包络分析课件.ppt

1、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 什么是“包络谱” 图 ?Y-轴单位轴单位: 振幅振幅 X-轴单位轴单位: 频率频率 (cpm or Hz)“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

2、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。 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

3、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

4、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。包络谱图: 轴承缺陷模拟器图图1 典型球轴承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

5、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) 图图2 外圈缺陷引起每个滚动体通过时产生一个冲击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。因为这些模拟器是基于每

6、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 RPMBSF 滚动体频率1.5 4.5 x RPM2xBSF 2x 滚动体频率 3 - 9 x RPMBPFO 滚动体通过外圈频率2.5 - 9 x RPMBPFI 滚动体通过内圈频率 4 - 13 x RPM你将在常见的轴承上发现这些典型的频率范围。 一些

7、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

8、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。 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 1Fig21) 装配轴承固有的, 或 “共振”频率

9、(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

10、 (基于冲击之间的周期)，同时过滤掉发现的任一正弦运动。 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 ） 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

11、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)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

12、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。图图1 与轴承冲击有关的时域波形与轴承冲击有关的时域波形在让我们看看 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

13、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 ?图图 2 如图如图1的信号在的信号在FFT的显示结果的显示结果图 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。图图 4图图 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。 “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

14、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。 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

15、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 cpm0.16 37,200 cpm 0.28 42,600 cpm

16、 0.30 48,000 cpm 0.18 53,400 cpm 0.10 58,800 cpm 0.06 64,200 cpm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)。 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

17、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 ? 0.05 31,800 cpm 0.16 37,200 cpm 0.28 42,600 cpm 0

18、.30 48,000 cpm 0.18 53,400 cpm 0.10 58,800 cpm 0.06 64,200 cpm 上方上方: : 产生产生FFTFFT的信号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

19、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 ? 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

20、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 包络谱包络谱冲击频率: 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基于基于 dB 的包络谱的包络谱图2中 (和图1除了

21、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

22、影响)。 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

23、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):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。