上海水泵集團技術之旋轉機械的振動狀態信號檢測與故障診斷

旋轉機械如發電機、壓縮機、齒輪、軸承等，在各行業均有廣泛應用，是各領域的關鍵機械設備或機械設備的關鍵部件。

隨著科技的快速發展，旋轉設備朝著大型化和復雜化方向發展，一旦發生故障，損失十分嚴重。

旋轉設備通過旋轉運動實現其功能，在旋轉過程中會出現一些小故障，這些故障可能會引發連鎖反應，進而導致整個設備發生大故障。

旋轉機械在運行過程中伴有振動，當發生故障時，振動信號也會出現異常，所以對旋轉機械的振動信號進行監測，能夠對設備運行狀態進行預測和對故障進行診斷，這有著重要的現實意義和經濟價值。

一、旋轉機械故障類型及振動信號特點

旋轉機械因其運行特點，引起故障主要有三種原因：不平衡，不對中和因轉子受損出現動靜碰擦。不同故障類型產生的振動信號也不相同，分析不同故障的振動信號特點，是旋轉機械故障的前提。

1. 不平衡

轉型機制運行過程中，轉子不平衡是普遍存在的問題。因離心慣性力存在周期性，從而對轉子的激勵作用力不同，就使得其難以平穩旋轉。

當產生此類故障時，轉子的軸心軌跡呈橢圓形；振動信號的原始時間波形一般呈正弦波形；在頻譜圖中，基頻所占比重很大，其他倍頻占比重很小，諧波能量主要集中在基頻。

2. 不對中

復雜旋轉機械中，往往一系列轉軸，如果出現軸系對中不良，將會使各軸承的相對位置、軸系的工作狀態等都發生改變，同時還會引起軸系固有振動頻率的改變。

當發生此類故障時，振動信號的原始時間波形會從常規的正弦波發生畸變；

ω為機械的旋轉頻率，頻譜圖中常以1ω和2ω為主，故障程度越嚴重，2ω所占的比例就愈大，通常會超過1ω的比例；

軸向振動的頻譜圖中，1ω幅值較大，并且振幅和相位通常較穩定。

3. 動靜碰摩

轉子旋轉過程中可能會局部受損，出現局部動靜碰摩，并引起不規則振動，進而造成受損程度加重，導致全周動靜碰摩，最終將導致機械損壞。

出現此故障時，振動信號的原始時間波形也將從正弦波發生畸變；輕度局部動靜碰擦時，頻譜中以基頻成分的幅值為主，第2、第3階諧波幅值所占比例不高，且第2階諧波幅值大于第3階諧波幅值；

一旦出現全周動靜碰擦時，轉子振動會帶有亞異步成分，多為1階固有頻率，高階諧波消失。

二、旋轉機械的振動診斷技術

振動診斷技術廣泛應用在機械設備的狀態監測和故障診斷方面，尤其對于旋轉機械。振動診斷具有不停機或不解體的情況下能夠實現對設備狀態的監測和診斷、技術比較成熟、診斷比較準確等特點。

1. 振動診斷原理

因振動信號具有普遍性，機械設備在正常運行時振動的特征值具有一定的周期性和規律性，時域波形和頻域波形都在一定范圍內。

當機械設備運行存在隱患或出現故障時，振動信號也會出現相應變化，通過對振動信號的監測、分析，能夠判斷隱患和故障的類型與程度，為制定檢修方案提供可靠的依據。

其常用的分析方法有：時域波形分析和頻域波形分析兩種。

　　

時域波形分析主要考察振動信號的時間歷程，根據時域波形特征值，尤其是歪度和峭度的變化情況，對其周期性和隨機性給出定性評價，從而評估出設備所處的狀態，該法能夠判斷出90%的故障特征；

頻域波形分析，時域信號經傅里葉變換，將其簡化為有限或無限個頻率的簡諧分量，在按照頻率高低對各次諧波進行排列，通過觀察新增的頻率成分和原有頻率幅值的增長情況，來判斷機械設備的故障位置和程度。

2. 診斷流程

振動診斷技術在故障診斷時，一般采取的步驟為：

（1）分析機械設備易出故障的部位，確定出診斷范圍并選擇合理測量位置；

（2）選擇診斷方法，并根據所選的方法確定需要的振動傳感器，如簡易診斷，只需采用振動計和振動測量儀等簡單儀器；

（3）振動信號數據采集，開啟各個傳感器對機械設備的振動信號進行數據采集和存儲；

（4）振動信號分析，常用的分析方法有時域分析法、頻域分析法、時頻域分析法；

（5）做出判斷，將采集到的振動信號數據與正常運行時特征值進行對比分析，從而對設備存在的隱患和故障進行判斷，并給出相應的維護意見。

三、旋轉機械故障診斷實例

齒輪是旋轉機械的重要部件，也是易發生故障的部位。本節以齒輪為例，采用振動診斷技術對其監測和診斷。

1. 齒輪故障特點與診斷方法

當齒輪發生故障時，振動信號頻率、幅值等參數都會出現異常，如上表所示，不同類型故障所對應的振動信號也不相同，尤其是邊頻帶會增多，對各種故障邊頻特征進行分析，能更好地識別齒輪故障。

將有效故障特征進行整合，形成故障診斷的專家知識庫，專家知識庫有助于提高故障診斷的自動化和智能化水平。

同時再結合專業檢修人員對現場采集信號的分析，能夠及時、準確地對故障隱患進行預警和對已發故障進行定位和判斷。

2. 齒輪特征頻率

以數控機床的主傳動系統，其振動強度有增大趨勢，振動烈度也有一定異常，對其進行故障診斷。

該系統由兩級傳動構成：Ⅰ軸――Ⅱ軸――Ⅲ軸（主軸），其特征頻率為：主軸額定轉速為700r/min、頻率為11.7Hz時，Ⅱ軸的轉速為2310r/min、頻率為38.5Hz，Ⅰ軸的轉速為4270r/min，頻率為71.2Hz；Ⅰ軸和Ⅱ軸的嚙合頻率為2348Hz，Ⅱ軸和Ⅲ軸的嚙合頻率為711Hz。

3.  振動診斷

由于儀表失靈在大機組所發生的各類故障診斷中所占的概率較大，以及因生產工藝系統波動或操作不當(特別是在開車或負荷調整的過程中)而產生的故障也常有發生。

因此切忌僅限于一、兩個因素就輕易判斷發生了機械設備故障，而應該根據系統、儀表、運行、現場等多方面情況進行綜合的判斷。

四、結語

旋轉機械是各行業機械設備中的關鍵部位，其運行狀態直接影響著整個設備的性能，因此對其狀態檢測和故障診斷具有重要意義。

旋轉機械主要因不平衡、不對中和動靜碰擦等幾種原因發生故障，不同類型的故障伴隨有不同特征的振動信號。

振動診斷是通過采集旋轉機械的振動信號，再用時域分析法、頻域分析法、時頻域分析法等方法對振動信號進行對比、分析，從而判斷出其運行狀態和對故障進行診斷。

以某數控機床上齒輪箱為例，實例驗證了振動診斷技術在對旋轉機械狀態檢測和故障診斷上的可靠性。