吳詩謙，趙建華，歐陽光耀

（海軍工程大學(xué) 動力工程學(xué)院，武漢 430033）

基于振動信號的船用空壓機故障診斷

吳詩謙，趙建華，歐陽光耀

（海軍工程大學(xué) 動力工程學(xué)院，武漢 430033）

船用往復(fù)式空壓機激勵源眾多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工作環(huán)境惡劣、信號傳播路徑復(fù)雜等因素都影響信號的分析與故障源的確定。為提取特征頻率,運用常規(guī)方法和基于小波變換的強制去噪、默認(rèn)閾值去噪和給定軟閾值去噪方法對空壓機振動信號進行處理，通過比較這四種方法的優(yōu)劣和適用條件，發(fā)現(xiàn)默認(rèn)閾值法能很好地保留特征信號并且去噪效果良好，所以選取默認(rèn)閾值去噪法對空壓機振動信號的時域和頻域進行分析。時域分析發(fā)現(xiàn)0.5×r/min沖擊間隔明顯，頻域分析發(fā)現(xiàn)1×r/min頻率突出且伴隨出現(xiàn)2×r/min的情況，根據(jù)該空壓機的振動機理和歷史維修記錄針對性地提出檢修方案。對檢修后的空壓機進行二次診斷，結(jié)果表明整機振動烈度和主要頻率處的幅值顯著降低，檢修效果良好。

振動與波；往復(fù)式空壓機；故障診斷；小波變換；時域分析；頻域分析。

往復(fù)式壓縮機是船舶輔機系統(tǒng)的重要組成部分，其主要功能是為船舶主機和發(fā)電機提供啟動能源。它往往連續(xù)滿負(fù)載運轉(zhuǎn)，零部件出故障概率較高，一旦出現(xiàn)故障就嚴(yán)重影響整船的正常運轉(zhuǎn)。而且空壓機激勵源多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工作環(huán)境惡劣、信號傳播路徑復(fù)雜，各部件所產(chǎn)生的振動信號之間存在嚴(yán)重的干擾，所以往復(fù)式空壓機表面的振動信號頻率分布范圍過廣，存在較強的非線性和非平穩(wěn)性，給信號的采集、分析、故障診斷帶來許多困難。

現(xiàn)有的信號分析系統(tǒng)通常使用快速傅里葉變換（FFT）和自帶的濾波平滑方式對振動信號進行處理，但是在工程實際中，背景噪聲過大，無用頻率過多，特征頻率提取困難等問題仍然存在。文中利用小波變換對數(shù)據(jù)進行去噪，通過時域和頻域的分析，找出故障源，提出維修方案，并對維修后振動進行測試以驗證檢修效果[1]。

1 常見故障振動及診斷流程

往復(fù)式壓縮機運行中存在旋轉(zhuǎn)慣性力、往復(fù)慣性力及力矩，會引起機器和基礎(chǔ)的振動。除了這種機械運動引起的振動外，往復(fù)式壓縮機由于間歇性吸氣和排氣，氣流的壓力脈動還會引起管路振動。如果氣流脈動頻率恰好與氣柱或管道自振頻率相同，就會產(chǎn)生管道共振，這種共振不僅引起壓縮機和基礎(chǔ)、管道各連接部分松動，嚴(yán)重時甚至?xí)窳压艿馈?/p>

對于往復(fù)式空壓機振動和噪聲大的問題，除一些常見的故障例如機腳螺栓松動、雜物進入氣缸等可以及時發(fā)現(xiàn)并處理外，其他故障并不能快速準(zhǔn)確定位。但大多數(shù)故障初期癥狀都會表現(xiàn)為機體振動和噪聲異常，如何提取分析振動信號中包含的振源以及系統(tǒng)狀態(tài)信息，是應(yīng)用振動信號進行往復(fù)式壓縮機故障診斷的基礎(chǔ)[2]。一般基于振動信號分析的往復(fù)式壓縮機故障診斷方法的流程如圖1所示。

