В этом примере показано, как анализировать сигнал вибрации, использующий анализ порядка. Прикажите, чтобы анализ использовался, чтобы определить количество шума или вибрации во вращающемся машинном оборудовании, скорость вращения которого изменяется в зависимости от времени. Порядок относится к частоте, которая является определенным кратным ссылочная скорость вращения. Например, сигнал вибрации с частотой, равной дважды вращательной частоте двигателя, соответствует порядку два и, аналогично, сигнал вибрации, который имеет частоту, равную 0.5 раза вращательной частоте двигателя, соответствует порядку 0,5. В этом примере порядки большой амплитуды полны решимости исследовать источник нежелательной вибрации в вертолетной каюте.
Введение
Этот пример анализирует симулированные данные о вибрации из акселерометра в каюте вертолета во время подготовительного периода, и двиньтесь вперед без усилий основного двигателя. Вертолет имеет несколько вращающихся компонентов, включая механизм, коробку передач, и основные роторы и роторы хвоста. Каждый компонент вращается в известном, фиксированной процентной ставке относительно основного двигателя, и каждый может способствовать нежелательной вибрации. Частота доминирующих компонентов вибрации может быть связана со скоростью вращения двигателя, чтобы исследовать источник высоко-амплитудной вибрации. Вертолет в этом примере имеет четыре лопатки и в основных роторах и в роторах хвоста. Важные компоненты вибрации от несущего винта вертолета могут быть найдены в целочисленных множителях вращательной частоты ротора, когда вибрация сгенерирована лопатками ротора.
Сигнал в этом примере является зависящим от времени напряжением, vib, произведенный на уровне fs равняйтесь 500 Гц. Данные включают rpm, угловая скорость турбинного механизма и векторный t из моментов времени. Отношение скорости ротора к скорости вращения двигателя для каждого ротора хранится в переменных mainRotorEngineRatio и tailRotorEngineRatio.
Сигнал частоты вращения двигателя обычно состоит из последовательности импульсов тахометра. tachorpm может использоваться, чтобы извлечь сигнал об/мин из сигнала импульса тахометра. tachorpm автоматически идентифицирует импульсные местоположения двухуровневой формы волны тахометра и вычисляет интервал между импульсами, чтобы оценить скорость вращения. В этом примере сигнал частоты вращения двигателя содержит скорость вращения, rpm, и следовательно никакое преобразование не необходимо.
Постройте частоту вращения двигателя и данные о 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')
Скорость вращения двигателя увеличивается во время подготовительного периода и уменьшений во время движения вперед без усилий. Амплитуда вибрации изменяется в зависимости от скорости вращения. Этот тип профиля об/мин типичен для анализа вибрации во вращающемся машинном оборудовании.
Визуализация данных Используя карту Частоты ОБ/МИН
Сигнал вибрации может визуализироваться в частотном диапазоне с помощью функционального rpmfreqmap. Эта функция вычисляет кратковременное преобразование Фурье сигнала и генерирует карту частоты ОБ/МИН. rpmfreqmap отображает карту в интерактивном окне графика, когда выходные аргументы не использованы.
Сгенерируйте и визуализируйте карту частоты ОБ/МИН для данных о вибрации.
rpmfreqmap(vib,fs,rpm)
Интерактивное окно рисунка производится rpmfreqmap содержит карту частоты ОБ/МИН, об/мин по сравнению с кривой времени, соответствующей карте и нескольким числовым индикаторам, которые могут использоваться, чтобы определить количество компонентов вибрации. Амплитуда карты представляет среднеквадратичную (RMS) амплитуду по умолчанию. Другой амплитудный выбор, включая пиковую амплитуду и степень, может быть задан с дополнительными аргументами. Кнопка меню графика водопада генерирует 3D представление:
Многие дорожки в картах частоты ОБ/МИН имеют частоты, которые увеличиваются и уменьшаются с частотой вращения двигателя. Это предполагает, что дорожки являются порядками моторной вращательной частоты. Существуют высоко-амплитудные компоненты около пика об/мин с частотами между 20 и 30 Гц. Курсор перекрестия может быть установлен на карту в этом местоположении, чтобы просмотреть частоту, значение об/мин, время, и сопоставить амплитуду в полях индикатора ниже кривой об/мин.
