第9章-包络分析PPT.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,包 络 谱 分 析,什么是,“,包络,”,谱图,?,如何区别对待,?,轴承缺陷模拟,放大器,“,冲击能,”,是这样产生的,?,冲击能如何影响,FFT?,包络谱能提供什么信息,?,轴承缺陷之外,“,冲击源,?,警语,1,什么是,“,包络谱,”,图,?,Y-,轴单位,:,振幅,X-,轴单位,:,频率,(cpm or Hz),2,“,包络”谱图的术语不是对信号处理过程的确切描述，但仍是我们为了简化时所用的术语。,包络谱和传统的频谱在外观上,(,振幅和频率,),并没有区别,-,只是表示,不同的,信息,包络谱图对正弦运动,不敏感,而不象,FFT,图能用位移，速度和加速度参数确定简单正弦运动产生的复杂信号。,包络谱对与,冲击力,相关的事件,敏感,。,量化冲击频率和强度对振动分析是非常有帮助的。尽管有些机器会产生冲击能量,(,如往复设备,),但大多数机器不会。冲击力是破坏性的，通常表明会发生故障。最典型的包络谱图应用是检测轴承缺陷。,3,包络谱图的处理过程,?,包络谱提供给我们一种位移、速度和加速度谱不可能比是的有价值的信息，它为分析专家提供了另一种有力工具。,什么是包络信号，如何得到,?,（,1,）测量的振幅单位是加速度但信号的处理区别于传统的加速度信号。,（,2,）振幅单位由厂商自己定,每一个都有自己的名字，或是单位的首写字母。例如,:,CSI(Emerson),使用峰值；,Entek(Rockwell Automation),使用,gSE(,脉冲能,缩略为,IRD),；,SKF,使用,HFD(,高频域,),和,ESP(,包络信号处理,缩略为,DI),（,3,）使用滤波器处理信号，强调可能发生的每一种冲击力。,滤波器有两个等级：,包络滤波器,这种类型的滤波器设置包络的频率，包括了高频,(Fmax),和低频,(Fmin),。发生的任一振动超出此范围都会被过滤掉。,高通滤波器,这种类型的滤波器取消了高频,Fmax,限制，但仍有,Fmin,限制，过滤低于它的振动频率。,每一个厂商设置自己的信号处理和滤波器。因此,尽管它们都提供类似的信息,但在振幅范围内是不能直接相比的。,（,4,）信号处理集中在短时冲击信号上,(,时域信号的脉冲,),，在这种情况下,FFT,处理往往“失效”,(,更准确的说是“更难发现”,),因为它适合处理平稳信号。,（,5,）如果冲击间隔一致,(,如冲击力有规律地发生,),那么这段时间间隔就会转化成理想的频率单位,(Hz or cpm),。,（,6,）可以估算冲击强度，这与冲击脉冲信号和背景噪声之比有关。,（,7,）相应频率的振幅峰值显示在频谱上。,4,包络谱图,:,轴承缺陷模拟器,图,1,典型球轴承,为了了解包络图在诊断轴承缺陷中的重要性,首先要懂得轴承缺陷频率是如何产生的。为了理解轴承频率,首先来看轴承“模拟器”。轴承缺陷模拟器考虑到了轴承的几何形状。重要的几何参数包括滚动轴承的齿轮直径、滚珠数量、滚珠直径和球轴承的接触角。四个轴承部件组合在一起构成一个模拟器。模拟器的目的是探测这四个不同轴承部件上,转轴旋转,时发生的冲击力,(,时域图的脉冲,),。这些部件是,:,保持架,(,黑色的,),滚珠或辊子,(,黑灰,),外环,(,外部的亮灰,),内环,(,内部的亮灰,),5,图,2,外圈缺陷引起每个滚动体通过时产生一个冲击,例如,图,2,中认为轴承的外环有缺陷。转轴每转一圈,(,内环,),一定数量的滚珠或辊子会经过外环上的缺陷点并冲击此缺陷点。每转一圈的冲击次数就是该轴承的,“,外环缺陷放大倍数,”,。,值得注意的是轴承缺陷放大器从来不能精确地放大运转速度,(,从不是同步的,),。滚动轴承总是产生非同步振动频率。,6,因为这些模拟器是基于每个轴承的几何尺寸的,你可从多个途径（销售商，厂商）获得任一轴承技术资料。放大器转换为频率需要出现故障的机器的转速。如果你的模拟放大器是,3.05,而机器的运转速度为,1000 rpm,则故障频率为,3050 cpm,。这意味机器的故障导致每分钟有,3050,次冲击。,这些轴承缺陷放大器的范围是多少,?,FTF,基础频率,0.30,0.45 x RPM,BSF,滚动体频率,1.5,4.5 x RPM,2xBSF 2x,滚动体频率,3-9 x RPM,BPFO,滚动体通过外圈频率,2.5-9 x RPM,BPFI,滚动体通过内圈频率,4-13 x RPM,7,你将在常见的轴承上发现这些典型的频率范围。