В этом примере показано, как анализировать вибросигнал с помощью анализа порядка. Анализ порядка используется для количественной оценки шума или вибрации во вращающемся оборудовании, скорость вращения которого изменяется с течением времени. Порядок относится к частоте, которая является определенной кратной опорной скорости вращения. Например, сигнал вибрации с частотой, равной удвоенной частоте вращения двигателя, соответствует порядку двух, и аналогично сигнал вибрации, который имеет частоту, равную 0,5 кратной частоте вращения двигателя, соответствует порядку 0,5. В этом примере определяются порядки большой амплитуды для исследования источника нежелательной вибрации в кабине вертолета.
Введение
В этом примере анализируются смоделированные данные вибрации акселерометра в кабине вертолета во время опробования и спуска главного двигателя. Вертолёт имеет несколько вращающихся компонентов, включая двигатель, коробку передач, основной и хвостовой роторы. Каждый компонент вращается с известной фиксированной скоростью относительно главного двигателя, и каждый может способствовать нежелательной вибрации. Частота доминирующих вибрационных составляющих может быть связана со скоростью вращения двигателя для исследования источника высокоамплитудной вибрации. Вертолет в этом примере имеет четыре лопасти как в основном, так и в хвостовом роторах. Важные компоненты вибрации от ротора вертолета могут быть обнаружены на целых кратных частоте вращения ротора, когда вибрация генерируется лопастями ротора.
Сигнал в этом примере является зависящим от времени напряжением, vib, отбирается со скоростью fs равно 500 Гц. Данные включают: rpmугловая скорость турбомотора и вектор t моментов времени. Отношение частоты вращения ротора к частоте вращения двигателя для каждого ротора сохраняется в переменных mainRotorEngineRatio и tailRotorEngineRatio.
Сигнал скорости двигателя обычно состоит из последовательности импульсов тахометра. tachorpm может быть использовано для извлечения сигнала частоты вращения из импульсного сигнала тахометра. tachorpm автоматически определяет местоположения импульсов сигнала двухуровневого тахометра и вычисляет интервал между импульсами для оценки скорости вращения. В этом примере сигнал скорости двигателя содержит скорость вращения, rpm, и, следовательно, преобразование не требуется.
Постройте график скорости двигателя и вибрации как функции времени:
load helidata vib = vib - mean(vib); % Remove the DC component subplot(2,1,1) plot(t,rpm) % Plot the engine rotational speed xlabel('Time (s)') ylabel('Engine Speed (RPM)') title('Engine speed') subplot(2,1,2) plot(t,vib) % Plot the vibration signal xlabel('Time (s)') ylabel('Voltage (mV)') title('Accelerometer Vibration Data')
Частота вращения двигателя увеличивается во время опробования и уменьшается во время опускания. Амплитуда колебаний изменяется в зависимости от скорости вращения. Этот тип профиля частоты вращения типичен для анализа вибрации во вращающемся оборудовании.
Визуализация данных с использованием карты частоты вращения
Сигнал вибрации может быть визуализирован в частотной области с помощью функции rpmfreqmap. Эта функция вычисляет кратковременное преобразование Фурье сигнала и генерирует карту частоты вращения. rpmfreqmap отображает карту в интерактивном окне графика, если выходные аргументы опущены.
Создание и визуализация карты частоты вращения для данных вибрации.
rpmfreqmap(vib,fs,rpm)
Интерактивное окно фигуры, созданное rpmfreqmap содержит карту частоты вращения, кривую зависимости частоты вращения от времени, соответствующую карте, и несколько цифровых индикаторов, которые можно использовать для количественной оценки компонентов вибрации. Амплитуда карты по умолчанию представляет амплитуду среднеквадратического значения (среднеквадратичного значения). Другие варианты амплитуды, включая пиковую амплитуду и мощность, могут быть заданы с помощью необязательных аргументов. Кнопка меню графика водопада создает трехмерный вид:
Многие дорожки в картах частоты вращения имеют частоты, которые увеличиваются и уменьшаются с частотой вращения двигателя. Это говорит о том, что дорожки имеют порядок частоты вращения двигателя. Вблизи пика оборотов находятся высокоамплитудные составляющие с частотами от 20 до 30 Гц. Курсор перекрестия можно разместить на карте в этом месте для просмотра частоты, значения RPM, времени и амплитуды карты в окнах индикаторов под кривой RPM.
