張 利，付國(guó)慶，梁 偉

（1. 上海交通大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200030；2. 上海衛(wèi)星工程研究所，上海 200240）

0 引言

衛(wèi)星在軌運(yùn)行時(shí)，往往是轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械部件最容易出故障。這些部件不允許隨便拆裝檢查，這就要求必須在它們運(yùn)行時(shí)提取故障癥狀的信息[1]，對(duì)其進(jìn)行在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷，以識(shí)別現(xiàn)狀并能預(yù)測(cè)未來(lái)。為此，如何在研制過(guò)程中結(jié)合少量試驗(yàn)和特定的監(jiān)測(cè)方法對(duì)衛(wèi)星轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械部件的狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)，對(duì)其性能變化趨勢(shì)和壽命極限進(jìn)行預(yù)測(cè)和評(píng)估等問(wèn)題已提到議事日程上[2]。

轉(zhuǎn)動(dòng)部件的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷有多種方法，包括振動(dòng)音響法、速度變化法、聲發(fā)射法、電流分析法、溫度法、壓力脈動(dòng)法等，其中，包括振動(dòng)音響法和速度變化法的振動(dòng)診斷技術(shù)在被診斷系統(tǒng)的信號(hào)采集、數(shù)據(jù)處理、故障識(shí)別和診斷中顯示出簡(jiǎn)便可靠的優(yōu)越性，尤其適用于不停機(jī)在線監(jiān)測(cè)和診斷報(bào)警[3]，可從測(cè)試活動(dòng)部件在規(guī)定動(dòng)作過(guò)程的自身振動(dòng)信息中分析出正常、異?；蛉毕莸?。早在 20世紀(jì) 70年代初美國(guó)就運(yùn)用此方法對(duì)衛(wèi)星消旋組件進(jìn)行了振動(dòng)分析；20世紀(jì)80年代在國(guó)外已經(jīng)形成一門新的、融合多項(xiàng)技術(shù)的學(xué)科——機(jī)械故障診斷學(xué)；國(guó)內(nèi)于 20世紀(jì) 90年代將這項(xiàng)技術(shù)用于渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)、煉油設(shè)備、大型電機(jī)等設(shè)備的分析；由此，國(guó)內(nèi)外繁衍出各類診斷設(shè)備及其分析軟件。

1 轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械部件振動(dòng)故障分析原理及特點(diǎn)

振動(dòng)信號(hào)中有豐富的信息，其中包含故障信息。實(shí)際上，機(jī)械故障信號(hào)通常是非平穩(wěn)信號(hào)，如果背景噪聲比較大，則故障信號(hào)被隱藏在噪聲中。所謂故障的振動(dòng)診斷技術(shù)就是用各類傳感器在運(yùn)行的系統(tǒng)中提取振動(dòng)信號(hào)，并加以分析，將有故障（或懷疑有故障）的監(jiān)測(cè)對(duì)象和正常系統(tǒng)的振動(dòng)特性作比較，以期識(shí)別出系統(tǒng)的故障狀態(tài)。

1.1 時(shí)域分析

采集數(shù)據(jù)是狀態(tài)監(jiān)測(cè)的第一步，將來(lái)自傳感器的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，生成時(shí)域圖。典型時(shí)域圖的長(zhǎng)度非常短，往往是ms量級(jí)，通常取轉(zhuǎn)軸的 5～7轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)，在時(shí)域圖上可以看見 5～7個(gè)正弦波加上任一變形波形。

時(shí)域分析法主要研究平均值、均方值、方差等。被測(cè)件處于正常狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，時(shí)域圖由大量的、隨機(jī)的、強(qiáng)度接近的振動(dòng)信號(hào)組成；一旦發(fā)生故障，信號(hào)中會(huì)出現(xiàn)有規(guī)則的、周期性脈沖，沖擊的量值要比正常狀態(tài)下大得多。因此，用振動(dòng)信號(hào)診斷設(shè)備故障時(shí)，首先要在振動(dòng)信號(hào)中找出隱含的周期分量。

