时间波形在故障诊断中的应用

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本文详细介绍了在实践中如何设置、获取和处理时间波形数据。还探讨了如何解释时间波形数据，包括时间和频率的关系、对称性、常见故障模式。

1、频率计算

式中，f 为频率，单位Hz；p 为时间周期，单位S（一周需要多长时间）。

这样，就可以从原始波形数据推算出频率。

例如：

上面时间波形是从转速1785的泵上采集的。两个冲击之间的时间间隔为 0.0337s。从这个信息能够推算出对应的频率。

这说明冲击的频率是1XRPM。

大多数情况下，如下图所示，时间波形是比较复杂的，所以推算频率非常困难，不推荐上述办法。

大多数情况下的时间波形数据通过特征识别的规则和频率推算（时间波形中的主要分量），可以得到有效利用。

2、何时使用时间波形
在以下应用场合，时间波形可以有效的提高频谱信息：

  · 低速设备（低于100RPM）；

  · 当冲击发生时，指示真实的幅值。例如评估滚动轴承缺陷严重程度；

  · 齿轮；

  · 滑动轴承设备X-Y非接触传感器（双通道轴心轨迹）；

  · 松动。

3、何时不使用时间波形
时间波形可应用于任何振动故障。在某些情况下，频谱和相位数据就能很好的说明故障原因，不用再使用复杂的时间波形数据。例如：不平衡（正常转速设备），不对中（正常转速设备）。

4、时间波形设置
成功分析时间波形数据的关键是设置仪器，需考虑：测量单位，采样周期，分辨率，平均，窗。

(1) 测量单位

幅值测量单位应该根据感兴趣的频率进行选择。下面图例显示了，选择不同测量单位会影响数据的现实。每个图例都包括3个频率成分：60Hz，300Hz，950Hz。

这个数据采用位移单位， 注意低频60Hz是突出的。

相同数据采用速度显示，注意300Hz更为明显。

相同数据采用加速度显示，注意低频成分减少而高频成分突出。

(2) 采样周期

对于多数分析工作，仪器应该设置成被测轴的6-10周时间。采用周期可以使用下面计算公式

总采样周期(s)=60×周/被测转速

不同转速下常用的采样周期

在采集时间波形数据时，有些仪器不支持设置时间周期。对于这些仪器，可以设置另一个等效的参数FMAX，FMAX可以使用下面公式计算

FMAX(CPM)=线数 XRPM/#被测周期

不同转速下1600线时采用的FMAX

(3) 分辨率

对于时间波形分析建议采用1600线（4096采样点），可以保证采集到数据有足够的进度且不遗漏关键信息。

(4) 平均

大多数采集器的平均是在FFT过程中实现的，除非使用了同步时域平均（注：一种时域的信号处理方法），屏幕上的时间波形被持续地平均，即便仪器选择了多重平均的功能。通常只是做一个简单的平均，要严禁重叠式的平均，以免发生信号的相互抵消。同步时域平均方法可以同步从一个轴系获取的数据，在疑似断齿的诊断中，可用来定位断齿相对于参考记号的位置。对于往复机械，可用来定时一个曲柄机构的相关事件。

(5) 窗函数

在时间波形数据上加窗。这样会使数据开始于0点，采样后可能丢失数据。为了减少这种影响，应该采用矩形窗。

5、波形应用
下图中经典的正旋波很难在加速度时间波形中看到，这是因为加速度主要针对振动信号中的总是存在的高频成分。这种故障主要是低频信号，如转子不平衡。

下图中的加速度波形就是比较有代表性的振动信号了，注意高频成分叠加在低频成分上。

虽然不对中在时间波形中典型特征是M(-180°) 和W(0°或180°) 型，但是不能仅仅依赖于此。1XRPM和2XRPM之间的相对相位决定波形的形状。

不对中的典型波形特征

下图是不太一样的时间波形，1XRPM和2XRPM相对相位差90°。

下图中的时间波形，1XRPM和2XRPM相对相位差-90°。

观察时间波形时，幅值在中心线上下是否对称很重要。对称数据说明机组以其中心等幅运动；不对称数据说明机组运动受到约束限制，可能是不对中或摩擦。

下图中，0中心线下是不对称的。负的幅值明显高于正的幅值。这是由不对中造成的。图中的标记显示的是1XRPM。

上图时间波形可以看到1XRPM标记。波形虽然复杂，但是是重复的1XRPM，这说明振动是与RPM同步的，下图是非重复的非同步振动。

下图中是两个振动频率，非谐波关系（58Hz和120Hz）。当2级电机有电磁嗡嗡声时，会产生该信号。

高频成分“叠加”在其它波形上。可以看到在低频成分周期内，高频成分的起点不总是相同， 好像“叠加”在其它波形上，这样导致对称性丢失。

下图中，乍一看时间波形中有很大的冲击，有的地方间距相似。水平轴的单位是时间。

使用1XRPM 标记功能，发现主要的冲击很接近转速周期。但是仔细观察，冲击是非同步的，这是由轴承内滚道上一个大的缺陷产生的。当缺陷进出轴承负载区时，产生了冲击幅值变化，下图为对应的频谱图。

时间波形另一个很有效的应用是拍振和调制。上述现象的声音特征很明显，要捕捉这种信号仪器中应设置4-5个周期的时间长度。

上面时间波形中拍振时间间隔0.5s，对应的拍振频率为120CPM。这是两个振源的频率差。这个拍振是异步电动机的2XRPM和2XFL振动引起的。

当冲击的信号进行FFT处理时，振动的真实幅值往往会大大减少。下图是 1800RPM机组上故障滚动轴承的时间波形，图中有随机的冲击，幅值超过6g pk。波形的形状往往看起来是一个大的尖峰后，后面慢慢衰减。

谨记时间波形只能增加频谱的信息，决不能替代之。

原文链接：
https://reliabilityweb.com/artic ... e_waveform_analysis

来源：原文来自：Reliabilityweb官网，原题：An Introduction to Time Waveform Analysis。原作者：Timothy A Dunton。