振動監測與故障診斷技術在“風云二號”掃描輻射計中的應用

張 利，付國慶，梁 偉

（1. 上海交通大學 機械與動力工程學院，上海 200030；2. 上海衛星工程研究所，上海 200240）

0 引言

衛星在軌運行時，往往是轉動機械部件最容易出故障。這些部件不允許隨便拆裝檢查，這就要求必須在它們運行時提取故障癥狀的信息[1]，對其進行在線狀態監測和故障診斷，以識別現狀并能預測未來。為此，如何在研制過程中結合少量試驗和特定的監測方法對衛星轉動機械部件的狀態進行評價，對其性能變化趨勢和壽命極限進行預測和評估等問題已提到議事日程上[2]。

轉動部件的狀態監測和故障診斷有多種方法，包括振動音響法、速度變化法、聲發射法、電流分析法、溫度法、壓力脈動法等，其中，包括振動音響法和速度變化法的振動診斷技術在被診斷系統的信號采集、數據處理、故障識別和診斷中顯示出簡便可靠的優越性，尤其適用于不停機在線監測和診斷報警[3]，可從測試活動部件在規定動作過程的自身振動信息中分析出正常、異常或缺陷等。早在 20世紀 70年代初美國就運用此方法對衛星消旋組件進行了振動分析；20世紀80年代在國外已經形成一門新的、融合多項技術的學科——機械故障診斷學；國內于 20世紀 90年代將這項技術用于渦輪發動機、煉油設備、大型電機等設備的分析；由此，國內外繁衍出各類診斷設備及其分析軟件。

1 轉動機械部件振動故障分析原理及特點

振動信號中有豐富的信息，其中包含故障信息。實際上，機械故障信號通常是非平穩信號，如果背景噪聲比較大，則故障信號被隱藏在噪聲中。所謂故障的振動診斷技術就是用各類傳感器在運行的系統中提取振動信號，并加以分析，將有故障（或懷疑有故障）的監測對象和正常系統的振動特性作比較，以期識別出系統的故障狀態。

1.1 時域分析

采集數據是狀態監測的第一步，將來自傳感器的模擬信號轉換成數字信號，生成時域圖。典型時域圖的長度非常短，往往是ms量級，通常取轉軸的 5～7轉數據，在時域圖上可以看見 5～7個正弦波加上任一變形波形。

時域分析法主要研究平均值、均方值、方差等。被測件處于正常狀態下運行時，時域圖由大量的、隨機的、強度接近的振動信號組成；一旦發生故障，信號中會出現有規則的、周期性脈沖，沖擊的量值要比正常狀態下大得多。因此，用振動信號診斷設備故障時，首先要在振動信號中找出隱含的周期分量。

1.2 頻域分析

振動信號的頻域分析法是故障診斷中應用頗廣的方法，其中用到最多的方法是傅立葉分析（也稱頻譜分析或譜分析）。按傅立葉分析原理，0～t時間段內呈周期性或延拓后視為周期性的平穩信號，可分解為許多諧波分量之和，見公式(1)：

這意味著通過這種變換能將時域信號變成頻譜（見圖1）。通過振幅和頻率（而不是時間），就更能分析振動信號的周期性成分。

圖1 傅立葉轉換圖Fig. 1 FFT(Fast Fourier Transform Algorithm)

描述轉動部件振動的運動學參數有位移、速度、加速度。

轉動部件運行矢量的軌跡或位移跡線可簡單描述為正弦波形，其方程式為

式中：x為振動任一瞬間的位移，m； A為振幅，m；ω為角頻率，rad/s； t為時間，s；φ為振動初始相位，rad。

速度υ是時間的函數，是對位移的一次導數，其數學式表達為

再對速度求導，可得加速度a，其數學表達式為

從公式(2)～(4)可以看出[4]：

1）振動位移、速度和加速度信號的頻率相同。不管采用何種表示方式，故障性質不會變化，都可以用于振動監測。

2）在相同位移幅值下，頻率越高，振動所產生的交變應力越大，對設備的危害越大。因此故障頻率越高，位移幅值應該控制得越嚴格。對于旋轉機械而言，轉速越高，振動標準越嚴。