圖1 基于振動信號分析的往復(fù)式壓縮機故障診斷流程圖

其中信號處理是工程實際中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)之一，其任務(wù)就是發(fā)現(xiàn)信號的本質(zhì)特征，找出故障源所在。為了分析和處理此類復(fù)雜的信號，在傅里葉分析理論基礎(chǔ)上發(fā)展出了一系列新的信號分析理論，小波變換就是其中之一。小波變換分析的時域分辨率和頻域分辨率較傳統(tǒng)加窗傅里葉變換分析有了較大的改進。利用Mattat算法實現(xiàn)小波分解，過程描述如式(1)所示。

式中fk為時域信號，k=0，1，2，…，N-1（N為采樣點數(shù)）；h*n，g*n為共軛鏡像濾波器的脈沖響應(yīng)；j為小波分解層數(shù)，這里選擇為5層。

運用小波分析很強的信號重構(gòu)能力，再利用Mallat重構(gòu)算法對分解后的信號進行重構(gòu)。不同尺度下的小波變換，實質(zhì)是不同中心頻率下，品質(zhì)因數(shù)相同的帶通濾波器對信號的濾波，重構(gòu)算法實際為分解算法的逆過程，重構(gòu)算法如式（2）所示。

基本流程是把式（1）分解后各層小波結(jié)果的高頻部分進行處理，再用式（2）對各層信號進行重構(gòu)，即可以得到反映信號本質(zhì)特征的主要成分，以便找出故障源所在[3]。

2 測點布置及檢修前振動信號分析

2.1 壓縮機性能參數(shù)與測點布置

在實際中，船用往復(fù)式壓縮機由于船艙狹小等原因，一般在機體表面布置測點，現(xiàn)對一V型、雙作用，四級電動往復(fù)式壓縮機進行相關(guān)的振動測試。該空壓機最高工作壓力為39.2 MPa。電壓為320 V時額定轉(zhuǎn)速為1 450 r/min，電壓為280 V時額定轉(zhuǎn)速為1 330 r/min，電壓為220 V時額定轉(zhuǎn)速為1 150 r/min。需要功率（轉(zhuǎn)速為1 330 r/min時）不大于75 kW，旋轉(zhuǎn)方向從電動機方向看是順時針。該空壓機存在的問題是在運行過程中整機噪聲過大并且尖銳刺耳，振感強烈。

測試所用儀器為東華DH 5901動態(tài)信號分析儀和DH 186壓電加速度傳感器。采樣參數(shù)設(shè)置使用線性平均，平均次數(shù)為4次，采樣頻率為2.56 kHz，連續(xù)采樣。按照振動測試標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定[4]，每一個測點需測量三個相互垂直的方向：垂向——與機器安裝面垂直的方向，用Z標(biāo)記；縱向——沿機器軸線方向，用X標(biāo)記；橫向——垂直XZ平面方向，用Y標(biāo)記。測點布置位置為：自由端機腳（測點1），自由端機體上部（測點2），中部機腳（測點3），輸出端機腳（測點4），輸出端機體上部（測點5），自由端機腳對稱側(cè)（測點6）；隔振器簡化為彈簧，振級落差測試點布置位置為：空壓機機體底部自由端（測點7）與輸出端（測點8），這兩點垂直向下對應(yīng)的船體上點，分別為測點9和測點10。具體測點布置如圖2所示。

2.2 檢修前原始數(shù)據(jù)整理

對空壓機的整機振動烈度整理數(shù)據(jù)如表1所示。

通過表1數(shù)據(jù)和《往復(fù)式機器整機振動測量與評級方法》對比可知，該空氣壓縮機的振動烈度處于A/B級臨界邊緣，且運行狀態(tài)不太平穩(wěn)。為確定振動烈度的過大是否與隔振器有關(guān)，對隔振器數(shù)據(jù)進行處理，隔振器的振級落差處理數(shù)據(jù)如表2所示。

