杜維康

摘 要：隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，旋轉(zhuǎn)機械不斷的增加，而且是企業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備，如果出現(xiàn)失效的情況，就會有巨大的損失，所以有效的的旋轉(zhuǎn)機械信號分析方法是十分重要的，旋轉(zhuǎn)機械特征分析是旋轉(zhuǎn)機械故障診斷和狀態(tài)監(jiān)測的重要組成部分，其中振動測試方法又是特征分析的主要手段，現(xiàn)在的測試儀器對平穩(wěn)振動信號有很完善的測試和分析手段，但是對以升、降速過程為代表的旋轉(zhuǎn)機械非平穩(wěn)振動信號的特征的分析還有很多的不足，本文介紹新的旋轉(zhuǎn)機械特征分析的虛擬儀器，這儀器在功能上主要包括先進的時頻分析技術(shù)，提出并實現(xiàn)基于瞬時頻率的階比跟蹤、階比跟蹤濾波、階比分量提取和階比分析等多項新技術(shù)，彌補過去的儀器旋轉(zhuǎn)機械非穩(wěn)定信號分析上的不足。

關(guān)鍵詞：旋轉(zhuǎn)機械；非平衡；信號特征分析儀；開發(fā)

一、旋轉(zhuǎn)機械的重要性

現(xiàn)在的機械設(shè)備發(fā)展向著大型化、高速化、連續(xù)化和自動化方向發(fā)展、機械設(shè)備的功能也不斷的增加，性能指標(biāo)也越來越高，組成和結(jié)構(gòu)也十分的復(fù)雜，使得設(shè)備的管理和維修人員素質(zhì)要求很高，現(xiàn)代化機械設(shè)備的廣泛應(yīng)用有效的促進生產(chǎn)的發(fā)展，有效的提高生產(chǎn)率，改善產(chǎn)品的質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本和改善工人勞動條件，但是也存在一定的危機，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障，就會造成嚴重的經(jīng)濟損失，這就使得機械監(jiān)測及故障診斷技術(shù)和學(xué)科的誕生和興起。由于旋轉(zhuǎn)機械的種類很多，主要是指功能有旋轉(zhuǎn)運行來完成的機械設(shè)備，例如汽輪機、發(fā)電機組、電動機、離心式壓縮機、發(fā)動機、給水泵、航空發(fā)動機、增速減速用齒輪傳動裝置的機械設(shè)備等，旋轉(zhuǎn)機械故障是指機器的功能失常，例如機器運行失穩(wěn)、振動和噪聲嚴重、機器的工作轉(zhuǎn)速出現(xiàn)變化、介質(zhì)的溫度壓力等出現(xiàn)異常情況。所以應(yīng)該了解和掌握旋轉(zhuǎn)機械在故障狀態(tài)下的振動特征，監(jiān)測機器的運行狀態(tài)，并且提高診斷故障的準確度。

二、故障診斷技術(shù)研究的主要內(nèi)容

故障診斷技術(shù)不得吸收各門科學(xué)技術(shù)發(fā)展的新成果，其中涉及到系統(tǒng)論、控制論、信息論、檢測、估計理論、計算機科學(xué)等內(nèi)容，是集數(shù)學(xué)、物理力學(xué)。化學(xué)、電子技術(shù)、信息處理、人工智能等技術(shù)的新的學(xué)科，其中故障診斷技術(shù)研究的主要內(nèi)容有故障機理、故障信息處理技術(shù)、人工智能技術(shù)的應(yīng)用，對于旋轉(zhuǎn)機械轉(zhuǎn)子動力學(xué)問題大部分都是非線性的，由于數(shù)學(xué)理論和計算條件的限制，會把非線性問題線性化來得到相似的結(jié)果，但是會導(dǎo)致嚴重的誤差，隨著非線性動力學(xué)理論的不斷發(fā)展和計算機發(fā)展速度的提高，對旋轉(zhuǎn)機械系統(tǒng)非線性特征的研究得到人們的重視，并且成為現(xiàn)在旋轉(zhuǎn)機械轉(zhuǎn)子動力學(xué)研究的重要課題。

三、虛擬式旋轉(zhuǎn)機械振動信號分析儀

振動信號分析是旋轉(zhuǎn)機械現(xiàn)代狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷的重要組成，旋轉(zhuǎn)機械故障有很多的形式，使用故障的原因及特征信號也是不同的，對于故障故障原因及振動特征信號的分析，進行準確的判斷，現(xiàn)在攥著機械故障診斷主要是對于系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)振動特征，沒有充分的利用升/降速過程中的振動信息，對于變速的過程振動信號中會有很多的故障特征信息，這些信息可以對機械故障進行準確的判斷，例如穩(wěn)態(tài)振動時的軌跡、頻譜，對于同頻、倍頻、分頻的幅值和相位等。

