許紅斌（陽城國際發(fā)電有限責(zé)任公司，山西 晉城 048102）

基于旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動信號時頻研究

許紅斌
（陽城國際發(fā)電有限責(zé)任公司，山西 晉城 048102）

機(jī)械在運(yùn)動中都會出現(xiàn)不同程度的振動，但是機(jī)械振動要控制在一定范圍內(nèi)，不然機(jī)械的壽命和正常使用都會有非常大的影響。所以旋轉(zhuǎn)機(jī)械在工作中對振動信號要進(jìn)行信號時頻的分析來確定這個機(jī)械在工作中是否在合理的范圍內(nèi)，以及對整個機(jī)械具體的影響。下面本文就以機(jī)械振動信號時頻分析的意義以及信號分析的基本概念、窗函數(shù)、測不準(zhǔn)等問題進(jìn)行探討振動信號時頻分析的作用。

旋轉(zhuǎn)機(jī)械；振動信號；時頻分析；研究

旋轉(zhuǎn)機(jī)械在運(yùn)動過程中會出現(xiàn)振動，為了更好的對機(jī)械的工作效率及工作質(zhì)量進(jìn)行研究，就必須對機(jī)械在工作中引起的振動進(jìn)行分析，然后在分析中提取有用的信息。我們都知道機(jī)械振動信號的測量中直接能夠獲得的就是時域信號，但是時域信號在在分析設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)時對特征信號和非特征信號難以區(qū)分，所以我們采取利用時域來得到我們想要的有用信息。時頻信號能同時反映信號的時間變化特性和頻率變化信號，為振動的信號分析提供了的新的分析領(lǐng)域。

機(jī)械旋轉(zhuǎn)會出現(xiàn)平穩(wěn)特性或非平穩(wěn)特性兩種情況，這兩種情況具有一定的周期性，在對以上信號頻率變化的分析和描述上，最開始利用傅立葉變換分析法。但是它有一個缺點，就是不能夠隨時間的變化將機(jī)械的振動信號實時的體現(xiàn)出來，同時也無法將頻率隨時間的變化特性很好的表現(xiàn)出來。但是采用時頻進(jìn)行信號的分析，就可以完全表現(xiàn)出頻率隨時間的變化特性。WVD是時頻表示中非常最重要的一類非線性時頻分布。WVD的時頻聚集性是非常好的，它還有一個好處是能將時間分辨率與頻率分辨率區(qū)分開來，沒有線性時頻表示中的相互牽制情況的發(fā)生，可以將一維的時域信號轉(zhuǎn)換成成二維的時頻平面，因此常用來作為非平穩(wěn)信號信息處理的手段。

1 單周期平穩(wěn)過程的時頻周期窗分析

要知道進(jìn)行分段分析是周期分析的必要過程，先例如設(shè)周期平穩(wěn)過程中會得到相應(yīng)的式子：

x（t）=x（t+T），那么相應(yīng)的瞬時相關(guān)函數(shù)是：

Rxx（t,τ）=x（t+τ/2）x*（t-τ/2）（1）

其中，*表示共軛。

借助于自由相關(guān)函數(shù)以及周期函數(shù)乘積等包括在性質(zhì)上的共同點可知，在x（t）為周期的T平穩(wěn)過程的條件下，Rxx（t，τ）的周期T的函數(shù)也是時間域t上的函數(shù)，展開為傅立葉級數(shù)。頻率α的周期和函數(shù)Rαxx（τ）有很強(qiáng)的自相關(guān)性，稱為循環(huán)相關(guān)函數(shù)。其中，以1/T為基頻然后將α的值取到其的整數(shù)倍，α的值代表的就是循環(huán)頻率。

帶入到（2）中的到的公式是

設(shè)取局部平滑窗函數(shù)g（u）、g（τ）為

帶入式子（3）得到：

首先找出可以用來檢測的諧波頻率，在式（5）中經(jīng)過一系列化簡和積分后得到了合乎式閃分量，其他的數(shù)據(jù)都被消除了，所以最終可以有式（5）經(jīng)過驗算和推斷得到，特征頻率分量β處的時頻分布的存在可以用檢測，可以很好的提取到局部時頻特征分量。

2 調(diào)幅過程的時頻周期窗分析

經(jīng)過推論需要根據(jù)式（3）定義可以得出調(diào)幅信號的循環(huán)子相關(guān)函數(shù)表達(dá)式。 從以往的經(jīng)驗來對故障進(jìn)行診斷，很多的機(jī)械故障屬于復(fù)制調(diào)制型故障，例如有時候會出現(xiàn)傳遞齒輪沒有卡到位導(dǎo)致的轉(zhuǎn)軸變得扭曲變形、偏離軌道、不對稱等，在故障的判斷中嚴(yán)重程度和調(diào)制頻率處的α1，2=±ω2或α3，4=±2ω2得幅值呈現(xiàn)相關(guān)的關(guān)系，故障監(jiān)測的關(guān)鍵手段我們可以利用提取調(diào)制頻率處信號能量的大小來確定。進(jìn)而得出故障公式：

在式（6）中主要采取保留α1，2= ±ω2或者α3，4=±2ω2，通過這兩個點上的能量信息可以制定閾值，機(jī)械故障的進(jìn)行監(jiān)測就可以通過調(diào)幅來實現(xiàn)。

