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旋转机械的振动监测与诊断(一)
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露
凝
无
游
氛
，
天
高
风
景
澈
。
7、翩翩新 来燕，双双入我庐 ，先巢故尚在，相 将还旧居。
8
、
吁
嗟
身
后
名
，
于
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若
浮
烟
。
9、 陶渊 明（ 约 365年 —427年 ），字 元亮， （又 一说名 潜，字 渊明 ）号五 柳先生 ，私 谥“靖 节”， 东晋 末期南 朝宋初 期诗 人、文 学家、 辞赋 家、散
例题
图4-3为由于摩擦 引起的自激振动的简 单例子。
k m
v
振幅为：A
滑动摩擦系数： 左 、 右
显然：左 右
图4-3 干摩擦引起的自激振动
Wf左2mg左A
因此振子将产生自激振
Wf右2mg右A
动，振幅将会不断增大，自 激振动的频率为振子的自振
E2m gA (左 右 ) 频率。

图4-2表示为一最简单的转子系统。按其在坐标 平面发生的振动形式，转子的振动可分为以下三种：
文 家 。汉 族 ，东 晋 浔阳 柴桑 人 （今 江西 九江 ） 。曾 做过 几 年小 官， 后辞 官 回家 ，从 此 隐居 ，田 园生 活 是陶 渊明 诗 的主 要题 材， 相 关作 品有 《饮 酒 》 、 《 归 园 田 居 》 、 《 桃花 源 记 》 、 《 五 柳先 生 传 》 、 《 归 去来 兮 辞 》 等 。
1
0
、
倚
南
窗
以
寄
傲
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审
容
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之
易
安
。
第四章 旋转机械的振动监测与诊断
1） 广泛性
任何机械设备在动态下都会或多 或少地产生一定的振动，人们将这种 在动态下表现出的振动称为振动存在 的广泛性。如：发动机工作时所产生 的周期振动；机床在工作时所产生的 各种随机振动等。
2） 有效性
当设备发生异常或故障时，振 动将会发生变化，一般表现为振幅 加大。这一特点使从振动信号中获 取诊断信息变为可能，因此称为振 动监测的有效性。
4.1.2 转子系统，转子振动和转子故障的分类
转子系统是一种多自由度振动系统，它 具有多个自振频率。当转子的转速达到横向 振动的一阶自振频率时，将会发生一阶共振。 此时的转速称为（一阶）临界转速。接近临 界转速时将会发生强烈的振动现象即共振。 越过临界转速后，运行在两个临界转速之间 时，机械会运行的更平稳些，特别是对于细 长轴的转子效果更好。
⑴ 横向振动
振动发生在包括转轴的横向平面内（例如x、 y平面）。
⑵ 轴向振动
振动发生在转轴的轴向方向上（x轴）。 ⑶ 扭转振动
沿转轴轴线发生的扭振
旋转机械大多数故障所激发的振动为横向振动，是
我们研究的主要对象，某些故障如不对中将会激发 轴向振动，而多盘转子的柔性轴将会产生扭振等。
按转子类型及其振动性质的不同，可将旋转 机械的主要故障做以下分类：
(0时 ， si)。这时 H(s)H(i) 成为系统的
频响函数。由于FFT运算很方便，因此实际上传递
函数 H ( s ) 常用频响函数 H (i ) 来代替。这时系统
特性可以表示为：
H(i) Y(i) X (i)
（4-3）
由此可得： Y(i)H (i)X(i) （4-4）
上式为图4-1的具体数学表达式。它表明设备的 振动的振动现象是由故障激励和系统特性所共同决 定的。
根据振动的以上几个特点，从工程控制论
的观点，我们可以把转子系统，转子振动和转 子故障间的关系用一下框图来描述（图4-1）。 其中故障相当于系统地输入或激励，振动则相 当于系统的输出或相应，而系统的特性则可以 通过系统地输入和输出来求出。
故障（输入）
转子系统 （传递函数）
振动信号 （输出）
图 4-1 转子系统，转子故障和转子故障间的关系
⑵ 柔性转子系统
柔性转子系统是指工作转速在(一阶)临界 转速以上的转子系统。一些大型高速(工作频 率>100Hz)旋转机械。
柔性转子系统主要应用于大型高速旋转 机械，因此多采用流体动压滑动轴承。其故 障激起的振动一般属于自激振动。自激振动 是一种在振动过程中由于系统内部不断有能 量输入而产生的共振现象。其振动频率一般 低于工作频率并与系统的一阶横向自振频率 有关，故自激振动在设备诊断中又称为亚同 步振动。
以临界转速为界，当前人们把转子系 统分为两种：
⑴ 刚性转子系统 ⑵ 柔性转子系统
⑴ 刚性转子系统
刚性转子系统是指工作转速在(一阶)临界 转速以下的转子系统！目前大多数低速(工作 频率<100Hz)机械均属于刚性转子系统。
刚性转子系统一般采用滚动轴承，其故障 激励大多与转速同步(即激振频率等于工作频 率)。因此产生的振动称为同步振动。
设系统为定常线性系统，其输入为x(t)，输
出为y(t)。它们的拉氏变换分别为：X(s)和Y(s)，
即：
X(s) x(t)estdt 0
Y(s) y(t)estdt 0
其中 si为复变量。
(4-1)
则可定义：H (s) Y (s) 为系统的传递函数， X (s)
用以描述系统的特性。
由于傅氏变换只是拉氏变换的一种特殊情况
刚
性
旋 转
转 子
机
械
故
障柔
性
转
子
同 步 振 动
强 迫 振 动
)(
亚 同 步 振 动
)
自 激 振 动
(
不平衡 不对中 轴弯曲 装配件或基础松动
转子与定子摩擦 转子横向裂纹
油膜涡动 油膜震荡 旋转失速 喘振 顶隙激振
图4-4 旋转机械故障分类
4.2 旋转机械故障的诊断信息的表达和分析
从振动信号中全面地提取诊断信息并 以直观和清晰的形式表达出来是信号处理 的基本任务和最终目标。本节则着重对旋 转机械故障诊断中有关信息的一些特定的 表达形式和分析方法以及某些新发展做扼 要的论述。
3）可识别性
随着信号分析技术的发展，人们还看到 有不同类型、性质、原因和部位产生的故障 所激发的振动将具有不同的特征。这些特征 可表示为频率成分、幅值大小、相位差别、 波形形状、能量分布状况等。这一特点是人 们从振动信号中识别故障成为可能。因此称 为振动的可识别性。
4）复杂性
进一步研究表明，振动信号性质，特征不仅与故 障有关，而且还与系统的固有特性有关。具体表现为以 下几个方面：
1）同一故障对不同的转子系统，由于系统固有频率 特性不同，其振动的幅值和相位可能相差很大。
2） 同一故障发生在不同的部位，其振动的特征相 同，但因故障激励传递通道的不同（即传递函数不同）， 将会对振动有较大影响。
3）同一故障在不同部位布置测点，由于传递通道的 不同，其振动宜会有较大的差别。
这三点表明振动特征不仅取决于故障而且还受到系 统特性的影响，这一特点称为振动识别的复杂性。