某空压机共振故障的诊断与处理

张明悦，朱群伟，路 瑶

(1.92601部队，广东 湛江 524009；2.海军装备部广州局驻湛江地区军事代表室，广东 湛江 524005)

在对船用设备进行振动监测与故障诊断时，有时需要判断设备是否处于共振状态。此时，需要测量系统的固有频率。测量固有频率有多种方法，例如启停机分析、敲击法、扫频法、随机激励法等。敲击法简单方便，在测量船用设备固有频率时应用较多。一般采用力锤敲击，同时测量力信号和振动响应，计算系统的频响函数，根据频响函数的幅值谱和相位谱综合分析，估计系统的固有频率(幅值谱的峰值点和相位谱的突变点，满足2个条件才是系统的固有频率)。实际工作中，如果不需要估计系统的多个模态，仅仅是验证是否存在某个固有频率与主要激励频率一致，为了测试便捷，也可以不测量力信号，只测量敲击后系统的自由振动。因为噪声的影响，敲击响应峰值点中有许多虚假的固有频率。因此，减少噪声、提高信噪比很重要。

如果前噪声或者干扰难以在测量时排除，就需要在后续的信号处理时设法排除，否则可能得到错误的结论。分析强噪声条件下的冲击响应信号，需要采取多个步骤处理。第一步，根据单位时间内振动响应的峰值数量估算固有频率。如果多个频率成分突出，就需要进行第二步，截取一段时间信号进行频谱分析。首先分析敲击响应较为明显、信噪比较高时段的信号，得到敲击响应的频谱；再分析预触发时段的信号，得到噪声的频谱，从敲击响应的频谱中剔除噪声频谱中的主要频率成分。但是这种靠肉眼判断选择信号分析时段的方法，也只能大致估计固有频率。如果想得到更好的分辨率，则需进行第三步：根据分析的需要和第二步粗略分析的结果进行带通滤波，只保留关注的频段的信号，可以以粗略估计的固有频率为中心频率，设定带宽合理的滤波器，滤除其它频率成分。也可以根据噪声情况，采用小波降噪方法降低噪声。

文献[1-2]通过分析计算和冲击验证等方法，判断空压机机组的故障原因为基础共振，更换了减振器后降低机组振动。文献[3-7]在传统去噪方法的基础上提出了基于自适应形态学滤波等多方法联合降噪的新方式，为轴承故障诊断技术提供了一种有效途径。文献[8]总结出小波去噪参数选取的规律，并针对碰摩故障信号的消噪处理，研究得到最佳的小波参数组合。在对船用设备进行振动监测时，噪声不可避免。在早期的诊断实践中多采用频谱分析的方法，以现有数据和经验判断故障。而对于强噪声背景下的信号，上述方法难以解决问题，采用带通滤波和小波降噪等方法进行精确分析十分重要。因此本文将采用频谱分析、带通滤波和小波降噪的方法处理冲击响应信号，确定空压机固有频率，从而判断其故障。

1 空压机振动测量和故障分析

该空压机额定转速1 470 r/min。采用振动频谱分析仪VIBXPERT II测量振动。空压机各测点通频振动烈度(10～1 000 Hz频带内的振动速度均方根值)如表1所示。可以看出，横向振动烈度值过大，为垂向的2倍左右。图1为空压机缸盖的横向振动速度信号，振动幅值稳定，频谱中1倍转频成分突出。导致该振动问题的可能原因有共振、横向刚度不足或者转子不平衡。

表1 空压机通频振动烈度 mm/s

图1 空压机缸盖横向振动速度信号

2 固有频率测量和分析

为了检验是否是共振故障，采用敲击法测量系统固有频率。只测量敲击响应，不测量力信号。设定预触发测量。测量参数为振动速度，滤波频率范围为2～1 000 Hz，采样率Fs=2 048 Hz，测量时间共为5 s，预触发时间1 s。图2是在海上抛锚时测量的空压机敲击响应信号。传感器布置在空压机右侧机脚，敲击点在左侧机体。

