全頻譜的應(yīng)用

全頻譜的應(yīng)用全頻譜的應(yīng)用是廣泛和有效的。先看一個汽輪機(jī)存在摩擦的例子。摩擦一般認(rèn)為是其它故障根原因所衍生的故障，根原因可能是不平衡、不對中、齒輪力或流體力等預(yù)載荷的作用等等。摩擦可能是兩個摩擦副之間的，與相對運(yùn)動相反的切向摩擦，也可能還附加法線方向的摩碰；可以是輕摩擦還，也可以是重摩擦；可以是局部磨擦，也可以是保持接觸的全周摩擦。的確較為復(fù)雜，不同的摩擦需要用到不同的工具去判別，如用到Orbit圖、軸中心位置圖、Bode圖、極坐標(biāo)圖、半頻譜/全頻譜圖等，這里不深入討論摩擦及各種工具，主要討論全頻譜在故障診斷時的應(yīng)用舉例，包括摩擦和后面的流體失穩(wěn)等等。如圖是一臺蒸汽透平的軸心軌跡圖和全頻譜圖。102X4-兩圖均可以看出，占主導(dǎo)的頻率成分1X102X4-兩圖均可以看出，占主導(dǎo)的頻率成分1X分量，其正進(jìn)動分量大r】11111】E111i11111mil/div 2^80rpm迸沁車（k卬m）于反進(jìn)動分量2倍以上，說明1X的Orbit圖會是一個橢圓。0.5X分量的正進(jìn)動與反進(jìn)動頻率成分差不多，其Orbit圖接近直線。還存在

2X分量成分，同樣道理，其Orbit圖也差不多是直線。還有較小的基頻為0.5X的3倍諧頻分量1.5X。這些譜線都可以看作是0.5X的諧頻和1X的諧頻。全頻譜上的看到的這些特征正是摩擦的特征。再比較全頻譜，在時域通頻Orbit上難以看到，如果看各分量的Orbit圖，就需要用到跟蹤濾波，打開多個Orbit圖，用全頻譜更為直接有效。下面用全頻譜的視角，比較摩擦和流體失穩(wěn)的區(qū)別。如下圖所示，將兩種故障的半頻譜、全頻譜和 Orbit圖放到一起比較。HubFrequefKyi.kpmiHuid-nd<>udstability15W0 12 3 4Frequencyftcprn：idForwardMghly廠11-￡q—■、-TX1 -li<IXHubFrequefKyi.kpmiHuid-nd<>udstability15W0 12 3 4Frequencyftcprn：idForwardMghly廠11-￡q—■、-TX1 -li<IX—一-t—11T-M—6-4-2024Reverse Formrd亠-srjbmildh-就landKForward一B-'b—+1X■■D.43KU.1L4卜-T|一|Li"n1 12>V2r~r4*Rewrse ForwardPrecessionfrequencyIkqiir^fr^quenry?kcpm?-4 -201444Wrprn比較摩擦和流體誘導(dǎo)失穩(wěn)的半頻譜，發(fā)現(xiàn)兩者之間非常近似，難以區(qū)分，必須在頻譜高分辨下，才能區(qū)分是否是精確的半倍頻。但從中間的全頻譜來看，右邊的流體誘導(dǎo)失穩(wěn)故障下，能明顯看出次同步頻率（近0.5X）的正進(jìn)動分量占絕對主導(dǎo)，反進(jìn)動幾乎為零，應(yīng)該是近似于圓形的Orbit圖，這是流體自激振動的特征之一（流體誘導(dǎo)失穩(wěn)的特點(diǎn)有：正進(jìn)動，近似圓形Orbit，次同步振動分量，頻率略小于0.5X）。而左邊的摩擦故障的次同步頻率（0.5X）正反進(jìn)動方向分量相當(dāng)，難說進(jìn)動方向就是正/反進(jìn)動，其Orbit圖為很扁的橢圓（接近直線）。