一種基于迭代奇異值分解的定頻干擾信號消除算法

黃東煜 張景潤 黃文波

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一種基于迭代奇異值分解的定頻干擾信號消除算法

黃東煜1張景潤2黃文波2

（1.海軍裝備部某軍代表室 2.華南理工大學）

采用經典的奇異值分解法難以消除旋轉裝置振動信號中混雜的定頻干擾信號。針對大型汽輪機旋轉裝置運行過程中信號存在定頻干擾的問題，研究一種迭代奇異值分解定頻干擾消除算法，用循環迭代經典奇異值分解法逐次提取出振動信號的主分量，對其頻譜特征中的定頻信號成分進行篩選并剔除。采用該方法對大型滑動軸承試驗裝置中采集的特征信號進行分析，結果表明：該方法能夠有效抑制定頻干擾信號，提高采集信號的信噪比，具有較好的工程應用價值。

可傾瓦滑動軸承；定頻干擾；迭代奇異值分解

0 引言

降低大型汽輪機旋轉裝置的噪聲是提高其性能的重要途徑。中低速狀態下，汽輪機的噪聲主要為機械振動噪聲，主要源于轉子系統在運行過程中產生的振動，因此降低汽輪機的機械振動是提高其性能的關鍵[1-2]。

徑向滑動軸承具有承載力大、功耗小、耐沖擊和運轉精度高等優點[3]，廣泛應用于汽輪機轉子系統的主支承軸承。油膜支承可傾瓦軸承是一種可自動調整自身工作狀態以適應負載條件變化的徑向滑動軸承，具有良好阻尼特性的雙層油膜支承結構和較好的承載性能，可提高軸承—轉子系統穩定性[4-5]。

本文以油膜支承可傾瓦軸承支撐的大型汽輪機振動信號為研究對象，通過模擬試驗臺采集轉子的振動信號，研究油膜支承可傾瓦軸承振動信號處理方法，以消除振動信號中的定頻干擾信號。采用經典奇異值分解法[6-7]消除定頻干擾時，需要滿足定頻分量對應的奇異值在奇異值譜中為最大值的條件。工程實踐中，通常是與轉子振動特征有關的信號分量較顯著，而定頻分量較弱，因而無法直接應用奇異值分解法消除振動信號中定頻干擾的影響[8-9]。

本文針對經典奇異值分解法在消除定頻干擾信號時的不足，研究一種基于迭代奇異值分解的定頻干擾信號消除算法。核心是以循環迭代經典奇異值分解法為基礎，逐次提取振動信號的主分量，并依據主分量的頻譜特征篩選定頻干擾信號成分。

1 基于迭代奇異值分解的定頻干擾消除

1.1 經典奇異值分解法

利用式(1)進行奇異值分解，將反映定頻干擾信號的奇異值置零；再利用式(2)重構矩陣，將矩陣中相應的項相加可還原信號，同時去除定頻干擾信號。

1.2 基于迭代奇異值分解的定頻干擾消除算法

基于迭代奇異值分解的定頻干擾消除算法采用優選差分譜峰值法確定有效奇異值階次，并用該有效階次重構信號來消除噪聲。信號的直流成分、交流成分和噪聲在奇異值譜中具有不同特點。若信號含直流成分，直流成分對應的奇異值較大，可將第一個奇異值和其余奇異值分為兩類；若信號不含直流分量，則將前兩個奇異值和其余奇異值分為兩類，這滿足經典奇異值分解法的應用條件。保留較大奇異值，而將其余較小奇異值置零，并重構時域信號。對重構的時域信號進行頻譜分析，如果為定頻基波、三次諧波，則該時域信號為待求定頻信號成分，由原信號減去該定頻信號成分得到。循環對剩余信號按以上方式處理，直到提取全部定頻信號成分。

