一种基于自适应的磁悬浮对拖转子不对中振动检测系统

1.本发明涉及轴承振动检测技术领域，尤其涉及一种基于自适应的磁悬浮对拖转子不对中振动检测系统。


背景技术：

2.支撑技术作为工业装备领域的基础技术，广泛应用于化工、机械、航空等工业，其中轴承作为转子承受载荷的关键支撑部件，其所需满足的条件日益苛刻，诸如承受高速、高温、大载荷、以及复杂环境能力的要求更加严格。
3.转子作为旋转机械的核心部件，也是发生故障的主要部位，随着各种不稳定因素，许多旋转机械的转子不可避免的会产生一些故障，常见的有转子质量不平衡、轴弯曲、转子动静碰摩、转子附近连接件松动、轴系不对中、油膜涡动以及油膜振荡等等。一旦发生故障，轻则导致机械设备的一些功能减弱或者缺失，重则引起连锁反应，导致整个设备无法正常工作或者瘫痪，甚至造成人员伤亡。一旦发生了因转子故障而引起的机械设备事故，则会对国民经济造成巨大的损失。
4.传统的磁悬浮轴承振动检测与控制研究，集中在由转子质量不平衡引起的同频振动。但随着旋转机械的飞速发展，附带联轴器的对拖转子的应用范围也相应的越来越广泛。据相关统计，大部分的转子不对中问题都是由联轴器引起的。这种故障在低功率、低载荷的小型磁悬浮轴承工作中影响较小，但在高速、高功率的大型磁悬浮轴承工况中，不对中引起的故障明显增加。因此解决磁悬浮对拖转子不对中振动问题，不仅有利于旋转机械稳定运行、延长使用寿命等，而且对磁悬浮轴承对拖转子的发展有深远意义。


