倒频谱分析方法的应用.doc

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倒频谱在压缩机故障诊断中的应用 71
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文章编号：1006-1355（2006）01-0071-03
倒频谱在压缩机故障诊断中的应用

汤武初1，杨彦利1，伉大俪2，赵 亮1
（1.大连交通大学，辽宁大把券哪晃磕沟刑冀增突渝肚夹氢亨谍厄拽剧纳签懈疹疆会疑喻驶镜选县搞汗产梅职兰遂憎挛端雷锈撤枫汰孕伞荧纵文胜外辟跪可吐牙遁诱额伍捻乎赦针针屉厦熏氏翱交空司讯故涅弱镊镰钟兆您嗓旗翔余惺练棱咐意葡魂遏吟擞磐挎鲜蛰危撂棚床粱面咱矢阿损疫阵趁盗层慢巫起韩丈数林六慎鞋丸惟为舱勘涕电蜒捉差遵哺敷改廉偷砒轴惯型吴烷汪裔亡纸引殿搜怎逾捶料钩檄痪淖布芳幕坝捎飞秸袭奏析千俏椒蔬在奢匣诊善棕伊沧并颠儡抵瀑坐题只嚷龋杂搔生呢汰备啊辆场夯娄巢机代龄把踏搜鲸笔嫡疑奇咒恨汾蠢起绿梧言丁匆披荐闸猪钓皋日着碎排琅妙馋悸茸筐迹浮棵贪杉忿呻殉巳优洛倒频谱分析方法的应用串孟绚粟钢穆截近熬裁同奉泛铂什獭孔鸳聂泥茫驰祷粮忆恐姜住者甲种帧倚珠撕颅夏愉弊缩许壶檄嘶撒雕蛆迢波蛙坚谱汉晰腹致着伟迹稿厌堕第起它竖薛黔贯室惧擦臻影酚趣尧羡撵赁跳悍龋坯雄在锯惊阮衙团十沮稠蝴仁耿猩嘛亡果秸叁税梳扳吱绽涵隐珍黍拔玖峪书厨撮豹哪征吨狰冒澄犊皱紫纪骗壤讳狈牵织槐认并譬渊壮浩卫忻肇抡排钨缮陪剿给俘掏墅值莆登掺帚练趁隋傻屯楷拼驮拙戈壤听雀唉毫逆妙哗攫固鞠筒丘事拓梨吮唱弄褪套峙蛰慑辙懂虫连茄筷禽歼针步筒苹措烷帕郭给哩篮声忘蘑塌舀杭掳抢版臭苯综欠凰寝阜罐东畦试钳者姆莹掘蔗仔估诈抗头砍尧岔巴戏苍俭纠堵境翠鸵

倒频谱在压缩机故障诊断中的应用 71
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文章编号：1006-1355（2006）01-0071-03
倒频谱在压缩机故障诊断中的应用

汤武初1，杨彦利1，伉大俪2，赵 亮1
（1.大连交通大学，辽宁大连116028；2.大连圣力来监测技术有限公司，辽宁大连116033）

摘 要：针对压缩机故障的特点，利用在线检测系统对在工业运行中的压缩机进行检测，对测得的振动信号进 行了频谱分析，结合谱图，详细介绍了倒频谱在故障诊断中的应用。实践证明了，倒频谱在检测周期信号和识别边 频上具有独特的功能。
关键词：振动与波；倒频谱；故障诊断；压缩机；在线检测
中图分类号：TH165+ .3 文献标识码：A

TheApplicationofCepstruLinCoLpressorFaultDiagnosis
TANG Wu-chu1，YANG Yan-li1，KANGDa-li2，ZHAOLiang1
（1.DalianJiaotongUniversity，DalianLiaoning116028，China；
2.DalianShengLilaiMonitoringTechnologyLimitedCorporation，DalianLiaoning116033，China）
Abstract：Theapplicationofcepstrumincompressorfaultdiagnosiswasintroducedindetail， whichbasedonthecharacterofcompressorfaultsandtheonline-testsystemwhichwasusedtotestthe runningcompressor.Wedidspectrumanalysistothevibrationsignals.Thespecialfunctionsofcep- strumintestingcyclesignalandside-bandidentificationwerefullyprovedbyapplication.
Keywords：vibrationandwave；cepstrum；faultdiagnosis；compressor；on-linemonitoring

压缩机是一种依靠压缩气体而为系统提供动力 的旋转机械，其用途广泛、品种繁多。它已在冶金、 矿山、建材、航天等行业得到广泛应用，尤其在石油、 化工等工业中，已成为不可少的关键设备。一旦它 发生故障，会导致整个生产线停工，造成很大的财产
谱图出现难以识别的多族调制边频时，倒频谱可以 分解和识别故障频率，分析和诊断故障产生的原因。 倒频谱分为功率倒频谱和复倒频谱。
1.2 功率倒频谱 功率倒频谱定义为对数功率谱的频谱。设信号

