3種離心泵故障機(jī)理分析方法與診斷方法深入剖析
2020-05-210
引言
盡管離心泵故障發(fā)生原因比較復(fù)雜，但是通過(guò)對(duì)水泵整體振動(dòng)的分析，具體對(duì)振動(dòng)信號(hào)的分辯，例如軸承損壞、葉片磨損、泵軸與電機(jī)傳動(dòng)軸 的質(zhì)量不平衡、不對(duì)中、軸彎曲等，就可以對(duì)故障過(guò)行診斷;
小編主要通過(guò)3種方法:信號(hào)分析法、數(shù)據(jù)分析法、實(shí)際分析法，最合得出了一個(gè)結(jié)論……
1.信號(hào)分析方法
1.1傅里葉變換
1.2頻譜分析法的核心DFT算法——FFT-FT算法
1.3頻譜分析方法
2.數(shù)據(jù)分析法
3.實(shí)際振動(dòng)分析法
本文通過(guò)模擬離心泵運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的水泵故障，搭建試驗(yàn)臺(tái)測(cè)量采集離心泵不同狀態(tài)運(yùn)行過(guò)程中的振動(dòng)信號(hào)。利用傅里葉變換對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析、提取出可以表征離心泵故障的特征信息。分析查找振動(dòng)故障原因，為實(shí)際水泵運(yùn)行維護(hù)提供一套解決方法。
水泵工作現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜，高溫、濕熱、嗓聲大、監(jiān)制維護(hù)工作難度大。
水泵內(nèi)部存在機(jī)械和水力產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)力，水泵的振動(dòng)有多種特征。既有具有諧波、次諧波、低頻、工頻、高倍頻等頻率特征的振動(dòng)，也有與頻率無(wú)關(guān)的振動(dòng)振動(dòng)方向有徑向振動(dòng)、水平振動(dòng)、垂直振動(dòng)、軸向振動(dòng)等候振以及振動(dòng)誘因有自由振動(dòng)、受迫振動(dòng)、自激振隨機(jī)振動(dòng)以及共振。
由于水泵振動(dòng)的誘因復(fù)現(xiàn)根據(jù)水泵的振動(dòng)特征簡(jiǎn)要介紹水泵振動(dòng)故障嚴(yán)其產(chǎn)生原因。
1.1轉(zhuǎn)子不對(duì)中
轉(zhuǎn)子不對(duì)中是水泵中常見(jiàn)的故障之一，水泵和電機(jī)轉(zhuǎn)子之間通過(guò)聯(lián)軸器進(jìn)行聯(lián)接，由于安裝不達(dá)標(biāo)、轉(zhuǎn)子彎曲、軸承中心線偏移或偏斜、軸承與轉(zhuǎn)子的間隙以及承受載荷后轉(zhuǎn)子與軸承的變形等原因，導(dǎo)致水泵軸中心線與電機(jī)軸中心線不處于同一條直線上，從而使水泵中心軸線與電機(jī)中心軸線形成一定角度、最終導(dǎo)致轉(zhuǎn)子不對(duì)中，進(jìn)而產(chǎn)生振動(dòng)并導(dǎo)致機(jī)械故障。
轉(zhuǎn)子不對(duì)中可以分為下述三種情況。
第一種是平行不對(duì)中:
轉(zhuǎn)子的軸線之間產(chǎn)生相應(yīng)的徑向位移，每當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)一周，徑向彈力就會(huì)改變方向4次，即振動(dòng)2次;所以其振動(dòng)頻率為基頻的兩倍，此時(shí)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生徑向振動(dòng)。
第二種是偏角不對(duì)中:
電機(jī)轉(zhuǎn)子與水泵轉(zhuǎn)筍的角速度不同，中國(guó)的聯(lián)軸器容易產(chǎn)生一個(gè)彎矩，彎矩的作用是盡量級(jí)解電機(jī)軸與水泵軸之間的偏角。軸每旋轉(zhuǎn)一周，其彎矩的作用方向隨之改變一次，所以，角度不對(duì)中使轉(zhuǎn)子增加了軸向力，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子在軸向產(chǎn)生振動(dòng)。