圖2 空壓機測點布置示意圖

表1 空氣壓縮機振動烈度測試結(jié)果

表2 空氣壓縮機隔振器振級落差實驗記錄及評價表

圖3 空壓機自由端機腳時間波形

根據(jù)表2可知隔振器工作正常，能夠成功起到減少空壓機振動傳遞到船體的作用。所以振感過大來源于空壓機自身運行時振動過大，原因可以分為慣性力、氣體力和機械沖擊等三個方面。為進一步提取振動的特征數(shù)據(jù)以找到故障根源，對各測點三個方向的時間波形進行研究，下面以自由端機腳時間波形為例進行分析，利用傳統(tǒng)方法僅做平滑處理的波形如圖3所示。

2.3 小波變換三種去噪處理方法效果分析

由于測試環(huán)境和機器運行工況的限制，測試圖像中存在許多噪音信號，為了更清晰分析故障源，利用小波變換，將原始信號用強制去噪、默認(rèn)閾值去噪和給定軟閾值去噪三種處理規(guī)則進行處理[5]。此處以自由端機腳X向振動信號為例進行說明。振動信號利用強制去噪方法處理后波形如圖4所示。

圖4 利用強制去噪方法處理后的波形

可以看出，強制去噪方法有效消除了原始信號中的一些雜波，時域分析很容易得到周期性規(guī)律，但是信號中的沖擊成分和一些高頻有效信號也被一同消去。這是由于強制去噪方法的原理是將小波分解結(jié)構(gòu)中的高頻部分變?yōu)榱?，然后再對信號進行重構(gòu)。這種去噪方法具有簡單易行、去噪后信號平滑的優(yōu)點，可以直觀分析出低頻段振動隨時間變化的波形，并很快提取出常見低頻故障信號例如不對中、不平衡、軸瓦磨損等；但是當(dāng)故障信號中具有高頻成分例如氣體力沖擊、渦動信號，齒輪嚙合信號等，此種方法會將有用的信號消除，導(dǎo)致不能找出實際的故障源，易造成誤診。所以強制去噪方法多用于常見故障的診斷或是已經(jīng)排除故障中具有高頻成分時的診斷。

利用默認(rèn)閾值去噪方法同樣對信號中的噪聲進行有效消除，而且保留部分高頻和沖擊信號。這種去噪方法是利用Matlab中Wdencmp函數(shù)給定的默認(rèn)閾值完成去噪的目的。其優(yōu)點是具有和強制去噪方法一樣的平滑性，且在閾值的選取上有自適應(yīng)性，可以較好保留有效頻率和特征尖峰點。缺點是由于閾值的選取完全由函數(shù)產(chǎn)生，當(dāng)信噪比較低的時候，由于噪聲幅值和信號幅值過于接近，函數(shù)不能給出最合適的閾值導(dǎo)致去噪結(jié)果可信度不高。但是由于其函數(shù)簡單，且在大多數(shù)情況下能夠有效去噪，所以適用范圍最廣。振動信號利用默認(rèn)去噪方法處理后波形如圖5所示。

圖5 利用默認(rèn)閾值去噪方法處理后的波形

利用給定軟閾值去噪是去噪效果最好、在特征信號為高頻是也可以使用、可信度最高、有用信號保存最為完好的方法。但是前提是需要得到針對該機器的閾值，這種閾值一般通過經(jīng)驗公式獲得，而且其去噪效果和給定軟閾值息息相關(guān)。由于文中研究的空壓機為國外引進，相關(guān)資料較少，在推導(dǎo)經(jīng)驗公式時遇到較大困難，所以此次運用的閾值來自于國內(nèi)某型空壓機的經(jīng)驗公式。結(jié)果表明：在相關(guān)機型資料不全并且故障振源未知的情況下使用會導(dǎo)致去噪效果不好[6]。振動信號利用給定軟閾值去噪方法處理后波形如圖6所示。

圖6 利用給定軟閾值去噪方法去噪后的波形

通過對比三種去噪方法，結(jié)合該型空壓機檢修歷史，主要選擇使用默認(rèn)閾值處理規(guī)則來對測試的所有信號進行處理[7]。

2.4 檢修前數(shù)據(jù)分析

測試中空壓機轉(zhuǎn)速為1 100 r/min，測試頻率為2.56 kHz。觀察時間波形和波峰可知，兩個沖擊之間時間間隔為0.11 s，從這個信息可以推算出對應(yīng)的頻率如式(3)所示。

