震动测试第6章 频谱分析-典型故障

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1、频谱说明 以下的内容将针对可能出现的 不同机器故障，提供典型的振 动频率范例。 这是以概率计算 为基础的，并且不管你多确信 诊断结果，现场测试总是必要 的。 振动时域振动时域/频域图形频域图形 不同频率的正弦波频谱变化不同频率的正弦波频谱变化 振动时域振动时域/频域图形（续）频域图形（续） 包含高次谐波的频谱包含高次谐波的频谱 基波与三次谐波的频谱基波与三次谐波的频谱 基波与基波与 3次谐 波合成 的波形 次谐 波合成 的波形 方波可分解方波可分解 成同频基波成同频基波 及及 3、5、 7奇次奇次 谐波谐波 依靠频谱分析法进 行故障诊断 依靠频谱分析法进 行故障诊断 a）时域波形）时域波形b）

2、频域波形）频域波形 减速箱故障分析减速箱故障分析 不平衡 不平衡 通常是诊断中最简单的故障 (也是最常 见的)。 不平衡是离心力。 例如一台 直径为0。 91 米的风扇，转速为 2000 rpm: 周长 = 0。91 x 3。14 = 2。86m。 2000 rpm = 120,000 转/小时 (rph) 120,000 rph x 2。86m/rev = 342888m/hour OR 342。9 km/hr 风扇边缘的不平衡质量 (不管是多大)运行速度接 近与一台跑车的最快速度。 另外要记住: 力 = 质量 x 速度的平方 静不平衡 不存在其它问题时, 不平衡产生一 个正弦图形 (不会扭

3、曲信号的形 状) ，因此在1x rpm产生峰值。 静不平衡的特征: 径向振动 1x rpm。 轴承相位随传感器改变 90而改变 90。 两轴承之间很少或没有相位 改变 轴承振动是 “同相“ 偶不平衡特征: 径向振动 1x rpm。 传感器改变 90相位改变90 。 轴承之间有明显的相位改变 ( 60) 轴承振动是 “不同相的“ 悬臂转子不平衡的症状: 径向振动 1x rpm。 轴向振动 1x rpm。 传感器改变90，轴承附近的相位也随之改变 90 。 轴向相位读数通常是同相的。 径向相位读数可能是不同相的。 平衡可能需要轴向相位的读数。 图图 2 悬臂转子不平衡悬臂转子不平衡 图图 1 由不

4、平衡产生的典型轴向由不平衡产生的典型轴向FFT 悬臂转子不平衡 图图 1 由不平衡产生的典型径向由不平衡产生的典型径向FFT 不平衡的典型特征不平衡的典型特征 诊断诊断 具有较高的径向振动具有较高的径向振动. 时域波形和频谱图上均具有稳定的时域波形和频谱图上均具有稳定的1XRPM分量分量 在在1XRPM上的幅值随转速稳定的增加上的幅值随转速稳定的增加 在在2XRPM,3XRPM等处幅值较低等处幅值较低 具有较低的轴向振动具有较低的轴向振动 不平衡对转速的变化最敏感（与转速平方成正 比） 不平衡对转速的变化最敏感（与转速平方成正 比） 测量测量 Fmax 设置在设置在500HZ 以下；速度频谱图

5、；加速度时域图以下；速度频谱图；加速度时域图 检查径向振动频谱图上是否有检查径向振动频谱图上是否有1XRPM峰值峰值 如果出现了其他的谐波成分，请考虑其他故障如果出现了其他的谐波成分，请考虑其他故障 频谱分析：频谱分析： 1倍频峰值很大，较少伴随其它倍频倍频峰值很大，较少伴随其它倍频 无其它较大峰值出现无其它较大峰值出现 采用细化分析或同步平均确认采用细化分析或同步平均确认1倍频峰值特征倍频峰值特征 1倍频水平方向与垂直方向峰值比不超出倍频水平方向与垂直方向峰值比不超出3:1 1倍频轴向振动远远低于径向振动倍频轴向振动远远低于径向振动 相位分析相位分析 同一轴承座水平方向与垂直方向测得的相位差