第三種是平行偏角不對(duì)中。轉(zhuǎn)子軸線之間不僅存在徑向位移，同時(shí)還存在偏角位移，從而使轉(zhuǎn)子既產(chǎn)生徑向振動(dòng)，又產(chǎn)生軸向振動(dòng)。
圖1為不對(duì)中的3種情況。
所謂的不平衡:是由于轉(zhuǎn)子部件質(zhì)量偏心或轉(zhuǎn)I部件出現(xiàn)缺損造成的。
轉(zhuǎn)子質(zhì)量偏心通常是由于軹子的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理、不均勻、制造誤差以屋安裝誤差等原因造成的。
轉(zhuǎn)子部件出現(xiàn)轉(zhuǎn)子通常是轉(zhuǎn)子在運(yùn)行過(guò)程中由于腐蝕、磨損以及轉(zhuǎn)子受疲勞力的作用，使轉(zhuǎn)子零部件局部損傷、材料脫落等造成的。
其振動(dòng)機(jī)理是，轉(zhuǎn)子各橫截面的質(zhì)心連線與各截面幾何中心的連線不重合，使轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)時(shí)各截面的離心力構(gòu)成一個(gè)空同連續(xù)力系，造成轉(zhuǎn)子的撓度曲線為一連續(xù)的三維曲線。在高轉(zhuǎn)速下，即使數(shù)量稷甲小的質(zhì)量偏心也會(huì)產(chǎn)生很大的離心力。這個(gè)空間離心力系和轉(zhuǎn)子的撓度曲線是旋轉(zhuǎn)的。其旋轉(zhuǎn)的速度與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速相同，從而使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生工頻振動(dòng)
上面為轉(zhuǎn)子力學(xué)模型
顯然，不平衡的離心慣性力越大，振動(dòng)就越劇烈
1.3座聯(lián)接松動(dòng)
座聯(lián)接松動(dòng)容易導(dǎo)致水袋阻抗偏低，從而使水泵在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生較大的振動(dòng)。支座聯(lián)接松動(dòng)主要有以下特征：支座聯(lián)接松動(dòng)時(shí)，其水泵振動(dòng)相對(duì)較強(qiáng)烈，且振動(dòng)強(qiáng)度隨著轉(zhuǎn)速的改變較明顯，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到某一極值時(shí)，振幅將發(fā)生急剃變大或變小。
支座聯(lián)接松動(dòng)時(shí)，其軸心運(yùn)動(dòng)軌跡較為混亂。重心偏移，從而產(chǎn)生兩倍頻振動(dòng)。甚至3倍、4倍、5倍以及更高倍頻的振動(dòng)。
工程中所制的信號(hào)一般用時(shí)域來(lái)描述，稱為時(shí)城信號(hào)。然而由于故障的發(fā)生、發(fā)展會(huì)引起信號(hào)頻率結(jié)構(gòu)的變化。
為了通過(guò)所測(cè)信號(hào)了解、觀測(cè)對(duì)象的動(dòng)態(tài)行為，往往需要頻域信息。將時(shí)城信號(hào)通過(guò)數(shù)學(xué)處理變換為頻域分析的方法稱為頻譜分析。
頻譜分析是旋轉(zhuǎn)機(jī)城故障診斷中使用最廣泛的信號(hào)處理、特征提取方法之一*。
2.1傅里葉變換是進(jìn)行頻率結(jié)構(gòu)分析的重要工具，它可以辨別或區(qū)分組成任意波形的一些不同頻率的正弦波和它們各自的振幅。對(duì)于一個(gè)時(shí)域信號(hào)X(t)，其傅里葉正變換為
傅里葉變換是從時(shí)域到頻域，或從頻域到時(shí)域的信號(hào)轉(zhuǎn)換。
傅里葉變換是從時(shí)域到頻域，或從頻域到時(shí)域 的信號(hào)轉(zhuǎn)換。任何連續(xù)測(cè)量的時(shí)域信號(hào)，都可以表 示為不同頻率正弦波信號(hào)的無(wú)限疊加。在使用傅里 葉變換分析信號(hào)時(shí)，要保證連續(xù)時(shí)間信號(hào)滿足狄里 赫萊條件：
