​转动设备故障分析与诊断

振动诊断

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设备故障分析与诊断

根据振动信号识别设备故障是件难度很大的工作。这主要因为：同一故障可以表现出多种症候，同一症候可由不同故障引起，不同类型的机器其故障与症候的对应关系可能不完全一样，这种关系又与运行条件、环境条件、故障历史及维修情况有密切联系。在故障诊断中，熟悉和掌握机器的结构、特性、使用和维修情况以及实际诊断经验都是很重要的。

1 注意发展和变化

在分析和诊断故障时，应注意从发展变化中得出准确的结论。单独一次测量往往难于对故障判断有较大把握，反复多次的追踪测量分析能使诊断更接近于真实情况。为此，应注意积累和研究机器正常运行状态下的振动数据，包括基频的幅值和相位、次谐波和高次谐波的幅值和相位、其他重要频率分量的幅值、时域波形以及轴心轨迹的形状、大小和旋转方向等。对当前机器的振动信号进行各种观察和分析时，应与正常运行状态下的振动进行比较，注意哪些参数发生了变化及变化程度如何。例如，基频分量变化不大而 2 倍频幅值明显增大可能说明不对中加剧，喘振使轴向振动变化明显，而不平衡增大使水平和垂直方向振动同步增长。趋势分析也是有效的方法，不但分析振动有效值或峰-峰值变化趋势，而且分析基频、1/2 倍频、2 倍频等各频率分量的变化趋势，从而得出振动是稳定不变、逐渐上升、时升时降还是迅速增大等信息。例如，不平衡加大使振动缓慢而稳定上升，叶片断落则使振动幅值突然上升。

2 分析振动的频率成分

每一种引发异常振动的故障源都产生一定频率成分的振动，可能是单一频率，也可能是一组频率或某个频带。根据振动信号的频率组成，可以很快排除一批不可能出现的故障，将注意力集中在几个可能的故障原因上。一般说来：

不平衡主要引起基频振动；

不对中不但影响基频振动，还可引起 2 倍频及其他高倍频振动；

滑动轴承油膜涡动的振动频率为（0.42～0.48）×RPM，油膜振荡的振动频率为转子一阶临界转速频率；

转子与固定部件之间的摩擦激发较宽频带的振动，可能包括基频、倍频、次谐波、转子零部件固有频率；

转子组件松动的振动频率以基频为主，可能伴有倍频或 1/2×RPM、1/3×RPM 等分数倍频。为了更好地知道各频率成分的主次，有时可列出频率结构表（表 2-1），表中有以 mV为单位读出的通频幅值和各频率成分的幅值，根据各频率成分与通频的幅值比，可以清楚地看出各频率成分的强弱顺序和它们在总振动中所占的份量。

在研究频谱的频率成分时，为了突出主要频率成分，减弱干扰和噪声，可以利用自功率谱（简称自谱）。由于自功率谱的纵坐标与幅值的平方成正比，使幅值谱中的高峰更突出而小的峰变得更不明显，所以能使频率结构更清晰，如图 2-3 所示。

3 分析振动的方向性和幅值稳定性

一般说来：

不平衡量增大，则径向水平、垂直两个方向的振幅同时增长；

不对中径向振幅增大，但同时还可引起轴向振动；

基座松动时垂直方向振动明显大于水平方向振动；

转子组件松动引起的振动，其幅值不稳定；

油膜涡动和油膜振荡则以径向振动为主，振幅不稳定；

转子裂纹引起的 2 倍频振动，水平方向和垂直方向的振幅大小相近。

4 分析各频率成分的相位

不平衡引起的基频振动分量与转轴相位标志之间的角度（即基频分量的相位）保持不变，水平方向与垂直方向振动相位相差约 90°。

平行不对中引起的径向振动在轴两端反向，即相位相差 180°；角不对中引起的径向振动在轴两端同向，即相位差为零。

5 边频分析

在齿轮箱（以及电机）故障诊断中，常见到具有复杂周期结构的振动频谱[ 图 2-4（a）]。

频谱中有轴转动频率 fr 及其谐波，有齿轮啮合频率 fm 及其谐波，还有 fr 与 fm 之间调制产生的边频族。实际上，一对齿轮的啮合频率 fm 及其谐波频率是载波频率，而齿轮偏心、齿间游隙、齿的个别损伤及轴本身故障产生的每周一次振动（频率为 fr）成为调制信号，调制结果使 fm 两边产生出频率间隔彼此相等的边频族。所以，频谱上谱峰分布有了

