利用频谱分析实施振动故障监测

　　摘　要：振动信号的频谱分析是利用快速傅立叶算法，将振动信号从时域转换到频域。由于振动频谱中包含了许多机器或其零部件的状态信息，通过对振动频谱图的识别、频谱图的趋势分析等手段，能够有效的发现设备存在的故障。
　　关键词：振动；频谱；给水泵；傅立叶变换
　　0　引言
　　利用振动信号进行设备故障诊断，是设备故障诊断方法中Z有效、Z常用的方法。据统计资料表明，由于振动引起的设备故障在各类故障中占60%以上。一般来说，设备管理者主要以振动幅值来确定设备的振动状态，无论上还是国内都制定了以振动幅值衡量设备状态的一系列标准。然而，在日常的设备振动监测过程中，我们往往会发现一个设备的振动幅值并没有发生变化，但其部件却已损坏，这表明设备振动幅值在故障监测发面的局限性。我公司实施设备状态检测多年，日常设备振动定检过程中在设备振动幅值检测的同时坚持实施振动信号的频谱分析，取得了良好的效果。本文通过二个案例说明振动信号频谱分析在设备故障监测中的作用。
　　1　信号的频谱分析
　　1.1傅利叶变换
　　我们常把振动的时域信号通过傅利叶变换方法转换为频域信号，即以频率为独立变量的信号。对于周期为T的周期性时域信号X（t）通过傅利叶变换能够得到其频域的函数X（ω），其变换过程数学表达式为： 　　傅利叶变换过程可用频率分析仪来实现，也可在计算机上用软件来完成。
　　1.2频谱分析
　　振动信号的频率有着具体的物理意义，例如具有不平衡故障的旋转设备其振动的主要频率成份是设备的转动频率，机械设备故障的发生、发展一般都会引起振动信号频率构成的变化，根据傅利叶变化所得的频谱图对振动信号进行分析，能够对设备异常进行有效辨别。频谱分析的实施其前提的是对旋转设备定期、定点的振动信号采集和基准频谱图的建立。在此基础上，对仪器或软件计算生成的图谱进行分析，观察在频谱图上是否出现新的频率成分或是原有的频率成分的幅值是否出现异常增长，从而判断设备是否存在潜在的故障。检测人员应进一步全面检测，根据故障理论，判断设备故障的具体部位并提供检修建议。
　　2　案例分析
　　2.1汽泵前置泵轴承故障
　　汽泵前置泵为卧式单级双吸离心泵，其作用是保证锅炉汽动给水泵的进口有足够的压力。汽泵前置泵型号12*16*23H-DSJH，泵转速1480r/min，额定流量1305m³/h，汽泵前置泵为二端支撑方式：驱动端滚动轴承承受径向力，自由端2个滚动轴承，承受径向/轴向力。2011年9月8日振动检测，发现汽泵前置泵驱动端轴承振动频谱信号异常（如图一瀑布图所示），对该频谱进行分析：1）2倍频信号有所增长，8月份检测基本上没有发现2倍频信号，9月份2倍频信号幅值已上升到0.63mm/s；2）0~300HZ频段谐波量增加；3）频谱430HZ左右出现明显的振动信号。前置泵2A自由端轴承振动信号以及电机驱动端轴承振动频谱信号，均未发现明显异常。 　　对上述数据以及故障现象的分析，问题的焦点是判断新出现的430HZ左右的频率成分是如何产生的。为此检测人员查看了该测点几次检测波形数据，发现波形数据中存在有冲击迹象，冲击发生的周期大约为40ms左右（1倍频）。同时检测人员和设备点检员使用听诊器对轴承进一步检测，能够听到轴承内部明显的擦碰异声。Z终将故障部位基本上定位于驱动端轴承的滚动轴承磨损。2倍频的出现是由于轴承磨损后对中状态变化导致。由于机组即将停运，该轴承又属于轻载轴承，决定该本暂时维持运行，对其进行跟踪检测。2011年10月9日检修人员根据检测情况，安排了汽泵前置泵轴承解体，结果发现驱动端侧滚动轴承保持架已经断裂。
　　2.2定子冷却水泵轴承故障
　　公司定子冷却水泵为单级离心水泵，其作用是为发电机线棒提供一定压力和流量的冷却用水。泵型号CLT65.250U3-1DW20，悬臂支撑方式，采用二个滚动轴承（SKF 63082RS1）。2011年1月18日振动定期检测发现定子冷却水泵轴承振动信号出现异常，如下图所示。频谱特点为新出现大量的谐波。谐波基频为152.17Hz，根据转速频率49.24Hz，该谐波频率为转速频率的3.09倍频，明显不属于设备转速频率的谐波。 　　查询滚动轴承SKF 63082RS1的故障特征频率信号，保持架：0.384倍频；滚珠：2.04倍频，外圈：3.07倍频，内圈：4.93倍频。外圈故障频率同我们所发现的谐波的基频基本相符，因此基本能够确定滚动轴承外圈出现故障。由于振动幅值尚可，振动检测人员对该轴承进行连续的跟踪检测，防止轴承发生突发损坏。2011年10月机组检修期间，定子冷却水泵安排解体，拆卸下滚动轴承后发现轴承油质已明显变黑结块，通过滚珠间隙仔细观察了外圈滚道，滚道存在明显的摩擦痕迹，同时发现一处明显的剥落。 　　3　结论
　　以上二个案例中设备零部件出现故障时，轴承温度、轴承振动通频幅值在DCS监控画面中均没有明显的上升变化，但在振动频谱趋势图中我们可以清楚的看到出现了明显的新增频率成分，检测人员因此能够及时抓住异常。利用设备振动信号频谱中包含的状态信息，积极实施振动信号频谱分析，通过对振动频谱图的识别、频谱图的趋势分析等手段，能够及时、有效的发现设备存在的故障，对于保证设备的安全可靠运行，其意义十分明显。