高速旋转机械的振动频谱分析
机械振动信号的频谱分析与故障检测研究
机械振动信号的频谱分析与故障检测研究引言：机械振动是指机械结构在运动或静止状态下，由于内部或外部因素的作用，产生的物体振动。
振动信号分析是一种常见的方法，通过对振动信号的频谱分析，可以获取结构的相关信息，从而实现故障的检测与诊断。
一、频谱分析的原理1.1 傅里叶变换傅里叶变换是用来分析信号的频谱分布的一种数学方法。
通过将时域信号转换为频域信号，可以从频谱图中获得不同频率成分的信息。
1.2 快速傅里叶变换（FFT）快速傅里叶变换是对傅里叶变换的一种改进算法，能够高效地计算离散信号的频谱。
FFT广泛应用于振动信号的频谱分析中。
二、机械振动信号的频谱特征2.1 故障频率不同的机械故障会在振动信号中产生特定的频率成分，称为故障频率。
通过对振动信号的频谱分析，可以准确地定位故障频率，进而诊断故障类型。
2.2 频谱峰值频谱分析可以获得不同频率成分的振动幅值，这些振动幅值呈现在频谱图中的峰值形式。
通过观察频谱峰值的位置、高度和宽度等参数，可以判断故障的严重程度和类型。
三、机械振动信号频谱分析在故障检测中的应用3.1 轴承故障检测轴承是机械设备中常见的易损件，其故障会导致严重的后果。
通过对轴承振动信号进行频谱分析，可以鉴别出轴承的故障类型，例如内圈、外圈和滚珠故障等，并及时采取维修措施，避免发生更大的损失。
3.2 齿轮故障检测齿轮是传动系统中的重要组成部分，其故障会导致传动失效和严重的振动问题。
频谱分析可以识别齿轮传动中的故障频率，如齿轮啮合频率、谐波频率等，从而指示齿轮的磨损、损伤或松动，实现齿轮系统的故障预警和维护。
3.3 机械结构故障检测机械结构的故障常常表现为共振频率的变化。
通过对结构振动信号的频谱特征进行分析，可以判断结构的固有频率是否发生变化，进而判断结构的稳定性和可靠性。
四、振动信号频谱分析的发展趋势与挑战4.1 多维频谱分析传统的振动信号频谱分析主要针对单一变量进行，未能充分利用多维数据的信息。
旋转机械振动分析
1.联轴器连接的两轴中心线偏移。
2.振动频率与旋转频率一致或与旋转频率
成倍
1.基础螺丝松动或轴承磨损引起的振动。
2.振动频率含有旋转频率的高次成分。 1.常发生在定制给油的滑动轴承上。 2.是因轴承的力学特征引起的振动。 3.振动频率是轴的固有频率。 1. 在泵、风机等产生压力的结构中，每次
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·用 Mc 作注意状态基准，Md 作为危险 状态基准时:
a. 尽管设备处于正常状态，但判定 为不明状态的概率仍有 2.3%，判 定为危险状态的概率仍有 0.1%
b. 当 对 象 设 备 处 于 不 明 状 态 时 ， （检测值等于 Mc 时）判定正常 或不明状态的概率各为 50%，判 定为危险状态的概率为 15.9%
c. 当检测值等于 Md 时，对象设备达到危险状态，这时，判定为 正常状态的概率仍有 15.9%。
为减少判断误差，应遵守各项注意事项进行检测，这些注意事项 对任何一种检测值的分散性都减小的（用标准差的平方表示检测值的 分散程度）。特别是取三次读数的平均值作为检测值时，分散性就减 小到 1/3，误判概率就能降低。 ·从正常状态的振动测定结果求得的 Mc 和 Md 这些标准，还有待于根 据设备特征，过去的维修数据，今后的维修数据，实施维修的状况， 再求得最佳的绝对判定基准。（通过过去与现在的实际情况而定出） （三） 相互判定基准
