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[其他相关] 振动的“峰峰值” 不简单

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发表于 2022-6-24 13:56 | 显示全部楼层 |阅读模式

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“ 振动‘峰峰值’的概念,大部分资料是从单一正弦波出发进行讲解的。现实的振动测量中,振动信号要复杂得多,包含丰富的频率。充分理解现实条件中的‘峰峰值’概念和使用,对诊断和故障定位至关重要。”

我们再拿振动的“峰峰值”作一篇文章。

以前的几篇文章中,都有提到“峰峰值”的概念,是从单一正弦波出发进行讲解的。现实的振动测量中,振动信号要复杂得多,包含丰富的频率。充分理解现实条件中的“峰峰值”概念和使用,对诊断和故障定位至关重要。

01、“峰峰值”定义

在《位移、速度、加速度,这是咋回事儿?》这篇里,我们对振动幅值的“峰峰值”有简单图形化的描述。
1.png
这个描述针对单一频率,直观简洁,容易理解。

拿日常生活中的交流电举例,交流电只有单一频率50Hz,所以幅值之间(“峰值”、“峰峰值”、“有效均方根值”等等)转换就非常容易。220伏实际上就是“有效均方根值”。“峰值”就是220*1.414≈310伏。“峰峰值”就是两倍的“峰值”,为620伏。

这里说明一点:我们目前只讨论一维情况下的“峰峰值”,有关于两维情况下的“峰峰值”定义,请参考国际标准ISO 7919的最新版本。再说明一点:《振动值的转换和应用》中做了分析,振动信号中,“峰峰值”主要是在表述位移时候使用,我们也着重谈位移“峰峰值”。

对“峰峰值”词条进行检索查询,大致可以获得以下两种定义:

定义一:“峰峰值”是指波形图中最大的正值和最大的负值之间的差。

定义二:“峰峰值”是指一个周期内信号最高值和最低值之间差的值,就是最大和最小之间的范围。

第一种定义,我们前面已经使用了。

后一种定义,相对定义一有了两个改进。一是加上了时间维度的限制;第二是改正负概念为大小概念,增加了适用性。

笔者倾向于第二种定义方法。在使用中,还需要具体问题具体分析。

02、获得“峰峰值

在日常工作中,我们获得振动读数,会使用各种仪器仪表。对于一些常用的仪器仪表如何获得“峰峰值”,我们来进行一些基于逻辑的正常推理。

首先,我们来看看振动测试最常用的便携式仪器。

便携式也有档次的差别,简单的振动笔到高级的多通道频谱分析仪。但有一点,这些仪器绝大多数使用加速度传感器采集振动数据。换而言之,采集的原始数据是加速度值。

仪器内部数据转换,通常采用的方法是:利用模拟或数字“积分电路”将加速度值转换为速度值;利用“有效均方根检测电路”获得速度的有效均方根值;假定速度信号符合单一正弦波关系,可以得到其余速度的“峰值”、“峰峰值”等;如果需要位移“峰峰值”,此时再引入“积分电路”成本高误差大,通常就设定一个单一的正弦波频率,直接用公式估算了。

由于国际标准ISO 10816评判设备状态的标准以速度“有效均方根值”为准,其余的各种值也就是个参考,仪器厂家的设计思路可以理解。有些仪器会标明其获得振动值方法,我对此非常尊重。用户可能缺乏这方面的知识,但作为厂家做事决不能含糊。

其次,我们来看看振动保护领域的涡流探头和振动变送器。

以GE本特利为代表的涡流探头系列产品,是“停机保护系统”中高端市场的主流。有关涡流探头的原理,大家可以查询相关的资料。涡流探头测得的是转轴的相对位移。位移信息被转换为电压值。振动变送器可以利用“峰峰值检测电路”来获得位移“峰峰值”。下图就是简化的“峰峰值检测电路”。
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这里需要说明的是,利用类似“峰峰值检测电路”,电容的充放电特性决定了“峰峰值”的时间属性。换一种表达,电路的物理特性确定后,是多长时间内的“峰峰值”就决定了。这种方法并不符合定义二。但实际使用中,能够满足需求。

究其根源,在于涡流探头和振动变送器组成的系统,并不知道设备的转速,也就不能确定周期。由于需要考虑产品的适用性,所以,把定义二中的“一个周期”改成了“一段时间”。

最后,我们来看看XG 9900的工作原理。

XG 9900的前端接的是振动变送器的模拟输出,获得涡流探头的原始信号。利用边缘计算算法,获得设备的转速信息。有了转速信息,就能确定周期。利用周期窗口扫描原始信号,获得所有窗口内的最大“峰峰值”作为最终输出。

