一种往复运动机械振动信号相位对齐方法和系统

本发明涉及非平稳信号处理、机电装备振动分析与智能状态感知的交叉，具体涉及一种基于包络匹配的往复运动机械振动信号相位对齐方法和系统。所述方法和系统适用于混合动力系统、发电机、压缩机、柱塞泵、精密偶件及其他往复、旋转复合运动装备的运行状态分析、工作过程分析、健康状态监测及故障诊断定位。

背景技术：

1、振动信号分析是机电装备运行状态监测、性能评估以及故障诊断的重要技术手段。对于活塞式发电机、往复式压缩机、柱塞泵以及其他具有周期性运动特征的往复-旋转运动机械，其工作过程中产生的振动响应包含了丰富的机构运动与载荷变化信息。通过分析振动信号中的周期特征和冲击特征，可以实现机电装备运行状态识别、健康状态监测以及故障诊断定位等目标。

2、对于往复-旋转周期运动机械，仅靠振动信号的幅值信息难以准确反映装备运行状态。例如曲柄连杆机构气门启闭、活塞换向以及机械碰撞等机械事件均发生在特定的工作相位，若缺乏相位信息，振动特征无法与具体机械事件建立对应关系，且不同工作循环间无法进行同相位比较，严重制约了振动信号的分析深度。因此，构建振动信号与机电装备工作循环的相位对应关系至关重要。

3、然而，此类机械的振动特征与特定的工作相位紧密相关。例如，曲柄连杆机构的气门启闭、活塞换向及机械碰撞等事件均发生在特定的曲轴转角位置。若缺乏相位信息，振动特征无法与具体机械事件建立对应关系，且不同工作循环间无法进行同相位比较，严重制约了振动信号的分析深度。

4、cn120609444a提供一种信号获取方法、装置、设备和存储介质。基于第一气缸的缸盖在角域下双周期的第一振动信号的包络曲线，以及往复式机械标准的第一配气相位表，确定往复式机械的多个冲击的第一包络能量；基于包络曲线和相对于第一配气相位表滞后目标角度的第二配气相位表，确定该多个冲击的第二包络能量；基于第一总能量和第二总能量之间的大小关系，确定跑相位现象的发生情况，第一总能量为各第一包络能量之和，第二总能量为各第二包络能量之和；基于该发生情况，从第一振动信号中截取单周期的第二振动信号。由此，能获取到准确的缸盖角域整周期信号。该专利虽然涉及相对位正，但其严重依赖键相传感器和预设的配气相位表。该方法增加了硬件部署、安装调试及后期维护的成本与工作量，且对于现代高集成度设备，其ecu依赖正时信号进行喷油、点火控制。外接测试引线可能干扰ecu信号稳定性。为解决上述问题，业界提出了无转角传感器的相位对齐方法，但仍存在以下不足：

5、基于图像的角域分割法：需将信号转换为图像，通过相似性搜索确定周期，再结合冲击识别和热力学模型计算相位偏移。该方法对冲击特征的清晰度依赖极高，鲁棒性差；

6、时域信号法：需同步采集加速度、速度、位移及缸压等多维信号，对传感器配置要求苛刻，硬件成本高昂；

7、深度学习方法：需大量标注数据进行预训练，且跨机型、跨测点的泛化能力弱，模型迁移与部署成本高。

8、综上，亟需一种轻量化、低成本、强鲁棒性且无需额外正时硬件的相位对齐方法。

技术实现思路

1、本发明在于解决现有技术的缺陷，提供一种往复运动机械振动信号相位对齐方法和系统。所述相位对齐方法仅利用振动信号本身进行相位识别，无需依赖双通道融合或复杂的矢量模运算。

2、本发明第一个方面在于提供一种往复运动机械振动信号相位对齐方法，包括：

3、步骤一：在具备正时参考信号的条件下，在往复运动机械的多个预设测点同步采集振动信号及曲轴转角信号；其中，所述往复运动机械运行于至少一组稳态工况下；

4、步骤二：选取步骤一中采集的一组稳定工况下的连续振动信号进行带通滤波，利用所述曲轴转角信号识别工作循环边界，截取各循环的周期片段；以特定机械事件的动作相位为零相位基准，根据正时参考信号的安装相位偏差对所述周期片段进行相位修正；基于预设的角度分辨率对修正后的周期片段进行重采样，提取各相位点的包络幅值以生成单周期包络序列，并对所有完整工作循环的所述单周期包络序列进行平均化处理，得到参考包络；

