全频谱的应用.docx

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全频谱的应用

全频谱的应用

全频谱的应用是广泛和有效的。

先看一个汽轮机存在摩擦的例子。

摩擦一般认为是其它故障根原因所衍生的故障，根原因可能是不平衡、不对中、齿轮力或流体力等预载荷的作用等等。

摩擦可能是两个摩擦副之间的，与相对运动相反的切向摩擦，也可能还附加法线方向的摩碰；可以是轻摩擦还，也可以是重摩擦；可以是局部磨擦，也可以是保持接触的全周摩擦。

的确较为复杂，不同的摩擦需要用到不同的工具去判别，如用到Orbit图、轴中心位置图、Bode图、极坐标图、半频谱/全频谱图等，这里不深入讨论摩擦及各种工具，主要讨论全频谱在故障诊断时的应用举例，包括摩擦和后面的流体失稳等等。

如图是一台蒸汽透平的轴心轨迹图和全频谱图。

两图均可以看出，占主导的频率成分1X分量，其正进动分量大于反进动分量2倍以上，说明1X的Orbit图会是一个椭圆。

0.5X分量的正进动与反进动频率成分差不多，其Orbit图接近直线。

还存在2X分量成分，同样道理，其Orbit图也差不多是直线。

还有较小的基频为0.5X的3倍谐频分量1.5X。

这些谱线都可以看作是0.5X的谐频和1X的谐频。

全频谱上的看到的这些特征正是摩擦的特征。

再比较全频谱，在时域通频Orbit上难以看到，如果看各分量的Orbit图，就需要用到跟踪滤波，打开多个Orbit图，用全频谱更为直接有效。

下面用全频谱的视角，比较摩擦和流体失稳的区别。

如下图所示，将两种故障的半频谱、全频谱和Orbit图放到一起比较。

比较摩擦和流体诱导失稳的半频谱，发现两者之间非常近似，难以区分，必须在频谱高分辨下，才能区分是否是精确的半倍频。

但从中间的全频谱来看，右边的流体诱导失稳故障下，能明显看出次同步频率（近0.5X）的正进动分量占绝对主导，反进动几乎为零，应该是近似于圆形的Orbit图，这是流体自激振动的特征之一（流体诱导失稳的特点有：

正进动，近似圆形Orbit，次同步振动分量，频率略小于0.5X）。

而左边的摩擦故障的次同步频率（0.5X）正反进动方向分量相当，难说进动方向就是正/反进动，其Orbit图为很扁的椭圆（接近直线）。

所以在全频谱中两者故障区别非常明显，能很快、准确地判断故障。

之前的文章中也谈到，是否是精确的半倍频的方法可以用到Orbit图。

主要看键相点是否“锁定”。

比较上图底部的两个Orbit图，是可以看到左边是锁定的，右边的缓慢变化的。

如果是在软件系统上直接看“活动”的Orbit图形，是否锁定大抵是能看出的，但看“死图”有时还是难以确定，至少没有全频谱图那么区别明显。

所以，全频谱更更直观、快捷地区分出了摩擦和流体诱导失稳故障的特征。

波形图包括Orbit图，排除数据采集的因素，通常是原始、真实的信号，但因其是多种分量合成的结果，所以各种分量混在了一起，有时甚至是一团麻，难以分辨和区分故障的各个因素；半频谱和全频谱技术就是换一个域（时域-频域），将混合的因素区分开来，如同白光通过三棱镜分解成不能再次色散的七种单色光一样。

与半频谱一样，全频谱也有级联图和瀑布图。

与半频谱的级联图和瀑布图类似，但将频谱坐标轴从半频谱扩展到全频谱，并分解出来了正进动分量和反进动分量，下面看看它们的应用。

全周摩擦是现实中不多见的一种故障，全周摩擦是指转子在转动过程中始终与静止部件，如轴承或者密封保持接触，所以其轴心轨迹应该是圆形的，其直径为轴承或密封的间隙，当然，轴承类型的不同、探头的安装位置与发生摩擦的位置（轴承或密封等）的远近不同，看到的Orbit，不是摩擦发生处的Orbit，那么说圆形的Orbit就是轴承、密封等的动静间隙是不完全正确的。

摩擦的特征频率与因摩擦改变了的转子的固有频率相同。

之所以说更改后的固有频率，是因为摩擦使转子接触到轴承或密封的边界，改变了轴承或者密封的刚度，刚度增大了，所以固有频率也就增大了。

固有频率与转子的转速无关。

这些特征都可从全频谱级联图反映出来。

圆形的Orbit图说明全频谱图中只有反进动分量或者正进动分量。

是否是固有频率从级联图上也是容易看出来的，因为机器的临界转速是不难查到或者检测得到的，其在级联图中不应该随转速的变化而变化，这是最希望看到的特征。

上图是启机阶段发生全周摩擦的全频谱级联图，而停机阶段发生全周摩擦的全频谱级联图如下图所示。

明显可以看出全周摩擦激起的固有频率振动特征。

虽然启、停机过程中刚度变化、幅值的不稳定、轴承及密封的形式、传感器的安装位置与摩擦位置的距离未知等，仅凭上述两个全频谱图尚不能通过这种有摩擦时修改过的转子的固有频率去还原无擦时的固有频率（便于与之前采集到的或者资料中记录的无摩擦的临界转速比较），不能确定轴承或密封的间隙，但确定它们也没有多大的必要。

