許瀚鋒 姜雨華 許愛華

（1.東北石油大學(xué)電氣信息工程學(xué)院；2.大慶油田有限責(zé)任公司第四采油廠規(guī)劃設(shè)計(jì)研究所）

隨著工業(yè)化水平的日漸提升，大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械在生產(chǎn)中的使用愈加廣泛，而旋轉(zhuǎn)機(jī)械軸承起著支撐主軸、傳遞力矩的作用，一旦出現(xiàn)故障將造成難以挽回的損失［1～3］。對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械滑動(dòng)軸承故障診斷通常采用傳感器采集其振動(dòng)加速度信號(hào)，但是單一類型振動(dòng)加速度信號(hào)在故障診斷時(shí)難以保證結(jié)果的準(zhǔn)確性［4，5］，因此將單一類型加速度信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的速度信號(hào)和位移信號(hào)來滿足多類型信號(hào)綜合診斷的需求。 對(duì)信號(hào)轉(zhuǎn)換的方法主要有時(shí)域積分法和頻域積分法兩種。 時(shí)域積分法將采集到的加速度信號(hào)直接一次積分可以得到其速度信號(hào)，對(duì)加速度信號(hào)進(jìn)行兩次積分可以得到相應(yīng)的位移信號(hào)，但在進(jìn)行時(shí)域積分時(shí)存在著趨勢(shì)項(xiàng)問題。 程啟清等針對(duì)時(shí)域積分存在趨勢(shì)項(xiàng)問題使用最小二乘法進(jìn)行去趨勢(shì)項(xiàng)操作［6］。 顧名坤和呂振華使用高通濾波配合數(shù)值積分方法， 運(yùn)用高通濾波器將振動(dòng)信號(hào)中的零漂、低頻以及產(chǎn)生的趨勢(shì)項(xiàng)問題濾除［7］。 頻域積分是將采集到的時(shí)域加速度信號(hào)經(jīng)過快速傅里葉變換（FFT）方法轉(zhuǎn)換成頻域信號(hào)，在頻域基礎(chǔ)上進(jìn)行一次積分和二次積分得到頻域范圍內(nèi)的速度、位移信號(hào)后再進(jìn)行反傅里葉變換將頻域信號(hào)轉(zhuǎn)換為時(shí)域信號(hào)。 相較于時(shí)域積分而言，頻域積分沒有趨勢(shì)項(xiàng)問題的干擾。 所以，對(duì)信號(hào)使用頻域積分進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換后所得的速度信號(hào)求解振動(dòng)烈度［8］，評(píng)估電泵滑動(dòng)軸承是否處于異常狀態(tài)；對(duì)加速度信號(hào)求解頻譜圖；使用位移信號(hào)繪制解軸心軌跡；最后綜合所有特征對(duì)電泵滑動(dòng)軸承進(jìn)行故障診斷。

1 基于FFT的頻域積分

采集的振動(dòng)信號(hào)，在時(shí)域和頻域的對(duì)應(yīng)關(guān)系可以由離散傅里葉變換（DFT）描述，設(shè)加速度信號(hào)a（t）的頻譜為X（k），則：

其中，N為傳感器所采集的數(shù)據(jù)量，n、k均為非負(fù)整數(shù)。

a（n）、v（n）、d（n）分別為加速度信號(hào)a（t）、速度信號(hào)v（t）、位移信號(hào)d（t）的離散化表示。 每條譜線，對(duì)應(yīng)時(shí)域中的一個(gè)三角正弦波：

其中，ωk=2πkΔf，Δf=fs/N，Δf 為頻率分辨率，fs為采樣頻率。

在使用頻域積分方法進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)需要考慮到一般傳感器在1 Hz處的測(cè)量精度比較低，因而對(duì)動(dòng)態(tài)信號(hào)時(shí)間歷程進(jìn)行積分會(huì)產(chǎn)生零頻項(xiàng)和線性項(xiàng)（第2次積分時(shí)），所以將低于1 Hz頻段的部分濾除，具體操作為在進(jìn)行快速傅里葉變換（FFT）后對(duì)1 Hz以下部分進(jìn)行置零操作。 算法實(shí)現(xiàn)具體流程如圖1所示。

