马绍奎  毛靓华/沈阳鼓风机（集团）有限公司  

关键词: 振动  噪声  变速箱  变换方法

中图分类号:TP206⁺.3   文献标识码:A

文章编号:1006-8155(2005)01-0045-03

Abstract: The condition of rotating machinery trouble diagnosis system is briefly introduced. Fan vibration measurement and analysis procedure is introduced by examples.The converting method which is usually used is described. The characteristc for each one is summarized.

Key words:  Vibration Noise Gear box Converting

1  引言

旋转机械是工业上应用最广泛的机械。本世纪以来，随着机械工业的迅速发展，现代机械工程中的机械设备朝着轻型化、大型化、重载化和高度自动化等方向发展。出现了大量的强度、结构、振动、噪声、可靠性以及材料与工艺等问题，设备损坏事件时有发生。鉴于我国的现状，降低老机组故障发生率，延长老机组的使用寿命是非常重要的。目前在国内各类大型风机的运行监测方面，尚有许多机组的监视系统是落后和不完善的。机组的各种故障中，振动是一类对生产和运行产生很大影响的故障。一方面，振动故障的诊断比较复杂，处理时间也比较长；另一方面，振动故障一旦发生并酿成事故，所造成的影响和后果是十分严重的。

随着工业发展对风机性能要求的提高，风机设计和制造技术也不断提高，所出现的振动故障也越来越复杂，目前采用的在线监测装置具有振动专家系统的很少，且很不完善。利用先进的检测、诊断仪器，采用科学有效的技术方法开展现场故障诊断是目前各类机组故障诊断和预测分析的主要方法。

2  引起机组振动的主要原因

    机组的振动与很多因素有关，主要有机械、气流和润滑油等三方面。

2.1  机械方面的振动

2.1.1  转子不平衡引起的振动

由原始制造误差或安装不均匀导致的质量不平衡；转子的弯曲变形、转子部件松动或转子部件的不均匀磨损等。

2.1.2  系统安装误差引起的振动

安装时原动机与工作机的连接不对中；轴瓦偏斜或不同心；在运行中由于原动机和工作机的温升不同造成的热不对中等。

2.1.3  动、静部件间的相碰或摩擦引起的振动

由于安装不良造成运行过程中转子的变形或转动件与静止件发生摩擦。

2.1.4  轴承间隙或轴向不当引起的机组振动

2.1.5  轴系中其他设备故障引起的振动（如带有齿轮箱的机组）

2.1.6  共振引起的机组振动

2.2  工作介质引起的振动

2.2.1  气流激振力造成的机组振动

进入机组的气流压力、流量的变化引起的工作状态的改变。

2.2.2  气流对叶片的冲击和腐蚀造成的机组振动

气流中粉尘浓度不均，使转子受力不稳定；气流对叶片的腐蚀使转子不平衡。这些振动，有些是由随机因素造成的，有些与机组故障有直接关系。

2.3  润滑系统造成的机组振动

供油系统的动态特性引起轴承各种形式的振动，油膜涡动和油膜震荡也可以引起机组振动。

3  现代应用的主要分析方法

研究故障机理及其振动信号分析是现代机械故障诊断技术中采用的最主要的方法之一。目前，在振动信号分析与处理方法中，以快速傅立叶变换（FFT）为基础的调和分析法应用最为普遍，几乎所有的动态分析仪都是以FFT为核心进行信号处理的，FFT分析方法及其派生出的多种有效的振动信号处理方法（如快速卷积、相关、自谱、互谱、倒谱、细化谱及传递分析等）在机械故障诊断技术应用中起到了非常大的作用。然而，这类基于平稳过程的经典信号处理方法，仅从时域或频域给出信号统计的平均结果，无法同时兼顾信号在时域和频域中的全貌和局部。

为实现对非平稳信号的有效表示，解决其时频局部化分析问题，Gabor提出了加窗傅立叶变换（WFT）或短时傅立叶变换（STFT），但由于其时频分辨率固定，缺乏细化能力， 20世纪80年代发展起来一种新的数学方法———小波（wavelet）分析,这是一种包含尺度伸缩和时间平移的双参数函数分析方法，由于小波函数具有时频局部化特性，多尺度性和“数学显微”（“变焦”）特性，使得小波变换能够很好地解体非平稳信号的分析问题，在振动噪声的去除、非平稳振动信号的表示与分析及振动信号多分辨率分析等方面具有较强的优势。

（1）（短时傅立叶变换（STFT）

特点：具有时频局部化的功能，g*(t-τ)在时频中相当于带通滤波器；可分析非平稳信号，对准平稳信号效果则更佳；当选定g(t)后，时域分辨率不变，缺乏细化功能，反映强烈瞬变非平稳信号功能不足。