周期性结构。分析边频，求出调制频率，常常可以找到故障的部位。

在难于直接从频谱图上分析边频结构时，可以借助于细化分析或倒频谱。

倒频谱的横坐标是频率的倒数，具有时间量纲（通常以毫秒为单位）。对于有变频结构的频谱作倒频谱分析时，倒频谱中就出现代表不同周期性结构的谱峰，如图 2-4（b）中有1/fm、2/fm……和 1/fr，等几个峰，据此可以求出特征频率 fr 和 fm 倒频谱的优点在于：

（l）将频谱中的周期性结构检测出来，便于边频分析；

（2）比起幅值谱，倒频谱受振动传输途径影响较小。振动传感器安装在齿轮箱不同位置上，其幅值谱可能不同，但其倒频谱差别很小；

（3）当调制信号（常常是故障信号）较弱时，在频谱图中往往不明显，但倒频谱能够相对加强幅值小的信号，使较弱的周期性信号变得明显。

细化分析又称选带分析或 ZOOM，它可围绕一个指定的中心频率在较窄的频带内进行分析，因而大大提高了频率分辨率（图 2-5）。太多数 FFT 分析都在直流分量。（即零频率）与最高分析频率之间的宽频带内进行，称为基带分析，频率分辨率往往不够大，如图 2-6 所

示。

细化不仅大大提高频率分辨率，还可明显地改善信噪比。

6 分析波形变化

波形分析具有简捷直观的特点，对于成分比较简单的振动位移信号，或者信号中的削波、脉冲、调幅、调频等情况较为有效，一般可与频谱分析同时使用。

图 2-7 为故障轴承的振动波形。正常时振动加速度波形有较小的振幅平均值（a），当出现滚道面疲劳时，其波形振幅普遍增大（b），又当出现内外圈疲劳剥落时，波形中可看到频率等于其故障特征频率的冲击信号（c），而（d）图则是外圈椭圆度超差时的波形。

图 2-8 为某 5 万 kW 发电机组径向振动位移信号。波形上下两部分明显不对称，但若将上半部分的趋势延伸至下半部分，基本上就是一个正弦振动，且其频率与转速一致。可见产生振动的主要原因是转子不平衡。另一方面，从波形下半部分来看，由不平衡引起的振动在半个周期中受到了阻碍，并产生了频率高于转速的振动分量，使波形下半边波峰远不如上半边尖锐，并且叠加有高频的波动。这表明轴承对于转子的约束力在相反的两个方向上有明显的不同。通过进一步的查实，最终找到波形不对称的原因是轴承支承刚度不均匀。

分析波形有助于区分不同故障。一般说来:

不平衡的振动波形基本上是正弦式的；

不对中的振动波形比较稳定、光滑、重复性好；

转子组件松动及干摩擦产生的振动波形比较毛糙、不平滑、不稳定，还可能出现削波现象；

自激振动，如油膜涡动、油膜振荡等，振动波形比较杂乱，重复性差，波动大。

7 分析轴心轨迹

在转轴同一截面内安装两个径向位移传感器，彼此互成 90°，将此两路信号分别输入示波器的 X 和 Y 方向，或者用双通道数据采集器进行数据采集，然后再以屏幕上的 X 和 Y方向进行图形显示，成为表示轴心的轨迹，（如图 2-9）。轴心轨迹表示转子轴心一点相对于轴承座的运动。为了去掉振动信号中的直流分量，可使信号先经过高通滤波。

转子振动信号中除包含不平衡引起的同步振动分量外，一般还存在亚同步（其频率低于转速）分量和高次谐波（其频率是转速的整数倍）分量，使轴心轨迹形状复杂，甚至非常混乱，造成分析困难。例如，一台压缩机高压缸转子系统发生油膜涡动导致机组停车，由于油膜涡动周期并不恰好是转子回转周期的 2 倍，其轴心轨迹不完全重合，显得很凌乱，如图 2-10（a）所示。目前发展了一种模拟轴心轨迹技术，它是根据频谐分析原理，将 X、Y 方向振动信号分解成各个频率分量，然后将某些频率分量提取出来加以合成，再用计算机重新作出轴心轨迹，可将原本凌乱的轨迹显示得十分消楚，如图 2-10（b）所示。由图上可以看到，轴心轨迹呈内“8”字形，这是油膜涡动的典型特征。

分析轴心轨迹的方法如下：

（1）注意轴心轨迹的形状及其变化。轴心轨迹常用来监视滑动轴承中的油膜振荡。当转子稳定转动时，轴心轨迹近似于椭圆，如图 2-9（a）。轨迹变为双椭圆时（b），表示滑动轴承中出现了半速涡动（又称双圈晃动），这是转轴失稳的初期征兆。再如，观察汽轮发电机组起动过程中转速振动分量的轴心轨迹（图 2-11），发现其大小、形状和最大振动方向不断变化并逐渐趋于稳定转速下的振幅和最大振动方向。这是因为起动过程中，机器由冷态逐步过渡到热平衡状态，机器热容量较大，所需过渡时间较长。相反，突然停车过程中（图 2-12），由于降速快，机器热平衡状态来不及变化，所以转速振动分量轴心轨迹只是随转速的降低而逐步缩小，其形状和最大振动方向并无明显变化。

