基于定子振动的转子碰摩故障诊断方法研究

　　引　言

　　在高速旋转的机械中,转子碰摩是常见的故障之一,轻则引起机器异常振动、磨损,重则造成严重破坏,造成恶性事故,带来巨大的经济损失甚至人员伤亡。该问题日益引起相关专业领域的科技工作者的关注,近年来人们对转子碰摩故障的诊断作了大量研究工作,这些工作主要集中在转子振动信号上。目前已经在振动频谱特征方面得到了具有共识性的一些结论[1],此外一些新的技术如小波分析、混沌理论、循环平稳分析、经验模态分解、双谱分析也逐渐被应用于转子振动信号的分析[2～7],取得了显著的成果。但由于转子系统的很多常见故障(如不对中、不平衡、油膜涡动等)与碰摩故障的转子振动特征多有重复之处,在很大程度上限制了诊断的有效性。基于这一点,本文采用碰摩的另一主要角色——定子振动信号作为诊断信息源,进行理论和实验研究,以期丰富转子碰摩故障诊断的途径和思路。

　　1　碰摩时定子振动的机理分析

　　在转子系统中,碰摩通常可分为3种情况:单点碰摩、局部碰摩和整圈碰摩。单点碰摩是指转子在旋转过程中,每圈只与定子上的一点相接触的故障现象。局部碰摩是指在旋转过程中,转子与定子上多个点、某一个或几个区域相接触的现象,这是最常见的碰摩形式,通常所说的定子偏摩就属于局部碰摩的一种形式。整圈碰摩是指转子在旋转过程中始终与定子相接触且接触位置沿定子整圈运动的一种碰摩形式,严格来说整圈碰摩只有摩擦效应没有碰撞效应。在碰摩的早期一般是发生单点碰摩或局部碰摩。从碰摩机理分析可以知道,当转子与定子发生碰撞时,尤其是早期的单点碰摩时,定子会受到一个持续时间极短的脉冲冲击力。冲击力是一宽带信号,所以必然覆盖定子系统的高频固有振动频率,从而引起定子的谐振。这就是碰摩故障引起的定子振动信号的基本特点。

　　通过检测定子振动信号是否存在高频固有振动是检测碰摩故障的基本出发点,对此可采用已经在轴承故障诊断中广泛使用的共振解调法。根据实际情况,可选择定子的某一高频固有振动作为研究对象,通过中心频率等于该固有频率的带通滤波器把该固有振动分离出来。然后,通过包络检波器检波,去除高频衰减振动的频率成分,得到只包含故障特征信息的低频包络信号,再对这一低频包络信号进行频谱分析便可容易地诊断出碰摩故障。如果同时测量角度位移信号,则可根据固有振动发生的时间进行碰摩点的定位。

　　2　基于IFFT的定子高频固有振动的分离

　　目前共振解调法中高频固有振动信号的分离是通过中心频率等于该固有频率的带通滤波器来实现的,但带通滤波器存在一定的波纹度和过渡带,最重要的是会产生初始信号的畸变以及信号的时延,尤其是当滤波器通带宽度与信号总体带宽之比很小时,时延会非常明显,这会影响到后期的故障定位。