压缩机震动频谱分析
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１９９８（１） □ （ 收 稿 日 期：２ ０ ０ ５ － １ ０ － １ ２ ）
（ 修 改 稿 日 期：２ ０ ０ ５ － １ ２ － ２ ０ ）
１１００８８
Mining & Processing Equipment
基于频谱分析的离心压缩机故障诊断
（２） 振动方向特征 因地脚螺栓松动而引起的振 动，方向特征很明显，表现在垂直方向的振动很强 烈。
子不对中、基座松动等典型故障的振动特性进行简要
分析。
１．１ 转子不平衡
转子不平衡包括转子系统的质量偏心和转子部件
件局部损坏、脱落，碎块飞出等，造成新的转子不平 衡。转子质量偏心及转子部件缺损是 ２ 种不同的故 障，但其不平衡振动机理却是相同的。当出现转子不 平衡时，其振动特征为：
（１） 振动频率 不平衡振动的频率成分单一且明 朗，主要表现为转子的基频等于转子的旋转频率，即 工作频率 fｒ ＝ n／ ６０ Ｈｚ，n 为轴转速 （ｒ／ ｍｉｎ），除此之 外，不平衡振动还会源自文库起其它一些弱小的频率成分， 如 １／ ２ fｒ、２ fｒ 等谐波；
即：f ≥ ２ fｍ （fｍ 为采样信号所包含的最高频率）。 工程应用时，首先在检测位置安装振动传感器 ，
传感器信号经
过滤波与放大
器调理后送至
计算机，在
Ｍａｔｌａｂ 环境下
进行幅值的分 析处理及显
图１
示。流程图如图 １ 所示。
某煤矿一台离心式压缩机，结构如图 ２ 所示。电
机转速 １ ５００ ｒ／ ｍｉｎ （转频为 ２５ Ｈｚ）。该机自更换、减
１．３ 基座松动
出现缺损。转子质量偏心是由转子的制造误差、装配 误差、材质的非均匀性等原因造成的，称为初始不平 衡；转子部件缺损是指转子在运行中由于腐蚀、磨 损、介质结垢及转子受疲劳力的作用，使转子的零部
作者简介：谢三毛，男，１ ９ ６ ５ 年生，江西吉安人，副教授， 从事机械设备故障诊断教学与研究工作。
离心压缩机是工矿企业使用的动力设备，离心压 缩机作为旋转机械，其运行中的主要典型故障有转子 不平衡、转子不对中、基座松动及叶片故障等，据统 计这些故障占压缩机故障的 ６０％ 以上。由于离心压 缩机结构简单，出现故障时，振动的特征频率并不复 杂，故可以用基于 ＦＦＴ 频谱分析的振动测试分析方法 对离心压缩机的典型故障进行分析与诊断。
（２） 振动方向特征 主要是径向振动较大。
１．２ 转子不对中
压缩机转轴与电机主轴之间由联轴器联接构成轴 系，由于机器安装误差、承载后的变形及机器基础的 松动等，会造成轴系平行位移、轴线角度位移或综合 位移等轴系对中变化误差，统称为转子不对中。当出 现不对中故障时，会产生一系列有害于设备的动态效 应，如机器联轴器偏转、轴承早期损坏、油膜失稳和 轴挠曲变形等，导致机器发生异常振动和噪声，危害 极大。其振动特征为：
（１） 频率特征 转子不对中的型式不同，频率表 现也有些差别。平行不对中主要激起 ２ 倍转频，即为 ２ fｒ，角度不对中则表现为同频振动突出，它们的共同 点是都会产生多倍转频振动，如 １ fｒ，３ fｒ，４ fｒ ，５ fｒ 等高次谐波；
（２） 振动方向特征 与不对中的型式有关，当存 在平行不对中时，径向振动较大；
图 ２ 离心式压缩机结构
１１００９９
Mining & Processing Equipment
外还有 ３ 倍频
（７５ Ｈｚ） 和 ５ 倍
V （ｍｍ／ ｓ）
频 （１２９ Ｈｚ） 也
有表现。呈现
出典型不对中
频率特征。考
虑到 A 点靠近 联轴器，所以 判断电动机与
f （Ｈｚ） 图 ３ Ａ 点水平方向振动信号的频谱图
减速器轴线不对中。
在停机检查时，发现联轴器对中性严重超差，在
垂直方向两轴心偏移量达 ０．１５ µｍ。通过调整改善联
第 ３４ 卷 ２００６ 年第 ５ 期