這說明沖擊的頻率為0.5×r/min，且沖擊明顯。推算可能是以下兩種情況導(dǎo)致：當(dāng)活塞磨損時，活塞和缸套間存在間隙導(dǎo)致活塞在缸套中往復(fù)運動時產(chǎn)生搖擺，對缸套形成撞擊，撞擊為瞬時突加載荷；連桿小頭磨損嚴(yán)重時，產(chǎn)生的間隙過大會導(dǎo)致往復(fù)運動時發(fā)生機械沖擊。當(dāng)它們發(fā)生時，振動信號的時域波形中可以發(fā)現(xiàn)沖擊成分，且一般會激起氣缸—活塞系統(tǒng)或者連桿-活塞系統(tǒng)以固有頻率振動。

為進一步確定故障源頭，對數(shù)據(jù)進行頻域分析，原始數(shù)據(jù)利用默認(rèn)閾值去噪，再利用快速傅里葉變換（FFT）得到對應(yīng)的頻譜圖，結(jié)果如圖7所示。

頻譜頻譜中明顯出現(xiàn)了18.75 Hz這一頻率，換算后可知是1×r/min頻率，且在X、Y向中伴有2×r/min頻率。在去噪后的頻譜中，Z向中的2×r/min頻率也顯現(xiàn)出來。

通過分析往復(fù)式壓縮機運動機理可知，假定往復(fù)部件的總質(zhì)量為ms（包括活塞組件、十字頭和連桿小頭部分的轉(zhuǎn)化質(zhì)量），則往復(fù)運動的慣性力如式（4）所示。

式中α為曲柄轉(zhuǎn)角，α=ωt+φ?？梢娡鶑?fù)慣性力由兩部分組成，第一部分為1階往復(fù)慣性力，力的變化周期相當(dāng)于曲柄旋轉(zhuǎn)一周的時間，因此1階往復(fù)慣性力引起的振動頻率為曲柄的轉(zhuǎn)動頻率；第二部分為2階往復(fù)慣性力，力的變化周期相當(dāng)于曲軸旋轉(zhuǎn)半周的時間，因此2階慣性力引起的振動頻率為曲軸轉(zhuǎn)動頻率的二倍[8]。

綜合考慮到該機在運行過程中經(jīng)過數(shù)次零配件更換與修理，其中包括：處理I、IV級氣閥損壞；III級活塞脫落1次，IV級活塞脫落2次；IV級缸套拉缸。所以本次測試對該空壓機的檢修建議是進行平衡組件的檢查和活塞部件的跟換。

3 檢修后數(shù)據(jù)整理與分析

圖7 去噪后空壓機自由端機腳頻譜

通過拆檢發(fā)現(xiàn)空壓機活塞有磨損情況，將其更換。該空壓機平衡是靠布置在曲軸箱兩側(cè)的兩個平衡機構(gòu)部件實現(xiàn)，壓縮機工作時，I級平衡鐵轉(zhuǎn)速等于曲軸轉(zhuǎn)速，而II級平衡鐵轉(zhuǎn)速為曲軸轉(zhuǎn)速的兩倍，分別起到平衡壓縮機I階和II階往復(fù)力的作用。根據(jù)運動原理對平衡部件進行了重新平衡。檢修完成后，對機器振動進行了第二次測試，發(fā)現(xiàn)振動烈度已經(jīng)有顯著減小并達到要求。振動烈度如表3所示。

為了驗證故障被排除，對于各測點的時間波形再次進行分析，以自由端機腳測點為例，由圖8中看出，振動幅值大幅下降，沖擊現(xiàn)象明顯減緩，且能量最高的1×r/min頻率有了較大的緩解。自由端機腳時間波形如圖8所示，頻域波形如圖9所示。