1)在任意周期內(nèi)，連續(xù)時(shí)間周期信號(hào)必須絕對(duì)可積；
2)在任意有限區(qū)間內(nèi)，連續(xù)時(shí) 間周期信號(hào)具有有限個(gè)起伏變化，•
3)在X(t)的任意有限區(qū)間內(nèi)，只有有限個(gè)不連續(xù)點(diǎn)，而在這些 不連續(xù)點(diǎn)上，信號(hào)值是有限的。
2.2頻譜分析法的核心DFT算法——FFT-FT算法
離散傅里葉變換 DFT(Discrete Fourier Transform) 是計(jì)算機(jī)作傅里葉運(yùn)算引 出的專用名詞 ，離 散采樣信號(hào)的傅里葉(Fourier)分析是振動(dòng)信號(hào)頻譜 分析的基礎(chǔ)。
設(shè)信號(hào)的離散時(shí)域采樣樣本為X(n), n=0，1， …，N-1是采樣點(diǎn)，N是信號(hào)長(zhǎng)度。則信號(hào)的離散 傅里葉變換(DFT)為
在計(jì)算機(jī)中直接進(jìn)行傅里葉變換(DFT)的運(yùn)算 量與信號(hào)長(zhǎng)度N的乎方成正比，運(yùn)算量太大，工 程應(yīng)用時(shí)一般采用快速傅里葉變換(FFT)算法， FFT算法通過(guò)仔細(xì)選擇和重新排列中間結(jié)果，在速 度上有明顯優(yōu)勢(shì)。對(duì)于采樣頻率為/、采樣點(diǎn)數(shù)為 N的時(shí)間序列尤U)，其離散的傅里葉級(jí)數(shù)由式(1) 可表示為
由采樣定理可知，系列xU)包含著0~y?2頻段 的連續(xù)信息，因此，可以近似把上面的看作區(qū)間 (0~N/2)內(nèi)連續(xù)變化的實(shí)數(shù)于是，上面 兩式可以改寫(xiě)為
FFT是實(shí)施DFT的一種快速運(yùn)算方式。可以 認(rèn)為，DFT是一個(gè)周期離散時(shí)間序列與一個(gè)周期離 散頻域序列的組合，借助于FFT算法利用計(jì)算機(jī) 完成，提供了一種快速頻譜分析方法。FFT-FT得 出的細(xì)化譜的頻率比較準(zhǔn)確，其幅值誤差量級(jí)僅為 0.02%左右、相位誤差在0.1%左右，F(xiàn)FT-FT細(xì)化 譜對(duì)于fg差為0.5 A/的2個(gè)主頻成分也能識(shí)別出 來(lái)。
頻譜分析常用的頻譜是功率譜和幅值譜。功率 譜表示振動(dòng)功率隨振動(dòng)頻率進(jìn)行分布的情況，物理 意義比較清楚。幅值譜表示對(duì)應(yīng)于各頻率的諧波振 動(dòng)分量所具有的振幅，應(yīng)用時(shí)比較直觀。幅值譜上 譜線高度就是該頻率分量的振幅大小。
1) 按髙、中、低三個(gè)頻段進(jìn)行分析，初步了 解主故障發(fā)生的部位；
2) 按工頻、超諧波、次諧波進(jìn)行分析，用以 確定故障的范圍：對(duì)中、平衡、松動(dòng)類故障均與工 頻(也稱基頻、轉(zhuǎn)頻)的整數(shù)倍或分?jǐn)?shù)倍有著密切的 關(guān)聯(lián)；
3) 按頻率成分的來(lái)源進(jìn)行分析，如：零部件 共振的頻率成分、隨機(jī)噪聲干擾成分、非線性調(diào)制 生成的和差頻成分等；
4) 按特征頻率進(jìn)行分析，振動(dòng)特征頻率是各 振動(dòng)零部件有故障時(shí)必定產(chǎn)生的頻率成分。
3實(shí)施分析
3.1測(cè)試系統(tǒng)簡(jiǎn)介
針對(duì)水泵的振動(dòng)測(cè)試主要采用NI USB-9234 數(shù)據(jù)采集卡作為硬件、以北京東方振動(dòng)與噪聲技術(shù) 研究所的DASP軟件為軟件支持、以三相加速度傳 感器和速度傳感器作為振動(dòng)數(shù)據(jù)采集端與筆記本電 腦組成一套測(cè)試系統(tǒng)。測(cè)試系統(tǒng)如圖3所示。
3.2水泵的測(cè)點(diǎn)位置
水泵的主要測(cè)點(diǎn)位置如圖4所示。測(cè)點(diǎn)位置應(yīng) 選在振動(dòng)能量向彈性基礎(chǔ)或系統(tǒng)其它部件進(jìn)行傳遞 的地方，并且每個(gè)測(cè)點(diǎn)都要在三個(gè)互相垂直的方向 (7JC平、垂直、軸向)進(jìn)行振動(dòng)測(cè)量。因此，在水泵 振動(dòng)測(cè)試中，我們采用三相加速度傳感器、速度傳感 雛為振動(dòng)數(shù)據(jù)采集端，主要測(cè)試部位有水泵軸承
