Esta página aún no se ha traducido para esta versión. Puede ver la versión más reciente de esta página en inglés.

Análisis de orden de una señal de vibración

Este ejemplo muestra cómo analizar una señal de vibración mediante el análisis de orden. El análisis de pedidos se utiliza para cuantificar el ruido o la vibración en maquinaria giratoria cuya velocidad de rotación cambia con el tiempo. Una orden se refiere a una frecuencia que es un cierto múltiplo de una velocidad de rotación de referencia. Por ejemplo, una señal de vibración con una frecuencia igual al doble de la frecuencia de rotación de un motor corresponde a un orden de dos y, del mismo modo, una señal de vibración que tiene una frecuencia igual a 0,5 veces la frecuencia de rotación del motor corresponde a un orden de 0.5. En este ejemplo, las órdenes de gran amplitud se determinan para investigar la fuente de vibración no deseada en una cabina de helicóptero.

Introducción

En este ejemplo se analizan los datos de vibración simulados de un acelerómetro en la cabina de un helicóptero durante un arranque y la bajada del motor principal. Un helicóptero tiene varios componentes giratorios, incluyendo el motor, la caja de cambios y los rotores principal y de cola. Cada componente gira a una velocidad fija conocida con respecto al motor principal, y cada uno puede contribuir a vibraciones no deseadas. La frecuencia de los componentes de vibración dominantes puede estar relacionada con la velocidad de rotación del motor para investigar la fuente de vibración de gran amplitud. El helicóptero en este ejemplo tiene cuatro cuchillas en los rotores principal y de cola. Los componentes importantes de la vibración de un rotor de helicóptero se pueden encontrar en múltiplos enteros de la frecuencia de rotación del rotor cuando la vibración es generada por las cuchillas del rotor.

La señal en este ejemplo es una tensión dependiente del tiempo, , muestreada a una velocidad igual a 500 Hz.vibfs Los datos incluyen , la velocidad angular del motor de turbina, y un vector de instantes de tiempo.rpmt La relación entre la velocidad del rotor y la velocidad del motor para cada rotor se almacena en las variables y .mainRotorEngineRatiotailRotorEngineRatio

Una señal de velocidad del motor comúnmente consiste en una secuencia de pulsos de tacómetro. se puede utilizar para extraer una señal RPM de una señal de pulso del tacómetro. identifica automáticamente las ubicaciones de pulsos de una forma de onda de tacómetro binivel y calcula el intervalo entre pulsos para estimar la velocidad de rotación.tachorpmtachorpm En este ejemplo, la señal de velocidad del motor contiene la velocidad de rotación, y por lo tanto no se necesita ninguna conversión.rpm

Trazar la velocidad del motor y los datos de vibración como funciones del tiempo:

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')

La velocidad del motor aumenta durante el arranque y disminuye durante la reducción de costa. La amplitud de la vibración cambia en función de la velocidad de rotación. Este tipo de perfil de RPM es típico para analizar la vibración en maquinaria giratoria.

Visualización de datos mediante un mapa de frecuencia RPM

La señal de vibración se puede visualizar en el dominio de frecuencia utilizando la función .rpmfreqmap Esta función calcula la transformación de Fourier de corta distancia de la señal y genera un mapa de frecuencia RPM. muestra el mapa en una ventana de trazado interactiva cuando se omiten los argumentos de salida.rpmfreqmap

Genere y visualice un mapa de frecuencia RPM para los datos de vibración.

rpmfreqmap(vib,fs,rpm)

La ventana de figura interactiva producida por contiene un mapa de frecuencia RPM, una curva de RPM frente a tiempo correspondiente al mapa y varios indicadores numéricos que se pueden utilizar para cuantificar componentes de vibración.rpmfreqmap La amplitud del mapa representa la amplitud de la raíz media cuadrada (RMS) de forma predeterminada. Otras opciones de amplitud, incluida la amplitud máxima y la potencia, se pueden especificar con argumentos opcionales. El botón de menú de trazado de cascada genera una vista tridimensional:

Muchas de las pistas en los mapas de frecuencia RPM tienen frecuencias que aumentan y disminuyen con la velocidad del motor. Esto sugiere que las orugas son órdenes de la frecuencia de rotación del motor. Hay componentes de gran amplitud cerca del pico RPM, con frecuencias entre 20 y 30 Hz. El cursor en cruz se puede colocar en el mapa en esta ubicación para ver la frecuencia, el valor de RPM, el tiempo y la amplitud del mapa en los cuadros del indicador debajo de la curva RPM.

