基于全頻譜技術(shù)的油膜誘發(fā)轉(zhuǎn)子失穩(wěn)的故障診斷

曹家瑜，于洪亮，閆 錦，廖建彬

(集美大學(xué)輪機工程學(xué)院，福建 廈門 361021)

0 引言

對軸系故障進行診斷時，傳統(tǒng)的頻譜技術(shù)采用單通道信息進行故障識別與診斷。古成中等[1]利用頻譜技術(shù)對船舶軸系不對中，轉(zhuǎn)子不平衡以及機械共振進行了故障診斷；許小偉等[2]使用頻譜技術(shù)對增程器軸系的1諧次及2諧次進行研究，對軸系不對中進行了故障診斷。但利用頻譜技術(shù)進行故障診斷維度單一，具有局限性。近年來利用空間垂直的兩個傳感器收集軸系振動信號，并將其進行融合，成為新的解決方案。屈梁生等[3]和廖與禾[4]提出全息譜技術(shù)，研究了轉(zhuǎn)子平衡過程中全息譜的表現(xiàn)；馬凌云等[5]以滑動軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)為研究對象，采用ANSYS軟件研究了滑動軸承雙盤轉(zhuǎn)子-滑動軸承系統(tǒng)的有限元模型，表明全矢譜Hilbert解調(diào)信號可以較好地識別油膜失穩(wěn)的故障特征；陳超宇等[6]針對傳統(tǒng)手工提取故障特征的工作量大和人為誤差，提出了全矢深度學(xué)習(xí)智能診斷方法。美國本特利公司提出的全頻譜技術(shù)[7-8]在轉(zhuǎn)子故障診斷中發(fā)揮了重要的作用。上述基于同源信息融合的全信息分析方法在轉(zhuǎn)子診斷領(lǐng)域顯示出明顯優(yōu)勢[9]。

國內(nèi)對全信息分析方法的研究主要基于全息譜技術(shù)與全矢譜技術(shù)，少有學(xué)者對全頻譜技術(shù)進行研究。本文根據(jù)油膜誘發(fā)轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)失穩(wěn)故障的產(chǎn)生機理，建立油膜-轉(zhuǎn)子的動力學(xué)模型，研究油膜誘發(fā)轉(zhuǎn)子失穩(wěn)的全頻譜診斷方法。

1 故障診斷的基本理論

1.1 油膜引起轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)失穩(wěn)故障特征

關(guān)于油膜引起轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)失穩(wěn)這一現(xiàn)象已有許多相關(guān)的研究[10-12]，這些研究為轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)故障診斷奠定了有力的基礎(chǔ)，根據(jù)油膜引起轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)失穩(wěn)故障的基本理論，可以總結(jié)出該故障形式的特征[13-14]：

1)油膜誘發(fā)失穩(wěn)屬于一種自激振動現(xiàn)象，往往表現(xiàn)為亞同步振動現(xiàn)象，當油膜誘發(fā)轉(zhuǎn)子失穩(wěn)發(fā)生時，通常會出現(xiàn)小于0.5X的分倍頻分量。

2)油膜流動時所產(chǎn)生的切向力總是與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動方向一致，因此發(fā)生油膜誘發(fā)失穩(wěn)時，轉(zhuǎn)子進動方向與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向一致。

1.2 轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)故障診斷基本理論

不同的激勵頻率可以對轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)產(chǎn)生不同的影響，部分頻率可以反映出系統(tǒng)的運行狀況，因此，對轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)進行故障診斷時，需要用某種方法確定振動信號的頻譜。實現(xiàn)這一目的最方便的辦法便是利用頻譜圖，利用單個傳感器的信號，通過傅里葉變換獲取時域信號的頻譜信息。

全頻譜將轉(zhuǎn)子的進動分解為各諧波頻率下的進動，是對傳統(tǒng)頻譜的一種改進。而每一諧波頻率下的進動都是一個橢圓，該橢圓又可以分解為一組正反進動的圓；正進動圓的直徑即為該諧波下的正進動幅值，反進動圓的直徑即為該諧波下的反進動幅值；將各個諧波下的幅值都繪入頻譜圖中，即為全頻譜圖，全頻譜數(shù)據(jù)處理流程如圖1、圖2所示。

