VibroMaster大型旋转机械振动在线监测与故障诊断系统

  VibroMaster大型旋转机械振动在线监测与故障诊断系统系统是一款旋转机械振动信号实时采集，实时分析与实时显示的专业化多视图振动信号分析系统，支持设备振动信号稳态分析以及启停瞬态分析功能。系统采用了最新的计算阶比跟踪技术（Computed Order Tracking-COT）、时域同步平均技术（Time Synchronous Averaging-TSA）以及故障特征增强技术（Symptom Enhancer Algorithm-SEA），为各种类型旋转机械振动监测和故障诊断提供有效的解决方案。系统提供了波形图、频谱图、包络频谱图、阶比谱图、全谱图、Bode图、趋势图、极坐标图、轴心轨迹图、轴中心位置图、三维层叠图、三维瀑布图、Circular圆周图等近三十多种专业的振动信号分析图谱，满足大型汽轮发电机组、水力发电机组、风力发电机组等大型旋转机械振动测试和分析诊断需求，也支持电机、风机、水泵等通用辅机的振动分析的需要。

1、计算阶比跟踪技术（COT）

    振动分析是旋转机械故障诊断中应用最有效也是最广泛的方法，振动信号中蕴含着丰富的机械运行状态信息，借助这些信息可以有效地对旋转机械的大部分故障进行准确的分析和诊断。

    傅里叶变换是一种有效的信号分析方法，是振动信号频域分析的基础。但是傅里叶变换仅适用于稳态振动信号分析，对于升降速等瞬态信号，直接进行傅里叶变化会存在“频率模糊”现象。为了解决这一问题，更好地对旋转机械的非平稳信号进行分析，揭示其局部特征，尤其是其频率随时间变化的规律，产生了阶比分析技术。

    阶比分析方法源于振动信号角域重采样理论，其关键在于实现非平稳信号的等角度整周期采样，将时域的非平稳信号转换为角域的平稳信号。等角度采样要求在设备每一个转动周期内等角度间隔的采集相等的采样点数，从而保证旋转机械振动信号整周期同步采样。

    为了实现旋转机械振动信号阶比分析，需要对振动信号进行阶比跟踪采样，目前主要由2种阶比跟踪方法：硬件阶比跟踪技术和计算阶比跟踪技术（Computed Order Tracking, COT）。

    硬件阶比跟踪技术直接通过模拟设备来实现振动信号的等角度采样，模拟设备包括锁相环、倍频电路和跟踪滤波器（抗混叠滤波器）。由鉴相装置产生触发脉冲，倍频电路产生一个与其成比例的倍频信号来控制采样速率和模拟跟踪滤波器的截止频率，从而保证了振动信号的等角度间隔采样。硬件式阶比跟踪方法实时性好，在转速变化平稳时可以实现精确同步采样，但是升降速等变速阶段，其跟踪精度会明显降低；并且，由于需要采用截止频率随转速不断变化的抗混叠滤波器，结构复杂，设备成本高，目前在国外主流的振动分析仪器中已经不再使用这一技术。

    计算阶比跟踪技术是一种利用数字信号处理技术实现的阶比跟踪方法，通过同步采集旋转机械振动信号和转速脉冲信号，借助于信号重采样和数字滤波技术，通过每转动周期内插入阶比重采样时刻来实现振动时域信号的角域等角度采样。计算阶比跟踪技术是当前国外使用最广泛的阶比分析方法，在Siemens、Bently、B&K、NI等公司的商业软件中得到了广泛应用。

    下图为计算阶比跟踪技术的实现原理框图。

图1 计算阶比跟踪技术原理框图

    下图为变速信号普通的频谱分析结果与应用计算阶比跟踪技术后的频谱分析结果对比（右侧使用了COT）。左侧的频谱是一个连续谱，无法辨认具体的频率成分，右侧为幅值稳定的一阶转频的频率成分。

图2 变速情况下普通的频谱分析与阶比分析结果对比

    VibroMaster信号采集和分析系统基于计算阶比跟踪技术实现，提供了对变速转动机械振动信号采集和信号分析的支持，适合汽轮发电机组启停阶段以及风力发电机组振动信号分析与故障诊断。

2、时域同步平均技术（TSA）

    时域同步平均分析（Time Synchronous Averaging, TSA）是一种重要的振动信号预处理技术，可以消除与给定频率（如某轴的回转频率）无关的信号分量, 包括噪声和无关的频率成分信号, 提取与给定频率有关的周期信号, 因此能在噪声环境下显著提高分析信噪比。TSA技术常用于齿轮箱振动信号分析，用于抑制和消除与转速无关的信号，强化与转速相关的频率成分，可以用于齿轮箱齿轮相关早期故障信号的特征提取（齿轮缺陷或者故障的特征是转频相关成分表现明显），从而提前发现齿轮存在的缺陷，提高齿轮故障诊断的及时性和准确性。

    下图为TSA技术的实现原理。

图3 TSA技术原理

    VibroMaster支持时域同步平均分析功能，提供了时域同步平均波形图和时域同步平均频谱图。

3、Circular圆周图分析技术

    Circular圆周图分析技术是基于时域同步平均波形分析技术TSA基础，经过信号处理发展形成的一种直观的可视化的振动故障分析和定位技术，常用于齿轮箱或者滚动轴承故障分析。

