基于振動信號的電泵滑動軸承故障診斷應(yīng)用研究

許瀚鋒 姜雨華 許愛華

（1.東北石油大學(xué)電氣信息工程學(xué)院；2.大慶油田有限責(zé)任公司第四采油廠規(guī)劃設(shè)計研究所）

隨著工業(yè)化水平的日漸提升，大型旋轉(zhuǎn)機械在生產(chǎn)中的使用愈加廣泛，而旋轉(zhuǎn)機械軸承起著支撐主軸、傳遞力矩的作用，一旦出現(xiàn)故障將造成難以挽回的損失［1～3］。對旋轉(zhuǎn)機械滑動軸承故障診斷通常采用傳感器采集其振動加速度信號，但是單一類型振動加速度信號在故障診斷時難以保證結(jié)果的準(zhǔn)確性［4，5］，因此將單一類型加速度信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的速度信號和位移信號來滿足多類型信號綜合診斷的需求。 對信號轉(zhuǎn)換的方法主要有時域積分法和頻域積分法兩種。 時域積分法將采集到的加速度信號直接一次積分可以得到其速度信號，對加速度信號進(jìn)行兩次積分可以得到相應(yīng)的位移信號，但在進(jìn)行時域積分時存在著趨勢項問題。 程啟清等針對時域積分存在趨勢項問題使用最小二乘法進(jìn)行去趨勢項操作［6］。 顧名坤和呂振華使用高通濾波配合數(shù)值積分方法， 運用高通濾波器將振動信號中的零漂、低頻以及產(chǎn)生的趨勢項問題濾除［7］。 頻域積分是將采集到的時域加速度信號經(jīng)過快速傅里葉變換（FFT）方法轉(zhuǎn)換成頻域信號，在頻域基礎(chǔ)上進(jìn)行一次積分和二次積分得到頻域范圍內(nèi)的速度、位移信號后再進(jìn)行反傅里葉變換將頻域信號轉(zhuǎn)換為時域信號。 相較于時域積分而言，頻域積分沒有趨勢項問題的干擾。 所以，對信號使用頻域積分進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換后所得的速度信號求解振動烈度［8］，評估電泵滑動軸承是否處于異常狀態(tài)；對加速度信號求解頻譜圖；使用位移信號繪制解軸心軌跡；最后綜合所有特征對電泵滑動軸承進(jìn)行故障診斷。

1 基于FFT的頻域積分

采集的振動信號，在時域和頻域的對應(yīng)關(guān)系可以由離散傅里葉變換（DFT）描述，設(shè)加速度信號a（t）的頻譜為X（k），則：

其中，N為傳感器所采集的數(shù)據(jù)量，n、k均為非負(fù)整數(shù)。

a（n）、v（n）、d（n）分別為加速度信號a（t）、速度信號v（t）、位移信號d（t）的離散化表示。 每條譜線，對應(yīng)時域中的一個三角正弦波：

其中，ωk=2πkΔf，Δf=fs/N，Δf 為頻率分辨率，fs為采樣頻率。

在使用頻域積分方法進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時需要考慮到一般傳感器在1 Hz處的測量精度比較低，因而對動態(tài)信號時間歷程進(jìn)行積分會產(chǎn)生零頻項和線性項（第2次積分時），所以將低于1 Hz頻段的部分濾除，具體操作為在進(jìn)行快速傅里葉變換（FFT）后對1 Hz以下部分進(jìn)行置零操作。 算法實現(xiàn)具體流程如圖1所示。

圖1 FFT的頻域積分流程

2 數(shù)據(jù)采集與故障診斷

2.1 數(shù)據(jù)采集

某廠YK1800-2/990型電機連接泵設(shè)備實際轉(zhuǎn)速為2 950 r/min，采樣頻率fs為20 kHz，采樣點數(shù)為10 000，使用垂直安裝在軸瓦上部的BZ1151型三軸壓電加速度傳感器采集電泵滑動軸承振動數(shù)據(jù)，其安裝示意圖如圖2所示，圖中數(shù)字代表傳感器安裝位置，共4個測點。

圖2 傳感器安裝示意圖

2.2 故障診斷

機械的振動烈度定義為機械在多個不同的點，如軸承或者是機械結(jié)構(gòu)的其他部件上，所測得的振動量的最大值。 為了充分覆蓋電泵的頻譜，振動烈度的計算應(yīng)該選擇的頻率范圍是10～1 000 Hz。 在評價機械設(shè)備的振動烈度時，對振動速度信號求解均方根值，計算前需要將信號中10 Hz以下、1 000 Hz以上頻段的數(shù)據(jù)濾除，實現(xiàn)方法與濾除1 Hz以下信號的方法一致。 求解均方根值的方法如下：

