鄭 杰

(福建水口發(fā)電集團(tuán)有限公司，福建福州350004)

基于Hilbert變換的水輪發(fā)電機(jī)組振動沖擊信號自動檢測技術(shù)及應(yīng)用研究

鄭 杰

(福建水口發(fā)電集團(tuán)有限公司，福建福州350004)

為了實(shí)現(xiàn)了對水輪發(fā)電機(jī)組振動沖擊信號的自動識別檢測，對由于軸承偏磨或轉(zhuǎn)輪碰磨引起的振動沖擊信號的特征和機(jī)理進(jìn)行了分析，同時提出了基于Hilbert變換的數(shù)字包絡(luò)檢測技術(shù)。通過實(shí)際應(yīng)用表明，該方法能夠有效地檢測由于碰磨故障等故障引起的振動沖擊，可用于水電站機(jī)組在線狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。

Hilbert變換；故障診斷；沖擊信號；碰磨；水輪發(fā)電機(jī)組

0 概 述

沖擊振動是一種常見的受迫振動，對于水輪機(jī)，較容易引起沖擊振動的原因主要為水導(dǎo)導(dǎo)軸承偏磨以及水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪與固定部件弱碰磨，一般來說，這種沖擊振動在初期屬于瞬態(tài)周期性沖擊振動，由于沖擊力而引起的局部變形和反彈運(yùn)動使振動信號含有大量的非同步諧波分量，通常伴有瞬時共振信號出現(xiàn)。

因此，通過檢測振動信號中是否存在周期性沖擊信號是識別導(dǎo)軸承偏磨及水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪與固定部件弱碰磨故障的重要手段。本文從產(chǎn)生周期性沖擊信號的機(jī)理出發(fā)，提出了基于Hilbert變換的數(shù)字包絡(luò)檢測技術(shù)對水輪發(fā)電機(jī)組沖擊振動信號進(jìn)行診斷識別方法，結(jié)合水口發(fā)電集團(tuán)有限公司所建立的遠(yuǎn)程綜合分析診斷系統(tǒng)，闡述了該技術(shù)在實(shí)際中的應(yīng)用。

1 水輪發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生沖擊信號的原因及特征

沖擊信號是水輪發(fā)電機(jī)運(yùn)行中一種復(fù)雜的故障信號，是瞬間疊加并調(diào)制于基礎(chǔ)波的一種信號，說明該沖擊信號很可能是由轉(zhuǎn)軸與基礎(chǔ)固件瞬間接觸形成的。因此，產(chǎn)生該沖擊信號的原因主要有以下幾種情形：①軸承蓋板安裝偏心，造成間隙不均，在間隙小的地方轉(zhuǎn)軸擠壓致油盤根造成蓋板受力振動或變形，產(chǎn)生沖擊信號，特別是鋁制的軸承蓋板更容易產(chǎn)生此類問題。②主軸隨動密封的使用安裝偏心，容易產(chǎn)生沖擊信號。③機(jī)組振動擺度數(shù)值偏大，容易產(chǎn)生沖擊信號。

對于水輪發(fā)電機(jī)組，其運(yùn)行過程中產(chǎn)生的振動沖擊信號一般有以下幾個特征：①會引起短時高頻的沖擊共振信號。②穩(wěn)定的沖擊信號會周期性出現(xiàn)，因而引起的沖擊共振信號會周期性出現(xiàn)，機(jī)組旋轉(zhuǎn)一周，該信號就會出現(xiàn)一次或多次。③沖擊信號會引起短時高頻的共振信號會被轉(zhuǎn)速頻率調(diào)制。④該共振信號能被軸振動(擺度)、機(jī)架或頂蓋徑向振動測點(diǎn)檢測出來，但經(jīng)常被掩蓋在其他振動信號及噪聲中。

從信號分析上看，通常由于瞬間的碰磨引起的共振信號表現(xiàn)在高頻段，而且改信號常常被周期性的1X振動信號調(diào)制，信號幅值并不是很強(qiáng)，因此該信號往往被淹沒在其他的周期新振動信號以及其他噪聲信號中。因此采用峰峰值、有效值等時域特征參數(shù)都不能識別出部件與轉(zhuǎn)動部件之間發(fā)生相碰故障，采用常規(guī)的FFT變化也很難將該沖擊信號從頻域中分離和識別出來。

因此，本文提出采用基于希爾伯特(Hilbert)變換原理的包絡(luò)解調(diào)技術(shù)實(shí)現(xiàn)沖擊信號檢測。

2 希爾伯特(Hilbert)變換原理及數(shù)字包絡(luò)解調(diào)技術(shù)概述

2.1 希爾伯特(Hilbert)變換概述

希爾伯特變換是一種“運(yùn)算”，它是在時域上用系統(tǒng)的沖激響應(yīng)卷積信號來實(shí)現(xiàn)。希爾伯特變換還可以用變換器的頻率響應(yīng)來解釋：即實(shí)信號的正頻譜部分逆時針轉(zhuǎn)90°，負(fù)頻率部分逆時針轉(zhuǎn)90°，變換后的信號與原信號構(gòu)成附屬信號，其頻譜只有正頻譜，即所謂的單邊帶信號。

