阶比跟踪分析方法、系统及计算机可读存储介质与流程

1.本技术属于油气装备检测与故障诊断技术领域，具体涉及一种阶比跟踪分析方法、系统及计算机可读存储介质。


背景技术：

2.快速傅里叶变换(fast fourier transform，fft)是一种有效的稳态振动分析方法，但是对于非平稳的瞬态振动信号，如果直接进行快速傅里叶变换，将产生频谱泄漏现象，无法准确提取频谱特征。而阶比跟踪分析方法可以解决上述问题，其将时域的非平稳信号转换为角域的平稳信号，从而可以更好地对非平稳信号进行分析。
3.实现阶比跟踪分析方法的方式有两种：硬件阶比跟踪和计算阶比跟踪。在测量设备振动信号的同时，同步采集具有键相参考作用的键相脉冲信号，硬件阶比跟踪通过锁相环和倍频电路等硬件，实现等角度跟踪采样。而计算阶比跟踪通过软件计算实现等角度跟踪采样。由于硬件阶比跟踪所需的电路设计复杂，制造成本高昂，且在转速波动较大的情况下，阶比跟踪误差较大，因此，计算阶比跟踪得到广泛应用。
4.计算阶比跟踪分析中，键相脉冲信号的分辨率越高，插值的精度越高，重采样的精度越高。在设备传动链多转速的情况下，即，包括多个转轴，且转轴的转速有所差别，一般选择最高速的转轴采集键相脉冲信号，这样键相脉冲信号的分辨率适用于传动链上所有振动信号。例如，风力发电设备中，其传动链包括叶轮、增速齿轮箱、发电机等，键相脉冲传感器安装在发电机联轴器侧。然而，油气装备的柱塞泵与风力发电设备在结构方面存在较大的区别，且最低速转轴上采集的键相脉冲信号不能够满足其他转轴的要求，导致分辨率不够，影响采样精度，并且柱塞泵的应用工况较为恶劣，键相传感器受恶劣工况影响容易发生故障，当键相传感器发生故障时，无法进行计算阶比跟踪分析。


技术实现要素：

5.本技术实施例的目的是提供一种阶比跟踪分析方法、系统及计算机可读存储介质，能够解决当前分析方法分辨率不够、采样精度差，以及键相传感器故障时无法进行阶比跟踪分析等问题。
6.为了解决上述技术问题，本技术是这样实现的：
7.本技术实施例提供了一种阶比跟踪分析方法，应用于柱塞泵，所述柱塞泵包括g类转轴和l类转轴，所述g类转轴的名义转速大于所述l类转轴的名义转速，该阶比跟踪分析方法包括：
8.采集所述l类转轴的振动信号和键相脉冲信号，以及所述g类转轴的振动信号；
9.根据所述键相脉冲信号确定所述l类转轴转动一周的转速和瞬时频率；
10.确定所述g类转轴的参考频率，设置所述参考频率的波动范围，并根据所述波动范围确定所述g类转轴的包含参考转频的振动信号；
11.根据包含参考转频的振动信号得到时频谱以及时频线，并根据所述时频线确定等
效转频曲线；
12.根据所述等效转频曲线得到所述g类转轴的等角度振动信号对应的时间序列，并结合所述g类转轴的原始振动信号，确定所述g类转轴的角域等角度波形信号；
13.根据所述l类转轴的键相脉冲信号和振动信号，确定所述l类转轴的角域等角度波形信号；
14.根据所述g类转轴的角域等角度波形信号以及所述l类转轴的角域等角度波形信号，确定阶比谱、各阶谐波波形以及阶次包络谱。
15.本技术实施例还提供了一种阶比跟踪分析系统，应用于柱塞泵，该阶比跟踪分析系统包括：
16.采集模块，包括用于采集l类转轴的振动信号的第一振动传感器、用于采集g类转轴的振动信号的第二振动传感器，以及用于采集l类转轴的键相脉冲信号的键相传感器；
17.与所述采集模块耦合连接的处理模块，所述处理模块用于：
18.确定l类转轴转动一周的转速和瞬时频率；
19.确定g类转轴的包含参考转频的振动信号；
20.确定等效转频曲线；
21.确定g类转轴的角域等角度波形信号；
22.确定l类转轴的角域等角度波形信号；以及
23.确定阶比谱、各阶谐波波形以及阶次包络谱。
24.本技术实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质内存储有计算机程序，所述计算机程序被处理模块执行时实现上述阶比跟踪分析方法步骤。
25.本技术实施例中，将键相传感器安装在柱塞泵的低速转轴(即，l类转轴)上，当键相信号存在分辨率不足时，仍能对振动信号进行高精度的等角度跟踪采样，并且，当键相传感器发生故障时，仍能够对振动信号等角度跟踪采样。
附图说明
26.图1为本技术实施例公开的阶比跟踪分析方法的实现流程图；
27.图2为本技术实施例公开的g类转轴(减速齿轮箱的输入轴)的振动信号的示意图；
28.图3为本技术实施例公开的g类转轴(减速齿轮箱的输入轴)的包含参考转频的振动信号的示意图；