技术实现要素：

5.针对现有方法的不足，本发明所采用的技术方案是：一种基于自适应的磁悬浮对拖转子不对中振动检测系统，包括：faplp转速频率识别模块、lms自适应滤波陷波模块和faplp转速2倍频率识别模块，faplp转速频率识别模块的输出端与alms自适应滤波陷波模块的输入端连接，lms自适应滤波陷波模块的输出端与faplp转速2倍频率识别模块的输入端连接；通过faplp转速频率识别模块消除径向振动位移信号中干扰的同步振动信号；lms自适应滤波陷波模块将径向振动位移信号以及与转速同频的两正交信号进行同频陷波，消除位于中心参考频率附近的窄带内主频成分；faplp转速2倍频率识别模块检测lms自适应滤波陷波模块输出是否含有2倍频振动。
6.进一步的，通过电涡流位移传感器采集径向振动位移信号。
7.进一步的，faplp转速频率识别模块包括：
8.设输入为径向振动位移信号u(n)，建立高阶线性预测信号：
[0009][0010]
其中，c(i)是线性预测系数，m是滤波器的阶数；
[0011]
定义预测误差的表达式为：
[0012][0013]
其中，u
n-1
和c
n-1
是输入向量和权重向量；
[0014]
根据最小均方误差准则，最优线性预测系数向量为：
[0015][0016]
根据m阶误差方程得到m根为：
[0017][0018]
计算估计的频率为：
[0019][0020]
利用平均相位法求解信号频率的估计值为：
[0021][0022]
其中，fs为采样频率。
[0023]
进一步的，lms自适应滤波陷波模块包括：
[0024]
参考输入x(n)设为：
[0025][0026]
其中，ω0是转速，t是采样时间，是初相位；采用lms算法进行自适应滤波，计算滤波权值值，公式为：
[0027][0028]
本发明的有益效果：
[0029]
1、本发明可在无先验知识情况下，即不需额外的检测设备来获得转子转速信息，仅依靠主动式磁悬浮轴承中配备的传感器与控制器实现对拖转子不对中振动检测，不仅降低检测成本，且提高检测速度；
[0030]
2、本发明采用lms自适应滤波器对预测模型的系数向量进行实时估计和更新，确保了频率估计的实时性；
[0031]
3、采用平均相位法对预测系数向量进行处理避免alp算法求解m次方程的操作，降低了算法的复杂度，且具备很强的鲁棒性、计算速度快及稳定性强。
附图说明
[0032]
图1是本发明的基于自适应的磁悬浮对拖转子不对中振动检测系统框图；
[0033]
图2是faplp转速频率识别原理框图；
[0034]
图3为lms自适应滤波陷波原理框图；
[0035]
图4为lms自适应算法权值自适应迭代过程图；
[0036]
图5为仿真实验结果图。
具体实施方式
[0037]
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，此图为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
[0038]
如图1系统框图所示，基于自适应的磁悬浮对拖转子不对中振动检测系统，包括faplp转速频率识别模块、lms自适应滤波陷波模块和faplp转速2倍频率识别模块，faplp转速频率识别模块的输出端与alms自适应滤波陷波模块的输入端连接，lms自适应滤波陷波模块的输出端与faplp转速2倍频率识别模块的输入端连接。
[0039]
位移传感器检测到主动式磁悬浮对拖转子的径向振动位移信号，将径向振动位移信号作为输入发送给控制器的faplp转速频率识别模块，faplp转速频率识别模块可以在有高频噪声干扰的情况下实现频率识别，且无需额外的传感器和很少的先验知识。
[0040]
利用电涡流位移传感器，获取磁悬浮对拖转子出现不对中故障时径向振动位移信号，将径向振动位移信号以及与转速同频的两正交信号输入lms自适应滤波陷波模块进行同频陷波，消除位于中心参考频率附近的窄带内的主频成分，由于自适应陷波器只有一个参数需要估计，因而结构简单，易于控制带宽、零点深度大，并且能够精确地自适应跟踪干扰频率和相位，通过将极点限制在单位圆内，稳定性得到了保证。
[0041]
将陷波转子转速同频后的信号输入至faplp转速2倍频率识别模块，当磁悬浮轴承对拖转子出现不对中故障，其径向振动不仅包含转速同频振动，而且含有2倍频振动。
[0042]
如图2所示为faplp转速频率识别模块，设输入为径向振动位移信号u(n)，建立高阶线性预测信号：
[0043][0044]
其中，c(i)是线性预测系数，m是滤波器的阶数；根据式(1)，定义预测误差的表达式为：
[0045][0046]
其中，u
n-1
和c
n-1
是输入向量和权重向量。
[0047]
根据最小均方误差准则，最优线性预测系数向量为：
[0048][0049]
z域预测误差的表达式为：
[0050][0051]
根据m阶误差方程可以得到m根为：
[0052]
[0053]qo
(z)值最接近误差方程单位圆的根定义为其中，r0为单位圆半径，θ0为估计相位信息；当采样频率为fs时，估计的频率为：
[0054][0055]
由于求解误差预测的计算复杂度很高，因此不适合实时应用，为了提高求解速度，提出了平均相位法代替求解误差方程；同时牺牲很少的精度，计算速度大大提高。在实际中，由于噪声干扰，每个预测系数都会存在一定的误差。用一阶结构得到的频率的估计会有较大的误差。因此，采用平均相位来降低噪声影响，提高精度。
[0056][0057]
信号频率的估计值为：
[0058][0059]
对于由转子不对中故障引起的2倍频振动，只要估计经lms陷波器模块后的陷波信号是否含有转速2倍频率，从而来判断是否出现不对中振动故障，其本质是相同的，所以faplp转速2倍频率识别模块同样基于faplp转速频率识别模块进行转速2倍频率识别。
[0060]
如图3所示为lms自适应滤波陷波原理框图，径向振动位移信号送至原始输入端；参考输入端为与转速同频的两正交信号，其目的是获得w1(n)和w2(n)两个权值，从而使组合后的正弦波振幅和相位都可以与原始输入中的干扰分量的振幅和相位相同；参考输入加权后的输出为y(n)，它是对径向振动位移主频的估计。这样含有2倍频率的采样信号与估计信号相减后，就得到了消除同频振动的位移信号。
[0061]
参考输入x(n)设为：
[0062][0063]
其中，ω0是转速，t是采样时间，是初相位；采用lms算法进行自适应滤波，如图4所示滤波权值的修正过程为：
[0064][0065]
式中，w(n)为自适应迭代的权值，μ为自适应迭代的步长，x(n)为参考输入。
[0066]
图5所示为磁悬浮对拖转子不对中故障检测结果；其中，图5(a)为位移传感器检测到的径向振动位移信号，包含由质量不平衡引起的同频振动，由不对中故障引起的2倍频振动，以及高频噪声等扰动。
[0067]
图5(b)为基于lms自适应滤波陷波模块，可在信噪比较高情况下实现对转速频率的准确识别；
[0068]
图5(c)为基于lms自适应滤波陷波模块消除转速同频信号；
[0069]
图5(d)利用faplp转速频率识别模块的检测结果，分别为频率结果和幅值结果；当检测结果中出现转子转速频率的2倍频率信号时，可以认为对拖转子出现了不对中故障，且幅值信号越大对拖转子不对中量越大。
[0070]
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