（2）注意轴心轨迹的稳定性。正常情况下，轴心轨迹比较稳定，基本上相互重合。如果轴心轨迹紊乱，形状和大小不断变化，不能重合，则表明运行状态出现异常。例如，出现油膜涡动或油膜振荡时，轴心轨迹将不断发散，如图 2-9（c）所示。此时可用模拟轴心轨迹进行观察。

（3）观察轴心轨迹的旋转方向。旋转方向与转子转动方向一致，称为正向进动；二者相反时，称为反向进动。大多数情况下，轴心轨迹都是正向进动，有时出现反向进动，可能由于转子径向干摩擦所致。

利用波形分析和轴心轨迹，可以发现一些典型的故障，如表 2-2。

8 全息谱分析

转子在同一支承截面内垂直和水平两方向振动之间，以及转子在各个支承截面振动之间，都有密切关系。分析这些关系，可以得到更多的机器状态信息。利用二维全息谱和三维全息谱可以达到上述目的。

（l）二维全息谱。转子在同一支承截面内垂直和水平两个方向的振动信号可以分别分解成次谐波分量和高次谐波分量，根据幅值、频率和相位，把两个方向相同频率成分的振动分别合成，并将各频率分量的合成图罗列在一张谱图上，这就是二维全息谱。图 2-13（a）和（b）分别是某化肥厂空压机驱动透平转子自由端和联轴节端振动的二维全息谱，频率成分主要有 1～4 倍频和较小的次谐波。从（a）图看出，存在一个突出的 4 倍频分量，而且振动方向不变，这表明转子受到一个方向不变的力的作用，力的作用频率为转频的 4 倍。由此联想到空压机驱动透平采用的是回油楔轴承，上述现象可能与此有关。与自由端（a）图相比，（b）图中 2 倍频成分占突出地位，主要原因是联轴节对中不良，不对中与不平衡复合作用的结果，使 1 倍频成分由圆变成椭圆。4 倍频成分仍然存在，方向相同，仅幅值变小，原因仍为四油楔轴承，对另一化肥厂的空压机驱动透平振动信号分析结果表明，也存在 4 倍频分量，这可能与设计有关；

（2）三维全息谱。三维全息谱显示不同支承截面内同一频率成分的振动轨迹、相位关系及轴心线上出现的节点。图 2-14 是某化肥厂空压机组基频分量振动的三维全息谱。该机组自大修以来运行状态稳定，但从图中可以看出，仍存在需要注意的问题。自由端基频振动轨迹近似为一直线，其水平和垂直振动相位差接近 180°，这显然由于压缩机转子每转都受到一个方向固定的力作用，此力大小基本不变。振源不会是转子自身缺陷，而很可能是轴承及其附近轴上零部件所受强迫力。压缩机自由端支承轴承为椭圆轴承，轴承安装不良，如上瓦与下瓦之间的联接出现松动，就很可能造成上述振动。这一点在下次大修时应引起注意。

9 观察随转速的变化

转速变化主要指起动和停车过程，在这一过程中经历各种转速，振动信号能显示出故障与转速的关系，以此可区分不同故障。例如：不平衡引起的振动幅值随转速的增大而增大，并在通过临界转速时有峰值出现；不对中引起的振动与转速关系不大。图 2-15 为不平衡、不对中引起的振幅随转速变化的示意图。

         

         

油膜涡动的振动频率随转速增大而增大，但与转速的比例保持在（42～48）%之间。当转速到达一阶临界转速的二倍以上时，即出现强烈振动，振动频率不再随转速增大而保持在转子临界转速上，此即发生了油膜振荡。

观察振动的某些频率分量随转速（以及时间、负载等）变化情况，可利用三维谱（又称瀑布图或级联谱）。三维谱是将不同转速下的频谱叠加在一起构成的（图 2-16），其横坐标为频率，纵坐标为转速，第三坐标为振幅。从图上可以看到由谱峰构成的“山脉”。若“山脉”斜线通过坐标原点，表明这种振动的频率分量与转速有关，其振源也必定与转速有关（如不平衡）；与频率轴垂直的“山脉”表示不受转速影响的频率分量（如油膜振荡）；分布不规则的“山脉”可认为由随机振动产生。