基于分形盒维数的汽轮机转子振动故障诊断的实验研究_图文

1、核 动 力 工 程Nuclear Power Engineering第27卷 第1 期 2 0 0 6 年2月V ol. 27. No.1 Feb. 2 0 0 6文章编号:0258-0926(200601-0085-05基于分形盒维数的汽轮机转子振动故障诊断的实验研究樊福梅1,梁 平2,吴庚申2(1. 广东省电力工业学校动力科,广州,510640;2. 华南理工大学电力学院动力系,广州,510640摘要:汽轮机转子是汽轮机故障预测及诊断问题的一个重要方面。利用振动信号或状态量对设备进行诊断,是设备故障诊断中最有效、最常用的方法。本文在Bently 实验台上进行了实验,模拟电站汽轮机转子的不对

2、中、不平衡、碰摩和轴承松动4种故障的振动过程。根据汽轮机故障的分形特征,采用分形盒维数方法进行了不同故障试验数据的分形盒维数研究计算。结果表明:碰摩状况下的轴心轨迹最为混乱且呈现雪花状,其对应的分形盒维数也最大;不平衡时的轴心轨迹较为平滑,其对应的分形盒维数最小;不对中故障及松动故障的分形盒维数居中。因此,分形盒维数在进行汽轮机转子故障类型诊断时有更好的区分度。关键词:分形;分形盒维数;汽轮机转子;振动;故障诊断 中图分类号:TK2 文献标识码:A1 引 言汽轮发电机组一旦发生事故将造成直接经济损失以及严重社会后果。所以汽轮机的故障预测及诊断问题历来受到有关的研究机构、企业和管理部门的高度重视

3、,是现代故障诊断技术应用的一个重要方面。 利用振动信号或状态量对设备进行诊断,是设备故障诊断中最有效、最常用的方法。机械设备和结构系统在运行过程中的振动及其特征信息是反映系统整体及其变化规律的主要信号。近年来,一些研究者开始把分形和小波变换这两种新的数学工具引入信号分析处理中1-3,分形维数成为描述复杂系统混沌现象的重要特征参数,其中,分形盒维数采用格子填充的思想与非线性问题建立了联系。显然,对于复杂机械系统的状态变化,利用分形盒维数可以定量描述分形边界的统计自相似特性;通过分形盒维数可以给出其量化的描述,从而实现对复杂机械系统进行故障诊断。2 分形及分形盒维数分形维数的概念以及分形几何学的形

4、成,深刻影响了许多科学领域。它的两个重要特征是自相似性和无标度性。分形维数主要包括:自相似维数、Hausdorff 维数、信息维数、盒维数及关联维数等。设离散信号X j x (,X 是n 维欧氏空间R n 上的闭集。将R n 划分成尽可能细的网格,若N 是网格宽度为的离散空间上集合X 的网格4(1然后,在k N k ln ln 图中确定线性好的一段为信号无标度区。拟和直线的斜率就是对应的分形盒维数。离散振动信号的分形盒维数在1和2之间,信号越不规则,分形盒维数越大5。因此, 通过维数的大小可以判断信号的复杂程度。维数是几何学和空间理论的基本概念。分形学是描述混沌运动的一种恰当的几何语言,分形的

5、维数成了研究混沌现象的一个定量参数6。事实上,分形维数D 度量了系统填充空间的能力,它从测度论和对称理论方面刻画了系统的无序性,是描述复杂对象的最基本特征。在材料科学、化学领域、信收稿日期:2004-11-03;修回日期:2005-01-27核动力工程V ol. 27. No. 1. 2006 86号处理等领域,分形维数都有其独特的含义。3 实验装置简介实验装置主要由模拟转子实验台、电涡流传感器、信号预处理板、A/D板、计算机组成(图1。 图1 实验设备连接原理图Fig. 1 Experiment Equipment Skeleton Drawing本装置能够根据需要,模拟大型旋转机械的振动过

6、程,并且使其转速达到所要求的范围。通过设置预置故障,经传感器及放大滤波采样,采集到在一定转速下各种常见转子故障的振动位移数据,经过数据的格式转换,保存在相应的目录下,便于实验结束后的数据处理与分析。4 测试原理与方法4.1 测试原理本文实验在美国Bently公司Rotor Kit实验台上建立实验测试原理如图2所示。各探头与通道的对应情况见表1。每个数据文件有5个通道的数据,1#通道为键相信号,2#、3#通道分别为测点1处x方向及y方向的振动信号;4#、5#通道分别为测点2处x方向和y方向的振动信号。4.2 实验参数每个数据文件中5个通道的数据,采样频率为2000Hz,滤波频率为1000Hz,采