图2 空压机的敲击响应信号

2.1 频谱分析

对不同时间段的信号采用傅里叶变换并进行比较，可以简单估计系统的横向固有频率。图2中1.0～2.0 s内为衰减信号，0～1.0 s内为噪声信号，在Matlab中将衰减信号和噪声信号进行傅里叶变换分别得到空压机的信号频谱图，如图3所示。

图3 空压机的信号频谱图

可以看出，衰减信号中较突出频率成分是2 Hz和20 Hz，噪声信号的主要频率成分为2 Hz。通过比较两频谱中的主要频率成分，可以简单确定系统横向一阶固有频率约为20 Hz。在23 Hz附近还存在峰值点，可能是二阶固有频率。由于分析时间较短，频率分辨能力较差。

2.2 带通滤波

在粗略预估固有频率的基础上，设计带通滤波器对原始信号进行滤波处理。选用窗函数滤波器，以20 Hz为中心频率，设置截止频率为10～30 Hz，阶数为300。图4为经过带通滤波处理后的信号。可以看出：采用带通滤波器不能完全去除噪声信号，频谱中最突出的频率成分为20.8 Hz，除此之外，比较突出的还有23.4 Hz。

图4 经过带通滤波处理后的信号

2.3 小波降噪

由于原始信号中含有低频和高频的噪声信号，可以采取小波降噪的方法进行处理。小波变换具有良好的时频局部化特性，可以保护有用的信号尖峰和突变信号，因此适合于瞬态和冲击信号中的噪声去除。

小波降噪的步骤可分为以下3步：① 选用db8小波，对含噪信号进行7层小波分解；② 观察并选取小波，得到各层的小波重构信号，如图5所示；③ 采用函数ddencmp生成信号的默认阈值，并采用函数wdencmp进行阈值去噪处理，得到去噪信号。

图5(f)与图4(a)较为相近，体现了多层小波分解和带通滤波器的原理一致。

图6为经小波降噪后的信号频谱图，与图4相比较可以看出：① 经过小波降噪处理后，噪声信号几乎被去除；② 频谱中23.4 Hz频率同样比较突出。

根据上述3种方法的分析可以得出，该系统的横向一阶固有频率约为20.0 Hz，二阶固有频率约为23.4 Hz。二阶固有频率与转频24.5 Hz很接近，导致共振故障。

图5 各层小波的重构信号

图6 经小波降噪处理后的信号频谱图

3 处理措施

根据振动故障的测量和分析结果，建议更换空压机隔振器，以改变系统的横向固有频率。更换后，在码头系泊时再次测量系统的固有频率。图7(a)是更换隔振器后空压机的敲击响应，衰减信号较为明显，信噪比较高。图7(b)为t=1～2 s时敲击响应信号频谱，可以看出频谱中突出成分非常单一，从而确定一阶横向固有频率约为34.0 Hz。图8为在空压机运转时缸盖的横向振动速度信号，振动烈度值为30.6 mm/s，比更换隔振器前减少54.6%。

图7 更换隔振器后空压机的敲击信号

图8 在空压机运转时缸盖横向振动速度信号

4 结束语

本文针对某空压机横向振动烈度过大的问题，在对含噪信号进行去噪处理的基础上确定了系统的一阶和二阶固有频率，从而判断出共振故障，并采用更换隔振器的方法降低了设备振动。另外，还可以得出如下结论：①系统的每一阶固有频率都应当得到重视，这对共振状态的判断有重要影响。②对含噪信号进行简单分时段频谱分析时，若分析时间较短，频率分辨能力较差，突出频率将不够精确。③带通滤波与小波降噪均可实现降噪目的，虽降噪效果不一，虽并不影响对主要突出频率的判断。④监测振动时，应尽量在低噪条件下测量信号，争取从源头降噪，以便于后续的振动分析。