階次跟蹤分析法介紹

1、引言工程上在對(duì)故漳信號(hào)進(jìn)行分析時(shí)，最常采用的是傳統(tǒng)的頻譜分析法。這種方法對(duì)于穩(wěn)定工況 下測(cè)得的穩(wěn)態(tài)信號(hào)具有較好的效果，能清晰地分辨出被測(cè)信號(hào)的頻率成分，從而確定故障原 因。但是對(duì)于旋轉(zhuǎn)機(jī)械在某些工況下出現(xiàn)的故障狀況，比如啟動(dòng)過(guò)程、停車(chē)過(guò)程、加載過(guò)程 等，很難通過(guò)單純某一時(shí)段信號(hào)的頻譜分析找到確定的故障頻率成分，甚至由于信號(hào)頻率成 分的不斷變化，會(huì)產(chǎn)生明顯的頻率模糊”現(xiàn)象，使得關(guān)鍵頻率成分難以識(shí)別。并且族轉(zhuǎn)機(jī) 核運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)其旋轉(zhuǎn)部件引起的故障所產(chǎn)生的振動(dòng)和噪聲表現(xiàn)出的特征和軸的轉(zhuǎn)速有密切關(guān)系。 階次跟蹤分析好可以補(bǔ)足其中的不足，通過(guò)等角度采樣方法歸一化轉(zhuǎn)頻，避免了轉(zhuǎn)速變化帶 來(lái)的頻率模糊問(wèn)題13。1

2、階次跟蹤原理階次跟蹤分析法是近年發(fā)展起來(lái)的一種先進(jìn)技術(shù)，其主旨在于通過(guò)信號(hào)處理算法將等時(shí)間間 隔采樣信號(hào)轉(zhuǎn)化為等角度采樣信號(hào)，即同步采樣信號(hào)，保證在信號(hào)每一周期都保持同樣的采 樣點(diǎn)數(shù)。通常在信號(hào)分析時(shí)，如果只對(duì)轉(zhuǎn)軸速度的諧波特征感興趣（或更高的諧次，如齒輪 嚙合頻率），那么采用階次跟蹤分析往往比單純的頻譜分析更具有優(yōu)勢(shì)。這種分析方法可以 迫使諧波分量集中在一條分析線上，通過(guò)控制模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器的采樣頻率與轉(zhuǎn)軸速度之 間的同步性來(lái)實(shí)現(xiàn)，圖1說(shuō)明了基本原理4。(a)固定釆樣頻率的釆樣信號(hào)(b)原始時(shí)域信號(hào)(c)等角度釆樣信號(hào)(毎一轉(zhuǎn)8個(gè)釆樣點(diǎn)) 圖1采樣原理示意圖其中圖1(b)為一假設(shè)的旋轉(zhuǎn)軸

3、轉(zhuǎn)速上升過(guò)程產(chǎn)生的理想信號(hào)(實(shí)際情況中，振幅往往會(huì)隨 轉(zhuǎn)速的變化而有所不同)。圖1(a)為通過(guò)恒定的采樣頻率得到的采樣信號(hào)(對(duì)應(yīng)于常規(guī)的 頻譜分析)以及對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行FFT分析后得到的頻譜?？梢悦黠@看到頻域上譜峰的分布 與時(shí)域轉(zhuǎn)速信號(hào)中轉(zhuǎn)速的變化相對(duì)應(yīng)，頻率成分非常模糊，難以識(shí)別。對(duì)于這樣的采樣信號(hào), 利用常規(guī)的頻譜分析方法已經(jīng)很難識(shí)別各頻率成分。圖1(c)所示的采樣信號(hào)是通過(guò)轉(zhuǎn)軸每 轉(zhuǎn)采集固定的采樣點(diǎn)來(lái)得到(例子中每一轉(zhuǎn)有8個(gè)采樣點(diǎn))，對(duì)此角域波形再進(jìn)行類似時(shí) 域的FFT變換，所得頻譜既為清晰的階次譜。最后綜合各轉(zhuǎn)速下的階次譜，并可得到相應(yīng) 的階次-轉(zhuǎn)速-幅值三維譜圖，可以清晰地得到頻率特征

4、量隨轉(zhuǎn)速發(fā)生的變化。2應(yīng)用實(shí)例2. 1對(duì)象對(duì)象為某船舶高速傳動(dòng)軸減速齒輪箱在開(kāi)機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)速上升過(guò)程中產(chǎn)生了非常強(qiáng)烈的振動(dòng)，集 中在某一轉(zhuǎn)速圍，分析其產(chǎn)生故障的原因。2.2測(cè)量結(jié)果利用先進(jìn)的LMS SCADA3和TEST LAB 8B測(cè)試分析系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速跟蹤模塊對(duì)減速齒輪箱進(jìn)行了 轉(zhuǎn)速上升過(guò)程的振動(dòng)加速度測(cè)量，同時(shí)測(cè)量了齒輪箱在各個(gè)轉(zhuǎn)速下的工作模態(tài)。選取部分測(cè) 點(diǎn)結(jié)果進(jìn)行分析，其中圖2為齒輪箱頂端邊緣測(cè)點(diǎn)測(cè)量結(jié)果，圖3為齒輪箱頂端中部測(cè)點(diǎn)測(cè) 量結(jié)果。表2為各個(gè)工況下測(cè)得的齒輪箱工作模態(tài)。減速齒輪箱的減速比為4.57,齒輪箱 各級(jí)嚙合頻率見(jiàn)表lo表1減速齒輪箱各級(jí)嚙合頻率輸入轉(zhuǎn)速I(mǎi)級(jí)小齒輪I級(jí)嚙合 頻