圖1 FFT的頻域積分流程

2 數(shù)據(jù)采集與故障診斷

2.1 數(shù)據(jù)采集

某廠YK1800-2/990型電機(jī)連接泵設(shè)備實(shí)際轉(zhuǎn)速為2 950 r/min，采樣頻率fs為20 kHz，采樣點(diǎn)數(shù)為10 000，使用垂直安裝在軸瓦上部的BZ1151型三軸壓電加速度傳感器采集電泵滑動(dòng)軸承振動(dòng)數(shù)據(jù)，其安裝示意圖如圖2所示，圖中數(shù)字代表傳感器安裝位置，共4個(gè)測(cè)點(diǎn)。

圖2 傳感器安裝示意圖

2.2 故障診斷

機(jī)械的振動(dòng)烈度定義為機(jī)械在多個(gè)不同的點(diǎn)，如軸承或者是機(jī)械結(jié)構(gòu)的其他部件上，所測(cè)得的振動(dòng)量的最大值。 為了充分覆蓋電泵的頻譜，振動(dòng)烈度的計(jì)算應(yīng)該選擇的頻率范圍是10～1 000 Hz。 在評(píng)價(jià)機(jī)械設(shè)備的振動(dòng)烈度時(shí)，對(duì)振動(dòng)速度信號(hào)求解均方根值，計(jì)算前需要將信號(hào)中10 Hz以下、1 000 Hz以上頻段的數(shù)據(jù)濾除，實(shí)現(xiàn)方法與濾除1 Hz以下信號(hào)的方法一致。 求解均方根值的方法如下：

式中 T——采樣時(shí)間，s；

v（t）——速度信號(hào)，m/s；

Vr.m.s——均方根值，m/s。

對(duì)已濾除10～1 000 Hz以外頻率的速度時(shí)域信號(hào)求解均方根值，以振動(dòng)烈度來判斷設(shè)備是否存在故障。 對(duì)4處速度信號(hào)的振動(dòng)烈度求解結(jié)果見表1（表中數(shù)值經(jīng)四舍五入保留1位小數(shù)）。

表1 振動(dòng)烈度求解結(jié)果 mm/s

從表1可以看出，振動(dòng)烈度最大值為8.2 mm/s，通過查閱GB/T 29531—2013標(biāo)準(zhǔn)同時(shí)對(duì)比生產(chǎn)廠設(shè)備相關(guān)參數(shù)判斷得知此數(shù)值為不合格狀態(tài)。

從表1中數(shù)據(jù)還可知，測(cè)點(diǎn)1、3處振動(dòng)烈度數(shù)值較測(cè)點(diǎn)2、4兩處明顯更大，所以下面對(duì)測(cè)點(diǎn)1、3兩處數(shù)據(jù)作具體分析。測(cè)點(diǎn)1處三軸加速度、速度、位移信號(hào)如圖3所示。

分別對(duì)圖3所示加速度信號(hào)求解頻譜圖、位移信號(hào)繪制其相應(yīng)位置的軸心軌跡圖。

圖3 測(cè)點(diǎn)1處三軸各類型振動(dòng)信號(hào)

測(cè)點(diǎn)1處加速度信號(hào)頻譜圖如圖4所示。

已知電泵旋轉(zhuǎn)基頻約為49.2 Hz， 由圖4可以看出頻率50.05 Hz處存在峰值， 此處峰值可視作基頻幅值， 在100、150、200、250 Hz等基頻高次諧波處附近都存在較為明顯的峰值，根據(jù)滑動(dòng)軸承故障特征可以判斷出滑動(dòng)軸承出現(xiàn)了碰摩故障。在200 Hz處的峰值超過基頻處幅值的1/2，根據(jù)此頻率特征來看，疑似同時(shí)出現(xiàn)連接松動(dòng)故障。

