設備故障的振動識別方法及其實例分析VIP

1、內(nèi)部學習資料之一 設備故障的振動識別方法與實例 牛明忠 王葆華 王桂亮 合著上海華陽檢測儀器有限公司資料匯編2003年4月前 言振動分析是設備故障診斷最重要最常用的方法。但在設備現(xiàn)場的實際工作中,常常遇到的最困難的也是最關鍵的問題是，在使用簡易診斷儀器如振動計已經(jīng)發(fā)現(xiàn)設備存在故障的情況下，如何根據(jù)各種振動分析儀頻譜分析儀提供的振動波形和頻譜，診斷出設備的故障類型、部位及嚴重程度，以便據(jù)此采取相應的措施。為滿足從事設備管理、狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷和設備維修工作的工程技術人員這方面的需要,我們編寫了這本小冊子。本書緊緊圍繞設備故障的識別問題，介紹了故障診斷的一般方法和步驟；為了方便查閱，按照故障類型，

2、分別詳細地列出了其波形和頻譜特征及診斷要點，說明了如何區(qū)分不同故障的方法，引用的大量工程實例與方法介紹相互印證，以求具有更大的參考價值。本書承蒙北京航天工程學院研究員袁宏義先生審閱，在此特致謝意。由于作者水平所限，書中難免有不妥之處，敬請讀者指正。作 者 1994年5月 目 錄前言l 振動信號的波形和頻譜 （7）1.1 孤立的譜峰單一頻率信號（7）1.2 諧波一般周期信號（7）1.3邊頻調制的單頻信號（8）1.3.1調幅 （8）1.3.2調頻 （9）1.4寬帶頻譜脈沖信號、瞬態(tài)信號、隨機信號（10）l.4.l 脈沖信號 （10）1.4.2周期脈沖信號 （11）1.4.3瞬態(tài)信號 （11）1.4

3、.4隨機信號 （12）2識別故障的一般方法和步驟 （14）2.1搜集和掌握有關的知識和資料（14）2.2振動數(shù)據(jù)采集 （14）2.2.1儀器配置 （14）2.2.2參數(shù)設置 （15）2.2.3輔助測試 （16）2.3故障分析與診斷 （16）2.3.1注意發(fā)展和變化 （16）2.3.2分析振動的頻率成分 （16）2.3.3分析振動的方向性和幅值穩(wěn)定性 （17）2.3.4分析各頻率成分的相位 （18）2.3.5邊頻分析 （18）2.3.6分析波形變化 （19）2.3.7分析軸心軌跡 （20）2.3.8全息譜分析 （23）2.3.9觀察隨轉速的變化 （24）3常見故障的識別及實例 （27）3.l不平

4、衡 （28）實例l 離心壓縮機不平衡 （30）實例2 壓縮機不平衡 （31）3.2不對中 （32）實例l 壓縮機組對中不良 （33）實例2 電機發(fā)電機組對中故障 （35）3.3機械松動 （36）實例l 電機不平衡及支承松動 （38）實例2 發(fā)電機組汽輪機支承松動 （39）3.4轉子或軸裂紋 （40 ）實驗 裂紋轉子的振動特性及診斷 ( 41)實例 合成氣壓縮機軸裂紋 （42）3.5滾動軸承 （43）實例l 壓縮機軸承損傷 （45）實例2 煤氣排送機故障 （47）實例3 挖土機滾動軸承損壞 （48）3.6滑動軸承 （50）實例l 離心壓縮機油膜振蕩 （52）實例2 二氧化碳壓縮機停車事故 （54

5、）3.7齒輪箱 （56）實例l JCF.500齒輪箱的邊頻分析 （58）實例2 大型水泥磨齒輪箱故障 （60）實例3 立式車床變速箱故障 （61）3.8傳動皮帶 （62）3.9葉輪、葉片和旋翼 （63）實例 葉片斷裂故障 （64）3.10電機 （65）實例 冷凝液泵驅動電機故障 （68）3.11共振 （70）實例 變速風機的共振故障 （70）1 振動信號的波形和頻譜不同的振動信號具有不同的波形和頻譜。診斷設備故障時，為了根據(jù)已知的頻譜和波形確定未知的振動類型和特點，需要掌握常見的幾種波形、頻譜與振動之間的對應關系。1.1 孤立的譜峰單一頻率信號頻譜中只有一個孤立的峰（圖1-1），表明這是正弦振

6、動。它具有單一的頻率分量，即峰值所在處的頻率分量，是最簡單的周期性振動。頻譜中除了一個主峰外，若還有其他孤立的峰，表明這已不是正弦振動，而是由幾個頻率分量合成的振動，每個峰代表一個頻率分量。若其他峰比主峰幅度小很多，則可近似的看作是正弦振動。這種以單一頻率為主的振動是處于不平衡狀態(tài)下一臺簡單機器的振動，它的頻譜在軸轉速處（l×RPM）出現(xiàn)一個主峰。有時振動信號中包含直流分量,可以通過交流耦合輸入方式（AC方式）將直流成分濾掉。直流成分在頻譜分析中并不重要，一般不予考慮。1.2 諧波一般周期信號機器產(chǎn)生的振動基本上都是周期性振動，即波形為無限重復的形式。一般周期性振動信號的頻譜由一系列

7、彼此有關的峰（a） （b）圖1-1 正弦振動的波形和頻譜a波形；b頻譜組成，每個峰代表一個頻率分量。代表信號中最長的波形重復率的稱為基頻或基波，其他各峰位于基頻的整數(shù)倍處，依次稱為二次諧波、三次諧波等等。上節(jié)討論過的單一頻率的振動是最簡單的周期性振動，其二次以上的諧波為零。周期信號的一個例子是方波（圖1-2）。方波的基頻是波形中基本方形的重復頻率，理想方波的頻譜只包含奇次諧波（一、三、五等次諧波）。如果方波不完全理想，也可能包含一些較小的偶次諧波。奇次諧波的幅值與諧波次數(shù)成反比，即三次諧波幅值是一次諧波幅值的1/3，五次諧波幅值是一次諧波幅值的1/5等等。 RPM代表轉速1.3 邊頻調制的單頻