式中 T——采樣時間，s；

v（t）——速度信號，m/s；

Vr.m.s——均方根值，m/s。

對已濾除10～1 000 Hz以外頻率的速度時域信號求解均方根值，以振動烈度來判斷設(shè)備是否存在故障。 對4處速度信號的振動烈度求解結(jié)果見表1（表中數(shù)值經(jīng)四舍五入保留1位小數(shù)）。

表1 振動烈度求解結(jié)果 mm/s

從表1可以看出，振動烈度最大值為8.2 mm/s，通過查閱GB/T 29531—2013標(biāo)準(zhǔn)同時對比生產(chǎn)廠設(shè)備相關(guān)參數(shù)判斷得知此數(shù)值為不合格狀態(tài)。

從表1中數(shù)據(jù)還可知，測點1、3處振動烈度數(shù)值較測點2、4兩處明顯更大，所以下面對測點1、3兩處數(shù)據(jù)作具體分析。測點1處三軸加速度、速度、位移信號如圖3所示。

分別對圖3所示加速度信號求解頻譜圖、位移信號繪制其相應(yīng)位置的軸心軌跡圖。

圖3 測點1處三軸各類型振動信號

測點1處加速度信號頻譜圖如圖4所示。

已知電泵旋轉(zhuǎn)基頻約為49.2 Hz， 由圖4可以看出頻率50.05 Hz處存在峰值， 此處峰值可視作基頻幅值， 在100、150、200、250 Hz等基頻高次諧波處附近都存在較為明顯的峰值，根據(jù)滑動軸承故障特征可以判斷出滑動軸承出現(xiàn)了碰摩故障。在200 Hz處的峰值超過基頻處幅值的1/2，根據(jù)此頻率特征來看，疑似同時出現(xiàn)連接松動故障。

圖4 測點1處加速度信號頻譜圖

使用三軸位移信號中的x軸和y軸信號繪制軸心軌跡圖。 已知傳感器采樣頻率fs為20 kHz，電泵旋轉(zhuǎn)頻率為49.2 Hz，所以電泵軸承旋轉(zhuǎn)一周產(chǎn)生的數(shù)據(jù)點數(shù)約為410個， 為保證在繪制軸心軌跡圖時至少呈現(xiàn)出一個完整的周期特征，因此在繪制軸心軌跡圖時使用1 024個采樣點。

從圖5所示軸心軌跡來看， 軌跡顯示為香蕉形。 根據(jù)軸心軌跡分析法來判斷，該旋轉(zhuǎn)設(shè)備滑動軸承此時出現(xiàn)了碰摩故障。

圖5 測點1處軸心軌跡圖

綜合測點1的頻譜圖和軸心軌跡圖， 可以判斷得知此滑動軸承在測點1處出現(xiàn)碰摩故障和松動故障。

經(jīng)頻域積分轉(zhuǎn)化后所得的測點3處三軸加速度、速度、位移如圖6所示。

圖6 測點3處三軸各類型振動信號

測點3處加速度信號頻譜圖如圖7所示, 可以看出，基頻50.05 Hz處存在峰值，并且存在著轉(zhuǎn)速基頻的7倍頻（350 Hz）處幅值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于（遠(yuǎn)超1/2）轉(zhuǎn)速基頻處幅值大小的情況。 同時，還可看出在100、150、200 Hz處也出現(xiàn)和轉(zhuǎn)速基頻峰值相近的幅值。 根據(jù)滑動軸承故障頻率特征可以判斷電泵滑動軸承出現(xiàn)了連接松動和碰摩故障。

圖7 測點3處加速度信號頻譜圖

測點3處軸心軌跡如圖8所示。

圖8 測點3處軸心軌跡圖

由圖8可知， 軌跡呈現(xiàn)雜亂無章的無規(guī)律狀態(tài)。 根據(jù)滑動軸承的軸心軌跡分析法進(jìn)行判斷，測點3處軸心軌跡符合連接松動故障的特點。

綜合測點3振動信號的頻譜圖分析和對軸心軌跡圖的判斷， 可以得知滑動軸承在測點3處呈現(xiàn)出連接松動故障和碰摩故障。

3 結(jié)束語

通過相關(guān)應(yīng)用分析軟件對信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換并運用振動烈度、頻譜分析和軸心軌跡分析法實現(xiàn)對電泵滑動軸承的故障診斷。 從數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程來看使用頻域積分法進(jìn)行信號轉(zhuǎn)換簡單高效。 診斷結(jié)果表明，對轉(zhuǎn)換后所得不同類型的振動信號進(jìn)行相關(guān)特征分析，對于電泵滑動軸承的故障診斷確實是一種行之有效的方法，對于滑動軸承的故障診斷有著重要意義。