6、约为同一轴承座水平方向与垂直方向测得的相位差约为90 轴两端水平方向（垂直方向）测得的相位相同或相反轴两端水平方向（垂直方向）测得的相位相同或相反 相位数据相对稳定：相位数据相对稳定：1520 不平衡振动在相位上保持恒定不变，与转速同步不平衡振动在相位上保持恒定不变，与转速同步 不对中 不对中 最常见的振动故障。 和不平衡不同, 它没有 单一的振动特征。 完全 对中 转轴的中心线平行并相交。 不对中的类型: 角度不对中 转轴的中心线相交但不平行 平行不对中 转轴中心线平行但不相交。 在实际中单纯只遇到角度不对中或平行不对中是不太 可能的- 一般这两种情况总是同时发生。 所以不对中的振 动特征复

7、杂。 直接驱动的不对中 图图 1 完全对中完全对中 图图 2 纯粹的角度不对中纯粹的角度不对中 图图3 纯粹的平行不对中纯粹的平行不对中 角度不对中 角度不对中的特征: （1）1x rpm轴向振动大, 可能在 2x 但通常不是 这样。 公式列在下面。 测量 用闪光灯测量是非常难的因为光标通常 不可靠 (刻在皮带上等)。 光眼是很准确的但是需要在皮带上合理 设置标志。 “激光测速仪” 是测量皮带速度最好 的选择，因为它不需要传统意义上的 “标志” 最好的是通过图像识别来 测量。 估计 通过一些实践并理解简单的技术，分析 者实际上通过分析频谱来确定皮带速度。 要 保证成功最重要的要素是 必须有与皮

8、带频 率有关的参数。 一般按如下步骤进行: (1) 确认任一转动轮和与之相关的峰值 (1x rpm 和谐波)。 标记它们是哪一 种。 (2) 假设截断一半皮带并用一只滑轮包住。 它能包几次- 两次? 三次 ? 这就 会给你非常粗略的估计 (如果包三次, 速度是滑轮速度的1/3)。 (3)在对数坐标下显示你的速度频谱。 移动你的频谱跟踪指针到你估计的皮带速度下并开启谐波。 左右移动你的跟踪指针，增量尽可能的小 (一些软件允许位移是分辨率的 1/10 这样有助于确定谐波) ，并试图得到非常明显但以前未经确认的 振幅峰值排列成行。 如果频谱上有明显的皮带峰值, 你应该能使它们在某一点上排列起来。 如

9、果你不可能发现以前未经发现的明显振幅，则意味着两件事: 你的频谱辨认率不够; 或者是，没有明显的皮带振动(在这种情况下, 为什么我们需要知道皮 带的速度 ?)。 计算皮带转速的公式: 如果你知道: 皮带长度和滑轮的速度和它的 直径: 主动滑轮直径和速度或从 动滑轮直径和速度 你能按如下步骤计算皮带频率: 3.14 x PS1 x PD1/BL = 皮带RPM 或者 3.14 x PS2 x PD2/BL = 皮带 RPM 参数定义参数定义: PS = 滑轮转速滑轮转速 (PS1 = 主动轮转速主动轮转速, PS2 = 被动轮转速被动轮转速) PD = 滑轮直径滑轮直径 (PD1 = 主动轮直径

10、。主动轮直径。, PD2 = 被动轮直径被动轮直径) SD = 转轴中心距离转轴中心距离 BL = 皮带长度皮带长度 - 或者 如果你知道滑轮尺寸和直径, 你可以通过下式粗略地计算皮带长度并带入 上述公式: 皮带长度 = 1.57 x (PD1 + PD2) + 2(SD) 换句话说, 2x 中心距离加上 1/2 每个滑轮 的周长将得到皮带长度。 皮带驱动的故障 滑轮不对中 图图 1 典型的滑轮不对中典型的滑轮不对中FFT (图图3和和4中所示的也可能是转轴不对中引起的中所示的也可能是转轴不对中引起的)。 这种状 态经常导致两种部件在 。 这种状 态经常导致两种部件在1x RPM轴向振动大。

11、这是由于 由皮带与滑轮在运动中产生的 轴向 轴向振动大。 这是由于 由皮带与滑轮在运动中产生的 轴向 “推力推力” 滑轮不对中症状: 在 1x rpm轴向振动大。 滑轮和皮带轴向不光滑的磨损。 图图 2: 偏心偏心 图图 3: 角度不对中角度不对中 1 图图 4: 角度不对中角度不对中 2 皮带驱动故障 皮带/滑轮磨损, 张力不适当和皮带共振 图 1 - 皮带/滑轮磨损的典型FFT; 如果皮带和受迫频率一致也可能产生共振 (传动器, 驱动, 皮带 RPMs 图 1 - 皮带/滑轮磨损的典型FFT; 如果皮带和受迫频率一致也可能产生共振 (传动器, 驱动, 皮带 RPMs) 皮带/滑轮磨损, 皮