1.2 頻域分析

振動(dòng)信號(hào)的頻域分析法是故障診斷中應(yīng)用頗廣的方法，其中用到最多的方法是傅立葉分析（也稱頻譜分析或譜分析）。按傅立葉分析原理，0～t時(shí)間段內(nèi)呈周期性或延拓后視為周期性的平穩(wěn)信號(hào)，可分解為許多諧波分量之和，見公式(1)：

這意味著通過(guò)這種變換能將時(shí)域信號(hào)變成頻譜（見圖1）。通過(guò)振幅和頻率（而不是時(shí)間），就更能分析振動(dòng)信號(hào)的周期性成分。

圖1 傅立葉轉(zhuǎn)換圖Fig. 1 FFT(Fast Fourier Transform Algorithm)

描述轉(zhuǎn)動(dòng)部件振動(dòng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)有位移、速度、加速度。

轉(zhuǎn)動(dòng)部件運(yùn)行矢量的軌跡或位移跡線可簡(jiǎn)單描述為正弦波形，其方程式為

式中：x為振動(dòng)任一瞬間的位移，m； A為振幅，m；ω為角頻率，rad/s； t為時(shí)間，s；φ為振動(dòng)初始相位，rad。

速度υ是時(shí)間的函數(shù)，是對(duì)位移的一次導(dǎo)數(shù)，其數(shù)學(xué)式表達(dá)為

再對(duì)速度求導(dǎo)，可得加速度a，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

從公式(2)～(4)可以看出[4]：

1）振動(dòng)位移、速度和加速度信號(hào)的頻率相同。不管采用何種表示方式，故障性質(zhì)不會(huì)變化，都可以用于振動(dòng)監(jiān)測(cè)。

2）在相同位移幅值下，頻率越高，振動(dòng)所產(chǎn)生的交變應(yīng)力越大，對(duì)設(shè)備的危害越大。因此故障頻率越高，位移幅值應(yīng)該控制得越嚴(yán)格。對(duì)于旋轉(zhuǎn)機(jī)械而言，轉(zhuǎn)速越高，振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)越嚴(yán)。

3）振動(dòng)速度及加速度幅值是振動(dòng)位移幅值和頻率（或頻率平方）的乘積，幅值中同時(shí)反映了振動(dòng)頻率和位移幅值的影響，比單純的振動(dòng)位移幅值更全面。

4）振動(dòng)加速度超前振動(dòng)速度相位 90o，振動(dòng)速度相位又超前位移相位90o。

5）同一種故障在振動(dòng)位移、速度和加速度頻譜中表現(xiàn)出來(lái)的故障特征不完全相同。假設(shè)某故障振動(dòng)位移信號(hào)頻譜如圖 2(a)所示，頻譜中 10 Hz、20 Hz和50 Hz分量幅值都為10 μm，根據(jù)公式(2) (4)可以計(jì)算出每一頻率分量的速度和加速度幅值，如圖 2(b)、(c)所示。比較這 3個(gè)圖可見，高頻分量在振動(dòng)速度和加速度頻譜中得到了明顯“放大”，頻率越高，速度和加速度頻譜中高頻分量的“放大”作用越明顯。因此對(duì)于高頻振動(dòng)故障，為了在故障的早期能夠比較明顯地反映出振動(dòng)變化，采用振動(dòng)速度或加速度監(jiān)測(cè)比較有效。反之，低頻分量在位移頻譜中也同樣地被“放大”。

圖2 振動(dòng)位移、速度和加速度頻譜比較Fig. 2 Spectrum comparison among vibration displacement, speed and acceleration

6）振動(dòng)位移、速度和加速度之間可以相互轉(zhuǎn)換。雖然將位移信號(hào)對(duì)時(shí)間求導(dǎo)可以得到速度信號(hào)和加速度信號(hào)，但是由于求導(dǎo)過(guò)程中誤差有可能會(huì)放大，所以實(shí)際上很少進(jìn)行這樣的轉(zhuǎn)換。信號(hào)積分過(guò)程中的誤差是收斂的，因此目前采用比較多的方法是由加速度或速度信號(hào)積分求出位移信號(hào)。一些采用加速度傳感器的振動(dòng)儀表具有積分功能，可同時(shí)顯示出振動(dòng)加速度、速度和位移值。