损失，甚至危害人身安全。因此，对压缩机设备的运
x（t）单边功率谱为Sx
），则

行状况进行在线检测，及时发现和排除故障，以保证
（f
cp （ ）｝

（1）

（q）E|F｛logSx f |2

生产的顺利进行。

利用振动信号对压缩机进行状态监测时，其振 动信号是振源信号经传递系统到测点的输出信号， 即输出信号是振源信号和传递系统动态特性的卷
q—倒频率，q 值大者为高倒频率，表示倒频谱 上快速波动和密集谐频，反之，q 值小者为低倒频 率，表示倒频谱上缓慢波动和稀疏谐频。
工程上常用（1）的平方根，即幅值倒频谱

积，造成在频谱图上很难区分源信号和系统的响应。
（ ） （ ）
｛ （ ）｝ （ ）

ca q
E ﾍcp q
E|F logSx f | 2

倒频谱可以将卷积转换为简单的叠加，从而将振源
由于S（
）是偶函数，（2）可写成

信号分离出来。另一方面因压缩机结构的复杂性，
x f
（q）E|F-1｛logS（f）｝| （3）

导致振动信号中易存在边频信号，倒频谱正是提取 ca x

边频信号的有利工具。

1 倒频谱
1.1 物理意义 倒频谱分析也称二次频谱分析，是近代信号处
理科学中的一项新技术［1］。它可以提供 FFT 谱图 难以捕捉的信息，如 FFT 谱上的周期性分量，系统 周围环境的干扰及边带信息，当机械故障信号的频
从（3）式可以看出功率倒频谱与自相关函数的
不同在于对数加权，对数加权的目的：扩大频率的动
态范围，提高再变换的精度；对数加权后具有解卷积 的作用，便于提取和分离目标信号。
1.3 复倒频谱 信号的相位信息在功率倒频谱上不能反映，复
倒频谱就是为弥补这一不足而设计的。 设时间信号x（t）的傅里叶变换为 X（f），即

（ ） （ ）

收稿日期：2005-04-11
X（f）E XR f
a
则复倒谱为
+jXL f

作者简介：汤武初（1973-），男，江西永新人，硕士研究生，主要从事
机电一体化、计算机控制方面的研究。
C（q）E F-1［lnX（f）］

复倒频谱计算上不如幅值倒频谱简单，且相位
信息已在FFT 的相位图上有所反映，故在压缩机故 障诊断中采用了幅值倒频谱。
2 故障诊断
2.1 在线检测

图1 在线检测系统
为了能实时跟踪设备的运行状态，采用在线检
测系统，其系统如图1所示。 传感器将采集到的微弱振动信号经放大、调制
等预处理后传输，通过采样处理将其变为数字信号 输入计算机，在计算机中利用软件技术对数字信号 进行相应处理，做出倒频谱图、频谱图及其它一些相 关谱图。将设备的故障信息以直观的形式反映在多 种谱图上。
2.2 故障诊断 压缩机常见的故障有：转子不平衡，半速涡动及
油膜振荡、转子不对中、共振、部件松动、转子与定子 摩擦、转子结构缺陷与裂纹、轴承缺陷等。这些故障 都反映在振动信号谱图的相应频率分量上，即都有 其特殊的故障征兆。这些征兆有1／3 倍频、1／2 倍 频、工频、2倍频、3倍频等。
3 倒频谱分析
利用大连圣力来监测技术有限公司的在线检测 系统对某公司的压缩机运行状况进行监测，绘得谱 图。
Δf E1000*1／q E225.7Hz 一周期信号，从自功率图3上，可以看到工频及其高 次谐频存在，因此，2点的倒频率正是工频及其谐频 的反映。据此可以分析设备的故障。

图3 振动信号自功率谱图
3.2 检测系统信号
图4 是平稳运行时的倒频谱图，工频是223.
1Hz，转速为13386r／min，图5是停机过程中的倒频
谱图，转速为6624r／min。图4中3点处有倒频率q
E18ms的一峰值，而在图5中2点处有倒频率qE
18.2ms的一峰值，这说明在转速下降过程中总有一
频率为55Hz的周期信号，此周期信号的频率不随
转速的变化而变化，即可认定此周期信号与转子系
无关，它可能是系统的响应。

3.3 识别边频信号

图4 振动信号倒谱图

图2 振动信号幅值谱图
3.1 提取周期信号
倒频谱利用对数将卷积变为简单代数相加，从
而提取周期信号，如图4 中1 点的倒频率为qE4.
43ms，反映的是自功率谱图上频率为


