淺析振動分析技術在旋轉機械設備故障診斷中的應用

張在新　康素坤　張　新

[摘要]機械振動是一種十分普遍的現象，凡是運動的機械都存在程度不同的振動。旋轉機械故障診斷是近年來國內外發展較快的一門新興技術。旋轉機械監測與診斷系統的研究與應用對于避免巨額的經濟損失和災難性事故的發生有著重要意義。結合旋轉機械設備的振動狀態監測管理，可以把設備通過振動儀與人進行信息溝通，明確設備的故障性質、故障部位等，提高旋轉機械設備運行的安全可靠性。介紹振動分析技術在旋轉機械設備故障診斷中的應用。

[關鍵詞]振動分析 旋轉機械 故障診斷

中圖分類號：TH12文獻標識碼：A文章編號：1671－7597（2009）0520021－01

一、前言

機械分為旋轉機械和往復機械兩種類型，它們在組成結構、動力學特征以及工作原理等方面都有所不同，故障信號的表現形式也存在差異。旋轉機械是工業上應用最廣泛的機械。許多大型旋轉機械，如：離心泵、電動機、發動機、發電機、壓縮機、汽輪機、軋鋼機等，還是石化、電力、冶金、煤炭、核能等行業中的關鍵設備，對這些設備加強監測，防止發生故障，具有十分重要的意義。本世紀以來，隨著機械工業的迅速發展，現代機械工程中的機械設備朝著輕型化、大型化、重載化和高度自動化等方向發展。機械設備管理是一項嚴謹的工作，它需要對設備建立一個完善的科學管理體系，利用現代科學的監測儀器、系統運行狀態參數，認知設備狀態。做到設備靜態、動態信息完整化、數字化，即有據可依，有數可查，實現科學的信息綜合處理。只要能夠正確識別設備的振動信息就可掌握設備的動態，把握設備的維修周期。機械故障診斷就是通過測量機器的信息，比如振動信號，判斷其運行狀態的一種現代化設備管理方法，振動現象與其運行狀態有著對應的關系。

二、旋轉機械故障診斷的特點

旋轉機械的核心部分是轉子組件，它是由轉軸及固定在其上的各類圓盤狀零件組成。由于整個轉子高速旋轉，所以對其制造、安裝、調試、維護管理都有很高的要求。如果其中某個零件出了問題，或在某個連接配合部位發生了異常的變動，就可能會引起機組的強烈振動。根據轉子系統在坐標平面內發生的振動形式，轉子的振動可分為橫向振動（振動發生在包括轉軸在橫向平面內）、軸向振動（振動發生在轉軸的軸線方向上）、扭轉振動（沿轉軸軸線發生的扭振），旋轉機械大多數故障所激發的振動為橫向振動，是主要的研究對象。旋轉機械的振動信號大多數是一些周期信號、準周期信號、或平穩隨機信號。因此，分析振動頻率與轉頻的關系是診斷旋轉機械故障的一把鑰匙。

三、應用振動分析診斷旋轉機械設備故障

（一）轉子不平衡

轉子不平衡引起的振動是旋轉機械的常見的多發故障。產生不平衡的原因：旋轉機械轉軸上所裝配的零部件，如果材質不均勻（如鑄件中存在氣孔、砂眼，加工誤差）、裝配偏心以及在長期運行中產生不均勻磨損、腐蝕、變形，或者某些固定件松脫、各種附著物不均勻堆積等各種原因，都會導致零件發生質心偏移而造成不平衡。不平衡包括靜不平衡和動不平衡。不平衡振動的頻率一般很明顯，主要表現不平衡轉子的故障頻率等于轉子的旋轉頻率。除此之外，不平衡振動還會激起其他頻率成分例如分頻、倍頻等。影響不平衡振動的主要因素有三個，即轉子質量、質心到兩軸承連線的垂直距離（即偏心距）、轉子的旋轉角速度。轉子旋轉時產生的離心力，這個離心力作用在支撐轉子的兩個軸承上，方向垂直于軸承中心。在診斷不平衡故障時，首先必須分析信號和頻率成分，是否有突出的轉頻，其次看振動的方向特征，必要時再分析振幅隨轉速的變化情況，或測量相位。