7、样点数为20×103。本文的不平衡初始状态及故障状态都是在1500r/min转速下进行的;不对中初始状态下的转速为1500r/min,不对中故障状态下的转速为1000r/min;松动初始状态下的转速为1000r/min,松动故障状态下的转速为1500r/min;碰摩初始转速为1500r/min,碰摩故障下的转速1000r/min。计算时所采用的数据是通道3所测得的信号,即第一测点的y方向位置。4.3 实验方法碰摩故障设置在4#、5#通道的测点附件。通过一根尼龙棒作为扰动原件来实现弹性碰摩,使其与转动着的转轴相互发生摩擦碰撞;金属碰摩 图2 实验测试示意图Fig. 2 Diagramm

8、atic Sketch Equipment Testing时用一根金属棒作为扰动原件,使其与转动着的转轴相互发生摩擦碰撞。虽然汽轮机组的碰摩是金属与金属之间的碰摩,但是通过弹性碰摩可以作为轻微碰摩故障状况的模拟实验,以此来区分其他种类的故障与碰摩故障的对比,同时可以作为金属碰摩(严重与弹性碰摩(轻微碰摩之间的故障比较。具体操作时,碰摩中加装碰摩棒的过程是靠人为操作进行的,即实验人员手持干扰原件(金属棒或尼龙棒逐渐接近转轴。其碰摩程度主要通过干扰原件与转轴相互接触时所发出的轰鸣声和操作时持操作棒的手震动程度来判断。由于实验条件与实验安全程度所限,目前改变碰摩位置的实验研究尚未进行。轴承松动故障也

9、是在4#、5#通道的测点附件进行的,操作时人为调整轴承上螺丝的松动程度。当松动程度严重时,转子产生剧烈振动。5 分形盒维数在汽轮机转子故障诊断的实验研究维数是度量分形的重要指标, 由于分形盒维数计算相对简单而被许多学者所采用。在分形盒维数的计算中,分形无标度区的确定是关键5。由于随机分形不具有严格的自相似特性,所以采用分形盒维数将更具有说服力。5.1 诊断步骤采用分形盒维数进行汽轮机转子故障诊断时,其诊断分析步骤如下:表1 实验的测点通道Table 1 Experiment Measuring Point Channel测点1处测点2处测点键相信号x方向y方向x方向y方向通道号1#2#3#4#

10、5#樊福梅等:基于分形盒维数的汽轮机转子振动故障诊断的实验研究 87(1绘制轴心轨迹:将汽轮机转子在x和y方向的振动数据合成,作为横、纵坐标在平面直角坐标系中绘制汽轮机转子的轴心轨迹图。(2网格划分与轨迹填充:用一个正方形将轴心轨迹图包含在内,将正方形分为m×m的正方形网格;将与轴心轨迹相交的网格覆盖,得到网格填充的仿真轴心轨迹。(3分形盒维数的计算:与轴心轨迹相交的覆盖的网格数记为N(m,改变网格的细密度m,得到N(m随m变化的序列值;在平面直角坐标系内绘制N(m随m变化的曲线;在一定的区域内(无标度区,曲线表现出较好的线性特性。无标度区域内曲线的斜率即为二维轴心轨迹的分形盒维数。

11、5.2 诊断方法对所求得的分形盒维数进行比较分析,通过其数值的大小进行故障诊断。取实验中测点1处x和y方向各500个数据点所组成的轴心轨迹进行分形盒维数的分析计算。将x 和y方向的振动数据合成,得到其仿真轴心轨迹(图3图6中的图a。变动网格细密度在30×30 a 仿真轴心轨迹 b 分形盒维数计算 c 轴心轨迹网格图3 弹性碰摩故障分形盒维数组图Fig. 3 Box Counting Dimension Collection Graph of Nylon Rod Rubbing a 仿真轴心轨迹 b 分形盒维数计算 c 轴心轨迹网格图4 轴承松动故障分形盒维数组图Fig. 4 Box

12、Counting Dimension Collection Graph of Loosing a 仿真轴心轨迹 b 分形盒维数计算 c 轴心轨迹网格图5 不对中故障分形盒维数组图Fig. 5 Box Counting Dimension Collection Graph of Uncoutershaft核 动 力 工 程 V ol. 27. No. 1. 2006 88100×100范围内,得到一组N (m 随m 变化的序列值,取对数值并绘于平面直角坐标系中(图3图6。可以看出,在曲线呈现明显的无标度区,如图3图6中的图b 所示,无标度区的斜率即为汽轮机转子轴心轨迹的分形盒维数。将包