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不良状态。 绝对标准是经过大量振动试验，现场振动测试以及一定的理论研
究而总结出来的标准。 （二）相对判定基准 同一部位定期检测，将正常时的振动值作为初始值，看定期检测
值是初始值的几倍，以此来判断设备状态。 一般振动值为原始基准 2 倍时，需加强监测，低频振动增大到原
旋转机械常见振动故障及原因分析
旋转机械常见振动故障及原因分析旋转机械是指主要依靠旋转动作完成特定功能的机械，典型的旋转机械有汽轮机、燃气轮机、离心式和轴流式压缩机、风机、泵、水轮机、发电机和航空发动机等，广泛应用于电力、石化、冶金和航空航天等部门。
大型旋转机械一般安装有振动监测保护和故障诊断系统，旋转机械主要的振动故障有不平衡、不对中、碰摩和松动等，但诱发因素多样。
本文就旋转设备中，常见的振动故障原因进行分析，与大家共同分享。
一、旋转机械运转产生的振动机械振动中包含着从低频到高频各种频率成分的振动，旋转机械运转时产生的振动也是同样的。
轴系异常（包括转子部件）所产生的振动频率特征如表1。
二、振动故障原因分析1、旋转失速旋转失速是压缩机中最常见的一种不稳定现象。
当压缩机流量减少时，由于冲角增大，叶栅背面将发生边界层分离，流道将部分或全部被堵塞。
这样失速区会以某速度向叶栅运动的反方向传播。
实验表明，失速区的相对速度低于叶栅转动的绝对速度，失速区沿转子的转动方向以低于工频的速度移动，这种相对叶栅的旋转运动即为旋转失速。
旋转失速使压缩机中的流动情况恶化，压比下降，流量及压力随时间波动。
在一定转速下，当入口流量减少到某一值时，机组会产生强烈的旋转失速。
强烈的旋转失速会进一步引起整个压缩机组系统产生危险性更大的不稳定气动现象，即喘振。
此外，旋转失速时压缩机叶片受到一种周期性的激振力，如旋转失速的频率与叶片的固有频率相吻合，将会引起强烈振动，使叶片疲劳损坏造成事故。
旋转失速故障的识别特征：1）振动发生在流量减小时，且随着流量的减小而增大；2）振动频率与工频之比为小于1X的常值；3）转子的轴向振动对转速和流量十分敏感；4）排气压力有波动现象；5）流量指示有波动现象；6）机组的压比有所下降，严重时压比可能会突降；7）分子量较大或压缩比较高的机组比较容易发生。
2、喘振旋转失速严重时可以导致喘振。
喘振除了与压缩机内部的气体流动情况有关，还同与之相连的管道网络系统的工作特性有密切的联系。
浅析振动频谱分析技术在旋转机械故障诊断中的应用
浅析振动频谱分析技术在旋转机械故障诊断中的应用摘要：本文阐述了利用振动频谱分析技术对振动信号进行分析与处理，实现对旋转机械的状态监测与故障诊断。
此方法在实际应用过程中为设备维护提供了重要依据，并取得了良好的使用效果和经济效益。
关键词：振动频谱;旋转机械;故障诊断1.引言随着振动频谱分析技术日渐成熟，预知维修逐渐成为当前设备精细化管理的一种趋势。
我公司于2006年10月购买巡检仪器对旋转机械进行系统、精密的点检，通过采集数据——数据回收——在线分析——故障诊断——落实整改等步骤和方法先后诊断和解决了不少旋转机械早期故障，使旋转设备的运行状态真正做到了“可控”、“在控”，本文重点介绍了旋转机械常见的三个案例，并对案例中的故障进行详细的分析和论证。
2.旋转机械的特点旋转机械整个轴系包括电动机和齿轮变速箱，我公司旋转机械都是由主电机作为动力源，带动变速箱运行，其核心部分是转子组件。