技术特征：
1.一种基于自适应的磁悬浮对拖转子不对中振动检测系统，其特征在于，包括：faplp转速频率识别模块、lms自适应滤波陷波模块和faplp转速2倍频率识别模块，faplp转速频率识别模块的输出端与alms自适应滤波陷波模块的输入端连接，lms自适应滤波陷波模块的输出端与faplp转速2倍频率识别模块的输入端连接；通过faplp转速频率识别模块消除径向振动位移信号中干扰的同步振动信号；lms自适应滤波陷波模块将径向振动位移信号以及与转速同频的两正交信号进行同频陷波，消除位于中心参考频率附近的窄带内主频成分；faplp转速2倍频率识别模块检测lms自适应滤波陷波模块输出是否含有2倍频振动。2.根据权利要求1所述的基于自适应的磁悬浮对拖转子不对中振动检测系统，其特征在于，通过电涡流位移传感器采集径向振动位移信号。3.根据权利要求1所述的基于自适应的磁悬浮对拖转子不对中振动检测系统，其特征在于，faplp转速频率识别模块包括：设输入为径向振动位移信号u(n)，建立高阶线性预测信号：其中，c(i)是线性预测系数，m是滤波器的阶数；定义预测误差的表达式为：其中，u
n-1
和c
n-1
是输入向量和权重向量；根据最小均方误差准则，最优线性预测系数向量为：根据m阶误差方程得到m根为：计算估计的频率为：利用平均相位法求解信号频率的估计值为：其中，f
s
为采样频率，4.根据权利要求1所述的基于自适应的磁悬浮对拖转子不对中振动检测系统，其特征在于，lms自适应滤波陷波模块包括：参考输入x(n)设为：
其中，ω0是转速，t是采样时间，是初相位；采用lms算法进行自适应滤波，计算滤波权值值，公式为：其中，w(n)为自适应迭代的权值，μ为自适应迭代的步长，x(n)为参考输入。

技术总结
本发明涉及轴承振动检测技术领域，尤其涉及一种基于自适应的磁悬浮对拖转子不对中振动检测系统，包括通过FAPLP转速频率识别模块消除径向振动位移信号中干扰的同步振动信号；LMS自适应滤波陷波模块将径向振动位移信号以及与转速同频的两正交信号进行同频陷波，消除位于中心参考频率附近的窄带内主频成分；FAPLP转速2倍频率识别模块检测LMS自适应滤波陷波模块输出是否含有2倍频振动。本发明仅依靠主动式磁悬浮轴承中配备的传感器与控制器实现对拖转子不对中振动检测，降低检测成本，且提高检测速度。且提高检测速度。且提高检测速度。


技术研发人员：佘世刚 刘通 关旭东 施克健 马涛 陈磊 李明亮 黄佳琪 张嘉靖 李辉
受保护的技术使用者：常州大学
技术研发日：2023.04.12
技术公布日：2023/7/21