經(jīng)典的希爾伯特變換可以提供90°的相位變化而不影響頻譜分量的幅度，因而它在許多領(lǐng)域，特別是信號處理、通信領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。在許多科學(xué)領(lǐng)域的信號處理中，都需要提取信號的包絡(luò)信息。如在機(jī)械故障診斷中，用振動信號的包絡(luò)進(jìn)行診斷是一種行之有效的方法。目前最常用的信號包絡(luò)提取方法就是希爾伯特變換。

相比于其他方法實(shí)現(xiàn)的包絡(luò)檢波器，希爾伯特變換實(shí)現(xiàn)的包絡(luò)檢波器對包絡(luò)信號提取的更加平滑，提取的包絡(luò)信號更加清晰正確，在實(shí)際應(yīng)用中有這突出的優(yōu)勢，具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用意義。

希爾伯特變換(HT)是從實(shí)信號xr(t)產(chǎn)生一個新的實(shí)信號xht(t)的數(shù)學(xué)處理過程，如圖1所示。

圖1 連續(xù)希爾伯特變換

這里，必須要保證xht(t)與xr(t)有90°的相移。在開始下面內(nèi)容之前，首先確認(rèn)上圖中的符號。圖1中，xr(t)表示實(shí)值的連續(xù)時域輸入信號；h(t)表示希爾伯特變換的時間沖激響應(yīng)；xht(t)為xr(t)的Hilbert變換(xht(t)也是一個實(shí)的時域信號)；Xr(ω)為輸入實(shí)信號xht(t)的傅立葉變換；H(ω)為希爾伯特變換的頻率響應(yīng)(復(fù)數(shù))；Xht(ω)為輸出信號xht(t)的傅立葉變換；ω為連續(xù)的角頻率，rad/s；t為連續(xù)時間，s；其中xht(t)=h(t)·xr(t)，即xht(t)為h(t)、xr(t)的卷積，而Xht(ω)=H(ω)Xr(ω)，由此可見希爾伯特變換更像一個濾波器。

利用與xr(t)和xht(t)對應(yīng)的傅里葉變換Xr(ω)和Xht(ω)，可以簡潔描述xr(t)的HT變換得到的新的xht(t)與原來的xr(t)的關(guān)系。簡而言之，所有xht(t)的正頻率成分等于xr(t)的正頻率加上-90的相移，同樣xht(t)的負(fù)頻率成分等于xr(t)的負(fù)頻率成分加上+90的相移。

H(ω)=-j位于正的頻率范圍，H(ω)=+j位于負(fù)的頻率范圍。圖2為H(ω)的非零虛部示意。

圖2 希爾伯特變換的頻域特性

2.2 基于希爾伯特(Hilbert)變換的包絡(luò)解調(diào)原理

對于一個時域的實(shí)信號xr(t)，存在一個復(fù)信號xc(t)，二者之間的關(guān)系式為

xc(t)=xr(t)+jxi(t)

(1)

復(fù)信號xc(t)是一個解析信號(因?yàn)樗鼪]有負(fù)頻率成分)，它的實(shí)部等于原始實(shí)輸入信號xr(t)，而關(guān)鍵是它的虛部xi(t)就是原輸入信號xr(t)的希爾伯特變換，如圖3所示。

圖3 基于Hilbert變換的包絡(luò)解調(diào)原理

如果實(shí)正弦波xr(t)包含幅度調(diào)制(調(diào)幅)的信號，其包絡(luò)包含信號的解析信號

(2)

由此可以看出，信號的包絡(luò)為xc(t)的幅值(模)。通過對原始信號xr(t)進(jìn)行Hilbert變換得到xi(t)，就可以計(jì)算出得到xr(t)的包絡(luò)信號E(t)。

3 基于Hilbert變換的數(shù)字包絡(luò)解調(diào)的振動沖擊信號檢測技術(shù)

圖5 沖擊信號的水導(dǎo)擺度波形

圖6 水導(dǎo)擺度的包絡(luò)信號

3.1 振動沖擊信號的檢測算法描述

在本文中，振動沖擊信號檢測的流程如圖4所示。對流程詳細(xì)闡述如下：

圖4 沖擊信號檢測流程

(1)窄帶濾波。由于弱小高頻沖擊共振信號被疊加在轉(zhuǎn)頻等低頻信號中，采用FFT無法分離出來，因此需要先將幅值較大的低頻信號和更高頻的非共振信號濾除，只留下由周期性出現(xiàn)的沖擊共振信號。圖5是經(jīng)過窄帶濾波器濾波以后包含沖擊信號的水導(dǎo)擺度波形,可以看出，機(jī)組在水導(dǎo)擺度中存在一個周期性出現(xiàn)的高頻沖擊信號。