所以在全頻譜中兩者故障區(qū)別非常明顯，能很快、準(zhǔn)確地判斷故障。之前的文章中也談到，是否是精確的半倍頻的方法可以用到Orbit圖。主要看鍵相點(diǎn)是否“鎖定”。比較上圖底部的兩個Orbit圖，是可以看到左邊是鎖定的，右邊的緩慢變化的。如果是在軟件系統(tǒng)上直接看“活動”的Orbit圖形，是否鎖定大抵是能看出的，但看“死圖”有時還是難以確定，至少沒有全頻譜圖那么區(qū)別明顯。所以，全頻譜更更直觀、快捷地區(qū)分出了摩擦和流體誘導(dǎo)失穩(wěn)故障的特征。波形圖包括Orbit圖，排除數(shù)據(jù)采集的因素，通常是原始、真實(shí)的信號，但因其是多種分量合成的結(jié)果，所以各種分量混在了一起，有時甚至是一團(tuán)麻，難以分辨和區(qū)分故障的各個因素；半頻譜和全頻譜技術(shù)就是換一個域（時域-頻域），將混合的因素區(qū)分開來，如同白光通過三棱鏡分解成不能再次色散的七種單色光一樣。與半頻譜一樣，全頻譜也有級聯(lián)圖和瀑布圖。與半頻譜的級聯(lián)圖和瀑布圖類似，但將頻譜坐標(biāo)軸從半頻譜擴(kuò)展到全頻譜，并分解出來了正進(jìn)動分量和反進(jìn)動分量，下面看看它們的應(yīng)用。全周摩擦是現(xiàn)實(shí)中不多見的一種故障，全周摩擦是指轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)動過程中始終與靜止部件，如軸承或者密封保持接觸，所以其軸心軌跡應(yīng)該是圓形的，其直徑為軸承或密封的間隙，當(dāng)然，軸承類型的不同、探頭的安裝位置與發(fā)生摩擦的位置（軸承或密封等）的遠(yuǎn)近不同，看到的Orbit，不是摩擦發(fā)生處的Orbit，那么說圓形的Orbit就是車由承、密封等的動靜間隙是不完全正確的。摩擦的特征頻率與因摩擦改變了的轉(zhuǎn)子的固有頻率相同。之所以說更改后的固有頻率，是因?yàn)槟Σ潦罐D(zhuǎn)子接觸到軸承或密封的邊界，改變了軸承或者密封的剛度，剛度增大了，所以固有頻率也就增大了。固有頻率與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速無關(guān)。這些特征都可從全頻譜級聯(lián)圖反映出來。圓形的Orbit圖說明全頻譜圖中只有反進(jìn)動分量或者正進(jìn)動分量。是否是固有頻率從級聯(lián)圖上也是容易看出來的，因?yàn)闄C(jī)器的臨界轉(zhuǎn)速是不難查到或者檢測得到的，其在級聯(lián)圖中不應(yīng)該隨轉(zhuǎn)速的變化而變化，這是最希望看到的特征。

(UJd」>0poads如(UJd」>0poads如u-lluEW頻率(kcpm)上圖是啟機(jī)階段發(fā)生全周摩擦的全頻譜級聯(lián)圖，而停機(jī)階段發(fā)生全周摩擦的全頻譜級聯(lián)圖如下圖所示。頻率(kcpm) 飛則-OJX0.5X1X三摩擦的全頻譜級聯(lián)圖如下圖所示。頻率(kcpm) 飛則-OJX0.5X1X三反進(jìn)動■，一1■一旦■JL丄1—dLJL」LjL—Lm進(jìn)動=明顯可以看出全周摩擦激起的固有頻率振動特征。雖然啟、停機(jī)過程中剛度變化、幅值的不穩(wěn)定、軸承及密封的形式、傳感器的安裝位置與摩擦位置的距離未知等，僅憑上述兩個全頻譜圖尚不能通過這種有摩擦?xí)r修改過的轉(zhuǎn)子的固有頻率去還原無擦?xí)r的固有頻率（便于與之前采集到的或者資料中記錄的無摩擦的臨界轉(zhuǎn)速比較），不能確定軸承或密封的間隙，但確定它們也沒有多大的必要。