一些轴承可能有更高的故障频率,其决定性因素主要是滚动体的数量,(,它与轴承的负载等级有关,),。轴承的负载等级越高,可能就有更多的滚动体，放大功率可能更高。例如内环放大器可能超过,20,但并不常见。,对于这种轴承缺陷模拟放大器，分析者最需要记住的是,:,（,1,）安装适当,(,即装配适当,),和润滑良好。一定的条件可能改变这些放大器，某些情况会,增大,（,2,）可能非常接近运转速度的谐波,如,3.05 x RPM,。这意味着如果机器转速为,1780 rpm,故障频率就为,5429,而,3x rpm,是,5360 cpm,只有,69 cpm,的差别。这可能更容易混淆和误诊。,（,3,）不管轴承故障频率如何接近转速的谐波，,但却永远不能与此转速精确一致,，了解这一点是非常重要的。它们总是非同步的振动源,这对正确诊断十分重要。,8,包络谱图,:,“,冲击能,”,是如何发生的,?,让我们来看与轴承缺陷有关的冲击能是如何产生的,:,图,1,中,每一个滚动元件通过此缺陷时就发生一次冲击。正如我们在时域分析中所讨论的,如果你敲一下钟,钟会以其固有频率振动。任何结构都是如此。振动的时间将取决于冲击力、质量、物体的减振特性和其它参数。这称为,“,自由振动,”,(,与运转和开启机器引起的受迫振动相反,),。由于,冲击力衰减，轴承冲击引起轴承,“,振动,”,成为自由振动,。这里有两种与轴承缺陷有关的频率,:,Fig 1,Fig2,9,1),装配轴承固有的,或,“,共振,”,频率,(,基于装配轴承的共振周期,),。,因为冲击力使轴承结构鸣响，产生与装配轴承共振频率有关的正弦波。,因为产生正弦波,用,FFT,可以监测到此频率，首先在加速度频谱上产生振幅峰值,(,因为加速度对高频振动更敏感,),，最后在速度频谱产生峰值,(,位移振幅对高频不敏感,),。,困难在于,FFT,必须用数学方法解释这个事实：冲击波突然消失,然后离开直到下一次冲击开始。这不是连续的正弦波,而是瞬时的。,2),“,冲击,”,频率,(,基于冲击之间的时间间隔,),。,冲击频率自身没有正弦运动。换句话说,一次冲击到另一次冲击的开始没有正弦波,它们是单独,事件,。,这些冲击,正是,包络信号寻找和测量的。,计算冲击强度,(,冲击幅度,),和频率,(,基于冲击之间的周期,),，同时过滤掉发现的任一正弦运动。,10,包络谱图,:,冲击能如何影响,FFT?,让我们通过如下的计算机产生信号来回顾,FFT,处理的过程,:,传统的,FFT,处理着重正弦信号,即,正如我们所看到的计算出一系列的简单的正弦,(,信号,),组成的信号。我们能从上图看出什么,?,图,1,中低频正弦信号说明,9,转。这是,1x rpm,信号。,一些信号频率调制,(,比较波形的正值和负值,),。,根据这张图大量的冲击发生并稍微改变了强度,(,冲击的幅度,),。,图,1,大约,9,转时域波形（,470 msecs,）,11,图,1,是典型的图，分析者可能采集了一个转轴的,9,次旋转。但是，尽管,1x,正弦相当清楚,冲击力却不清楚。让我们放大局部。,从中截取,115 msecs(,约,2,转,),的示例,我们能清楚地看到,:,1x rpm,信号的频率调节。,冲击的振铃频率。,如果我们仅计算一次循环的冲击次数,(,例如,30-80 msecs),每旋转一圈我们将发现,4-5,次,(,或,x RPM),。,图,2,轴大约转,2,圈的时域波形,(115 msecs),12,作为分析者应该清楚发生冲击力时所包括的时间,(,冲击的间隔时间,),有助于我们诊断。分析者不会使用时域,-,他们将使用,FFT,分析，,FFT,是怎样表示信号的产生呢,?,1x,2x,和,3x rpm,峰值。这,可能,是由于存在频率的调制。,一系列的高频峰值 间隔约,5400 cpm,。,在接近,5x rpm,没有峰值,冲击频率。这是因为冲击频率相关的运动不是正弦,冲击频率只导致振铃频率。,但,31,000,和,65,000 cpm,之间的峰值来自什么呢,?FFT,如何处理来,“,识别,”,它们呢,?,图,2,图,1,的,FFT,13,答案包含在,FFT,处理的计算之中。让我们再看看时域图，它代表了轴承缺陷象什么,:,图,1,的时域图清楚地表示出了轴承的缺陷的特征,冲击的频率与转速无关,(,较大的正弦波,),。