3）振動速度及加速度幅值是振動位移幅值和頻率（或頻率平方）的乘積，幅值中同時反映了振動頻率和位移幅值的影響，比單純的振動位移幅值更全面。

4）振動加速度超前振動速度相位 90o，振動速度相位又超前位移相位90o。

5）同一種故障在振動位移、速度和加速度頻譜中表現出來的故障特征不完全相同。假設某故障振動位移信號頻譜如圖 2(a)所示，頻譜中 10 Hz、20 Hz和50 Hz分量幅值都為10 μm，根據公式(2) (4)可以計算出每一頻率分量的速度和加速度幅值，如圖 2(b)、(c)所示。比較這 3個圖可見，高頻分量在振動速度和加速度頻譜中得到了明顯“放大”，頻率越高，速度和加速度頻譜中高頻分量的“放大”作用越明顯。因此對于高頻振動故障，為了在故障的早期能夠比較明顯地反映出振動變化，采用振動速度或加速度監測比較有效。反之，低頻分量在位移頻譜中也同樣地被“放大”。

圖2 振動位移、速度和加速度頻譜比較Fig. 2 Spectrum comparison among vibration displacement, speed and acceleration

6）振動位移、速度和加速度之間可以相互轉換。雖然將位移信號對時間求導可以得到速度信號和加速度信號，但是由于求導過程中誤差有可能會放大，所以實際上很少進行這樣的轉換。信號積分過程中的誤差是收斂的，因此目前采用比較多的方法是由加速度或速度信號積分求出位移信號。一些采用加速度傳感器的振動儀表具有積分功能，可同時顯示出振動加速度、速度和位移值。

從振動測量的角度來看，測量振動加速度和位移比較容易實現，而振動速度一般都是通過測量加速度再進行積分后得到，因此，振動檢測一般選用位移傳感器和加速度傳感器。由于位移傳感器的安裝和測量存在諸多局限，如：需要根據被測產品具體情況設計專門工裝；飛輪等部件的轉子裝在密封的殼體內，無法采用非接觸式的位移傳感器進行測量；不太適用于高頻振動的測量等等，因此，配備高精度高靈敏度的加速度傳感器也是必需的。

2 在“風云二號”衛星掃描輻射計狀態監測中的應用

“風云二號”衛星掃描輻射計的掃描螺旋副是一種精密小螺距的滑動絲桿副結構，正常掃描頻率由北向南是 66.67 Hz、由南向北是 200 Hz。在軌工作時，隨著掃描步進的運動，存貯在螺母中的潤滑膏被帶走，較難得到及時補充。長期這樣運行，螺旋副將處于不良的潤滑狀態，從而使衛星難以達到長壽命高可靠的設計目標。在后續衛星的研制過程中，除了在設計上采取了一系列改進措施外，重點加強了產品的系統級地面試驗和全過程性能檢測及質量控制，其中，首次嘗試性地應用了振動診斷測試分析技術，針對掃描機構在不同輸入電壓下的振動響應特征以及頻譜特性進行測試分析，進而研究失步現象的臨界電壓和失步狀態的時域及頻譜特征。

由于其特征頻率均大于50 Hz，根據圖2可以看出，測量加速度比較合適。

2.1 正常工作時的狀態監測

在掃描輻射計工作過程中，對其振動響應進行了全程監測記錄，如圖3～圖7所示。

圖3 電機正常工作狀態下慢掃的時域響應圖Fig. 3 Slow scan time domain response of the motor during normal working condition

圖4 電機正常工作狀態下慢掃的頻譜圖Fig. 4 Slow scan frequency response of the motor during normal working condition

