基于噪聲信號(hào)分析的軸流風(fēng)機(jī)故障診斷

周卓異 徐洪海 裘科名 張環(huán) 陳俊池

摘要：噪聲是風(fēng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程產(chǎn)生的一種信號(hào)，包含了風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)振動(dòng)的信息特征，據(jù)此提出通過(guò)分析風(fēng)機(jī)噪聲信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)不停機(jī)故障診斷的方法。結(jié)合風(fēng)機(jī)噪聲信號(hào)模型，對(duì)軸流風(fēng)機(jī)軸系不對(duì)中、轉(zhuǎn)子不平衡、基座松動(dòng)、葉片損壞4種典型故障的Fourier 頻譜特征做出了理論分析預(yù)測(cè)。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)試驗(yàn)，采集了電機(jī)的轉(zhuǎn)速信號(hào)與風(fēng)機(jī)的噪聲信號(hào)，分析了風(fēng)機(jī)噪聲的時(shí)域波形，初步診斷該風(fēng)機(jī)存在故障。再分析了軸流風(fēng)機(jī)噪聲信號(hào)的Fourier 頻譜，提取出相關(guān)故障特征頻率，發(fā)現(xiàn)頻譜中n 倍高次諧波比較明顯，并且其中2n 倍高次諧波占主導(dǎo)地位，因此判斷該風(fēng)機(jī)故障種類為軸系不對(duì)中。經(jīng)過(guò)重新校正與檢修，該風(fēng)機(jī)恢復(fù)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。試驗(yàn)及分析結(jié)果成功驗(yàn)證了基于噪聲信號(hào)診斷軸流風(fēng)機(jī)故障理論方法的可行性，對(duì)于工業(yè)領(lǐng)域通過(guò)噪聲信號(hào)來(lái)診斷風(fēng)機(jī)故障具有一定的指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：風(fēng)機(jī);噪聲信號(hào);故障診斷;頻譜分析

中圖分類號(hào)：TD441.2文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1009-9492（2021）11-0286-04

Axial Flow Fan Fault Diagnosis Based on Noise Signal Analysis

Zhou Zhuoyi，Xu Honghai，QiuKeming，Zhang Jing，Chen Junchi

（ Shaoxing Shangyu Institute of Quality Inspection and Metrology Testing，Shaoxing，Zhejiang 312300，China ）

Abstract：Noise is generated during the fan running，which contains the characteristics of the structural vibration of the fan.Therefore，a method was proposed to detect the fault of the fan without stopping the machine by analyzing its noise signal.According to the noise signal model of the fan fault，the Fourier spectrum characteristics of the axial fan four typical faults，shafting misalignment，rotor imbalance，base loose，and blade damage，were theoretically analyzed and predicted.Through the field test，the speed signal of the motor and the noise signal of the fan were collected，and the time-domain waveform of the noise signal was analyzed，diagnosing the fan existed a fault preliminarily.The Fourier spectrum of the noise signal of the axial flow fan was analyzed then，and the fault characteristic frequency was extracted，observing that the n-times high -order harmonics in the spectrum were obvious and the 2n-times high-order harmonics were dominant.Therefore，the type of the fan fault was diagnosed to be shaft misalignment.After recalibration and overhaul，the fan returned to normal operation.The result of the experiment and analysis successfully verifies the feasibility of the theoretical method of diagnosing axial fan faults through acoustic analysis way，which is helpful to diagnose the fan faults via noise signal analysis in the industrial field.

