振動(dòng)時(shí)頻分析技術(shù)在設(shè)備故障診斷中的應(yīng)用

楊建東，李鴻飛，徐洋洋

（廣西防城港核電有限公司，廣西 防城港 538001）

振動(dòng)是機(jī)械設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的綜合反映，對(duì)振動(dòng)信號(hào)的監(jiān)測(cè)和分析，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障隱患。常見的振動(dòng)信號(hào)是原始時(shí)域波形以及經(jīng)快速傅里葉變換（FFT）處理得到的頻域譜。振動(dòng)時(shí)域和頻域分析在不同的故障類型中各有特點(diǎn)，二者相互驗(yàn)證、互為補(bǔ)充，能夠大幅提高故障診斷的準(zhǔn)確性和時(shí)效性，對(duì)核電廠旋轉(zhuǎn)設(shè)備的故障診斷及預(yù)知性維修工作具有重要的參考價(jià)值和意義。

1 機(jī)械振動(dòng)信號(hào)

1．1 時(shí)域波形分析

時(shí)域波形是物體在任意時(shí)刻偏離其平衡位置的幅度，幅度單位可以是位移、速度或加速度，它反映了振動(dòng)信號(hào)隨時(shí)間的變化歷程，能夠表征外部激振力和系統(tǒng)總剛度的動(dòng)態(tài)變化特性，對(duì)故障類型作出基本的判斷，也因此具有簡(jiǎn)潔、直觀、形象的優(yōu)勢(shì)。正常的時(shí)域波形應(yīng)該沿時(shí)間軸對(duì)稱分布，若零部件配合部位發(fā)生松動(dòng)，則時(shí)域波形將發(fā)生畸變，表現(xiàn)為幅值不對(duì)稱、不連續(xù)等特點(diǎn)，對(duì)于此類故障的分析診斷，時(shí)域波形更重要。時(shí)域波形可直觀展示并且定量描述沖擊脈沖現(xiàn)象，對(duì)故障類型具有較強(qiáng)的指向性，常見于滾動(dòng)軸承點(diǎn)蝕、剝落等損傷性的缺陷。此外，設(shè)備發(fā)生拍頻共振、幅值調(diào)制等故障時(shí)，將會(huì)在時(shí)域波形上表現(xiàn)為峰谷起伏的特征，同時(shí)振動(dòng)總值將呈現(xiàn)周期性增大、減小的變化規(guī)律，故障診斷時(shí)可作為重要參考。

1．2 頻譜分析

振動(dòng)頻譜是在原始時(shí)域波形基礎(chǔ)上進(jìn)行FFT，將其分解為若干個(gè)頻率不同的簡(jiǎn)諧振動(dòng)分量，以獲得信號(hào)的頻率結(jié)構(gòu)和各諧波分量的幅值特點(diǎn)。不同的頻率結(jié)構(gòu)往往蘊(yùn)含著特定的故障信息，準(zhǔn)確識(shí)別振動(dòng)信號(hào)中包含的特殊頻率成分，就容易找到故障原因。首先，應(yīng)重視頻譜的分辨率，特別當(dāng)發(fā)生拍振或調(diào)幅故障時(shí)，若分辨率太低，則關(guān)鍵的頻率成分被掩蓋，導(dǎo)致誤診誤判。但分辨率也不宜過高，不然會(huì)耗費(fèi)大量的時(shí)間采集、存儲(chǔ)不必要的數(shù)據(jù)。對(duì)于特定結(jié)構(gòu)的設(shè)備和振動(dòng)形態(tài)，最大分析頻率（Fmax）和窗函數(shù)因子（Wf）基本上是明確的，為了確保頻譜分辨率滿足分析需要，我們更應(yīng)關(guān)注的是如何設(shè)置合適的譜線數(shù)（L），此時(shí)，譜線數(shù)的大小取決于需要識(shí)別的最小頻率差（△f），則有：

振動(dòng)信號(hào)處理一般使用漢寧窗，即Wf=1.5，而Fmax的選取仍然需要謹(jǐn)慎對(duì)待，F(xiàn)max太大則容易造成有效頻率堆疊而難以識(shí)別，F(xiàn)max太小則可能遺漏關(guān)鍵頻率。其次，要明確頻率組成及其幅值大小之間的邏輯關(guān)系，弄清楚振動(dòng)的基頻、主頻、同步/非同步/次同步頻率以及各個(gè)諧波之間的關(guān)系，這對(duì)能否準(zhǔn)確識(shí)別異常頻率分量、解釋故障機(jī)理至關(guān)重要。

2 常見故障的分析和診斷

2．1 軸承損傷

某核電機(jī)組主控室空調(diào)系統(tǒng)3#風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)側(cè)軸承（FBD）垂直向振動(dòng)5.26mm/s，相比歷史數(shù)據(jù)上漲較大，且超過報(bào)警值（4.5mm/s），為了排查故障原因，對(duì)測(cè)點(diǎn)FBD垂直向的振動(dòng)時(shí)域和頻域信號(hào)展開分析。