圖4 測(cè)點(diǎn)1處加速度信號(hào)頻譜圖

使用三軸位移信號(hào)中的x軸和y軸信號(hào)繪制軸心軌跡圖。 已知傳感器采樣頻率fs為20 kHz，電泵旋轉(zhuǎn)頻率為49.2 Hz，所以電泵軸承旋轉(zhuǎn)一周產(chǎn)生的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)約為410個(gè)， 為保證在繪制軸心軌跡圖時(shí)至少呈現(xiàn)出一個(gè)完整的周期特征，因此在繪制軸心軌跡圖時(shí)使用1 024個(gè)采樣點(diǎn)。

從圖5所示軸心軌跡來看， 軌跡顯示為香蕉形。 根據(jù)軸心軌跡分析法來判斷，該旋轉(zhuǎn)設(shè)備滑動(dòng)軸承此時(shí)出現(xiàn)了碰摩故障。

圖5 測(cè)點(diǎn)1處軸心軌跡圖

綜合測(cè)點(diǎn)1的頻譜圖和軸心軌跡圖， 可以判斷得知此滑動(dòng)軸承在測(cè)點(diǎn)1處出現(xiàn)碰摩故障和松動(dòng)故障。

經(jīng)頻域積分轉(zhuǎn)化后所得的測(cè)點(diǎn)3處三軸加速度、速度、位移如圖6所示。

圖6 測(cè)點(diǎn)3處三軸各類型振動(dòng)信號(hào)

測(cè)點(diǎn)3處加速度信號(hào)頻譜圖如圖7所示, 可以看出，基頻50.05 Hz處存在峰值，并且存在著轉(zhuǎn)速基頻的7倍頻（350 Hz）處幅值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于（遠(yuǎn)超1/2）轉(zhuǎn)速基頻處幅值大小的情況。 同時(shí)，還可看出在100、150、200 Hz處也出現(xiàn)和轉(zhuǎn)速基頻峰值相近的幅值。 根據(jù)滑動(dòng)軸承故障頻率特征可以判斷電泵滑動(dòng)軸承出現(xiàn)了連接松動(dòng)和碰摩故障。

圖7 測(cè)點(diǎn)3處加速度信號(hào)頻譜圖

測(cè)點(diǎn)3處軸心軌跡如圖8所示。

圖8 測(cè)點(diǎn)3處軸心軌跡圖

由圖8可知， 軌跡呈現(xiàn)雜亂無章的無規(guī)律狀態(tài)。 根據(jù)滑動(dòng)軸承的軸心軌跡分析法進(jìn)行判斷，測(cè)點(diǎn)3處軸心軌跡符合連接松動(dòng)故障的特點(diǎn)。

綜合測(cè)點(diǎn)3振動(dòng)信號(hào)的頻譜圖分析和對(duì)軸心軌跡圖的判斷， 可以得知滑動(dòng)軸承在測(cè)點(diǎn)3處呈現(xiàn)出連接松動(dòng)故障和碰摩故障。

3 結(jié)束語

通過相關(guān)應(yīng)用分析軟件對(duì)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換并運(yùn)用振動(dòng)烈度、頻譜分析和軸心軌跡分析法實(shí)現(xiàn)對(duì)電泵滑動(dòng)軸承的故障診斷。 從數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程來看使用頻域積分法進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換簡(jiǎn)單高效。 診斷結(jié)果表明，對(duì)轉(zhuǎn)換后所得不同類型的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行相關(guān)特征分析，對(duì)于電泵滑動(dòng)軸承的故障診斷確實(shí)是一種行之有效的方法，對(duì)于滑動(dòng)軸承的故障診斷有著重要意義。