從振動(dòng)測(cè)量的角度來(lái)看，測(cè)量振動(dòng)加速度和位移比較容易實(shí)現(xiàn)，而振動(dòng)速度一般都是通過(guò)測(cè)量加速度再進(jìn)行積分后得到，因此，振動(dòng)檢測(cè)一般選用位移傳感器和加速度傳感器。由于位移傳感器的安裝和測(cè)量存在諸多局限，如：需要根據(jù)被測(cè)產(chǎn)品具體情況設(shè)計(jì)專門工裝；飛輪等部件的轉(zhuǎn)子裝在密封的殼體內(nèi)，無(wú)法采用非接觸式的位移傳感器進(jìn)行測(cè)量；不太適用于高頻振動(dòng)的測(cè)量等等，因此，配備高精度高靈敏度的加速度傳感器也是必需的。

2 在“風(fēng)云二號(hào)”衛(wèi)星掃描輻射計(jì)狀態(tài)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

“風(fēng)云二號(hào)”衛(wèi)星掃描輻射計(jì)的掃描螺旋副是一種精密小螺距的滑動(dòng)絲桿副結(jié)構(gòu)，正常掃描頻率由北向南是 66.67 Hz、由南向北是 200 Hz。在軌工作時(shí)，隨著掃描步進(jìn)的運(yùn)動(dòng)，存貯在螺母中的潤(rùn)滑膏被帶走，較難得到及時(shí)補(bǔ)充。長(zhǎng)期這樣運(yùn)行，螺旋副將處于不良的潤(rùn)滑狀態(tài)，從而使衛(wèi)星難以達(dá)到長(zhǎng)壽命高可靠的設(shè)計(jì)目標(biāo)。在后續(xù)衛(wèi)星的研制過(guò)程中，除了在設(shè)計(jì)上采取了一系列改進(jìn)措施外，重點(diǎn)加強(qiáng)了產(chǎn)品的系統(tǒng)級(jí)地面試驗(yàn)和全過(guò)程性能檢測(cè)及質(zhì)量控制，其中，首次嘗試性地應(yīng)用了振動(dòng)診斷測(cè)試分析技術(shù)，針對(duì)掃描機(jī)構(gòu)在不同輸入電壓下的振動(dòng)響應(yīng)特征以及頻譜特性進(jìn)行測(cè)試分析，進(jìn)而研究失步現(xiàn)象的臨界電壓和失步狀態(tài)的時(shí)域及頻譜特征。

由于其特征頻率均大于50 Hz，根據(jù)圖2可以看出，測(cè)量加速度比較合適。

2.1 正常工作時(shí)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)

在掃描輻射計(jì)工作過(guò)程中，對(duì)其振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行了全程監(jiān)測(cè)記錄，如圖3～圖7所示。

圖3 電機(jī)正常工作狀態(tài)下慢掃的時(shí)域響應(yīng)圖Fig. 3 Slow scan time domain response of the motor during normal working condition

圖4 電機(jī)正常工作狀態(tài)下慢掃的頻譜圖Fig. 4 Slow scan frequency response of the motor during normal working condition

圖5 電機(jī)正常工作狀態(tài)下快掃的時(shí)域響應(yīng)圖Fig. 5 Quick scan time domain response of the motor during normalworking condition

圖6 電機(jī)正常工作狀態(tài)下快掃的頻譜圖Fig. 6 Quick scan frequency response of the motor during normal working condition

圖7 掃描機(jī)構(gòu)4種工作狀態(tài)下的時(shí)域響應(yīng)對(duì)比圖Fig. 7 Comparison of time domain response among different working conditions for the scanner

從圖3～圖7可以看出：

1）在電機(jī)沒(méi)有失步的正常工作情況下，隨著電壓的降低，振動(dòng)響應(yīng)幅值逐步降低（從圖 7的對(duì)比來(lái)看，尤其明顯）；同電壓的情況下，快掃的響應(yīng)要大于慢掃；

