倒頻譜分析方法的應(yīng)用

1、倒頻譜在壓縮機(jī)故障診斷中的應(yīng)用 71=文章編號：1006-1355（2006）01-0071-03倒頻譜在壓縮機(jī)故障診斷中的應(yīng)用湯武初1，楊彥利1，伉大儷2，趙亮1（1.大連交通大學(xué)，遼寧大連116028；2.大連圣力來監(jiān)測技術(shù)有限公司，遼寧大連116033）摘 要：針對壓縮機(jī)故障的特點(diǎn)，利用在線檢測系統(tǒng)對在工業(yè)運(yùn)行中的壓縮機(jī)進(jìn)行檢測，對測得的振動信號進(jìn) 行了頻譜分析，結(jié)合譜圖，詳細(xì)介紹了倒頻譜在故障診斷中的應(yīng)用。實(shí)踐證明了，倒頻譜在檢測周期信號和識別邊 頻上具有獨(dú)特的功能。關(guān)鍵詞：振動與波；倒頻譜；故障診斷；壓縮機(jī)；在線檢測中圖分類號：TH165+ .3文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ATheApplicati

2、onofCepstruLinCoLpressorFaultDiagnosisTANG Wu-chu1，YANG Yan-li1，KANGDa-li2，ZHAOLiang1（1.DalianJiaotongUniversity，DalianLiaoning116028，China；2.DalianShengLilaiMonitoringTechnologyLimitedCorporation，DalianLiaoning116033，China）Abstract：Theapplicationofcepstrumincompressorfaultdiagnosiswasintroducedinde

3、tail， whichbasedonthecharacterofcompressorfaultsandtheonline-testsystemwhichwasusedtotestthe runningcompressor.Wedidspectrumanalysistothevibrationsignals.Thespecialfunctionsofcep- strumintestingcyclesignalandside-bandidentificationwerefullyprovedbyapplication.Keywords：vibrationandwave；cepstrum；fault

4、diagnosis；compressor；on-linemonitoring壓縮機(jī)是一種依靠壓縮氣體而為系統(tǒng)提供動力 的旋轉(zhuǎn)機(jī)械，其用途廣泛、品種繁多。它已在冶金、 礦山、建材、航天等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，尤其在石油、 化工等工業(yè)中，已成為不可少的關(guān)鍵設(shè)備。一旦它 發(fā)生故障，會導(dǎo)致整個(gè)生產(chǎn)線停工，造成很大的財(cái)產(chǎn)譜圖出現(xiàn)難以識別的多族調(diào)制邊頻時(shí)，倒頻譜可以 分解和識別故障頻率，分析和診斷故障產(chǎn)生的原因。 倒頻譜分為功率倒頻譜和復(fù)倒頻譜。1.2 功率倒頻譜 功率倒頻譜定義為對數(shù)功率譜的頻譜。設(shè)信號損失，甚至危害人身安全。因此，對壓縮機(jī)設(shè)備的運(yùn)x（t）單邊功率譜為Sx），則行狀況進(jìn)行在線檢測，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和

5、排除故障，以保證（fcp（ ）（1）（q）E|FlogSx f |2生產(chǎn)的順利進(jìn)行。利用振動信號對壓縮機(jī)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測時(shí)，其振 動信號是振源信號經(jīng)傳遞系統(tǒng)到測點(diǎn)的輸出信號， 即輸出信號是振源信號和傳遞系統(tǒng)動態(tài)特性的卷q倒頻率，q 值大者為高倒頻率，表示倒頻譜 上快速波動和密集諧頻，反之，q 值小者為低倒頻 率，表示倒頻譜上緩慢波動和稀疏諧頻。工程上常用（1）的平方根，即幅值倒頻譜積，造成在頻譜圖上很難區(qū)分源信號和系統(tǒng)的響應(yīng)。（ ） （ ） （ ） （ ）ca qE cp qE|F logSx f |2倒頻譜可以將卷積轉(zhuǎn)換為簡單的疊加，從而將振源由于S（）是偶函數(shù)，（2）可寫成信號分離出來。另一方

6、面因壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，x f（q）E|F-1logS（f）|（3）導(dǎo)致振動信號中易存在邊頻信號，倒頻譜正是提取 cax邊頻信號的有利工具。1倒頻譜1.1 物理意義 倒頻譜分析也稱二次頻譜分析，是近代信號處理科學(xué)中的一項(xiàng)新技術(shù)1。它可以提供 FFT 譜圖 難以捕捉的信息，如 FFT 譜上的周期性分量，系統(tǒng) 周圍環(huán)境的干擾及邊帶信息，當(dāng)機(jī)械故障信號的頻從（3）式可以看出功率倒頻譜與自相關(guān)函數(shù)的不同在于對數(shù)加權(quán)，對數(shù)加權(quán)的目的：擴(kuò)大頻率的動態(tài)范圍，提高再變換的精度；對數(shù)加權(quán)后具有解卷積 的作用，便于提取和分離目標(biāo)信號。1.3 復(fù)倒頻譜 信號的相位信息在功率倒頻譜上不能反映，復(fù)倒頻譜就是為彌補(bǔ)這一不

