1、倒頻譜在壓縮機故障診斷中的應用 71=文章編號：1006-1355（2006）01-0071-03倒頻譜在壓縮機故障診斷中的應用湯武初1，楊彥利1，伉大儷2，趙亮1（1.大連交通大學，遼寧大連116028；2.大連圣力來監測技術有限公司，遼寧大連116033）摘 要：針對壓縮機故障的特點，利用在線檢測系統對在工業運行中的壓縮機進行檢測，對測得的振動信號進 行了頻譜分析，結合譜圖，詳細介紹了倒頻譜在故障診斷中的應用。實踐證明了，倒頻譜在檢測周期信號和識別邊 頻上具有獨特的功能。關鍵詞：振動與波；倒頻譜；故障診斷；壓縮機；在線檢測中圖分類號：TH165+ .3文獻標識碼：ATheApplicati

2、onofCepstruLinCoLpressorFaultDiagnosisTANG Wu-chu1，YANG Yan-li1，KANGDa-li2，ZHAOLiang1（1.DalianJiaotongUniversity，DalianLiaoning116028，China；2.DalianShengLilaiMonitoringTechnologyLimitedCorporation，DalianLiaoning116033，China）Abstract：Theapplicationofcepstrumincompressorfaultdiagnosiswasintroducedinde

3、tail， whichbasedonthecharacterofcompressorfaultsandtheonline-testsystemwhichwasusedtotestthe runningcompressor.Wedidspectrumanalysistothevibrationsignals.Thespecialfunctionsofcep- strumintestingcyclesignalandside-bandidentificationwerefullyprovedbyapplication.Keywords：vibrationandwave；cepstrum；fault

4、diagnosis；compressor；on-linemonitoring壓縮機是一種依靠壓縮氣體而為系統提供動力 的旋轉機械，其用途廣泛、品種繁多。它已在冶金、 礦山、建材、航天等行業得到廣泛應用，尤其在石油、 化工等工業中，已成為不可少的關鍵設備。一旦它 發生故障，會導致整個生產線停工，造成很大的財產譜圖出現難以識別的多族調制邊頻時，倒頻譜可以 分解和識別故障頻率，分析和診斷故障產生的原因。 倒頻譜分為功率倒頻譜和復倒頻譜。1.2 功率倒頻譜 功率倒頻譜定義為對數功率譜的頻譜。設信號損失，甚至危害人身安全。因此，對壓縮機設備的運x（t）單邊功率譜為Sx），則行狀況進行在線檢測，及時發現和

5、排除故障，以保證（fcp（ ）（1）（q）E|FlogSx f |2生產的順利進行。利用振動信號對壓縮機進行狀態監測時，其振 動信號是振源信號經傳遞系統到測點的輸出信號， 即輸出信號是振源信號和傳遞系統動態特性的卷q倒頻率，q 值大者為高倒頻率，表示倒頻譜 上快速波動和密集諧頻，反之，q 值小者為低倒頻 率，表示倒頻譜上緩慢波動和稀疏諧頻。工程上常用（1）的平方根，即幅值倒頻譜積，造成在頻譜圖上很難區分源信號和系統的響應。（ ） （ ） （ ） （ ）ca qE cp qE|F logSx f |2倒頻譜可以將卷積轉換為簡單的疊加，從而將振源由于S（）是偶函數，（2）可寫成信號分離出來。另一方

6、面因壓縮機結構的復雜性，x f（q）E|F-1logS（f）|（3）導致振動信號中易存在邊頻信號，倒頻譜正是提取 cax邊頻信號的有利工具。1倒頻譜1.1 物理意義 倒頻譜分析也稱二次頻譜分析，是近代信號處理科學中的一項新技術1。它可以提供 FFT 譜圖 難以捕捉的信息，如 FFT 譜上的周期性分量，系統 周圍環境的干擾及邊帶信息，當機械故障信號的頻從（3）式可以看出功率倒頻譜與自相關函數的不同在于對數加權，對數加權的目的：擴大頻率的動態范圍，提高再變換的精度；對數加權后具有解卷積 的作用，便于提取和分離目標信號。1.3 復倒頻譜 信號的相位信息在功率倒頻譜上不能反映，復倒頻譜就是為彌補這一不