圖1 全頻譜數(shù)據(jù)處理流程圖

利用全頻譜的特征可對轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)進行診斷：正進動幅值高于反進動幅值時，轉(zhuǎn)子的進動方向與轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向相同；正反進動幅值的差越大，轉(zhuǎn)子的進動軌跡越接近圓，反之則橢圓度越大。

2 油膜誘發(fā)轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)失穩(wěn)故障的診斷方法

2.1 利用頻譜技術(shù)與全頻譜技術(shù)對油膜誘發(fā)失穩(wěn)的故障診斷

以某型轉(zhuǎn)子實驗系統(tǒng)為例，分別利用頻譜技術(shù)和全頻譜技術(shù)對油膜誘發(fā)轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)失穩(wěn)進行診斷。

該轉(zhuǎn)子實驗系統(tǒng)由轉(zhuǎn)速可調(diào)的電機、帶有圓盤的軸系、軸承、一個鍵相傳感器和空間上兩個相互垂直的電渦流傳感器組成。軸承采用油杯滴油潤滑方式。實驗過程為轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在120 s內(nèi)由靜止勻加速到10 000 r/min，鍵相傳感器采集鍵相信號，利用兩個電渦流傳感器分別采集轉(zhuǎn)子垂直方向與水平方向的位移信號，采樣頻率為1 024 Hz。可以觀察到，當轉(zhuǎn)速達到7 000 r/min附近時，轉(zhuǎn)子軌跡變得雜亂，如圖3所示。

2.1.1 利用傳統(tǒng)頻譜診斷油膜誘發(fā)失穩(wěn)

提取7 000 r/min時兩個電渦流傳感器采集到的振動信號，利用FFT對時域信號進行變換，獲得該轉(zhuǎn)速下的頻譜圖，如圖4所示。圖4a、圖4b分別為水平與垂直方向的振動信號的頻譜圖。

提取頻譜圖中的峰值，其分倍頻分量為0.48X，略小于整數(shù)倍0.5X。符合油膜誘發(fā)失穩(wěn)的特征。

截取兩個電渦流傳感器信號以及鍵相信號，繪制7 000 r/min時的轉(zhuǎn)子軸心軌跡圖，如圖5所示。

圖5中，每一個空白/點都是一個鍵相信號，從空白到點的方向即為軸心軌跡進動方向。由圖5可以看出，進動方向與轉(zhuǎn)子方向一致，因此該轉(zhuǎn)子處于正進動狀態(tài)，且軸心軌跡的形狀不斷發(fā)生著變化，符合油膜誘發(fā)轉(zhuǎn)子失穩(wěn)的故障特征，因此可以判斷該轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在轉(zhuǎn)速為7 000 r/min時產(chǎn)生了油膜誘發(fā)的失穩(wěn)現(xiàn)象。

2.1.2 利用全頻譜技術(shù)對診斷油膜誘發(fā)失穩(wěn)故障

利用傳感器采集的振動信息繪制各個速度下的全頻譜圖，將全部全頻譜圖繪制成一張譜陣，即全頻譜級聯(lián)圖，如圖6所示。

圖6中標注的+1X與-1X分別代表轉(zhuǎn)子正進動時的一倍頻振幅與反進動時的一倍頻振幅。從該級聯(lián)圖可以看出，該轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速低于10 000 r/min時，正進動的幅值高于反進動的幅值，因此轉(zhuǎn)子的進動方向與轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向相同。當轉(zhuǎn)速達到7 000 r/min附近時，+1X振幅內(nèi)側(cè)出現(xiàn)了亞同步振動的頻率分量，雖然振幅比該速度下的+1X振幅低，但依然不可被忽視。為了進一步對這一分量振幅的產(chǎn)生原因進行判斷，繪制該速度下的全頻譜圖，如圖7所示。

