文章编号：1006-1355(2012)05-0150-04
孙涛1，王晋忠2
（1.中国船舶重工集团公司第705研究所，西安710075；
2.海军驻山西平阳厂军事代表室，山西侯马043002）
摘要：分析将振动监测诊断理论和技术引入到动力系统运行监测和故障诊断的必要性，提出时变参量分析结合包络分析的往复运动机构冲击故障的监测诊断方法。通过实际案例验证基于有效值的时变参量分析方法可以检测出往复运动机构故障发作前的征兆，基于Hilbert变换的包络谱分析方法可以提取出故障对应的特征频率，比较准确地确定出故障发生的部位。对促进振动监测诊断技术在动力系统故障诊断中的实际应用，提高运行安全性将起到积极作用。 中图分类号：TB53；TJ630文献标识码：A DOI编码：10.3969/j.issn.1006-1335.2012.05.034 The Application of Envelope Spectrum
on Shock Fault Diagnosis of the Power System
SUN Tao1，WANG Jin-zhong2
（1.The705Research Institute,China Shipbuilding Industry Corporation,Xi’an710075,China;
2.Office of Representative Stationed in Shanxi Pingyang Machinery Factory,
Houma043003,Shanxi China）
Abstract:In this paper the necessity of introducing VMDT(vibration monitoring and diagnosis technology)into torpedo power system CMFD(condition monitoring and fault diagnosis)is analyzed.The CMFD method using time-varying parameter combining with envelope spectrum for detecting shock fault of reciprocating mechanism is proposed..The engineering application cases show that the symptom of shock fault prior to it’s occurrence could be detected by using the time-varying parameter analysis method based on RMS(root-mean-square),and the shock fault frequency which is used to determine the fault type and position is possible to be extracted by the envelope spectrum method based on Hilbert transform.This is significant to promote the practical application of VMDT in torpedo power plant tests and improve operation safety.
Key words:vibration and wave;swashplate engine;envelop analysis;fault diagnosis
近三十年来，国内外机械设备振动监测和故障诊断技术越来越广泛地用于电力、化工、机械及航空、航天、船舶等军事部门，取得了重大的社会、经济和军事效益[1]。尽管热动力系统使用次数有限且单次运行时间较短，因此其在运行过程中发生故障的次数较少，但它是复杂的动力机械，一旦出现故
收稿日期：2011-10-28；修改日期：2011-12-22
项目基金：预研项目“动力舱段振动性能优化技术”
（基金编号：4011001020202）
作者简介：孙涛（1977-），男，西安市人，博士，高级工程师，目前从事现代信号处理、制造工艺过程振动控制、
故障诊断与健康监测的研究。
E-mail:suntao705@126 障，造成的危害同样不容小视[2]：轻则造成杂的运动机械系统，一旦出现故障，造成的危害机械结构损伤，拖延试验进程，增加试验次数和经费开支；重则造成产品报废、沉雷等恶性事故。