調(diào)制頻率與載波是存在諧波關(guān)系的，存在諧波關(guān)系對很多齒輪故障來說是這樣的，即ω1=Zω2其中Z就是故障齒輪的齒輪數(shù)。由此可得，ω2、α7，8=± （2ω1±ω2）以及α9，10=±（2ω1±2ω2）之間都有諧波關(guān)系的存在。再利用函數(shù)正交可知，在U∈【O，h】整個區(qū)間的范圍當(dāng)中。式（6）中的各基函數(shù)分量e0、

e±jω2u、e±j2ω2u、e±jωα2u、e±jα（2ω1ω2）u、e±jα

（2ω1±2ω2）u之間兩兩相交，當(dāng)ejω2u處的分量計算大于0的時候，這個特征才可以作為能量信號來被故障檢測到。

3 仿真與實例

要在調(diào)幅信號的表達(dá)式中取得相應(yīng)的值，我們把調(diào)幅因子取到1.8時，這時候ω1=50rad/s，ω2=5rad/s，其相對應(yīng)的調(diào)制信號同步頻周期窗仿真圖 。

4 以回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器漏風(fēng)率高為例分析其原因以及對策

回轉(zhuǎn)式預(yù)熱器漏風(fēng)可能是自身的攜帶漏風(fēng)，預(yù)熱器受熱面空間所包容的空氣由于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動而帶到煙氣測引起的泄露，但是每種旋轉(zhuǎn)式預(yù)熱器都會出現(xiàn)這種問題，預(yù)熱器在工作時轉(zhuǎn)子必須是要進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的，轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)的過程中速度越快，所攜帶的風(fēng)量就會越大。所以說這種漏風(fēng)的現(xiàn)象是不可避免的，只能是在設(shè)計時，對漏風(fēng)處采取用材林來圍堵的方法。

回轉(zhuǎn)式預(yù)熱器在受到熱變形時也會出現(xiàn)漏風(fēng)現(xiàn)象，由于熱脹冷縮的原因?qū)е律厦娴霓D(zhuǎn)子和下面的轉(zhuǎn)子溫度出現(xiàn)較大的差異，使得溫度高的轉(zhuǎn)子的軸徑由于溫度高而變得膨脹，而溫度低的地方卻不會出現(xiàn)膨脹。我們都知道，不管什么機(jī)械，當(dāng)他的轉(zhuǎn)子溫度出現(xiàn)不同程度的升高時，轉(zhuǎn)子的剛性就會降低不少，同時轉(zhuǎn)子本身的質(zhì)量比較大。最終導(dǎo)致轉(zhuǎn)子出現(xiàn)蘑菇狀的變形，使得轉(zhuǎn)子上部和熱端板扇形板之間形成一條狹窄的三角形漏風(fēng)區(qū)域。這個三角形漏風(fēng)區(qū)域?qū)φ麄€回轉(zhuǎn)式預(yù)熱器的漏風(fēng)現(xiàn)象造成比較大的影響，幾乎達(dá)到整個漏風(fēng)量的40%以上。對于這種問題的解決辦法在理論上可以采取去轉(zhuǎn)子的保溫措施，也就是使得整個轉(zhuǎn)子的軸承溫度盡量保持在相同水平上，采取同時降溫的辦法在技術(shù)上比較困難，因為機(jī)械在工作時，是由轉(zhuǎn)子來帶動的，可是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動就會有摩擦，摩擦就會溫度升高，在此處的降溫是幾乎不可以實現(xiàn)的。所以現(xiàn)在基本上都采取同時加熱的辦法，即當(dāng)轉(zhuǎn)子工作時摩擦處溫度升高多少，就在相應(yīng)位置軸承上升高相同的溫度，來使整個軸承溫度保持相同溫度。但是這個過程一定要注意，軸承升高的溫度要控制在合理的范圍內(nèi)，以免對整個機(jī)械產(chǎn)生不良影響。

還有一種情況就是機(jī)械在旋轉(zhuǎn)過程中震動過大，機(jī)械振動有正常的振動也有不正常的問題，這時候就要借助于對振動信號進(jìn)行時頻研究，來最終確定其振動是否在合理的范圍之內(nèi)，利用時頻周期窗函數(shù)來進(jìn)行對齒輪的判斷，對傳遞齒輪沒有卡到位導(dǎo)致的轉(zhuǎn)軸變得扭曲變形、偏離軌道、不對稱等這些都是導(dǎo)致機(jī)械振動過大的原因。同時可以采取α1，2=±ω2和α3，4=±2ω2的幅值是否呈現(xiàn)的關(guān)系來判斷這個故障的嚴(yán)重程度，在利用載波頻率圖將整個故障呈現(xiàn)出來，以確定出現(xiàn)故障的具體位置，例如齒輪咬合不夠緊密，或者是軸承出現(xiàn)扭曲變形等問題，通過對振動信號時頻的分析既可以找到相應(yīng)的位置之后就需要人員的檢修，比如齒輪咬合問題可以將整個機(jī)械拆開將齒輪方正或者是調(diào)換軸承的方向等，最終將整個機(jī)械的振動問題調(diào)制到合理的范圍內(nèi)，這樣才能有效的解決回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器的漏風(fēng)問題。

結(jié)語

旋轉(zhuǎn)機(jī)械由于振動引起的故障，并不需要了解時頻區(qū)域的全貌，只需要將檢測到的特征量進(jìn)行特定的分析，也就是尋找特征的特定位置。故障特征需要采取時頻周期窗的觀察方法，排除了很多的外在因素，所以在查找問題時更加方便快捷，使得特征量的提取更加準(zhǔn)確。

[1]陳健林.旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動信號時頻分析及軟件系統(tǒng)[D].汕頭大學(xué)，2004.

[2]胡勁松，楊世錫.基于自相關(guān)的旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動信號EMD分解方法研究[J].機(jī)械強(qiáng)度，2007，29（03）：376-379.

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