XG 9900获得的“峰峰值”与振动变送器的输出比较,会有差别。为何有差别?请参考下面的仿真案例。

03、“峰峰值”仿真一

上一节的讲解过于枯燥。我们用数据仿真来帮助大家理解。

认识“受迫振动”》这篇文章中,提出过“如果有振动,寻找是什么外力强迫其振动,并且识别出这个周期性外力,就是振动分析和故障诊断的主要任务。”

而且,大部分的周期性外力,其周期是与设备的转速相关联的。有的就是设备转速,如“转子不平衡”、“轴弯”、“偏心轮”等;有的和设备转速成比例关系,如“滚动轴承缺陷”、“不对中”等。获得设备转速信息,是振动分析和故障诊断的基础和关键。

“峰峰值”应该用转速频率倒数的时间周期来框定。

为简化模型,我们假设设备转速为3000转每分钟,即50Hz,该频率的振动幅值为10微米;同时,有叠加两倍频50Hz的振动,幅值为5微米。
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会发现,合成波形保持了波形的对称,峰峰值为25.98微米。

如果两个信号之间加入相位差45度,获得下面的波形。
4.png
这个合成波形,失去了波形的对称性,峰峰值为25.10微米。

如果两个信号相差90度呢?
5.png
这个合成波形,也不具备对称性,峰峰值为22.5微米。

可以进一步尝试135度相位差,和45度相位差的结果类似。180度的相位差,与初始无相位差的结果类似。当然,可以观察到,后面得到的图形都是前面图形的镜像。

到这一步,我们得出这样的结论:频率成分相同、幅值相同的信号合成后,能量是一定的,可以通过“有效均方根值”体现。但由于存在不同的相位关系,导致波形叠加时,“峰峰值”会有较大的变化。因此,在多频率成分的条件下,无论是“峰值”还是“峰峰值”,都不可能仅通过“有效均方根值”进行计算。

04、“峰峰值”仿真二

接下来我们来讨论时间段的问题。前一节的例子,第二频率是转速频率的整数倍。频率叠加后,每个转动周期的波形是重复一致的。如果第二频率不是转速频率的整数倍呢?

建立模型,我们假设设备转速为3000转每分钟,即50Hz,该频率的振动幅值为10微米;同时,有叠加11Hz的振动,幅值为5微米。
6.png
如果以50Hz即0.02秒的时间窗,观察这个时间段内“峰峰值”,大致仍然在20微米左右。但如果是长的时间,例如0.1秒,则“峰峰值”将会在30 微米左右。

上面这种情况,第二个频率小于转速频率。如果第二频率大于转速频率呢?

再建立模型,我们假设设备转速为3000转每分钟,即50Hz,该频率的振动幅值为10微米;同时,有叠加113Hz的振动,幅值为5微米。
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如果以50Hz即0.02秒的时间窗,扫描整个时域波形,获得所有“峰峰值”的最大值,大致可以逼近30微米左右。如果是取长的时间段,例如0.1秒,“峰峰值”将也会在30 微米左右。

到这一步,我们得出这样的结论:取一段时间和取转速周期扫描(绝大多数情况是时间段长于转速周期),获得的“峰峰值”,前者大于等于后者。叠加频率小于转速频率时,这种现象更加明显。换而言之,振动变送器测量“峰峰值”的方式偏保守。

05、使用“峰峰值”

大型旋转机械的停机保护系统,多数就是用位移“峰峰值”来触发的。例如,英格索兰的空压机,通常在“峰峰值”20微米左右报警,在“峰峰值”25微米左右停机。

国际标准ISO 7919中,有定义“峰峰值”的有关门限值。这些值,为了适应面更广些,相对而言就比较宽松。实际检测时,需要酌情提级处理。

在振动分析和故障振动过程中,还可以巧妙比较实测“峰峰值”和计算“峰峰值”,获得更多对振动波形的认识。下图是XG 9900系统的振动参数表。图中“位移峰峰值”这个参数,就是实际测量的“峰峰值”;而“位移通频值”这个参数,就是根据波形能量计算获得的“峰峰值”。
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如果“位移通频值”稳定,而“位移峰峰值”变化大,说明整个时域波形的频率成分和能量是相对稳定的,但频率之间的相位差在不停变化。从故障诊断角度,多为被动型故障,如摩擦、松动等。结合上面的案例,发现“转速次同步”处的能量也非常突出,可以怀疑油膜不稳定导致的碰摩现象。

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