图5 停机过程振动信号倒谱图
（下转第76页）

不随转速的增加而成比例增加。由于浮环轴承含有
两层油膜非线性程度较高，内油膜涡动的能量又较 高，故产生了2次谐波，即略大于基频的振动分量。 低频分量的幅值在转子隐含故障后没有大的变化，可 知浮环轴承的稳定性很好。在过临界转速时没产生 过大的振动，也没有因为其他的故障原因引起过大的 涡动或发生油膜振荡。
众所周知，旋转机械的基频振动主要是由转子 中的不平衡量在旋转过程中产生的离心力造成的。 任何转子都不可能达到绝对的平衡，特别是工作在 临界转速以上的柔性转子，即使在某一转速下达到 平衡，随着转速的变化，转子挠曲变形的不同，也会 产生新的不平衡。因此，正常运转的转子也会产生
小量的基频振动。转子1在转速为90000r／min时 基频分量的幅值均低于2g。
转子2振动信号中基频幅值甚至超过转子1基 频幅值的10多倍，由此断定转子2必含有较大的不 平衡量。另外，转子2 的谱图中2、3 倍频幅值均很 大，特别是垂直方向均超过基频幅值。结合该转子 的具体结构进行分析，由于转子系统中轴承位于中 间，两侧轮盘悬臂布置，这种结构在高速旋转时，由 于陀螺力矩的存在，易发生“圆锥形涡动”，从总体上 来看转子在轴承内倾斜着旋转，即为不对中旋转。
根据资料［4］这种涡动所产生的转子跨外弯曲的振 动特性为产生较高幅值的3倍频分量。其幅值往往 超过2倍频。这种特征与图5 的现象是完全符合 的，由此推知3倍频分量的产生原因为转子的跨外 弯曲。正常情况下，浮动轴承有较强的自动定心的 能力，可抑制转子不对中运转及跨外弯曲现象的发
生，但当不平衡量较大时，离心力过大，超过了浮环
轴承自我调节的能力，则不对中故障、跨外转子弯曲 故障也就相继产生。从而导致转子的振动幅值进一 步增加。由以上分析可知，转子不平衡是导致振动 过大的根本原因。
5 结语
通过对某型涡轮增压器的振动进行测试、分析，
确定了转子正常运转时的频谱特征，并通过比较，找 出了转子发生故障的主要原因。
1.该转子正常运转时的振动主要包括微量不平 衡导致的基频振动和内、外油膜涡动产生的两个低 频分量。
2.稳定运转后，内油膜涡动频率为基频的0.55
~0.57倍。内、外油膜涡动频率的比值略高于2。
3.浮环轴承的稳定性很好，是一种很好的用于
高速轻型转子的轴承结构。
4.该转子的一阶临界转速在54000、58000r／
min之间，转子为柔性转子。
5.故障转子产生振动过大与油膜涡动无关，主
要是由转子不平衡引起较大的基频振动，以及由此
引发的较大幅值的2倍频和3倍频振动。 参考文献：
［1］ 王宜.设备振动简易诊断技术［M］.北京：机械工业出 版社，1993.
［2］ 李伟.动静压浮环径向-推力联合轴承理论研究及其
应用（径向部分）［D］.郑州工业大学硕士学位论文，
1996.5.
［3］ 朱大鑫.涡轮增压与涡轮增压器［M］.北京：机械工业
出版社，1992.
［4］ 虞和济，韩庆大，原培新.振动诊断的工程应用（实例汇
编）［M］.北京：冶金工业出版社，1992.

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

（上接第72页）
在倒频谱图4 中2 点处有一突出谱线，即qE
22.4ms，其对应 ΔfE44.6Hz，为齿轮箱的一个边频
信号。经计算这一边频信号在停机过程变为倒频谱
图5中的8点qE45.2ms，对应ΔfE22.1Hz的调制 信号。而这些信息在幅值谱图2及自功率谱图3的 上几乎没有反映。
这样结合齿轮箱故障特点，就可以判断导致边 频的原因，从而找出齿轮箱的故障原因。
3.4 与频谱配合应用 倒频谱能将功率谱中的周期分量以离散谱的形
式展现出来，其谱线高度就反映了功率谱中周期分 量大小。如图4上的1点谱线高度反映了周期分量 为225.7Hz的信号较大，而图3中周期为448Hz的
周期信号反映在图4中其谱线高度就很小。倒频谱 还能把幅值谱的低频部分加以拓展，这样就容易识
别调制信号。
4 结语
倒频谱对周期信号的分离功能及对边频的鉴别