由于整个转子高速旋转，所以对其制造、安装、调试、维护管理都有很高的要求。
如果其中某个零件出了问题，或在某个连接配合部位发生了异常的变动，就可能会引起机组的强烈振动，旋转机械故障的一般规律是：故障形成之后先经历一个较长的发展过程，一旦有其它条件触发，故障则呈指数级快速发展，直至演变为事故的发生。
设备早期故障一旦被检测出来，设备状态就已“在控”，我们就可以按照设备状态的变化来决定是继续运行，还是停机检修。
对这类机械进行故障诊断时，首先抓住各个故障的特征频率，对振动信号作频谱分析。
频谱分析就是将所测得时域信号变换成频域加以分析。
通常采用傅里叶变换，将复杂的信号分解为有限或无限个频率的简谐分量，再把各次谐波按其频率大小从低到高排列起来就成了频谱。
旋转机械的振动信号大多数是一些周期信号、准周期信号、或平稳随机信号。
旋转机械常见的故障一般包括轴承故障、不平衡、不对中、机械松动等，要及时、准确判断旋转机械是否发生故障、故障部位以及故障程度，则需要故障分析人员在充分熟悉被监测设备的基础上掌握扎实的振动理论知识和一定的频谱分析能力。
旋转机械的振动信号分析及故障诊断方法研究
旋转机械的振动信号分析及故障诊断方法研究随着工业技术的不断发展，旋转机械在各个领域中发挥着越来越重要的作用。
旋转机械在运行时会产生各种各样的振动，而振动信号的分析和故障诊断对机械的安全运行和有效维护都起着至关重要的作用。
本文将探讨旋转机械的振动信号分析及故障诊断方法研究。
一、振动信号的数据采集在进行振动信号的分析和故障诊断之前，首先需要进行数据采集。
通常采用振动传感器进行数据采集。
振动传感器可以测量振动的振幅、频率等参数。
为了获得更加准确的数据，通常需要进行多个位置的振动信号采集，这样可以更加全面地了解振动情况。
二、振动信号的分析方法1.频谱分析法频谱分析法是振动信号分析中最常用的方法之一。
它是将信号在频谱上分解成不同频率的组成部分，从而了解不同频率在振动中所占的比例和重要性。
通过频谱分析法，可以找出导致振动的主要频率，从而更加准确地判断故障原因。
2.时域分析法时域分析法是另一种常见的振动信号分析方法。
它是将信号在时间轴上进行分析，了解信号的波形和振动幅值。
通过时域分析法可以观察到信号的整体趋势，同时也可以观察到信号中的瞬时事件，对于一些短暂的故障往往可以通过时域分析法来判断出来。
3.功率谱密度法功率谱密度法是将信号在频谱上进行分析，并计算每个频率下的能量，从而了解信号在不同频率下的能量分布。
通过功率谱密度法，可以发现振动信号中的周期性成分，比如叶轮、齿轮等周期性振动成分。
三、故障诊断方法1.需要比较振动信号在进行故障诊断时，通常需要先与正常的振动信号进行比较，对比两者的相似之处和差异之处，从而判断机械是否出现故障。
2.需要进行特点分析机械故障的振动信号通常会具有一些特定的特点，比如特定频率下的明显能量峰值、周期性振动等，需要通过对信号的特点进行分析，从而得出故障原因。
3.需要进行多因素综合分析机械振动信号的故障往往是由多个因素综合作用造成的，因此进行故障诊断时需要考虑到各种因素，比如机械的运行状态、环境温度、操作方式等，从而更加准确地进行故障诊断。
高速立式加工中心电主轴的振动测试及频谱分析
动 分 量 转 变 成 电信 号 并 将 电 信 号 输 入 到 测 量 放 大 系 统 中． 之 后 再 对 其 进 行 信 号 处 理
１ ． ２ 电 主 轴 测 试 系 统 的 组 成