Key words：fan;noise signal;fault diagnosis;spectrum analysis

0 引言

風(fēng)機(jī)是一種通過(guò)機(jī)械能將氣體壓縮并輸送的機(jī)械設(shè)備，廣泛應(yīng)用于礦井、隧道、船舶、工業(yè)窯爐、空調(diào)、建筑物以及核電站等重要場(chǎng)所[1]。隨著我國(guó)工業(yè)的飛速發(fā)展，風(fēng)機(jī)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域的使用以及需求量日益增多，國(guó)內(nèi)風(fēng)機(jī)制造廠商也逐年加大了風(fēng)機(jī)產(chǎn)量，為地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出了一定的貢獻(xiàn)。風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，一般用途的軸流風(fēng)機(jī)的電動(dòng)機(jī)與葉片通過(guò)聯(lián)軸器相連來(lái)傳遞轉(zhuǎn)矩和動(dòng)力。因此風(fēng)機(jī)的故障種類也相對(duì)簡(jiǎn)單，主要有軸系不對(duì)中、轉(zhuǎn)子不平衡、基座松動(dòng)、葉片損壞4種故障。據(jù)統(tǒng)計(jì)，軸系不對(duì)中、轉(zhuǎn)子不平衡占風(fēng)機(jī)故障的60%以上[2]。風(fēng)機(jī)在工作中一般處于長(zhǎng)期運(yùn)行的狀態(tài)，若發(fā)生不對(duì)中故障，那么在旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中，將會(huì)產(chǎn)生聯(lián)軸器變形、軸承磨損、軸彎曲等惡劣現(xiàn)象，進(jìn)而造成風(fēng)機(jī)的損壞，引發(fā)設(shè)備停工等一系列生產(chǎn)事故;若發(fā)生基座松動(dòng)故障，在運(yùn)行過(guò)程中可能出現(xiàn)風(fēng)機(jī)劇烈振動(dòng)，發(fā)出巨大噪聲或風(fēng)機(jī)脫落等嚴(yán)重事故;若發(fā)生葉片損壞故障，則可能風(fēng)量不達(dá)標(biāo)，無(wú)法發(fā)揮風(fēng)機(jī)應(yīng)有的功效，影響工業(yè)生產(chǎn)的效率甚至存在一定的安全隱患。因此，風(fēng)機(jī)若出現(xiàn)故障，將嚴(yán)重影響工業(yè)運(yùn)行以及居民日常生活。由于大多數(shù)風(fēng)機(jī)工作在隧道、礦井等較為惡劣的環(huán)境中，不便于技術(shù)人員通過(guò)觀察及經(jīng)驗(yàn)來(lái)判斷故障種類，因此研究通過(guò)信號(hào)分析來(lái)診斷風(fēng)機(jī)故障的技術(shù)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

目前，國(guó)內(nèi)外已有學(xué)者開(kāi)展了基于信號(hào)分析的風(fēng)機(jī)故障診斷研究。冷軍發(fā)等[3]通過(guò)FFT 頻譜分析礦井通風(fēng)機(jī)的振動(dòng)信號(hào)，診斷出其軸系不對(duì)中的故障。胡漢輝等[4]將風(fēng)機(jī)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行小波變換，提取得到對(duì)應(yīng)特征向量，通過(guò)模糊識(shí)別方法診斷出風(fēng)機(jī)早期微弱故障。王衛(wèi)東[5]采取了對(duì)振動(dòng)信號(hào)時(shí)域頻域結(jié)合分析的方法，探查了高爐鼓風(fēng)機(jī)故障類型、部位以及原因。Lauro等[6]通過(guò)監(jiān)測(cè)辦公樓的風(fēng)機(jī)耗電量信息，與無(wú)故障風(fēng)機(jī)進(jìn)行比較，基于模糊集和模糊邏輯算法開(kāi)展了對(duì)風(fēng)機(jī)的故障診斷分析。喬志剛[7]在礦用風(fēng)機(jī)診斷技術(shù)中引入支持向量機(jī)算法，建立不同種類風(fēng)機(jī)故障模型庫(kù)，得到較高的故障診斷正確率。Del Val等[8]在半消聲室中使用MEMS （微機(jī)電系統(tǒng)）麥克風(fēng)陣列搜集風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)信息進(jìn)行初步試驗(yàn)，將聲學(xué)圖像幾何參數(shù)應(yīng)用于支持向量機(jī)算法進(jìn)行分類，以識(shí)別風(fēng)機(jī)葉片故障。Ranade 等[9]提出了基于多項(xiàng)式回歸的簡(jiǎn)化故障診斷模型，利用系統(tǒng)生成殘差對(duì)暖通空調(diào)風(fēng)機(jī)故障進(jìn)行精確診斷。