表3 空氣壓縮機二次測試振動烈度測試結(jié)果

圖8 修理后空壓機自由端機腳處振動信號時間波形

圖9 修理后空壓機自由端機腳處振動信號頻域波形

4 結(jié)語

對比傳統(tǒng)信號數(shù)據(jù)處理方法和三種小波去噪方法對于振動信號的處理效果，結(jié)合往復(fù)式機械的運動原理和某型空壓機維修歷史對信號時域和頻域進行分析，得出了以下結(jié)論：

（1）傳統(tǒng)方法對信號噪聲并未進行處理，采集到信號很雜亂，特征頻率不突出。但由于原理簡單，很多現(xiàn)場測振儀器中都具備這一功能，所以當(dāng)在海上航行時，利用手持式測振儀器就可以對機器狀態(tài)有一個大致的判斷。

（2）強制去噪方法簡單易行，且在故障特征頻率為低頻時去噪效果較好；默認(rèn)閾值去噪方法自適應(yīng)性強，對有效頻率和特征尖峰點都能很好保留。由于往復(fù)式空壓機的往復(fù)慣性力不平衡和活塞—缸套間間隙過大的特征信號都在低頻段，選用這兩種方法都可以達到很好的去噪效果和保留特征頻率。

（3）給定軟閾值去噪是最優(yōu)的去噪方法，但是在閾值不能根據(jù)經(jīng)驗公式準(zhǔn)確給出時，很容易導(dǎo)致去噪效果差或丟失特征頻率。

[1]段晨東，何正嘉.一種基于提升小波變換的故障特征提取方法及其應(yīng)用[J].振動與沖擊，200，26（2）：10-13.

[2]張軍，潘澤鑫，鄭玉新，等.振動信號趨勢項提取方法研究[J].電子學(xué)報，2017(1)：22-28.

[3]王江萍，鮑澤富.往復(fù)式壓縮機振動信號頻譜分析與故障診斷 [J].石油機械，2008，36（8）：63-66.

[4]國防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會.GJB 4058-2000艦船設(shè)備噪聲、振動測量方法[S].2000.

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Fault Diagnosis of MarineAir Compressors Based on Vibration Signals

WU Shi-qian,ZHAO Jian-hua,OUYANG Guang-yao
(College of Power Engineering,Naval University of Engineering,Wuhan 430033,China)

The marine reciprocating air compressor has many excitation sources,complex structure,poor working environment and the complex characteristics of signal transmission path.These factors affect the signal analysis and fault source recognition.In order to extract the characteristic frequency,several denoising methods,such as the conventional method,the forced denoising method based on wavelet transform,the default threshold denoising and the denoising method with the soft threshold given,are used to deal with the vibration signals of the air compressors.By comparing the advantages and disadvantages of the four methods and the applicable conditions,it is found that the default threshold denoising method can well retain the characteristic signals and its noise reduction effect is good.Therefore,this method is selected to analyze the vibration signals of the air compressors in the time and frequency domains.Through the time domain analysis,it can be found that the 0.5×r/min impact interval is obvious.By frequency domain analysis,it can be found that the 1×r/min frequency is obvious and accompanied by the emergence of 2×r/min.Finally,the maintenance program is presented according to the vibration mechanism of the air compressors and the historical maintenance record.The results of the rediagnosis show that the vibration intensity and the amplitudes of the main frequencies are significantly reduced,the maintenance effect is good.

vibration and wave;reciprocating air compressors;fault diagnosis;wavelet transform;time domain analysis;frequency domain analysis

TB533+.1；TH45

：A

：10.3969/j.issn.1006-1355.2017.04.035

1006-1355(2017)04-0180-05

2017-03-02

吳詩謙（1992－），男，湖北省仙桃市人，碩士研究生，主要研究方向為動力機械及熱力系統(tǒng)的設(shè)計仿真與優(yōu)化。

E-mail:wsq463983363@sina.com

趙建華（1975－），男，浙江省衢州市人，副教授，碩士生導(dǎo)師。

E-mail:zhaojh402@sina.com