基于频谱分析的离心压缩机故障诊断
论文编号：１００１－３９５４（２００６）０５－０１０８－１０９
基于频谱分析的离心
压缩机故障诊断
谢三毛
华东交通大学机电工程学院 江西南昌 ３３００１３
机器设备故障的发生、发展一般都会引起振动 频率的变化，频谱分析是一种有效的传统信 号分析技术，是机械故障诊断中用得最广泛的信号处 理方法之一。其方法简单、直接、明显，已在许多实 际的工程应用中取得了很好的经济效益。
+∞ x(t)e−i2p f tdt
−∞
一般情况下 X（f ） 为一复变函数，令
X ( f ) = R( f ) + iI ( f ) = X ( f ) eiϕ ( f )
即
X ( f ) = R( f )2 + I ( f )2
ϕ( f ) = arc tg [ I( f ) R( f )]
式中 ｜X（f ）｜ 称为幅值谱或 ＦＦＴ 谱，它表示信号 中各频率成分的幅值大小沿频率轴的分布情况；φ（f ） 称为相位谱，它表示信号中各频率成分的相位沿频率 轴的变化状况。
４ 结论
通
通过拾取离心压缩机水平方向的振动信号，并利
用
用 ＦＦＴ 频谱分析方法对振动信号进行频谱分析、比
较，有效地诊断出离心式压缩机的转子不对中故障，
以及由此造成离心式压缩机的不平衡振动。ＦＦＴ 频谱
分析方法是简单有效的，为离心式压缩机的管理与维
修提供了科学根据，并为类似于离心式压缩机的机械
设备故障诊断提供了一条简单有效的诊断方法 。
速机后振动增大，A 点水平方向振动值为 Vｒｍｓ ＝ ６．３６
第 ３４ 卷 ２００６ 年第 ５ 期
ｍｍ／ ｓ，位移 D ＝ １５０ µｍ，超出正常水平。为了查明
故障原因，首先对 Ａ 点水平方向的振动信号作频谱分
析，谱图为图 ３ 所示。从频谱图上可以看出，A 点水
平方向 １ 倍频 （２５ Ｈｚ），２ 倍频 （５０ Ｈｚ） 都很突出；此
１ 离心压缩机典型故障振动特征
分析
离心压缩机在工作过程中往往会出现各种故障，
通 其故障的振动信号包含着丰富且重要的反映其运行状
态的信息，而要对这些故障信息进行分析必须了解压
用
缩机故障的振动特性。作为旋转机械的离心压缩机常
见的故障有转子不平衡、轴系不对中、基座松动、碰
摩及叶片故障等。以下仅针对压缩机转子不平衡、转
２ ＦＦＴ 频谱分析法
目前，频谱分析方法是在计算机上用快速傅立
叶变换来实现的，因此又称为 ＦＦＴ 分析法。频谱图是
频谱分析方法提取诊断信息的一种表达方式。频谱图
有：幅值谱、相位谱、功率谱等，以下主要介绍幅值
谱分析方法。
设 X（f ） 为振动信号 x（t） 的傅立叶变换，即
∫ X ( f ) =
轴器对中性后，Ａ 点振动值下降，Vｒｍｓ ＝ ２．１２ ｍｍ／ ｓ， D ＝ ６ µｍ。其
时频谱结构也
发生了显著的
V （ｍｍ／ ｓ）
变化，３ 倍频
已经消失， ２
倍频分量的幅
值变得非常弱 小，１ 倍频分 量也大为减 弱，见图 ４。
f （Ｈｚ） 图 ４ 修理后 Ａ 点水平方向振动
信号的频谱图
机组运行状态良好。
88888888888888888888888888888888888888888888888888888888888888888888888888888888888888
（上接第 １０７ 页） （１） 它是可拆卸的无键联接； （２） 可调整承载能力； （３） 具有过载保护功能； （４） 计算简便，可制成标准系列产品，如同滚动
基座松动和转子不平衡相伴生，表现为非线性的 振动特征。其振动形式以纵向振动为主。其振动特征 为：
（１） 频率特征 振动频率除基频成分 fｒ 外，还伴 有高次谐波成分 ３ fｒ、５ fｒ 及分数谐波等，并且 ３ 倍 频成分要大于 ２ 倍频成分。当增速时振幅变化有跳跃 现象，即突然增大或减小；
轴承一样供选用； （５） 制作加工要求不高，容易实现； （６） 承载能力强，无磨损，无振动，应用集中系