时间采样是,333 msecs,。,图,1,与轴承冲击有关的时域波形,14,在让我们看看,FFT,。在,FFT,处理方法中信号是如何产生出来的,?,图,2,的,FFT,说明在,50k-90k,范围有一系列峰值。这些峰值是轴承故障形成的,“,症状,”,。但为什么呢,?,为什么在,FFT,中会产生这些振动频率,?,用数学来回答。只有一系列的正弦将会导致如上所述的信号形状。想要更多的证据么,?,图,2,如图,1,的信号在,FFT,的显示结果,15,图,4,说明整个一系列的简单的正弦波都用于产生如图,1,和图,3,的信号形状。,图,4,图,3,图,3(,如下）是图,1,的,30 msec,片段,可以说是一个特写镜头,:,当图,1,中的信号用,FFT,处理后,过程就叫做,“,简单的正弦会产生精确的周期性信号,。,16,“,看见,”,一系列正弦波的过程如图,4,，就是数学求解的过程。,注意到图,4,正弦波不同的振幅值。,注意,3,个波段,(65-66 msecs,76-77 msecs and 87-88 msecs),所有高频信号都是同相的,(,同增,),。,注意到,71 msecs 82 msecs,的反相。,只有,1,次正弦波的合并为任一周期信号。用任一方法改变此信号，一系列正弦波产生的信号将会改变。,分析当然不包括,1x rpm,和,2x rpm,较大的正弦波。它们在,FFT,中被看见是由于,1x rpm,信号的频率调解,(Fig 1),。,这是一个复杂的问题,让我们用不同的方法了解细节。,17,回答这个问题需要了解冲击的瞬时性质和,FFT,处理过程的原理。从,FFT,的角度来看这个问题,我们能重新解释为,:,什么能引起正弦波的出现，并在有规律的间隔内消失,?,因为,FFT,的原理是任何周期性函数都有可能分解为一系列的简单正弦波,因此必定有一些正弦波的合成将产生突然的脉冲，并伴随有,“,振铃,(,高,),频率,”,，然后脉冲消失直到下一次脉冲发生。,答案实际上非常简单。当一系列常规频率,(,在此情况下为,5400),正弦波被合成后产生周期性信号,信号表现为瞬时正弦波,(,脉冲或冲击,随之产生振铃，然后信号消失直到脉冲再次突然出现,),。,这一系列简单的正弦波输入信号产生,FFT,。注意，尽管振幅不同，但频率都是,5400 cpm,。尽管有其它的变量输入才能成为更现实的信号，但实际上这列信号就是我们前页看到的合成的瞬时正弦波。,0.05 31,800 cpm,0.16 37,200 cpm,0.28 42,600 cpm,0.30 48,000 cpm,0.18 53,400 cpm,0.10 58,800 cpm,0.06 64,200 cpm,18,如果我们只使用上面,7,个信号,(,加上背景噪声和振幅调解,),信号看起来象什么,?,你自己看,:,图,1,结果只有冲击和背景噪声。,所发生的事情是信号的合成将同时形成相位,当信号不同相时，振铃背景等级约,4 msecs,，并保留背景噪声约,6-7 msecs,。,结果是大约每,11 msecs,就有大的、短暂的振幅增加,(,脉冲,或,冲击,),。这相当于冲击频率,5,400 cpm(,频率差,),。,19,当然,用,FFT,不会知道哪个正弦波产生了该信号。事实上,这就是要做的工作,-,计算那些来自复杂信号的简单正弦波,(,包括其它影响，如,1x rpm,其它机械振动,振幅和频率的调制等,),。,过程是,:,将上述信号输入进行,FFT,处理。该过程计算什么样的简单正弦将合成该信号。,FFT,可以推出正弦和余弦的合成,(,信号,),，从而得到上述的复杂信号,所列出的合成结果。,增加或去除任一信号（,5,400,的倍频）都将使冲击变尖锐（增多信号）或是变平缓（减少信号），从而改变,FFT,的形状。,事实上,每个信号只有一个解,只有一组分解后的简单正弦。,那么，当,FFT,处理如上所述的信号时,频谱是什么样的呢,?,20,0.05 31,800 cpm,0.16 37,200 cpm,0.28 42,600 cpm,0.30 48,000 cpm,0.18 53,400 cpm,0.10 58,800 cpm,0.06 64,200 cpm,上方,:,产生,FFT,的信号,注意频谱上,没有,说明冲击频率的大小,(,约,5400 cpm),。