По умолчанию, rpmfreqmap вычисляет разрешение путем деления частоты дискретизации на 128. Разрешение отображено в нижнем правом углу фигуры и равно 3,906 Гц в этом случае. Окно Hann используется по умолчанию, но несколько других окон доступны.
Передайте меньшее значение разрешения rpmfreqmap разрешить определенные частотные составляющие лучше. Например, низкочастотные компоненты не разделяются на уровне пикового об/мин. В низких значениях об/мин высоко-амплитудные дорожки, кажется, смешиваются вместе.
Сгенерируйте карту частоты ОБ/МИН с разрешением 1 Гц, чтобы разрешить эти компоненты.
rpmfreqmap(vib,fs,rpm,1)
Низкочастотные компоненты могут теперь быть разрешены на уровне пикового об/мин, но существует значительный подарок смазывания, когда скорость вращения изменяется более быстро. Частота изменения порядков вибрации в течение каждого раза окно как частота вращения двигателя увеличивается или уменьшается, производя более широкую спектральную дорожку. Этот эффект смазывания является более явным для более прекрасного разрешения из-за более длинных окон времени, которые требуются. В этом случае улучшение спектрального разрешения привело к увеличенным артефактам смазывания во время подготовительного периода, и двиньтесь вперед без усилий фазы. Карта порядка может быть сгенерирована, чтобы избежать этого компромисса.
Визуализация данных Используя карту Порядка ОБ/МИН
Функциональный rpmordermap генерирует спектральную карту порядка по сравнению с об/мин для анализа порядка. Подход удаляет артефакты смазывания путем передискретизации сигнала в постоянном шаге фазы, создания стационарной синусоиды для каждого порядка. Передискретизируемый сигнал анализируется с помощью кратковременного преобразования Фурье. Поскольку каждый порядок является фиксированным кратным ссылочная скорость вращения, карта порядка содержит прямую дорожку порядка в зависимости от об/мин для каждого порядка.
Функциональный rpmordermap принимает те же аргументы как rpmfreqmap и также производит интерактивное окно графика, когда названо без выходных аргументов. Параметр разрешения теперь задан в порядках, а не в Гц, и спектральная ось карты является теперь порядком, а не частотой. Функция использует окно стрижки под ежика по умолчанию.
Визуализируйте карту порядка вертолетных данных с помощью rpmordermap. Задайте разрешение порядка 0,005 порядков.
rpmordermap(vib,fs,rpm,0.005)
Карта содержит прямую дорожку для каждого порядка, указывая, что вибрация происходит в фиксированном кратном моторная скорость вращения. Прикажите, чтобы карты дали возможность связывать каждый спектральный компонент с частотой вращения двигателя. Намазывающие артефакты значительно уменьшаются по сравнению с картой частоты ОБ/МИН.
Определение пиковых порядков Используя средний спектр порядка
Затем определите местоположения peaks карты порядка. Ищите порядки, которые являются целочисленными множителями порядка основных роторов и роторов хвоста, где вибрация, сгенерированная этими роторами, произошла бы. Функциональный rpmordermap возвращает карту и соответствующий порядок и значения об/мин как выходные параметры. Анализируйте данные, чтобы определить порядки высоко-амплитудной вибрации в вертолетной каюте.
Вычислите и возвратите карту порядка данных.
[map,mapOrder,mapRPM,mapTime] = rpmordermap(vib,fs,rpm,0.005);
Затем используйте orderspectrum вычислить и построить средний спектр map. Функция берет карту порядка, сгенерированную rpmordermap как введено и средние значения это в зависимости от времени.
figure orderspectrum(map,mapOrder)
Возвратите средний спектр и вызовите findpeaks возвратить местоположения двух самых высоких peaks.