基于迭代奇異值分解的定頻干擾信號消除算法流程如圖1所示。

圖1 迭代奇異值分解定頻干擾信號消除算法流程圖

2 測試裝置與數據采集

汽輪機模擬試驗臺裝置結構如圖2所示。

圖2 試驗裝置結構示意圖

試驗裝置架設在裝有空氣阻尼器的基座上，基座起到基礎隔振作用。伺服電機為試驗系統提供動力源，通過同步帶、傳動裝置和聯軸器帶動轉子轉動。同步帶傳動既保證傳動比的準確性，又可降低伺服電機振動的傳遞，且傳動裝置將同步帶拉力傳遞到基座上，使轉子只承受扭矩而不承受拉力。兩個軸承座和軸承為轉子系統的支承部分，通過隔振平臺架設在基座上，將轉子與伺服電機和傳動裝置隔離，從而降低伺服電機和傳動裝置的振動對轉子的影響。轉子兩端的推力軸承可防止轉子產生軸向竄動。稀油站提供試驗裝置所需的潤滑油。測試系統通過電渦流位移傳感器、加速度傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器和轉速光電傳感器等采集試驗裝置數據。控制系統用于控制伺服電機、稀油站和測試系統的正確運行。

LMS數據采集系統如圖3所示，用于采集傳感器數據。該數據采集系統具有16個數據采集通道硬件以及Test.Lab數據采集與分析軟件，數據采集系統硬件、軟件能較好地滿足試驗需求。

圖3 LMS數據采集系統

圖4 試驗臺及電渦流位移傳感器安裝示意圖

圖5 電渦流位移傳感器安裝位置

3 試驗與結果分析

以試驗臺旋轉裝置獲取的振動信號為例，分析迭代算法的工程應用效果。原始信號如圖6(a)所示，其中含有多個定頻干擾信號并且噪聲幅值較大。

圖6 試驗臺旋轉裝置振動信號的波形及頻譜

根據圖1的算法流程，信號處理分為6個步驟。

圖7 試驗臺振動信號降噪后的波形及頻譜

圖8 直流分量的波形及頻譜

圖9 主分量的波形及頻譜

5）根據圖1迭代算法，判斷結果為未獲取全部定頻干擾成分，返回到步驟4）。

圖10 主分量的波形及頻譜

圖11 主分量X3的波形及頻譜

圖12 主分量的波形及頻譜

圖13 振動信號消除定頻干擾和噪聲后的波形及頻譜

比較圖13與圖6可以發現：振動信號的定頻干擾和噪聲被剔除，可得到清晰的轉子特征成分。

圖14 定頻基波分量擬合前、后的對比

4 結論

針對汽輪機試驗平臺軸承振動特性的定頻干擾問題，提出了基于迭代奇異值分解的定頻干擾消除算法，將其應用在油膜支承可傾瓦軸承振動特性的試驗中。結果表明：該方法能夠有效去除振動測試信號中的定頻干擾成分，所提出的算法具有較好的工程應用價值。

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An Algorithm Based on Iterative Singular Value Decomposition for Eliminating Interference in Constant Frequency Signal

Huang Dongyu1Zhang Jingrun2Huang Wenbo2

(1.A Navy Representative Room of the General Equipment Department 2.South China University of Technology)

In order to solve the problem of constant-frequency-signal interference in rotating machinery signals, an algorithm based on singular value decomposition is proposed. This paper analyzes the characteristics of oil-film pivot tilting-pad bearing and builds a sliding bearing test system. Because the classical singular value decomposition method can not be directly applied to the constant-frequency-signal interference removal of mechanical vibration signals, an iterative singular value decomposition constant-frequency-signal interference cancellation algorithm is studied. It is a cyclic iterative classical singular value decomposition method to extract the main components of the vibration signal successively. And based on the main component of the spectrum features to filter out the frequency components. The experimental results show that this method can effectively suppress constant-frequency-signal interference and has certain engineering application value.

Tilting Pad Journal Bearing; Constant-Frequency-Signal Interference; Iterative Singular Value Decomposition

黃東煜，男，1968年生，碩士研究生，高級工程師，主要研究方向：質量控制與信息。E-mail: 1035805780@qq.com