,冲击频率下为什么没有峰值,?,因为没有与之联系的正弦,!,Fig 2-Fig 1,产生的,FFT,21,有几个问题使速度或加速度,FFT,的分析变得复杂，例如图,2,所示,。,你必须注意到峰值的存在,(,被缺陷频率分开,),。这可能看起来很傻但必须要记住,:,你可能分析几十个或几百个机器,-,几千个轴承。,图,2,中你所看见的高频峰值起初是振幅很小的,-,尤其是如果你使用速度频谱,(,大多数人使用的,),。,分析者视这些峰值为轴承故障频率的谐波。你必须能建立这个,模型,。,在你试图确定故障频率之前,(,经常需要时间和努力,),你必须注意或感觉到所观察到的应该有谐波或边频的形式。,最后,你,必须,知道故障频率,(,冲击频率,),。你看见的在,33k-63k,范围的峰值是故障频率的,谐波,(6x-12x,故障频率,),。这就是你将诊断的故障,-,通过谐波来确定峰值来源。没有故障频率方面的知识,可能更困难。,那么现在,让我们回到这个话题。包络谱是什么样子，它对分析有何作用,?,22,包络频谱图,提供什么信息,?,图,1,说明了从一个有故障的轴承上采集到的包络谱图,:,轴承的故障频率约为,3x RPM,。注意图,1,中在,1x,2x,或,3x rpm,没有明显的峰值,(,在速度频谱上有,),。但在,1x,2x,和,3x,冲击频率上有及其明显的峰值,-,在这种情况下是轴承的故障频率,(,有其它冲击源,),。包络信号提供如下信息,:,Fig 1,包络谱,23,冲击频率,:,这种信息被用在速度或加速度频谱上来帮助确定轴承的状态,(,究竟有多糟糕,?),。,图,1,在确定了故障频率之后,检查速度或加速度频谱，在同一冲击频率下放置跟踪器，并打开谐波。,如果你能通过谐波联系高频峰值和冲击频率,就可确定是否存在轴承故障。,然后你能根据振幅和噪声等级等来评价轴承的状态。,Fig 2 Fig 1,基于,dB,的包络谱,24,图,2,中,(,和图,1,除了振幅有线性比例关系之外很类似，并且有同样的,dB,等级,),峰值振幅约为,125 dB,。,背景值,它是背景振幅的估计值,在,100-102 dB,的范围内。可使用如下的建议,:,差值为,12-18 dB,是明显的冲击信号，应该严密观察。,差值,18 dB,十分严重,冲击能剧烈,破坏性很强。,冲击强度,:,这个信息可能用于帮助确定当轴承有破坏性冲击力时，被破坏的时间有多长。,你能把它比喻为你的汽车撞上一个小坑或一个大的，有锋利边缘的坑,-,首先是产生非平稳运行，然后可能毁坏你的轮胎。,所做的评价可能通过展示单位为,dB,的振幅,(,见图,2),，并把峰值振幅与背景值比较,(,润滑，载荷和其它因素可能对其有影响,),。,25,包络谱图,:,冲击来源,常见的冲击来源是什么，包络信号和频谱对发现这些来源是有帮助的，那些频率与之相关。更深入的探讨如下所列的问题可参见,故障排除表,的有关内容。,轴承故障,峰值频率将是特定轴承故障的（冲击）频率。,松动,经常发生在转轴和轴承之间,;,轴承座和轴承之间,;,内部轴承间隙之间。在包络谱上所观察到的频率将是转速的谐波,(1x,2x,3x,等,x RPM),。,电气部件松动,(,交流电机,),绕组松动、相端松动、铁心松动、连接松动等。频率将是,2x,交流网频和谐波。这也应用于变频驱动,(VFDs),但每种情况都必须确定交流频率。,润滑,缺少润滑将增加金属与金属之间接触,(,高频噪声,),。没有特定的触发频率，但通常都会使背景信号增大。,往复设备,分析者必须确定机器的特性来决定期望有什么样的频率。转速谐波通常是高振幅谐波的偶数倍,(,有许多情况的偶是,2x rpm),对水力泵机组活塞的数量,x rpm,。冲击对于设备是正常的，分析者将应该寻找与正常不同的异常现象。,齿轮,齿间隙,其它冲击来源。一般频率与齿轮数有关。,注意这些问题的每一个都有自己特定的频率。这些问题的每一个都包含广泛，见,故障排除表,章节，但是使用包络频谱有个约定成熟的习惯,(,几句警告如下,):,26,包络谱图,:,警语,包络频谱,极其,敏感。它能拾取冲击能，冲击能,不,一定产生故障或是早期的故障。,例如,它能,在故障传递到轴承表面之前,就监测到这些故障。在该点拆轴承不会发现故障，并可能失去比金钱更重要的东西,可信度。,在施行任何校正措施之前，包络频谱应该和其它分析手段,联合,使用,(,速度和加速度频谱,温度记录,时域图,你的经验等,),。它是一个有力的工具，但必须谨慎使用。,和其它的振动分析一样,经验将更有益。,27,