實(shí)際上的全周磨擦很少見，但需要知道全周磨擦是極具破壞性的，所以故障診斷工程師必須有能力快速識別和精確診斷這種故障。當(dāng)然結(jié)果也有可能不是那么的糟糕，比如接觸處的材料很快磨掉了，間隙變大了，摩擦就消失了，“自愈”了。不過這時摩擦是消除了，但因此降低的機(jī)器效率是恢復(fù)不了的。也不能一味地認(rèn)為有反進(jìn)動分量就是壞的，就是很危險的，比如扁的Orbit增加了轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性，橢圓Orbit是常態(tài)。另外也不能說轉(zhuǎn)子反進(jìn)動渦動就一定是有摩擦，比如在過臨界時，因?yàn)榛ハ啻怪钡膬蓚€傳感器位置的非對稱剛度，可能會產(chǎn)生共振分離，兩個分離共振期間，轉(zhuǎn)子是反進(jìn)動渦動的，這時它是正常現(xiàn)象。其實(shí)，全頻譜還在很多其它故障診斷中有很好的應(yīng)用，很多故障，比如流體誘導(dǎo)失穩(wěn)、軸裂紋等反進(jìn)動分量不應(yīng)該出現(xiàn)，本身也是一個判據(jù)，而半頻譜就看不出來會不會有反進(jìn)動分量，也看不出對應(yīng)頻率（過濾后頻率）的Orbit是否是圓形的。級聯(lián)圖上的階次線（圖示的斜線：1X、0.5X等）讓我們能方便地看出各個對應(yīng)不同激振力的階次的影響（響應(yīng)）情況，正是階次的分

離，使得頻域比時域更為便利，雖然現(xiàn)在因?yàn)檫^度地強(qiáng)調(diào)了頻域，很多文章都在強(qiáng)調(diào)時域和相位在故障診斷中的應(yīng)用。但過猶不及，頻譜，特別是全頻譜依然是最強(qiáng)大的工具之一。再次強(qiáng)調(diào)下，不同工具各有其優(yōu)勢，好的診斷工程師需要熟練使用各種工具來幫助自己作出快速的、準(zhǔn)確的判斷。無疑地，1X階次是最基本的，很多人在正式的報告中直接將1X分量說成是不平衡分量，這是不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?，至少需要先排除runout和轉(zhuǎn)子的原始彎曲的影響。還有其它的很多常見故障如不對中也會產(chǎn)生1X倍頻的。54344I>0rpm? 二14 L2JK - 54344I>0rpm? 二14 L2JK - 上圖中,1X階次線貌似有兩階共振頻率，但因?yàn)閬G失了相位信息，僅憑全頻譜無法確認(rèn)，還是要看Bode圖和極坐標(biāo)圖確認(rèn)。機(jī)器在慢轉(zhuǎn)速(SlowRoll)時的原始缺陷(Runout)是在低轉(zhuǎn)速時就存在的，可能在高轉(zhuǎn)速時也保持影響，而這些Runout是與機(jī)器的動態(tài)無關(guān)的原始影響力。針對動態(tài)力的處理措施對其沒有影響，但它同樣混進(jìn)了各階次頻譜中，必須清除出去，也叫做補(bǔ)償，否則影響各動態(tài)力的治理，比如平衡解決質(zhì)量不平衡時就需要補(bǔ)償?shù)暨@種SlowRoll才精準(zhǔn)。Runout分為機(jī)械runout和電氣runout，轉(zhuǎn)子的原始永久性彎曲嚴(yán)格意義上來說不是runout，因?yàn)樗a(chǎn)生的力會隨轉(zhuǎn)速的變化而變化，不過和質(zhì)量不平衡在成因上還是有區(qū)別，所以實(shí)際應(yīng)用中有時還是把它算作runout的一部分。