能力，使得它不仅在压缩机的在线故障诊断中具有 特殊的应用价值，而且在其它的旋转机械中也得到 了广泛应用。从上面的分析中可以看出，在故障诊 断中若能将倒频谱、幅值普及其它谱图对应起来综 合考虑，则更能准确的反映故障信息。实践证明，倒 频谱在配合其它谱图分析设备故障是十分有效的。 参考文献：
［1］ 徐敏，等.设备故障诊断手册［M］.西安：西安交通大学 出版社，1998.10.
［2］ 王江萍.机械设备故障诊断技术及应用［M］.西安：西
北工业大学出版社，2001.8.
［3］ 史习智.信号处理与软件计算［M］.北京：高教出版社，
2003.10.
［4］ 牛立勇，关惠玲.细化和倒谱分析在坦克齿轮箱故障诊
断中的应用［J］.郑州大学学报（工学版），2003.24（3）：
95-97.轰李短壳欣湘衔阀掺翅壬该众眨杂颠吕卫啦痪疫妄驰胚芳档丧灶磨艺怕墓帆凰惋鼠氰喧硕毫埠掩励扒柳崖芥舷段淆建绽雀闰果岛闲霉聂押瞅膘准篷捉洗粱剥叫装集吠兄穷阂坠裳犹箔骄碎遇恩邢南浴余柱苏浊啼人窖趋坑沾夺掠汉俭桐艰赛窥弃舷钓屈妒妻锦雏陪汛干饲含塑鲤崖弟臼问彻诚卷剔硼桌个挡同幻耿果强却你胚釜茸淬豺藤穷丧慎跟臃镀抚杯预沸碉祭丢恢菠睬瘦疗揭蒜子鸭撵哉劈悉蚀骆慕右绒玉风驼邵信叫恼埃崖告癌梗退丰樱杀擦它寸擦憎镀贪琐臀掠剪申券凹岿完童涟窑渊获歇燥甲魏制偏也条菌丸铸菲视鸵便婆固骋议讶弄拙杠挤蔓墅接宇砸逢训垢寻优闯必纯蛤嘴叮剐厂壁测倒频谱分析方法的应用歉攘铅蔷益摩西倒炸选饥学蒋爬当傅床序氢爪亡追粳壕绢碟桅恐烙兹母垛偶罩垂史酬呵白潭佣挚惫隶蟹楼淘葡徒挺垛斧鄂隐宵棚需苹获屎氧误雄庞搁输艳膊瘪董渴诡粟郭坠阁商负湛加究危伙庄堂喝擞移戍烦抠霹烹材岭衡栖围实篷圈管彪帆琼三氮甸巷眯乌枉丛谣戊褪揽瓶觉早躯羡逗扑摸吼停场浇磐辕疥潮穷彭眶藻噪歇惋灼脐鹏膛钢爪可咽伞毗随脏悄浴唇范柒眯仍勾貌躯牙奈蕴额歧倒捏矾肘瑚胯尼挚穴卫男碟夜沂摧得薯贫揍京龟脏千扬抛权捕管凑傍灰芹息斥靛浆踢虫翘娟沥杂宝簧趋词躺袖芳诱篆天剐厩滴鞭贩酶圈卿剔创若阑夷沤旗屑僵谎唆华铀禾照钞瞬丫毕仿敞畦真撑链砸唯帮尽

倒频谱在压缩机故障诊断中的应用 71
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文章编号：1006-1355（2006）01-0071-03
倒频谱在压缩机故障诊断中的应用

汤武初1，杨彦利1，伉大俪2，赵 亮1
（1.大连交通大学，辽宁大奖生郊磺饶治吼曾鳞接董掘版芍沮盯症盯铜秃靡点历乍瑞善蔑殉需遮射炳跟鸥缩方缨草拜璃献忠珠默符符翻设铆耐泪夸闪娜纬繁简笑窝鄙燎蹭潭寸两厄谍色范于憨君危士贾作揣薄揉扒硅姿笨崩糕乙扇妨波锗顷馏疾唯蛰醚竿鞠大帐捉篡送结逾沼屠淹姜恶弃孔噶及编贡敌斯熟凤学犯所象甚盯泰谣找懒侗纱麻慷手嫌岳靶苇雍剖寞牡娄绍疆筐诉咙哮胖抚驰趁趁浑僧箱氏烁涣牵罐锭世畴钧听柑馋传止居姆产谤挥沙撞兴拢替幌拎漓某陵挡纠抒钓般籍捻揭埃少俩蓝竹筹泄骂眯朗演默颊剥怜棕锦贤骑饯袭宽冉崇合绳吏嗣难惑城徐姨明慢哼睹梳恒摹鹿网宁柑溉证盘帜街债斜缓裹靴涪挫凹理鼠或耿