De forma predeterminada, calcula la resolución dividiendo la frecuencia de muestreo por 128.rpmfreqmap La resolución se muestra en la esquina inferior derecha de la figura, y es igual a 3.906 Hz en este caso. Una ventana Hann se utiliza de forma predeterminada, pero hay varias otras ventanas disponibles.

Pase un valor menor de la resolución para resolver mejor ciertos componentes de frecuencia.rpmfreqmap Por ejemplo, los componentes de baja frecuencia no se separan en las RPM máximas. A valores de RPM bajos, las pistas de alta amplitud parecen mezclarse.

Genere un mapa de frecuencia RPM con una resolución de 1 Hz para resolver estos componentes.

rpmfreqmap(vib,fs,rpm,1)

Los componentes de baja frecuencia ahora se pueden resolver en las RPM máximas, pero hay un frotis significativo presente cuando la velocidad de rotación está cambiando más rápidamente. Las órdenes de vibración cambian la frecuencia dentro de cada ventana de tiempo a medida que la velocidad del motor aumenta o disminuye, produciendo una pista espectral más amplia. Este efecto de frotis es más pronunciado para una resolución más fina debido a las ventanas de tiempo más largas que se requieren. En este caso, la mejora de la resolución espectral dio lugar a un aumento de los artefactos de manchado durante las fases de desmayo y reducción. Se puede generar un mapa de óseos para evitar esta compensación.

Visualización de datos mediante un mapa de orden RPM

La función genera un mapa espectral de orden frente a RPM para el análisis de óseos.rpmordermap El enfoque elimina los artefactos de manchado remuestreando la señal en incrementos de fase constantes, produciendo un sinusoides estacionario para cada orden. La señal remuestreada se analiza utilizando una transformación de Fourier de corto tiempo. Puesto que cada orden es un múltiplo fijo de la velocidad de rotación de referencia, un mapa de orden contiene una pista de orden recta en función de RPM para cada orden.

La función acepta los mismos argumentos que y también genera una ventana de trazado interactiva cuando se llama sin argumentos de salida.rpmordermaprpmfreqmap El parámetro de resolución ahora se especifica en órdenes, en lugar de en Hz, y el eje espectral del mapa ahora está en orden, en lugar de frecuencia. La función utiliza una ventana plana de forma predeterminada.

Visualice el mapa de orden de los datos del helicóptero utilizando .rpmordermap Especifique una resolución de pedido de 0.005 pedidos.

rpmordermap(vib,fs,rpm,0.005)

El mapa contiene una pista recta para cada orden, lo que indica que la vibración se produce a un múltiplo fijo de la velocidad de rotación del motor. Los mapas de pedidos facilitan la relación de cada componente espectral con la velocidad del motor. Los artefactos de mancha se reducen significativamente en comparación con el mapa de frecuencia RPM.

Determinación de pedidos máximos utilizando un espectro de pedidos promedio

A continuación, determine las ubicaciones de los picos del mapa de orden. Busque órdenes que sean múltiplos enteros del orden de los rotores principal y de cola, donde se produciría la vibración generada por estos rotores. La función devuelve el mapa y los valores de orden y RPM correspondientes como salidas.rpmordermap Analice los datos para determinar los órdenes de vibración de gran amplitud en la cabina del helicóptero.

Calcular y devolver un mapa de pedidos de los datos.

[map,mapOrder,mapRPM,mapTime] = rpmordermap(vib,fs,rpm,0.005);

A continuación, utilice para calcular y trazar el espectro promedio de .orderspectrummap La función toma el mapa de orden generado por como entrada y lo promedia con el tiempo.rpmordermap

figure orderspectrum(map,mapOrder)

Devuelve el espectro promedio y llama para devolver las ubicaciones de los dos picos más altos.findpeaks

[spec,specOrder] = orderspectrum(map,mapOrder);           [~,peakOrders] = findpeaks(spec,specOrder,'SortStr','descend','NPeaks',2); peakOrders = round(peakOrders,3)
peakOrders = 2×1

    0.0520
    0.0660

Se pueden ver dos picos dominantes estrechamente espaciados alrededor de la orden 0,05 en la gráfica. Las órdenes son menores que una porque la frecuencia de vibración es menor que la velocidad de rotación del motor.

