時域波形分析在故障診斷中的重要性

郭偉 賀佳

作者通聯(lián)：郭 偉 金川公司化工廠 甘肅金昌市 737100

振動分析作為旋轉(zhuǎn)機械狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷的重要手段，在工礦企業(yè)得到了推廣與應(yīng)用，尤其通過振動頻譜分析查找故障的原因已為大多數(shù)現(xiàn)場技術(shù)人員所接受，但許多人在進行分析時往往忽略對時域波形的分析，認為從時域波形上很難查找故障的根源，出現(xiàn)了重頻域輕時域的現(xiàn)象，在此通過兩個典型的實際案例說明時域波形分析的重要性。

振動分析首先通過數(shù)據(jù)采集器采集振動信號，一般得到的原始數(shù)據(jù)都是時間波形的形式，時間波形直觀，易于理解，對某些故障信號波形有明顯的特征，因此可以利用時間波形先作分析，如不平衡、不對中及沖擊等在時域波形上表現(xiàn)得最為明顯。

案例一 某礦山皮帶輸送機，結(jié)構(gòu)簡圖見圖1，電機為4極電機，耦合器輸出軸的1軸轉(zhuǎn)頻24.4Hz，2軸轉(zhuǎn)頻11.93Hz，3軸轉(zhuǎn)頻2.56Hz，4軸轉(zhuǎn)頻0.622Hz,第一級嚙合頻率634.4Hz，第二級嚙合頻率179.5Hz，第三級嚙合頻率41Hz，設(shè)備在運行時齒輪箱內(nèi)有“當當”的異常響聲，現(xiàn)場觀測響聲每分鐘52次左右，停機打開減速箱檢查軸承、齒輪，沒有發(fā)現(xiàn)異常，重新安裝好，開機仍有異響。

圖1 皮帶機結(jié)構(gòu)簡圖

從圖2的減速箱振動加速度時域波形可以清楚地看到每隔1.17s有一個沖擊,每分鐘51.3個沖擊,和觀測到的異常響聲相符,而在加速度頻譜圖（圖3）中則看不到任何0.85Hz（周期1.17s）的成分，從頻譜圖中可以看出第二級嚙合的嚙合頻率179.5Hz及其倍頻比較突出，說明第二級嚙合存在問題，但只從頻譜圖中根本無法看到更無法解釋沖擊故障的來源。

圖2 減速箱振動加速度時域圖

圖3 加速度頻譜圖

沖擊異響的來源是第二級嚙合的兩個齒輪中有一對齒嚙合不當所致，把第二級嚙合3軸上大齒輪的齒編號1#到70#，2軸上小齒輪的齒編號1#到15#，假設(shè)兩個齒輪上都是編號為1#的齒存在缺陷，那么1#—1#進入嚙合時將產(chǎn)生沖擊，等到下次1#—1#兩個齒重新嚙合到一起又產(chǎn)生沖擊，兩個齒重新進入嚙合的周期為兩個齒輪齒數(shù)的最小公倍數(shù)（210）除以大齒輪齒數(shù)（70）再乘以 3軸的轉(zhuǎn)動周期（0.39s），即3軸大齒輪（70齒）旋轉(zhuǎn)3圈，或2軸小齒輪（15個齒）旋轉(zhuǎn)14圈，3軸旋轉(zhuǎn)3圈的時間正好1.17s，與齒輪箱異響的時間間隔相符。把這種故障定義為追逐齒故障（或齒擺動故障），而產(chǎn)生齒輪追逐齒故障的原因一是在齒輪加工制造時產(chǎn)生，二是現(xiàn)場安裝處理不當所致，經(jīng)與齒輪箱生產(chǎn)廠家交流，產(chǎn)生故障的原因正是來自齒輪加工制造過程中，更換齒輪后異響消失，設(shè)備運行平穩(wěn)。此例說明如果只從頻譜分析去查找故障的根源幾乎是不可能的，必要時結(jié)合時域波形分析可以看到真實的振動狀況，方便查找故障的根源。

案例二 某離心風(fēng)機結(jié)構(gòu)圖見圖4，電機轉(zhuǎn)速2993r/min,增速箱齒數(shù)比102∶55，風(fēng)機轉(zhuǎn)頻92.5Hz，增速箱振動速度波形頻譜圖見圖5，振動速度有效值達到26.42mm/s，振動嚴重超標。頻 譜 圖 中 振 動 主 要 頻 率 有 1202.8Hz、5.313Hz、7.188Hz和185Hz，185Hz為風(fēng)機轉(zhuǎn)動頻率的2倍頻，檢修時通過對齒輪的敲擊測試發(fā)現(xiàn)1202.8Hz為大齒輪的固有頻率，從振動時域波形上看存在明顯的周期為1.1s（0.9Hz）的脈沖及其1/2周期脈沖，5.313Hz和7.188Hz為0.9Hz的倍頻成分。為突出低頻成分采集振動位移信號，其頻譜圖見圖6，時域波形上1.1s周期脈沖及其1/2周期脈沖更加突出，頻譜圖上主要頻率成分為0.9Hz的幾個諧波頻率，結(jié)合案例一從頻譜圖上可以判斷齒輪存在追逐齒故障，但產(chǎn)生此故障的原因單從頻譜上還很難確定，需要結(jié)合時域波形分析去查找故障的根源。

圖4 風(fēng)機結(jié)構(gòu)簡圖

圖5 增速箱振動速度波形頻譜圖

圖6 增速箱振動位移波形頻譜圖

圖7 增速箱兩側(cè)聯(lián)軸器不對中的高點同時進入齒輪嚙合

圖8 電機與增速箱對中的低點和增速箱與風(fēng)機對中的高點同時進入齒輪嚙合

0.9Hz頻率為齒輪的擺動故障頻率，為兩個齒輪（102齒和55齒）上的兩個齒重復(fù)進入嚙合的周期，即大齒輪（102齒）轉(zhuǎn)動 55圈的時間（1.1s），產(chǎn)生此故障的原因是低速齒輪和高速齒輪都有故障，高、低速齒輪的各自的故障齒同時進入嚙合時，將對振動產(chǎn)生最大的影響，造成齒輪故障的原因初步分析來自增速箱兩側(cè)聯(lián)軸器的不對中，當兩個聯(lián)軸器不對中的高點同時進入齒輪嚙合時（圖7），將產(chǎn)生最大的振動，當小齒輪轉(zhuǎn)動51圈，電機與增速箱對中的低點和增速箱與風(fēng)機對中的高點同時進入齒輪嚙合時（圖8），同樣產(chǎn)生最大的振動，這與時域圖中看到每1.1s周期內(nèi)有兩個比較明顯的脈沖相符，由于齒輪嚙合不當激起大齒輪固有頻率1202.8Hz的振動。檢修證明兩側(cè)聯(lián)軸器均不對中，與診斷結(jié)果相符，調(diào)整后振動明顯降低。

通過以上的兩個案例可以看到時域波形分析在故障診斷中的重要性和必要性，時域波形作為振動分析最原始的信號提供了最為真實、全面的信息，并且不會像頻譜分析由于變換而丟失信息，因此在故障分析與診斷中，采用頻譜分析與時域波形分析相結(jié)合，會使診斷結(jié)果更準確。