时域波形分析在故障诊断中的重要性

郭伟 贺佳

作者通联：郭 伟 金川公司化工厂 甘肃金昌市 737100

振动分析作为旋转机械状态监测与故障诊断的重要手段，在工矿企业得到了推广与应用，尤其通过振动频谱分析查找故障的原因已为大多数现场技术人员所接受，但许多人在进行分析时往往忽略对时域波形的分析，认为从时域波形上很难查找故障的根源，出现了重频域轻时域的现象，在此通过两个典型的实际案例说明时域波形分析的重要性。

振动分析首先通过数据采集器采集振动信号，一般得到的原始数据都是时间波形的形式，时间波形直观，易于理解，对某些故障信号波形有明显的特征，因此可以利用时间波形先作分析，如不平衡、不对中及冲击等在时域波形上表现得最为明显。

案例一 某矿山皮带输送机，结构简图见图1，电机为4极电机，耦合器输出轴的1轴转频24.4Hz，2轴转频11.93Hz，3轴转频2.56Hz，4轴转频0.622Hz,第一级啮合频率634.4Hz，第二级啮合频率179.5Hz，第三级啮合频率41Hz，设备在运行时齿轮箱内有“当当”的异常响声，现场观测响声每分钟52次左右，停机打开减速箱检查轴承、齿轮，没有发现异常，重新安装好，开机仍有异响。

图1 皮带机结构简图

从图2的减速箱振动加速度时域波形可以清楚地看到每隔1.17s有一个冲击,每分钟51.3个冲击,和观测到的异常响声相符,而在加速度频谱图（图3）中则看不到任何0.85Hz（周期1.17s）的成分，从频谱图中可以看出第二级啮合的啮合频率179.5Hz及其倍频比较突出，说明第二级啮合存在问题，但只从频谱图中根本无法看到更无法解释冲击故障的来源。

图2 减速箱振动加速度时域图

图3 加速度频谱图

冲击异响的来源是第二级啮合的两个齿轮中有一对齿啮合不当所致，把第二级啮合3轴上大齿轮的齿编号1#到70#，2轴上小齿轮的齿编号1#到15#，假设两个齿轮上都是编号为1#的齿存在缺陷，那么1#—1#进入啮合时将产生冲击，等到下次1#—1#两个齿重新啮合到一起又产生冲击，两个齿重新进入啮合的周期为两个齿轮齿数的最小公倍数（210）除以大齿轮齿数（70）再乘以 3轴的转动周期（0.39s），即3轴大齿轮（70齿）旋转3圈，或2轴小齿轮（15个齿）旋转14圈，3轴旋转3圈的时间正好1.17s，与齿轮箱异响的时间间隔相符。把这种故障定义为追逐齿故障（或齿摆动故障），而产生齿轮追逐齿故障的原因一是在齿轮加工制造时产生，二是现场安装处理不当所致，经与齿轮箱生产厂家交流，产生故障的原因正是来自齿轮加工制造过程中，更换齿轮后异响消失，设备运行平稳。此例说明如果只从频谱分析去查找故障的根源几乎是不可能的，必要时结合时域波形分析可以看到真实的振动状况，方便查找故障的根源。

案例二 某离心风机结构图见图4，电机转速2993r/min,增速箱齿数比102∶55，风机转频92.5Hz，增速箱振动速度波形频谱图见图5，振动速度有效值达到26.42mm/s，振动严重超标。频 谱 图 中 振 动 主 要 频 率 有 1202.8Hz、5.313Hz、7.188Hz和185Hz，185Hz为风机转动频率的2倍频，检修时通过对齿轮的敲击测试发现1202.8Hz为大齿轮的固有频率，从振动时域波形上看存在明显的周期为1.1s（0.9Hz）的脉冲及其1/2周期脉冲，5.313Hz和7.188Hz为0.9Hz的倍频成分。为突出低频成分采集振动位移信号，其频谱图见图6，时域波形上1.1s周期脉冲及其1/2周期脉冲更加突出，频谱图上主要频率成分为0.9Hz的几个谐波频率，结合案例一从频谱图上可以判断齿轮存在追逐齿故障，但产生此故障的原因单从频谱上还很难确定，需要结合时域波形分析去查找故障的根源。

图4 风机结构简图

图5 增速箱振动速度波形频谱图

图6 增速箱振动位移波形频谱图

图7 增速箱两侧联轴器不对中的高点同时进入齿轮啮合

图8 电机与增速箱对中的低点和增速箱与风机对中的高点同时进入齿轮啮合

0.9Hz频率为齿轮的摆动故障频率，为两个齿轮（102齿和55齿）上的两个齿重复进入啮合的周期，即大齿轮（102齿）转动 55圈的时间（1.1s），产生此故障的原因是低速齿轮和高速齿轮都有故障，高、低速齿轮的各自的故障齿同时进入啮合时，将对振动产生最大的影响，造成齿轮故障的原因初步分析来自增速箱两侧联轴器的不对中，当两个联轴器不对中的高点同时进入齿轮啮合时（图7），将产生最大的振动，当小齿轮转动51圈，电机与增速箱对中的低点和增速箱与风机对中的高点同时进入齿轮啮合时（图8），同样产生最大的振动，这与时域图中看到每1.1s周期内有两个比较明显的脉冲相符，由于齿轮啮合不当激起大齿轮固有频率1202.8Hz的振动。检修证明两侧联轴器均不对中，与诊断结果相符，调整后振动明显降低。

通过以上的两个案例可以看到时域波形分析在故障诊断中的重要性和必要性，时域波形作为振动分析最原始的信号提供了最为真实、全面的信息，并且不会像频谱分析由于变换而丢失信息，因此在故障分析与诊断中，采用频谱分析与时域波形分析相结合，会使诊断结果更准确。