常用振动诊断方法: 包络分析和阶次分析

2020-11-03 14:56:19 wings 9
常用振动诊断方法——包络分析和阶次分析

常用振动诊断方法——包络分析和阶次分析


包络分析

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对于各个行业,存在很多低转速设备。低转速部件引起的振动集中在低频部分, 且往往较为微弱,容易淹没在其他信号中,在频谱中不容易分辨出故障信号与噪 声信号。但这种故障引起的冲击信号往往会激起高频固有频率,在频谱上表现为 出现共振带,即低频故障信号作为某高频载波的边频出现。因此,对于这种出现 调制现象的故障信号,往往需要通过包络进行分析诊断。


图1 包络解调机理


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解调前需要对信号进行滤波处理,通过带通滤波,去除不相关频率,仅保留载波 频率附近的信号(如下图保留区域)。载波频率往往存在多个,除齿轮啮合频率 外,各个零部件的固有频率较难进行精确测量,但发生共振的频带往往是高频 带。因此,通常预处理的方法是进行高通滤波,去除低频的不相关频率,仅保留 高频部分,再进一步做包络解调处理。


图2 带通滤波


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图3 高通滤波


下图为某轴承出现外圈故障时的时域波形和频谱。时域波形中,波形较为嘈杂, 没有出现明显的冲击信号。频谱图中,3KHz到5KHz的范围内具有明显的调制现 象,这是由于轴承损伤产生的冲击激起了轴承零部件的固有振动。利用一个通带 为3-5KHz的带通滤波器对原始信号进行滤波,然后对滤波信号进行包络谱分 析。


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在包络谱中,可以清晰的看到234Hz的谱线及其多个倍频。234Hz与理论计算的 此轴承的外圈故障特征频率236Hz很接近,表明轴承出现了外圈故障。该案例说 明了基于包络解调分析的诊断方法具有很强的实用价值。


图4 时域波形


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图5 加速度频谱图


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阶次分析

图6 包络谱图


在稳态工况下,对振动信号进行频谱分析,可以有效地揭示被分析信号在全过程

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中的频率成分,但无法反映频率随时间变化的规律。对于某些设备的变速工况, 尤其低速端需要采集较长时间的信号,若对长时间采集的振动信号仍然采用频域 分析,会造成频谱上峰值能量分散,出现谱线模糊的现象,如下图所示。阶次分 析是分析变速工况信号的有效方法。


图7 谱线模糊现象


1

阶次分析原理


以三级行星齿轮箱为例,第三级大齿轮的齿数为102,小齿轮的齿数为27,低速

轴与高速轴的传动比为1:3.778,假设低速轴转频为

fl

,根据传动机理可知,高速

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轴转频

=3.778

,齿轮副啮合频率GMF=102

,频谱示意图如下图所示。但是

fh fl fl


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由于频谱分析无法揭示信号频率随时间变化的规律,所以一旦转速不稳定,振动

信号的频谱中就会出现“模糊”现象。


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图8 谱线模糊现象


然而,对于结构确定的齿轮箱,即使转速发生变化,齿轮箱中各部件特征频率之

间的比例关系不会改变。如上例,无论低速轴的转速如何变化,高速轴转频 和

fh


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啮合频率GMF始终是低速轴转频

fl

的3.778倍和102倍,该倍数就是阶次。阶次

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是指以某转轴作为参考轴,其他轴的转频相对于参考轴的倍数。 通常阶次与对应的振动频率之间的关系如下:


式中,

为阶次 (Order),

( )为参考轴转频, (

)为监测部件的转频。

O fn t f t


对于参考轴本身,其转频阶次为1。在稳态工况下, (

f t

)为常数,

(

fn t

)也为常

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数,频谱分析可以较好的表达振动信号的特征。在变速工况下, ( )和

( )都随

f t fn t


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时间 变化而变化,由于传动结构固定,阶次

t O

作为比值固定不变,因此变速工

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况下,阶次分析可以进行很好的弥补稳态工况下频谱的不足。


从上面的分析可以看出,阶数与频率有直接对应关系,与频率一样揭示了振动信 号频率结构。在上例中,以低速轴作为参考轴(阶次为1),那么不论低速轴转 速如何变化,高速轴的旋转阶次都是3.778,啮合阶次为102。


2

阶次技术的实现

阶次分析实际上是对原始时域信号重采样,将等时间间隔采样变为等角度间隔采

样。因此,阶次分析的关键是实现振动信号的等角度采样,即根据参考轴的转速 变化相应的调节采样率,这个过程就是阶次跟踪。为最大化减小误差,通常采用 高速轴作为转速参考轴。


阶次技术实现的过程:


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同步采集振动信号和转速信号,其中振动信号通过加速度传感器采

集,转速脉冲信号通过转速计获得;


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利用转速脉冲信号拟合转轴转角和时间的函数关系,计算振动信号角

域重采样的时刻值,即鉴相时标;


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最后对同步采集的振动信号进行重采样,采用数据插值方法计算重采

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样时刻对应振动信号的幅值,得到等角度采样信号,即阶次信号。如下 图:


图9 阶次技术原理


3

阶次分析方法


通过等角位移重采样,将时域波形转换成为阶次波形,这样就建立起了稳态工况

下的信号分析方法与非稳态工况下的信号分析方法之间的桥梁。对阶次波形可进 一步按照稳态工况下的方法进行分析,分别得到阶次谱、阶次包络波形、阶次包 络谱。


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图10 阶次技术分析技术


稳态工况中,时域波形表示信号随时间的变化,因此横坐标单位是时间 (s);变 速工况中,与之对应的是阶次波形,阶次波形表示信号随参考轴旋转转数的变 化,因此横坐标单位是参考轴转数 (n)。


稳态工况中,频谱是由时域波形经过FFT变换得到,横坐标单位是频率 (Hz);变 速工况中,与之对应的是阶次谱,阶次谱是阶次波形通过FFT变换得到,其横坐 标单位为阶次 (Order)。


稳态工况中,包络波形是时域波形经过gPK包络处理得到,横坐标与时域波形相 同,为时间 (s);变速工况中,与之对应的是阶次包络波形,阶次包络波形可看 成是阶次波形经过gPK包络处理得到,横坐标与阶次波形相同,为参考轴的转数 (n)。


稳态工况中,包络谱是由包络波形经过FFT变换得到,横坐标单位是频率 (Hz); 变速工况中,与之对应的是阶次包络谱,阶次包络谱是阶次包络波形通过FFT变 换得到,其横坐标单位为阶次 (Order)。


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案例


某变转速齿轮箱,对低速端振动信号与转速信号同步采集,采集时长为60s,可

以看到转速从1430-1630r/min波动。对原始振动信号直接进行频谱分析,看到 频谱中出现了严重的“能量分散”现象,不能有效识别与机械旋转相关的谱线。 进行阶次分析后得到阶次波形和阶次谱,阶次波形以高速轴作为参考,横坐标为

高速轴转数 (n)。在阶次谱中,可以清晰的看到高速端转频阶次,以及低速轴啮

合阶次及调制边频。


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从该案例中可以明显看出,对于运行在变转速工况下的设备,频谱分析不能有效 反映出频率随时间的变化,因此出现谱线模糊现象。而阶次分析消除了这种影 响,可以清晰的看到各旋转部件的阶次谱线,如下图所示:


图11 振动信号时域波形


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图12 转速信号


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图13 阶次谱

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