基于調(diào)制強(qiáng)度的地鐵風(fēng)機(jī)常見(jiàn)故障診斷方法的研究*

宋永興 伍柯霖 初 寧 吳大轉(zhuǎn)

（浙江大學(xué)化工過(guò)程機(jī)械研究所）

0 引言

地鐵風(fēng)機(jī)作為地鐵正常、安全運(yùn)行的重要設(shè)備之一，其安全穩(wěn)定運(yùn)行具有十分重要的意義。常見(jiàn)的地鐵風(fēng)機(jī)故障有地腳螺栓松動(dòng)、轉(zhuǎn)子不平衡、葉片故障及電機(jī)故障等。風(fēng)機(jī)是一種典型的旋轉(zhuǎn)機(jī)械，對(duì)于其故障診斷，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了廣泛的研究，主要包括狀態(tài)監(jiān)測(cè)、特征提取、故障診斷及狀態(tài)預(yù)測(cè)等內(nèi)容，其中特征提取與故障診斷是其核心內(nèi)容，也是研究的熱點(diǎn)[1]。

對(duì)于旋轉(zhuǎn)機(jī)械在線監(jiān)測(cè)的信號(hào)主要有振動(dòng)、壓力及溫度等[2-3]。本文主要針對(duì)振動(dòng)信號(hào)的特征提取方法及故障診斷展開(kāi)研究。針對(duì)振動(dòng)信號(hào)特征提取方法，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了大量的研究，主要包括傅里葉變換、短時(shí)傅里葉變換、小波變換[4-6]、模態(tài)分解[7-9]、包絡(luò)解調(diào)[10-12]及循環(huán)平穩(wěn)解調(diào)[13-16]等方法。針對(duì)不同的設(shè)備采用不同的特征提取方法，能夠準(zhǔn)確獲得旋轉(zhuǎn)機(jī)械的特征頻率，但是對(duì)于設(shè)備的故障程度卻沒(méi)有好的指標(biāo)進(jìn)行表征。本文中提出了一種調(diào)制強(qiáng)度指標(biāo)，該指標(biāo)能夠準(zhǔn)確表征風(fēng)機(jī)的故障程度，結(jié)合循環(huán)平穩(wěn)解調(diào)算法獲得風(fēng)機(jī)的軸頻、葉頻等特征頻率，就可以準(zhǔn)確獲得風(fēng)機(jī)的故障類型及故障程度。

1 算法研究

1.1 循環(huán)平穩(wěn)分析

風(fēng)機(jī)作為典型的旋轉(zhuǎn)機(jī)械，軸頻和葉頻是反映風(fēng)機(jī)工作狀態(tài)的重要特征參數(shù)，而循環(huán)平穩(wěn)分析是求解旋轉(zhuǎn)機(jī)械特征調(diào)制頻率的有效方法。本文對(duì)于循環(huán)平穩(wěn)分析的求解方法，采用法國(guó)Antoni學(xué)者提出的方法進(jìn)行求解。

對(duì)于風(fēng)機(jī)的振動(dòng)信號(hào)x(t)，其時(shí)變的自相關(guān)函數(shù)可以表示為：

式中，E{}表示求均值運(yùn)算符號(hào)，τ為延遲時(shí)間。

其中Rx(t,τ)的傅里葉變換可以表示為：

對(duì)于Rαx(τ)的傅里葉變換為譜相關(guān)密度函數(shù)：

式中，α 表示循環(huán)頻率，f表示譜頻率。

1.2 調(diào)制強(qiáng)度

風(fēng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)的過(guò)程中存在明顯的調(diào)制現(xiàn)象，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，風(fēng)機(jī)的調(diào)制作用會(huì)得到加強(qiáng)，因此通過(guò)求解調(diào)制分量的強(qiáng)度，能夠反映風(fēng)機(jī)的工作狀態(tài)以及故障程度。對(duì)于調(diào)制強(qiáng)度的求解，本文主要依托包絡(luò)Hilbert解調(diào)進(jìn)行求解。

信號(hào)x(t)的Hilbert變換的定義為：

式中，H[]為希爾伯特算子。

信號(hào)x(t)的包絡(luò)信號(hào)為：

對(duì)包絡(luò)信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換：

對(duì)于信號(hào)的調(diào)制強(qiáng)度E定義為：

式中sum()為求和符號(hào)。

2 故障實(shí)驗(yàn)

