張明悅，朱群偉，路 瑤

(1.92601部隊(duì)，廣東 湛江 524009；2.海軍裝備部廣州局駐湛江地區(qū)軍事代表室，廣東 湛江 524005)

在對船用設(shè)備進(jìn)行振動(dòng)監(jiān)測與故障診斷時(shí)，有時(shí)需要判斷設(shè)備是否處于共振狀態(tài)。此時(shí)，需要測量系統(tǒng)的固有頻率。測量固有頻率有多種方法，例如啟停機(jī)分析、敲擊法、掃頻法、隨機(jī)激勵(lì)法等。敲擊法簡單方便，在測量船用設(shè)備固有頻率時(shí)應(yīng)用較多。一般采用力錘敲擊，同時(shí)測量力信號和振動(dòng)響應(yīng)，計(jì)算系統(tǒng)的頻響函數(shù)，根據(jù)頻響函數(shù)的幅值譜和相位譜綜合分析，估計(jì)系統(tǒng)的固有頻率(幅值譜的峰值點(diǎn)和相位譜的突變點(diǎn)，滿足2個(gè)條件才是系統(tǒng)的固有頻率)。實(shí)際工作中，如果不需要估計(jì)系統(tǒng)的多個(gè)模態(tài)，僅僅是驗(yàn)證是否存在某個(gè)固有頻率與主要激勵(lì)頻率一致，為了測試便捷，也可以不測量力信號，只測量敲擊后系統(tǒng)的自由振動(dòng)。因?yàn)樵肼暤挠绊懀脫繇憫?yīng)峰值點(diǎn)中有許多虛假的固有頻率。因此，減少噪聲、提高信噪比很重要。

如果前噪聲或者干擾難以在測量時(shí)排除，就需要在后續(xù)的信號處理時(shí)設(shè)法排除，否則可能得到錯(cuò)誤的結(jié)論。分析強(qiáng)噪聲條件下的沖擊響應(yīng)信號，需要采取多個(gè)步驟處理。第一步，根據(jù)單位時(shí)間內(nèi)振動(dòng)響應(yīng)的峰值數(shù)量估算固有頻率。如果多個(gè)頻率成分突出，就需要進(jìn)行第二步，截取一段時(shí)間信號進(jìn)行頻譜分析。首先分析敲擊響應(yīng)較為明顯、信噪比較高時(shí)段的信號，得到敲擊響應(yīng)的頻譜；再分析預(yù)觸發(fā)時(shí)段的信號，得到噪聲的頻譜，從敲擊響應(yīng)的頻譜中剔除噪聲頻譜中的主要頻率成分。但是這種靠肉眼判斷選擇信號分析時(shí)段的方法，也只能大致估計(jì)固有頻率。如果想得到更好的分辨率，則需進(jìn)行第三步：根據(jù)分析的需要和第二步粗略分析的結(jié)果進(jìn)行帶通濾波，只保留關(guān)注的頻段的信號，可以以粗略估計(jì)的固有頻率為中心頻率，設(shè)定帶寬合理的濾波器，濾除其它頻率成分。也可以根據(jù)噪聲情況，采用小波降噪方法降低噪聲。

文獻(xiàn)[1-2]通過分析計(jì)算和沖擊驗(yàn)證等方法，判斷空壓機(jī)機(jī)組的故障原因?yàn)榛A(chǔ)共振，更換了減振器后降低機(jī)組振動(dòng)。文獻(xiàn)[3-7]在傳統(tǒng)去噪方法的基礎(chǔ)上提出了基于自適應(yīng)形態(tài)學(xué)濾波等多方法聯(lián)合降噪的新方式，為軸承故障診斷技術(shù)提供了一種有效途徑。文獻(xiàn)[8]總結(jié)出小波去噪?yún)?shù)選取的規(guī)律，并針對碰摩故障信號的消噪處理，研究得到最佳的小波參數(shù)組合。在對船用設(shè)備進(jìn)行振動(dòng)監(jiān)測時(shí)，噪聲不可避免。在早期的診斷實(shí)踐中多采用頻譜分析的方法，以現(xiàn)有數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)判斷故障。而對于強(qiáng)噪聲背景下的信號，上述方法難以解決問題，采用帶通濾波和小波降噪等方法進(jìn)行精確分析十分重要。因此本文將采用頻譜分析、帶通濾波和小波降噪的方法處理沖擊響應(yīng)信號，確定空壓機(jī)固有頻率，從而判斷其故障。

1 空壓機(jī)振動(dòng)測量和故障分析

該空壓機(jī)額定轉(zhuǎn)速1 470 r/min。采用振動(dòng)頻譜分析儀VIBXPERT II測量振動(dòng)?？諌簷C(jī)各測點(diǎn)通頻振動(dòng)烈度(10～1 000 Hz頻帶內(nèi)的振動(dòng)速度均方根值)如表1所示。可以看出，橫向振動(dòng)烈度值過大，為垂向的2倍左右。圖1為空壓機(jī)缸蓋的橫向振動(dòng)速度信號，振動(dòng)幅值穩(wěn)定，頻譜中1倍轉(zhuǎn)頻成分突出。導(dǎo)致該振動(dòng)問題的可能原因有共振、橫向剛度不足或者轉(zhuǎn)子不平衡。

