阶次跟踪及其在升/降速测试中的应用

weixin

　　关于阶次分析的基础知识，大家可以参照过去发布的《阶次分析(Order Analysis)基础知识介绍》一文，本文主要简述了阶次跟踪及其在升/降速测试中的应用，另外还对vold-kalman阶次滤波进行了简单介绍。

　　阶次分析

　　定义：阶次分析是指从周期载荷作用下的系统测量中科学巧妙的提取正弦分。

　　特点：测量相关于旋转，转速，以及旋转机械的谐波阶次。

　　用途：阶次分析通常被用于以下几方面
　　     · 故障诊断
　　     · 设计
　　     · 产品测试
　　     · 仿真(声质量分析)

　　升/降速测试：
　　     · 分离和识别振动和噪声的旋转相关的和结构相关的分量
　　     · 确定临界转速和共振
　　     · 研究旋转机械的不稳定性 (whirling,..)

　　机械故障诊断 Diagnostics
　　     · 对变速和常速运行的机器进行故障诊断

　　转速信号：阶次分析的关键之一是获得转速信息(RPM)，转速能够被从转速信号中提取，也可从振动和噪声信号中提取。

　　转速来源于：
　　     · 光电转速探头
　　     · 轴转速编码器
　　     · 振动和噪声信号(需要有明显的阶次分量)
　　     · 汽车的CAN-BUS
　　     · ...

　　阶次分析——跟踪

　　对于速度变化的机器，其振动和噪声信号的频率随着转速变化而变化，带有跟踪的阶次分析是一种根据信号的频率变化对信号进行变速率采样的技术，该技术亦称为阶次跟踪。

　　有无跟踪的分析

　　补零和过采样：

　　插值和重采样：

　　阶次跟踪分析与频率分析比较

　　对来源于具有轻微转速变化的机械的振动信号进行分析

　　优点：
　　     · 稳定的谐波模式
　　     · 对阶次相关的分量没有模糊效应、诊断

　　缺点：
　　     · 需要转速信号

　　应用：升/降速测试，包括以下几方面
　　     · 声学性能测试
　　     · 噪声和振动验证测试
　　     · 振动诊断
　　     · 振动监测

　　测试结果：

　　升/降速测试实例：一个马达的噪声和振动升速测试

　　速度作为时间的函数= RPM轮廓

　　没有跟踪的升/降速测试

　　测量设置的考虑
　　实例: 分析一个从600到6000RPM的前8阶谐波阶次

　　a) 需要的频率分辨率?
　　在最低的转速: 600 RPM (f fundamental = 10 Hz)
　　例如 每阶次5个 FFT线 ⇒ ∆f = 2 Hz
　　∆f = 2 Hz ⇒ T record = 0.5 sec


　　b) 需要的频率范围是多少?
　　在最高的转速: 6000 RPM (f fundamental = 100 Hz)
　　分析8 谐波阶次 ⇒ 频率范围= 800 Hz
　　∆f = 2 Hz，频率范围 = 800 Hz⇒400 line frequency spectra (FFT)踪的升

　　有跟踪的升/降速测试

　　测量设置
　　实例：在一个600到6000RPM的升速实验中提取前10阶谐波阶次

　　a) 需要的阶次分辨率是多少?
　　例如： 每阶次10条谱线
　　⇒ ∆order = 0.1 阶
　　⇒ T record = 10 转
　　i.e. T record = 在600RPM (10 Hz)时，1秒
　　T record = 在 6000RPM (100 Hz)时，0.1秒
　　∆ order = 0.1 阶，阶次范围 = 10 阶⇒100 线的阶次谱 (FFT)

　　b) 需要的频率范围是多少 ?
　　在6000 RPM (100 Hz)时的10 个谐波阶次 ⇒ 频率范围 = 1000 Hz

　　阶次分析 –有无跟踪比较
　　使用频谱进行升/降速测试 i.e.没有跟踪：
　　优点：
　　     · 快速
　　     · 能够从同一个频谱中提取相关于不同转速的阶次
　　     · 从云图中很容易识别共振 (固定频率)

　　缺点：
　　     · 分量模糊(拖尾效应)
　　     · 假如需要测量较宽的频率范围和转速范围，则需要高的FFT线数

　　使用阶次谱进行升/降速测试 i.e.有跟踪：
　　优点：
　　     · 没有模糊效应
　　     · 识别更高的谐波阶次
　　     · 很少的谱线数

　　缺点：
　　     · 需要更强大的处理能力

　　Vold-Kalman阶次滤波

　　阶次滤波的过程 – 步骤
　　     · 记录时间信号
　　     · 使用STSF(短时傅立叶变换)进行预分析
　　     · 转速处理，RPM估计
　　     · Vold-Kalman 设置和滤波时

　　时间信号记录和STFT
　　记录转速和响应信号(使用时间捕捉分析仪，Time Capture Analyzer)，选择需要分析的部分信号，做一个短时傅立叶变换 (STFT) 用于预览和检测。

　　实例：有1，3，9和10阶主分量的电动机升速

　　转速信号和 RPM轮廓
　　RPM 探测的实例：
　　     · 水平30%，上升沿触发，迟滞量5%
　　     · 15 段，0%拒绝 ，没有关键点

　　RPM 轮廓：
　　     · 原始估计
　　     · 曲线拟合结果

　　步骤：
　　     · 数据记录和选择
　　     · 首先使用传统的分析技术，例如STFT
　　     · 比较原始的和拟合后的 RPM结果

　　Vold-Kalman 滤波器的输出
　　带相位的阶次
　　     · 可以使用的数据格式: 实部、虚部、幅值、相位、nyquist图


　　阶次波形Order waveform
　　     · 通过声卡进行回放

　　实例：电动机的升降速

　　Vold-Kalman 阶次滤波器的优点
　　     · 任意的阶次都能够在后处理中被提取
　　     · 在极端的转速变化下都能够被提取，包括换档
　　     · 能够对多轴系统进行阶次分析
　　     · 带相位的阶次和阶次的时域波形，对各个阶次进行回放
　　     · 通常被和其他技术一起作为高级技术混用

　　来源：B&K声学与振动《阶次分析》讲义 声振之家公众号整理