7、足而設(shè)計(jì)的。 設(shè)時(shí)間信號x（t）的傅里葉變換為 X（f），即（ ）（ ）收稿日期：2005-04-11X（f）E XR fa則復(fù)倒譜為+jXL f作者簡介：湯武初（1973-），男，江西永新人，碩士研究生，主要從事機(jī)電一體化、計(jì)算機(jī)控制方面的研究。C（q）E F-1lnX（f）復(fù)倒頻譜計(jì)算上不如幅值倒頻譜簡單，且相位信息已在FFT 的相位圖上有所反映，故在壓縮機(jī)故 障診斷中采用了幅值倒頻譜。2故障診斷2.1 在線檢測圖1 在線檢測系統(tǒng)為了能實(shí)時(shí)跟蹤設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，采用在線檢測系統(tǒng)，其系統(tǒng)如圖1所示。 傳感器將采集到的微弱振動信號經(jīng)放大、調(diào)制等預(yù)處理后傳輸，通過采樣處理將其變?yōu)閿?shù)字信號 輸入計(jì)算

8、機(jī)，在計(jì)算機(jī)中利用軟件技術(shù)對數(shù)字信號 進(jìn)行相應(yīng)處理，做出倒頻譜圖、頻譜圖及其它一些相 關(guān)譜圖。將設(shè)備的故障信息以直觀的形式反映在多 種譜圖上。2.2 故障診斷 壓縮機(jī)常見的故障有：轉(zhuǎn)子不平衡，半速渦動及油膜振蕩、轉(zhuǎn)子不對中、共振、部件松動、轉(zhuǎn)子與定子 摩擦、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)缺陷與裂紋、軸承缺陷等。這些故障 都反映在振動信號譜圖的相應(yīng)頻率分量上，即都有 其特殊的故障征兆。這些征兆有13 倍頻、12 倍 頻、工頻、2倍頻、3倍頻等。3倒頻譜分析利用大連圣力來監(jiān)測技術(shù)有限公司的在線檢測 系統(tǒng)對某公司的壓縮機(jī)運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)測，繪得譜 圖。f E1000*1q E225.7Hz 一周期信號，從自功率圖3上，可以

9、看到工頻及其高 次諧頻存在，因此，2點(diǎn)的倒頻率正是工頻及其諧頻 的反映。據(jù)此可以分析設(shè)備的故障。圖3 振動信號自功率譜圖3.2 檢測系統(tǒng)信號圖4 是平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)的倒頻譜圖，工頻是223.1Hz，轉(zhuǎn)速為13386rmin，圖5是停機(jī)過程中的倒頻譜圖，轉(zhuǎn)速為6624rmin。圖4中3點(diǎn)處有倒頻率qE18ms的一峰值，而在圖5中2點(diǎn)處有倒頻率qE18.2ms的一峰值，這說明在轉(zhuǎn)速下降過程中總有一頻率為55Hz的周期信號，此周期信號的頻率不隨轉(zhuǎn)速的變化而變化，即可認(rèn)定此周期信號與轉(zhuǎn)子系無關(guān)，它可能是系統(tǒng)的響應(yīng)。3.3 識別邊頻信號圖4 振動信號倒譜圖圖2 振動信號幅值譜圖3.1 提取周期信號倒頻譜利用對

10、數(shù)將卷積變?yōu)楹唵未鷶?shù)相加，從而提取周期信號，如圖4 中1 點(diǎn)的倒頻率為qE4.43ms，反映的是自功率譜圖上頻率為圖5 停機(jī)過程振動信號倒譜圖（下轉(zhuǎn)第76頁）不隨轉(zhuǎn)速的增加而成比例增加。由于浮環(huán)軸承含有兩層油膜非線性程度較高，內(nèi)油膜渦動的能量又較 高，故產(chǎn)生了2次諧波，即略大于基頻的振動分量。 低頻分量的幅值在轉(zhuǎn)子隱含故障后沒有大的變化，可 知浮環(huán)軸承的穩(wěn)定性很好。在過臨界轉(zhuǎn)速時(shí)沒產(chǎn)生 過大的振動，也沒有因?yàn)槠渌墓收显蛞疬^大的 渦動或發(fā)生油膜振蕩。眾所周知，旋轉(zhuǎn)機(jī)械的基頻振動主要是由轉(zhuǎn)子 中的不平衡量在旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的離心力造成的。 任何轉(zhuǎn)子都不可能達(dá)到絕對的平衡，特別是工作在 臨界轉(zhuǎn)速

