压缩机振动信号频谱分析与故障诊断

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1、万方数据2008年第36卷第8期石油机械CHINAPETROLEUMMACHINERY一63一．一检测诊断◆往复式压缩机振动信号频谱分析与故障诊断+王江萍鲍泽富(西安石油大学机械工程学院)摘要从频域分析的角度入手，将机械设备故障诊断常用的频谱方法进行有机综合，以幅值谱和功率谱作为基本分析方法，以自回归谱和频率细化技术作为必要补充，对压缩机的振动信号作分析处理，进而提取反映压缩机工作状态的特征信息。介绍了离散傅立叶变换、自功率谱和自回归模型及自回归谱的基本原理。诊断的原理是将采集的离散信号输入到编制好的频率分析软件中，得到所要求的时域、频域图，再对各图形进行分析比较，进而判断压缩机的状态

2、。系统在对故障诊断时达到了预期效果，即初步确定了压缩机的故障状态。关键词往复式压缩机频谱分析幅值谱功率谱傅立叶变换故障诊断引言往复式压缩机是工业工程中使用最广泛的机器之一。由于自身结构特点和运行工况的复杂性，压缩机工作时必然会产生振动，其内部零部件的性能状态信息通过一定的传递途径反映到壳体表面的振动信号中，故利用振动信号对压缩机进行不解体故障诊断是行之有效的方法之一⋯。笔者将从频域分析角度人手，对压缩机的振动信号作分析处理，进而提取反映其工作状况的特征信息，对压缩机的工作状态作出准确判断。将机械设备故障诊断常用的频谱方法进行有机综合，以幅值谱和功率谱作为基本分析方法，以自回归谱和频率细

3、化技术作为必要补充，分析能够说明问题，具有实际应用价值。往复式压缩机的振动分析作为一种典型的往复机械，往复式压缩机的振动主要由曲柄连杆机构运动引起的振动、气体的脉动、各部件之间的周期性撞击等组成，各种振动都会使机体产生周期性脉动‘2

4、。图l所示的阀盖振动信号中含有冲击成分，冲击源主要是进、排气阀以一定的频率撞击阀座所产生的激励，周期性、间歇性的进、排气引起管道内气体压力脉动所产生的气体压力波等综合响应。振动能量是许多冲击信号在所测点叠加的结果，各信号相位不同，传到测点的时间也不同。因此，叠加的结果可能使振动本应减弱的部分在某些频率上的能量变得很大或使振动本应加强的部分在某些频率上的能量

5、变得很小。正常信号的脉动特征在设备出现故障时会有所改变，其表现形式是谱图的能量分布及峰值的变化。>E＼出脚遥馨时阅／m5图1往复式压缩机阀盖振动信号振动信号的频域分析方法频谱分析中常用的有幅值谱和功率谱。另外，自回归谱也常用来作为必要的补充。频率细化技术木基金项目：陕西省自然科学基金项目“石油钻井过程安全预警与多源信息融合智能监控技术研究”(2006E12)；中国石油天然气集团公司石油科技中青年创新基金项目“钻井安全诊断及主动防范系统网络控制技术平台构建”(05E7040)；陕西省教育厅专项科研计划项目“基于信息融合的钻井过程事故智能监控与预警技术”(07JK365)。万方数据一64一

6、石油机械2008年第36卷第8期(ZOOM技术)用于提高局部频段频谱分析的分辨率一。，笔者采用这4种谱分析方法对压缩机的振动信号进行频谱分析及故障诊断。1．离散傅立叶变换及快速傅立叶变换IFFT)算法傅立叶变换是一种将信号从时域变换到频域的变换形式。离散傅立叶变换(D耵)是连续傅立叶变换在离散系统中的表现形式，而快速傅立叶变换(F耵)算法一。是快速计算DFT的一种高效方法。设时域离散信号为菇(n)，，l=0，l，⋯，Ⅳ一1，其傅立叶变换为x(七)，则，v—lx(后)=y戈(n)e啦删Ⅳ七=o，l，⋯，Ⅳ一1(1)茁(几)=专∑x(J

7、})∥删n=o，1，⋯，Ⅳ一1(2)』V正02．基于

8、复调制的高分辨率傅立叶分析方法基于复调制的高分辨率傅立叶分析方法是一种频率细化技术，包括数字频移、数字低通滤波、重采样(选抽)、快速傅立叶变换等处理步骤。假定要求以给定的频率分辨率△，分析信号中心频率为凡的频谱，为获得分辨率△F，输入信号的时间记录长度应为丁，=1／△F，输入采样点数Ⅳd，其中M=L／瓦=F。／△F(瓦为采样周期，几为采样频率)。设数字信号‰(n)的离散频谱为凰(

9、j})，对‰(厅)以e一口”Ⅳ7进行复调制，得到数字信号髫(凡)为2督一2fn茗(n)=茗o(n)e1了’咿=省o(n)e1箴希4(3)根据离散傅立叶变换的频移性质，戈(n)的离散频谱为X(七)=墨(后+R)

10、(4)频移信号髫。(n)通过低通滤波器后，在时域以丁，D进行同步选抽(D为放大倍数)，频域上频谱周期从B缩短为F。／D。频率细化法获得的分辨率比同样点数的FFT分析提高了D倍H】。3．自功率谱根据维纳一辛钦定理，自相关函数尺，(r)和自谱密度．s；(∞)是一傅立叶变换对，即，+∞s。(∞)=JR，(丁)e伽dr(5)一一。1，+o尺，(r)=圭Js，(∞)∥d∞(6)二丌J一。根据巴塞伐定理，同一个信号在时域内所包含的总功率应等于频域中所包含的