迄今為止，國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)風(fēng)機(jī)信號(hào)分析以診斷其故障的研究中，絕大多數(shù)均采集風(fēng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的振動(dòng)信號(hào)加以分析。但是在實(shí)際工作過(guò)程中，風(fēng)機(jī)的安裝位置可能處在人工難以操作的地方，且同時(shí)采集X、Y、Z 三個(gè)方向的振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)也存在一定的困難，因此在工業(yè)生產(chǎn)中以振動(dòng)信號(hào)分析診斷風(fēng)機(jī)故障的方法有著一定的局限性?？紤]到風(fēng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中會(huì)輻射聲音信號(hào)，通常被認(rèn)為是噪聲，而噪聲信號(hào)的采集非常方便快捷，不受風(fēng)機(jī)安裝位置的限制，因此在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)利用噪聲信號(hào)來(lái)對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷可行性較高。筆者在之前的研究中，通過(guò)分析行星齒輪箱的噪聲信號(hào)，成功診斷出了其齒輪的故障，驗(yàn)證了通過(guò)聲音信號(hào)來(lái)診斷旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障的可行性[10]。本文將研究基于風(fēng)機(jī)噪聲信號(hào)分析的故障診斷技術(shù)，對(duì)工業(yè)工程中監(jiān)測(cè)風(fēng)機(jī)狀態(tài)與指導(dǎo)技術(shù)人員診斷風(fēng)機(jī)故障具有很強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。

1 風(fēng)機(jī)典型故障特征噪聲信號(hào)分析

根據(jù)聲源種類的劃分，風(fēng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中輻射的噪聲屬于結(jié)構(gòu)噪聲[11]。風(fēng)機(jī)噪聲來(lái)源于風(fēng)機(jī)整體的結(jié)構(gòu)振動(dòng)，即風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)葉片、軸系、基座等部件的振動(dòng)將產(chǎn)生聲音信號(hào)。因此噪聲信號(hào)中包含了風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)振動(dòng)的信息。根據(jù)振動(dòng)理論，振動(dòng)信號(hào)可以表示為一組包含調(diào)幅-調(diào)頻項(xiàng)的余弦函數(shù)，則可以將噪聲信號(hào)模型表示為[12]：

式中：p （t ）為風(fēng)機(jī)噪聲信號(hào)模型;fr為風(fēng)機(jī)故障特征頻率，Hz;ak （t ）、bk （t ）分別為噪聲信號(hào)模型的調(diào)幅項(xiàng)、調(diào)頻項(xiàng);Akn、Bkl分別為噪聲信號(hào)模型的調(diào)幅、調(diào)頻系數(shù);c 為無(wú)量綱常數(shù);小kn、φkl、θk 為初始相位，rad。

根據(jù)風(fēng)機(jī)噪聲信號(hào)模型，可以推測(cè)出不同種類的故障對(duì)應(yīng)不同種類的故障特征頻率，在頻譜中占主導(dǎo)地位的譜線也不同，因此可以將采集的噪聲信號(hào)進(jìn)行 Fourier 變換，提取其Fourier 頻譜中主要的特征譜線或調(diào)制邊頻帶來(lái)判定該風(fēng)機(jī)的故障類型。以下開(kāi)展針對(duì)轉(zhuǎn)子不平衡、軸系不對(duì)中、基座松動(dòng)、葉片損壞4種典型風(fēng)機(jī)故障[13]進(jìn)行相應(yīng)故障特征頻率的介紹以及相應(yīng)頻譜特征分析及推導(dǎo)。