13、含轴心轨迹在内的正方形分为50×50的正方形网格,覆盖并计数与轴心轨迹相交的网格,如图3图6中图c 所示。5.3 诊断结果各种故障状况下的分形盒维数计算结果见 表2。表2 汽轮机转子振动故障状况分形盒维数 Table 2 Box Counting Dimension in Steam-TurbineRotor Vibration Fault Condition故障类型 金属碰摩弹性碰摩松动不对中不平衡分形 盒维数1.441.32 1.28 1.26 1.04结合故障状况的轴心轨迹,可以知道,碰摩故障的分形盒维数最大,其中弹性碰摩的分形盒维数为1.32,金属碰摩分形盒维数值最大,达到1

14、.44;不平衡故障的轴心轨迹曲线最为光滑,其对应的分形盒维数也最小,仅为1.04;不对中故障及松动故障的分形盒维数稍大,分别为1.26和 1.28;金属碰摩的轴心轨迹最为混乱,呈雪花状,其它故障状况下的轴心轨迹均为近似椭圆状,这 与文献7相吻合。由于分形盒维数能够较好地对故障类型进行诊断,因此,采用分形盒维数进行汽轮机转子故障类型诊断时具有良好的区分度。6 结 论(1碰摩故障的分形盒维数最大,其中弹性碰摩的分形盒维数为1.32,其分形盒维数最大达到(2根据实验数据所计算的仿真轴心轨迹的形状能初步反映汽轮机转子的故障类型。碰摩故障状况下的轴心轨迹呈雪花状;松动故障、不对中故障状况下的轴心轨迹均呈

15、近似椭圆状。(3对于随机分形而言,本课题研究的计算结果表明:在进行系统故障诊断时,采用分形盒维 数比关联维数具有更好的效果。参考文献:1 Sun Q, Tang Y. Singularity Analysis Using ContinuousWavelet Transform for Bearing Fault Diagnosis. Me- chanical Systems and Signal ProcessingJ. 2002, 16(6: 10251041.2 刘占生,武新华,夏松波.小波分析在旋转机械故障诊断中的应用J.汽轮机技术. 1996,38(6: 326329. 3 郑健超.

16、电力前言技术的现状和前景J. 中国电力.1999, 32(10: 914.4 赵纪元. 基于小波理论、神经网络的实用诊断技术研究D. 西安交通大学. 1997.5吴敏金.分形信息导论M. 上海:上海科学技术出版社,1994.6 石博强,申焱华. 机械故障诊断的分形方法-理论与实践M. 冶金工业出版社.2001:513. 7陈庚. 单元机组集控运行M. 第一版. 北京:中国电力出版社,2003: 127130.a 仿真轴心轨迹b 分形盒维数计算c 轴心轨迹网格图6 不平衡故障分形盒维数组图Fig. 6 Box Counting Dimension Collection Graph of Mass

17、 Unbalance樊福梅等:基于分形盒维数的汽轮机转子振动故障诊断的实验研究 89 Experimental Research on Steam-Turbine RotorVibration Fault Diagnosis Based on theFractal Box Counting DimensionFAN Fu-mei 1,LIANG Ping 2,WU Geng-shen 2(1.The Power Engineering Administrative,Electric Power Industrial School, Guangzhou,510640,China;2. The P

18、ower Engineering Department of Electric Power College,South China University of Technology,Guangzhou,510640,ChinaAbstract:The rotor is the main component during turbine fault forecasting and diagnosing. Vibration signal and state parameter are usually selected as the monitored signals to equipment d

19、iagnosis. The steam-turbine vibrating is experimentally simulated on the Bently facility. Using box counting dimension method the different type of turbine fault with fractal characteristic is numerically researched. The result shows that the axis track under mass unbalance is smooth and its box cou

20、nting dimension reaches the small-est. The axis track under friction presents disorder and its box counting dimension is the largest. The box counting dimension of un-countershaft and loosing are in the middle. As a result, the box counting dimension possesses better distinguish during steam-turbine

21、 rotor fault type diagnosing.Key words:Fractals,Box counting dimension,Turbine rotor,Vibration,Fault diagnosis作者简介:樊福梅(1977,女,教师。2004年毕业于华南理工大学,获工学硕士学位。现从事非线性故障诊断方面的研究工作。梁平(1953,男,副教授,1998年毕业于华南理工大学化工学院,获博士学位。现从事非线性故障诊断方面的研究工作。吴庚申(1980,男,在读硕士研究生。现从事非线性故障诊断方面的研究工作。(责任编辑:查刚菊 (上接第72页Measurement for Moi

22、sture Separator EfficiencyHUANG Yun-feng,ZHANG Zhen-zhong,JIANG Feng,YE Sui-sheng(Institute of Nuclear and New Energy Technology,Tsinghua University,Begijing,100084,ChinaAbstract:The efficiency measurement is very important in the development of moisture separator. In this paper one moisture separator efficiency measurement system has been