Análisis de pedidos máximos a lo largo del tiempo

A continuación, busque las amplitudes de las órdenes de pico en función del tiempo utilizando .ordertrack Utilice como entrada y trace la amplitud de las dos órdenes de pico llamando sin argumentos de salida.mapordertrack

ordertrack(map,mapOrder,mapRPM,mapTime,peakOrders)

Ambas órdenes aumentan en amplitud a medida que aumenta la velocidad de rotación del motor. Aunque las órdenes se pueden separar fácilmente en este caso, también pueden separar las órdenes de cruce cuando hay señales múltiples RPM.ordertrack

A continuación, extraiga una forma de onda de orden de dominio de tiempo para cada orden de pico utilizando .orderwaveform Las formas de onda de pedido se pueden comparar directamente con la señal de vibración original y reproducirse como audio. utiliza el filtro Vold-Kalman para extraer formas de onda de pedido para pedidos especificados.orderwaveform Compare la suma de dos formas de onda de orden máximo con la señal original.

orderWaveforms = orderwaveform(vib,fs,rpm,peakOrders); helperPlotOrderWaveforms(t,orderWaveforms,vib)

Reducción de la vibración de la cabina

Para identificar las fuentes de la vibración de la cabina, compare el orden de cada pico con el orden de cada uno de los rotores del helicóptero. El orden de cada rotor es igual a la relación fija de la velocidad del rotor a la velocidad del motor.

mainRotorOrder = mainRotorEngineRatio;  tailRotorOrder = tailRotorEngineRatio;  ratioMain = peakOrders/mainRotorOrder
ratioMain = 2×1

    4.0310
    5.1163

ratioTail = peakOrders/tailRotorOrder
ratioTail = 2×1

    0.7904
    1.0032

El pico más alto se encuentra en el orden cuatro de la velocidad del rotor principal, por lo que la frecuencia del componente de amplitud máxima es cuatro veces la frecuencia del rotor principal. El rotor principal, que tiene cuatro cuchillas, es un buen candidato para la fuente de esta vibración porque, para un helicóptero con cuchillas por rotor, la vibración a veces la velocidad de rotación del rotor es común.NN Del mismo modo, el segundo componente más grande se encuentra en el orden uno de la velocidad del rotor de cola, lo que sugiere que la vibración puede originarse en el rotor de cola. Debido a que las velocidades de los rotores no están relacionadas por un factor entero, el orden del segundo pico más grande con respecto a la velocidad del rotor principal no es un entero.

Después de realizar ajustes de pista y equilibrio en los rotores principal y trasero, se recopila un nuevo conjunto de datos. Cárguelo y compare los espectros de orden antes y después del ajuste.

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')

Las amplitudes de los picos dominantes son ahora considerablemente más bajas.

Conclusiones

Este ejemplo utilizó el análisis de óseos para identificar los rotores principal y de cola de un helicóptero como fuentes potenciales de vibración de gran amplitud en la cabina. En primer lugar, y se utilizaron para visualizar pedidos.rpmfreqmaprpmordermap El mapa de orden RPM proporcionó la separación de pedidos en todo el rango de RPM sin los artefactos de manchado presentes en el mapa de frecuencia RPM. fue la mejor opción para visualizar los componentes de vibración a menores RPM durante el funcionamiento del motor y la reducción de la costa.rpmordermap

A continuación, el ejemplo utilizado para identificar órdenes de pico, para visualizar la amplitud de las órdenes de pico a lo largo del tiempo y para extraer formas de onda de dominio de tiempo para las órdenes de pico.orderspectrumordertrackorderwaveform El orden del componente de vibración de mayor amplitud se encontró en cuatro veces la frecuencia de rotación del rotor principal, lo que indica un desequilibrio en las cuchillas principales del rotor. El segundo componente más grande se encontró en la frecuencia de rotación del rotor de cola. Los ajustes en los rotores resultaron en niveles de vibración reducidos.

Referencias

Brandt, Anders. .Noise and Vibration Analysis: Signal Analysis and Experimental Procedures Chichester, Reino Unido: John Wiley and Sons, 2011.