29.图4为本技术实施例公开的stft时频线和拟合等效转频曲线的示意图；
30.图5为本技术实施例公开的1xorder的阶比谱的示意图；
31.图6为本技术实施例公开的2xorder的阶比谱的示意图。
具体实施方式
32.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
33.本技术的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对
象，而不用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便本技术的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施，且“第一”、“第二”等所区分的对象通常为一类，并不限定对象的个数，例如第一对象可以是一个，也可以是多个。
34.下面结合附图，通过具体的实施例及其应用场景对本技术实施例进行详细地说明。
35.参考图1至图6，本技术实施例公开了一种阶比跟踪分析方法，应用于柱塞泵，用于对柱塞泵多轴的振动情况进行监测，以保证柱塞泵在安全范围内运行。
36.其中，柱塞泵的传动链包括电机、减速齿轮箱、曲轴等，根据柱塞泵的传动链中各部件的参数，得到各转轴的名义转速。名义转速可以理解为额定转速，其中，额定转速可以根据传动链中各部件的参数名牌计算得到。
37.本技术实施例中，设定键相传感器所安装的曲轴的名义转速为kprpm，以此为准，名义转速小于或等于kprpm的转轴命名为l类转速，名义转速大于kprpm的转轴命名为g类转轴。
38.由此可知，柱塞泵的传动链中，曲轴为l类转轴，电机的转轴和减速齿轮箱的输入转轴为g类转轴。
39.可选地，可以将键相传感器安装至曲轴上。
40.所公开的阶比跟踪分析方法包括：
41.步骤一：采集l类转轴的振动信号和键相脉冲信号，以及g类转轴的振动信号。
42.其中，可以在l类转轴上安装振动传感器和键相传感器，从而可以通过振动传感器实时检测l类转轴上的振动信号，通过键相传感器实时检测l类转轴上的键相脉冲信号。另外，还可以在g类转轴上安装振动传感器，以通过振动传感器实时检测g类转轴上的振动信号。
43.此处需要说明的是，为保证采集数据的准确性，使plc、dcs、scada或mes等生产运行系统与振动监测系统时钟同步，以避免时间不同步而导致所采集的数据存在偏差。
44.除了采集上述振动信号和键相脉冲信号，还可以采集工艺数据，如，各转轴的实际转速等。
45.步骤二：根据键相脉冲信号确定l类转轴转动一周的转速和瞬时频率。
46.具体为，可以根据一个阈值识别键相脉冲信号的上升沿和下降沿的到达时间，通过到达时间计算两个脉冲间的时间差，并根据该时间差确定l类转轴转动一周的转速和瞬时频率。
47.其中，可以采用固定采样频率同步采集l类转轴的振动信号和键相脉冲信号。可选地，可以选用固定采样频率为fs。
48.对于键相脉冲信号，可以根据设定的一个阈值或者由分位数95％计算的阈值，由检波算法，准确识别和记录键相脉冲信号的上升沿或下降沿的到达时间t0、t1、t2…
tn。
49.两个脉冲间的时间差为dt0＝t
1-t0，dt1＝t
2-t1，
…
，dt
(n-1)
＝t
n-t
(n-1)
。
50.根据上述时间差计算出l类转轴转动一周的转速lrpm和瞬时频率f，具体为：
51.f＝1/dt，lrpm＝60*f。
52.步骤三：确定g类转轴的参考频率，设置参考频率的波动范围，并根据波动范围确
定g类转轴的包含参考转频的振动信号。
53.具体为，采集g类转轴的转速，由g类转轴的名义转速与l类转轴的名义转速计算出转速比系数，根据l类转转的转速或者g类转轴的转速中的一者，以及转速比系数计算出g类转轴的参考频率，并设置该参考频率的波动范围。
54.其中，可以在g类转轴上安装测速传感器，通过测速传感器实时检测g类转轴实际的转速grpm。
55.根据传动链的部件参数，可以获得各转轴的名义转速，包括g类转轴的名义转速和l类转轴的名义转速，两类转轴的名义转速之比即可得到转速比系数i，且g类转轴的转速grpm与g类转轴的参考频率rf的系数比为j。
56.基于l类转轴的转速、转速比系数，以及grpm与rf的系数比可以计算出g类转轴的参考频率rf，具体为：rf＝lrpm*i*j/60，或者，rf＝grpm*j/60。
