理解同步平均
同步平均 ——也称时域平均或时间同步平均（TSA）——是一种信号处理技术，用于 振动分析 增强周期性、速度同步 振动 同时抑制随机噪声以及任何与轴旋转不同步的振动。该方法在多个轴旋转周期内对振动进行反复采样，每个数据块由每转一次的 转速表 脉冲触发，然后对每个旋转周期中对应点的数值进行平均。每转重复出现的成分相互叠加增强，而随机噪声和 asynchronous 随机成分在统计上相互抵消，从而显著提升信噪比。该方法在齿轮诊断中尤为有效——可将单个齿轮的啮合特征单独提取出来——并能揭示埋没于噪声中的细微周期性规律，这些规律在普通 时间波形 或 FFT 频谱.
1. 同步平均的工作原理
逐步说明处理过程
- 触发信号： 来自转速表或 键相器 定义每个旋转周期的起点。
- 数据分段： 振动信号被分成等长的片段，每转一圈一个片段。
- 结盟： 每个数据段均与其触发脉冲对齐，使各段共享相同的角度起始点。
- 逐点平均： 对所有数据段中对应采样点进行平均计算。
- 结果： 代表一次理想化转动的单个平均波形。
- 降噪： 随机成分在统计上相互抵消，而周期性成分则相互叠加增强。
其背后的数学原理
- 周期性、相位锁定的信号相加 coherently （它们同相叠加，随平均次数的增加呈线性增长）。
- 随机噪声相加 incoherently （它在统计上相互抵消，仅随次数的平方根增长）。
- 因此，信噪比的改善程度与 √N成正比，其中 N 为平均次数。
- 例如，平均 100 次可将信噪比提升 10 倍（20 dB）；平均 400 次可提升 20 倍（26 dB）。
由于触发信号来自轴本身，同步平均本质上是一种 阶次分析 ——平均后的记录锁定于轴的角度，而非时钟时间，因此它能容忍微小的转速漂移，而这种漂移会使普通固定采样率 FFT 的结果模糊。
2.应用
齿轮箱诊断——最典型的应用
这是最常见、最有效的应用场景。
- 齿轮啮合隔离： 与目标齿轮同步平均，可增强该齿轮的 mesh pattern 同时抑制其他齿轮及轴承的信号，有助于确认 齿轮缺陷.
- 逐齿分析： 平均后的波形清晰显示每个轮齿的啮合过程，损坏的轮齿在原本重复的波形中呈现为局部偏差，通过该偏差可识别 其中 哪颗轮齿受损并评估其损坏程度。
其他应用
- 增强轴承分析： 按外圈周期进行平均，可隔离并增强 轴承缺陷，有效滤除其他来源的干扰——在高噪声环境中尤为实用。
- 扭转振动： 增强与旋转同步的分量，同时抑制横向振动和噪声，揭示 扭转 共振和激励。
- 平衡： 提高了 振幅 和 相位 在噪声条件下的测量，提供更可靠的 影响系数 determination.
3.优势
- 降噪： 信噪比大幅提升，可提取淹没在噪声基底以下20–30 dB的信号，使测量在真正恶劣的环境中成为可能。
- 故障隔离： 将某一部件的特征信号从所有其他信号中分离出来——例如在齿轮箱中将小齿轮啮合频率与大齿轮啮合频率隔离——从而确定哪个部件存在缺陷。
- 更高分辨率： 揭示细微的规律和缺陷，显示原始信号中被掩蔽的细节，并实现真正意义上的早期 故障检测.
4. 要求与局限性
所需条件
- 转速表 可靠的每转一次触发信号至关重要——没有它，该方法无法对齐各时间段。
- 恒定转速： 转速必须保持足够稳定，通常在 ±1–2% 范围内。
- 足够的平均次数： 通常需要50–200转才能获得理想结果。
- 周期性信号： 只有真正周期性、相位锁定的分量才会被增强。
其局限性
- 它会抑制非同步故障： 随机缺陷和大多数 轴承故障频率 are reduced，因此如果您要排查的正是这类问题，该技术并非合适的工具（请使用 包络分析 instead).
- 转速变化： 平均窗口内转速变化会模糊结果。
- 所需时间： 必须在许多次转动期间采集数据。
- 非实时： 需要一定的后处理。
5. 与其他技术的比较
同步平均与线性平均
- 同步： 在时域中进行平均，与旋转同步，并增强周期性分量。
- 线性： 对FFT频谱进行平均，并无差别地降低所有频率上的随机变化。
- Use cases: 同步平均适用于齿轮和特定分量；线性平均适用于一般频谱平滑。
同步平均与包络分析
- 同步平均： 时域，增强周期性模式。
- 包络分析： 在频域中，可检测重复性冲击，例如来自剥落滚道的冲击。
- 补充： 两者可结合使用，以实现全面分析——先平均消除齿轮啮合成分，再对残余信号进行包络分析，以发现轴承缺陷。
6. 实际应用
设置、采集与解读
- 设置： 安装转速计，确保每转产生一个清晰的脉冲信号——使用一条 反光带 配合光电拾取器是现场的常用选择——设置平均次数（50–200次），定义信号长度（一转、十转等），并验证转速稳定性。
- 数据收集： 在平均周期内采集数据；仪器自动分段并进行平均，显示平均波形，并通常对该平均信号进行FFT计算，以获得增强频谱。
- 解释： 检查平均波形中的周期性规律，寻找指示缺陷的偏差，与已知良好的 基线 特征进行比较，并根据偏差幅值量化严重程度。
在现场，整个工作流程依赖于清晰的相位参考。像 Balanset-1A 这样的便携式双通道仪器恰好能满足这一需求：其光学激光转速计通过粘贴在轴上的一小片反光胶带触发，提供每转一次的脉冲信号，用于锁定每个平均窗口——这与仪器已用于 实地平衡的脉冲信号相同。在触发稳定、转速平稳的条件下，仅需数秒采集的平均波形，即可揭示原始频谱中完全被淹没的单个崩齿缺陷。
7. 高级变体
- 齿轮同步平均： 以目标齿轮而非轴作为触发源，可显示该特定齿轮的啮合规律，但这需要编码器或多脉冲转速计。
- 多阶次平均： 同时对多个阶次进行平均，以分离1×、2×和3×分量，获取全面的阶次内容。
- 差差信号： 从原始信号中减去平均信号，所得残差中恰好包含被去除的成分——即异步内容——这是在剔除齿轮啮合成分后揭示轴承缺陷的有效方法。
同步平均是一种先进技术，能够显著增强周期性、与转速同步的信号模式的可见性，同时抑制噪声和异步成分。掌握这一技术，可实现高级齿轮箱故障诊断、在高噪声环境中早期检测缺陷，以及在其他方式难以分析的机械设备中清晰分离各零部件的特征信号。
