基于Hilbert變換的水輪發電機組振動沖擊信號自動檢測技術及應用研究

鄭 杰

(福建水口發電集團有限公司，福建福州350004)

基于Hilbert變換的水輪發電機組振動沖擊信號自動檢測技術及應用研究

鄭 杰

(福建水口發電集團有限公司，福建福州350004)

為了實現了對水輪發電機組振動沖擊信號的自動識別檢測，對由于軸承偏磨或轉輪碰磨引起的振動沖擊信號的特征和機理進行了分析，同時提出了基于Hilbert變換的數字包絡檢測技術。通過實際應用表明，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，可用于水電站機組在線狀態監測和故障診斷系統的設計和實現。

Hilbert變換；故障診斷；沖擊信號；碰磨；水輪發電機組

0 概 述

沖擊振動是一種常見的受迫振動，對于水輪機，較容易引起沖擊振動的原因主要為水導導軸承偏磨以及水輪機轉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周期性沖擊振動，由于沖擊力而引起的局部變形和反彈運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。

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軸承偏磨及水輪機轉輪與固定部件弱碰磨故障的重要手段。本文從產生周期性沖擊信號的機理出發，提出了基于Hilbert變換的數字包絡檢測技術對水輪發電機組沖擊振動信號進行診斷識別方法，結合水口發電集團有限公司所建立的遠程綜合分析診斷系統，闡述了該技術在實際中的應用。

1 水輪發電機組產生沖擊信號的原因及特征

沖擊信號是水輪發電機運行中一種復雜的故障信號，是瞬間疊加并調制于基礎波的一種信號，說明該沖擊信號很可能是由轉軸與基礎固件瞬間接觸形成的。因此，產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，在間隙小的地方轉軸擠壓致油盤根造成蓋板受力振動或變形，產生沖擊信號，特別是鋁制的軸承蓋板更容易產生此類問題。②主軸隨動密封的使用安裝偏心，容易產生沖擊信號。③機組振動擺度數值偏大，容易產生沖擊信號。

對于水輪發電機組，其運行過程中產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穩定的沖擊信號會周期性出現，因而引起的沖擊共振信號會周期性出現，機組旋轉一周，該信號就會出現一次或多次。③沖擊信號會引起短時高頻的共振信號會被轉速頻率調制。④該共振信號能被軸振動(擺度)、機架或頂蓋徑向振動測點檢測出來，但經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在高頻段，而且改信號常常被周期性的1X振動信號調制，信號幅值并不是很強，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都不能識別出部件與轉動部件之間發生相碰故障，采用常規的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)變換原理的包絡解調技術實現沖擊信號檢測。

2 希爾伯特(Hilbert)變換原理及數字包絡解調技術概述

2.1 希爾伯特(Hilbert)變換概述

希爾伯特變換是一種“運算”，它是在時域上用系統的沖激響應卷積信號來實現。希爾伯特變換還可以用變換器的頻率響應來解釋：即實信號的正頻譜部分逆時針轉90°，負頻率部分逆時針轉90°，變換后的信號與原信號構成附屬信號，其頻譜只有正頻譜，即所謂的單邊帶信號。

經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，因而它在許多領域，特別是信號處理、通信領域得到廣泛應用。在許多科學領域的信號處理中，都需要提取信號的包絡信息。如在機械故障診斷中，用振動信號的包絡進行診斷是一種行之有效的方法。目前最常用的信號包絡提取方法就是希爾伯特變換。

相比于其他方法實現的包絡檢波器，希爾伯特變換實現的包絡檢波器對包絡信號提取的更加平滑，提取的包絡信號更加清晰正確，在實際應用中有這突出的優勢，具有很強的現實應用意義。

希爾伯特變換(HT)是從實信號xr(t)產生一個新的實信號xht(t)的數學處理過程，如圖1所示。

圖1 連續希爾伯特變換

這里，必須要保證xht(t)與xr(t)有90°的相移。在開始下面內容之前，首先確認上圖中的符號。圖1中，xr(t)表示實值的連續時域輸入信號；h(t)表示希爾伯特變換的時間沖激響應；xht(t)為xr(t)的Hilbert變換(xht(t)也是一個實的時域信號)；Xr(ω)為輸入實信號xht(t)的傅立葉變換；H(ω)為希爾伯特變換的頻率響應(復數)；Xht(ω)為輸出信號xht(t)的傅立葉變換；ω為連續的角頻率，rad/s；t為連續時間，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)的負頻率成分等于xr(t)的負頻率成分加上+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)變換的包絡解調原理