底座以及出口法蘭處，其中以軸承座處的測(cè)點(diǎn)為主要 測(cè)點(diǎn)，底座和出口法蘭處的測(cè)點(diǎn)稱為輔助測(cè)點(diǎn)。
4.1數(shù)據(jù)采集
搭建水泵振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)，試驗(yàn)臺(tái)整體如圖所示 (圖刪略-編者），試驗(yàn)臺(tái)水泵性能參數(shù)如表1所 示。該水栗軸系自振頻率：
f=n/60=2950/60=49.17 Hz
在搭建的水泵振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)上，按照前述測(cè)點(diǎn)位 置安裝傳感器，聯(lián)接數(shù)據(jù)采集前端。在實(shí)測(cè)過(guò)程 中，保證傳感器與被測(cè)結(jié)構(gòu)良好固定，保證聯(lián)接牢 固，振動(dòng)過(guò)程中不出現(xiàn)松動(dòng)。安裝表面平整，不能 有油污、塵土、碎屑。同時(shí)，傳感器安裝后，固定 信號(hào)線纜，保證測(cè)試過(guò)程中不出現(xiàn)松動(dòng)，以確保測(cè) 試結(jié)果的準(zhǔn)確性。設(shè)置采樣頻率為10.24 kHz,采 樣長(zhǎng)度30 S，分別采集水泵正常和水泵不同故障下 的時(shí)域信號(hào)。
1) 當(dāng)出現(xiàn)轉(zhuǎn)子不對(duì)中時(shí)，水泵在水平軸向、 水平徑向以及垂直方向振動(dòng)有效值、基頻幅值及葉 頻幅值明顯增大，在水平徑向、水平軸向整體振動(dòng) 幅值增加顯著；
2) 當(dāng)?shù)啬_螺栓松動(dòng)時(shí)，水泵垂直方向的振動(dòng) 幅值明顯增大；
3) 當(dāng)不平衡出現(xiàn)時(shí)，其特征與不對(duì)中相似， 7JC泵振動(dòng)有效值、基頻幅值及葉頻幅值增大，尤其 在水平軸向上，振動(dòng)有效值明顯增大。
某水泵在大修后返廠發(fā)現(xiàn)其水平方向振動(dòng)過(guò) 大，尤其當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到4100 r/min后，隨轉(zhuǎn)速升高振 動(dòng)增大明顯。測(cè)量栗驅(qū)動(dòng)端、非驅(qū)動(dòng)端軸承和泵體 的振動(dòng)速度信號(hào)，對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，從 其頻譜圖明顯可以看出，軸頻成分是最主要的振動(dòng)
成分，驅(qū)動(dòng)端、非驅(qū)動(dòng)端軸承座處 振動(dòng)有效值和軸頻振動(dòng)幅值明顯?？梢耘袛嗨么?在不平衡問(wèn)題。
表2為水泵不同狀態(tài)下的有效值及頻率幅值對(duì)比，通過(guò)比較頻譜、振動(dòng)有效值、頻率幅值可以得出：
6結(jié)論
本文通過(guò)模擬水泵運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的水泵故障 展開(kāi)研究，經(jīng)過(guò)分析可以得到如下結(jié)論：
1) 振動(dòng)是水泵系統(tǒng)中普遍存在的問(wèn)題，也是 影響水泵正常運(yùn)行的突出問(wèn)題，在實(shí)際工作中必須 嚴(yán)格控制系統(tǒng)的振動(dòng)；
2) 通過(guò)獲取的頻譜與故障頻譜對(duì)比是判斷早 期故障的重要手段，但水栗振動(dòng)誘因復(fù)雜，后續(xù)工 作要注意不斷完善水泵振動(dòng)故障的特征頻譜；
3利用信號(hào)處理技術(shù)可以更加深入地展現(xiàn)振 動(dòng)特征，有利于故障的準(zhǔn)確診斷。
