某空壓機共振故障的診斷與處理

張明悅，朱群偉，路 瑤

(1.92601部隊，廣東 湛江 524009；2.海軍裝備部廣州局駐湛江地區軍事代表室，廣東 湛江 524005)

在對船用設備進行振動監測與故障診斷時，有時需要判斷設備是否處于共振狀態。此時，需要測量系統的固有頻率。測量固有頻率有多種方法，例如啟停機分析、敲擊法、掃頻法、隨機激勵法等。敲擊法簡單方便，在測量船用設備固有頻率時應用較多。一般采用力錘敲擊，同時測量力信號和振動響應，計算系統的頻響函數，根據頻響函數的幅值譜和相位譜綜合分析，估計系統的固有頻率(幅值譜的峰值點和相位譜的突變點，滿足2個條件才是系統的固有頻率)。實際工作中，如果不需要估計系統的多個模態，僅僅是驗證是否存在某個固有頻率與主要激勵頻率一致，為了測試便捷，也可以不測量力信號，只測量敲擊后系統的自由振動。因為噪聲的影響，敲擊響應峰值點中有許多虛假的固有頻率。因此，減少噪聲、提高信噪比很重要。

如果前噪聲或者干擾難以在測量時排除，就需要在后續的信號處理時設法排除，否則可能得到錯誤的結論。分析強噪聲條件下的沖擊響應信號，需要采取多個步驟處理。第一步，根據單位時間內振動響應的峰值數量估算固有頻率。如果多個頻率成分突出，就需要進行第二步，截取一段時間信號進行頻譜分析。首先分析敲擊響應較為明顯、信噪比較高時段的信號，得到敲擊響應的頻譜；再分析預觸發時段的信號，得到噪聲的頻譜，從敲擊響應的頻譜中剔除噪聲頻譜中的主要頻率成分。但是這種靠肉眼判斷選擇信號分析時段的方法，也只能大致估計固有頻率。如果想得到更好的分辨率，則需進行第三步：根據分析的需要和第二步粗略分析的結果進行帶通濾波，只保留關注的頻段的信號，可以以粗略估計的固有頻率為中心頻率，設定帶寬合理的濾波器，濾除其它頻率成分。也可以根據噪聲情況，采用小波降噪方法降低噪聲。

文獻[1-2]通過分析計算和沖擊驗證等方法，判斷空壓機機組的故障原因為基礎共振，更換了減振器后降低機組振動。文獻[3-7]在傳統去噪方法的基礎上提出了基于自適應形態學濾波等多方法聯合降噪的新方式，為軸承故障診斷技術提供了一種有效途徑。文獻[8]總結出小波去噪參數選取的規律，并針對碰摩故障信號的消噪處理，研究得到最佳的小波參數組合。在對船用設備進行振動監測時，噪聲不可避免。在早期的診斷實踐中多采用頻譜分析的方法，以現有數據和經驗判斷故障。而對于強噪聲背景下的信號，上述方法難以解決問題，采用帶通濾波和小波降噪等方法進行精確分析十分重要。因此本文將采用頻譜分析、帶通濾波和小波降噪的方法處理沖擊響應信號，確定空壓機固有頻率，從而判斷其故障。

1 空壓機振動測量和故障分析

該空壓機額定轉速1 470 r/min。采用振動頻譜分析儀VIBXPERT II測量振動。空壓機各測點通頻振動烈度(10～1 000 Hz頻帶內的振動速度均方根值)如表1所示。可以看出，橫向振動烈度值過大，為垂向的2倍左右。圖1為空壓機缸蓋的橫向振動速度信號，振動幅值穩定，頻譜中1倍轉頻成分突出。導致該振動問題的可能原因有共振、橫向剛度不足或者轉子不平衡。

表1 空壓機通頻振動烈度 mm/s

圖1 空壓機缸蓋橫向振動速度信號

2 固有頻率測量和分析

為了檢驗是否是共振故障，采用敲擊法測量系統固有頻率。只測量敲擊響應，不測量力信號。設定預觸發測量。測量參數為振動速度，濾波頻率范圍為2～1 000 Hz，采樣率Fs=2 048 Hz，測量時間共為5 s，預觸發時間1 s。圖2是在海上拋錨時測量的空壓機敲擊響應信號。傳感器布置在空壓機右側機腳，敲擊點在左側機體。