12、带共振症状: 2x, 3x, 4x & 5x 皮带转速时径向振动大 经常能看到皮带过度 “拍打” 。 如果磨损是故障的话，皮带和/或滑轮将过度磨损, 破裂等等。 皮带张力可能出现问题- 皮带不能太松也不能太紧。 皮带的共振频率可通过在轴承上设置传感器来获得 (径向的) 并且采集时域和频谱时皮带的“拨弦”应象吉他声一样。 图图 2 皮带故障导致产生皮带振动剧烈皮带故障导致产生皮带振动剧烈 皮带驱动故障 滑轮偏心 / 转轴弯曲 (靠近滑轮) 图图 1 滑轮偏心滑轮偏心/转轴弯曲（靠近滑轮）的典型转轴弯曲（靠近滑轮）的典型FFT 滑轮偏心 /转轴弯曲的症状： 1、两种部件在1x 径向振动大 很容易被

13、误诊为不平衡。 2、皮带作为橡胶被拉伸和松懈- “相互” 作用力- 不可能通过平 衡部件来校正。 3、平行于皮带方向上振动比垂直方向的要大。 4、轴承周围的相位变化为 0 或 180。 图图 2 故障部件因偏心问题引起的故障部件因偏心问题引起的 1x RPM剧烈振动。 靠近滑轮的弯曲轴引起同样的症状 剧烈振动。 靠近滑轮的弯曲轴引起同样的症状。 滑动轴承故障 因为没有基本的缺陷频率可分析，滑动轴承故障在某种程度 上比滚动轴承更容易被忽略，更容易分析。 但是, 滑动轴承需 要与滚动轴承所不同的技术和洞察力。 例如: 1、在滑动轴承座上测得的振动是不可靠的 ，因为轴承座的 振动只是转轴振动的很小一

14、部分 (可能小于转轴移动的 10%)。 2、振动是由于机器旋转时产生机械力引起的。 当没有这些 外力时 (例如低速旋转时对中和平衡良好),发生的过渡磨损 在振动频谱上可能并没有显示 尤其是读数来自轴承座时。 3、与润滑轴承不同, 滑动轴承通常有油系统。 如果油停止 流动或油品严重污染, 可能很快发生故障。 滑动轴承怎样才能减少这些顾虑? 油品分析 这比振动分析能更精确地监测轴承状态。 直接的转轴振动读数- 尽管有时不实际或不可能, 用逼近式探 头采集转轴或轴端的数据从轴承座上采集的振动数据更有用， 因为这些技术测量是转轴的运动而不是轴承座的运动。 时域分析 查看原始的时间信号将得到转轴运动的精

15、确信息 ，并给出可视的故障诸如频谱不能显示的摩擦问题。 滑动轴承故障: 轴承磨损 (松动) 图图 1 - FFT 说明滑动轴承松动说明滑动轴承松动 图图 2 松动允许信号形状更象方波。这引起松动允许信号形状更象方波。这引起FFT上的谐波。上的谐波。 滑动轴承松动的症状 监测的准确的症状和频谱记录的振幅取决于转轴旋转时产生的力的大小，我们 在此采集数据和其它参数。 即使采集直接的转轴读数, 如果没有足够的外力引起转轴如图2的甩转, 转 轴仍会正常旋转，但轴承继续磨损并且间隙继续增大。 在这种情况下, 故 障的振动症状将非常小甚至是不存在。 如果读数来自轴承座而非转轴, 你可能只测量了10%的转轴

16、位移，而且很 有可能不会产生轴承磨损的振动现象。 其它影响因素还包括转子和轴承座 /结构的相对质量 (相对轻的转子能移动比较重的轴承座什么程度?)。 重要的是应当理解不能向用振动监测滚动轴承状态那样监测滑动轴承状态 。 滑动轴承常见的磨损、松动不会引起振动。 受力对松动部件比对紧固件 有更大的影响。 如果外力不足够大让转子甩动, 就不会产生振动现象。 油膜分析 监测油品, 杂质和磨屑是预测滑动轴承系统故障最好的方法。 最常见的 症状: 1x径向振动大，轴承松动并伴有谐波。 严重时, 峰值可能出 现 在半速谐波处 (0.5 x rpm, 1.5 x rpm, 等)。 转子碰磨轴心轨迹 图图 1 油膜涡动引起的油膜涡动引起的FFT (0.42-0.48xRPM 峰值说明油膜涡动峰值说明油