Cepstrumanalys inom vibrationsdiagnostik
Definition: Vad är en Cepstrum?
Cepstrum-analys är en avancerad signalbehandlingsteknik som ger information om periodiska strukturer inom ett frekvensspektrum. Namnet "cepstrum" är ett anagram för "spectrum", vilket antyder dess natur: det är i praktiken "spektrumet för ett spektrum". Det beräknas genom att ta logaritmen för ett frekvensspektrum och sedan utföra en invers Fouriertransform på resultatet. Denna process belyser periodiska mönster i spektrumet, såsom familjer av övertoner eller sidband, vilka kan vara svåra att urskilja genom att titta direkt på spektrumet.
I cepstrumdiagrammet kallas x-axeln quefrency (ett anagram för frekvens) och har tidsenheter. Toppar på denna axel, kallade rahmonics, anger perioden (i sekunder) för de upprepade mönstren i det ursprungliga spektrumet.
Varför använda Cepstrum-analys?
Även om ett standardiserat FFT-spektrum är utmärkt för att identifiera enskilda frekvenskomponenter, kan det bli rörigt och svårt att tolka när ett maskinfel genererar ett stort antal övertoner och sidband. Cepstrum-analys förenklar detta genom att konsolidera en hel familj av upprepade frekvenser till en enda, tydlig topp. Dess primära användningsområden är:
- Detektera harmoniska familjer: Den kan enkelt identifiera en grundfrekvens och dess övertoner, även om själva grundtonen är svag eller frånvarande i spektrumet.
- Identifiera sidbandsfamiljer: Den utmärker sig på att hitta sidband, vilka ofta har låg amplitud och är begravda i brus. Cepstrum kan tydligt visa förekomsten av sidband och mäta deras avstånd.
- Separera käll- och vägeffekter: I vissa tillämpningar kan det hjälpa till att separera vibrationskällans signal från maskinens strukturella respons.
- Ekodetektering: Den kan identifiera ekon eller reflektioner i en signal.
Viktiga tillämpningar inom maskindiagnostik
1. Växellådsdiagnostik
Detta är den vanligaste och mest kraftfulla tillämpningen av cepstrumanalys. En skadad kugghjulstand modulerar kuggnätfrekvensen (GMF), vilket skapar sidband runt GMF-toppen fördelade med rotationshastigheten för det kugghjulet. I en komplex växellåda med flera axlar och kugghjul kan spektrumet vara en förvirrande blandning av olika GMF:er och sidband. Cepstrummen skär igenom denna komplexitet:
- En topp i cepstrummen vid den frekvens som motsvarar växelns rotationsperiod (1 / varv/min) är en tydlig indikator på ett fel på just det växeln.
- Amplituden för cepstrumtoppen kan trendas för att övervaka utvecklingen av kugghjulsslitaget.
2. Analys av rullager
I likhet med växellådor genererar även lagerdefekter sidband. Till exempel kommer en defekt på innerbanan att skapa sidband som är fördelade med axelhastigheten runt innerbananens defektfrekvens (BPFI) och dess övertoner. Cepstrummen kan hjälpa till att bekräfta förekomsten av dessa mönster, särskilt när de inte är uppenbara i spektrumet.
3. Analys av turbomaskiner
I turbiner och kompressorer kan cepstrum användas för att identifiera övertoner i bladens frekvens och diagnostisera problem relaterade till bladskador eller aerodynamiska problem.
Hur man tolkar ett Cepstrum-diagram
- Beräkna rotationsperioder: Innan du tittar på cepstrummen, beräkna tidsperioderna för de viktigaste roterande komponenterna (t.ex. för en axel vid 1800 varv/min eller 30 Hz är perioden 1/30 = 0,033 sekunder).
- Leta efter toppar vid kända perioder: Undersök cepstrumet för signifikanta toppar (rahmoniska) som överensstämmer med dessa beräknade tidsperioder.
- Identifiera övertoner: Leta efter toppar vid heltalsmultiplar av grundfrekvensen. Dessa indikerar närvaron av starka harmoniska familjer i det ursprungliga spektrumet.
- Trendamplituder: Övervaka amplituden för cepstrumtopparna över tid. En ökande amplitud indikerar ett försämrat tillstånd.
Cepstrumanalys är ett kraftfullt verktyg som kräver erfarenhet för att användas effektivt, men för komplexa maskiner som växellådor kan det ge diagnostisk tydlighet som saknar motstycke enbart genom spektrumanalys.