范佳卿， 肖伯樂， 高 升， 張 強(qiáng)

(上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院，上海 200240)

風(fēng)機(jī)和水泵等旋轉(zhuǎn)機(jī)械廣泛應(yīng)用于石油、化工、電力和冶金等行業(yè)，其設(shè)備安全運(yùn)行對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展有著重要的意義.旋轉(zhuǎn)機(jī)械長(zhǎng)期運(yùn)行后，由于磨損、變形、松動(dòng)和材料疲勞等原因，發(fā)生振動(dòng)故障的概率大大增加，嚴(yán)重時(shí)造成巨大經(jīng)濟(jì)損失[1-2].對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷，可有效降低設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)成本，保證其安全穩(wěn)定運(yùn)行[3-4].因此，旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)故障的監(jiān)測(cè)和診斷研究一直是多年來的研究熱點(diǎn)，并且已經(jīng)出現(xiàn)不少具有實(shí)用價(jià)值的研究成果.目前，在振動(dòng)信號(hào)的監(jiān)測(cè)上已有較成熟的方法和技術(shù)，在故障的診斷上常用的頻域分析由于計(jì)算量大不易完成實(shí)時(shí)計(jì)算和在線分析[5].

筆者針對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械裝置不同振動(dòng)故障，實(shí)時(shí)測(cè)量其特征值，計(jì)算得出旋轉(zhuǎn)機(jī)械裝置各種振動(dòng)故障工況的時(shí)域相關(guān)特征參數(shù)，完成了不同振動(dòng)故障下特征值的敏感性分析，并建立了故障診斷模型.通過試驗(yàn)臺(tái)對(duì)該模型進(jìn)行了驗(yàn)證，形成一種智能在線遠(yuǎn)程的旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)故障診斷方法.

1 特征值計(jì)算方法

1.1 特征值選取

振動(dòng)特征值有加速度高頻峰值、高頻峰值因子、高頻Vdi3832參考值、加速度峰值、峰值因子、偏斜度、峭度、Vdi3832參考值、加速度高頻有效值、加速度有效值、速度有效值、振動(dòng)烈度、加速度包絡(luò)有效值、速度包絡(luò)有效值、速度包絡(luò)噪聲值、加速度包絡(luò)噪聲值、加速度噪聲值和速度噪聲值等.根據(jù)國(guó)際國(guó)內(nèi)振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，筆者選取了其中12個(gè)振動(dòng)特征值進(jìn)行研究，根據(jù)定義分為有效值、峰值、峰值因子、峭度和偏斜度5類.

1.2 特征值分類

1.2.1 有效值

(1)振動(dòng)烈度.

振動(dòng)烈度(ISO10816)是10～1 000 Hz頻率段上原始信號(hào)的振動(dòng)速度值，通常適用于檢測(cè)不平衡、不對(duì)中、碰磨、早期軸承故障、潤(rùn)滑油失效和耦合故障等問題.國(guó)際和國(guó)內(nèi)許多振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)都采用振動(dòng)烈度作為評(píng)估旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備健康狀態(tài)的判斷參數(shù)[6].

為了獲取足夠的靈敏度，測(cè)量振動(dòng)烈度時(shí)探頭需盡量安裝在軸承座軸向和徑向位置，如圖1和圖2所示.

圖1 水平放置旋轉(zhuǎn)機(jī)械測(cè)量點(diǎn)

圖2 豎直放置旋轉(zhuǎn)機(jī)械測(cè)量點(diǎn)

根據(jù)旋轉(zhuǎn)機(jī)械底座和機(jī)械類型，振動(dòng)烈度有4種不同的閾值劃分方式，如圖3所示.

(2)加速度有效值.

加速度有效值(RmsAccRaw)由加速度傳感器采集振動(dòng)的原始信號(hào)得到，適用于檢測(cè)不平衡、不對(duì)中、碰磨、早期軸承故障、軸承損壞初期和潤(rùn)滑油失效等問題.

(3)速度有效值.