    采用Circular圆周图可以直观的观察齿轮箱的齿轮啮合情况，判断有没有断齿的发生，也可以直观的观察滚动轴承部件故障（内圈、外圈等）时的冲击特性。

图4 齿轮存在断齿时的Circular圆周图

图5 轴承存在外圈缺陷时的Circular圆周图

    VibroMaster支持Circular圆周图分析技术，提供了齿轮箱和滚动轴承的Circular图分析。

4、故障特征增强技术（SEA）

    故障特征增强技术（Symptom Enhancer Algorithm, SEA）是一种用于提取强背景噪声下微弱的振动故障特征信号的技术，比如轴承滚道早期损伤的微弱冲击特征信号。SEA技术应用主要是针对滚动轴承、齿轮这类设备或者部件的早期故障识别，可以帮助用户更早更准确的发现和识别潜在的故障。

    下图为应用SEA技术前后的振动信号冲击特征的对比效果。

图6 故障特征增强前后的振动波形对比

    VibroMaster提供了振动信号故障特征增强技术的支持，可以帮助客户提前发现测试信号中潜在的早期故障特征。

5、包络解调技术

    电机、风机、水泵等重要辅机中存在大量的滚动轴承、齿轮箱等部件，此类设备或者部件振动信号具有时变性、强噪声、频率成分复杂的特点，频谱中既包含齿轮箱部件（太阳轮、行星轮、齿圈等）、轴承部件（内圈、外圈、滚动体等）自身的特征频率，又包含各个齿轮副的啮合频率，以及动力输入和负载设备的振动耦合信息。此类设备的齿轮箱及轴承部件早期缺陷引起的周期性冲击脉冲信号往往被掩盖在背景噪声下，形成信号调制，不容易被提取。

    包络解调技术（共振解调）解决了这类振动信号中低幅值、低能量的重复性冲击脉冲信号提取问题，这类小能量冲击信号常常被高幅值的低频信号（如转子的转动频率信号、不对中频率特征信号等）所掩盖，包络解调通过一个带通滤波器，提取这些低幅值的周期性冲击信号，将这些冲击信号移频至低频段，使用Hilbert变换或者复解调技术实现包络波形提取，再对包络解调信号进行FFT变换，得到包络谱，实现对滚动轴承、齿轮箱故障的诊断。

    下图为包络解调分析前的原始加速度振动信号与应用包络解调技术后得到包络加速度信号。

图8 原始加速度信号与包络解调加速度信号对比

    VibroMaster支持数字包络解调技术，用于滚动轴承、齿轮箱这类设备的振动分析与故障诊断，同时，系统还采用数字包络解调技术与计算阶比跟踪技术相结合，实现阶比包络解调信号计算，准确提取变转速设备齿轮箱、轴承部件缺陷特征频率（外圈、内圈、啮合、边带频率等）。

图9 阶比包络解调分析

6、VibroMaster功能介绍

    VibroMaster采用实时信号采集、实时信号分析、实现信号显示的模式，实现了各种类型旋转机械的振动信号采集和分析，采用多视图方式，支持同时打开多个振动分析图谱，方便用户对设备振动状态进行综合分析与诊断。

    VibroMaster支持旋转机械瞬态启停分析（Bode图、极坐标图等），如大型汽轮发电机组，支持普通设备的稳态分析，如工频运行的风机、水泵设备；

    VibroMaster采用设备树结构，按照工厂-设备-测点方式进行实时和历史数据管理，结构清晰。支持任意数量的外部键相通道+1个模拟键相通道+任意数量的无键相通道振动信号采集与分析；

    支持多通道离线信号采集、在线信号采集以及手持式分析仪信号采集和振动历史数据导入；

    VibroMaster兼顾了大型滑动轴承类机组（大型汽轮发电机组、大型压缩机组、燃气机组等）和通用滚动轴承类转动机械（如含滚动轴承、齿轮箱的电机、风机、水泵等）的振动信号采集与分析诊断功能；

    集成国内外常见轴承制造厂商多达2万多条轴承数据库信息，支持轴承故障特征频率计算、特征频率标注和诊断功能；

    VibroMaster采用大型数据库存储技术对实时采集的振动特征量静态数据和波形频谱类动态数据以及历史数据进行管理，提升了历史数据查询和管理能力；

    VibroMaster支持灵活的频带光标标注方式，包括自由光标、转频谐波光标、中心频率谐波光标、边带谐波光标、轴承部件故障特征频率光标、齿轮故障特征频率光标等，自动识别转频谐波、轴承故障特征中心频率谐波、轴承故障特征边带特征谐波以及齿轮啮合谐波等频率成分，支持各种光标位置的上、下、左、右键调整，支持频谱图自定义特征标注功能；

   支持线性坐标和对数坐标切换；

   支持每个振动通道同时进行非阶比分析、阶比分析、包络解调和阶比包络解调分析，并且支持同步存储上述四种振动分析对应的振动波形和频谱数据；

   支持传统的二维瀑布图、层叠图以及三维彩色的瀑布图、三维彩色层叠图以及三维彩色全谱图；

   支持振动信号一次、二次数字积分以及一次、二次微分转换；

   VibroMaster提供振动信号数字滤波功能，支持FIR、IIR数字滤波器，支持高通、低通、带通、带阻滤波器分析功能；

   提供30多种专业的分析图谱：振动参数列表、振动趋势图、波形图、阶比波形图、包络波形图、阶比包络波形图、倒谱波形图、频谱图、阶比谱图、包络谱图、阶比包络谱图、全频谱图、轴心轨迹图、轴中心位置图、Bode图、极坐标图、彩色瀑布图、彩色层叠图、齿轮Circular图、轴承Circular图、故障特征强化波形图、故障特征强化频谱图；

   VibroMaster支持各种分析图谱或者图标的数据导出功能，支持TXT、CSV、EXCEL、Matlab格式输出，支持图谱图片保存和打印功能；

   VibroMaster提供了声音信号分析功能，支持倍频程分析，支持1、1/3、1/6、1/12、1/24等分数倍频程分析和显示；

图10 VibroMaster多视图分析界面

    VibroMaster部分分析图谱如下所示。