8、信號1.3.1 調幅一個單一頻率的振動，其幅值隨時間周期性地變化，稱為調幅。其單一頻率的振動信號為載波信號。而幅值隨時間變化的信號為調制信號。所以，調幅就是由調制信號對載波信號進行幅值調制。（a）（b）圖1-2 方波的波形和頻譜a波形；b頻譜最簡單的情況是，調制信號是直流信號加上一個單一頻率的信號，其頻率與載波信號頻率不同。這種調幅信號的頻譜在載波峰兩側各有一個幅值相同的峰，此即邊頻（圖1-3）。設載波頻率為fc，調制頻率為fs，則邊頻的頻率為fc±fs。其中，fcfs為上邊頻，fcfs為下邊頻，它們與載波峰的頻率間隔都是fs。如果調制信號是一般的周期信號，它包含多個諧波分量，則每個

9、諧波分量對載波信號調制的結果都在載波峰兩側產(chǎn)生一對邊頻，最終組成邊頻族。最靠近載波峰的一對邊頻由調制信號的基頻產(chǎn)生，再往外一對由調制信號的二次諧波產(chǎn)生，如此等等。相鄰邊頻的間距等于調制信號頻率，各邊頻幅值比例（a）（b）圖1-3 調幅信號的波形和頻譜a波形；b頻譜與調制信號各次諧波幅值比例相同。在調制信號中不含直流分量的特殊情況下，載波峰幅值可能為零，也就是說，只剩上邊頻和下邊頻。1.3.2 調頻一個單一頻率信號的幅值保持不變，但是頻率隨時間周期性的變化，稱為調頻（頻率調制）。最簡單的情況是調制信號單一頻率的正弦信號（圖1-4），但即使這種最簡單的情況，頻譜也十分復雜。載波峰兩邊等間隔地分布著

10、邊頻族，相鄰邊頻的間距等于調制頻率。（a）（b）圖1-4 調頻信號波形和頻譜a調頻信號的波形；b調頻信號的頻譜只有頻率調制而不存在幅值調制時，載波峰兩側左右對稱。但實際上兩種調制往往同時存在，使載波峰兩側一般不對稱、不規(guī)則，而且載波峰和某些邊頻的幅值有可能很小，甚至為零，這使得在某些情況下難于確認究竟哪個是載波峰。若調制信號不是單一頻率，而是一般周期信號，則頻譜更加復雜。但是，相鄰邊頻的間距仍然等于調制信號的基本頻率。例如，齒輪齒距的改變、載荷波動、局部缺陷以及連成片的缺陷都會對嚙合頻率產(chǎn)生調制作用（圖1-5）。其中，齒輪局部缺陷激發(fā)的是窄脈沖，其頻譜在較寬的頻率范圍內(nèi)具有相等而較小的幅值。連

11、成片的缺陷激發(fā)的脈沖較寬，其頻譜的頻率（a）（b）圖1-5 齒輪有缺陷時的波形和頻譜a局部缺陷；b連續(xù)缺陷；fm嚙合頻率范圍窄，幅值衰減較快。由上述兩種缺陷的調制作用而形成的邊帶也不同：局部缺陷情況下，邊帶范圍寬，幅值小，變化平緩；連成片的缺陷情況下，邊帶范圍窄，集中于載波峰附近，幅值較大，衰減較快。1.4寬帶頻譜脈沖信號、瞬態(tài)信號、隨機信號1.4.1 脈沖信號機器運轉中常有沖擊現(xiàn)象，沖擊產(chǎn)生脈沖信號。一個單獨的脈沖通常持續(xù)很短的時間，波形很尖的常稱為窄脈沖。窄脈沖有頻帶很寬的連續(xù)頻譜，沒有明顯的峰值（圖1-6）。（a） （b）圖1-6 窄脈沖的波形和頻譜a 窄脈沖的波形；b窄脈沖的頻譜每個實

12、際脈沖的頻譜，其幅度隨頻率的增加而減小，脈沖越窄，減小得越慢（圖1-7）。所以，從頻譜幅值減小的快慢可估計出脈沖的寬窄。第一個凹陷處的頻率等于脈沖寬度的倒數(shù)，在此頻率的整數(shù)倍處還有第二、第三凹陷。1.4.2 周期脈沖信號若脈沖信號以一定的周期重復，波形和幅值不變，則這是周期信號（圖1-8）。它的頻譜中有一系列等間距的峰，基頻與相鄰諧波的間距等于脈沖重復頻率。諧波峰幅度隨頻率的增加而減小，整個頻譜的形狀類似于單個脈沖的頻譜形狀。1.4.3 瞬態(tài)信號瞬態(tài)信號與脈沖信號類似之處在于，它們都是突然間開始圖1-7 不同脈沖頻譜比較a一般脈沖；b窄脈沖；c很窄的脈沖的，不同之處是，瞬態(tài)信號并不突然停止，而

