知否知否？常用振動(dòng)診斷方法-包絡(luò)分析和階次分析

知否知否？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(duì)于各個(gè)行業(yè)，尤其是水泥行業(yè)，存在很多低轉(zhuǎn)速設(shè)備。低轉(zhuǎn)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(hào)中，在頻譜中不容易分辨出故障信號(hào)與噪聲信號(hào)。但這種故障引起的沖擊信號(hào)往往會(huì)激起高頻固有頻率，在頻譜上表現(xiàn)為出現(xiàn)共振帶，即低頻故障信號(hào)作為某高頻載波的邊頻出現(xiàn)。因此，對(duì)于這種出現(xiàn)調(diào)制現(xiàn)象的故障信號(hào)，往往需要通過(guò)包絡(luò)進(jìn)行分析診斷。圖1包絡(luò)解調(diào)機(jī)理解調(diào)前需要對(duì)信號(hào)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(hào)（如下圖保留區(qū)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(cè)量，但發(fā)生共振的頻帶往往是高頻帶。因此，通常預(yù)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(diào)處理。圖2帶通濾波圖3高通濾波下圖為某軸承出現(xiàn)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(xiàn)明顯的沖擊信號(hào)。頻譜圖中，3KHz到5KHz的范圍內(nèi)具有明顯的調(diào)制現(xiàn)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(duì)原始信號(hào)進(jìn)行濾波，然后對(duì)濾波信號(hào)進(jìn)行包絡(luò)譜分析。在包絡(luò)譜中，可以清晰的看到234Hz的譜線及其多個(gè)倍頻。234Hz與理論計(jì)算的此軸承的外圈故障特征頻率236Hz很接近，表明軸承出現(xiàn)了外圈故障。該案例說(shuō)明了基于包絡(luò)解調(diào)分析的診斷方法具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。圖4時(shí)域波形圖5加速度頻譜圖圖6包絡(luò)譜圖階次分析在穩(wěn)態(tài)工況下，對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，可以有效地揭示被分析信號(hào)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(guī)律。對(duì)于某些設(shè)備的變速工況，尤其低速端需要采集較長(zhǎng)時(shí)間的信號(hào)，若對(duì)長(zhǎng)時(shí)間采集的振動(dòng)信號(hào)仍然采用頻域分析，會(huì)造成頻譜上峰值能量分散，出現(xiàn)譜線模糊的現(xiàn)象，如下圖所示。階次分析是分析變速工況信號(hào)的有效方法。圖7譜線模糊現(xiàn)象1.階次分析原理以三級(jí)行星齒輪箱為例，第三級(jí)大齒輪的齒數(shù)為102，小齒輪的齒數(shù)為27，低速軸與高速軸的傳動(dòng)比為1:3.778，假設(shè)低速軸轉(zhuǎn)頻為fl，根據(jù)傳動(dòng)機(jī)理可知，高速軸轉(zhuǎn)頻fh=3.778fl，齒輪副嚙合頻率GMF=102fl，頻譜示意圖如下圖所示。但是由于頻譜分析無(wú)法揭示信號(hào)頻率隨時(shí)間變化的規(guī)律，所以一旦轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定，振動(dòng)信號(hào)的頻譜中就會(huì)出現(xiàn)“模糊”現(xiàn)象。圖8譜線模糊現(xiàn)象然而，對(duì)于結(jié)構(gòu)確定的齒輪箱，即使轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速如何變化，高速軸轉(zhuǎn)頻fh和嚙合頻率GMF始終是低速軸轉(zhuǎn)頻fl的3.778倍和102倍，該倍數(shù)就是階次。階次是指以某轉(zhuǎn)軸作為參考軸，其他軸的轉(zhuǎn)頻相對(duì)于參考軸的倍數(shù)。通常階次與對(duì)應(yīng)的振動(dòng)頻率之間的關(guān)系如下：O=f(t)/fn(t)式中：O為階次（Order），fn(t)為參考軸轉(zhuǎn)頻，f(t)為監(jiān)測(cè)部件的轉(zhuǎn)頻。對(duì)于參考軸本身，其轉(zhuǎn)頻階次為1。在穩(wěn)態(tài)工況下，f(t)為常數(shù)，fn(t)也為常數(shù)，頻譜分析可以較好的表達(dá)振動(dòng)信號(hào)的特征。在變速工況下，f(t)和fn(t)都隨時(shí)間t變化而變化，由于傳動(dòng)結(jié)構(gòu)固定，階次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(bǔ)穩(wěn)態(tài)工況下頻譜的不足。