表1 空壓機(jī)通頻振動(dòng)烈度 mm/s

圖1 空壓機(jī)缸蓋橫向振動(dòng)速度信號

2 固有頻率測量和分析

為了檢驗(yàn)是否是共振故障，采用敲擊法測量系統(tǒng)固有頻率。只測量敲擊響應(yīng)，不測量力信號。設(shè)定預(yù)觸發(fā)測量。測量參數(shù)為振動(dòng)速度，濾波頻率范圍為2～1 000 Hz，采樣率Fs=2 048 Hz，測量時(shí)間共為5 s，預(yù)觸發(fā)時(shí)間1 s。圖2是在海上拋錨時(shí)測量的空壓機(jī)敲擊響應(yīng)信號。傳感器布置在空壓機(jī)右側(cè)機(jī)腳，敲擊點(diǎn)在左側(cè)機(jī)體。

圖2 空壓機(jī)的敲擊響應(yīng)信號

2.1 頻譜分析

對不同時(shí)間段的信號采用傅里葉變換并進(jìn)行比較，可以簡單估計(jì)系統(tǒng)的橫向固有頻率。圖2中1.0～2.0 s內(nèi)為衰減信號，0～1.0 s內(nèi)為噪聲信號，在Matlab中將衰減信號和噪聲信號進(jìn)行傅里葉變換分別得到空壓機(jī)的信號頻譜圖，如圖3所示。

圖3 空壓機(jī)的信號頻譜圖

可以看出，衰減信號中較突出頻率成分是2 Hz和20 Hz，噪聲信號的主要頻率成分為2 Hz。通過比較兩頻譜中的主要頻率成分，可以簡單確定系統(tǒng)橫向一階固有頻率約為20 Hz。在23 Hz附近還存在峰值點(diǎn)，可能是二階固有頻率。由于分析時(shí)間較短，頻率分辨能力較差。

2.2 帶通濾波

在粗略預(yù)估固有頻率的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)帶通濾波器對原始信號進(jìn)行濾波處理。選用窗函數(shù)濾波器，以20 Hz為中心頻率，設(shè)置截止頻率為10～30 Hz，階數(shù)為300。圖4為經(jīng)過帶通濾波處理后的信號。可以看出：采用帶通濾波器不能完全去除噪聲信號，頻譜中最突出的頻率成分為20.8 Hz，除此之外，比較突出的還有23.4 Hz。

圖4 經(jīng)過帶通濾波處理后的信號

2.3 小波降噪

由于原始信號中含有低頻和高頻的噪聲信號，可以采取小波降噪的方法進(jìn)行處理。小波變換具有良好的時(shí)頻局部化特性，可以保護(hù)有用的信號尖峰和突變信號，因此適合于瞬態(tài)和沖擊信號中的噪聲去除。

小波降噪的步驟可分為以下3步：① 選用db8小波，對含噪信號進(jìn)行7層小波分解；② 觀察并選取小波，得到各層的小波重構(gòu)信號，如圖5所示；③ 采用函數(shù)ddencmp生成信號的默認(rèn)閾值，并采用函數(shù)wdencmp進(jìn)行閾值去噪處理，得到去噪信號。

圖5(f)與圖4(a)較為相近，體現(xiàn)了多層小波分解和帶通濾波器的原理一致。

圖6為經(jīng)小波降噪后的信號頻譜圖，與圖4相比較可以看出：① 經(jīng)過小波降噪處理后，噪聲信號幾乎被去除；② 頻譜中23.4 Hz頻率同樣比較突出。

根據(jù)上述3種方法的分析可以得出，該系統(tǒng)的橫向一階固有頻率約為20.0 Hz，二階固有頻率約為23.4 Hz。二階固有頻率與轉(zhuǎn)頻24.5 Hz很接近，導(dǎo)致共振故障。

圖5 各層小波的重構(gòu)信號

圖6 經(jīng)小波降噪處理后的信號頻譜圖

3 處理措施

根據(jù)振動(dòng)故障的測量和分析結(jié)果，建議更換空壓機(jī)隔振器，以改變系統(tǒng)的橫向固有頻率。更換后，在碼頭系泊時(shí)再次測量系統(tǒng)的固有頻率。圖7(a)是更換隔振器后空壓機(jī)的敲擊響應(yīng)，衰減信號較為明顯，信噪比較高。圖7(b)為t=1～2 s時(shí)敲擊響應(yīng)信號頻譜，可以看出頻譜中突出成分非常單一，從而確定一階橫向固有頻率約為34.0 Hz。圖8為在空壓機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)缸蓋的橫向振動(dòng)速度信號，振動(dòng)烈度值為30.6 mm/s，比更換隔振器前減少54.6%。

圖7 更換隔振器后空壓機(jī)的敲擊信號

圖8 在空壓機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)缸蓋橫向振動(dòng)速度信號

4 結(jié)束語

本文針對某空壓機(jī)橫向振動(dòng)烈度過大的問題，在對含噪信號進(jìn)行去噪處理的基礎(chǔ)上確定了系統(tǒng)的一階和二階固有頻率，從而判斷出共振故障，并采用更換隔振器的方法降低了設(shè)備振動(dòng)。另外，還可以得出如下結(jié)論：①系統(tǒng)的每一階固有頻率都應(yīng)當(dāng)?shù)玫街匾?，這對共振狀態(tài)的判斷有重要影響。②對含噪信號進(jìn)行簡單分時(shí)段頻譜分析時(shí)，若分析時(shí)間較短，頻率分辨能力較差，突出頻率將不夠精確。③帶通濾波與小波降噪均可實(shí)現(xiàn)降噪目的，雖降噪效果不一，雖并不影響對主要突出頻率的判斷。④監(jiān)測振動(dòng)時(shí)，應(yīng)盡量在低噪條件下測量信號，爭取從源頭降噪，以便于后續(xù)的振動(dòng)分析。