13、是在一段時間內(nèi)逐步衰減（圖1-9），一臺機器或一個構件突然受到一次沖擊后的振動即是這種瞬態(tài)信號，它是對一個脈沖信號的響應。象脈沖信號一樣，瞬態(tài)信號的頻譜也是寬帶連續(xù)的。頻譜的特點是有一個明顯的峰，稱為共振峰，其頻率為結構的共振頻率。共振頻率決定于結構的物理特性，尤其是結構的剛度和質量。剛度越大，質量越小，其共振頻率越高。共振峰的寬度圖1-8 周期脈沖的波形和頻譜a周期脈沖的波形；b周期脈沖的頻譜決定于結構阻尼大?。凑駝幽芰肯牡目炻?。對周期脈沖信號的響應是另一種周期信號，其頻譜是一系列重復頻率的諧波。各次諧波的幅值等于單個瞬態(tài)響應信號對應頻譜的幅值。1.4.4 隨機信號寬帶頻譜中還有隨機信

14、號。隨機信號是一種非確定性的信號，這種不確定性是指對每單個信號的不可預測性和不重復性。例如，由于各種激勵和影響因素的復雜和多變，摩擦產(chǎn)生的振動便是一種隨機振動。但是，大量的隨機信號存在著統(tǒng)計規(guī)律性，即存在著穩(wěn)定的平均性質。圖1-9 瞬態(tài)信號的波形和頻譜a 瞬態(tài)信號的波形；b瞬態(tài)信號的頻譜隨機信號的頻譜是寬帶連續(xù)的（圖1-10），它不象周期信號那樣有孤立峰，而是能量分布在很寬的頻率范圍內(nèi)。在頻譜中可能有峰，但通常與系統(tǒng)共振有關，而不一定代表系統(tǒng)中存在周期性故障激勵信號，峰的寬度決定于結構共振頻率和阻尼。實際工作中測量的信號常常是上述各種信號組成的組合信號，其頻譜也不象上述每一種信號的頻譜那么單純

15、，而是由疊加而成的復雜頻譜（圖1-11）。但是，在許多情況下，為主的是一種或兩種信號，頻譜中可以明顯地找出它們的特征。有時還可通過濾波等方法消除掉次要成分，然后利用上述關于波形和頻譜的知識，將主要信號（故障信號）鑒別出來?，F(xiàn)將常見波形和頻譜總結列表如下：頻譜形式振動波形孤立峰簡諧振動諧波族周期振動圍繞孤峰的邊頻族調制的單一頻率振動圍繞諧頻的邊頻族調制的周期性振動寬帶頻譜脈沖瞬態(tài)或隨機振動混合頻譜組合振動 圖1-10 隨機信號的波形和頻譜a隨機信號的波形；b隨機信號的頻譜圖1-11 組合信號的波形和頻譜a組合信號的波形；b組合信號的頻譜2 識別故障的一般方法和步驟2.1 搜集和掌握有關的知識和資

16、料（1）機器結構性能資料：包括機器的工作原理，機器在整個生產(chǎn)過程中的地位和作用，重要的動態(tài)參數(shù)，如驅動功率、流量、壓力、轉速變化范圍、電流、電壓、溫度等，機器結構組成和參數(shù)，如軸承型式、密封結構、聯(lián)軸節(jié)結構、齒輪齒數(shù)、葉片數(shù)、共振頻率、臨界轉速等等。（2）操作運行情況：包括負荷及其變化情況、潤滑情況、起動和停機情況、工藝參數(shù)變化情況等。（3）機器周圍環(huán)境的影響：包括溫度、濕度、與其他機器的關聯(lián)、地基沉降、電壓波動等因素對機器性能的影響。（4）故障與維修情況：包括上次大修時間、大修時作過哪些調整、運轉以來發(fā)生故障及對故障處理情況的記錄和檔案、機器的薄弱環(huán)節(jié)及預計容易發(fā)生故障的類型和部位、同型號、

17、同工作條件下其他機器的故障情況等。2.2 振動數(shù)據(jù)采集2.2.1儀器配置 設備振動診斷系統(tǒng)可以是微機系統(tǒng)，也可以是專用儀器。由于微機系統(tǒng)具有很多優(yōu)點，越來越被廣泛采用。圖2-1是以便攜式微機為主機的離線設備監(jiān)測和診斷系統(tǒng)。圖2-2是在線監(jiān)測和診斷的計算機系統(tǒng)。 設備加器放速內(nèi)大度裝器傳集感成數(shù)據(jù)采集器便攜式微機監(jiān)測和診斷軟件數(shù)據(jù)管理軟件圖2-1 離線振動監(jiān)測和診斷系統(tǒng) 設備電位渦移流傳式感 器預處理器數(shù)據(jù)采集器臺式微機監(jiān)測和診斷軟件數(shù) 據(jù)管理軟件圖2-2 在線振動監(jiān)測和診斷系統(tǒng)2.2.2 參數(shù)設置采集振動數(shù)據(jù)時，首先要設置儀器的數(shù)據(jù)采集參數(shù)，這些參數(shù)主要有：最高分析頻率、采樣頻率、采樣點數(shù)（數(shù)

18、據(jù)長度）、觸發(fā)方式、放大倍數(shù)、AC/DC選擇、傳感器靈敏度等。簡單說明如下：（1）最高分析頻率Fm指需要分析的最高頻率，也是經(jīng)過抗混濾波后的信號最高頻率。根據(jù)采樣定理，F(xiàn)m與采樣頻率Fs之間的關系一般可取為:Fs=2.56Fm最高分析頻率Fm的選取決定于設備轉速和故障性質。例如，診斷常見故障不平衡、不對中、機械松動及電機轉子故障時，特征信息包含在頻譜的10×RPM范圍內(nèi)；滾動軸承的故障信息在內(nèi)外滾道、保持架及滾子等的故障特征頻率及其低次諧頻處，這些故障特征頻率與機器轉速及軸承構造參數(shù)有關；滾動軸承疲勞故障信息在與轉速有關的某些高頻區(qū)域；滑動軸承油膜渦動引起的振動頻率主要在（0.420