從上面的分析可以看出，階數(shù)與頻率有直接對(duì)應(yīng)關(guān)系，與頻率一樣揭示了振動(dòng)信號(hào)頻率結(jié)構(gòu)。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(zhuǎn)速如何變化，高速軸的旋轉(zhuǎn)階次都是3.778，嚙合階次為102。2.階次技術(shù)的實(shí)現(xiàn)階次分析實(shí)際上是對(duì)原始時(shí)域信號(hào)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(xiàn)振動(dòng)信號(hào)的等角度采樣，即根據(jù)參考軸的轉(zhuǎn)速變化相應(yīng)的調(diào)節(jié)采樣率，這個(gè)過(guò)程就是階次跟蹤。為最大化減小誤差，通常采用高速軸作為轉(zhuǎn)速參考軸。階次技術(shù)實(shí)現(xiàn)的過(guò)程：同步采集振動(dòng)信號(hào)和轉(zhuǎn)速信號(hào)，其中振動(dòng)信號(hào)通過(guò)加速度傳感器采集，轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)通過(guò)轉(zhuǎn)速計(jì)獲得；利用轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)擬合轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)角和時(shí)間的函數(shù)關(guān)系，計(jì)算振動(dòng)信號(hào)角域重采樣的時(shí)刻值，即鑒相時(shí)標(biāo)；最后對(duì)同步采集的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行重采樣，采用數(shù)據(jù)插值方法計(jì)算重采樣時(shí)刻對(duì)應(yīng)振動(dòng)信號(hào)的幅值，得到等角度采樣信號(hào)，即階次信號(hào)。如下圖：圖9階次技術(shù)原理3.階次分析方法通過(guò)等角位移重采樣，將時(shí)域波形轉(zhuǎn)換成為階次波形，這樣就建立起了穩(wěn)態(tài)工況下的信號(hào)分析方法與非穩(wěn)態(tài)工況下的信號(hào)分析方法之間的橋梁。對(duì)階次波形可進(jìn)一步按照穩(wěn)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(wěn)態(tài)工況中，時(shí)域波形表示信號(hào)隨時(shí)間的變化，因此橫坐標(biāo)單位是時(shí)間（s）；變速工況中，與之對(duì)應(yīng)的是階次波形，階次波形表示信號(hào)隨參考軸旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)數(shù)的變化，因此橫坐標(biāo)單位是參考軸轉(zhuǎn)數(shù)（n）。穩(wěn)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(biāo)單位是頻率（Hz）；變速工況中，與之對(duì)應(yīng)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(biāo)單位為階次（Order）。穩(wěn)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(biāo)與時(shí)域波形相同，為時(shí)間（s）；變速工況中，與之對(duì)應(yīng)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(biāo)與階次波形相同，為參考軸的轉(zhuǎn)數(shù)（n）。穩(wěn)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(biāo)單位是頻率（Hz）；變速工況中，與之對(duì)應(yīng)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(biāo)單位為階次（Order）。4.案例某變轉(zhuǎn)速齒輪箱，對(duì)低速端振動(dòng)信號(hào)與轉(zhuǎn)速信號(hào)同步采集，采集時(shí)長(zhǎng)為60s，可以看到轉(zhuǎn)速?gòu)?430-1630r/min波動(dòng)。對(duì)原始振動(dòng)信號(hào)直接進(jìn)行頻譜分析，看到頻譜中出現(xiàn)了嚴(yán)重的“能量分散”現(xiàn)象，不能有效識(shí)別與機(jī)械旋轉(zhuǎn)相關(guān)的譜線。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(biāo)為高速軸轉(zhuǎn)數(shù)（n）。在階次譜中，可以清晰的看到高速端轉(zhuǎn)頻階次，以及低速軸嚙合階次及調(diào)制邊頻。