速度有效值(RmsVelRaw)由振動(dòng)加速度的原始信號(hào)得到[7]，選取T時(shí)間段，可以得到該時(shí)間段內(nèi)的速度有效值大?。?/p>

圖3 振動(dòng)烈度評(píng)估表

(1)

式中：V(t)為由振動(dòng)加速度原始信號(hào)積分得到的速度信號(hào)，mm/s.

速度有效值適用于檢測(cè)不平衡、不對(duì)中、碰磨、早期軸承故障、軸承損壞初期和潤(rùn)滑油失效等問題.

(4)加速度高頻有效值.

加速度高頻有效值(RmsHighFrequency)由振動(dòng)加速度輸入信號(hào)的高通濾波得到，適用于檢測(cè)碰磨、早期軸承故障、軸承損壞初期和潤(rùn)滑油失效等問題.

(5)加速度包絡(luò)有效值.

加速度包絡(luò)有效值(RmsAccEnvelope)由振動(dòng)加速度的包絡(luò)信號(hào)得到，是由SKF公司針對(duì)滾動(dòng)軸承的診斷而開發(fā)的技術(shù)，能夠從早期就清晰反映滾動(dòng)軸承故障的程度和原因.

(6)速度包絡(luò)有效值.

速度包絡(luò)有效值(RmsVelEnvelope)由振動(dòng)加速度的包絡(luò)信號(hào)得到，適用于檢測(cè)碰磨、軸承損壞初期和潤(rùn)滑油失效等問題.

1.2.2 峰值

旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)信號(hào)的峰值是指來自環(huán)境噪聲影響的總和最大值.

(1)加速度高頻峰值.

加速度高頻峰值(PeakHighFrequency)由振動(dòng)加速度輸入信號(hào)的高通濾波得到，適用于檢測(cè)碰磨、早期軸承故障、軸承損壞初期和潤(rùn)滑油失效等問題.

(2)加速度峰值.

加速度峰值(PeakRaw)由振動(dòng)加速度的原始信號(hào)得到，適用于檢測(cè)不平衡、不對(duì)中、碰磨、早期軸承故障、軸承損壞初期和潤(rùn)滑油失效等問題.

1.2.3 峰值因子

(1)高頻峰值因子.

高頻峰值因子(CrestFactorHighFrequency)由振動(dòng)加速度輸入信號(hào)的高通濾波得到：

(2)

高頻峰值因子適用于檢測(cè)碰磨、早期軸承故障、軸承損壞初期和潤(rùn)滑油失效等問題.

(2)峰值因子.

峰值因子(CrestFactorRaw)由振動(dòng)加速度的原始信號(hào)得到：

(3)

峰值因子適用于檢測(cè)不平衡、不對(duì)中、碰磨、早期軸承故障、軸承損壞初期和潤(rùn)滑油失效等問題.

1.2.4 峭度

峭度(KurtosisRaw)能有效評(píng)估在信號(hào)過程中出現(xiàn)峰值的次數(shù)，相當(dāng)于一個(gè)加權(quán)的“峰值因子”.由于峭度對(duì)沖擊信號(hào)特別敏感，所以適用于診斷軸承早期故障，同時(shí)也適用于檢測(cè)不平衡、不對(duì)中、碰磨、軸承損壞初期和潤(rùn)滑油失效等問題.

1.2.5 偏斜度

偏斜度(SkewnessRaw)能夠評(píng)估信號(hào)的不對(duì)稱程度，其值越低，正態(tài)分布越均勻，適用于檢測(cè)不平衡、不對(duì)中、碰磨和早期軸承故障等問題.

2 特征值敏感性分析和故障診斷模型

2.1 特征值敏感性分析

2.1.1 正常運(yùn)行

為確定特征值在旋轉(zhuǎn)機(jī)械裝置正常運(yùn)行情況下的基準(zhǔn)值，需得到旋轉(zhuǎn)機(jī)械裝置正常運(yùn)行時(shí)的特征值數(shù)據(jù).為了與現(xiàn)場(chǎng)某風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速匹配，便于后續(xù)自診斷功能的進(jìn)一步開發(fā)，設(shè)置旋轉(zhuǎn)機(jī)械裝置轉(zhuǎn)速為1 492 r/min，單組記錄時(shí)間為60 s，共記錄10組，傳感器安裝在好的軸承的X、Y、Z處，即軸承徑向水平處、徑向豎直處和軸向處，剔除離群點(diǎn)后，記錄正常運(yùn)行時(shí)的特征值參數(shù).表1給出了Y處正常運(yùn)行時(shí)的特征值.由表1可知，旋轉(zhuǎn)機(jī)械裝置中好的軸承Y處的振動(dòng)烈度在符合的范圍內(nèi).