5、率(Hz)II級(jí)小齒輪 轉(zhuǎn)頻(Hz)II級(jí)臥合輸岀轉(zhuǎn)頻(rrnin)轉(zhuǎn)頻(Hz)頻率(Hz)(Hz)41006827333397615450075300036107116500033333340119018540090360043128620560093373344133321600010040004814292.26500108433352154S24表2減速齒輪箱各個(gè)|況下的作模態(tài)Pfr4100450050005400560060006500紋r/minrmiinr/rninr/minr/niinr/rninr/niin階階階階階階階12 3 4 5 6 71369.531285.2614

6、28.911542.031330.231467.171241.531500.421502.621665.461800.691423.631507.061368.611S65 451929.541905.082054.871601.461546.891423.261761362146.722142.982233.282136131854381733.621957.152359.022313.061861.632655.002043.972152312.3故障分析當(dāng)齒輪箱發(fā)生劇烈振動(dòng)時(shí)，其振動(dòng)信號(hào)的能量分布也會(huì)隨之變化，并最終反映到譜圖上，如 圖2、圖3所示。從圖中可以明顯看到，在65階次的位置，

7、振動(dòng)能量非常集中，并且隨著 轉(zhuǎn)速的上升，能量越來(lái)越大，與實(shí)際情況相符。從各工況下齒輪箱的工作模態(tài)測(cè)量結(jié)果可以 看到，齒輪箱的工作模態(tài)在1200Hz2000Hz之間非常密集，而當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到5400r/min以 后，齒輪II級(jí)嚙合頻率也正好在1200Hz2000Hz之間，激發(fā)了齒輪箱的共振。在圖2的 65 階次曲線上任意取兩點(diǎn) A( 1190,1091. 82)、B( 1429,1319. 87),A 點(diǎn)的轉(zhuǎn)速為 4989. 6r/min, B點(diǎn)的轉(zhuǎn)速為6031. 8r/mino頁(yè)腳1400.00 匚65.0030.001429.00J 319.871000.00AutoPower 1:+XWF4

8、4 1008.6-1391.6 rpm1193.00.1091.82(型E6000.00Hz5000.001 * rcHi i圖2齒輪箱頂端邊緣測(cè)點(diǎn)階次云圖0.00Hz2：+X5ooo.ro圖3齒輪箱頂部中問(wèn)測(cè)點(diǎn)階次云圖由表1可以看到，A、B兩轉(zhuǎn)速下II級(jí)齒輪的嚙合頻率分別為1190Hz和1429Hz,即齒輪嚙合頻率正好與65階次曲線相一致。由此可以得出，齒輪II級(jí)嚙合頻率為引起齒輪箱劇烈振動(dòng)的主激勵(lì)源，在達(dá)到一定的轉(zhuǎn)速時(shí)引起了齒輪箱的共振。這非常淸晰的解釋了高速齒輪箱在開(kāi)機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)速上升過(guò)程中產(chǎn)生了強(qiáng)烈的振動(dòng)的原因，為順利解決高速齒輪箱振動(dòng)過(guò)大的故障提供強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)依據(jù)和幫助。3結(jié)論通過(guò)解決某型號(hào)高速減速齒輪箱在開(kāi)機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)速上升過(guò)程中產(chǎn)生了非常強(qiáng)烈的振動(dòng)的故障， 驗(yàn)證了階次跟蹤分析在旋轉(zhuǎn)機(jī)械信號(hào)測(cè)試分析中的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，尤其是對(duì)于旅轉(zhuǎn)機(jī)械變速工況 的故障診斷，可以方便有效地分析岀與設(shè)備轉(zhuǎn)速有關(guān)的特征信號(hào)，為其故障診斷提供有力的 依據(jù)。將階次跟蹤分析方法應(yīng)用于癥轉(zhuǎn)機(jī)核的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷，具有很好的工程應(yīng)用前 景。參考文獻(xiàn)1 田昊，欒軍英，田廣等.階次跟蹤分析在齒面磨損故障診斷中的應(yīng)用.軍械工程學(xué)院學(xué) 報(bào),2005,10(5):57-602 欒軍英，康海英，海起等.基于階次跟琮的旋轉(zhuǎn)機(jī)械啟動(dòng)過(guò)程振動(dòng)分析.軍械工程學(xué)院學(xué)