中科大机械设备非平稳信号的故障诊断原理及应用讲义09小波包分解频带能量监测

第九章小波包分解频带能量监测小波包技术将信号无冗余、无疏漏、正交地分解到独立的频带内，这些分解频带信号都具有一定的能量，每个频带里信号的能量对于状态监测和故障诊断都是十分有用的信息。目于只考虑正弦振动的能量，而没有考虑其它振动的能量。频带能量监测应当计及各频带里信号的全部能量，包括非平稳、非线性振动能量，如松动、摩擦、爬行、碰撞等等，这些故障的特征波形往往是非平稳、非线性的，不能简单地用正弦分量来表示。小波包信号分解是将包括正弦信号在内的任意信号划归到相应的频带里，用每个频带里信号的能量来反映机械设备的状态。因此，用小波包频带能量监测更具有合理性，通过相应频带里能量比例的变化，在第四章式(4.3.13)表明，根据多分辨分析关系L2(R)=⊕Wj,j∈Z，得到小波子空间Wj1-k⊕…⊕U-k1-1,j,k这里j=1,2,…;k=1,2,…j;m=0,1,2,…,2k-1.对于信号x(t)，它的小波包分解过程已在第四章图4.3.1b)中给出。分解信号x2k+m属于子空间U-km。若j=0，则k=0和m=0，表示在分辨率在j水平下的原始信号x(t)自身，记为x1。如果x1分解1次，即k=1,m=0,1，在小波包分解第1层上得到分解信号x2和x3。如果x1分解2次，即k=2,m=0,1,2,3，在小波包分解第2层上得到分解信号x4、x5和x6、x7。依次类推。我们采用的小波包信号分解是正交分解，各分解频带的信号互相独立，它们无冗余，不这里En(o)表示信号的能量。在分辨率为j水平下的小波包信号分解中，xk,m(i)表示位于设原始信号x(t)的数据长度为N，则分解频带中离散信号xk,m(i)的数据长度缩减为2_kN，它的能量可表示为这里N表示原始数据长度，k表示分解次数，m=0,1,2,…,2k_1，表示分解频带的位置序的分数来表示。第m频带分解信号的相对能量为En(9.1.6)小波包分解频带能量监测全面考虑到了非平稳、非线性、正弦或非正弦等各类信号的能量，不同分解频带的信号能量表征不同的故障，对于机械设备离线、在线监测诊断有很大的遂降负荷至6MW，峰峰值仍达75μm左的队列，而是一片杂乱无章的不确定高频振动，如同有色噪声特点。考虑到空负荷升速及带负荷运行工况下速不平衡及不对中等因素的影响，则问题集中在4#轴瓦本振动中产生非平稳、非线性成份并因松动产生局部摩擦而在振动中出现有色噪声成份，要求4#轴瓦检修后空载升速过程中振动明显下降。在转速为3000r/min时，负荷逐步增加到45MW，4#轴瓦垂直振动的峰峰值基本稳定在40—55μm之间。为了对进行分析，此时4#轴瓦振动峰峰值为45μm左右，如图9.2.6所示，图中所示的振动波形上脉冲杂波显著减少，上下的对称性也有所改善。图9.2.7从以上分析可看到，轴瓦松动、支撑不善、紧力不足时机组在运行中产生过大的振动，这种振动随转速升高、负载加大而增加，且具有非平稳、非线性特点和包含因摩擦产生的有机械设备在运行过程中出现的振动现象是十分普遍的。由于设计、装配、维修中存在的问题以及运行过程中状态变化和故障发生，都将导致振动超标甚至机组损坏而无法运行。通过振动信号的测试和分析来查明振动原因和进行故障诊断是目前最常用的方汽轮发电机组由高压缸、低压缸、发电机和励磁机组成，该机组自大修后投运时发现高压缸9.3.1振动测试与分析9.3.2信号的小波包分解频带能量监测图。两图下面部分是0~1000Hz范围内的8个带宽为相同，该频带集中了高压缸2#轴瓦振动的绝大部分能量，能量棒图最高瓦的摩擦，图9.3.3所示的每个频带中能量都比较丰富。位于图9.3.3中的0~125Hz和动波形截然不同，但小波包分解信号在这些频带里却有相同的时频特征，这有力地表明高压图上周期性分量的功能，还能将系统输入效应（故障）和系统的传递效应（系统固有特性）现场运行工人曾调整过润滑油的温度、压力和流量的参数，均未见减振效果。一个有力的事实排除了油膜涡动的可能：在一次试车中，高压缸膨胀量偶然达到设计要求（20mm此时高压缸的1#、2#轴瓦及低压缸的3#轴瓦振动都明显下降。由于机组结构决定高压缸膨动轴瓦和箱体平移，此时润滑油的温度、压力、流量等参数基本上没有变化，所以排除了油膜涡动是激振故障源的可能。此外油膜涡往往9.3.2现场分析与故障诊断这种振动。蒸汽激振的特点是：1）振动对气流压力、流量很敏感；2）振动随负荷的改变发转子的一阶临界频率；4）一般情况下都发生在高、中压转子上。在变为什么在大修后发生从未发生过的蒸汽激振现象？问题追溯到大修过程。为了保证使用多年的高压缸四根主进汽管的强度，将老化的焊缝吹掉重新焊接，四根管道先后在常温下逐一完工。这样四根管道在常温下已具有不同的应力和长度，热态时四根管道对高压缸产生强大的不均匀的作用力，造成高压缸热态膨胀不畅和缸体扭曲，这种扭曲已由高压缸断面各螺栓不相同的紧力所证实。这样，高压缸每一级挡板与叶片之间的间隙在同一圆周平面内是不均匀的，转子同级叶片受到的蒸汽驱动合力在两个半圆里是大小不等，方向相产生叶轮旋转力偶的同时也产生了一个无法抵消的总合力F，F与转子轴线垂直，使高压缸9.3.3减振措施鉴于诊断结论是蒸汽激振，而机组已投入运行，因此在下一次检修前的减振措施是减少在随后的机组检修中，重新调整高压缸各主进汽管道在常温下的长度，四根主进汽管安），坏的喷嘴，调整喷嘴与叶片的间隙。检查汽封间隙以避免出现过大的密封压差。采取了多种措施以消除蒸汽激振隐患。开机后振动符合要求，满负荷运行一年半直到下次大修，振动状这一实例表明，机组装配与检修过程中的不合理因素是导致机械故障发生的重要原因。采用小波包分解频带能量监测技术并综合运用现代信号分析方法来处理振动信号，是查找激振源进行故障诊断的前提。对于信号处理的结果，必须详尽地与现场工程实际相结合，去伪2焦李成.神经网络的应用与实现.西安：西安电子科技大学出版社