針對(duì)所提出的基于調(diào)制強(qiáng)度的地鐵風(fēng)機(jī)的故障診斷方法，分別對(duì)實(shí)驗(yàn)室風(fēng)機(jī)和地鐵射流風(fēng)機(jī)開(kāi)展故障實(shí)驗(yàn)研究，主要對(duì)地腳螺栓松動(dòng)、葉片不均等兩種故障展開(kāi)實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)中的采集系統(tǒng)采用NI 采集儀（USB-4432.NI Inc），傳感器采用振動(dòng)傳感器，采樣率設(shè)置為5.12kHz。

2.1 實(shí)驗(yàn)室風(fēng)機(jī)實(shí)驗(yàn)

具體實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

地腳螺栓的位置編號(hào)如圖2所示，風(fēng)機(jī)葉片的位置編號(hào)如圖3所示，風(fēng)機(jī)故障實(shí)驗(yàn)種類如表1所示。

圖1 風(fēng)機(jī)實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Fan experiment device

圖2 地腳螺栓編號(hào)Fig.2 Bolt number

式中，α=m/T ，m為整數(shù)，T為周期。

圖3 葉片編號(hào)Fig.3 Blade number

表1 風(fēng)機(jī)故障實(shí)驗(yàn)種類Tab.1 Type of fan fault experiment

2.2 地鐵射流風(fēng)機(jī)實(shí)驗(yàn)

根據(jù)調(diào)制強(qiáng)度算法，同樣開(kāi)展了地鐵射流風(fēng)機(jī)實(shí)驗(yàn)。射流風(fēng)機(jī)葉片數(shù)量為8 片，實(shí)驗(yàn)裝置如圖4 所示，主要為螺栓松動(dòng)實(shí)驗(yàn)，同樣利用振動(dòng)傳感器采集在不同螺栓松動(dòng)情況下的變化。

圖4 射流風(fēng)機(jī)故障實(shí)驗(yàn)裝置Fig.4 Fault experimental device of jet fan

3 結(jié)果分析

3.1 實(shí)驗(yàn)室風(fēng)機(jī)

3.1.1 特征頻率提取1）螺栓松動(dòng)

對(duì)于實(shí)驗(yàn)室風(fēng)機(jī)的螺栓松動(dòng)的振動(dòng)信號(hào)，采用循環(huán)平穩(wěn)解調(diào)算法，能夠準(zhǔn)確獲得風(fēng)機(jī)的軸頻及葉頻信息，如圖5 所示，二者的相對(duì)關(guān)系同樣能夠準(zhǔn)確地反映出當(dāng)前葉片數(shù)量為6，轉(zhuǎn)速為29.87Hz，葉片并沒(méi)有發(fā)生故障。

圖5 循環(huán)平穩(wěn)解調(diào)譜Fig.5 Cyclostationary demodulation spectrum

2）葉片不均等

對(duì)于實(shí)驗(yàn)室風(fēng)機(jī)的葉片不均等故障工況下的振動(dòng)信號(hào)，采用循環(huán)平穩(wěn)解調(diào)算法，準(zhǔn)確獲得了風(fēng)機(jī)的軸頻及葉頻，如圖6 所示，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)前風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為28.86Hz，葉片數(shù)量為2，能夠準(zhǔn)確地反映出當(dāng)前葉片數(shù)量不均等的故障工況。

圖6 循環(huán)平穩(wěn)解調(diào)譜Fig.6 Cyclostationary demodulation spectrum

3.1.2 調(diào)制強(qiáng)度分析

利用循環(huán)平穩(wěn)算法能夠準(zhǔn)確獲得風(fēng)機(jī)的軸頻及葉頻信息，但是這些信息并不能準(zhǔn)確反映出當(dāng)前風(fēng)機(jī)的故障程度，因此利用本文所提出的調(diào)制強(qiáng)度分析進(jìn)行進(jìn)一步的分析研究。

1）螺栓松動(dòng)

