常用振動診斷方法——包絡(luò)分析和階次分析

包絡(luò)分析

對于各個行業(yè)，存在很多低轉(zhuǎn)速設(shè)備。低轉(zhuǎn)速部件引起的振動集中在低頻部分， 且往往較為微弱，容易淹沒在其他信號中，在頻譜中不容易分辨出故障信號與噪 聲信號。但這種故障引起的沖擊信號往往會激起高頻固有頻率，在頻譜上表現(xiàn)為 出現(xiàn)共振帶，即低頻故障信號作為某高頻載波的邊頻出現(xiàn)。因此，對于這種出現(xiàn) 調(diào)制現(xiàn)象的故障信號，往往需要通過包絡(luò)進(jìn)行分析診斷。

圖1 包絡(luò)解調(diào)機理

解調(diào)前需要對信號進(jìn)行濾波處理，通過帶通濾波，去除不相關(guān)頻率，僅保留載波 頻率附近的信號（如下圖保留區(qū)域）。載波頻率往往存在多個，除齒輪嚙合頻率 外，各個零部件的固有頻率較難進(jìn)行精確測量，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)外圈故障時的時域波形和頻譜。時域波形中，波形較為嘈雜， 沒有出現(xiàn)明顯的沖擊信號。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。利用一個通帶 為3-5KHz的帶通濾波器對原始信號進(jìn)行濾波，然后對濾波信號進(jìn)行包絡(luò)譜分 析。

在包絡(luò)譜中，可以清晰的看到234Hz的譜線及其多個倍頻。234Hz與理論計算的 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 明了基于包絡(luò)解調(diào)分析的診斷方法具有很強的實用價值。

圖4 時域波形

圖5 加速度頻譜圖

階次分析

圖6 包絡(luò)譜圖

二

在穩(wěn)態(tài)工況下，對振動信號進(jìn)行頻譜分析，可以有效地揭示被分析信號在全過程

中的頻率成分，但無法反映頻率隨時間變化的規(guī)律。對于某些設(shè)備的變速工況， 尤其低速端需要采集較長時間的信號，若對長時間采集的振動信號仍然采用頻域 分析，會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的有效方法。

圖7 譜線模糊現(xiàn)象

1

階次分析原理

以三級行星齒輪箱為例，第三級大齒輪的齒數(shù)為102，小齒輪的齒數(shù)為27，低速

軸與高速軸的傳動比為1:3.778，假設(shè)低速軸轉(zhuǎn)頻為

fl

，根據(jù)傳動機理可知，高速

軸轉(zhuǎn)頻

=3.778

，齒輪副嚙合頻率GMF=102

，頻譜示意圖如下圖所示。但是

fh fl fl

由于頻譜分析無法揭示信號頻率隨時間變化的規(guī)律，所以一旦轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定，振動

信號的頻譜中就會出現(xiàn)“模糊”現(xiàn)象。

圖8 譜線模糊現(xiàn)象

然而，對于結(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)系不會改變。如上例，無論低速軸的轉(zhuǎn)速如何變化，高速軸轉(zhuǎn)頻 和

fh

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)頻相對于參考軸的倍數(shù)。 通常階次與對應(yīng)的振動頻率之間的關(guān)系如下：

式中，

為階次 (Order)，

( )為參考軸轉(zhuǎn)頻， (

)為監(jiān)測部件的轉(zhuǎn)頻。

O fn t f t

對于參考軸本身，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)振動信號的特征。在變速工況下， ( )和

( )都隨

f t fn t

時間 變化而變化，由于傳動結(jié)構(gòu)固定，階次

t 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)與頻率有直接對應(yīng)關(guān)系，與頻率一樣揭示了振動信 號頻率結(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)的實現(xiàn)

階次分析實際上是對原始時域信號重采樣，將等時間間隔采樣變?yōu)榈冉嵌乳g隔采

樣。因此，階次分析的關(guān)鍵是實現(xiàn)振動信號的等角度采樣，即根據(jù)參考軸的轉(zhuǎn)速 變化相應(yīng)的調(diào)節(jié)采樣率，這個過程就是階次跟蹤。為減小誤差，通常采用 高速軸作為轉(zhuǎn)速參考軸。

階次技術(shù)實現(xiàn)的過程：

同步采集振動信號和轉(zhuǎn)速信號，其中振動信號通過加速度傳感器采

集，轉(zhuǎn)速脈沖信號通過轉(zhuǎn)速計獲得；

利用轉(zhuǎn)速脈沖信號擬合轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)角和時間的函數(shù)關(guān)系，計算振動信號角

域重采樣的時刻值，即鑒相時標(biāo)；

最后對同步采集的振動信號進(jìn)行重采樣，采用數(shù)據(jù)插值方法計算重采

樣時刻對應(yīng)振動信號的幅值，得到等角度采樣信號，即階次信號。如下 圖：

圖9 階次技術(shù)原理

3

階次分析方法

通過等角位移重采樣，將時域波形轉(zhuǎn)換成為階次波形，這樣就建立起了穩(wěn)態(tài)工況

下的信號分析方法與非穩(wěn)態(tài)工況下的信號分析方法之間的橋梁。對階次波形可進(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，時域波形表示信號隨時間的變化，因此橫坐標(biāo)單位是時間 (s)；變 速工況中，與之對應(yīng)的是階次波形，階次波形表示信號隨參考軸旋轉(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，頻譜是由時域波形經(jīng)過FFT變換得到，橫坐標(biāo)單位是頻率 (Hz)；變 速工況中，與之對應(yīng)的是階次譜，階次譜是階次波形通過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)波形是時域波形經(jīng)過gPK包絡(luò)處理得到，橫坐標(biāo)與時域波形相 同，為時間 (s)；變速工況中，與之對應(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FFT變換得到，橫坐標(biāo)單位是頻率 (Hz)； 變速工況中，與之對應(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，對低速端振動信號與轉(zhuǎn)速信號同步采集，采集時長為60s，可

以看到轉(zhuǎn)速從1430-1630r/min波動。對原始振動信號直接進(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，不能有效識別與機械旋轉(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。

從該案例中可以明顯看出，對于運行在變轉(zhuǎn)速工況下的設(shè)備，頻譜分析不能有效 反映出頻率隨時間的變化，因此出現(xiàn)譜線模糊現(xiàn)象。而階次分析消除了這種影 響，可以清晰的看到各旋轉(zhuǎn)部件的階次譜線，如下圖所示：

圖11 振動信號時域波形

圖12 轉(zhuǎn)速信號

圖13 階次譜