1.1風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子不平衡故障特征分析

在風(fēng)機(jī)制造過(guò)程中，由于制造或裝配誤差等原因，生產(chǎn)的風(fēng)機(jī)原始轉(zhuǎn)子系統(tǒng)可能存在質(zhì)量偏心引發(fā)轉(zhuǎn)子不平衡故障。同時(shí)在風(fēng)機(jī)的運(yùn)行過(guò)程中，由于長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子部件出現(xiàn)磨損、疲勞，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子系統(tǒng)部分部件損壞，從而加劇轉(zhuǎn)子不平衡故障。根據(jù)其機(jī)械結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，軸流風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)由電機(jī)與葉片直接相連，故風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子故障特征頻率應(yīng)與電機(jī)旋轉(zhuǎn)頻率相關(guān)：

式中：n 為電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min。

結(jié)合風(fēng)機(jī)噪聲信號(hào)模型可知，對(duì)于風(fēng)機(jī)噪聲信號(hào)，在其Fourier 頻譜中，存在一系列頻率為fr以及倍頻nfr的譜線，該特征譜線能反映出風(fēng)機(jī)存在轉(zhuǎn)子不平衡故障。

1.2 風(fēng)機(jī)軸系不對(duì)中故障特征分析

軸流風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)軸通過(guò)聯(lián)軸器與電機(jī)主軸相連形成軸系。生產(chǎn)制造以及工作運(yùn)行過(guò)程中同樣存在安裝誤差、磨損變形使軸系連接發(fā)生位移，進(jìn)而導(dǎo)致風(fēng)機(jī)出現(xiàn)軸系不對(duì)中故障。同樣，根據(jù)軸系連接結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，風(fēng)機(jī)軸系不對(duì)中故障特征頻率可以表示為：

可見(jiàn)風(fēng)機(jī)噪聲Fourier 頻譜中，軸系不對(duì)中故障特征主要表現(xiàn)為存在2fr 以及4fr、6fr、8fr、10fr 等一系列高次諧波為主導(dǎo)的譜線，可以通過(guò)檢測(cè)噪聲信號(hào)頻譜中偶數(shù)次頻率分量的存在與否及幅值大小，來(lái)判定風(fēng)機(jī)是否存在軸系不對(duì)中故障。

1.3 風(fēng)機(jī)基座松動(dòng)故障特征分析

風(fēng)機(jī)基座松動(dòng)故障的信號(hào)特征主要表現(xiàn)為非線性，其Fourier 頻譜中，除了分布著fr及其倍頻外，還存在多條分?jǐn)?shù)諧波（0.3～0.5） fr以及亞諧波1.5fr、2.5fr 等譜線，且高倍頻的幅值大于低倍頻的幅值[14]，在分析頻譜時(shí)，重點(diǎn)觀察譜圖中是否存在較為明顯的分?jǐn)?shù)諧波、亞諧波及其高頻分量，是作為診斷風(fēng)機(jī)為基座松動(dòng)的判定依據(jù)。

1.4 風(fēng)機(jī)葉片損壞故障特征分析

風(fēng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，若存在葉片損壞故障，則風(fēng)機(jī)輻射的噪聲信號(hào)中存在調(diào)制現(xiàn)象。其噪聲信號(hào)模型可以表示為：

式中：N為葉片數(shù);Ar、Br分別為葉片故障調(diào)幅、調(diào)頻系數(shù)

根據(jù)風(fēng)機(jī)葉片損壞的噪聲信號(hào)模型，可推測(cè)其 Fourier 頻譜中，主導(dǎo)頻率為Nfr的譜線，該譜線幅值較高，且會(huì)受到葉片損壞故障特征頻率的調(diào)制，表現(xiàn)為在該特征頻率譜線附近存在大量的調(diào)制邊帶（N ±m(xù) ） fr，m =1，2，…，可以據(jù)此判定風(fēng)機(jī)發(fā)生了葉片損壞故障。