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盡管離心泵故障發(fā)生原因比較復(fù)雜，但是通過(guò)對(duì)水泵整體振動(dòng)的分析，具體對(duì)振動(dòng)信號(hào)的分辯，例如軸承損壞、葉片磨損、泵軸與電機(jī)傳動(dòng)軸 的質(zhì)量不平衡、不對(duì)中、軸彎曲等，就可以對(duì)故障過(guò)行診斷;
小編主要通過(guò)3種方法:信號(hào)分析法、數(shù)據(jù)分析法、實(shí)際分析法，最合得出了一個(gè)結(jié)論……
1.信號(hào)分析方法
1.1傅里葉變換
1.2頻譜分析法的核心DFT算法——FFT-FT算法
1.3頻譜分析方法
2.數(shù)據(jù)分析法
3.實(shí)際振動(dòng)分析法
本文通過(guò)模擬離心泵運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的水泵故障，搭建試驗(yàn)臺(tái)測(cè)量采集離心泵不同狀態(tài)運(yùn)行過(guò)程中的振動(dòng)信號(hào)。利用傅里葉變換對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析、提取出可以表征離心泵故障的特征信息。分析查找振動(dòng)故障原因，為實(shí)際水泵運(yùn)行維護(hù)提供一套解決方法。
1.水泵振動(dòng)故障
水泵工作現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜，高溫、濕熱、嗓聲大、監(jiān)制維護(hù)工作難度大。
水泵內(nèi)部存在機(jī)械和水力產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)力，水泵的振動(dòng)有多種特征。既有具有諧波、次諧波、低頻、工頻、高倍頻等頻率特征的振動(dòng)，也有與頻率無(wú)關(guān)的振動(dòng)振動(dòng)方向有徑向振動(dòng)、水平振動(dòng)、垂直振動(dòng)、軸向振動(dòng)等候振以及振動(dòng)誘因有自由振動(dòng)、受迫振動(dòng)、自激振隨機(jī)振動(dòng)以及共振。
由于水泵振動(dòng)的誘因復(fù)現(xiàn)根據(jù)水泵的振動(dòng)特征簡(jiǎn)要介紹水泵振動(dòng)故障嚴(yán)其產(chǎn)生原因。
1.1轉(zhuǎn)子不對(duì)中
轉(zhuǎn)子不對(duì)中是水泵中常見(jiàn)的故障之一，水泵和電機(jī)轉(zhuǎn)子之間通過(guò)聯(lián)軸器進(jìn)行聯(lián)接，由于安裝不達(dá)標(biāo)、轉(zhuǎn)子彎曲、軸承中心線偏移或偏斜、軸承與轉(zhuǎn)子的間隙以及承受載荷后轉(zhuǎn)子與軸承的變形等原因，導(dǎo)致水泵軸中心線與電機(jī)軸中心線不處于同一條直線上，從而使水泵中心軸線與電機(jī)中心軸線形成一定角度、最終導(dǎo)致轉(zhuǎn)子不對(duì)中，進(jìn)而產(chǎn)生振動(dòng)并導(dǎo)致機(jī)械故障。
轉(zhuǎn)子不對(duì)中可以分為下述三種情況。
第一種是平行不對(duì)中:
轉(zhuǎn)子的軸線之間產(chǎn)生相應(yīng)的徑向位移，每當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)一周，徑向彈力就會(huì)改變方向4次，即振動(dòng)2次;所以其振動(dòng)頻率為基頻的兩倍，此時(shí)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生徑向振動(dòng)。
第二種是偏角不對(duì)中:
電機(jī)轉(zhuǎn)子與水泵轉(zhuǎn)筍的角速度不同，中國(guó)的聯(lián)軸器容易產(chǎn)生一個(gè)彎矩，彎矩的作用是盡量級(jí)解電機(jī)軸與水泵軸之間的偏角。軸每旋轉(zhuǎn)一周，其彎矩的作用方向隨之改變一次，所以，角度不對(duì)中使轉(zhuǎn)子增加了軸向力，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子在軸向產(chǎn)生振動(dòng)。