57.此处需要说明的是，当键相传感器损坏时，无法检测l类转轴的键相脉冲信号，也就无法确定l类转轴实际的转速。此时，可以根据所检测到的g类转轴实际的转速和转速比系数首先计算出l类转轴实际的转速，而后再通过l类转轴实际的转速和转速比系数计算出g类转轴的参考频率。如此，在键相传感器损坏的情况下，仍然可以得到g类转轴的参考频率，以为后续阶比跟踪分析方法的实施提供保障。
58.在参考频率的基础上，设置参考频率的波动范围
±
θ，并根据g类转轴的参考频率的波动范围设置带通滤波器的截止频率范围，然后进行滤波和降采样处理，以得到g类转轴的包含参考转频的振动信号。
59.具体为，根据上述参考频率的波动范围，设置带通滤波器的下截至频率fl和上截止频率fh，其中，fl＝rf-θ，fh＝rf θ，rf为参考频率，θ为波动范围。
60.采用椭圆滤波器、巴特沃斯滤波器或切比雪夫滤波器进行滤波和降采样，以得到g类转轴的包含参考转频rf
±
θ的振动信号。
61.步骤四：根据包含参考转频的振动信号得到时频谱以及时频线，并根据时频线得到等效转频曲线。
62.具体为，对g类转轴的包含参考转频的振动信号进行短时傅里叶变换，得到时频谱，在时频谱上进行峰值搜索，以得到时频线。
63.可以理解的是，在进行短时傅里叶变换时，设置短时傅里叶变换的点数n和重叠率overlap，保证频率分辨率能够区分转速变化造成的影响。
64.其中，频率分辨率δf＝fs/n，转速变化
△
rf＝(rpm_t
1-rpm_t0)*i/60，并且δf＜
△
rf。
65.遍历各时间段stft_t1_t0，stft_t2_t1，stft_t3_t2，
…
时频谱，搜索振动最大的值，得到时频线。
66.采用最小二乘法对上述时频线进行拟合，得到等效转频曲线。
67.其中，最小二乘法的目标函数为：
[0068][0069]
对时频线的数据点(xi，yi)，1≤i≤n，采用
[0070][0071]
的n阶多项式进行拟合，得到等效转频曲线
[0072]
f(t)＝at2 bt c。
[0073]
步骤五：根据等效转频曲线得到g类转轴的等角度振动信号对应的时间序列，并结合g类转轴的原始振动信号，确定g类转轴的角域等角度波形信号。
[0074]
具体为，对等效转频曲线进行插值滤波，得到鉴相时标序列，根据鉴相时标序列对g类转轴原始的振动信号进行等角度重采样，得到等角度振动信号对应的时间序列。
[0075]
其中，根据等效转频曲线产生相应的鉴相时标序列tn，计算公式为：
[0076][0077]
其中，n为采样时刻的序列号；
[0078]
为恒定角度增量。
[0079]
将f(t)带入tn的计算公式，积分后得到：
[0080][0081]
去t0＝0，求解此方程可以得到等角度振动信号对应的时间序列tn。
[0082]
并且，对g类转轴的原始振动信号进行数字滤波，然后使用上述g类转轴的等角度振动信号对应的时间序列对原始振动信号进行插值重采样，得到g类转轴的角域等角度波形信号。
[0083]
可选地，可以对g类转轴的原始振动信号进行数字抗混叠滤波，以免重采样中出现频率混叠现象，且低通滤波器的截止频率为order*等效转频f(t)。
[0084]
上述插值重采样的算法可以是线性插值、样条插值、拉格朗日插值或者牛顿插值算法中的一种。
[0085]
步骤六：根据l类转轴的键相脉冲信号和振动信号，确定l类转轴的角域等角度波形信号。
[0086]
具体为，对键相脉冲信号进行插值，得到角域等角度振动信号对应的时间序列。
[0087]
可选地，采用级联积分梳状(cic)滤波器作为插值滤波器，对键相脉冲信号进行2*order倍插值，得到角域等角度振动信号对应的时间序列。
[0088]
其中，级联积分梳状滤波器是一种可以实现抽取或者插值的高效滤波器，由积分器、插值器、梳状滤波器组成，主要用于降低或提高采样率。
[0089]
在其他实施例中，还可以采用下述方法计算角域等角度振动信号对应的时间序列。
[0090]
假设角加速度恒定，那么，角度和时间的关系为
[0091]
r(t)＝b0 b1t b2t2。
[0092]
采样用3个连续键相时刻t0、t1、t2，对应的角度增量为0、2π、4π，求解方程得到一组系数b0、b1、b2。
[0093]
将上述一组系数带入上述r(t)公式，得到
[0094][0095]
将角度r带入上式，得到角域等角度振动信号对应的时间序列。
[0096]
进一步地，对l类转轴的振动信号进行数字滤波，然后使用上述l类转轴的角域等角度振动信号对应的时间序列对l类转轴的振动信号进行插值重采样，确定l类转轴的角域等角度波形信号。