По умолчанию rpmfreqmap вычисляет разрешение путем деления частоты дискретизации на 128. Разрешение отображается в правом нижнем углу рисунка и в этом случае равно 3,906 Гц. По умолчанию используется окно Ганна, но доступно несколько других окон.
Передайте меньшее значение разрешения в rpmfreqmap для лучшего разрешения определенных частотных компонентов. Например, низкочастотные компоненты не разделяются при пиковой частоте вращения. При низких значениях оборотов в минуту дорожки с высокой амплитудой, по-видимому, смешиваются вместе.
Для разрешения этих компонентов создайте карту частоты вращения с разрешением 1 Гц.
rpmfreqmap(vib,fs,rpm,1)
Низкочастотные компоненты теперь могут быть разрешены при пиковой скорости вращения, но имеется значительное размазывание, когда скорость вращения изменяется быстрее. Сигналы вибрации изменяют частоту в каждом временном окне, когда скорость двигателя увеличивается или уменьшается, создавая более широкую спектральную дорожку. Этот эффект размазывания более выражен для более тонкого разрешения из-за более длительных временных окон, которые требуются. В этом случае улучшение спектрального разрешения приводило к увеличению артефактов размазывания на этапах опробования и спуска. Во избежание этого компромисса можно создать карту заказов.
Визуализация данных с использованием карты порядка RPM
Функция rpmordermap генерирует спектральную карту порядка в сравнении с RPM для анализа порядка. Подход удаляет артефакты размазывания путем повторной дискретизации сигнала с постоянным приращением фазы, создавая неподвижную синусоиду для каждого порядка. Повторно дискретизированный сигнал анализируется с использованием кратковременного преобразования Фурье. Поскольку каждый порядок является фиксированным кратным опорной скорости вращения, карта порядка содержит прямую дорожку порядка как функцию RPM для каждого порядка.
Функция rpmordermap принимает те же аргументы, что и rpmfreqmap а также создает интерактивное окно графика при вызове без выходных аргументов. Параметр разрешения теперь задается в порядках, а не в Гц, и спектральная ось карты теперь имеет порядок, а не частоту. По умолчанию функция использует окно с плоским верхом.
Визуализация карты заказа данных вертолета с помощью rpmordermap. Укажите разрешение заказа 0,005 заказов.
rpmordermap(vib,fs,rpm,0.005)
Карта содержит прямую дорожку для каждого порядка, указывающую, что вибрация происходит при фиксированном кратном числе оборотов двигателя. Карты порядка позволяют легко соотнести каждую спектральную составляющую со скоростью двигателя. Артефакты размазывания значительно снижены по сравнению с картой частоты вращения.
Определение пиковых заказов с использованием среднего спектра заказов
Затем определите местоположения пиков карты порядка. Ищите порядки, которые являются целыми кратными порядку главного и хвостового роторов, где возникает вибрация, генерируемая этими роторами. Функция rpmordermap возвращает в качестве выходных данных карту и соответствующие значения порядка и RPM. Проанализируйте данные для определения порядка высокоамплитудных колебаний в кабине вертолета.
Вычислите и верните карту порядка данных.
[map,mapOrder,mapRPM,mapTime] = rpmordermap(vib,fs,rpm,0.005);
Далее используйте orderspectrum для вычисления и построения графика среднего спектра map. Функция принимает карту заказов, сгенерированную rpmordermap в качестве входных данных и усредняет их во времени.
figure orderspectrum(map,mapOrder)
Возврат среднего спектра и вызова findpeaks для возврата расположений двух самых высоких пиков.
[spec,specOrder] = orderspectrum(map,mapOrder); [~,peakOrders] = findpeaks(spec,specOrder,'SortStr','descend','NPeaks',2); peakOrders = round(peakOrders,3)
peakOrders = 2×1
0.0520
0.0660
Два близко расположенных доминантных пика можно увидеть около порядка 0,05 на графике. Порядки меньше единицы, потому что частота вибрации ниже, чем частота вращения двигателя.