第三種是平行偏角不對(duì)中。轉(zhuǎn)子軸線之間不僅存在徑向位移，同時(shí)還存在偏角位移，從而使轉(zhuǎn)子既產(chǎn)生徑向振動(dòng)，又產(chǎn)生軸向振動(dòng)。
圖1為不對(duì)中的3種情況。
所謂的不平衡:是由于轉(zhuǎn)子部件質(zhì)量偏心或轉(zhuǎn)I部件出現(xiàn)缺損造成的。
轉(zhuǎn)子質(zhì)量偏心通常是由于軹子的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理、不均勻、制造誤差以屋安裝誤差等原因造成的。
轉(zhuǎn)子部件出現(xiàn)轉(zhuǎn)子通常是轉(zhuǎn)子在運(yùn)行過(guò)程中由于腐蝕、磨損以及轉(zhuǎn)子受疲勞力的作用，使轉(zhuǎn)子零部件局部損傷、材料脫落等造成的。
其振動(dòng)機(jī)理是，轉(zhuǎn)子各橫截面的質(zhì)心連線與各截面幾何中心的連線不重合，使轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)時(shí)各截面的離心力構(gòu)成一個(gè)空同連續(xù)力系，造成轉(zhuǎn)子的撓度曲線為一連續(xù)的三維曲線。在高轉(zhuǎn)速下，即使數(shù)量稷甲小的質(zhì)量偏心也會(huì)產(chǎn)生很大的離心力。這個(gè)空間離心力系和轉(zhuǎn)子的撓度曲線是旋轉(zhuǎn)的。其旋轉(zhuǎn)的速度與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速相同，從而使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生工頻振動(dòng)
上面為轉(zhuǎn)子力學(xué)模型
顯然，不平衡的離心慣性力越大，振動(dòng)就越劇烈
1.3座聯(lián)接松動(dòng)
座聯(lián)接松動(dòng)容易導(dǎo)致水袋阻抗偏低，從而使水泵在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生較大的振動(dòng)。支座聯(lián)接松動(dòng)主要有以下特征：支座聯(lián)接松動(dòng)時(shí)，其水泵振動(dòng)相對(duì)較強(qiáng)烈，且振動(dòng)強(qiáng)度隨著轉(zhuǎn)速的改變較明顯，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到某一極值時(shí)，振幅將發(fā)生急剃變大或變小。
支座聯(lián)接松動(dòng)時(shí)，其軸心運(yùn)動(dòng)軌跡較為混亂。重心偏移，從而產(chǎn)生兩倍頻振動(dòng)。甚至3倍、4倍、5倍以及更高倍頻的振動(dòng)。
2信號(hào)分析方法
工程中所制的信號(hào)一般用時(shí)域來(lái)描述，稱為時(shí)城信號(hào)。然而由于故障的發(fā)生、發(fā)展會(huì)引起信號(hào)頻率結(jié)構(gòu)的變化。
為了通過(guò)所測(cè)信號(hào)了解、觀測(cè)對(duì)象的動(dòng)態(tài)行為，往往需要頻域信息。將時(shí)城信號(hào)通過(guò)數(shù)學(xué)處理變換為頻域分析的方法稱為頻譜分析。
頻譜分析是旋轉(zhuǎn)機(jī)城故障診斷中使用最廣泛的信號(hào)處理、特征提取方法之一*。
2.1傅里葉變換是進(jìn)行頻率結(jié)構(gòu)分析的重要工具，它可以辨別或區(qū)分組成任意波形的一些不同頻率的正弦波和它們各自的振幅。對(duì)于一個(gè)時(shí)域信號(hào)X(t)，其傅里葉正變換為
傅里葉變換是從時(shí)域到頻域，或從頻域到時(shí)域的信號(hào)轉(zhuǎn)換。
傅里葉變換是從時(shí)域到頻域，或從頻域到時(shí)域 的信號(hào)轉(zhuǎn)換。任何連續(xù)測(cè)量的時(shí)域信號(hào)，都可以表 示為不同頻率正弦波信號(hào)的無(wú)限疊加。在使用傅里 葉變換分析信號(hào)時(shí)，要保證連續(xù)時(shí)間信號(hào)滿足狄里 赫萊條件：
1)在任意周期內(nèi)，連續(xù)時(shí)間周期信號(hào)必須絕對(duì)可積；