2）電機(jī)快掃特征頻率 200 Hz及其倍頻（見圖 6），時(shí)域上 5 ms周期間隔明顯（見圖 5），頻域上特征頻率突出；電機(jī)慢掃特征頻率 67 Hz及其倍頻，頻域上特征頻率突出（見圖4）。

2.2 故障模擬試驗(yàn)

在輻射計(jì)工作穩(wěn)定后，通過(guò)調(diào)節(jié)電機(jī)的供電電壓，使其出現(xiàn)故障，測(cè)試所得的振動(dòng)響應(yīng)如圖8～圖12所示。

圖8 電機(jī)在13.5 V快掃狀態(tài)下的時(shí)域響應(yīng)圖（電機(jī)失步，響應(yīng)突然放大為正常值的近10倍）Fig. 8 Time domain response of the motor under 13.5 V quick scan condition

圖9 電機(jī)失步時(shí)域響應(yīng)細(xì)化圖（時(shí)域上峰值抖動(dòng)比較嚴(yán)重）Fig. 9 The refinement time domain response of the motor during abnormal working condition

圖10 電機(jī)失步頻譜圖（特征頻率已經(jīng)改變）Fig. 10 Frequency response of the motor during abnormal working condition

圖11 13.7 V電機(jī)瀕臨失步時(shí)域響應(yīng)圖Fig. 11 Verge-of-step time domain response of the motor under 13.7 V scan condition

圖12 13.7 V電機(jī)瀕臨失步頻譜圖（200 Hz特征頻率明顯，但多出了其0.5X倍頻）Fig. 12 Verge-of-step frequency response of the motor under 13.7 V scan condition

從圖8～圖12可以看出：

1）掃描機(jī)構(gòu)的臨界失步電壓為13.5 V；

2）在電機(jī)沒(méi)有失步的正常工作狀態(tài)下，響應(yīng)普遍較小，而且特征頻率明顯；但是一旦失步，響應(yīng)會(huì)放大近10倍，而且在頻譜上也已經(jīng)沒(méi)有了原來(lái)的特征頻率；

3）在接近失步時(shí)（13.7 V），會(huì)出現(xiàn)其特征頻率的0.5X倍頻的明顯響應(yīng)，可以在這一電壓附近或者0.5X倍頻附近設(shè)置預(yù)警值。

3 結(jié)束語(yǔ)

振動(dòng)故障診斷技術(shù)在衛(wèi)星地面測(cè)試中的應(yīng)用已得到驗(yàn)證，并取得了較好的效果。

在衛(wèi)星轉(zhuǎn)動(dòng)部件的狀態(tài)監(jiān)測(cè)過(guò)程中，要對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量狀況給出適當(dāng)?shù)脑u(píng)價(jià)，這就涉及到評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題。標(biāo)準(zhǔn)制定得過(guò)高，會(huì)造成資源浪費(fèi)，而標(biāo)準(zhǔn)過(guò)低又會(huì)影響產(chǎn)品的質(zhì)量，而且星用轉(zhuǎn)動(dòng)部件大都是非標(biāo)產(chǎn)品，各種產(chǎn)品的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)不能千篇一律，因此，標(biāo)準(zhǔn)的制定需要大量的數(shù)據(jù)信息和知識(shí)的積累。

雖然振動(dòng)測(cè)量分析在衛(wèi)星轉(zhuǎn)動(dòng)部件狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷的應(yīng)用方面還有很多問(wèn)題需要解決和進(jìn)一步驗(yàn)證，但相信隨著相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步、實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的逐步積累以及相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)的建立，振動(dòng)分析技術(shù)必將在該領(lǐng)域發(fā)揮越來(lái)越大的作用，為確保衛(wèi)星的長(zhǎng)壽命和高可靠提供有力保障。

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[1] 張阿舟, 諸德超, 姚起杭, 等. 實(shí)用振動(dòng)工程(3)——振動(dòng)測(cè)量與試驗(yàn)[M]. 北京: 航空工業(yè)出版社, 1997: 253

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[3] 陳長(zhǎng)征, 胡立新, 周勃, 等. 設(shè)備振動(dòng)分析與故障診斷技術(shù)[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2007: 21

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