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

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

(1)

復信號xc(t)是一個解析信號(因為它沒有負頻率成分)，它的實部等于原始實輸入信號xr(t)，而關鍵是它的虛部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變換的包絡解調原理

如果實正弦波xr(t)包含幅度調制(調幅)的信號，其包絡包含信號的解析信號

(2)

由此可以看出，信號的包絡為xc(t)的幅值(模)。通過對原始信號xr(t)進行Hilbert變換得到xi(t)，就可以計算出得到xr(t)的包絡信號E(t)。

3 基于Hilbert變換的數字包絡解調的振動沖擊信號檢測技術

圖5 沖擊信號的水導擺度波形

圖6 水導擺度的包絡信號

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的沖擊共振信號。圖5是經過窄帶濾波器濾波以后包含沖擊信號的水導擺度波形,可以看出，機組在水導擺度中存在一個周期性出現的高頻沖擊信號。

(2)數字包絡檢測。經過窄帶濾波以后的共振信號無法直接采用FFT進行頻率識別，需要采用Hilbert變換進行包絡檢測，檢測出沖擊信號包絡信號，水導擺度的包絡信號如圖6所示。可以看到，機組水導擺度包絡信號中存在一個周期性的包絡，該包絡是周期性沖擊振動共振信號的包絡，并且與圖5水導擺度中的沖擊信號是對應的。

(3)包絡譜識別。在求得包絡波形以后，對包絡波形進行FFT(快速傅立葉)變換，獲得包絡信號的頻譜圖，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包絡譜中可以清楚看到，信號的主頻(幅值最大)是機組轉速頻率，其余大幅值頻率全部是該頻率的高次諧波，從而可以得出結論：由沖擊信號引起的沖擊每個周期一次。

圖7 水導擺度包絡信號頻譜

表1 沖擊信號檢測辨識參數

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及判定規則

綜合上述說明，需根據以下幾個特征參數進行振動沖擊信號識別：①A1，A2，A3為沖擊包絡譜1階、2階、3階主頻率信號幅值；②F1，F2，F3為沖擊包絡譜1階、2階、3階主頻率；③Φ1為沖擊包絡譜1階主頻率信號空間相位。在獲得上述特征參數后，振動沖擊信號存在的判定規則如下：

如果F1=1X或者F1=2X(1X為機組的1倍轉速頻率)，并且F2=2F1，F3=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Φ1則可以確定振動沖擊產生的方位。上式中，A1，A2，A3為最小能容忍的沖擊包絡的1階、2階、3階幅值。

4 實踐與應用

表1為采用本檢測算法，利用某機組水導擺度、頂蓋振動信號進行沖擊信號檢測的結果：(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可以看出該機組從某段期間檢測到多次沖擊包絡幅值超標，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則，證明發生多次轉輪碰磨。后經機組實際檢查核實，該機組轉輪確實在該時間段內發生了碰磨故障。

5 結 論

沖擊信號是水輪發電機運行中一種復雜的故障信號，長久以來由于在水輪發電機組線監測系統振動擺度監測系統一直以峰值、有效值等時域特征作為機組狀態的評價指標，無法對沖擊振動信號進行很好的監測，對此類故障的診斷和識別也一直是在線監測系統的盲區，此次在在線監測系統中首次引入了基于Hilbert變換的數字包絡檢測技術，很好的實現了對沖擊信號的檢測方法，能有助于轉輪碰磨和導軸偏磨等故障的快速在線識別，希望能夠把此技術在在線監測系統中得到大力的推廣，為提高機組的安全穩定運行貢獻力量。

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(責任編輯 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，主要研究方向為水電運行和檢修優化．

TM301.42;TM312

A

0559- 9342(2017)08- 0094- 05