2)在任意有限區(qū)間內(nèi)，連續(xù)時(shí) 間周期信號(hào)具有有限個(gè)起伏變化，•
3)在X(t)的任意有限區(qū)間內(nèi)，只有有限個(gè)不連續(xù)點(diǎn)，而在這些 不連續(xù)點(diǎn)上，信號(hào)值是有限的。
2.2頻譜分析法的核心DFT算法——FFT-FT算法
離散傅里葉變換 DFT(Discrete Fourier Transform) 是計(jì)算機(jī)作傅里葉運(yùn)算引 出的專用名詞 ，離 散采樣信號(hào)的傅里葉(Fourier)分析是振動(dòng)信號(hào)頻譜 分析的基礎(chǔ)。
設(shè)信號(hào)的離散時(shí)域采樣樣本為X(n), n=0，1， …，N-1是采樣點(diǎn)，N是信號(hào)長(zhǎng)度。則信號(hào)的離散 傅里葉變換(DFT)為
在計(jì)算機(jī)中直接進(jìn)行傅里葉變換(DFT)的運(yùn)算 量與信號(hào)長(zhǎng)度N的乎方成正比，運(yùn)算量太大，工 程應(yīng)用時(shí)一般采用快速傅里葉變換(FFT)算法， FFT算法通過(guò)仔細(xì)選擇和重新排列中間結(jié)果，在速 度上有明顯優(yōu)勢(shì)。對(duì)于采樣頻率為/、采樣點(diǎn)數(shù)為 N的時(shí)間序列尤U)，其離散的傅里葉級(jí)數(shù)由式(1) 可表示為
由采樣定理可知，系列xU)包含著0~y?2頻段 的連續(xù)信息，因此，可以近似把上面的看作區(qū)間 (0~N/2)內(nèi)連續(xù)變化的實(shí)數(shù)于是，上面 兩式可以改寫(xiě)為
FFT是實(shí)施DFT的一種快速運(yùn)算方式。可以 認(rèn)為，DFT是一個(gè)周期離散時(shí)間序列與一個(gè)周期離 散頻域序列的組合，借助于FFT算法利用計(jì)算機(jī) 完成，提供了一種快速頻譜分析方法。FFT-FT得 出的細(xì)化譜的頻率比較準(zhǔn)確，其幅值誤差量級(jí)僅為 0.02%左右、相位誤差在0.1%左右，F(xiàn)FT-FT細(xì)化 譜對(duì)于fg差為0.5 A/的2個(gè)主頻成分也能識(shí)別出 來(lái)。
2.3頻譜分析方法
頻譜分析常用的頻譜是功率譜和幅值譜。功率 譜表示振動(dòng)功率隨振動(dòng)頻率進(jìn)行分布的情況，物理 意義比較清楚。幅值譜表示對(duì)應(yīng)于各頻率的諧波振 動(dòng)分量所具有的振幅，應(yīng)用時(shí)比較直觀。幅值譜上 譜線高度就是該頻率分量的振幅大小。
1) 按髙、中、低三個(gè)頻段進(jìn)行分析，初步了 解主故障發(fā)生的部位；
2) 按工頻、超諧波、次諧波進(jìn)行分析，用以 確定故障的范圍：對(duì)中、平衡、松動(dòng)類故障均與工 頻(也稱基頻、轉(zhuǎn)頻)的整數(shù)倍或分?jǐn)?shù)倍有著密切的 關(guān)聯(lián)；
3) 按頻率成分的來(lái)源進(jìn)行分析，如：零部件 共振的頻率成分、隨機(jī)噪聲干擾成分、非線性調(diào)制 生成的和差頻成分等；
4) 按特征頻率進(jìn)行分析，振動(dòng)特征頻率是各 振動(dòng)零部件有故障時(shí)必定產(chǎn)生的頻率成分。
3實(shí)施分析
3.1測(cè)試系統(tǒng)簡(jiǎn)介
針對(duì)水泵的振動(dòng)測(cè)試主要采用NI USB-9234 數(shù)據(jù)采集卡作為硬件、以北京東方振動(dòng)與噪聲技術(shù) 研究所的DASP軟件為軟件支持、以三相加速度傳 感器和速度傳感器作為振動(dòng)數(shù)據(jù)采集端與筆記本電 腦組成一套測(cè)試系統(tǒng)。測(cè)試系統(tǒng)如圖3所示。
3.2水泵的測(cè)點(diǎn)位置
水泵的主要測(cè)點(diǎn)位置如圖4所示。測(cè)點(diǎn)位置應(yīng) 選在振動(dòng)能量向彈性基礎(chǔ)或系統(tǒng)其它部件進(jìn)行傳遞 的地方，并且每個(gè)測(cè)點(diǎn)都要在三個(gè)互相垂直的方向 (7JC平、垂直、軸向)進(jìn)行振動(dòng)測(cè)量。因此，在水泵 振動(dòng)測(cè)試中，我們采用三相加速度傳感器、速度傳感 雛為振動(dòng)數(shù)據(jù)采集端，主要測(cè)試部位有水泵軸承