电主轴 在 高速运 转 时 ． 电 主 轴 系 统 会 发 生 振 动 通 过 在 电 主 轴 前 端 与 后 端 贴 装 加 速 度 传 感 器 采 集 加 速 度 信 号 ．之 后 对 加 速 度 信 号 进 行 处 理 得 到 电 主 轴 的 振 动 信号。
随着 社会 的发 展 以及科 技水 平 的提高 ．高速 数控
机 床 作 为 装 备 制 造 业 的 战 略 性 产 业 ． 是 装 备 制 造 业 的 技 术 基 础 和 主 要 发 展 方 向 高 速 立 式 加 工 中 心 的 主 要 特 点 为高速 、 高精 度 、 高 稳定 性 。 电主轴 作 为 高速 立式
要 求 的 运 动 以 外 ．其 它 一 切 偏 离 理 想 位 置 的 运 动 为 主 轴振 动 。 电主 轴端 部 的振 动量 ， 主 要 应 用 加 速 度 传 感 器
２ 电主 轴 的频 谱 分 析
加 速 度 传 感 器 安 装 在 主 轴 端 部 ．传 感 器 拾 取 振 动 信号 ， 并将 此振 动信 号 通过 电缆传 人 到振 动分 析 仪 ． 在 电 脑 屏 幕 上 显 示 一 条 幅 值 随 时 间 变 化 的 曲 线 在 时 域
及 实 际 的生 产 加 工 过 程 提 供 依 据
１ 电主 轴 的基 本 结构 及 振 动 测 试
如 图 １所 示 ． 为 高 速 立 式 加 工 中 心 电 主 轴 的 基 本 结 构 图 。其 额 定 功 率 为 ２ ２ ｋ Ｗ， 额 定 扭矩 为 ３ ４ Ｎ・ ｎ ｌ 。 最
转动设备常见振动故障频谱特征与案例分析
转动设备常见振动故障频谱特征及案例分析一、不平衡转子不平衡是由于转子部件质量偏心或转子部件出现缺损造成的故障，它是旋转机械最常见的故障。
结构设计不合理，制造和安装误差，材质不均匀造成的质量偏心，以及转子运行过程中由于腐蚀、结垢、交变应力作用等造成的零部件局部损坏、脱落等，都会使转子在转动过程中受到旋转离心力的作用，发生异常振动。
转子不平衡的主要振动特征：1、振动方向以径向为主，悬臂式转子不平衡可能会表现出轴向振动；2、波形为典型的正弦波；3、振动频率为工频，水平与垂直方向振动的相位差接近90度。
案例：某装置泵轴承箱靠联轴器侧振动烈度水平13.2mm／s，垂直11.8mm ／s，轴向12.0mm／s。
各方向振动都为工频成分，水平、垂直波形为正弦波，水平振动频谱如图1所示，水平振动波形如图2所示。
再对水平和垂直振动进行双通道相位差测量，显示相位差接近90度。
诊断为不平衡故障，并且不平衡很可能出现在联轴器部位。
解体检查未见零部件的明显磨损，但联轴器经检测存在质量偏心，动平衡操作时对联轴器相应部位进行打磨校正后振动降至2.4mm／s。
二、不对中转子不对中包括轴系不对中和轴承不对中两种情况。
轴系不对中是指转子联接后各转子的轴线不在同一条直线上。
轴承不对中是指轴颈在轴承中偏斜，轴颈与轴承孔轴线相互不平行。
通常所讲不对中多指轴系不对中。
不对中的振动特征：1、最大振动往往在不对中联轴器两侧的轴承上，振动值随负荷的增大而增高；2、平行不对中主要引起径向振动，振动频率为2倍工频，同时也存在工频和多倍频，但以工频和2倍工频为主；3、平行不对中在联轴节两端径向振动的相位差接近180度；4、角度不对中时，轴向振动较大，振动频率为工频，联轴器两端轴向振动相位差接近180度。
案例：某卧式高速泵振动达16.0mm／s，由振动频谱图(图3)可以看出，50 Hz（电机工频）及其2倍频幅值显著，且2倍频振幅明显高于工频，初步判定为不对中故障。
