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閱讀：16發(fā)布時(shí)間：2024-8-24
常用振動(dòng)診斷方法——包絡(luò )分析和階次分析
包絡(luò )分析
對于各個(gè)行業(yè)，存在很多低轉速設備。低轉速部件引起的振動(dòng)集中在低頻部分， 且往往較為微弱，容易淹沒(méi)在其他信號中，在頻譜中不容易分辨出故障信號與噪 聲信號。但這種故障引起的沖擊信號往往會(huì )激起高頻固有頻率，在頻譜上表現為 出現共振帶，即低頻故障信號作為某高頻載波的邊頻出現。因此，對于這種出現 調制現象的故障信號，往往需要通過(guò)包絡(luò )進(jìn)行分析診斷。
圖1 包絡(luò )解調機理
解調前需要對信號進(jìn)行濾波處理，通過(guò)帶通濾波，去除不相關(guān)頻率，僅保留載波 頻率附近的信號（如下圖保留區域）。載波頻率往往存在多個(gè)，除齒輪嚙合頻率 外，各個(gè)零部件的固有頻率較難進(jìn)行精確測量，但發(fā)生共振的頻帶往往是高頻 帶。因此，通常預處理的方法是進(jìn)行高通濾波，去除低頻的不相關(guān)頻率，僅保留 高頻部分，再進(jìn)一步做包絡(luò )解調處理。
圖2 帶通濾波
圖3 高通濾波
下圖為某軸承出現外圈故障時(shí)的時(shí)域波形和頻譜。時(shí)域波形中，波形較為嘈雜， 沒(méi)有出現明顯的沖擊信號。頻譜圖中，3KHz到5KHz的范圍內具有明顯的調制現 象，這是由于軸承損傷產(chǎn)生的沖擊激起了軸承零部件的固有振動(dòng)。利用一個(gè)通帶 為3-5KHz的帶通濾波器對原始信號進(jìn)行濾波，然后對濾波信號進(jìn)行包絡(luò )譜分 析。
在包絡(luò )譜中，可以清晰的看到234Hz的譜線(xiàn)及其多個(gè)倍頻。234Hz與理論計算的 此軸承的外圈故障特征頻率236Hz很接近，表明軸承出現了外圈故障。該案例說(shuō) 明了基于包絡(luò )解調分析的診斷方法具有很強的實(shí)用價(jià)值。
圖4 時(shí)域波形
圖5 加速度頻譜圖
階次分析
圖6 包絡(luò )譜圖
二
在穩態(tài)工況下，對振動(dòng)信號進(jìn)行頻譜分析，可以有效地揭示被分析信號在全過(guò)程
中的頻率成分，但無(wú)法反映頻率隨時(shí)間變化的規律。對于某些設備的變速工況， 尤其低速端需要采集較長(cháng)時(shí)間的信號，若對長(cháng)時(shí)間采集的振動(dòng)信號仍然采用頻域 分析，會(huì )造成頻譜上峰值能量分散，出現譜線(xiàn)模糊的現象，如下圖所示。階次分 析是分析變速工況信號的有效方法。
圖7 譜線(xiàn)模糊現象
1
以三級行星齒輪箱為例，第三級大齒輪的齒數為102，小齒輪的齒數為27，低速
軸與高速軸的傳動(dòng)比為1:3.778，假設低速軸轉頻為
fl
，根據傳動(dòng)機理可知，高速
軸轉頻
=3.778
，齒輪副嚙合頻率GMF=102
，頻譜示意圖如下圖所示。但是
fh fl fl
由于頻譜分析無(wú)法揭示信號頻率隨時(shí)間變化的規律，所以一旦轉速不穩定，振動(dòng)
信號的頻譜中就會(huì )出現“模糊”現象。
圖8 譜線(xiàn)模糊現象
然而，對于結構確定的齒輪箱，即使轉速發(fā)生變化，齒輪箱中各部件特征頻率之
間的比例關(guān)系不會(huì )改變。如上例，無(wú)論低速軸的轉速如何變化，高速軸轉頻 和
fh
嚙合頻率GMF始終是低速軸轉頻
fl
的3.778倍和102倍，該倍數就是階次。階次
是指以某轉軸作為參考軸，其他軸的轉頻相對于參考軸的倍數。 通常階次與對應的振動(dòng)頻率之間的關(guān)系如下：
式中，
為階次 (Order)，
( )為參考軸轉頻， (
)為監測部件的轉頻。
O fn t f t
對于參考軸本身，其轉頻階次為1。在穩態(tài)工況下， (
f t
)為常數，
(
fn t
)也為常
數，頻譜分析可以較好的表達振動(dòng)信號的特征。在變速工況下， ( )和
( )都隨
f t fn t
時(shí)間 變化而變化，由于傳動(dòng)結構固定，階次
t O
作為比值固定不變，因此變速工
況下，階次分析可以進(jìn)行很好的彌補穩態(tài)工況下頻譜的不足。
