一种基于频率幅值占比的设备故障诊断方法及系统与流程

1.本发明属于风电机组故障诊断领域，具体涉及一种基于频率幅值占比的设备故障诊断方法。

背景技术：

2.在风电机组故障诊断领域，识别机组振动信号频谱、包络谱中的故障特征是最为常用的诊断手段；在诊断故障时，既要分辨出能够表征故障的特征频率信号，也要判断故障特征频率的能量是否足够大，也就是所谓的“占优”。
3.一直以来，判断“占优”主要依靠诊断人员的主观感受，如图1所示，具体是某风电机组发电机de端轴承的包络谱，观察得知图中“占优”的频率为11.84hz、70.23hz和140.46hz，分别为该轴承保持架和滚动体故障特征频率，进而判断该轴承存在保持架和滚动体损伤。
4.在现有技术条件下，判断故障频率成分是否“占优”取决于分析人员的主观感受，对分析人员的水平和经验要求很高，给诊断工作带来了不确定性，在分析大规模数据时效率低下，也不利于故障诊断朝自动化和智能化的提升；同时，分析人员一般只是粗略、定性地判断故障频率成分是否“占优”，没有方法和工具来准确、定量地判断“占优”的程度；进而导致“占优”的程度没有发挥应有的价值。

技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种基于频率幅值占比的设备故障诊断方法及系统，将故障频率成分“占优”的程度作为一种全新的故障诊断信息供分析使用，解决了现有技术条件下分析人员主观判断故障频率成分幅值占比导致的诊断结果不准确、效率低的缺陷。
6.为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
7.本发明提供的一种基于频率幅值占比的设备故障诊断方法，包括以下步骤：
8.步骤1，获取待测设备的频谱图或包络谱图；
9.步骤2，在获取得到的频谱图或包络谱图上截取目标频率段；
10.步骤3，在获取得到的目标频率段截取目标幅值段，得到目标谱图；
11.步骤4，计算目标谱图中每个频率点幅值的占比；
12.步骤5，建立频率幅值占比谱；
13.步骤6，根据得到的频率幅值占比谱对设备故障进行诊断。
14.优选地，步骤2中，在获取得到的频谱图或包络谱图上截取目标频率段，具体方法是：
15.根据经验获取待测设备的故障频率分布范围；
16.根据得到的故障频率分布范围在频谱图或包络谱图上进行截取，得到目标频率段。
17.优选地，步骤3中，在获取得到的目标频率段截取目标幅值段，得到目标谱图，具体
方法是：
18.设定幅值阈值；
19.在获取得到的目标频率段上截取幅值大于幅值阈值的幅值段；
20.将幅值大于幅值阈值的幅值段中的每个频率点对应的幅值减去幅值阈值，得到目标幅值段，将得到的目标幅值段作为目标谱图。
21.优选地，设定幅值阈值的具体方法是：
22.计算目标频率段内所有频率点对应的幅值的平均值；
23.根据经验定义幅值因数；
24.将幅值因数和平均值相结合，得到幅值阈值。
25.优选地，步骤4中，计算目标谱图中每个频率点幅值的占比，具体方法是：
26.计算目标谱图中所有频率点对应的幅值的总和；
27.计算各个频率点对应的幅值占幅值总和的比值，得到每个频率点幅值的占比。
28.优选地，步骤5中，建立频率幅值占比谱，具体方法是：
29.将目标谱图的纵坐标对应的幅值更新为幅值占比，得到频率幅值占比谱。
30.一种基于频率幅值占比的设备故障诊断系统，包括：
31.谱图获取单元，用于获取待测设备的频谱图或包络谱图；
32.频率幅值占比谱构建单元，用于根据得到的频谱图或包络谱图构建频率幅值占比谱；
33.诊断单元，用于根据得到的频率幅值占比谱对设备故障进行诊断。
34.优选地，所述频率幅值占比谱构建单元包括：
35.目标频率段截取模块，用于在获取得到的频谱图或包络谱图上截取目标频率段；
36.目标谱图截取模块，用于在获取得到的目标频率段截取目标幅值段，得到目标谱图；
37.幅值占比计算模块，用于计算目标谱图中每个频率点幅值的占比；
38.频率幅值占比谱建立模块，用于建立频率幅值占比谱。
39.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
40.本发明提供的一种基于频率幅值占比的设备故障诊断方法，针对频谱、包络谱等频域信号，在谱图中截取有分析价值的“目标谱图”，在新的谱图中计算各个频率成分幅值与所有频率成分幅值总和的比值，建立“频率幅值占比谱”；在“频率幅值占比谱”中，故障频率成分的“占比”程度被定量地计算和展示出来，分析人员在判断故障频率成分是否“占优”时能够直观、准确地进行定量评估，避免了主观感受带来的不确定性。同时，故障频率成分的“占比”程度作为重要的故障特征信息，在积累大量数据案例后，可作为一种全新的诊断工具供分析人员使用；例如，采用本专利方法计算某风电机组齿轮箱“频率幅值占比谱”，其三级齿轮副啮合频率幅值占比为20％。在大量数据和案例积累的基础上，约定该型齿轮箱三级齿轮副是否啮合不良的阈值为10％，那么分析人员可立即诊断占比20％的齿轮箱存在啮合不良故障，并可通过监测频率幅值比例的变化趋势，评估故障发展变化情况。