典型振动频谱图范例
典型振动频谱图范例（经典中的经典！）频谱图（Spectrum）依照物理学，旋转中物体的振动，是呈现正弦波形。
在转动机械上所量测到的振动波形，是许多零件的综合振动。
利用数学方法，可以将合成振动，利用数学方法（傅立叶转换，Fourier Transform）分解成不同零件各自的正弦波形振动。
如上圖中，(a)為由機械所量測之總振動，可以分解成不同轉速頻率的振動(b)。
(b)圖中的正弦波，由右側方向觀察，其端視圖為(c)，亦即所謂的頻譜圖（Spectrum）。
頻譜圖的橫軸為代表轉速的頻率，縱軸表振動量。
若在機械主軸轉速的頻率出現高峰圖形，表示轉軸發生大的振動量。
若在倍數於主軸轉速處出現高峰，而其倍數為葉輪數，代表葉輪為振動來源。
若在頻率極高區域出現高峰，則一般為軸承發生問題。
頻譜分析利用頻譜圖中頻率分布特性，可以判斷機器之振源。
常見頻譜圖形如下表摘要說明：問題頻譜& 相位摘要說明轉子不平衡，分為兩軸承間、兩軸承外～•兩軸承間不平衡，細分為三種：1.靜不平衡 Static Unblance •振動頻率為 1倍轉速（1×RPM）。
•徑向振動大，軸向小。
•兩軸承徑向呈同相（In Phase）運動，兩相角相差0°，同軸承垂直與水平相位差90°。
2.•徑向振動大，軸向有可能大。
•振動頻率為 1倍轉速（1×RPM）。
）3.••••）運轉子對心不良，分為聯軸器、軸承兩類～•聯軸器兩端，再細分為角度與平行兩種：1.角度不對心•會產生大的軸向振動。
•頻率出現在1×、2×、3×...等，嚴重時會出現更高頻之諧波。
•在聯軸器兩端之相位差180°反向。
2.平行不對心同上軸承與軸會造生大的軸向振動。
會造成軸承座扭曲，軸承座上、下、左、右各相位不相同。
機械鬆動1.基座鬆動•振頻出現於一倍轉速。
•機體與基座之間相位差值將接近180°反相。
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高速旋转机械的振动频谱分析
一、前言我公司绝大多数关键设备为旋转机械设备，如各类风机、空压机、大型电机等。
设备的日常维护和安装调试过程中，经常遇到因剧烈振动而无法正常生产的情况，而振动的原因错综复杂，仅靠耳听、手摸的原始方法，很难全面准确的分析判断故障的原因。
采用先进的设备状态检测和故障诊断技术，通过振动检测掌握各类设备在一定时期的运行状态，为从事设备维护、安装、调试的工程技术人员提供一套完整的设备运行状态资料，根据这些资料进行数据分析，可以准确的分析判断故障原因，缩短检修工期，合理的安排关键设备的预防维修计划，从而避免因突发性设备故障而造成的经济损失，确保产生的顺利进行。
二、采用故障诊断技术处理设备故障的几个实例 1．氧气厂2＃DA350一61型空压机组振动故障的处理氧气厂DA350～61型空压机是制氧机的动力设备，机组进行是否正常，直接关系到第一炼钢厂的生产，是总公司的关键设备。
1999年4月份，该机组借第一炼钢厂停产机会，解体大修，组装后试车时，机组振动超标，无法正常运行，严重影响检修工期。
如解体检查至少需要3天的时间，况且对能否检查到故障点也没有十分把握。
于是我们利用NG 一8902多通道数据采集故障诊断系统，对该机组进行了全面的测试。
(1)空压机组的测点布置如图1所示。