表1 正常運(yùn)行時(shí)的特征值

2.1.2 不平衡故障

不平衡故障是由于轉(zhuǎn)子部件質(zhì)量偏心或轉(zhuǎn)子部件損壞造成的.通過在風(fēng)扇葉片上安裝磁性配重塊來模擬旋轉(zhuǎn)機(jī)械裝置發(fā)生機(jī)械不平衡故障的情況，如圖4所示.

圖4 添加配重塊模擬不平衡故障示意圖

設(shè)置旋轉(zhuǎn)機(jī)械裝置轉(zhuǎn)速為1 492 r/min，單組記錄時(shí)間為60 s，共記錄10組，可得到Y(jié)處不平衡故障時(shí)的特征值(見表2).

由表2可知，從正常運(yùn)行到不平衡故障情況下，振動(dòng)烈度的變化比較明顯，正常運(yùn)行時(shí)其值在[0.6，0.8]mm/s內(nèi)；不平衡故障時(shí)其值在[6，8]mm/s內(nèi)，出現(xiàn)了2個(gè)較明顯的離群點(diǎn)，可能的原因是采集了從靜態(tài)到不平衡狀態(tài)以及從不平衡狀態(tài)回歸靜態(tài)發(fā)生改變的瞬態(tài)值；振動(dòng)烈度在2種情況下的方差都較小，說明振動(dòng)烈度比較穩(wěn)定，離散程度小，同時(shí)在不平衡狀態(tài)下的曲線更加平滑，此時(shí)決定振動(dòng)烈度的主要因素就是不平衡故障引起的離心力作用，噪聲的干擾更加細(xì)微，符合實(shí)際情況.加速度高頻有效值在正常運(yùn)行和不平衡故障情況下的變化不明顯，正常運(yùn)行時(shí)其值在[100，250]mm/s2內(nèi)，不平衡故障時(shí)其值在[150，275]mm/s2內(nèi)，方差較大，數(shù)據(jù)比較離散，不平衡故障與正常運(yùn)行情況下有許多重疊的區(qū)域，說明這個(gè)變量對(duì)不平衡故障的敏感性較低.速度有效值在正常運(yùn)行和不平衡故障情況下的變化明顯，正常運(yùn)行時(shí)其值在[0.6，0.8]mm/s內(nèi)，不平衡故障時(shí)其值在[6，8]mm/s內(nèi)，方差較小，數(shù)據(jù)比較集中，不平衡故障情況下出現(xiàn)了一個(gè)離群點(diǎn).速度包絡(luò)有效值在正常運(yùn)行和不平衡故障情況下的變化不明顯，正常運(yùn)行時(shí)其值在[1，5]mm/s內(nèi)，不平衡故障時(shí)其值在[2.5，7]mm/s內(nèi)，方差較小，數(shù)據(jù)比較集中，但是2種情況下速度包絡(luò)有效值出現(xiàn)了大量重合，對(duì)不平衡故障的敏感性較低.加速度峰值在正常運(yùn)行和不平衡故障情況下的變化明顯，正常運(yùn)行時(shí)其值在[250，800]mm/s2內(nèi)，不平衡故障時(shí)其值在[600，1 200]mm/s2內(nèi)，方差較大，數(shù)據(jù)比較離散，波動(dòng)比較劇烈.加速度高頻峰值在正常運(yùn)行和不平衡故障情況下的變化不明顯，正常運(yùn)行時(shí)其值在[500，1 200]mm/s2內(nèi)，不平衡故障時(shí)其值在[800，1 400]mm/s2內(nèi)，方差較大，數(shù)據(jù)比較離散，波動(dòng)比較劇烈，不平衡故障和正常運(yùn)行情況下有許多重疊的區(qū)域，說明這個(gè)變量對(duì)于不平衡故障的敏感性較低.