附图说明
41.图1是某风电机组发电机de端轴承包络谱；
42.图2是本发明的流程示意图。
具体实施方式
43.下面结合附图，对本发明进一步详细说明。
44.如图2所示，本发明提供的一种基于频率幅值占比的设备故障诊断方法，包括以下步骤：
45.步骤1，获取待测设备的频谱图或包络谱图；
46.步骤2，在获取得到的频谱图或包络谱图上截取目标频率段；
47.步骤3，在获取得到的目标频率段截取目标幅值段；
48.步骤4，通过截取目标频率段和目标幅值段，绘制形成目标谱图；
49.步骤5，计算目标谱图中每个频率点幅值的占比；
50.步骤6，建立频率幅值占比谱；
51.步骤7，根据得到的频率幅值占比谱对设备故障进行诊断。
52.在目标谱图的基础上，各个频率点的纵坐标由幅值替换为幅值占比，形成新的谱图即“频率幅值占比谱”；该谱图是一种新的故障诊断工具，能够直观地展示各个频率点幅值占比情况。
53.具体地：
54.步骤2中，截取目标频率段具体方法是：
55.根据分析人员的诊断经验，确定诊断对象的故障频率分布范围，确定拟截取频率段(即目标频率段)的上限频率和下限频率。
56.例如，对于风电机组发电机轴承，无论是跑圈故障，还是内圈、外圈、保持架、滚动体故障，故障频率都分布在0hz～500hz，故确定目标频率段为0hz～500hz，上限频率定为500hz，下限频率定为0hz。
57.按照上、下限频率截取谱图，即在谱图中仅显示目标频率段内的频率点信息，目标频率段外的频率点幅值一律赋值为0并不予显示；通过截取目标频率段，去除无价值或不相关频率信息对故障频率成分幅值占比的影响。
58.步骤3中，截取目标幅值段的具体方法是：
59.首先，在目标频率段内，计算所有频率点幅值的平均值，记为vm；
60.其次，定义幅值因数c，c由分析人员根据经验确定，可以为整数也可以为小数，取值范围为1≤c≤5；
61.定义幅值阈值t，t＝c
×vm
；
62.接着，截取t以上的幅值段，即对目标频率段内幅值小于等于t的频率点幅值赋为0；
63.最后，对幅值大于t的每个频率点幅值均减掉t，得到目标幅值段，将得到的目标幅值段作为目标谱图。
64.该步骤中截取得到的目标幅值段，去除了低幅值频率点，留下了更具诊断价值的高幅值频率点；利用频谱分析进行故障诊断的核心思想之一就是辨别频谱中的高幅值频率点是否为故障频率，高幅值频率点与低幅值频率点相比更具诊断价值。
65.通过截取目标幅值段，在新的谱图中只保留高于阈值t的频率点，这样便突出了更
具诊断价值的高幅值频率点，在计算高幅值频率点幅值占比时得到更高的比值，有利于幅值占比作为诊断信息发挥作用。
66.例如，已确认某风电机组发电机轴承发生了严重的外圈损伤故障，若不截取目标幅值段直接计算各频率点幅值占比，则外圈损伤故障频率幅值占比计算结果为0.5％，与其他频率成分幅值占比相比并不突出，不便作为诊断信息使用。若截取目标幅值段，则外圈损伤故障频率幅值占比计算结果为10％，占比突出，便于作为诊断信息使用。
67.步骤4中，具体的计算方法是：
68.首先，计算目标谱图中所有频率点幅值总和；
69.最后，计算各个频率点幅值占幅值总和的比值。
70.各个频率点幅值占比，尤其是故障频率点幅值占比能够作为故障特征信息，供诊断人员统计、对比和分析使用。
71.步骤5中，建立频率幅值占比谱具体方法是：
72.在目标谱图的基础上，各个频率点的纵坐标由幅值替换为幅值占比，形成新的谱图即“频率幅值占比谱”；该谱图是一种新的故障诊断工具，能够直观地展示各个频率点幅值占比情况。
73.利用频率幅值占比谱，分析人员能够定量地、直观地评估所关心频率成分的幅值占比，把频率幅值占比作为故障特征信息；通过数据积累，对不同设备设置针对性、定制化的幅值占比阈值，将幅值占比作为与振动有效值、峭度同等重要的诊断参数，用来判断故障是否存在和分析故障劣化程度。例如，对于某型号风电机组齿轮箱，通过大量数据积累，诊断人员确定该齿轮箱三级齿轮副啮合频率成分幅值占比预警阈值为8％，报警阈值为15％；那么，若实际监测到的三级齿轮副啮合频率成分幅值占比为20％，则诊断该齿轮副严重啮合不良。本专利技术也可以为计算机智能识别故障和评估故障严重程度提供支撑。