針對(duì)風(fēng)機(jī)螺栓松動(dòng)的故障，針對(duì)螺栓松動(dòng)數(shù)量，利用調(diào)制強(qiáng)度進(jìn)行分析，得到在不同螺栓松動(dòng)下的調(diào)制強(qiáng)度變化如圖7所示，A表示調(diào)制強(qiáng)度的幅值，N表示螺栓松動(dòng)的數(shù)量，隨著螺栓松動(dòng)數(shù)量的增加，風(fēng)機(jī)的不平衡程度增加，此時(shí)所得到的調(diào)制強(qiáng)度也逐漸增加，調(diào)制強(qiáng)度與螺栓松動(dòng)的數(shù)量呈現(xiàn)正相關(guān)，表明利用調(diào)制強(qiáng)度變換能夠很好地表征螺栓松動(dòng)的數(shù)量。

圖7 調(diào)制強(qiáng)度Fig.7 Modulation intensity

2）葉片不均等

針對(duì)風(fēng)機(jī)葉片不均等的故障工況，實(shí)驗(yàn)中分別對(duì)兩葉片和三葉片進(jìn)行了調(diào)制強(qiáng)度分析如圖8所示，圖中的橫坐標(biāo)表示風(fēng)機(jī)的排布方式，對(duì)于兩葉片工況，以葉片的排布方式的不平衡度來(lái)講，存在12布置>13布置>14布置；對(duì)于三葉片排布方式的不平衡度來(lái)講存在123布置>124布置>135布置；因此，利用調(diào)制強(qiáng)度分析能夠很好地說(shuō)明葉片的布置關(guān)系，與不平衡分布狀況能夠很好地對(duì)應(yīng)起來(lái)。

圖8 調(diào)制強(qiáng)度Fig.8 Modulation intensity

3.2 射流風(fēng)機(jī)

3.2.1 特征頻率提取

對(duì)于射流風(fēng)機(jī)螺栓松動(dòng)工況的振動(dòng)信號(hào)，利用循環(huán)平穩(wěn)解調(diào)算法，能夠很好地解調(diào)出風(fēng)機(jī)的軸頻和葉頻如圖9 所示，分別為49.62Hz 和396.9Hz。該方法能夠準(zhǔn)確的表明風(fēng)機(jī)的工作狀況，以及射流的葉片數(shù)目為8。

圖9 循環(huán)平穩(wěn)解調(diào)譜Fig.9 Cyclostationary demodulation spectrum

圖10 調(diào)制強(qiáng)度Fig.10 Modulation intensity

3.2.2 調(diào)制強(qiáng)度分析

針對(duì)射流風(fēng)機(jī)的螺栓松動(dòng)實(shí)驗(yàn)，考慮到風(fēng)機(jī)固定方式和實(shí)驗(yàn)安全性，只是對(duì)螺栓松動(dòng)數(shù)量為0,1,2 三種工況進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，利用調(diào)制強(qiáng)度分析的結(jié)果如圖10所示，橫坐標(biāo)表示螺栓松動(dòng)的數(shù)量，能夠準(zhǔn)確的表明調(diào)制強(qiáng)度與螺栓松動(dòng)數(shù)量對(duì)應(yīng)正相關(guān)。

4 結(jié)論

1）本文針對(duì)地鐵風(fēng)機(jī)的工作特點(diǎn)，結(jié)合振動(dòng)信號(hào)的循環(huán)平穩(wěn)特性，利用循環(huán)平穩(wěn)解調(diào)算法對(duì)風(fēng)機(jī)的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行了解調(diào)分析，準(zhǔn)確的解調(diào)出風(fēng)機(jī)的軸頻、葉頻及諧頻等關(guān)鍵信息，有助于風(fēng)機(jī)故障工況的診斷分析。

2）針對(duì)地鐵風(fēng)機(jī)故障識(shí)別困難，以及難以對(duì)故障程度進(jìn)行識(shí)別的問(wèn)題，本文提出了調(diào)制強(qiáng)度的解決方法，能夠準(zhǔn)確的對(duì)實(shí)驗(yàn)室風(fēng)機(jī)以及現(xiàn)場(chǎng)地鐵風(fēng)機(jī)的螺栓松動(dòng)、葉片不均等的故障工況的程度進(jìn)行準(zhǔn)確的表征，對(duì)于風(fēng)機(jī)的故障診斷具有重要的意義。