：

3、在联轴器工作状态下，采集异常振动状态对应的第一转速信号和风机轴承支座两个正交方向的第一振动信号；

4、以所述第一转速信号表征的转频为基准，对所述第一振动信号进行阶次域处理，提取第一阶次特征及其对应的激励频率；根据两个正交方向的所述第一振动信号形成用于表征风机轴在所述风机轴承支座处轴心运动状态的第一轴心轨迹；将所述第一阶次特征、对应的激励频率和所述第一轴心轨迹相关联，形成第一状态特征；

5、对振动传递路径上的各部件进行频响测试，得到路径频响特征，并对联轴器进行对中检测，得到对中特征；

6、断开联轴器，使电机按照所述第一转速信号对应的转速空载运行，采集第二转速信号和电机轴承支座两个正交方向的第二振动信号；

7、以所述第二转速信号表征的转频为基准，对所述第二振动信号进行阶次域处理，提取第二阶次特征；根据两个正交方向的所述第二振动信号形成用于表征电机轴在所述电机轴承支座处轴心运动状态的第二轴心轨迹，并基于所述第二转速信号获取角度域特征；将所述第二阶次特征、所述第二轴心轨迹和所述角度域特征相关联，形成第二状态特征；

8、对所述第一状态特征、所述第二状态特征、所述路径频响特征和所述对中特征进行关联分析，确定联轴器不对中激励、电机侧独立阶次激励、共振放大部件及其对应关系，得到振动故障诊断结果。

9、作为上述技术方案的进一步改进，所述第一振动信号和所述第二振动信号均为振动加速度信号；在联轴器工作状态下，利用转速检测装置以及分别设置于风机轴承支座两个正交测量方向的振动检测装置进行同步采集，得到所述第一转速信号和所述第一振动信号；在电机空载运行状态下，利用转速检测装置以及分别设置于电机轴承支座两个正交测量方向的振动检测装置进行同步采集，得到所述第二转速信号和所述第二振动信号。

10、作为上述技术方案的进一步改进，所述异常振动状态的确定步骤包括：在联轴器工作状态下使风机执行升速或降速过程，利用风机轴承支座的振动监测传感器获取不同转速状态对应的振动速度，将所述振动速度超过预设安全生产限值的转速状态确定为所述异常振动状态；

11、所述第一阶次特征的确定步骤包括：依据所述第一转速信号，将所述第一振动信号由时域转换至以风机转频为基准的阶次域，得到第一阶次谱；对所述第一阶次谱进行阶次切片，比较各阶次的振动幅值，将对振动总量贡献最大的阶次确定为目标阶次，并根据所述目标阶次及其谐阶次的阶次值和振动幅值形成所述第一阶次特征；

12、按照下式计算所述目标阶次及其谐阶次对应的激励频率：

13、

14、其中，f为激励频率，t为所述异常振动状态对应的风机转速，n为以所述风机转频为基准的目标阶次或其谐阶次的阶次数。

15、作为上述技术方案的进一步改进，所述第一轴心轨迹的形成包括：分别以时间为积分变量，对两个正交方向的所述第一振动信号连续积分两次，得到风机轴承支座两个正交方向的第一振动位移序列；将同一采样时刻的两个第一振动位移值作为二维坐标分量，按照采样时间顺序形成第一轴心轨迹点集，得到用于表征风机轴在所述风机轴承支座处轴心运动状态的所述第一轴心轨迹；

16、所述第二轴心轨迹的形成包括：分别以时间为积分变量，对两个正交方向的所述第二振动信号连续积分两次，得到电机轴承支座两个正交方向的第二振动位移序列；将同一采样时刻的两个第二振动位移值作为二维坐标分量，按照采样时间顺序形成第二轴心轨迹点集，得到用于表征电机轴在所述电机轴承支座处轴心运动状态的所述第二轴心轨迹。

17、作为上述技术方案的进一步改进，所述对中特征的获取步骤包括：在联轴器的多个周向位置获取第一对中检测数据和第二对中检测数据，所述第一对中检测数据用于表征风机轴与电机轴之间的轴线相对位置，所述第二对中检测数据用于表征风机轴与电机轴之间的轴线相对夹角；基于所述第一对中检测数据和所述第二对中检测数据随周向位置的变化，分别确定水平不对中表征量和角度不对中表征量；将所述水平不对中表征量和所述角度不对中表征量分别与对应的预设安装限值进行比较，确定风机轴与电机轴之间的水平不对中状态和角度不对中状态，形成所述对中特征；

18、所述联轴器不对中激励的确定步骤包括：当所述第一阶次特征包括二阶及其谐阶次、所述第一轴心轨迹呈椭圆形，且所述对中特征表征风机轴与电机轴之间同时存在所述水平不对中状态和所述角度不对中状态时，将联轴器不对中确定为所述二阶及其谐阶次的激励源，并将所述二阶及其谐阶次对应的激励确定为所述联轴器不对中激励。

