T8-DSA-502 旋转机械 变速阶次跟踪分析

变转速工况 · 角域重采样 · 三维阶次全景

执行摘要

转速一变，频谱就"糊"——这是所有变频设备、启停机组、汽车动力总成测试的共同痛点：随转速游动的振动分量把谱峰拖成一片模糊，故障无处藏身也无处定位。阶次跟踪分析（Order Tracking）是解决这一问题的标准答案。本模块采用角域重采样算法，把"每转一圈"变成固定的采样标尺，让 1 阶、2 阶、齿轮啮合阶次等转速相关分量在阶次轴上钉成不动的谱线，再以三维阶次曲面图与二维色谱图全景呈现"转速—阶次—幅值"关系：阶次峰沿转速延伸，固有共振呈水平亮带，两者交叉点即临界转速——一张图看透整台设备的变转速动力特性。

亮点速览：

支持升降速段自动分离、参数防呆三提示、三向读值线定量、一键 Demo 仿真信号与全矩阵 CSV 导出——既能上工程现场诊断，也能进课堂演示教学。

一、软件功能

1.1 模块定位：把"游动的谱峰"钉在阶次轴上

常规 FFT 以时间为横轴，转速一变，1 倍频、齿轮啮合等分量就在频谱里左右"游动"，谱峰模糊、幅值失真。本模块把信号先变换到角度域——每转一圈固定采样点数，转速相关分量在阶次谱上变成不动的谱线；再按等转数分段计算阶次谱族，以 3D 瀑布图与 2D 色谱图两种视图全景呈现。

1.2 界面总览：三视图一屏联动

1.3 曲线窗口：五种显示内容

转速曲线——瞬时转速随时间变化（rpm—s），升速、降速、稳速全过程一目了然（图 1）；

切片 Order 频谱——色谱图上点选任一转速，即切出该转速的单帧阶次谱定量读值（图 2）；

全程通道波形——完整时域波形，确认信号有效性与量程状态（图 3）；

脉冲电压——键相传感器原始脉冲，检查探头安装与触发质量（图 4）；

累计角度——转速积分得到的转角曲线（Rad—s），时域到角域映射的中间结果，应光滑单调递增。

1.4 三维阶次曲面图：全交互读值

1.5 二维阶次色谱图：像素级细腻渲染

色谱图把整个"转速—阶次—幅值"数据体压缩为一张热力图：横轴阶次、纵轴转速（或时间）、颜色即幅值，右侧色标 9 档刻度。渲染采用像素级双向双线性插值，谱段间、阶次间平滑过渡，无马赛克色块；鼠标移动时左上角实时显示读值条（阶次/转速/幅值三数值跟随光标），单击即按转速就近切出该行阶次谱。色谱图纵轴恒为转速升序，升速段与降速段排列一致，可直接上下对比。

1.6 幅值制式与坐标模式

1.7 分析参数：防呆三提示

参数面板实时计算三条工程约束提示，设置错误当场暴露：每转采样点数下限（≥ 最高阶次 ×2.56，角域奈奎斯特加窗余量）、每转采样点数上限（≤ Fs ÷ 最高转速 Hz，避免无信息过插值）、所需记录长度（Record N≥ 提示）；每段内转速变化不超过 5% 是工业通用准则。

1.8 键相双模式与辅助功能

键相转速通道：键相传感器（光电/电涡流/磁电）每转一脉冲，2.5V 阈值捕获上升沿，测速精度最高；

无键相转速自追踪：无需键相传感器，直接从振动信号滑窗追踪 1 倍转频——没有键相探头也能做阶次分析；

8 通道任选 + 测试模式 Demo（一键生成 1000→5000→1000rpm 变转速 + 1/2/3 阶 + 固定共振峰标准信号）；

置顶显示、复制三维图到剪贴板、导出数据 CSV、使用帮助、中英双语界面。

二、应用场景

2.1 变频驱动设备的升降速分析

变频器、伺服驱动的电机、主轴、风机、泵在升/降速过程中扫过自身临界转速，是暴露共振问题最有效的试验工况。阶次跟踪把游动分量钉在阶次轴上，阶次峰（转速相关激励）与水平亮带（结构固有频率）一眼分明，交叉点即临界转速。