[0097]
可选地，对l类转轴的振动信号进行数字抗混叠滤波，以免重采样中出现频率混叠现象，低通滤波器的截止频率为order*等效转频f(t)。
[0098]
上述插值重采样的算法可以是为线性插值、样条插值、拉格朗日插值或者牛顿插值算法中的一种。
[0099]
步骤七：根据g类转轴的角域等角度波形信号以及l类转轴的角域等角度波形信号，确定阶比谱、各阶谐波波形以及阶次包络谱。
[0100]
具体为，对g类转轴以及l类转轴各自的角域等角度波形信号进行快速傅里叶变换，得到阶比谱；对各类转轴的角域等角度波形信号进行vold-kalman滤波或gabor变换，得到各阶谐波波形；对各类转轴的角域等角度波形信号进行带通滤波，然后进行hilbert变换，再进行快速傅里叶变换，得到阶次包络谱。
[0101]
基于上述阶比跟踪分析方法，本技术实施例还公开了一种阶比跟踪分离系统，应用于柱塞泵，该阶比跟踪分析系统包括：
[0102]
采集模块，包括用于采集l类转轴的振动信号的第一振动传感器、用于采集g类转轴的振动信号的第二振动传感器，以及用于采集l类转轴的键相脉冲信号的键相传感器；
[0103]
与采集模块耦合连接的处理模块，所述处理模块用于：
[0104]
确定l类转轴转动一周的转速和瞬时频率；
[0105]
确定g类转轴的包含参考转频的振动信号；
[0106]
确定等效转频曲线；
[0107]
确定g类转轴的角域等角度波形信号；
[0108]
确定l类转轴的角域等角度波形信号；以及
[0109]
确定阶比谱、各阶谐波波形以及阶次包络谱。
[0110]
本技术实施例还公开了一种计算机可读存储介质，所公开的计算机可读存储介质内存储计算机程序，该计算机程序被处理模块执行时实现上述阶比跟踪分离方法步骤。
[0111]
下面将以柱塞泵为例进行详细阐述。
[0112]
其中，键相传感器安装在柱塞泵的曲轴上，此时，电机的转轴和减速齿轮箱的输入轴的转速均大于曲轴的转速。此时，电机的转轴和减少齿轮箱的输入轴均为g类转轴，各自上的信号为g类信号，而曲轴为l类转轴，其上的信号为l类信号。
[0113]
以g类信号为例：
[0114]
采样频率fs设置为25.6khz，生产运行系统和振动监测同步采集4个周期，采样点数fn设为101120，采样时间为3.95s。
[0115]
采用生产运行系统或键相脉冲信号的转速，当键相传感器出现故障时，采用生产运行系统的转速。其中，生产运行系统显示电机的转速为770rpm。
[0116]
由于生产运行系统采集频率不大于1hz，而振动监测系统采集频率高达25.6khz，两者采集频率相差较大，这样生产运行系统转速的分辨率不足，所以不能使用该转速信号直接对其进行插值滤波。
[0117]
按照传动链转速比系数，计算齿轮啮合频率gmf，并设置波动带宽为gmf
±
θ。
[0118]
参考减速齿轮箱振动信号gear_vib局部图缩放图，如图2所示，由于转速波动在gmf及2xgmf已出现频谱泄漏，出现频谱模糊现象。由此，对gear_vib进行降采样或者带通滤波，得到包含gmf
±
θ的振动信号gear_filted，如图3所示。
[0119]
对振动波形gear_filted进行短时傅里叶变换(stft)，设置短时傅里叶变换的点数n＝25600和重叠率overlap＝50％，频谱分辨率为1hz。按照时间和频率进行能量最大值搜峰，得到gmf的时频线。
[0120]
采用最小二乘法拟合gmf的时频线，得到最佳等效转频曲线f(t)＝at2 bt c，如图4所示，其中，a＝2.16017，b＝2.52597，c＝637.48485。
[0121]
使用均角样本时间序列，对原始振动信号进行数字滤波和插值重采样，得到角域等角度时间波形。
[0122]
对角域等角度时间波形进行快速傅里叶变换(fft)得到阶比谱，如图5和图6所示。
[0123]
综上可知，本技术实施例中，通过将该键相传感器安装在低速转轴上，在键相脉冲信号存在分辨率不足或键相传感器发生故障时，仍能够对振动信号进行等角度跟踪采样，保证了振动检测的正常进行。
[0124]
上面结合附图对本技术的实施例进行了描述，但是本技术并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本技术的启示下，在不脱离本技术宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，均属于本技术的保护之内。