(2) 机组的测试情况（取振动值最大的方向）见表1 测点振动值，mm/s 特征频率，Hz 1 S(水平)0.12 50 2 S(水平)0.14 50 3 C(垂直)0.344 146 4 C(垂直)0.776 146 5 C(垂直)0.28 146 6 C(垂直)0.577 146 7 C(垂直)2.79 146 8 C(垂直)8.25 146 由表1可见，1#、2#、3#、4#、5#、6#测点，振动情况良好。
7#、8#测点振动速度超标，8#测点振值8.25mm/s，严重超标，7#、8#测点的轴向振动谱图如图2、图3又测量了7#、8#测点的振动加速度，见表2(取振动值最大的方向)。
测点振动速度值，mm/s 特征频率，Hz 8#瓦S(水平)5.67 2487 C(垂直)12.67 2625 Z(轴向)14.61 2625 7#瓦 S(水平)1.58 438 C(垂直)1.66 146 Z(轴向)11.24 2625 根据以上的振动测量及频谱图分析，空压机组的振动故障分析如下：3#、4#、5#、6#测点振动速度良好，说明大小齿轮运行状态正常，振源不在大小
齿轮处。
振速最大值发生在7#、8#测点处，故障频率为146 Hz，其对应的转速为
146×60=8760r/min,振动频率特征基本是工频振动,说明振源在7#、8#测点处，其原因可能是风机转子高速动平衡不良，因为虽然低速动平衡已校验平衡良好，但高速下动平衡不一定满足。
7#、8#测点的振动加速明显增大，故障能量集中的高频区域2625 Hz，说明风机零部件可能被惯性力破坏，如转子了出现裂纹、叶片腐蚀有掉块等。
于是我们打开风机大盖，仔细检查风机转子、叶片、轴等部件。
检查情况与我们的诊断基本一致，故障点为风机转子叶片根部有一约40mm长的裂纹，重新更换了风机转子，投运后运行正常。
2．干熄焦循环风机振动故障的处理总公司干熄焦工程是国家经贸委节能示范项目，1999年2月份，干熄焦工程试车过程中，发现1#、2#循环风机振动严重，无法正常运行，严重影响工程的进度。
风机的主要技术参数：介质温度180-200℃,主风机风量195000m3/h,辅风机风量17000 m3/h,主风机风压8250Pa,辅风机风压6500 Pa,主风机电机P=800kW,n=1500r/min,辅风机电机
P=630 kW,n=1500 r/min.利用HG-8902多通道数据采集故障诊断系统,现场进行了振动测量,分析故障原因.1#循环风机初始振动频谱图见图6.由图6可以看出,其振动频率单一,在工频处有一最大峰值为21.89 mm/s.属于明显的不平衡故障.于是利用现场动平衡软件包,在现场进行转子做动平衡校验.现场处理后的振动频谱见图7所示.由图7可以看出振动幅值明显减少,投运后,至今运行正常.由图8可见,二倍频处有一轴向振动峰值为12.97 mm/s,分析振动原因,应是机组中心对不良.于是重新调整了机组中心,投运后,机组运行正常.三、结束语通过以上几个机组的故障诊断及处理的实例，主要有以下几点收获：1.科学应用设备故障诊断技术，采用先进的多通道数据采集诊断系统，可以准确分析振动原因，制定科学合理的故障处理方案，尽快消除设备故障，可为企业创造大量的经济效益。
2.多通道数据采集故障诊断系统的转子现场平衡软件包，为我们提供了很大的方便，不但缩短了检修工期，还确保了重点工程的工程质量，为企业赢得了时间，创造了效益。
3.目前，大部分企业主要设备还是采用计划检修，如果科学利用设备故障诊断技术，并根据诊断结果有针对性的制定检修方案，提前做好备品、备件准备，检修时有的方矢，可减少检修时间，提高检修质量地址：济南市济南钢铁集团公司第一动力厂机动科,邮编：250101。