由圖7可以對該轉(zhuǎn)子實驗臺產(chǎn)生亞同步振動的原因進行診斷。由于正進動的振幅比反進動的振幅要高得多，所以該轉(zhuǎn)子發(fā)生的是以正進動為主導(dǎo)的亞同步進動，且進動軌跡接近正圓；由于亞同步振動的頻率與轉(zhuǎn)子一倍頻的比例并不是整數(shù)比，排除與油膜失穩(wěn)特征接近的摩擦故障，說明該速度下，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)發(fā)生了油膜誘發(fā)的失穩(wěn)故障。

2.2 應(yīng)用全頻譜技術(shù)對某轉(zhuǎn)子系統(tǒng)故障診斷實例

現(xiàn)有一轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，其示意圖如圖8所示，軸承處為油杯滴油潤滑，參數(shù)如表1所示。通過建立其有限元模型，利用有限元法[15]計算出其一階臨界轉(zhuǎn)速為3 600 r/min，二階臨界轉(zhuǎn)速為14 000 r/min。

該系統(tǒng)運行轉(zhuǎn)速達到6 000 r/min時，轉(zhuǎn)子發(fā)生異常振動。為判斷該振動的產(chǎn)生原因，安裝兩個相互垂直的電渦流傳感器以及一個相位傳感器，采樣頻率為1 000 Hz，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在720 s內(nèi)經(jīng)歷勻加速過程、勻速過程以及勻減速過程，利用傳感器記錄其振動信號，轉(zhuǎn)速隨時間變化曲線如圖9所示。

表1 某轉(zhuǎn)子系統(tǒng)參數(shù)

利用電渦流傳感器采集的轉(zhuǎn)子振動信號繪制該系統(tǒng)的全頻譜級聯(lián)圖，如圖10所示。

由圖10可知，在0～9 000 r/min范圍內(nèi)，該轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的1X振動以正進動主導(dǎo)，+1X振動的峰值出現(xiàn)在3 500 r/min附近，該轉(zhuǎn)速為轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的一階臨界轉(zhuǎn)速，與計算結(jié)果吻合。在轉(zhuǎn)速達到6 000 r/min時，可以看到劇烈的亞同步振動，因此繪制出6 000 r/min時的全頻譜圖，如圖11所示。

通過圖11判斷亞同步振動發(fā)生的原因，根據(jù)計算可知，亞同步振動的頻率剛好為1X振動頻率的1/2；且該亞同步振動的正反進動幅值相近，由全頻譜圖的規(guī)律可知，該系統(tǒng)的軸心軌跡高度橢圓化。

當轉(zhuǎn)子在油膜誘發(fā)失穩(wěn)后繼續(xù)進動，大幅振動可能會令軸承中的油膜破損，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子與軸承發(fā)生金屬間的直接接觸，產(chǎn)生摩擦，同時產(chǎn)生頻率為轉(zhuǎn)速整數(shù)比的次同步振動，摩擦力的作用方向與旋轉(zhuǎn)方向相反，會使轉(zhuǎn)子的反進動振幅增大，導(dǎo)致軸心軌跡的橢圓化。由此判斷該轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在轉(zhuǎn)速為6 000 r/min時的振動是由油膜誘發(fā)的轉(zhuǎn)子失穩(wěn)，經(jīng)歷轉(zhuǎn)子渦動，轉(zhuǎn)子振蕩，最終發(fā)生轉(zhuǎn)子與軸承摩擦。

3 結(jié)論

1)全頻譜技術(shù)可以完整描述轉(zhuǎn)子的進動狀態(tài)，克服了傳統(tǒng)頻譜無法描述轉(zhuǎn)子進動信息，不能單獨用于軸系故障診斷的缺點，提高了軸系故障診斷的便捷性。2)全頻譜技術(shù)可以對整個進動平面進行監(jiān)測，克服了傳統(tǒng)頻譜技術(shù)只能監(jiān)測單一選定方向振動的缺點，提高了軸系故障診斷的準確度。3)全頻譜技術(shù)對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進動情況的變化十分敏感，特別適用于診斷軸系不平衡，轉(zhuǎn)子不對中等會產(chǎn)生異常進動的故障，而且全頻譜技術(shù)可以快速正確地提取進動特征，因此具有較好的應(yīng)用潛力。