美俄等军事强国早就认识到武器装备运行可靠性、安全性、可维护性、隐身性的重要性，投入巨大的人力、物力、财力对故障检测诊断和预防技术开展了大量的研究工作。1967年，在美国宇航局的倡导下美国海军研究室主持成立了机械故障预防研究组，下设四个小组分别研究故障机理、检测诊断和预测技术、可靠性设计和材料耐久性评价，极大推进了美国海军故障诊断和健康监测技术的发展[3]。俄罗斯不但系统开展了振动理论和控制技术的研究，而且
对振动监测和故障诊断技术尤为重视，专门设计了
振动诊断台用于对动力装置及其组部件的加工
和装配质量进行诊断，以便确定有故障的零件。目
前国内相关院所已开展了热动力系统振动监测诊断
研究，对其他行业类似机械故障的振动诊断方法进
行了总结归纳[4，5]，涉及动力系统实际故障案例分析
的却罕见公开报道，现阶段动力系统故障诊断
仍以拆解检查为主。这种检查方式不但难以发现早
期微弱故障，即使对于某些机械结构损伤，比如裂
纹、轴弯曲等，因表面损伤不明显或拆解程度的限制
而无法及时发现。因此，非常有必要将先进的振动
监测诊断理论和技术引入到动力系统运行监测
和故障诊断。
周转斜盘活塞发动机（以下简称斜盘发动机）是
热动力的一种常见发动机形式，不但结构复杂，
而且运行在高温高压环境，是动力系统中故障相对
较多的组件。本文以具有典型意义的活塞发动机往
复运动机构故障为研究对象，通过对两起故障的振
动分析，验证了时变参数用于振动监测的可行性，并
采用包络谱方法对故障信号进行解调处理，成功提
取出故障对应的特征频率，诊断结论为产品拆解检
查所验证。本文对促进动力系统振动监测与诊
断技术发展，提高动力系统运行可靠性和安全
性具有一定的参考价值。
1斜盘发动机工作原理
斜盘发动机基本结构如图1所示，由多缸发动
机机体、主轴、斜轴、摆盘、连杆与活塞等组成。整机
外形呈圆筒形，各气缸的中心线围绕功率输出轴周
向布置。工质经发动机配气机构分配进入气缸，在
气缸中推动活塞而做功。发动机的功率传动机构将
活塞往复运动转变成发动机主轴的旋转运动，从而
推进推进器。与以柴油机为代表的传统的平面
旋转机械故障诊断曲柄连杆机构活塞发动机相比，斜盘发动机属于空
间六连杆机构，具有结构紧凑、体积比功率大等优点。
图1斜盘发动机基本结构[6]
Fig.1Basic structure of swashplate engine[6]
2振动监测与诊断方法
2.1基于有效值的时变参量分析方法
时变参量分析用于分析信号的某个参量随时间
变化的特性，是一种直观的振动监测方法。该方法
是否行之有效，关键取决于所选取的参量能否反映
机械设备运行状态的变化。本文以有效值为参量，
数据段长度为512点，由此获得反映动力系统
运行状态的有效值―时间曲线。
对于一段时长为T的波形数据x()t，其有效值
定义为
X
r
=(1)
2.2基于Hilbert变换的包络谱分析方法
包络谱分析基于共振解调原理，通常包括（高通
或带通）滤波、包络解调、低通滤波、频谱分析等步
骤。基于Hilbert变换的包络分析是一种工程上常用
的包络分析方法，它的实质是利用Hilbert变换构造
解析信号以便提取附载在高频载波信号上的低频调
制信号[7，8]。
随机信号s()t的Hilbert变换h()t定义为
h()t=1π∫-∞∞s
()τ
t-τ
dτ=1πτ∗s()τ(2)
信号s()t和它的Hilbert变换h()t可以形成一个
新的复信号z()t作为解析信号
z()t=s()t+jh()t(3)
复信号z()t的包络E()t定义为
E()t=s2()t+h2()t(4)
对包络信号进行谱分析，根据包络谱上高峰的
频率即可比较精确地确定出故障发生的部位和层
次。
3斜盘发动机故障案例分析
3.1连杆断裂故障分析
某次试验时，试验中途发动机发出异响、加速度
波形冲击增强、功率转速等性能参数小幅下降，随后
各监测参数又基本恢复正常。为了尽快查明动力装
置运行过程中出现异常情况的原因，对现场振动数
据进行了分析。对比发现各振动测点中，发动机气
缸体端面径向振动信号在异常情况出现期间的波形
变化最明显。截取该测点在异常情况出现前后时间
段的信号进行了分析，时域波形见图2，可以看出异
常阶段加速度信号中冲击成分幅值比正常运行时成
倍增大。显然故障的诱因可能和冲击有关，但从时
域信号无法判断冲击来自何处。异常情况出现前后的加速度有效值随时间的变化趋势见图3，可以看出异常阶段有效值急剧增大并剧烈波动，对应频谱在高频段出现了几个大的谱包（见图4），表明故障引起的周期性冲击在系统固有频率处引起谐振。