(2)數(shù)字包絡(luò)檢測。經(jīng)過窄帶濾波以后的共振信號無法直接采用FFT進(jìn)行頻率識別，需要采用Hilbert變換進(jìn)行包絡(luò)檢測，檢測出沖擊信號包絡(luò)信號，水導(dǎo)擺度的包絡(luò)信號如圖6所示?？梢钥吹?，機(jī)組水導(dǎo)擺度包絡(luò)信號中存在一個周期性的包絡(luò)，該包絡(luò)是周期性沖擊振動共振信號的包絡(luò)，并且與圖5水導(dǎo)擺度中的沖擊信號是對應(yīng)的。

(3)包絡(luò)譜識別。在求得包絡(luò)波形以后，對包絡(luò)波形進(jìn)行FFT(快速傅立葉)變換，獲得包絡(luò)信號的頻譜圖，從該譜圖中可以獲得主信號(幅值最大信號)幅值、主信號頻率、主信號空間相位、2階主頻率幅值、3階主頻率幅值等。從圖7包絡(luò)譜中可以清楚看到，信號的主頻(幅值最大)是機(jī)組轉(zhuǎn)速頻率，其余大幅值頻率全部是該頻率的高次諧波，從而可以得出結(jié)論：由沖擊信號引起的沖擊每個周期一次。

圖7 水導(dǎo)擺度包絡(luò)信號頻譜

表1 沖擊信號檢測辨識參數(shù)

圖8 沖擊信號主頻率幅值變化趨勢

3.2 振動沖擊信號特征參數(shù)及判定規(guī)則

綜合上述說明，需根據(jù)以下幾個特征參數(shù)進(jìn)行振動沖擊信號識別：①A1，A2，A3為沖擊包絡(luò)譜1階、2階、3階主頻率信號幅值；②F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3為沖擊包絡(luò)譜1階、2階、3階主頻率；③Φ1為沖擊包絡(luò)譜1階主頻率信號空間相位。在獲得上述特征參數(shù)后，振動沖擊信號存在的判定規(guī)則如下：

如果F1=1X或者F1=2X(1X為機(jī)組的1倍轉(zhuǎn)速頻率)，并且F2=2F1，F(xiàn)3=3F1，A1≥Al_1，A2≥Al_2，A3≥Al_3，那么，可以判定振動信號中存在沖擊信號，根據(jù)Φ1則可以確定振動沖擊產(chǎn)生的方位。上式中，A1，A2，A3為最小能容忍的沖擊包絡(luò)的1階、2階、3階幅值。

4 實(shí)踐與應(yīng)用

表1為采用本檢測算法，利用某機(jī)組水導(dǎo)擺度、頂蓋振動信號進(jìn)行沖擊信號檢測的結(jié)果：(加*說明有碰磨特征)。圖8為沖擊信號主頻的幅值變化趨勢。由表1和圖8可以看出該機(jī)組從某段期間檢測到多次沖擊包絡(luò)幅值超標(biāo)，而且其沖擊的主頻率為1X或2X，并且主頻率幅值也滿足判定規(guī)則，證明發(fā)生多次轉(zhuǎn)輪碰磨。后經(jīng)機(jī)組實(shí)際檢查核實(shí)，該機(jī)組轉(zhuǎn)輪確實(shí)在該時間段內(nèi)發(fā)生了碰磨故障。

5 結(jié) 論

沖擊信號是水輪發(fā)電機(jī)運(yùn)行中一種復(fù)雜的故障信號，長久以來由于在水輪發(fā)電機(jī)組線監(jiān)測系統(tǒng)振動擺度監(jiān)測系統(tǒng)一直以峰值、有效值等時域特征作為機(jī)組狀態(tài)的評價指標(biāo)，無法對沖擊振動信號進(jìn)行很好的監(jiān)測，對此類故障的診斷和識別也一直是在線監(jiān)測系統(tǒng)的盲區(qū)，此次在在線監(jiān)測系統(tǒng)中首次引入了基于Hilbert變換的數(shù)字包絡(luò)檢測技術(shù)，很好的實(shí)現(xiàn)了對沖擊信號的檢測方法，能有助于轉(zhuǎn)輪碰磨和導(dǎo)軸偏磨等故障的快速在線識別，希望能夠把此技術(shù)在在線監(jiān)測系統(tǒng)中得到大力的推廣，為提高機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行貢獻(xiàn)力量。

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(責(zé)任編輯 高 瑜)

Vibration Signal Automatic Detection Technology and Application Research of Hydro Generator Set Based on Hilbert Transform

ZHENG Jie
(Fujian Shuikou Power Generation Group Co., Ltd., Fuzhou 350004， Fujian， China)

In order to realize the automatic identification and detection of vibration signal of hydro-generator set， the characteristics and mechanism of vibration signal caused by the eccentric wears of bearings or runner are analyzed， and the digital envelope detection technique based on Hilbert transform is also put forward. The practical application shows that the method can effectively detect the vibration caused by eccentric wears. The method can be used in the design and implementation of online monitoring and fault diagnosis system for hydropower generating sets．

Hilbert transform; fault diagnosis; impact signal; eccentric wear; hydro-generator set

2017- 01- 20

鄭杰(1970—)，男，福建福州人，高級工程師，碩士，主要研究方向?yàn)樗娺\(yùn)行和檢修優(yōu)化．

TM301.42;TM312

A

0559- 9342(2017)08- 0094- 05