圖2 空壓機的敲擊響應信號

2.1 頻譜分析

對不同時間段的信號采用傅里葉變換并進行比較，可以簡單估計系統的橫向固有頻率。圖2中1.0～2.0 s內為衰減信號，0～1.0 s內為噪聲信號，在Matlab中將衰減信號和噪聲信號進行傅里葉變換分別得到空壓機的信號頻譜圖，如圖3所示。

圖3 空壓機的信號頻譜圖

可以看出，衰減信號中較突出頻率成分是2 Hz和20 Hz，噪聲信號的主要頻率成分為2 Hz。通過比較兩頻譜中的主要頻率成分，可以簡單確定系統橫向一階固有頻率約為20 Hz。在23 Hz附近還存在峰值點，可能是二階固有頻率。由于分析時間較短，頻率分辨能力較差。

2.2 帶通濾波

在粗略預估固有頻率的基礎上，設計帶通濾波器對原始信號進行濾波處理。選用窗函數濾波器，以20 Hz為中心頻率，設置截止頻率為10～30 Hz，階數為300。圖4為經過帶通濾波處理后的信號。可以看出：采用帶通濾波器不能完全去除噪聲信號，頻譜中最突出的頻率成分為20.8 Hz，除此之外，比較突出的還有23.4 Hz。

圖4 經過帶通濾波處理后的信號

2.3 小波降噪

由于原始信號中含有低頻和高頻的噪聲信號，可以采取小波降噪的方法進行處理。小波變換具有良好的時頻局部化特性，可以保護有用的信號尖峰和突變信號，因此適合于瞬態和沖擊信號中的噪聲去除。

小波降噪的步驟可分為以下3步：① 選用db8小波，對含噪信號進行7層小波分解；② 觀察并選取小波，得到各層的小波重構信號，如圖5所示；③ 采用函數ddencmp生成信號的默認閾值，并采用函數wdencmp進行閾值去噪處理，得到去噪信號。

圖5(f)與圖4(a)較為相近，體現了多層小波分解和帶通濾波器的原理一致。

圖6為經小波降噪后的信號頻譜圖，與圖4相比較可以看出：① 經過小波降噪處理后，噪聲信號幾乎被去除；② 頻譜中23.4 Hz頻率同樣比較突出。

根據上述3種方法的分析可以得出，該系統的橫向一階固有頻率約為20.0 Hz，二階固有頻率約為23.4 Hz。二階固有頻率與轉頻24.5 Hz很接近，導致共振故障。

圖5 各層小波的重構信號

圖6 經小波降噪處理后的信號頻譜圖

3 處理措施

根據振動故障的測量和分析結果，建議更換空壓機隔振器，以改變系統的橫向固有頻率。更換后，在碼頭系泊時再次測量系統的固有頻率。圖7(a)是更換隔振器后空壓機的敲擊響應，衰減信號較為明顯，信噪比較高。圖7(b)為t=1～2 s時敲擊響應信號頻譜，可以看出頻譜中突出成分非常單一，從而確定一階橫向固有頻率約為34.0 Hz。圖8為在空壓機運轉時缸蓋的橫向振動速度信號，振動烈度值為30.6 mm/s，比更換隔振器前減少54.6%。

圖7 更換隔振器后空壓機的敲擊信號

圖8 在空壓機運轉時缸蓋橫向振動速度信號

4 結束語

本文針對某空壓機橫向振動烈度過大的問題，在對含噪信號進行去噪處理的基礎上確定了系統的一階和二階固有頻率，從而判斷出共振故障，并采用更換隔振器的方法降低了設備振動。另外，還可以得出如下結論：①系統的每一階固有頻率都應當得到重視，這對共振狀態的判斷有重要影響。②對含噪信號進行簡單分時段頻譜分析時，若分析時間較短，頻率分辨能力較差，突出頻率將不夠精確。③帶通濾波與小波降噪均可實現降噪目的，雖降噪效果不一，雖并不影響對主要突出頻率的判斷。④監測振動時，應盡量在低噪條件下測量信號，爭取從源頭降噪，以便于后續的振動分析。