2.2 汽车与旋转机械 NVH 测试

发动机台架 Run-up/Coast-down、变速器齿轮啮合阶次分析、电动车减速器啸叫评价等场景，需要按转速归一化的阶次谱与 colormap 图作为标准交付——本模块转速/时间双轴与 dB/Line/Log 三制式可直接输出规范图谱。

2.3 机组启停机分析

汽轮机、压缩机、大型风机的启停机分析需要完整的"转速—阶次—幅值"数据体：升降速两个方向分别成图，临界转速滞后效应与油膜特性差异清晰可辨。

2.4 现场无键相快速诊断

大量现场设备并未安装键相传感器。无键相自追踪模式仅凭一路振动信号即可完成阶次分析，把"有键相才能做阶次跟踪"的门槛降为零，存量历史数据也能重新增值。

2.5 培训与演示

测试模式内置"阶次曲线族 + 水平共振带"十字特征的标准仿真信号，无需信号发生器与传感器即可向客户完整演示阶次跟踪全部功能。

三、测量目的

四、算法原理

4.1 处理流水线总览：六步一次完成

4.2 转速提取：键相与无键相双模式

键相模式：以 2.5V 阈值捕获全部上升沿时间戳，相邻脉冲间隔的倒数即瞬时转速（rpm=60/ΔT），时间戳取两脉冲中点，精度不受采样率栅栏效应影响；

无键相自追踪四步走：①1024 点滑窗、75% 重叠逐窗 FFT；②只在转速上下限换算的频率搜索带内取幅值**谱线（避免误拾 2、3 倍频或固定共振峰）；③抛物线插值精修峰位，频率精度达亚 Δf 级，消除转速曲线阶梯跳变；④转频 ×60 输出 rpm(t)。

4.3 时间-角度映射与等角度重采样

把转速换算为转频 f(t) 后逐点积分得到累计转角 θ(t)——时域中频率随转速变化的分量，在角度域中变成固定周期的平稳信号。等角度重采样以每转固定点数（默认 128 点）为角域采样率，在 θ(t) 上等角度取点，用三次 Hermite 插值求幅值；指针追赶法只前进不回溯，整段复杂度 O(N)。

4.4 等转数分段与阶次谱

按每段固定转数（默认 5 转）切分，每段独立完成"重采样→汉宁窗→基 2 FFT→单边幅值谱"；

阶次分辨率 = 1 ÷ 每段转数（5 转/段 → 0.20 阶）；每段平均转速用真实角度差计算，消除转速波动误差；

双重边界保护：段内点数不足或实际转数不足理论值 50% 即终止并废弃空段，杜绝伪谱线。

4.5 升降速自动分离与单调校验

以转速曲线峰值点为界自动拆分升速段与降速段；对每组做单调性校验修复，从根源上杜绝"转速微小回落导致谱段折返重叠覆盖"这一瀑布图常见缺陷。装载显示时谱段行序按纵轴数值升序归一化（色谱图底=低转速、3D 前边=低转速），两种视图读图习惯统一，切片与深度刻度不受影响。

4.6 谱图渲染

色谱图：像素级双向双线性插值，纵向在相邻谱段锚点间、横向在相邻阶次谱线间插值，幅值按 Line/dB/Log 归一化后查热力色表；插值只作用于显示，切片谱读出的永远是原始计算值。3D 图：画家算法由远及近绘制，任意视角遮挡关系正确，幅值色标与色谱图完全同口径；读值线由屏幕坐标逆投影反解阶次与谱段索引，X/Y/Z 三向虚线随读值框联动。

五、参考标准

GB/T 11348.2（等同 ISO 7919-2）《旋转机械转轴径向振动测量和评定》：启停机变工况振动评定方法框架，本模块的"转速—阶次—幅值"数据体为其临界转速评定提供直接输入；