19、.48）×RPM區(qū)域；齒輪箱故障信息在齒輪嚙合頻率以及齒輪的固有頻率附近；而葉輪葉片故障信息則在葉片通過頻率、轉頻及它們的諧頻處等等。最高分析頻率應適當高于上述各故障信息所在的頻率范圍。2采樣點數(shù)N與譜線數(shù)M有以下關系：N=2.56×M譜線數(shù)M與頻率分辨率F及最高分析頻率Fm有以下關系：F=Fm / M或 M= Fm /F所以有 N=2.56 Fm /F由此可知，采樣點數(shù)的多少與要求多大的頻率分辨率有關。當最高分析頻率已經(jīng)確定，要考慮診斷中讀譜的頻率分辨率是多少，然后由上式計算采樣點數(shù)，并將采樣點數(shù)設置為最接近計算值的2的n次冪。例如，機器轉速R=3000r/min=50H

20、z，欲分析8倍頻以下振動信號，要求頻率分辨率F =1Hz，則采樣頻率和采樣點數(shù)設置如下：最高分析頻率Fm =8×R=8×50Hz=400Hz；采樣頻率Fs=2.56×Fm=2.56×400Hz=1024Hz；采樣點數(shù)N=2.56×Fm /F=2.56×400Hz/1Hz;=1024=210；譜線數(shù)M=N/2.56=1024/2.56=400（條）。若對于頻譜的頻率分辨率沒有太高的要求，一般來說，采樣點數(shù)設為1024（400條譜線）便足夠了。有時需要作時間頻率三維譜圖，采樣點數(shù)可設置為8192（213）甚至更多。（3）觸發(fā)方式一般設置為

21、內(nèi)觸發(fā)。在作現(xiàn)場動平衡需要測量相位時，或作階比分析時，要求以轉速脈沖信號適當分頻后作為數(shù)據(jù)采集的外觸發(fā)信號。此時，應設置為外觸發(fā)，同時在外觸發(fā)端口引入觸發(fā)信號。（4）放大倍數(shù)一般能夠自動改換，即根據(jù)信號幅度自動選擇放大倍數(shù)，以使放大后的信號幅度滿足模/數(shù)轉換的要求。如果儀器不能自動轉換放大倍數(shù)，則需預先測試或估計出信號的最大可能幅度，然后人工設定放大倍數(shù)，使放大后的最大信號幅度不超過允許幅值。（5）AC/DC選擇一項，在作動態(tài)測量時應設置為AC。（6）傳感器靈敏度（或工程單位）設置一項，在輸入傳感器靈敏度數(shù)值后，時域和頻域幅值譜縱坐標單位為與靈敏度相應的力學單位，若不輸入靈敏度數(shù)值，則時域和頻

22、域縱坐標為伏。例如，加速度傳感器靈敏度以 V /（m/s2）為單位時，時域和頻域幅值譜縱坐標單位為m/s2；加速度傳感器靈敏度以V/g為單位時，時域和頻域縱坐標單位為重力加速度g。2.2.3 輔助測試有些情況下，為了確定或排除某些可能的故障，需要進行一些輔助測試。這些輔助測試包括：變轉速振動測試；變負荷振動測試；變潤滑系統(tǒng)參數(shù)（油溫、油壓）振動測試；起動或停車過程振動測試；共振頻率測試；機殼、基座或管道某些部件的測試 。2.3 故障分析與診斷根據(jù)振動信號識別設備故障是件難度很大的工作。這主要因為：同一故障可以表現(xiàn)出多種癥候，同一癥候可由不同故障引起，不同類型的機器其故障與癥候的對應關系可能不完

23、全一樣，這種關系又與運行條件、環(huán)境條件、故障歷史及維修情況有密切聯(lián)系。在故障診斷中，熟悉和掌握機器的結構、特性、使用和維修情況以及實際診斷經(jīng)驗都是很重要的。2.3.1 注意發(fā)展和變化在分析和診斷故障時，應注意從發(fā)展變化中得出準確的結論。單獨一次測量往往難于對故障判斷有較大把握，反復多次的追蹤測量分析能使診斷更接近于真實情況。為此，應注意積累和研究機器正常運行狀態(tài)下的振動數(shù)據(jù)，包括基頻的幅值和相位、次諧波和高次諧波的幅值和相位、其他重要頻率分量的幅值、時域波形以及軸心軌跡的形狀、大小和旋轉方向等。對當前機器的振動信號進行各種觀察和分析時，應與正常運行狀態(tài)下的振動進行比較，注意哪些參數(shù)發(fā)生了變化及

24、變化程度如何。例如，基頻分量變化不大而2倍頻幅值明顯增大可能說明不對中加劇，喘振使軸向振動變化明顯，而不平衡增大使水平和垂直方向振動同步增長。趨勢分析也是有效的方法，不但分析振動有效值或峰-峰值變化趨勢，而且分析基頻、1/2倍頻、2倍頻等各頻率分量的變化趨勢，從而得出振動是穩(wěn)定不變、逐漸上升、時升時降還是迅速增大等信息。例如，不平衡加大使振動緩慢而穩(wěn)定上升，葉片斷落則使振動幅值突然上升。2.3.2 分析振動的頻率成分每一種引發(fā)異常振動的故障源都產(chǎn)生一定頻率成分的振動，可能是單一頻率，也可能是一組頻率或某個頻帶。根據(jù)振動信號的頻率組成，可以很快排除一批不可能出現(xiàn)的故障，將注意力集中在幾個可能的故