5、步骤三：在不具备正时参考信号的工况下，在待测往复运动机械的预设测点处，采用与步骤一相同型号的采集设备同步采集待对齐的振动数据；实时接收无正时信号的待对齐振动数据，基于所述振动数据对应工况转速与采样率计算单个完整工作循环所包含的采样点数并截取一个工作循环的数据片段，以及依次执行步骤二的带通滤波、基于预设角度分辨率的重采样以及包络幅值提取的步骤，获得待对齐包络序列；对所述待对齐包络序列相对于步骤二获得的参考包络进行全周期循环移位，计算每一次移位后所得序列与所述参考包络的互相关系数；遍历所有移位位置后，将相关系数峰值对应的移位频数确定为相位偏移量；以及依据所述相位偏移量对所述待对齐振动数据进行平移，使平移后的信号起点与所述参考包络定义的零相位基准对应，输出相位对齐后的振动信号。

6、在一种实施例中，在往复运动机械的预设测点至少包括第一气缸缸盖、第五气缸缸体及第六气缸缸盖，所述预设测点上分别设置一个加速度传感器；所述曲轴转角信号利用在曲轴端安装的光电编码器获取。

7、进一步的，还包括将相位对齐后的振动信号输送至诊断模块，执行运行状态分析、工作过程分析、健康状态监测及故障诊断定位。

8、进一步的，步骤一中，所述光电编码器的分辨率为256脉冲/转；所述振动信号的采样频率为51.2khz。

9、进一步的，步骤一中，所述稳态工况选自涵盖转速650rpm至1900rpm及负荷0%至100%的多组参数组合中的任意一组；构建参考包络时，选取单一稳态工况下的连续振动数据进行处理。

10、进一步的，步骤二具体包括：

11、选取步骤一中采集的一组特定稳态工况下的连续振动信号进行带通滤波；

12、利用光电编码器输出的脉冲序列作为触发源，设定触发阈值，以脉冲信号下降沿作为周期的起始边界，识别周期边界并截取多个单周期信号片段；

13、定义特定机械事件动作相位为零相位基准，依据所述光电编码器安装相位与所述零相位基准的偏差，对各单周期信号片段进行循环移位修正，统一各周期的起始相位；

14、将相位修正后的各信号片段重塑并重采样至固定的角度分辨率，使各信号片段均对应相同数量的相位点；

15、针对每一个相位点，提取其对应采样点的极值差的一半作为包络幅值，生成单周期包络序列；

16、对多个工作循环对应的所述单周期包络序列进行平均化处理，得到表征典型工作循环特征的参考包络。

17、进一步的，所述步骤三中对所述待对齐包络序列进行全周期循环移位，包括：

18、设定移位步数取值范围为：；其中为所述角度分辨率对应的点数；

19、对于第个移位位置，对待对齐振动信号包络序列进行循环移位生成移位后的序列：

20、

21、其中，表示循环移位算子。

22、本发明第二个方面在于提供一种往复运动机械振动信号相位对齐系统，包括：

23、参考信号采集模块，用于在往复运动机械的机体上的多个预设测点布置加速度传感器，并在曲轴端安装光电编码器；在所述机械运行于至少一组稳态工况下，同步采集振动信号及曲轴转角信号；

24、参考包络生成模块，用于将参考信号采集模块采集的连续振动信号进行带通滤波，利用所述曲轴转角信号识别工作循环边界，截取各循环的周期片段；以特定机械事件的动作相位为零相位基准，根据正时参考信号的安装相位偏差对所述周期片段进行相位修正；基于预设的角度分辨率对修正后的周期片段进行重采样，提取各相位点的包络幅值以生成单周期包络序列，并对所有完整工作循环的所述单周期包络序列进行平均化处理，得到参考包络；

25、待测信号采集模块，用于在不具备正时参考信号的工况下，在待测往复运动机械的预设测点处，采用与参考信号采集模块相同型号的采集设备、相同预设测点位置，同步采集待对齐的振动数据；

26、信号处理模块，基于所述待测信号采集模块采集的所述振动数据对应工况转速与采样率计算单个完整工作循环所包含的采样点数并截取一个工作循环的数据片段；输入参考包络生成模块，执行带通滤波、重采样、计算各相位点的包络幅值，获得待对齐包络序列；对所述待对齐包络序列进行全周期循环移位，计算每一次移位后所得序列与所述参考包络的互相关系数；遍历所有移位位置后，将相关系数峰值对应的移位步数确定为相位偏移量，依据所述相位偏移量对所述待对齐振动数据进行平移，使平移后的信号起点与所述参考包络定义的零相位基准对应，输出相位对齐后的振动信号。

27、本发明的有益效果在于：

28、所述相位对齐方法仅利用振动信号本身进行相位识别，无需依赖双通道融合或复杂的矢量模运算；

29、所述相位对齐方法仅在步骤一的构建参考包络的离线阶段使用光电编码器，在线实时对齐阶段不依赖任何硬件正时信号。