加速度包絡檢測技術及應用案例分析
（渤海石油工程公司 天津，300452）
加速度包絡檢測技術是通過對設備振動信號的特定處理，提取相應高頻信號單獨分析的一種檢測技術，本文主要討論它的基本原理、頻譜圖特徵以及用加速度包絡檢測技術判斷多種設備早期故障和案例分析。
關鍵詞：加速度、包絡檢測、包絡頻譜圖、早期故障、故障特徵、案例分析
引言
如果說頻譜分析技術可以預知設備故障作用，那麼包絡檢測技術則可以起到預知設備故障徵兆的作用，它是判斷設備早期故障的重要手段；該項技術結合速度頻譜分析，可以對旋轉設備多種故障做到掌握它的早期發生、發展，準確判斷設備故障嚴重程度，從而實現設備故障的預防、預測。
一.加速度包絡檢測技術
什麼是加速度包絡呢？加速度包絡是用來提取幅值較低高頻衝擊信號的一種技術手段，它通常包括以下三個步驟：
（一）濾波（通常用帶通濾波器）
在通常採集到的頻譜圖中，高頻衝擊所產生的小幅值信號會湮沒在由不對中、不平衡、鬆動、葉片通過頻率等產生的幅值較高的低頻信號中；然而這部分被湮沒的信息是判斷設備早期故障的重要依據；為此根據設備的不同轉速以及被測試設備的不同類型選取不同頻寬的濾波器，可以把高頻時域波形信號拿出來單獨處理。如圖一中的圖（1）、圖（2）所示。
（二）包絡檢波
將通過帶通濾波器的時域波形信號通過包絡檢波器，把周期性信號提取出來。圖一中的圖（2）至圖（4）解釋了包絡檢波對時域波形的處理過程：
圖一
通過包絡檢波後周期性的高頻小幅值衝擊信號被提取出來，這些信號通常是由軸承早期故障、齒輪早期故障、電機轉條故障、轉子摩擦、軸承潤滑不良等原因造成。
（三）傅立葉變換
把通過濾波器和包絡檢波的時域波形信號通過傅立葉變換得到其頻譜圖。傅立葉變換公式如下：
1）傅立葉正變換
2）傅立葉逆變換
在包絡檢測技術中用到的是傅立葉逆變換，即：從時域到頻域的變換。包絡檢測信號處理基本過程如下圖所示：
圖三與圖四分別是同一軸承同一測點的加速度頻譜圖、加速度包絡頻譜圖。在加速度頻譜圖(圖三)中，雖然我們能看到某些頻率的峰值（2000HZ內），但這些峰值看起來分布的比較雜亂，我們不能確定它的來源；在加速度包絡頻譜圖（圖四）中可以清晰的看到軸承的缺陷頻率及其諧頻。
二 加速度包絡頻譜圖的信息組成
在實際得到的包絡頻譜圖不僅包括周期性衝擊信號，它還可能包括以下四部分信息：
一、地腳噪聲
地腳噪聲應包括兩部分：儀表噪聲與振動噪聲，儀表噪聲通常很小可忽略不計，振動噪聲實際上是寬頻率範圍內的振動，而非真正的噪聲，通常以下幾個原因會產生包絡頻譜圖中的振動噪聲：①滾動軸承潤滑不良，②滾動軸承均勻磨損，③滾動軸承疲勞剝落。④滾動軸承安裝不當，⑤設備介質為高壓高速氣流。⑥齒輪、螺杆嚙合不良。
二、周期性衝擊信號的邊頻
周期性衝擊信號的邊頻通常包括以下幾種：①滾動軸承組件運轉頻率，②設備工頻或轉子運轉頻率，③線頻率。
三、工頻及其諧頻
工頻及其諧頻產生的原因通常有兩個：
①有時鬆動信號的諧頻會達到工頻的20－30倍，此時有部分高倍諧頻會在選擇的帶通濾波器範圍內，這樣通過包絡解調後，鬆動信號會被作為高頻周期衝擊信號處理，表現在頻譜上就是設備的工頻及其諧頻；出現這種現象應先確認設備是否存在鬆動故障、排除鬆動故障，然後進行再次測試。
