机械变速过程中的工频跟踪测振技术

　　引　言

　　旋转机械工作时产生的振动及噪音信号的频率成分通常与机械的转速及其谐波有关,这一机械转速称之为工频。对于工频稳定的机械,一般可以利用基于FFT的普通频谱分析方法有效地诊断诸如不平衡、不对中、机械松动、滚动轴承和齿轮工作异常等常见故障,这些故障发生时,在其频谱图上将有较为明显的特征频率成分出现。

　　由于节省能源和复杂过程控制的需要,变速机械在现代工业中得到广泛应用。许多旋转机械在工作过程中其旋转速度并非处于绝对匀速状态,而是在一定的转速范围内不断变化。更为典型的是旋转机械在启动和停车的过程中,其工频是不稳定的。这就使得机械表面的振动响应信号的频率成分也处于不断地变化之中,造成基于FFT的普通频谱分析方法难以对这些机械进行故障诊断,其频谱图上很难找到明显的特征频率成分。工频跟踪测振技术是针对工频不稳定机械的一种专门的振动测量技术,它可将机械变速过程中产生的振动信号成分有效地分离出来。本文将对其原理进行详细论述,并结合有关实例对应用中存在的问题加以讨论。

　　1　工频跟踪测量原理与普通频谱测量原理的比较

　　普通频谱分析仪的输入信号是由传感器传来的时变的模拟信号,这些时变信号首先需经过一个抗混低通滤波器进行抗混滤波,然后用一个A/D转换器进行模数转换,所得离散数字信号即可以时域波形的形式表现出来,进而对这组时域离散数据做FFT变换,最终得到普通频谱图。普通频谱分析仪以一个给定的采样频率采样,机械转速的变化将会影响到采样频谱图,参见以下的例子。

　　首先,根据普通频谱测量原理采集一个转速恒定、具有不平衡转子的马达的表面振动信号,其采样装置如图1(a)所示。以一定的采样间隔采样,所得时域波形及频谱如图2(a)所示。

　　由图中看出,在时域内是由转子不平衡引起的正弦波形,每一个正弦周期代表马达转子转一转,每一转内有十个采样点。在频域内有一个位于工频处的明显峰值,这正是机械转子不平衡的特征频谱。说明利用普通频谱测量原理与诊断恒转速旋转机械的故障是有效的。

　　然后,仍然用图1(a)所示试验装置采集该马达加速过程中的表面振动信号,所得时域波形及频谱如图2(b)所示。由图中看出,在时域内是一条逐渐压缩的正弦波形曲线,由于采样时间间隔是一定的,故落在每一转内的采样点数发生了变化:第一转内有15个采样点,第二转内有10个采样点,而第三转内只有7个采样点。在频域内也不再是单一的明显波峰,而是在很宽的频段上具有许多毛刺的波包。可见,对于变转速的机械,用普通频谱难以精确诊断其机械故障,而工频跟踪测振技术则可以解决这一问题。