11、以上的柔性轉(zhuǎn)子，即使在某一轉(zhuǎn)速下達(dá)到 平衡，隨著轉(zhuǎn)速的變化，轉(zhuǎn)子撓曲變形的不同，也會 產(chǎn)生新的不平衡。因此，正常運(yùn)轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子也會產(chǎn)生小量的基頻振動。轉(zhuǎn)子1在轉(zhuǎn)速為90000rmin時(shí) 基頻分量的幅值均低于2g。轉(zhuǎn)子2振動信號中基頻幅值甚至超過轉(zhuǎn)子1基 頻幅值的10多倍，由此斷定轉(zhuǎn)子2必含有較大的不 平衡量。另外，轉(zhuǎn)子2 的譜圖中2、3 倍頻幅值均很 大，特別是垂直方向均超過基頻幅值。結(jié)合該轉(zhuǎn)子 的具體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，由于轉(zhuǎn)子系統(tǒng)中軸承位于中 間，兩側(cè)輪盤懸臂布置，這種結(jié)構(gòu)在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，由 于陀螺力矩的存在，易發(fā)生“圓錐形渦動”，從總體上 來看轉(zhuǎn)子在軸承內(nèi)傾斜著旋轉(zhuǎn)，即為不對中旋轉(zhuǎn)。根據(jù)資料4這種渦

12、動所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子跨外彎曲的振 動特性為產(chǎn)生較高幅值的3倍頻分量。其幅值往往 超過2倍頻。這種特征與圖5 的現(xiàn)象是完全符合 的，由此推知3倍頻分量的產(chǎn)生原因?yàn)檗D(zhuǎn)子的跨外 彎曲。正常情況下，浮動軸承有較強(qiáng)的自動定心的 能力，可抑制轉(zhuǎn)子不對中運(yùn)轉(zhuǎn)及跨外彎曲現(xiàn)象的發(fā)生，但當(dāng)不平衡量較大時(shí)，離心力過大，超過了浮環(huán)軸承自我調(diào)節(jié)的能力，則不對中故障、跨外轉(zhuǎn)子彎曲 故障也就相繼產(chǎn)生。從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子的振動幅值進(jìn)一 步增加。由以上分析可知，轉(zhuǎn)子不平衡是導(dǎo)致振動 過大的根本原因。5結(jié)語通過對某型渦輪增壓器的振動進(jìn)行測試、分析，確定了轉(zhuǎn)子正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的頻譜特征，并通過比較，找 出了轉(zhuǎn)子發(fā)生故障的主要原因。1.該轉(zhuǎn)子正常運(yùn)轉(zhuǎn)

13、時(shí)的振動主要包括微量不平 衡導(dǎo)致的基頻振動和內(nèi)、外油膜渦動產(chǎn)生的兩個(gè)低 頻分量。2.穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)后，內(nèi)油膜渦動頻率為基頻的0.550.57倍。內(nèi)、外油膜渦動頻率的比值略高于2。3.浮環(huán)軸承的穩(wěn)定性很好，是一種很好的用于高速輕型轉(zhuǎn)子的軸承結(jié)構(gòu)。4.該轉(zhuǎn)子的一階臨界轉(zhuǎn)速在54000、58000rmin之間，轉(zhuǎn)子為柔性轉(zhuǎn)子。5.故障轉(zhuǎn)子產(chǎn)生振動過大與油膜渦動無關(guān)，主要是由轉(zhuǎn)子不平衡引起較大的基頻振動，以及由此引發(fā)的較大幅值的2倍頻和3倍頻振動。 參考文獻(xiàn)：1 王宜.設(shè)備振動簡易診斷技術(shù)M.北京：機(jī)械工業(yè)出 版社，1993.2 李偉.動靜壓浮環(huán)徑向-推力聯(lián)合軸承理論研究及其應(yīng)用（徑向部分）D.鄭州工業(yè)大學(xué)

14、碩士學(xué)位論文，1996.5.3 朱大鑫.渦輪增壓與渦輪增壓器M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1992.4 虞和濟(jì)，韓慶大，原培新.振動診斷的工程應(yīng)用（實(shí)例匯編）M.北京：冶金工業(yè)出版社，1992.!（上接第72頁）在倒頻譜圖4 中2 點(diǎn)處有一突出譜線，即qE22.4ms，其對應(yīng) fE44.6Hz，為齒輪箱的一個(gè)邊頻信號。經(jīng)計(jì)算這一邊頻信號在停機(jī)過程變?yōu)榈诡l譜圖5中的8點(diǎn)qE45.2ms，對應(yīng)fE22.1Hz的調(diào)制 信號。而這些信息在幅值譜圖2及自功率譜圖3的 上幾乎沒有反映。這樣結(jié)合齒輪箱故障特點(diǎn)，就可以判斷導(dǎo)致邊 頻的原因，從而找出齒輪箱的故障原因。3.4 與頻譜配合應(yīng)用 倒頻譜能將功率譜中的周期分量以離散譜的形式展現(xiàn)出來，其譜線高度就反映了功率譜中周期分 量大小。如圖4上的1點(diǎn)譜線高度反映了周期分量 為225.7Hz的信號較大，而圖3中周期為448Hz的周期信號反映在圖4中其譜線高度就很小。倒頻譜 還能把幅值譜的低頻部分加以拓展，這樣就容易識別調(diào)制信號。4結(jié)語倒頻譜對周期信號的分離功能及對邊頻的鑒別能力，使得它不僅在壓縮機(jī)的在線故障診斷中具有 特殊的應(yīng)用價(jià)值，而且在其它的旋轉(zhuǎn)機(jī)械中也得到 了廣泛應(yīng)用。從上面的分析中可以看出，在故障診 斷中若能將倒頻譜、幅值普及其它譜圖對