表2 不平衡故障時(shí)的特征值

由表2還可知，峰值因子在正常運(yùn)行和不平衡故障情況下的變化不明顯，正常運(yùn)行時(shí)其值在[3.5，5.5]內(nèi)，不平衡故障時(shí)其值在[3.2，5.5]內(nèi)，2種情況下基本沒有變化，對(duì)不平衡故障的敏感性較低.高頻峰值因子在正常運(yùn)行和不平衡故障情況下的變化明顯，正常運(yùn)行時(shí)其值在[3.5，6.5]內(nèi)，不平衡故障時(shí)其值在[4，7]內(nèi)，2種情況下基本沒有變化，對(duì)不平衡故障的敏感性較低.峭度在正常運(yùn)行和不平衡故障情況下的變化不明顯，正常運(yùn)行時(shí)其值在[0，0.5]內(nèi)，不平衡故障時(shí)其值在[-0.5，0.5]內(nèi)，出現(xiàn)了大量重合的區(qū)域，對(duì)不平衡故障的敏感性低.偏斜度在正常運(yùn)行和不平衡故障情況下的變化明顯，正常運(yùn)行時(shí)其值在[-0.1，0.1]內(nèi)，不平衡故障時(shí)其值在[0.05，0.35]內(nèi).加速度有效值在正常運(yùn)行和不平衡故障情況下的變化明顯，正常運(yùn)行時(shí)其值在[55，170]mm/s2內(nèi)，不平衡故障時(shí)其值在[180，220]mm/s2內(nèi).加速度包絡(luò)有效值在正常運(yùn)行和不平衡故障情況下的變化不明顯，正常運(yùn)行時(shí)其值在[45，140]mm/s2內(nèi)，不平衡故障時(shí)其值在[85，160]mm/s2內(nèi).

2.1.3 軸承故障

滾動(dòng)軸承是機(jī)器中最精密的部件,其公差是其余部件的十分之一.由于各種原因，只有10%～20%的軸承能達(dá)到其設(shè)計(jì)壽命.

設(shè)置旋轉(zhuǎn)機(jī)械裝置轉(zhuǎn)速為1 492 r/min，單組記錄時(shí)間為60 s，共記錄10組，傳感器安裝在故障軸側(cè).軸承故障如圖5所示.軸承故障時(shí)的特征值如表3所示.

圖5 軸承故障示意圖

由表3可知，從正常運(yùn)行到軸承故障情況下，振動(dòng)烈度的變化并不明顯，正常運(yùn)行時(shí)其值在[0.6，0.8]mm/s內(nèi)，軸承故障時(shí)其值大部分在[0.6，1]mm/s內(nèi)，少部分在[1.4，1.6]mm/s內(nèi)，從時(shí)域幅值圖來看，軸承故障時(shí)振動(dòng)烈度的波動(dòng)更加厲害.加速度高頻有效值在正常運(yùn)行和軸承故障情況下的變化比較明顯，正常運(yùn)行時(shí)其值在[100，250]mm/s2內(nèi)，軸承故障時(shí)其值在[200，380]mm/s2內(nèi).速度有效值在正常運(yùn)行和軸承故障情況下的變化明顯，正常運(yùn)行時(shí)其值在[0.6，0.8]mm/s內(nèi)，軸承故障時(shí)其值大部分在[0.6，1]mm/s內(nèi)，少部分在[1.2，1.6]mm/s內(nèi)，從時(shí)域幅值圖來看，軸承故障時(shí)速度有效值的波動(dòng)更加厲害.速度包絡(luò)有效值在正常運(yùn)行和軸承故障情況下的變化不明顯，正常運(yùn)行時(shí)其值在[1，5]mm/s內(nèi)，軸承故障時(shí)其值在[2，5]mm/s內(nèi)，方差較小，數(shù)據(jù)比較集中，但是2種情況下速度包絡(luò)有效值有大量重合，對(duì)軸承故障的敏感性較低.加速度峰值在正常運(yùn)行和軸承故障情況下的變化不明顯，其值均在[250，800]mm/s2內(nèi)，軸承故障和正常運(yùn)行情況下有許多重疊的區(qū)域，說明這個(gè)變量對(duì)于軸承故障的敏感性較低.加速度高頻峰值在正常運(yùn)行和軸承故障情況下的變化比較明顯，正常運(yùn)行時(shí)其值在[500，1 200]mm/s2內(nèi)，軸承故障時(shí)其值在[1 500，3 000]mm/s2內(nèi)，方差較大，數(shù)據(jù)比較離散，波動(dòng)比較劇烈.