從上面的分析可以看出，階數與頻率有直接對應關(guān)系，與頻率一樣揭示了振動(dòng)信 號頻率結構。在上例中，以低速軸作為參考軸（階次為1），那么不論低速軸轉 速如何變化，高速軸的旋轉階次都是3.778，嚙合階次為102。
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階次分析實(shí)際上是對原始時(shí)域信號重采樣，將等時(shí)間間隔采樣變?yōu)榈冉嵌乳g隔采
樣。因此，階次分析的關(guān)鍵是實(shí)現振動(dòng)信號的等角度采樣，即根據參考軸的轉速 變化相應的調節采樣率，這個(gè)過(guò)程就是階次跟蹤。為減小誤差，通常采用 高速軸作為轉速參考軸。
階次技術(shù)實(shí)現的過(guò)程：
同步采集振動(dòng)信號和轉速信號，其中振動(dòng)信號通過(guò)加速度傳感器采
集，轉速脈沖信號通過(guò)轉速計獲得；
利用轉速脈沖信號擬合轉軸轉角和時(shí)間的函數關(guān)系，計算振動(dòng)信號角
域重采樣的時(shí)刻值，即鑒相時(shí)標；
最后對同步采集的振動(dòng)信號進(jìn)行重采樣，采用數據插值方法計算重采
樣時(shí)刻對應振動(dòng)信號的幅值，得到等角度采樣信號，即階次信號。如下 圖：
圖9 階次技術(shù)原理
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通過(guò)等角位移重采樣，將時(shí)域波形轉換成為階次波形，這樣就建立起了穩態(tài)工況
下的信號分析方法與非穩態(tài)工況下的信號分析方法之間的橋梁。對階次波形可進(jìn) 一步按照穩態(tài)工況下的方法進(jìn)行分析，分別得到階次譜、階次包絡(luò )波形、階次包 絡(luò )譜。
圖10 階次技術(shù)分析技術(shù)
穩態(tài)工況中，時(shí)域波形表示信號隨時(shí)間的變化，因此橫坐標單位是時(shí)間 (s)；變 速工況中，與之對應的是階次波形，階次波形表示信號隨參考軸旋轉轉數的變 化，因此橫坐標單位是參考軸轉數 (n)。
穩態(tài)工況中，頻譜是由時(shí)域波形經(jīng)過(guò)FFT變換得到，橫坐標單位是頻率 (Hz)；變 速工況中，與之對應的是階次譜，階次譜是階次波形通過(guò)FFT變換得到，其橫坐 標單位為階次 (Order)。
穩態(tài)工況中，包絡(luò )波形是時(shí)域波形經(jīng)過(guò)gPK包絡(luò )處理得到，橫坐標與時(shí)域波形相 同，為時(shí)間 (s)；變速工況中，與之對應的是階次包絡(luò )波形，階次包絡(luò )波形可看 成是階次波形經(jīng)過(guò)gPK包絡(luò )處理得到，橫坐標與階次波形相同，為參考軸的轉數 (n)。
穩態(tài)工況中，包絡(luò )譜是由包絡(luò )波形經(jīng)過(guò)FFT變換得到，橫坐標單位是頻率 (Hz)； 變速工況中，與之對應的是階次包絡(luò )譜，階次包絡(luò )譜是階次包絡(luò )波形通過(guò)FFT變 換得到，其橫坐標單位為階次 (Order)。
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某變轉速齒輪箱，對低速端振動(dòng)信號與轉速信號同步采集，采集時(shí)長(cháng)為60s，可
以看到轉速從1430-1630r/min波動(dòng)。對原始振動(dòng)信號直接進(jìn)行頻譜分析，看到 頻譜中出現了嚴重的“能量分散”現象，不能有效識別與機械旋轉相關(guān)的譜線(xiàn)。 進(jìn)行階次分析后得到階次波形和階次譜，階次波形以高速軸作為參考，橫坐標為
高速軸轉數 (n)。在階次譜中，可以清晰的看到高速端轉頻階次，以及低速軸嚙
合階次及調制邊頻。
從該案例中可以明顯看出，對于運行在變轉速工況下的設備，頻譜分析不能有效 反映出頻率隨時(shí)間的變化，因此出現譜線(xiàn)模糊現象。而階次分析消除了這種影 響，可以清晰的看到各旋轉部件的階次譜線(xiàn)，如下圖所示：
圖11 振動(dòng)信號時(shí)域波形
圖12 轉速信號
圖13 階次譜
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