②往復機械上測點的包絡頻譜圖中往往也會有工頻及其諧頻成分，它產生的原因與往復設備自身周期性的往復運動特點有關，實際上這種周期性的往復運動就會產生周期性衝擊信號，這正是包絡檢測關心的部分，因而會在包絡頻譜圖中清晰的看到。
四、固有頻率
設備運行過程中的振動往往會激發設備本身或其運轉部件的固有頻率。
三 加速度包絡檢測技術應用案例分析
根據加速度包絡檢測技術可以檢測到的信息，可以檢測到以下設備故障：
①滾動軸承潤滑不良
特徵與現象：其包絡頻譜圖表現為地腳噪聲較高，通常伴有軸承溫度升高，添加潤滑脂後運行狀態明顯改善。
實例：某平臺原油外輸泵非驅動端軸承潤滑不良時的包絡頻譜圖
添加潤滑脂後，包絡頻譜圖中的地腳噪音下降到原地腳噪音的十分之一；下圖為添加潤滑脂後的包絡頻譜圖。
②滾動軸承均勻磨損
特徵與現象：其包絡頻譜圖表現為地腳噪聲較高，通常伴有軸承溫度升高，添加潤滑脂後運行狀態短暫改善或無改善。
實例：某平臺注水泵電機驅動端軸承均勻磨損時的包絡頻譜圖
③滾動軸承疲勞剝落
特徵與現象：其包絡頻譜圖表現為地腳噪聲有一定增長，並出現軸承缺陷頻率及其諧頻。
實例：某油氣處理廠循環水泵泵驅動端軸承疲勞剝落時的包絡頻譜圖，圖示部分為軸承故障缺陷頻率及其諧頻。
④滾動軸承安裝不當
特徵與現象：其包絡頻譜圖表現為地腳噪聲有一定增長，並出現軸承缺陷頻率。這種情況通常出現在設備檢修後。
實例：某平臺原油外輸泵泵驅動端軸承安裝不到位時的加速度包絡頻譜圖 4
⑤齒輪齒面磨損、疲勞剝落
特徵與現象：其包絡頻譜圖表現為地腳噪聲較高，齒輪嚙合頻率峰值增長，嚙合頻率邊頻增加，嚙合頻率諧頻增加。
⑥齒輪斷齒
特徵與現象：其包絡時域圖主要表現為周期性的衝擊峰值。包絡頻譜圖出現斷齒轉子的轉頻及其諧頻。
實例：某平臺原油外輸泵（同步齒輪傳動的螺杆泵）齒輪斷齒時的包絡頻譜圖、包絡時域波形圖，圖示部分為轉子工頻及其諧頻。
圖示部分為斷齒嚙合時產生的周期性衝擊值。
⑦齒輪嚙合不良（齒輪安裝不當）
特徵與現象：其包絡頻譜圖表現為地腳噪聲較高，齒輪嚙合頻率峰值較高，嚙合頻率邊頻豐富，嚙合頻率諧頻較多。這種情況通常出現在設備檢修後。
實例：某浮式儲油輪熱介質提升泵（齒輪泵）齒輪嚙合不良時的加速度包絡頻譜圖，圖示部分為齒輪嚙合頻率及其諧頻。
⑧電機電氣故障
特徵與現象：其包絡頻譜圖表現為出現電源線頻率的兩倍及其諧頻，出現轉條通過頻率及其邊頻。
實例：某油氣處理廠原油外輸泵A電機轉子轉條故障或轉子偏心，圖示諧頻部分為電源線頻率的兩倍及其諧頻。
⑨螺杆壓縮機螺杆嚙合故障
特徵與現象：其包絡頻譜圖主要表現為地腳噪聲增長，螺杆嚙合頻率峰值增長，螺杆嚙合頻率邊頻增加，螺杆嚙合頻率的諧頻增加。
實例：某採油平臺空氣壓縮機螺杆表面磨損時的加速度包絡頻譜圖，圖示諧頻部分為螺杆嚙合頻率及其諧頻。
參考文獻
虞和濟、韓慶大、李沈等編著 《設備故障診斷工程》。
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