2 風(fēng)機(jī)故障診斷試驗(yàn)與結(jié)果分析

某軸流風(fēng)機(jī)送至本中心進(jìn)行常規(guī)氣動(dòng)性能檢測(cè)，參數(shù)如表1所示，風(fēng)機(jī)的安裝與檢測(cè)如圖1所示。

在試驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)其振動(dòng)較大，噪聲較高，于是對(duì)其進(jìn)行噪聲信號(hào)采集分析來(lái)診斷其是否存在故障。該軸流風(fēng)機(jī)噪聲信號(hào)的時(shí)域波形如圖2所示，由圖可知該風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)輻射噪聲壓普遍為0.6 Pa，即89.5 dB，在10 s 內(nèi)最高輻射噪聲壓級(jí)為97.2 dB，初步判定該風(fēng)機(jī)可能發(fā)生故障。再通過(guò)圖3所示的電機(jī)轉(zhuǎn)速曲線可知，電機(jī)保持在轉(zhuǎn)速960 r/min 的狀態(tài)運(yùn)行，可計(jì)算出該風(fēng)機(jī)的故障特征頻率fr=16 Hz。對(duì)風(fēng)機(jī)噪聲信號(hào)進(jìn)行Fourier 變換，得到包含風(fēng)機(jī)故障特征的頻譜圖，如圖4所示。受到環(huán)境噪聲的影響，圖中低頻段部分0～50 Hz 處存在大量無(wú)規(guī)律譜線，但是也能從圖中明顯提取出風(fēng)機(jī)故障特征頻率fr，及其高次諧波2fr、3fr、4fr、5fr、6fr，未發(fā)現(xiàn)其分?jǐn)?shù)諧波與亞諧波等譜線，初步排除基座松動(dòng)故障。同時(shí)，由于檢測(cè)前檢查過(guò)風(fēng)機(jī)葉片，均完好無(wú)損，因此排除葉片損壞故障。再觀察到該頻譜中偶數(shù)次諧波2fr、4fr、6fr 的幅值偏大，占主導(dǎo)地位，因此可以初步判斷該風(fēng)機(jī)存在軸系不對(duì)中故障。

停機(jī)對(duì)該軸流風(fēng)機(jī)進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)通過(guò)聯(lián)軸器相連的風(fēng)機(jī)主軸與電機(jī)主軸并未處于一條水平線上，電機(jī)主軸較低約1mm。在實(shí)際安裝過(guò)程中，考慮到熱脹冷縮，應(yīng)使電機(jī)主軸略高于風(fēng)機(jī)主軸，才能保證風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)兩軸保持水平。經(jīng)過(guò)重新對(duì)中校準(zhǔn)，再次運(yùn)行風(fēng)機(jī)，其振動(dòng)情況與噪聲輻射均恢復(fù)正常。因此，本次診斷試驗(yàn)成功驗(yàn)證該風(fēng)機(jī)存在軸系不對(duì)中故障。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文分析了風(fēng)機(jī)運(yùn)行中輻射的噪聲信號(hào)包含其結(jié)構(gòu)振動(dòng)信息，且聲音信號(hào)采集的便利性優(yōu)于振動(dòng)信號(hào)的特點(diǎn)，提出利用噪聲信號(hào)來(lái)診斷軸流風(fēng)機(jī)的方法，并分析了軸流風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子不平衡、軸系不對(duì)中、基座松動(dòng)、葉片損壞4種典型故障的噪聲Fourier 頻譜特征，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)采集軸流風(fēng)機(jī)的噪聲信號(hào)進(jìn)行時(shí)域、頻域分析，成功診斷出該風(fēng)機(jī)的軸系不對(duì)中故障，驗(yàn)證了基于噪聲信號(hào)分析診斷軸流風(fēng)機(jī)故障理論方法的可行性，對(duì)于工業(yè)領(lǐng)域的各種風(fēng)機(jī)不停機(jī)狀態(tài)下的聲學(xué)故障檢測(cè)具有一定的指導(dǎo)作用。

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