Анализ пиковых заказов во времени
Затем найдите амплитуды пиковых порядков как функцию времени, используя ordertrack. Использовать map как вход и график амплитуды двух пиковых порядков путем вызова ordertrack без выходных аргументов.
ordertrack(map,mapOrder,mapRPM,mapTime,peakOrders)
Оба порядка увеличиваются в амплитуде по мере увеличения скорости вращения двигателя. Хотя в этом случае заказы можно легко разделить, ordertrack может также разделять порядки пересечения при наличии нескольких сигналов RPM.
Затем извлеките форму сигнала порядка временной области для каждого пикового порядка, используя orderwaveform. Сигналы порядка могут сравниваться непосредственно с исходным вибрационным сигналом и воспроизводиться в виде звука. orderwaveform использует фильтр Vold-Kalman для извлечения форм сигналов порядка для указанных порядков. Сравните сумму двух сигналов пикового порядка с исходным сигналом.
orderWaveforms = orderwaveform(vib,fs,rpm,peakOrders); helperPlotOrderWaveforms(t,orderWaveforms,vib)
Снижение вибрации кабины
Для идентификации источников вибрации кабины сравните порядок каждого пика с порядком каждого из роторов вертолета. Порядок каждого ротора равен фиксированному отношению частоты вращения ротора к частоте вращения двигателя.
mainRotorOrder = mainRotorEngineRatio; tailRotorOrder = tailRotorEngineRatio; ratioMain = peakOrders/mainRotorOrder
ratioMain = 2×1
4.0310
5.1163
ratioTail = peakOrders/tailRotorOrder
ratioTail = 2×1
0.7904
1.0032
Самый высокий пик расположен на порядка четырёх оборотов основного ротора, поэтому частота максимально-амплитудной составляющей в четыре раза превышает частоту основного ротора. Основной ротор, который имеет четыре лопасти, является хорошим кандидатом для источника этой вибрации, потому что для вертолета с N лопастями на ротор вибрация в N раз больше частоты вращения ротора является общей. Аналогично, второй по величине компонент расположен на расстоянии порядка одной скорости хвостового ротора, предполагая, что вибрация может исходить от хвостового ротора. Поскольку скорости роторов не связаны целочисленным коэффициентом, порядок второго наибольшего пика относительно частоты вращения основного ротора не является целым числом.
После выполнения регулировок пути и баланса основного и хвостового роторов собирается новый набор данных. Загрузите его и сравните спектры порядка до и после корректировки.
load helidataAfter vib = vib - mean(vib); % Remove the DC component [mapAfter,mapOrderAfter] = rpmordermap(vib,fs,rpm,0.005); figure hold on orderspectrum(map,mapOrder) orderspectrum(mapAfter,mapOrderAfter) legend('Before Adjustment','After Adjustment')
Амплитуды доминирующих пиков теперь значительно ниже.
Заключения
В этом примере использовался анализ порядка для идентификации основного и хвостового роторов вертолета как потенциальных источников высокоамплитудных колебаний в салоне. Во-первых, rpmfreqmap и rpmordermap использовались для визуализации заказов. Карта RPM-порядка обеспечивала разделение порядка по всему диапазону RPM без артефактов размазывания, присутствующих в карте RPM-частоты. rpmordermap был лучшим выбором для визуализации вибрационных компонентов при более низких оборотах во время опробования двигателя и спуска.
Далее используется пример orderspectrum для определения пиковых заказов, ordertrack для визуализации амплитуды пиковых порядков во времени, и orderwaveform для извлечения сигналов временной области для пиковых порядков. Порядок наибольшей амплитудной составляющей колебаний был найден при четырехкратной частоте вращения основного ротора, указывающей на дисбаланс в лопатках основного ротора. Второй по величине компонент был найден на частоте вращения хвостового ротора. Регулировка роторов приводила к снижению уровня вибрации.
Ссылки
Брандт, Андерс. Анализ шума и вибрации: анализ сигналов и экспериментальные процедуры. Чичестер, Великобритания: Джон Уайли и сыновья, 2011.
orderspectrum | ordertrack | orderwaveform | rpmfreqmap | rpmordermap