圖5 電機正常工作狀態下快掃的時域響應圖Fig. 5 Quick scan time domain response of the motor during normalworking condition

圖6 電機正常工作狀態下快掃的頻譜圖Fig. 6 Quick scan frequency response of the motor during normal working condition

圖7 掃描機構4種工作狀態下的時域響應對比圖Fig. 7 Comparison of time domain response among different working conditions for the scanner

從圖3～圖7可以看出：

1）在電機沒有失步的正常工作情況下，隨著電壓的降低，振動響應幅值逐步降低（從圖 7的對比來看，尤其明顯）；同電壓的情況下，快掃的響應要大于慢掃；

2）電機快掃特征頻率 200 Hz及其倍頻（見圖 6），時域上 5 ms周期間隔明顯（見圖 5），頻域上特征頻率突出；電機慢掃特征頻率 67 Hz及其倍頻，頻域上特征頻率突出（見圖4）。

2.2 故障模擬試驗

在輻射計工作穩定后，通過調節電機的供電電壓，使其出現故障，測試所得的振動響應如圖8～圖12所示。

圖8 電機在13.5 V快掃狀態下的時域響應圖（電機失步，響應突然放大為正常值的近10倍）Fig. 8 Time domain response of the motor under 13.5 V quick scan condition

圖9 電機失步時域響應細化圖（時域上峰值抖動比較嚴重）Fig. 9 The refinement time domain response of the motor during abnormal working condition

圖10 電機失步頻譜圖（特征頻率已經改變）Fig. 10 Frequency response of the motor during abnormal working condition

圖11 13.7 V電機瀕臨失步時域響應圖Fig. 11 Verge-of-step time domain response of the motor under 13.7 V scan condition

圖12 13.7 V電機瀕臨失步頻譜圖（200 Hz特征頻率明顯，但多出了其0.5X倍頻）Fig. 12 Verge-of-step frequency response of the motor under 13.7 V scan condition

從圖8～圖12可以看出：

1）掃描機構的臨界失步電壓為13.5 V；

2）在電機沒有失步的正常工作狀態下，響應普遍較小，而且特征頻率明顯；但是一旦失步，響應會放大近10倍，而且在頻譜上也已經沒有了原來的特征頻率；

3）在接近失步時（13.7 V），會出現其特征頻率的0.5X倍頻的明顯響應，可以在這一電壓附近或者0.5X倍頻附近設置預警值。

3 結束語

振動故障診斷技術在衛星地面測試中的應用已得到驗證，并取得了較好的效果。

在衛星轉動部件的狀態監測過程中，要對產品的質量狀況給出適當的評價，這就涉及到評判標準問題。標準制定得過高，會造成資源浪費，而標準過低又會影響產品的質量，而且星用轉動部件大都是非標產品，各種產品的評價標準不能千篇一律，因此，標準的制定需要大量的數據信息和知識的積累。

雖然振動測量分析在衛星轉動部件狀態監測和故障診斷的應用方面還有很多問題需要解決和進一步驗證，但相信隨著相關技術的進步、實踐經驗的逐步積累以及相關數據庫的建立，振動分析技術必將在該領域發揮越來越大的作用，為確保衛星的長壽命和高可靠提供有力保障。

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[1] 張阿舟, 諸德超, 姚起杭, 等. 實用振動工程(3)——振動測量與試驗[M]. 北京: 航空工業出版社, 1997: 253

[2] 信太林, 王秀霞. 星用轉動部件故障診斷技術探討[C]∥第六屆國際可靠性維修性安全性會議論文集, 2004: 642

[3] 陳長征, 胡立新, 周勃, 等. 設備振動分析與故障診斷技術[M]. 北京: 科學出版社, 2007: 21

[4] 楊建剛. 旋轉機械振動分析與工程應用[M]. 北京: 中國電力出版社, 2007: 5