也因?yàn)殡y以與其它runout區(qū)分開來，補(bǔ)償時就一并補(bǔ)償?shù)?。在對待runout時，還要注意軸位移，有些轉(zhuǎn)子，特別是在冷啟動時，軸位移變化大，表面的原始缺陷在軸位移和膨脹到穩(wěn)態(tài)過程中，可能逐步移出或者移入到探頭下方的被測表面范圍。這種情況下，用冷態(tài)的低轉(zhuǎn)速 slowroll去補(bǔ)償就會有誤差，所以，能用停機(jī)時的慢轉(zhuǎn)速去做矢量補(bǔ)償或者通頻波形補(bǔ)償最好，這時至少熱膨脹的影響被考慮到了。任何導(dǎo)致被測表面和探頭間位移的周期性的突然改變（可以是摩擦力、流體力等，但也可以是劃痕、銹斑等）都會在 FFT計(jì)算后的頻譜圖中出現(xiàn)諧頻。這種改變越是突兀、尖銳，頻譜圖中的諧頻越多。劃痕、銹斑就是這種突然的周期性變化，會產(chǎn)生以軸轉(zhuǎn)速為基頻的諧頻。只要不被移出被測表面，在別的轉(zhuǎn)速和穩(wěn)態(tài)時還會出現(xiàn)，其諧頻的基頻依然跟隨著當(dāng)時的轉(zhuǎn)速。上圖能看到0.5X的摩擦，能看到在轉(zhuǎn)速增大到一定的轉(zhuǎn)速后0.5X出現(xiàn)是因?yàn)榕c臨界轉(zhuǎn)速的一致了而被放大了。也看到在轉(zhuǎn)速很低時的1X，是因?yàn)镽unout。如果沒有其它諧頻，那么這種Runout更可能是軸的原始彎曲。如果是劃痕和銹斑，會有諧頻，而多個劃痕和銹斑會在全頻譜中的正/反進(jìn)動方向出現(xiàn)諧頻。利用全頻譜圖來確定runout是有效的，規(guī)律是：1X分量：僅正進(jìn)動分量，包括因?yàn)樵紡澢a(chǎn)生的響應(yīng)；2X分量:正進(jìn)動和反進(jìn)動分量的幅值相等；3X分量：僅反進(jìn)動分量；4X分量：正進(jìn)動和反進(jìn)動分量的幅值相等；1X分量：僅正進(jìn)動分量。下表是幾種典型故障的全頻譜特征表，共參考。故隨類型頻率分星正進(jìn)動備注不平術(shù)IXYes不均勻■-■-■-■主要是正吏勵分呈反進(jìn)朗為基會隨正進(jìn)的下瞪而裁小車足向性的徑問載乏IXYesYes逋看董荷的濡幻IX旬2X的正進(jìn)命才豊減小.反進(jìn)胡為顯增天.L\苴蘆的0呦硬事遷2XYmYesYmNo王毒昂“遼彳.悟空尹變化；巴為衰2XYesNo樟剛度的不對稱性.2X繪存在的.遲甬製紋審丁展為變址.巧洽斷苣褰孜有月笊IX和zx&t將也交化在全頻喑中元法誌現(xiàn)局部摩攥IX-Y&sVesIX丸2X分量踽果類懺三非定向徑向載商：摩擁變嚴(yán)英時旦進(jìn)龍曠量增也王蛙動分臭譜悄授小'當(dāng)運(yùn)行轉(zhuǎn)速大于臨界轉(zhuǎn)速（鎮(zhèn)賽祿更改后盹臨界屢有繪率；的2倍屈瑩3倍時會相志出現(xiàn)1.空旳匸音荻的次同歩好星靈其諧扳.正進(jìn)動和反進(jìn)動方向都有，對應(yīng)的濾液后的Drbit雯更屆反進(jìn)動分呈占主要咖2XYesYes172X,17箱YesYes全周強(qiáng)追哺應(yīng)IXY&&No審決于轉(zhuǎn)予-密封嘉統(tǒng)的干摩珈、密自就轉(zhuǎn)子?密封系統(tǒng)的拄振坂率NoYes封侈;耐迄進(jìn)、疋尼、平平覺系蔬