25、障原因上。一般說來：不平衡主要引起基頻振動；不對中不但影響基頻振動，還可引起2倍頻及其他高倍頻振動；滑動軸承油膜渦動的振動頻率為（0.420.48）×RPM，油膜振蕩的振動頻率為轉子一階臨界轉速頻率；轉子與固定部件之間的摩擦激發(fā)較寬頻帶的振動，可能包括基頻、倍頻、次諧波、轉子零部件固有頻率；轉子組件松動的振動頻率以基頻為主，可能伴有倍頻或1/2×RPM、1/3×RPM等分數(shù)倍頻。為了更好地知道各頻率成分的主次，有時可列出頻率結構表（表2-1），表中有以mV為單位讀出的通頻幅值和各頻率成分的幅值，根據(jù)各頻率成分與通頻的幅值比，可以清楚地看出各頻率成分的強弱順序和它們

26、在總振動中所占的份量。表2-1 某電機振動信號的頻率結構通頻幅值頻 率 結 構444.2mV頻 率Hz50150250350倍 頻F03f05f07f0幅值mV170.4374.914040倍頻與通頻幅值比0.38360.84400.3150.090強弱順序2134在研究頻譜的頻率成分時，為了突出主要頻率成分，減弱干擾和噪聲，可以利用自功率譜（簡稱自譜）。由于自功率譜的縱坐標與幅值的平方成正比，使幅值譜中的高峰更突出而小的峰變得更不明顯，所以能使頻率結構更清晰，如圖2-3所示。圖2-3 振動信號的幅值譜和自功率譜a振動信號；b幅值譜；c自功率譜2.3.3 分析振動的方向性和幅值穩(wěn)定性一般說來：

27、不平衡量增大，則徑向水平、垂直兩個方向的振幅同時增長；不對中徑向振幅增大，但同時還可引起軸向振動；基座松動時垂直方向振動明顯大于水平方向振動；轉子組件松動引起的振動，其幅值不穩(wěn)定；油膜渦動和油膜振蕩則以徑向振動為主，振幅不穩(wěn)定；轉子裂紋引起的2倍頻振動，水平方向和垂直方向的振幅大小相近。2.3.4 分析各頻率成分的相位不平衡引起的基頻振動分量與轉軸相位標志之間的角度（即基頻分量的相位）保持不變，水平方向與垂直方向振動相位相差約90°。平行不對中引起的徑向振動在軸兩端反向，即相位相差180°；角不對中引起的徑向振動在軸兩端同向，即相位差為零。2.3.5 邊頻分析在齒輪箱（以及

28、電機）故障診斷中，常見到具有復雜周期結構的振動頻譜 圖2-4（a）。頻譜中有軸轉動頻率fr及其諧波，有齒輪嚙合頻率fm及其諧波，還有fr與fm之間調制產(chǎn)生的邊頻族。實際上，一對齒輪的嚙合頻率fm及其諧波頻率是載波頻率，而齒輪偏心、齒間游隙、齒的個別損傷及軸本身故障產(chǎn)生的每周一次振動（頻率為fr）成為調制信號，調制結果使fm兩邊產(chǎn)生出頻率間隔彼此相等的邊頻族。所以，頻譜上譜峰分布有了周期性結構。分析邊頻，求出調制頻率，常?？梢哉业焦收系牟课?。在難于直接從頻譜圖上分析邊頻結構時，可以借助于細化分析或倒頻譜。倒頻譜的橫坐標是頻率的倒數(shù)，具有時間量綱（通常以毫秒為單位）。對于有變頻結構的頻譜作倒頻譜分

29、析時，倒頻譜中就出現(xiàn)代表不同周期性結構的譜峰，如圖2-4（b）中有1/fm、2/fm和1/fr，等幾個峰，據(jù)此可以求出特征頻率fr和fm倒頻譜的優(yōu)點在于：（l）將頻譜中的周期性結構檢測出來，便于邊頻分析；（2）比起幅值譜，倒頻譜受振動傳輸途徑影響較小。振動傳感器安裝在齒輪箱不同位置上，其幅值譜可能不同，但其倒頻譜差別很??；圖2-4 齒輪箱振動頻譜a對數(shù)功率譜；b倒頻譜圖2-5 細化示意圖（3）當調制信號（常常是故障信號）較弱時，在頻譜圖中往往不明顯，但倒頻譜能夠相對加強幅值小的信號，使較弱的周期性信號變得明顯。細化分析又稱選帶分析或ZOOM，它可圍繞一個指定的中心頻率在較窄的頻帶內(nèi)進行分析，因

30、而大大提高了頻率分辨率（圖2-5）。太多數(shù)FFT分析都在直流分量。（即零頻率）與最高分析頻率之間的寬頻帶內(nèi)進行，稱為基帶分析，頻率分辨率往往不夠大，如圖2-6所示。圖2-6 基帶分析與細化分析a基帶分析；b某頻段的細化分析細化不僅大大提高頻率分辨率，還可明顯地改善信噪比。2.3.6 分析波形變化波形分析具有簡捷直觀的特點，對于成分比較簡單的振動位移信號，或者信號中的削波、脈沖、調幅、調頻等情況較為有效，一般可與頻譜分析同時使用。圖2-7為故障軸承的振動波形。正常時振動加速度波形有較小的振幅平均值（a），當出現(xiàn)滾道面疲勞時，其波形振幅普遍增大（b），又當出現(xiàn)內(nèi)外圈疲勞剝落時，波形中可看到頻率等于

31、其故障特征頻率的沖擊信號（c），而（d）圖則是外圈橢圓度超差時的波形。圖2-7 故障軸承的振動波形a正常軸承；b滾道面疲勞；c內(nèi)外圈疲勞剝落；d外圈橢圓度超差圖2-8為某5萬kW發(fā)電機組徑向振動位移信號。波形上下兩部分明顯不對稱，但若將上半部分的趨勢延伸至下半部分，基本上就是一個正弦振動，且其頻率與轉速一致?？梢姰a(chǎn)生振動的主要原因是轉子不平衡。另一方面，從波形下半部分來看，由不平衡引起的振動在半個周期中受到了阻礙，并產(chǎn)生了頻率高于轉速的振動分量，使波形下半邊波峰遠不如上半邊尖銳，并且疊加有高頻的波動。這表明軸承對于轉子的約束力在相反的兩個方向上有明顯的不同。通過進一步的查實，最終找到波形不對稱