由表3還可知，峰值因子在正常運(yùn)行和軸承故障情況下的變化明顯，正常運(yùn)行時(shí)其值在[3.5，5.5]內(nèi)，軸承故障時(shí)其值大部分在[4，6]內(nèi)，少部分在[7，10]內(nèi)，雖然軸承故障和正常運(yùn)行情況下的峰值因子值域區(qū)間大量重合，但是在軸承故障情況下峰值因子波動(dòng)更加劇烈，最大值也比正常運(yùn)行情況下大很多，能夠明顯進(jìn)行區(qū)分.高頻峰值因子在正常運(yùn)行和軸承故障情況下的變化明顯，正常運(yùn)行時(shí)其值在[4，6]內(nèi)，軸承故障時(shí)其值在[6，10]內(nèi).峭度在正常運(yùn)行和軸承故障情況下的變化比較明顯，正常運(yùn)行時(shí)其值在[0，0.5]內(nèi)，軸承故障時(shí)其值大部分在[0，2]內(nèi)，少部分在[6，12]內(nèi)，峭度的絕對(duì)值變大，說明軸承故障比較嚴(yán)重.偏斜度在正常運(yùn)行和軸承故障情況下的變化明顯，正常運(yùn)行時(shí)其值在[-0.1，0.1]內(nèi)，軸承故障時(shí)其值在[-0.5，0]內(nèi).加速度有效值在正常運(yùn)行和軸承故障情況下的變化不明顯，正常運(yùn)行時(shí)其值在[55，170]mm/s2內(nèi)，軸承故障時(shí)其值在[60，120]mm/s2內(nèi).加速度包絡(luò)有效值在正常運(yùn)行和軸承故障情況下的變化明顯，正常運(yùn)行時(shí)其值在[45，140]mm/s2內(nèi)，軸承故障時(shí)其值在[150，300]mm/s2內(nèi).

2.1.4 不對(duì)中故障

不對(duì)中故障包括軸系不對(duì)中和軸承不對(duì)中2種情況，本文的不對(duì)中故障屬于軸系不對(duì)中中的角度不對(duì)中.由于不對(duì)中試驗(yàn)對(duì)聯(lián)軸器的角度以及內(nèi)部彈簧的松緊度影響很大，對(duì)整體試驗(yàn)造成的破壞太大，此處只記錄了一組數(shù)據(jù)便于觀察.通過按壓聯(lián)軸器來模擬旋轉(zhuǎn)機(jī)械裝置的不對(duì)中情況，如圖6所示.

圖6 不對(duì)中故障示意圖

設(shè)置旋轉(zhuǎn)機(jī)械裝置轉(zhuǎn)速為1 492 r/min，記錄時(shí)間為60 s，在旋轉(zhuǎn)機(jī)械裝置正常運(yùn)行過程中通過按壓使聯(lián)軸器發(fā)生角度不對(duì)中故障，得到不對(duì)中故障時(shí)的特征值，如表4所示.

綜合特征值的閾值區(qū)間，可得到不平衡故障、軸承故障及不對(duì)中故障時(shí)特征值的敏感等級(jí)表，如表5所示，其中A代表對(duì)該故障非常敏感，B代表對(duì)該故障敏感，C代表對(duì)該故障敏感度一般，D代表對(duì)該故障不敏感.