为了确定冲击成分的频率，对异常阶段的故障数据进行带通滤波并做包络谱分析，分析结果见图5。可以看出包络谱出现等间隔分布的、幅值依次降低的规则线谱，测试频率和该发动机的理论特征频率的对照表明包络谱中的线谱频率对应发动机主轴转频及其倍频，换而言之，冲击频率等于发动机主轴转频。根据活塞发动机的结构及运动学，一旦某个活塞连杆机构出现故障，发动机转一圈就产生一次强烈的冲击。据此可诊断是发动机的活塞连杆机构发生故障。产品从试验台架取下后首先对发动机进行拆解检查，发现A 连杆在与后球头连接螺纹根部处断裂；摆盘球座油道磨光，外表面烧蚀；摆盘端面与连杆碰撞，出现明显凹坑。其他组件拆解后未见异常。显然，诊断结论和实际拆解检查结果非常吻合。这起故障表明试验台现有的停车条件（尚不包括振动条件）并不能保证动力系统遇到所有故障都能及时停车，若能充分利用振动信息则不但可以在故障发生后及时停车避免造成更大损坏，而且有可
能根据预警信息提前停车避免故障的发生。
图2异常情况出现前后的时域波形
Fig.2Waveform before and after abnormity
status
图3异常情况出现前后有效值随时间的变化趋势
Fig.3RMS variation before and after abnormity
status
图4异常振动信号的频谱Fig 4Spectrum of abnormity
signal
图5异常振动信号的包络谱
Fig.5Envelope spectrum of abnormity signal
3.2气缸体安装压环断裂诊断
某次试验时，试验中途发动机功率急剧下降，A 压力急剧上升，并超出压力测量范围，试验异常中断。对现场振动数据进行分析，检查故障原因。截取发动机本体上某测点3s 的数据进行趋势分析和
故障诊断。该信号的时域波形和幅值谱如图6和图8所示，可以看出：动力装置运行异常时发动机上振动信号中出现了明显的冲击成分，并且在中频段出现了两个谱包。为了确定冲击成分的频率，根据谐振频率选定滤波频带进行包络分析（见图9），可以看
出虽然本次试验故障信号包络谱的高峰频率基本等于该时间段发动机主轴转频的前几阶谐波，但与连杆断裂故障信号的包络谱相比，高峰幅值不是依次降低而是忽高忽低，并且高峰周围有杂乱的小峰状边频而使光滑性变差。据此诊断本次故障不是连杆断裂，边频带的出现可能是摩擦导致的，发动机的活塞与缸套可能发生了碰摩。试验后对参试产品分解发现气缸体安装压环（用于限制气缸套在气缸体内轴向窜动）结构受力破坏，缸套脱出。故障信号包络谱的特征可解释为发动机正常工作时活塞连杆机构冲击比较弱，当压环断裂后冲击变强并在缸套拉出的过程剧烈摩擦，因而包络谱上除了冲击产生的高峰还有摩擦噪声产生的边频。
图6试验异常中断前的时域波形Fig.6Waveform before abnormal interrupt
故障发生过程该测点加速度有效值随时间的变化趋势见图7，可以看出压环断裂阶段有效值也急剧升高
但很快就下降，表明故障由萌芽到造成破坏持
续时间很短。
图7试验异常中断前有效值随时间的变化趋势Fig.7RMS variation before abnormal
interrupt
图8故障信号的频谱Fig.8Spectrum of fault signal
由以上两起故障的分析可以看出，将基于有效值的时变参量分析和基于Hilbert 变换的包络谱分析用于动力系统振动监测和诊断是有效的。
4结语
将时变参量分析和包络分析引入到动力系统振动监测和故障诊断，
利用有效值成功监测出斜
图9故障信号的包络谱
Fig.9Envelope spectrum of fault signal
盘发动机往复运动机构故障发作前的预兆，利用包络谱成功提取出故障的特征频率，缩短了故障排查的时间，初步验证了振动监测诊断技术应用于热动力系统故障诊断的可行性和有效性，表明有效值是检测动力系统运行状态变化的灵敏指标，包络分析是诊断往复运动机构故障的一种有效手段。需要说明的是，往复机械故障诊断比旋转机械故障诊断更为复杂，这是由往复机械结构复杂、激励源多、特征频率互相重叠等固有属性决定的，单凭振动分析方法很难诊断所有的故障，尤其是漏气、爆
燃等性能故障。国外的往复机械故障诊断技术相对比较成熟，处于领先地位的是美国的Dynalco Controls 公司和Windrock 公司，它们基于压力―振动―超声波等多信号谱线分析的往复机械监测诊断技术已能有效诊断大部分往复机械故障。
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