实际上的全周磨擦很少见，但需要知道全周磨擦是极具破坏性的，所以故障诊断工程师必须有能力快速识别和精确诊断这种故障。

当然结果也有可能不是那么的糟糕，比如接触处的材料很快磨掉了，间隙变大了，摩擦就消失了，“自愈”了。

不过这时摩擦是消除了，但因此降低的机器效率是恢复不了的。

也不能一味地认为有反进动分量就是坏的，就是很危险的，比如扁的Orbit增加了转子的稳定性，椭圆Orbit是常态。

另外也不能说转子反进动涡动就一定是有摩擦，比如在过临界时，因为互相垂直的两个传感器位置的非对称刚度，可能会产生共振分离，两个分离共振期间，转子是反进动涡动的，这时它是正常现象。

其实，全频谱还在很多其它故障诊断中有很好的应用，很多故障，比如流体诱导失稳、轴裂纹等反进动分量不应该出现，本身也是一个判据，而半频谱就看不出来会不会有反进动分量，也看不出对应频率（过滤后频率）的Orbit是否是圆形的。

级联图上的阶次线（图示的斜线：

1X、0.5X等）让我们能方便地看出各个对应不同激振力的阶次的影响（响应）情况，正是阶次的分离，使得频域比时域更为便利，虽然现在因为过度地强调了频域，很多文章都在强调时域和相位在故障诊断中的应用。

但过犹不及，频谱，特别是全频谱依然是最强大的工具之一。

再次强调下，不同工具各有其优势，好的诊断工程师需要熟练使用各种工具来帮助自己作出快速的、准确的判断。

无疑地，1X阶次是最基本的，很多人在正式的报告中直接将1X分量说成是不平衡分量，这是不严谨的，至少需要先排除runout和转子的原始弯曲的影响。

还有其它的很多常见故障如不对中也会产生1X倍频的。

上图中，1X阶次线貌似有两阶共振频率，但因为丢失了相位信息，仅凭全频谱无法确认，还是要看Bode图和极坐标图确认。

机器在慢转速（SlowRoll）时的原始缺陷（Runout）是在低转速时就存在的，可能在高转速时也保持影响，而这些Runout是与机器的动态无关的原始影响力。

针对动态力的处理措施对其没有影响，但它同样混进了各阶次频谱中，必须清除出去，也叫做补偿，否则影响各动态力的治理，比如平衡解决质量不平衡时就需要补偿掉这种SlowRoll才精准。

Runout分为机械runout和电气runout，转子的原始永久性弯曲严格意义上来说不是runout，因为它产生的力会随转速的变化而变化，不过和质量不平衡在成因上还是有区别，所以实际应用中有时还是把它算作runout的一部分。

也因为难以与其它runout区分开来，补偿时就一并补偿掉。

在对待runout时，还要注意轴位移，有些转子，特别是在冷启动时，轴位移变化大，表面的原始缺陷在轴位移和膨胀到稳态过程中，可能逐步移出或者移入到探头下方的被测表面范围。

这种情况下，用冷态的低转速slowroll去补偿就会有误差，所以，能用停机时的慢转速去做矢量补偿或者通频波形补偿最好，这时至少热膨胀的影响被考虑到了。

任何导致被测表面和探头间位移的周期性的突然改变（可以是摩擦力、流体力等，但也可以是划痕、锈斑等）都会在FFT计算后的频谱图中出现谐频。

这种改变越是突兀、尖锐，频谱图中的谐频越多。

划痕、锈斑就是这种突然的周期性变化，会产生以轴转速为基频的谐频。

只要不被移出被测表面，在别的转速和稳态时还会出现，其谐频的基频依然跟随着当时的转速。

上图能看到0.5X的摩擦，能看到在转速增大到一定的转速后0.5X出现是因为与临界转速的一致了而被放大了。

也看到在转速很低时的1X，是因为Runout。

如果没有其它谐频，那么这种Runout更可能是轴的原始弯曲。

如果是划痕和锈斑，会有谐频，而多个划痕和锈斑会在全频谱中的正/反进动方向出现谐频。

利用全频谱图来确定runout是有效的，规律是：

1X分量：

仅正进动分量，包括因为原始弯曲产生的响应；2X分量：

正进动和反进动分量的幅值相等；3X分量：

仅反进动分量；4X分量：

正进动和反进动分量的幅值相等；1X分量：

仅正进动分量。

下表是几种典型故障的全频谱特征表，共参考。