32、的原因是軸承支承剛度不均勻。圖2-8 發(fā)電機組徑向振動波形分析波形有助于區(qū)分不同故障。一般說來:不平衡的振動波形基本上是正弦式的；不對中的振動波形比較穩(wěn)定、光滑、重復性好；轉子組件松動及干摩擦產(chǎn)生的振動波形比較毛糙、不平滑、不穩(wěn)定，還可能出現(xiàn)削波現(xiàn)象；自激振動，如油膜渦動、油膜振蕩等，振動波形比較雜亂，重復性差，波動大。2.3.7 分析軸心軌跡在轉軸同一截面內(nèi)安裝兩個徑向位移傳感器，彼此互成90°，將此兩路信號分別輸入示波器的X和Y方向，或者用雙通道數(shù)據(jù)采集器進行數(shù)據(jù)采集，然后再以屏幕上的X和Y方向進行圖形顯示，成為表示軸心的軌跡，（如圖2-9）。軸心軌跡表示轉子軸心一點相對于軸承座

33、的運動。為了去掉振動信號中的直流分量，可使信號先經(jīng)過高通濾波。轉子振動信號中除包含不平衡引起的同步振動分量外，一般還存在亞同步（其頻率低于轉速）分量和高次諧波（其頻率是轉速的整數(shù)倍）分量，使軸心軌跡形狀復雜，甚至非常混亂，造成分析困難。例如，一臺壓縮機高壓缸轉子系統(tǒng)發(fā)生油膜渦動導致機組停車，由于油膜渦動周期并不恰好是轉子回轉周期圖2-9 典型的軸心軌跡a橢圓；b雙橢圓；c發(fā)散的2倍，其軸心軌跡不完全重合，顯得很凌亂，如圖2-10（a）所示。目前發(fā)展了一種模擬軸心軌跡技術，它是根據(jù)頻諧分析原理，將X、Y方向振動信號分解成各個頻率分量，然后將某些頻率分量提取出來加以合成，再用計算機重新作出軸心軌跡

34、，可將原本凌亂的軌跡顯示得十分消楚，如圖2-10（b）所示。由圖上可以看到，軸心軌跡呈內(nèi)“8”字形，這是油膜渦動的典型特征。分析軸心軌跡的方法如下：（1）注意軸心軌跡的形狀及其變化。軸心軌跡常用來監(jiān)視滑動軸承中的油膜振蕩。當轉子穩(wěn)定轉動時，軸心軌跡近似于橢圓，如圖2-9（a）。軌跡變?yōu)殡p橢圓時（b），表示滑動軸承中出現(xiàn)了半速渦動（又稱雙圈晃動），這是轉軸失穩(wěn)的初期圖2-10 油膜渦動時的軸心軌跡和模擬軸心軌跡a軸心軌跡；b模擬軸心軌跡征兆。再如，觀察汽輪發(fā)電機組起動過程中轉速振動分量的軸心軌跡（圖2-11），發(fā)現(xiàn)其大小、形狀和最大振動方向不斷變化并逐漸趨于穩(wěn)定轉速下的振幅和最大振動方向。這是因

35、為起動過程中，機器由冷態(tài)逐步過渡到熱平衡狀態(tài)，機器熱容量較大，所需過渡時間較長。相反，突然停車過程中（圖2-12），由于降速快，機器熱平衡狀態(tài)來不及變化，所以轉速振動分量軸心軌跡只是隨轉速的降低而逐步縮小，其形狀和最大振動方向并無明顯變化。（2）注意軸心軌跡的穩(wěn)定性。正常情況下，軸心軌跡比較穩(wěn)定，基本上相互重合。如果軸心軌跡紊亂，形狀和大小不斷變化，不能重合，則表明運行狀態(tài)出現(xiàn)異常。例如，出現(xiàn)油膜渦動或油膜振蕩時，軸心軌跡將不斷發(fā)散，如圖2-9（c）所示。此時可用模擬軸心軌跡進行觀察。圖2-11 發(fā)電機組起動過程基頻軸心軌跡（3）觀察軸心軌跡的旋轉方向。旋轉方向與轉子轉動方向一致，稱為正向進動

36、；二者相反時，稱為反向進動。大多數(shù)情況下，軸心軌跡都是正向進動，有時出現(xiàn)反向進動，可能由于轉子徑向干摩擦所致。利用波形分析和軸心軌跡，可以發(fā)現(xiàn)一些典型的故障，如表2-2。圖2-12 發(fā)電機組停車過程基頻軸心軌跡表2-2 利用波形分析和軸心軌跡診斷的典型故障缺陷時域X-Y軌跡診斷不 對 中典型的嚴重不對中油膜渦動與不平衡相似而且渦動頻率較慢，小于軸轉速的0.5倍摩 擦接觸產(chǎn)生花狀，它疊加在正常的軸心軌跡上不平衡或軸彎橢圓的X-Y顯示2.3.8 全息譜分析轉子在同一支承截面內(nèi)垂直和水平兩方向振動之間，以及轉子在各個支承截面振動之間，都有密切關系。分析這些關系，可以得到更多的機器狀態(tài)信息。利用二維全