過去的特征分析手段主要是基于離散傅里葉變換，在原理上DFT僅適用于穩(wěn)定信號，旋轉(zhuǎn)機械在運行的時候，轉(zhuǎn)速是由波動的，尤其是在升、降速階段十分的明顯，這些狀態(tài)對應(yīng)的振動信號屬于非平穩(wěn)信號，無法直接的滿足傅里葉變換對信號的平穩(wěn)性要求，所以嚴格的來說不能適合用早常規(guī)的頻譜分析法分析，如果人為的應(yīng)用把這類信號假定為平穩(wěn)信號進行分析，就會造成很大的誤差甚至是錯誤，國內(nèi)外對非平穩(wěn)信號的聯(lián)合時頻分析技術(shù)的研究得到快速的發(fā)展，尤其是在旋轉(zhuǎn)機械非穩(wěn)定信號特征分析中具有創(chuàng)新成果和突破的可能。

四、旋轉(zhuǎn)機械特征分析儀

1.儀器操作面板

在對面板機械設(shè)計的時候應(yīng)充分的發(fā)揮出計算機強大的顯示功能，分析結(jié)果顯示上采用國外流行的色譜圖和叉線光標(biāo)顯示，可以看到信號的整體概況，用叉線光標(biāo)對色譜圖作剖面顯示，上面剖面顯示的選定頻率隨著時間的變化，左面剖面顯示選定時刻下的瞬時功率譜，具有局部放大、數(shù)據(jù)截斷等功能，而且操作十分的簡便直觀。

2.階比分析功能介紹

旋轉(zhuǎn)機械轉(zhuǎn)子部件引起的振動與轉(zhuǎn)速有很大的關(guān)系，所以才產(chǎn)生階比分析技術(shù)，其定義為參考軸每轉(zhuǎn)內(nèi)發(fā)生的訓(xùn)話振動次數(shù)。

E=循環(huán)振動次數(shù)/轉(zhuǎn)

階比與振動頻率的關(guān)系公式：

對于階比的分析是可以用在旋轉(zhuǎn)機械升、降速非穩(wěn)定過程分析的有限的分析手段，所以階比分析是旋轉(zhuǎn)機械特征分析中重要的分析方法，也是現(xiàn)在人們研究的重點，階比分析可以實現(xiàn)相對基本轉(zhuǎn)軸的等角度采樣和相關(guān)的階比跟蹤濾波，過去的方法中一般都是使用硬件角度編碼盤、轉(zhuǎn)速計等裝置和跟蹤濾波，這樣會使得在安裝的時候十分的復(fù)雜，而且成本很高，使其無法廣泛的推廣應(yīng)用，但是現(xiàn)在的儀器充分的發(fā)揮虛擬儀器的優(yōu)點，采用時頻分析中瞬時頻率研究的最新成果，并且把應(yīng)用在階比分析中，好處在于不用硬件和安裝條件的階比分析技術(shù)，并且取得一定的成果，使得階比分析不斷的簡化。

3.時域分析功能介紹

在過去的旋轉(zhuǎn)機械振動信號分析中主要以FFT分析為基礎(chǔ)，在分析的時候會假設(shè)信號是穩(wěn)定的，這是一個比較重要的條件，這種方法經(jīng)過一段時間的檢驗，主要以信號分析為主，但是信號的穩(wěn)定性進行假設(shè)是不太準確的，有時甚至?xí)绊懫浣Y(jié)果，當(dāng)某個磨床工作的時候振動信號用這儀器的短時傅里葉變換時頻分析功能譜圖顯示，信號在過去的頻譜分析時假定是穩(wěn)定的，但是其本身穩(wěn)定性假設(shè)不準確。時頻分析的出現(xiàn)提供了解決這一問題的途徑，時頻分析提供振動信號的時頻聯(lián)合特征，有效的顯示出信號的局部特征，所以可以實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)機械的非穩(wěn)定性、非線性故障的監(jiān)測與分析，可以對機械松動、油膜渦動、喘振及升、降過程進行分析，所以這種方法的應(yīng)用前景十分的廣泛。

4.階比分析實驗

這種儀器采用國外先進的色譜圖和叉線光標(biāo)顯示，可以看到信號的整體情況還可以用叉線光標(biāo)對色譜圖作剖面顯示，轉(zhuǎn)速階比譜、階比譜陣、跟蹤階比譜都可以清晰的顯示，實驗對象為偏心電機在升、降速階段使得簡支梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)振動，測試信號為加速度信號，安裝在機座處，過去采用頻率是50kHz，分析時對該信號進行16倍降采樣和恒定截止頻率抗頻混濾波，階比跟蹤濾波時設(shè)定的最大分析階比范圍為10階。

結(jié)語：

旋轉(zhuǎn)機械非平穩(wěn)信號特征分析儀的研發(fā)與應(yīng)用有效的縮短我國在儀器技術(shù)領(lǐng)域與國際之間的差距，這儀器有限的彌補現(xiàn)有儀器在旋轉(zhuǎn)機械升、降速等非平穩(wěn)信號分析方面的不足，彌補過去的儀器在旋轉(zhuǎn)機械非平穩(wěn)信號分析上對硬件需求，具有很高的應(yīng)用價值，值得大力推廣。

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