数极低且综合费用比键、花键等联接方式低。 （７） 可以替代圆柱形过盈无键联接，在生产实践
中有实用意义。
参考文献 １ 陈德奎，刘逸民． 双锥中间套无键联接的探讨． 有色设备，
１９９９（６） ２ 刘逸民． 齿轴铜套烟配径向变形量的简化计算． 矿山机械，
目前幅值谱在机械故障诊断领域中的应用相当普 遍。
幅值谱可以提供以下的诊断信息： （１） 振动信号中主要由哪些频率成分及谐波分量 所组成； （２） 组成的谐波分量中哪些成分的幅值最为突 出，这提示着和故障的某种联系。
３ 工程应用
在 ＦＦＴ 谱分析中，频率分辨率Δf ＝ f／ n （f 为采
样频率，n 为采样点数），其中 f 必须要满足采样定律，
参考文 献 １ 易良榘编著． 简易振动诊断现场实用技术． 北京：机械工业
出版社，２００３． ２ 韩 捷，张瑞林等． 旋转机械故障机理及诊断技术． 北 京：
机械工业出版社，１９９７． ３ 徐 敏等． 设备故障诊断手册． 西安：西安交通大学出版
社，１９９８．□ （ 收稿日期：２ ０ ０ ６ － ０ １ － １ ２ ）
（ 修 改 稿 日 期：２ ０ ０ ５ － １ ２ － ２ ０ ）
１１００８８
Mining & Processing Equipment
基于频谱分析的离心压缩机故障诊断
（２） 振动方向特征 因地脚螺栓松动而引起的振 动，方向特征很明显，表现在垂直方向的振动很强 烈。
子不对中、基座松动等典型故障的振动特性进行简要
分析。
１．１ 转子不平衡
转子不平衡包括转子系统的质量偏心和转子部件
件局部损坏、脱落，碎块飞出等，造成新的转子不平 衡。转子质量偏心及转子部件缺损是 ２ 种不同的故 障，但其不平衡振动机理却是相同的。当出现转子不 平衡时，其振动特征为：
（１） 振动频率 不平衡振动的频率成分单一且明 朗，主要表现为转子的基频等于转子的旋转频率，即 工作频率 fｒ ＝ n／ ６０ Ｈｚ，n 为轴转速 （ｒ／ ｍｉｎ），除此之 外，不平衡振动还会源自文库起其它一些弱小的频率成分， 如 １／ ２ fｒ、２ fｒ 等谐波；
即：f ≥ ２ fｍ （fｍ 为采样信号所包含的最高频率）。 工程应用时，首先在检测位置安装振动传感器 ，
传感器信号经
过滤波与放大
器调理后送至
计算机，在
Ｍａｔｌａｂ 环境下
进行幅值的分 析处理及显
图１
示。流程图如图 １ 所示。
某煤矿一台离心式压缩机，结构如图 ２ 所示。电
机转速 １ ５００ ｒ／ ｍｉｎ （转频为 ２５ Ｈｚ）。该机自更换、减
１．３ 基座松动
出现缺损。转子质量偏心是由转子的制造误差、装配 误差、材质的非均匀性等原因造成的，称为初始不平 衡；转子部件缺损是指转子在运行中由于腐蚀、磨 损、介质结垢及转子受疲劳力的作用，使转子的零部
作者简介：谢三毛，男，１ ９ ６ ５ 年生，江西吉安人，副教授， 从事机械设备故障诊断教学与研究工作。
离心压缩机是工矿企业使用的动力设备，离心压 缩机作为旋转机械，其运行中的主要典型故障有转子 不平衡、转子不对中、基座松动及叶片故障等，据统 计这些故障占压缩机故障的 ６０％ 以上。由于离心压 缩机结构简单，出现故障时，振动的特征频率并不复 杂，故可以用基于 ＦＦＴ 频谱分析的振动测试分析方法 对离心压缩机的典型故障进行分析与诊断。
（２） 振动方向特征 主要是径向振动较大。
１．２ 转子不对中
压缩机转轴与电机主轴之间由联轴器联接构成轴 系，由于机器安装误差、承载后的变形及机器基础的 松动等，会造成轴系平行位移、轴线角度位移或综合 位移等轴系对中变化误差，统称为转子不对中。当出 现不对中故障时，会产生一系列有害于设备的动态效 应，如机器联轴器偏转、轴承早期损坏、油膜失稳和 轴挠曲变形等，导致机器发生异常振动和噪声，危害 极大。其振动特征为：