7、足而設計的。 設時間信號x（t）的傅里葉變換為 X（f），即（ ）（ ）收稿日期：2005-04-11X（f）E XR fa則復倒譜為+jXL f作者簡介：湯武初（1973-），男，江西永新人，碩士研究生，主要從事機電一體化、計算機控制方面的研究。C（q）E F-1lnX（f）復倒頻譜計算上不如幅值倒頻譜簡單，且相位信息已在FFT 的相位圖上有所反映，故在壓縮機故 障診斷中采用了幅值倒頻譜。2故障診斷2.1 在線檢測圖1 在線檢測系統為了能實時跟蹤設備的運行狀態，采用在線檢測系統，其系統如圖1所示。 傳感器將采集到的微弱振動信號經放大、調制等預處理后傳輸，通過采樣處理將其變為數字信號 輸入計算

8、機，在計算機中利用軟件技術對數字信號 進行相應處理，做出倒頻譜圖、頻譜圖及其它一些相 關譜圖。將設備的故障信息以直觀的形式反映在多 種譜圖上。2.2 故障診斷 壓縮機常見的故障有：轉子不平衡，半速渦動及油膜振蕩、轉子不對中、共振、部件松動、轉子與定子 摩擦、轉子結構缺陷與裂紋、軸承缺陷等。這些故障 都反映在振動信號譜圖的相應頻率分量上，即都有 其特殊的故障征兆。這些征兆有13 倍頻、12 倍 頻、工頻、2倍頻、3倍頻等。3倒頻譜分析利用大連圣力來監測技術有限公司的在線檢測 系統對某公司的壓縮機運行狀況進行監測，繪得譜 圖。f E1000*1q E225.7Hz 一周期信號，從自功率圖3上，可以

9、看到工頻及其高 次諧頻存在，因此，2點的倒頻率正是工頻及其諧頻 的反映。據此可以分析設備的故障。圖3 振動信號自功率譜圖3.2 檢測系統信號圖4 是平穩運行時的倒頻譜圖，工頻是223.1Hz，轉速為13386rmin，圖5是停機過程中的倒頻譜圖，轉速為6624rmin。圖4中3點處有倒頻率qE18ms的一峰值，而在圖5中2點處有倒頻率qE18.2ms的一峰值，這說明在轉速下降過程中總有一頻率為55Hz的周期信號，此周期信號的頻率不隨轉速的變化而變化，即可認定此周期信號與轉子系無關，它可能是系統的響應。3.3 識別邊頻信號圖4 振動信號倒譜圖圖2 振動信號幅值譜圖3.1 提取周期信號倒頻譜利用對

10、數將卷積變為簡單代數相加，從而提取周期信號，如圖4 中1 點的倒頻率為qE4.43ms，反映的是自功率譜圖上頻率為圖5 停機過程振動信號倒譜圖（下轉第76頁）不隨轉速的增加而成比例增加。由于浮環軸承含有兩層油膜非線性程度較高，內油膜渦動的能量又較 高，故產生了2次諧波，即略大于基頻的振動分量。 低頻分量的幅值在轉子隱含故障后沒有大的變化，可 知浮環軸承的穩定性很好。在過臨界轉速時沒產生 過大的振動，也沒有因為其他的故障原因引起過大的 渦動或發生油膜振蕩。眾所周知，旋轉機械的基頻振動主要是由轉子 中的不平衡量在旋轉過程中產生的離心力造成的。 任何轉子都不可能達到絕對的平衡，特別是工作在 臨界轉速