[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 доминирующих peaks видны вокруг порядка 0.05 в графике. Порядки меньше того, потому что частота вибрации ниже что скорость вращения двигателя.
Анализ пиковых порядков в зависимости от времени
Затем найдите амплитуды пиковых порядков в зависимости от времени с помощью ordertrack. Используйте map как вход и график амплитуда двух пиков заказывает путем вызова ordertrack без выходных аргументов.
ordertrack(map,mapOrder,mapRPM,mapTime,peakOrders)
Оба порядка увеличиваются в амплитуде как скорость вращения моторных увеличений. Несмотря на то, что порядки могут быть легко разделены в этом случае, ordertrack может также разделить пересекающиеся порядки, когда несколько сигналов об/мин присутствуют.
Затем извлеките порядковый сигнал временной области для каждого пикового порядка с помощью orderwaveform. Прикажите, чтобы формы волны могли быть сравнены непосредственно с исходным сигналом вибрации и воспроизведены как аудио. orderwaveform использует Vold-фильтр-Калмана, чтобы извлечь формы волны порядка для заданных порядков. Сравните сумму двух форм волны пикового порядка к исходному сигналу.
orderWaveforms = orderwaveform(vib,fs,rpm,peakOrders); helperPlotOrderWaveforms(t,orderWaveforms,vib)
Сокращение вибрации каюты
Чтобы идентифицировать источники вибрации каюты, сравните порядок каждого пика к порядку каждого из роторов вертолета. Порядок каждого ротора равен фиксированному отношению скорости ротора к скорости 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 в порядке четыре из основной скорости ротора, таким образом, частота максимально-амплитудного компонента является четыре раза частотой основного ротора. Основной ротор, который имеет четыре лопатки, является хорошим кандидатом на источник этой вибрации, потому что для вертолета с лопатками N на ротор вибрацию во времена N скорость вращения ротора распространена. Аналогично, второй по величине компонент расположен в порядке одна из скорости ротора хвоста, предположив, что вибрация может произойти из ротора хвоста. Поскольку скорости роторов не связаны целочисленным коэффициентом, порядок второго по величине пика относительно основной скорости ротора не является целым числом.
После создания дорожки и корректировок баланса основных роторов и роторов хвоста, собран 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 доминирующего peaks теперь значительно ниже.
Заключения
Этот пример использовал анализ порядка, чтобы идентифицировать основные роторы и роторы хвоста вертолета как потенциальные источники высоко-амплитудной вибрации в каюте. Во-первых, rpmfreqmap и rpmordermap использовались, чтобы визуализировать порядки. Карта порядка ОБ/МИН обеспечила разделение порядка в области значений об/мин без артефактов смазывания, существующих в карте частоты ОБ/МИН. rpmordermap лучший выбор состоял в том, чтобы визуализировать компоненты вибрации на уровне более низкого об/мин во время подготовительного периода механизма и двинуться вперед без усилий.
Затем пример использовал orderspectrum идентифицировать пиковые порядки, ordertrack визуализировать амплитуду пика заказывает в зависимости от времени, и orderwaveform извлекать формы волны временного интервала для пиковых порядков. Порядок самого большого амплитудного компонента вибрации был найден на четыре раза вращательной частоте основного ротора, указав на неустойчивость в основных лопатках ротора. Второй по величине компонент был найден на вращательной частоте ротора хвоста. Корректировки роторов привели к сниженным уровням вибрации.
Ссылки
Брандт, Андерс. Шум и анализ вибрации: анализ сигнала и экспериментальные процедуры. Чичестер, Великобритания: Джон Вайли и сыновья, 2011.
orderspectrum | ordertrack | orderwaveform | rpmfreqmap | rpmordermap