底座以及出口法蘭處，其中以軸承座處的測(cè)點(diǎn)為主要 測(cè)點(diǎn)，底座和出口法蘭處的測(cè)點(diǎn)稱為輔助測(cè)點(diǎn)。
4.數(shù)據(jù)分析
4.1數(shù)據(jù)采集
搭建水泵振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)，試驗(yàn)臺(tái)整體如圖所示 (圖刪略-編者），試驗(yàn)臺(tái)水泵性能參數(shù)如表1所 示。該水栗軸系自振頻率：
f=n/60=2950/60=49.17 Hz
在搭建的水泵振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)上，按照前述測(cè)點(diǎn)位 置安裝傳感器，聯(lián)接數(shù)據(jù)采集前端。在實(shí)測(cè)過(guò)程 中，保證傳感器與被測(cè)結(jié)構(gòu)良好固定，保證聯(lián)接牢 固，振動(dòng)過(guò)程中不出現(xiàn)松動(dòng)。安裝表面平整，不能 有油污、塵土、碎屑。同時(shí)，傳感器安裝后，固定 信號(hào)線纜，保證測(cè)試過(guò)程中不出現(xiàn)松動(dòng)，以確保測(cè) 試結(jié)果的準(zhǔn)確性。設(shè)置采樣頻率為10.24 kHz,采 樣長(zhǎng)度30 S，分別采集水泵正常和水泵不同故障下 的時(shí)域信號(hào)。
1) 當(dāng)出現(xiàn)轉(zhuǎn)子不對(duì)中時(shí)，水泵在水平軸向、 水平徑向以及垂直方向振動(dòng)有效值、基頻幅值及葉 頻幅值明顯增大，在水平徑向、水平軸向整體振動(dòng) 幅值增加顯著；
2) 當(dāng)?shù)啬_螺栓松動(dòng)時(shí)，水泵垂直方向的振動(dòng) 幅值明顯增大；
3) 當(dāng)不平衡出現(xiàn)時(shí)，其特征與不對(duì)中相似， 7JC泵振動(dòng)有效值、基頻幅值及葉頻幅值增大，尤其 在水平軸向上，振動(dòng)有效值明顯增大。
5.實(shí)際水泵振動(dòng)分析
某水泵在大修后返廠發(fā)現(xiàn)其水平方向振動(dòng)過(guò) 大，尤其當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到4100 r/min后，隨轉(zhuǎn)速升高振 動(dòng)增大明顯。測(cè)量栗驅(qū)動(dòng)端、非驅(qū)動(dòng)端軸承和泵體 的振動(dòng)速度信號(hào)，對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，從 其頻譜圖明顯可以看出，軸頻成分是最主要的振動(dòng)
成分，驅(qū)動(dòng)端、非驅(qū)動(dòng)端軸承座處 振動(dòng)有效值和軸頻振動(dòng)幅值明顯?？梢耘袛嗨么?在不平衡問(wèn)題。
表2為水泵不同狀態(tài)下的有效值及頻率幅值對(duì)比，通過(guò)比較頻譜、振動(dòng)有效值、頻率幅值可以得出：
6結(jié)論
本文通過(guò)模擬水泵運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的水泵故障 展開(kāi)研究，經(jīng)過(guò)分析可以得到如下結(jié)論：
1) 振動(dòng)是水泵系統(tǒng)中普遍存在的問(wèn)題，也是 影響水泵正常運(yùn)行的突出問(wèn)題，在實(shí)際工作中必須 嚴(yán)格控制系統(tǒng)的振動(dòng)；
2) 通過(guò)獲取的頻譜與故障頻譜對(duì)比是判斷早 期故障的重要手段，但水栗振動(dòng)誘因復(fù)雜，后續(xù)工 作要注意不斷完善水泵振動(dòng)故障的特征頻譜；
3利用信號(hào)處理技術(shù)可以更加深入地展現(xiàn)振 動(dòng)特征，有利于故障的準(zhǔn)確診斷。
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