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內容涵蓋振動診斷技術、振動案例知識，定期發(fā)布相關培訓信息。部分文章轉自網絡供讀者學習參考，若有異議及時告知，予以刪除。 需要現場振動診斷，現場轉子平衡，儀器購置者可留言或電話聯系。 設備故障分析與診斷 根據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驗都是很重要的。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)下的振動數據，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，注意哪些參數發(fā)生了變化及變化程度如何。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。每一種引發(fā)異常振動的故障源都產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。根據振動信號的頻率組成，可以很快排除一批不可能出現的故障，將注意力集中在幾個可能的故障原因上。一般說來：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（0.42～0.48）×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在總振動中所占的份量。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。不平衡量增大，則徑向水平、垂直兩個方向的振幅同時增長；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。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。在齒輪箱（以及電機）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，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析時，倒頻譜中就出現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，但其倒頻譜差別很小；（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進行分析，因而大大提高了頻率分辨率（圖 2-5）。太多數 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進行，稱為基帶分析，頻率分辨率往往不夠大，如圖 2-6 所細化不僅大大提高頻率分辨率，還可明顯地改善信噪比。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），當出現滾道面疲勞時，其波形振幅普遍增大（b），又當出現內外圈疲勞剝落時，波形中可看到頻率等于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 2-8 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的原因是軸承支承剛度不均勻。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生的振動波形比較毛糙、不平滑、不穩(wěn)定，還可能出現削波現象；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。在轉軸同一截面內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，或者用雙通道數據采集器進行數據采集，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的運動。為了去掉振動信號中的直流分量，可使信號先經過高通濾波。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倍）分量，使軸心軌跡形狀復雜，甚至非?；靵y，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，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“8”字形，這是油膜渦動的典型特征。（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了半速渦動（又稱雙圈晃動），這是轉軸失穩(wěn)的初期征兆。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)出現異常。例如，出現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。（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；二者相反時，稱為反向進動。大多數情況下，軸心軌跡都是正向進動，有時出現反向進動，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)現一些典型的故障，如表 2-2。轉子在同一支承截面內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軸節(jié)端振動的二維全息譜，頻率成分主要有 1～4 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。由此聯想到空壓機驅動透平采用的是回油楔軸承，上述現象可能與此有關。與自由端（a）圖相比，（b）圖中 2 倍頻成分占突出地位，主要原因是聯軸節(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同一頻率成分的振動軌跡、相位關系及軸心線上出現的節(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接出現松動，就很可能造成上述振動。這一點在下次大修時應引起注意。轉速變化主要指起動和停車過程，在這一過程中經歷各種轉速，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；不對中引起的振動與轉速關系不大。圖 2-15 為不平衡、不對中引起的振幅隨轉速變化的示意圖。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（42～48）%之間。當轉速到達一階臨界轉速的二倍以上時，即出現強烈振動，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（又稱瀑布圖或級聯譜）。三維譜是將不同轉速下的頻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生。
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