從圖1可知，該風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)側(cè)軸承的振動(dòng)加速度時(shí)域波形存在明顯的沖擊成分，沖擊間隔時(shí)間△t=0.00625s，即160Hz。圖2的振動(dòng)速度譜表明除了風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)頻30.86Hz外，還存在幅值較高的160Hz及其多倍諧波頻率，恰好與時(shí)域波形特征相吻合。160Hz是電機(jī)或風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)頻的非同步諧波，經(jīng)核算，該軸承（SKF2313）的外圈故障特征頻率BPFO=160Hz，根據(jù)滾動(dòng)軸承失效機(jī)理，懷疑軸承外圈可能存在損傷性故障。最終解體檢查，發(fā)現(xiàn)軸承外圈內(nèi)滾道存在30mm長(zhǎng)、2mm深的疲勞剝落痕跡，與振動(dòng)分析結(jié)果完全吻合。

2．2 機(jī)械松動(dòng)

某核電機(jī)組發(fā)電機(jī)密封油系統(tǒng)2#油泵電機(jī)驅(qū)動(dòng)側(cè)軸承（MBD）垂直向振動(dòng)達(dá)3.34mm/s，超過程序規(guī)定的報(bào)警限值（2.8mm/s），并伴有周期性的異音，為了后續(xù)深入開展故障分析和診斷，使用500Hz/6400線的采樣設(shè)置，采集各軸承的振動(dòng)時(shí)域波形和頻譜。

圖1 測(cè)點(diǎn)FBD垂直向振動(dòng)加速度時(shí)域波形

圖2 測(cè)點(diǎn)FBD垂直向振動(dòng)速度譜

分析測(cè)點(diǎn)MBD垂直向的速度譜（圖3）可知。

圖3 測(cè)點(diǎn)MBD垂直向振動(dòng)速度頻譜

（1）頻譜以電機(jī)轉(zhuǎn)頻（24.71Hz）及其多倍諧波為主，其中電機(jī)轉(zhuǎn)頻分量的幅值較小，而8倍轉(zhuǎn)頻諧波（197.9Hz）的幅值最大，符合機(jī)械松動(dòng)的頻譜特征。

（2）以轉(zhuǎn)頻諧波尤其是高次諧波為中心頻率，其兩側(cè)存在大量伴生頻率簇，為了查明原因，需要對(duì)頻譜進(jìn)行細(xì)化分析。

分析圖4可知，以8倍轉(zhuǎn)頻諧波（197.9Hz）為中心頻率，兩側(cè)存在約1.2～1.3 Hz的邊帶，由已知的設(shè)備參數(shù)，計(jì)算該電機(jī)的極通過頻率Fp=（25-24.71）*4=1.16 Hz，考慮到頻譜分辨率Hz，可認(rèn)為上述邊帶頻率即為電機(jī)極通過頻率。所以，圖4中的196.6Hz、199.1Hz正是8倍轉(zhuǎn)頻諧波作為中心頻率被極通過頻率調(diào)制的結(jié)果。根據(jù)異步電機(jī)振動(dòng)理論，轉(zhuǎn)頻諧波被極通過頻率調(diào)制的原因，主要是電機(jī)存在動(dòng)態(tài)氣隙不均所致，通常意味著該電機(jī)轉(zhuǎn)子的運(yùn)行狀態(tài)可能存在異常。進(jìn)一步分析測(cè)點(diǎn)MBD水平向的加速度時(shí)域波形（圖5），發(fā)現(xiàn)存在非常明顯的轉(zhuǎn)頻沖擊成分，而這恰恰符合軸承跑外圈后典型的時(shí)域波形特征。結(jié)合前述分析的機(jī)械松動(dòng)頻譜特征以及轉(zhuǎn)子存在動(dòng)態(tài)氣隙不均，可以判斷該軸承因配合松動(dòng)導(dǎo)致跑外圈。

圖4 8倍轉(zhuǎn)頻諧波附近的細(xì)化譜

圖5 測(cè)點(diǎn)MBD-H振動(dòng)加速度時(shí)域波形

維修人員現(xiàn)場(chǎng)解體檢查，證實(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)子晃度超標(biāo)，軸承外圈外表面存在多處因跑外圈造成的摩擦痕跡。實(shí)測(cè)軸承室內(nèi)徑90+0.240mm，而標(biāo)準(zhǔn)要求為90+0.022～0.013mm，配合間隙嚴(yán)重超過標(biāo)準(zhǔn)尺寸，檢查結(jié)果與振動(dòng)分析診斷結(jié)論吻合。

3 結(jié)語

（1）時(shí)域波形和頻譜在振動(dòng)分析和故障診斷中各有優(yōu)勢(shì)，時(shí)域波形側(cè)重于反映故障性質(zhì)和嚴(yán)重程度，具有直觀、形象的特點(diǎn)，而頻譜則更能說明故障的機(jī)理和缺陷的根源，故障診斷時(shí)二者相輔相成、綜合應(yīng)用。

（2）振動(dòng)時(shí)域和頻域分析，應(yīng)特別重視原始信號(hào)的分辨率，數(shù)據(jù)采集時(shí)要根據(jù)需要識(shí)別的最小頻差，設(shè)置合適的譜線數(shù)，以確保所獲取的頻譜能夠準(zhǔn)確反映振動(dòng)信號(hào)的頻率分布。

（3）時(shí)域波形和頻譜的幅值單位需要根據(jù)特定的故障類型確定，加速度單位能代表與激振力相關(guān)的高頻沖擊能量，而速度單位則可兼顧低頻和高頻信號(hào)。

（4）每一種振動(dòng)故障都有其特定的故障機(jī)理和頻譜特征，但同一種頻譜特征可能意味著多種故障形式，實(shí)踐中需要綜合多種信息進(jìn)行分析、論證，避免誤診誤判。