11、以上的柔性轉子，即使在某一轉速下達到 平衡，隨著轉速的變化，轉子撓曲變形的不同，也會 產生新的不平衡。因此，正常運轉的轉子也會產生小量的基頻振動。轉子1在轉速為90000rmin時 基頻分量的幅值均低于2g。轉子2振動信號中基頻幅值甚至超過轉子1基 頻幅值的10多倍，由此斷定轉子2必含有較大的不 平衡量。另外，轉子2 的譜圖中2、3 倍頻幅值均很 大，特別是垂直方向均超過基頻幅值。結合該轉子 的具體結構進行分析，由于轉子系統中軸承位于中 間，兩側輪盤懸臂布置，這種結構在高速旋轉時，由 于陀螺力矩的存在，易發生“圓錐形渦動”，從總體上 來看轉子在軸承內傾斜著旋轉，即為不對中旋轉。根據資料4這種渦

12、動所產生的轉子跨外彎曲的振 動特性為產生較高幅值的3倍頻分量。其幅值往往 超過2倍頻。這種特征與圖5 的現象是完全符合 的，由此推知3倍頻分量的產生原因為轉子的跨外 彎曲。正常情況下，浮動軸承有較強的自動定心的 能力，可抑制轉子不對中運轉及跨外彎曲現象的發生，但當不平衡量較大時，離心力過大，超過了浮環軸承自我調節的能力，則不對中故障、跨外轉子彎曲 故障也就相繼產生。從而導致轉子的振動幅值進一 步增加。由以上分析可知，轉子不平衡是導致振動 過大的根本原因。5結語通過對某型渦輪增壓器的振動進行測試、分析，確定了轉子正常運轉時的頻譜特征，并通過比較，找 出了轉子發生故障的主要原因。1.該轉子正常運轉

13、時的振動主要包括微量不平 衡導致的基頻振動和內、外油膜渦動產生的兩個低 頻分量。2.穩定運轉后，內油膜渦動頻率為基頻的0.550.57倍。內、外油膜渦動頻率的比值略高于2。3.浮環軸承的穩定性很好，是一種很好的用于高速輕型轉子的軸承結構。4.該轉子的一階臨界轉速在54000、58000rmin之間，轉子為柔性轉子。5.故障轉子產生振動過大與油膜渦動無關，主要是由轉子不平衡引起較大的基頻振動，以及由此引發的較大幅值的2倍頻和3倍頻振動。 參考文獻：1 王宜.設備振動簡易診斷技術M.北京：機械工業出 版社，1993.2 李偉.動靜壓浮環徑向-推力聯合軸承理論研究及其應用（徑向部分）D.鄭州工業大學

14、碩士學位論文，1996.5.3 朱大鑫.渦輪增壓與渦輪增壓器M.北京：機械工業出版社，1992.4 虞和濟，韓慶大，原培新.振動診斷的工程應用（實例匯編）M.北京：冶金工業出版社，1992.!（上接第72頁）在倒頻譜圖4 中2 點處有一突出譜線，即qE22.4ms，其對應 fE44.6Hz，為齒輪箱的一個邊頻信號。經計算這一邊頻信號在停機過程變為倒頻譜圖5中的8點qE45.2ms，對應fE22.1Hz的調制 信號。而這些信息在幅值譜圖2及自功率譜圖3的 上幾乎沒有反映。這樣結合齒輪箱故障特點，就可以判斷導致邊 頻的原因，從而找出齒輪箱的故障原因。3.4 與頻譜配合應用 倒頻譜能將功率譜中的周期分量以離散譜的形式展現出來，其譜線高度就反映了功率譜中周期分 量大小。如圖4上的1點譜線高度反映了周期分量 為225.7Hz的信號較大，而圖3中周期為448Hz的周期信號反映在圖4中其譜線高度就很小。倒頻譜 還能把幅值譜的低頻部分加以拓展，這樣就容易識別調制信號。4結語倒頻譜對周期信號的分離功能及對邊頻的鑒別能力，使得它不僅在壓縮機的在線故障診斷中具有 特殊的應用價值，而且在其它的旋轉機械中也得到 了廣泛應用。從上面的分析中可以看出，在故障診 斷中若能將倒頻譜、幅值普及其它譜圖對