19、作为上述技术方案的进一步改进，所述路径频响特征的获取步骤包括：分别对振动传递路径上的多个待测部件施加冲击激励，并同步获取表征所述冲击激励的激励信号和对应待测部件的振动响应信号；基于各待测部件对应的激励信号和振动响应信号生成频率响应特征，根据所述频率响应特征确定各待测部件的固有频率，形成表征各待测部件与其固有频率对应关系的所述路径频响特征；

20、所述共振放大部件的确定步骤包括：将所述目标阶次及其谐阶次对应的各激励频率与各固有频率进行匹配，将频率差满足预设匹配条件的固有频率对应的待测部件确定为所述共振放大部件，并建立所述共振放大部件与对应激励频率之间的对应关系。

21、作为上述技术方案的进一步改进，所述第二状态特征的形成步骤包括：基于所述第二转速信号，对所述第二振动信号进行阶次域处理，得到所述第二阶次特征；依据所述第二转速信号确定电机的旋转角度，将所述第二振动信号与所述旋转角度相关联，得到表征振动幅值随旋转角度变化的所述角度域特征，并根据所述角度域特征中振动幅值峰值对应的旋转角度确定主振动方向；将所述第二阶次特征、所述角度域特征和所述第二轴心轨迹特征相关联，形成所述第二状态特征；

22、所述电机侧独立阶次激励的确定步骤包括：将所述第一阶次特征中的阶次成分与所述第二阶次特征中的阶次成分进行匹配，比较所述第一轴心轨迹特征与所述第二轴心轨迹特征表征的轴心轨迹形态，并比较所述主振动方向与所述第二轴心轨迹特征表征的长轴方向；当所述第二阶次特征中仍保留有与所述第一阶次特征相匹配的阶次成分、所述第一轴心轨迹特征与所述第二轴心轨迹特征表征的轴心轨迹形态一致，且所述主振动方向与所述第二轴心轨迹特征表征的长轴方向一致时，将所述相匹配的阶次成分对应的激励确定为所述电机侧独立阶次激励。

23、作为上述技术方案的进一步改进，还包括对电机振动与风机异常振动进行振动传递关联验证，所述振动传递关联验证包括：在联轴器工作状态下，使电机和风机共同运行至所述异常振动状态，同步获取风机轴承支座的风机侧振动信号和电机轴承支座的电机侧振动信号；基于所述异常振动状态对应的转速以及所述电机侧独立阶次激励所包括的各阶次成分，确定各阶次成分对应的激励频率；对所述风机侧振动信号和所述电机侧振动信号在各激励频率处进行相干分析，得到各激励频率对应的相干值；建立各阶次成分、对应的激励频率和相干值之间的对应关系，形成振动传递关联结果。

24、作为上述技术方案的进一步改进，所述振动故障诊断结果的生成包括：当所述电机侧独立阶次激励包括二阶及其谐阶次时，依据电机转子刚度不对称与二阶及其谐阶次振动之间的对应关系，将电机转子刚度不对称确定为所述电机侧独立阶次激励的产生因素；结合所述联轴器不对中激励、所述振动传递关联结果以及所述共振放大部件与对应激励频率之间的对应关系，确定联轴器不对中和电机转子刚度不对称产生的二阶及其谐阶次激励作用于所述共振放大部件并引发共振，得到所述振动故障诊断结果。

25、作为上述技术方案的进一步改进，所述方法还包括：根据所述振动故障诊断结果，将电机转子刚度对称性调整、联轴器对中调整以及所述共振放大部件的固有频率调整确定为候选整改方案。

26、与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

27、（1）本发明分别获取联轴器工作状态下的第一状态特征和断开联轴器后电机空载状态下的第二状态特征，并使电机空载转速与异常振动状态对应转速相匹配，能够通过运行状态的改变区分耦合运行条件下的振动响应与电机侧仍然存在的独立阶次激励，降低仅依据单一运行状态判断激励来源所产生的误判。

28、（2）本发明将阶次特征、激励频率、轴心轨迹及角度域特征进行关联。阶次特征用于表征振动的阶次组成，轴心轨迹用于表征轴心运动形态及方向，角度域特征用于确定主振动方向，由此能够从频率组成、轨迹形态和空间方向三个方面对振动激励进行交叉验证，提高联轴器不对中激励和电机侧独立阶次激励的识别可靠性。

29、（3）本发明将目标阶次及其谐阶次对应的激励频率与振动传递路径上各部件的固有频率进行匹配，并利用风机侧振动信号与电机侧振动信号的相干分析结果验证振动传递关系，从而形成“激励源—振动传递—共振放大部件”的关联诊断链路，不仅能够识别异常振动的产生因素，还能够确定振动在传递过程中被放大的具体部件及对应频率。

30、（4）本发明根据电机转子刚度不对称、联轴器不对中及共振放大部件与异常振动之间的对应关系，分别形成电机转子刚度对称性调整、联轴器对中调整和共振放大部件固有频率调整等候选整改方案，使整改措施能够分别作用于激励源和共振放大环节，提高大型风机异常振动整改方案的针对性。