技术特征：

1.一种基于频率幅值占比的设备故障诊断方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，获取待测设备的频谱图或包络谱图；步骤2，在获取得到的频谱图或包络谱图上截取目标频率段；步骤3，在获取得到的目标频率段截取目标幅值段，得到目标谱图；步骤4，计算目标谱图中每个频率点幅值的占比；步骤5，建立频率幅值占比谱；步骤6，根据得到的频率幅值占比谱对设备故障进行诊断。2.根据权利要求1所述的一种基于频率幅值占比的设备故障诊断方法，其特征在于，步骤2中，在获取得到的频谱图或包络谱图上截取目标频率段，具体方法是：根据经验获取待测设备的故障频率分布范围；根据得到的故障频率分布范围在频谱图或包络谱图上进行截取，得到目标频率段。3.根据权利要求1所述的一种基于频率幅值占比的设备故障诊断方法，其特征在于，步骤3中，在获取得到的目标频率段截取目标幅值段，得到目标谱图，具体方法是：设定幅值阈值；在获取得到的目标频率段上截取幅值大于幅值阈值的幅值段；将幅值大于幅值阈值的幅值段中的每个频率点对应的幅值减去幅值阈值，得到目标幅值段，将得到的目标幅值段作为目标谱图。4.根据权利要求3所述的一种基于频率幅值占比的设备故障诊断方法，其特征在于，设定幅值阈值的具体方法是：计算目标频率段内所有频率点对应的幅值的平均值；根据经验定义幅值因数；将幅值因数和平均值相结合，得到幅值阈值。5.根据权利要求1所述的一种基于频率幅值占比的设备故障诊断方法，其特征在于，步骤4中，计算目标谱图中每个频率点幅值的占比，具体方法是：计算目标谱图中所有频率点对应的幅值的总和；计算各个频率点对应的幅值占幅值总和的比值，得到每个频率点幅值的占比。6.根据权利要求1所述的一种基于频率幅值占比的设备故障诊断方法，其特征在于，步骤5中，建立频率幅值占比谱，具体方法是：将目标谱图的纵坐标对应的幅值更新为幅值占比，得到频率幅值占比谱。7.一种基于频率幅值占比的设备故障诊断系统，其特征在于，包括：谱图获取单元，用于获取待测设备的频谱图或包络谱图；频率幅值占比谱构建单元，用于根据得到的频谱图或包络谱图构建频率幅值占比谱；诊断单元，用于根据得到的频率幅值占比谱对设备故障进行诊断。8.根据权利要求7所述的一种基于频率幅值占比的设备故障诊断系统，其特征在于，所述频率幅值占比谱构建单元包括：目标频率段截取模块，用于在获取得到的频谱图或包络谱图上截取目标频率段；目标谱图截取模块，用于在获取得到的目标频率段截取目标幅值段，得到目标谱图；幅值占比计算模块，用于计算目标谱图中每个频率点幅值的占比；频率幅值占比谱建立模块，用于建立频率幅值占比谱。

技术总结

本发明提供的一种基于频率幅值占比的设备故障诊断方法及系统，包括以下步骤：步骤1，获取待测设备的频谱图或包络谱图；步骤2，在获取得到的频谱图或包络谱图上截取目标频率段；步骤3，在获取得到的目标频率段截取目标幅值段，得到目标谱图；步骤4，计算目标谱图中每个频率点幅值的占比；步骤5，建立频率幅值占比谱；步骤6，根据得到的频率幅值占比谱对设备故障进行诊断；本发明能够将故障频率成分的“占比”程度被定量地计算和展示出来，分析人员在判断故障频率成分是否“占优”时能够直观、准确地进行定量评估，避免了主观感受带来的不确定性。性。性。