表4 不對(duì)中故障時(shí)的特征值

表5 特征值敏感等級(jí)表

2.2 故障診斷模型建立

設(shè)敏感等級(jí)A的特征值具有Xi的權(quán)重，敏感等級(jí)B的特征值具有Yi的權(quán)重，敏感等級(jí)C的特征值具有Zi的權(quán)重，敏感等級(jí)D的特征值具有0的權(quán)重.則總的權(quán)重Miall可表示為

Miall=MiA×Xi+MiB×Yi+MiC×Zi

(4)

式中：i=1,2,3；Miall為不平衡故障、軸承故障和不對(duì)中故障對(duì)應(yīng)的總權(quán)重；MiA為敏感等級(jí)表中不平衡故障、軸承故障和不對(duì)中故障中敏感等級(jí)A的特征值個(gè)數(shù)；MiB為不平衡故障、軸承故障和不對(duì)中故障中敏感等級(jí)B的特征值個(gè)數(shù)；MiC為不平衡故障、軸承故障和不對(duì)中故障中敏感等級(jí)C的特征值個(gè)數(shù).

當(dāng)前時(shí)刻權(quán)重為Minow可表示為

Minow=MiAn×Xi+MiBn×Yi+MiCn×Zi

(5)

式中：MiAn為當(dāng)前時(shí)刻不平衡故障敏感等級(jí)A的特征值個(gè)數(shù)(當(dāng)且僅當(dāng)特征值數(shù)值在該特征值上下閾值區(qū)間內(nèi)計(jì)數(shù))，依次類推.

當(dāng)前時(shí)刻權(quán)重與總權(quán)重的比值可表示為

(6)

可知0<ηi≤1，當(dāng)ηi≥0.95時(shí)，可認(rèn)為發(fā)生了該類型的故障.

3 故障診斷模型應(yīng)用

3.1 不平衡故障診斷

設(shè)置旋轉(zhuǎn)機(jī)械裝置轉(zhuǎn)速為1 492 r/min，在風(fēng)扇葉片上安裝磁性配重塊，傳感器安裝在好的軸承X、Y、Z處，開始驗(yàn)證故障診斷模型，試驗(yàn)次數(shù)設(shè)置為10.結(jié)果表明，故障診斷模型進(jìn)行了不平衡故障的判斷，此時(shí)ηi=100%.

3.2 軸承故障診斷

設(shè)置旋轉(zhuǎn)機(jī)械裝置轉(zhuǎn)速為1 492 r/min，傳感器安裝在故障軸承的X、Y、Z處，開始驗(yàn)證故障診斷模型，試驗(yàn)次數(shù)設(shè)置為10.結(jié)果表明，故障診斷模型進(jìn)行了軸承故障的判斷，此時(shí)ηi=100%.

3.3 不對(duì)中故障診斷

設(shè)置旋轉(zhuǎn)機(jī)械裝置轉(zhuǎn)速為1 492 r/min，按壓聯(lián)軸器，傳感器安裝在好的軸承X、Y、Z處，開始驗(yàn)證故障診斷模型，試驗(yàn)次數(shù)設(shè)置為10.結(jié)果表明，故障診斷模型進(jìn)行了不對(duì)中故障的判斷，此時(shí)ηi=100%.

4 結(jié) 論

(1)在12個(gè)特征值中，振動(dòng)烈度、加速度有效值、速度有效值、速度包絡(luò)有效值、加速度峰值和偏斜度對(duì)不平衡故障敏感；振動(dòng)烈度、加速度包絡(luò)有效值、加速度高頻有效值、速度有效值、加速度高頻峰值、加速度峰值、峭度和偏斜度對(duì)軸承故障敏感；振動(dòng)烈度、速度有效值、峭度和偏斜度對(duì)不對(duì)中故障敏感.

(2)所建立的旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)故障實(shí)時(shí)在線診斷方法，對(duì)風(fēng)機(jī)和水泵等旋轉(zhuǎn)機(jī)械的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和振動(dòng)智能遠(yuǎn)程診斷具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值.在工程應(yīng)用中，由于不同旋轉(zhuǎn)機(jī)械的結(jié)構(gòu)、傳動(dòng)方式和環(huán)境因素等不盡相同，還需要不斷擴(kuò)充振動(dòng)特征值數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)故障診斷模型的精度和適應(yīng)度等進(jìn)行更深入的研究.

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