（二）轉子不對中

轉子不對中也是旋轉機械常見故障之一，主要包括轉子與轉子之間的連接不對中，主要反映在聯軸器的對中性上；轉子軸頸與兩端軸承不對中。對滑動軸承來說，這種情況產生的主要原因與軸承是否形成良好的油膜有直接關系。對滾動軸承來講，主要是因為兩端軸承座孔不同軸、軸承元件損壞、外圈配合松動，兩端支座變形等（對電動機而言是前后端蓋），都會引起不對中。轉子不對中將產生一種附加彎矩，給軸承增加一種附加荷，致使軸承上的負荷重新分配，形成附加激勵引起機組強烈拆動等后果。不對中主要激發二倍轉頻或多倍轉頻振動。振動大小與不對中形式有一定關系，一般表現為軸向振動比較大。不對中引起的振動其振幅值與機器的負荷有一定的關系，一般隨著負荷的增加而成正比的增加，然而對轉速的變化影響不大。

（三）機械松動

機械松動也是旋轉機械比較常見的故障，松動有兩種情況，一種是地腳螺栓連接松動。它帶來的后果是引起整個機器松動。另一種情況是零件之間正常的配合關系被破壞造成配合間隙超差而引起的松動，比如滾動與軸承的內圈與轉軸或外圈與軸承座孔之間的配合，因喪失了配合精度而造成松動。由松動引起的振動具有一定的非線性，其振動信號的頻率成分相當復雜，除了基頻（等于轉頻）以外，還產生高頻次諧波和分頻振動，頻譜結構成梳狀，有時還表現出一些方向特征很明顯，主要在垂直方向很強烈。

（四）摩擦

摩擦故障形式有多種多樣。如轉子與密封件的摩擦，轉子與隔板之間的摩擦，電動機轉子與定子的摩擦，葉輪、齒輪、風扇與機殼或護罩的摩擦、滾動軸承外圈與軸承孔、以及轉軸與軸承內圈或轉軸與其他零件因配合松動而引發的摩擦。摩擦一般引起非線性振動，頻帶范圍較寬，除了一倍基頻外還有二倍基頻、三倍基頻等高次諧波，以及1/2、1/3等低次諧波。在某些情況下還會激起系統的固有頻率。摩擦振動的時域波形上常常表現為削波狀態，“截頭余弦”形狀的時域波形常被視為摩擦故障的重要標志。

（五）滾動軸承引起的故障振動

滾動軸承的振動頻率成分非常豐富，每一個元件都有各自的故障特征頻率。根據頻帶不同，在軸承故障診斷中可利用的固有振動有三種：軸承外圈一階徑向固有振動，其頻帶在（18）kHz范圍內；軸承其它元件的固有振動，其頻帶在（20一60）kHz范圍內；加速度傳感器的一階固有頻率。磨損后軸承與正常軸承的振動相比，兩者都是無規則的，振幅的概率密度大體均為正態分布，頻譜亦無明顯差別，只是振動有效值和峰值比正常時大。一般說來特征頻率的計算非常復雜，在現場不便進行，但在診斷時通過頻率分析不但可以發現故障，而且可以確定發生故障的元件。

四、結束語

在進行旋轉機械的故障診斷時，往往故障與征兆之間不完全是一一對應的關系，有時各種故障同時發生，使故障

診斷起來更加復雜。隨著狀態監測技術不斷的發展，故障診斷已成為一種新的工程技術。正確掌握振動標準也是一項重要的工作，除了采用絕對的國際標準外，企業還應根據不同設備的情況建立一套相對標準，即將測量值與初始值相比較作出判斷。總之，正確判斷故障，不僅需要掌握相關振動學方面的知識，還要對所測的設備非常了解，認真聽取現場操作人員、修理技術人員的意見后，才能得到符合實際情況的診斷結果。