37、息譜和三維全息譜可以達到上述目的。（l）二維全息譜。轉子在同一支承截面內(nèi)垂直和水平兩個方向的振動信號可以分別分解成次諧波分量和高次諧波分量，根據(jù)幅值、頻率和相位，把兩個方向相同頻率成分的振動分別合成，并將各頻率分量的合成圖羅列在一張譜圖上，這就是二維全息譜。圖2-13（a）和（b）分別是某化肥廠空壓機驅動透平轉子自由端和聯(lián)軸節(jié)端振動的二維全息譜，頻率成分主要有14倍頻和較小的次諧波。從（a）圖看出，存在一個突出的4倍頻分量，而且振動方向不變，這表明轉子受到一個方向不變的力的作用，力的作用頻率為轉頻的4倍。由此聯(lián)想到空壓機驅動透平采用的是回油楔軸承，上述現(xiàn)象可能與此有關。與自由端（a）圖相比，（

38、b）圖中2倍頻成分占突出地位，主要原因是聯(lián)軸節(jié)對中不良，不對中與不平衡復合作用的結果，使1倍頻成分由圓變成橢圓。4倍頻成分仍然存在，方向相同，僅幅值變小，原因仍為四油楔軸承，對另一化肥廠的空壓機驅動透平振動信號分析結果表明，也存在4倍頻分量，這可能與設計有關；（2）三維全息譜。三維全息譜顯示不同支承截面內(nèi)同一頻率成分的振動軌跡、相位關系及軸心線上出現(xiàn)的節(jié)點。圖2-14是某化肥廠空壓機組基頻分量振動的三維全息譜。該機組自大修以來運行狀態(tài)穩(wěn)定，但從圖中可以看出，仍存在需要注意的問題。自由端基頻振動軌跡近似為一直線，其水平和垂直振動相位差接近180°，這顯然由于壓縮機轉子每轉都受到一個方向

39、固定的力作用，此力大小基本不變。振源不會是轉子自身缺陷，而很可能是軸承及其附近軸上零部件所受強迫力。壓縮機圖2-13 空壓機驅動透平轉子的二維全息譜a自由端振動二維全息譜；b聯(lián)軸節(jié)端振動二維全息譜自由端支承軸承為橢圓軸承，軸承安裝不良，如上瓦與下瓦之間的聯(lián)接出現(xiàn)松動，就很可能造成上述振動。這一點在下次大修時應引起注意。2.3.9 觀察隨轉速的變化轉速變化主要指起動和停車過程，在這一過程中經(jīng)歷各種轉速，振動信號能顯示出故障與轉速的關系，以此可區(qū)分不同故障。例如：不平衡引起的振動幅值隨轉速的增大而增大，并在通過臨界轉速時有峰值出現(xiàn)；不對中引起的振動與轉速關系不大。圖2-15為不平衡、不對中引起的振

40、幅隨轉速變化的示意圖。圖2-14 空壓機組三維全息譜a基頻分量：從右至左依次為透平、低壓缸b低頻分量：從右至左依次為透平、低壓缸圖2-15 不平衡、不對中時振動與轉速的關系a不平衡、不對中分別發(fā)生；b不平衡、不對中同時存在：不平衡力和不對中力相位錯開的情況不平衡力和不對中力相位相同的情況油膜渦動的振動頻率隨轉速增大而增大，但與轉速的比例保持在（4248）%之間。當轉速到達一階臨界轉速的二倍以上時，即出現(xiàn)強烈振動，振動頻率不再隨轉速增大而保持在轉子臨界轉速上，此即發(fā)生了油膜振蕩。觀察振動的某些頻率分量隨轉速（以及時間、負載等）變化情況，可利用三維譜（又稱瀑布圖或級聯(lián)譜）。三維譜是將不同轉速下的頻

41、譜疊加在一起構成的（圖2-16），其橫坐標為頻率，縱坐標為轉速，第三坐標為振幅。從圖上可以看到由譜峰構成的“山脈”。若“山脈”斜線通過坐標原點，表明這種振動的頻率分量與轉速有關，其振源也必定與轉速有關（如不平衡）；與頻率軸垂直的“山脈”表示不受轉速影響的頻率分量（如油膜振蕩）；分布不規(guī)則的“山脈”可認為由隨機振動產(chǎn)生。圖2-16 三維譜圖2-16 三維譜 3 常見故障的識別及實例本章對于各種常見故障，分別簡述故障原因，給出頻譜和波形特征，敘述測量儀器設置及診斷要點，在“說明”中指出與其他故障的區(qū)分方法及需要加以注明的內(nèi)容，最后提供比較典型的工程實例，以資借鑒。3.1 不平衡3.1.1 故障原因

42、當轉子質量中心偏離轉動中心時出現(xiàn)不平衡。造成不平衡的原因通常是：裝配不適當、轉子上有附加物生成、轉子質量磨損、轉子破裂或丟失部件。3.1.2 頻譜和波形特征（圖3-1）（1）徑向振動大 基頻有穩(wěn)定的高峰，其他倍頻振幅較小。 基頻幅值隨轉速增大而增大，這是不平衡的重要特征。（2）軸向振動較小3.1.3儀器設置（1）最高分析頻率。低轉速：200Hz。高轉速：400Hz。（2）波形、頻譜、振動速度或加速度顯示。3.1.4診斷（1）頻域： 確認頻譜中以穩(wěn)定的基頻分量為主，其他倍頻幅值很小。 軸向振動比徑向振動小得多。圖3-1 不平衡時的振動頻譜和波形a 不平衡時振動頻譜；b不平衡時振動波形 必要時改變

