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振動(dòng)故障診斷——波形分析

首先,，為什么要進(jìn)行頻譜分析？時(shí)間信號(hào)是幅值與時(shí)間的關(guān)系圖,，該信號(hào)包含所有頻率,、諧波和次諧波以及這些頻率的相位關(guān)系，還存在脈沖,、幅度調(diào)制,、頻率調(diào)制、削波等,。但在振動(dòng)信號(hào)從時(shí)域轉(zhuǎn)換到頻域時(shí)會(huì)丟失一些有價(jià)值的信息,。例如，相位,、脈沖的真實(shí)振幅,、脈沖的性質(zhì)、帶寬和各種形式的調(diào)制等,，其在頻譜中不容易識(shí)別,，這也是為什么對(duì)于一些不同的問題而呈現(xiàn)相同或相似的頻譜的原因。

波形分析具有簡(jiǎn)捷直觀的特點(diǎn),，對(duì)于成分比較簡(jiǎn)單的振動(dòng)信號(hào),，或者信號(hào)中的削波、 脈沖,、調(diào)幅,、調(diào)頻等情況較為有效，但大多數(shù)情況下,，時(shí)間波形是比較復(fù)雜,，推算頻率非常困難，所以一般可與頻譜分析同時(shí)使用,。

1,、關(guān)于波形中諧波數(shù)量。對(duì)于單個(gè)頻率的諧波而言,，在一個(gè)周期內(nèi),，正向峰值的數(shù)量說明了真實(shí)諧波的數(shù)量。由于一些其他原因在頻譜中也可產(chǎn)生非真實(shí)諧波,，這時(shí)查看時(shí)間信號(hào)中的峰值數(shù)量以確定真正的諧波含量,，以識(shí)別信號(hào)的真?zhèn)巍Ｈ缦聢D,，存在基波與2次諧波時(shí)波形在一個(gè)周期中會(huì)有2個(gè)正向峰值,。

2、波形中基頻與諧波的相位關(guān)系,。同相信號(hào),，振幅增加,；異相信號(hào)，振幅減小,。對(duì)于振幅相等的同相信號(hào)振幅將翻倍,；而對(duì)于振幅相等的異相信號(hào)振幅為零。下圖為1X與2X同相同幅的時(shí)域波形,。   

下圖為下圖為1X與2X反相同幅的時(shí)域波形,。

從以上3幅圖中可以看出當(dāng)1X與2X反相時(shí)，負(fù)側(cè)振幅最高,，出當(dāng)1X與2X同相時(shí),，正側(cè)振幅最高，對(duì)于1X與其他諧波的相位關(guān)系亦是如此,，這樣我們?cè)诓ㄐ沃芯秃苋菀妆鎰e諧波與基波是否為同相或反相,。這在故障診斷中非常重要，以上圖形雖然波形完全不同,，但其頻譜形態(tài)卻是一樣的,，說明諧波的相位關(guān)系可以顯著地改變時(shí)間信號(hào)卻不影響頻譜,，這恰恰說明了不同故障而呈現(xiàn)相同或相似的頻譜的原因,。剛性聯(lián)軸器不對(duì)中時(shí)，其基波與諧波的相位關(guān)系一定為同相（高于第一臨界時(shí)除外）,，而撓性聯(lián)軸器則不然,，其相位關(guān)系與聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)類型、尺寸,、轉(zhuǎn)速等有關(guān),，可能同相也可能反相或90度等等，再比如基波與多諧波發(fā)生變相的時(shí)候一般存在松動(dòng)現(xiàn)象,，如果與諧波同相并保持恒定的相位關(guān)系,，則不可能存在松動(dòng)。

下圖從上到下依次為1X與2X 90度與負(fù)90度時(shí)的時(shí)域波形,，結(jié)合上述同相與反相的波形形狀可大概推算基波與諧波的相位關(guān)系,。    

3、波形幅值的對(duì)稱性,。觀察時(shí)間波形時(shí),，幅值在中心線上下是否對(duì)稱非常重要的。對(duì)稱數(shù)據(jù)說明設(shè)備以其中心等幅運(yùn)動(dòng),。不對(duì)稱數(shù)據(jù)說明設(shè)備運(yùn)動(dòng)受到約束限制,，可能是不對(duì)中或摩擦等。

4,、波形橫軸的對(duì)稱性,。這種非對(duì)稱性說明了振動(dòng)的非同步振動(dòng)性,，比如軸承內(nèi)滾道上缺陷產(chǎn)生的波形屬于非同步，當(dāng)缺陷進(jìn)出軸承負(fù)載區(qū)時(shí),，產(chǎn)生了沖擊幅值變化,，且當(dāng)沖擊的信號(hào)進(jìn)行 FFT 處理時(shí)，振動(dòng)的真實(shí)幅值一般會(huì)大幅減少,，在時(shí)域波形中可有效觀察故障的嚴(yán)重程度,。

5、拍振或調(diào)制,。當(dāng)存在調(diào)制現(xiàn)象或拍振時(shí),，將出現(xiàn)類似下圖類型的時(shí)域波形，現(xiàn)場(chǎng)常見問題有,，電機(jī)偏心,、轉(zhuǎn)子斷條、兩臺(tái)距離較近轉(zhuǎn)速接近的設(shè)備,、某些形成邊帶的問題等等,，當(dāng)出現(xiàn)這種波形時(shí)要首先考慮以上因素。

6,、軸心軌跡,。將來自兩個(gè)垂直且共面的傳感器的時(shí)域波形數(shù)據(jù)合并到一起形成軸心軌跡，其主要包含振幅,、振動(dòng)頻率與轉(zhuǎn)子速度之間的關(guān)系,、轉(zhuǎn)子的進(jìn)動(dòng)方向等信息，軸心軟跡形狀還可以確定載荷的相關(guān)信息,，較大的徑向載荷會(huì)使轉(zhuǎn)子的偏心率升高,。摩擦、對(duì)中等故障在軸心軌跡途中亦有明顯體現(xiàn),。

以上幾點(diǎn)時(shí)域波形特征是現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用最廣泛的,，當(dāng)然其包含的信息還有很多，頻率的計(jì)算,、非精確倍頻的波形特征,、削波、方波等等,。不可否認(rèn)的是時(shí)域波形有較強(qiáng)的局限性,，其所包含的一些信息是對(duì)頻譜分析的補(bǔ)充，頻譜分析依然是振動(dòng)分析最強(qiáng)大的工具,，但如果頻譜結(jié)合波形進(jìn)行分析會(huì)避免很多情況下的誤診,。