淺析振動頻譜分析技術在旋轉機械故障診斷中的應用

邢建兵 繆建明 羅偉 劉海燕

摘要：本文闡述了利用振動頻譜分析技術對振動信號進行分析與處理，實現對旋轉機械的狀態監測與故障診斷。此方法在實際應用過程中為設備維護提供了重要依據，并取得了良好的使用效果和經濟效益。

關鍵詞：振動頻譜;旋轉機械;故障診斷

1.引言

隨著振動頻譜分析技術日漸成熟，預知維修逐漸成為當前設備精細化管理的一種趨勢。我公司于2006年10月購買巡檢儀器對旋轉機械進行系統、精密的點檢，通過采集數據 ——數據回收——在線分析——故障診斷——落實整改等步驟和方法先后診斷和解決了不少旋轉機械早期故障，使旋轉設備的運行狀態真正做到了“可控”、“在控”，本文重點介紹了旋轉機械常見的三個案例，并對案例中的故障進行詳細的分析和論證。

2.旋轉機械的特點

旋轉機械整個軸系包括電動機和齒輪變速箱，我公司旋轉機械都是由主電機作為動力源，帶動變速箱運行，其核心部分是轉子組件。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，旋轉機械故障的一般規律是：故障形成之后先經歷一個較長的發展過程，一旦有其它條件觸發，故障則呈指數級快速發展，直至演變為事故的發生。設備早期故障一旦被檢測出來，設備狀態就已“在控”，我們就可以按照設備狀態的變化來決定是繼續運行，還是停機檢修。對這類機械進行故障診斷時，首先抓住各個故障的特征頻率，對振動信號作頻譜分析。頻譜分析就是將所測得時域信號變換成頻域加以分析。通常采用傅里葉變換，將復雜的信號分解為有限或無限個頻率的簡諧分量，再把各次諧波按其頻率大小從低到高排列起來就成了頻譜。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。 ?旋轉機械常見的故障一般包括軸承故障、不平衡、不對中、機械松動等，要及時、準確判斷旋轉機械是否發生故障、故障部位以及故障程度，則需要故障分析人員在充分熟悉被監測設備的基礎上掌握扎實的振動理論知識和一定的頻譜分析能力。每一種故障都有各自的特征頻率，故障頻率都與轉子的轉速有關，或等于轉子的旋轉頻率（簡稱轉頻或工頻）或倍頻或分頻。因此，分析振動頻率與轉頻的關系是診斷旋轉機械故障的基礎和關鍵。

3.現場應用頻譜分析法的診斷實例

3.1不對中故障

2008年6月11日檢測球團廠2#潤磨電機時發現該機負載側軸向振動達10.6mm/s，嚴重超標。于是通過對振動數據進行頻譜分析，具體診斷過程如下：

2008年6月11日下午使用HY-106B和PMS巡檢系統對電機和減速器進行數據采集和振動頻譜分析。

該軸系各測點軸向振動速度值如表1所示（Av代表軸向振動速度）：

測點

1

2

3

4

Av（mm/s）

2.9

10.6

4.5

5.5

表1?各測點軸向振動速度一覽表

從上表振動數據可以看出電機負載側軸向振動遠大于其它測點，頻譜圖中存在較大的二倍頻分量，且達到一倍頻的3.2倍，該現象說明聯軸器存在嚴重的不對中故障。

綜合以上數據分析，我們診斷結論為電機負載側軸向振動嚴重超標主要是由安裝不對中故障造成。于是發放信息聯絡處單要求分廠立即停機重調同心度，停機檢測發現該柱銷聯軸器軸心徑向位移達0.4?mm，遠超過標準規定的0.05?mm，振動數據已降為4.9?mm/s?，運行恢復正常。

3.2不平衡故障

煉鐵一廠1#礦槽除塵電機自2006年12月起開始納入PMS設備巡檢系統，該電機運行狀況一直穩定，至2008年5月2日兩側軸承座水平徑向振動最大值均未超過2.9mm/s。但自2008年5月6起電機兩側軸承座水平徑向振動開始出現增長趨勢，到2008年6月3日達到6.3?mm/s。于是通過對振動數據進行頻譜分析，對電機振動突然增大的問題進行了故障診斷，診斷過程如下：

2008年6月6日上午再次用HY-106B和PMS巡檢系統對電機和風機進行數據采集和振動頻譜分析，采集數據時風機轉數為750?r/min。

該軸系各測點水平徑向振動速度值如表1所示（Hv代表水平徑向振動速度）：

測點

1

2

3

4

5

6

Hv（mm/s）

6.0

5.7

4.7

4.8

5.2

5.0

表1?各測點水平徑向振動速度一覽表

風機的振動是運行中常見的故障，引起風機異常振動的主要原因有轉子不平衡、轉子不對中、機件松動、油膜振蕩、內摩擦。從表1振動速度值來看，?6個測點中水平徑向振動基本在同一級數。

該軸系各測點水平徑向振動位移量如表2所示（Hd代表水平徑向振動位移）：

測點

1

2

3

4

5

6

Hd（μm）

225

215

180

185

191

189

表2?各測點水平徑向振動位移量一覽表

從表2數據可以看出各測點振動位移量嚴重超標（6極電機軸承振動位移量允許最大值為100μm）。

綜合以上數據分析，我們診斷為該電機振動加劇是由于風機葉輪嚴重不平衡故障引起，而引起風機葉輪不平衡故障主要有以下兩點①葉輪積灰不均或硬灰掉落②葉輪磨損不均。

4.故障處理

我們測得水泥基座振動為0.6mm/s，預埋件基座振動0.8mm/s，基礎的振動很小，進一步證實造成整個軸系在“搖晃”的故障原因應該在風機上。為避免故障擴大損壞設備，我們當即要求分廠對風機進行停機檢查，發現該風機葉輪有一處葉片脫落，更換風機后測得振動如下，

測點

1

2

3

4

5

6

Hv（mm/s）

2.1

2.7

2.4

2.1

3.2

2.8

更換風機后水平振動頻譜特征基本未變，幅值降低至正常范圍內，表明風機葉輪不平衡的故障已消除，風機的運行已趨于正常。

5.結語

通過實施設備狀態監測和故障診斷技術后，一方面提高了對設備狀態、劣化趨勢的認知和控制能力，針對故障原因使搶修做到有的放矢，有效避免了重大故障的發生;另一方面，我們對數據不超標、振動未發現異常的電機實行延期下線，期間加強點檢頻次，進一步提高了設備的運轉率，延長了設備的使用壽命。