43、轉速，確認基頻幅值隨轉速增大而增大。（2）時域： 波形以穩(wěn)定的單一頻率為主，軸每轉一周出現(xiàn)一個峰值。 軸向振動比徑向振動小得多。3.1.5 說明（1）造成徑向振動基頻幅值大的其他故障有：軸不對中、軸彎曲、機械松動及機械共振。應將它們與不平衡區(qū)分開，在檢測不平衡之前予以糾正。（2）若1×RPM、2×RPM、3×RPM等分量大，而且垂直方向的振動明顯大于水平方向振動，可能是基礎松動。（3）若軸向振動較大，并且徑向和軸向的1×RPM、2×RPM、3×RPM分量較大，可能是軸不對中。（4）稍微改變轉速，若基頻幅值變化很大，可診斷為機械共振。（

44、5）對于電機，若基頻幅值大的同時，其振動時域波形有緩慢調制現(xiàn)象，可能是機電故障，如轉子斷條或裂紋。（6）軸彎曲與不平衡有相似的頻譜特征。區(qū)分的方法是：低速轉動下檢查轉子各部位的徑向跳動量，可判斷是否有初始彎曲；在一定轉速下改變機組負荷，若振動隨負荷和時間而變化，則可能是局部摩擦、受熱或冷卻不均勻引起的熱彎曲。實例1 離心壓縮機不平衡（1）故障情況某化工廠離心壓縮機高壓缸的徑向振動自3月以來呈不斷增長趨勢，有的測點振動峰-峰值從27m增長到50m，幾乎翻了一番（見表3-1）。表3-1 振動通頻峰-峰值（m）日期9108垂直9108水平9109垂直9109水平21/34227372431/3402

45、737242/4422835258/44733413118/44748434227/445504544低壓缸轉速為6446r/min，高壓缸轉速為13175r/min。（2）診斷利用監(jiān)測和診斷系統(tǒng)對振動測試信號進行分析診斷，振動測點分布如圖3-2。圖3-3為高壓缸5月2日振動頻譜。從頻譜圖可以看出，主要頻率分量只有基頻分量一個，其余倍頻分量均很小，所占比例在10%以下（表3-2）。軸心軌跡如圖3-4所示，基本上呈圓形，很規(guī)則，波動很小，并且為正進動，即軸心軌跡旋向與轉子旋轉方向相同。 圖3-2 振動測點分布圖 表3-2 倍頻成分百分比倍頻 測點0.5倍頻1倍頻2倍頻9108垂直90%48.61

46、 10%4.96 9108水平1.8%1.12 91%55.53 7.0%4.01 9109垂直94%47.87 6.0%3.18 9109水平2.5%1.37 93%49.30 4.5%2.42 圖3-3 高壓缸5月2日振動頻譜 圖3-3高壓缸5月2日振動頻譜a左軸承垂直；b左軸承水平；c右軸承垂直；d右軸承水平圖3-4 軸心軌跡a右軸承；b左軸承為了進一步了解情況，將3月份以來的轉子振動數(shù)據(jù)作趨勢分析，如圖3-5所示，左右軸承大體類似?？梢钥闯觯?倍頻分量振幅基本上沒有變化，振動通頻峰-峰值增長的原因完全是由于基頻振動分量的增長。由該機器以往的運行經(jīng)驗，引起振動增加的原因可能有：探頭失效，

47、引起測試數(shù)據(jù)不準；圖3-5 左軸承振動趨勢分析a通頻峰-峰值；b1倍頻；c2倍頻轉子對中不良；壓縮機高壓缸內(nèi)部氣流不穩(wěn)；油膜渦動；不平衡量增加?，F(xiàn)在根據(jù)上面的分析確定振動上升的真正原因。探頭失效不可能造成讀數(shù)增加，因為高壓缸四個徑向振動探頭的振幅都有所增加。而且基頻分量明顯增長的同時2倍頻分量卻保持不變。對中不良也可排除，因為對中不良的特征是2倍頻分量增長，在振動中占較大比重，并且軸心軌跡狹長。但實際情況并非如此。壓縮機內(nèi)部工作氣流不穩(wěn)所激發(fā)的振動，一般在頻譜上會出現(xiàn)一些與轉子或其零部件固有頻率有關的頻率成分，而實際頻譜上沒有這樣的頻率成分，氣流不穩(wěn)這一條也可排除。又因為0.5倍頻附近沒有明顯

48、的頻率分量，所以也不是油膜渦動。從頻譜上突出的基頻分量，加之圓形軸心軌跡，可以有把握地認為，不平衡是振動增大的主要原因。另外，趨勢圖上基頻變化曲線與通頻振動峰-峰值變化曲線十分吻合，也表明振動增大的原因是不平衡的增大。高壓缸轉子轉速高達13000r/min以上，對轉子的微小不平衡量很敏感。根據(jù)以往的運行記錄和檢修記錄，認為不平衡量增加的可能原因有二：一是轉子葉片結垢或磨損不均勻，當繼續(xù)運轉時，結垢或磨損有可能趨于均勻，使振動逐漸平緩甚至降低。二是由于機器基礎熱變形造成轉子撓度變形加大，熱變形主要受氣溫影響。綜合上述兩種可能原因，可知振動的變化將比較緩慢，不會突然造成機器的損壞。診斷結論為：振動增大主要原因是不平衡量的增加；振動變化比較緩慢，不會引起突發(fā)事故，只要注意監(jiān)測，在振幅峰-峰值到達報警值以前，不必停車檢修；建議下次大修時，對轉子進行現(xiàn)場動平衡調試，以降低振動幅值。（3）驗證根據(jù)診斷結論，機組繼續(xù)運轉了18個月，直至大修。振幅緩慢上升，但未發(fā)生什么故障，未影響生產(chǎn)正常進行，監(jiān)測頻譜中仍只有基頻分量，可見振動原因仍是不平衡，未出現(xiàn)新的振源。實例2 壓縮機不平衡（1）故障情況某石化化工廠