ISO 20816 系列《机械振动 非旋转部件振动测量与评定》：机组总体振动评定的通用框架，可与本模块配合使用；

ISO 13373-1《机器状态监测 振动状态监测 第1部分：一般程序》：测点选择、测量参数与数据处理规范；

ISO 13379-1《机器状态监测与诊断 数据判读与诊断技术》：故障特征描述与诊断结论表述规范；

API 610 / API 617：石化行业离心泵与压缩机机组验收的通行参考，变速试验（性能/喘振试验）常需阶次跟踪数据支撑。

六、产品优点

七、操作指导

7.1 主界面与转速曲线

窗体为三视图布局：顶部单曲线窗口、中部 3D 阶次曲面、底部阶次色谱图，左侧为通道与参数设置面板。下图为主界面与瞬时转速曲线——Demo 信号以 1000→5000→1000 rpm 三角波变速，转速曲线光滑无跳变即提取质量合格：

图 1：主界面全景——瞬时转速曲线（1000→5000→1000 rpm 三角波）+ 3D 曲面 + 2D 色谱

7.2 曲线窗口四种检查视图

顶部曲线窗口共 5 种显示内容。除转速曲线外，其余四种中间结果按以下顺序自查：

图 2：切片 Order 频谱——点选转速 1600 rpm 切出单帧阶次谱，1X 分量 1600rpm 标记清晰

图 3：全程通道波形——确认信号未削顶、无明显间断

图 4：脉冲电压——键相信号原始波形，脉冲应均匀、无多触发/漏触发

7.3 三维曲面与色谱图读值

3D 图单击曲面放置三向读值线（阶次、转速、幅值同框定量），按住可拖动连续读值；色谱图鼠标移动即实时读值、单击就近切出该转速行的切片谱。阶次峰沿转速方向延伸、固定共振呈水平亮带，交叉点即临界转速：

图 5：3D 阶次曲面**化——读值线定位阶次峰（Order=5.55，V=1711 rpm，A=0.285g）

图 6：阶次色谱图（升降速段）——阶次峰曲线族清晰，1/2/3 阶沿转速延伸

7.4 快速上手：五步出图

第 1 步 · 选通道：「通道选择」区单击选择振动通道（带工程单位显示）；

第 2 步 · 设参数：核对最低/最高转速、扫描速率、**分析阶次、每转采样点数与每段转数，并查看三条灰色提示（采样率/每转点数区间/记录长度）；

第 3 步 · 选键相模式：有键相探头选「有键相转速通道」；无键相选「无键相转速自追踪」；初次使用直接勾选「测试模式（自生成 Demo 信号）」；

第 4 步 · 点刷新：一键完成全部计算并绘图；

第 5 步 · 读图：色谱图移动鼠标读值、单击切切片谱；3D 图拖动旋转、单击放读值线定量。

7.5 图谱解读要点

阶次峰：沿转速方向延伸的曲线族——转速相关激励（不平衡、不对中、齿轮缺陷）；

水平亮带：固定在频率上的共振带——结构固有频率；与阶次峰交叉即临界转速；

dB 模式：突出弱阶次分量，适合评价 0.5 阶、啮合边带等次阶次；

切片谱：定量读取指定转速下各阶次幅值，直接给出诊断结论；

升降速对比：切换「升速段/降速段」分别查看，两图坐标排列一致可直接对比。

7.6 常见问题

问：没有键相传感器能用吗？——能。选「无键相转速自追踪」，要求 1 倍转频在搜索带内占优（不平衡明显的设备均满足）；

问：谱段间颜色平滑是"美化"了吗？——纵向插值只作用于显示渲染，每段幅值数据不做任何修饰，切片谱读出的永远是原始计算值；

问：如何验证结果可信？——勾选测试模式点刷新，Demo 信号含已知 1/2/3 阶与 400/500Hz 固定共振峰，色谱图应准确复现"阶次曲线族 + 水平亮带"十字特征，可作为软件自检与培训标准用例。

7.7 数据交付

复制三维图：当前 3D 瀑布图以位图复制到剪贴板，直接粘贴进 Word/PPT/邮件（不含临时读值线）；

导出数据 CSV：整幅阶次谱矩阵导出为通用 CSV（默认 OrderTrackWaterfall.csv），Excel 直接打开；首行「Order\Y」+ 逐列阶次值，每行首列为纵轴数值（RPM 或 s），幅值随界面当前制式同口径（Line/dB/Log）；升/降速段按统一 Y 值升序排列，与图谱显示一致，可直接绘图比对。

八、建议参数

参数调整速查：

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