（2）Wigner时频分布

　　其加窗离散形式为，

特点：信号在时频上的分布，由于窗p(k)的局部化作用以及x(n+k)x^*(n-k)关系，具有对准平稳信号及非平稳信号分析的功能。

（3）小波变换（Wavelet Transform）

特点：可以对非平稳信号进行时频分析，在高频范围时间分辨率高，在低频范围频率分辨率高；信号的分解和重构可有针对性地选择有关频带信息；全频带分析的结果，信息量既无冗余，也无疏漏。

4  测量和分析实例

笔者试通过对带有齿轮箱的风机机组的测量分析过程说明：在实际工作中，采用离线测量方法，将变速箱作为被测对象，对变速箱的振动和噪声信号进行测量，利用相干函数加以分析也是一种有效的方法。

4.1  信号源位置和测试仪器仪表

对大型机组而言，变速箱有变速、传递扭矩等作用，是旋转机械中应用十分广泛的通用部件之一，因其工作特性和在机组中的重要作用极易引发故障。因此变速箱的振动和噪声信号常常可以作为故障诊断的重要信息。

   笔者曾参与对某风机机组齿轮箱的测量和分析。测量过程及仪器设备如图1所示。试验时，采用三向加速度传感器，由三向振动矢量全面反映检测对象的振动状态。传感器安装在变速箱的轴承座处，以便能获得在径向水平、径向垂直和轴向3个方向的振动信号。将精密声级计置于距输出轴轴端1m处，以获得噪声信号。3路振动信号和噪声信号由频谱分析仪记录。

变                电荷放大器

速                                           频谱分析仪

箱                精密声级计

图1  测试仪器连接

4.2  获得的振动和噪声频谱图

   试验测得的变速箱振动、噪声信号经分析仪的FFT程序处理后，得到测试点处3个方向的振动频谱图(图2～图4)和噪声信号的频谱图(图5)。其中，采样频率为2000Hz，采样点数为1024。由于理论上的电机转速与实际值总有差别，以及其它不可避免的测试和计算误差，使得谱图上的特征频率与相应的理论值并不能精确吻合。由噪声谱图可以看到，中频噪声能量较强，其原因需结合变速箱具体结构特点进行分析。

              图2垂直方向振动频谱

                图3  水平方向振动频谱

                图4  轴向振动频谱

                  图5  噪声频谱

4.3  振动系统响应和相干函数分析

建立变速箱的实际振动模型很困难，数学方程也不容易建立起来，因此在工程上一般是分析其频域响应。对于线性系统，各激励的线性叠加的响应等于各激励单独作用的响应叠加。变速箱内轴的旋转、齿轮的啮合等产生的都是周期性振动信号，在谱图上有突出的峰值，随机激励看作是平稳和宽带的，在谱图上接近水平直线，并不影响对特征频率的识别。

两个平稳随机过程X(t)和Y(t)的相干函数为

γ_XY(f)为频率f处对应输入X(t)的输出量的均方值在总输出量均方值中所占的比例，而1-γ_XY(f)则为其它不相关输入所引起的比例。在实际分析中，相干函数是通过计算输入信号和输出信号的互功率谱与自功率谱得到的。在整个测量频带上，相干函数是标准化的，因而消除了传感器和传感通道的增益作用。

在本测试中，对测得的振动和噪声信号进行了谱分析以及相干函数分析，寻找了故障原因，以最强的噪声与振动的相干函数为重点分析对象。

通过计算机程序对垂直振动与噪声之间所做的相干函数表明，振动由频率与中频相近的一对齿轮啮合引起的，而这对啮合齿轮引发振动的原因，可以通过对振动频谱图的分析得到。后来工作人员检验被测试齿轮箱，发现其中Z33齿轮有一齿出现明显损伤。

5  结束语

离线故障分析终究是为在线状态监测和故障诊断分析的发展和完善服务的。研究故障发生机理并将大量的离线测量和分析经验应用到故障诊断系统中去，及时发现早期潜在的故障，以避免重大恶性事故的发生，提高大型机组运行的安全性与可靠性。

参  考  文  献

[1  张正松．旋转机械振动监测及故障诊断［M］．北京：机械工业出版社，1991．

[2] 杨苹，吴捷．复杂系统故障诊断综述［J］．测控技术，1998，17（2）.

[3] 杨苹，冯永新．200 MW汽轮发电机组振动故障的模糊诊断系统［J］．电力系统自动化，2001，25（1）.

[4] 孙和泰．国产引进型300 MW机组轴系振动故障诊断［J］．热能动力工程，2000，15（5）. [5] 李方泽，刘馥香.工程振动测试与分析[J].北京：机械工业出版社，1997