（１） 频率特征 转子不对中的型式不同，频率表 现也有些差别。平行不对中主要激起 ２ 倍转频，即为 ２ fｒ，角度不对中则表现为同频振动突出，它们的共同 点是都会产生多倍转频振动，如 １ fｒ，３ fｒ，４ fｒ ，５ fｒ 等高次谐波；
（２） 振动方向特征 与不对中的型式有关，当存 在平行不对中时，径向振动较大；
图 ２ 离心式压缩机结构
１１００９９
Mining & Processing Equipment
外还有 ３ 倍频
（７５ Ｈｚ） 和 ５ 倍
V （ｍｍ／ ｓ）
频 （１２９ Ｈｚ） 也
有表现。呈现
出典型不对中
频率特征。考
虑到 A 点靠近 联轴器，所以 判断电动机与
f （Ｈｚ） 图 ３ Ａ 点水平方向振动信号的频谱图
减速器轴线不对中。
在停机检查时，发现联轴器对中性严重超差，在
垂直方向两轴心偏移量达 ０．１５ µｍ。通过调整改善联
第 ３４ 卷 ２００６ 年第 ５ 期
基于频谱分析的离心压缩机故障诊断
论文编号：１００１－３９５４（２００６）０５－０１０８－１０９
基于频谱分析的离心
压缩机故障诊断
谢三毛
华东交通大学机电工程学院 江西南昌 ３３００１３
机器设备故障的发生、发展一般都会引起振动 频率的变化，频谱分析是一种有效的传统信 号分析技术，是机械故障诊断中用得最广泛的信号处 理方法之一。其方法简单、直接、明显，已在许多实 际的工程应用中取得了很好的经济效益。
+∞ x(t)e−i2p f tdt
−∞
一般情况下 X（f ） 为一复变函数，令
X ( f ) = R( f ) + iI ( f ) = X ( f ) eiϕ ( f )
即
X ( f ) = R( f )2 + I ( f )2
ϕ( f ) = arc tg [ I( f ) R( f )]
式中 ｜X（f ）｜ 称为幅值谱或 ＦＦＴ 谱，它表示信号 中各频率成分的幅值大小沿频率轴的分布情况；φ（f ） 称为相位谱，它表示信号中各频率成分的相位沿频率 轴的变化状况。
４ 结论
通
通过拾取离心压缩机水平方向的振动信号，并利
用
用 ＦＦＴ 频谱分析方法对振动信号进行频谱分析、比
较，有效地诊断出离心式压缩机的转子不对中故障，
以及由此造成离心式压缩机的不平衡振动。ＦＦＴ 频谱
分析方法是简单有效的，为离心式压缩机的管理与维
修提供了科学根据，并为类似于离心式压缩机的机械
设备故障诊断提供了一条简单有效的诊断方法 。
速机后振动增大，A 点水平方向振动值为 Vｒｍｓ ＝ ６．３６
第 ３４ 卷 ２００６ 年第 ５ 期
ｍｍ／ ｓ，位移 D ＝ １５０ µｍ，超出正常水平。为了查明
故障原因，首先对 Ａ 点水平方向的振动信号作频谱分
析，谱图为图 ３ 所示。从频谱图上可以看出，A 点水
平方向 １ 倍频 （２５ Ｈｚ），２ 倍频 （５０ Ｈｚ） 都很突出；此
１ 离心压缩机典型故障振动特征
分析
离心压缩机在工作过程中往往会出现各种故障，
通 其故障的振动信号包含着丰富且重要的反映其运行状
态的信息，而要对这些故障信息进行分析必须了解压
用
缩机故障的振动特性。作为旋转机械的离心压缩机常
见的故障有转子不平衡、轴系不对中、基座松动、碰
摩及叶片故障等。以下仅针对压缩机转子不平衡、转
２ ＦＦＴ 频谱分析法
目前，频谱分析方法是在计算机上用快速傅立
叶变换来实现的，因此又称为 ＦＦＴ 分析法。频谱图是
频谱分析方法提取诊断信息的一种表达方式。频谱图
有：幅值谱、相位谱、功率谱等，以下主要介绍幅值
谱分析方法。
设 X（f ） 为振动信号 x（t） 的傅立叶变换，即
∫ X ( f ) =
轴器对中性后，Ａ 点振动值下降，Vｒｍｓ ＝ ２．１２ ｍｍ／ ｓ， D ＝ ６ µｍ。其
时频谱结构也
发生了显著的
V （ｍｍ／ ｓ）
变化，３ 倍频
已经消失， ２
倍频分量的幅
值变得非常弱 小，１ 倍频分 量也大为减 弱，见图 ４。
f （Ｈｚ） 图 ４ 修理后 Ａ 点水平方向振动
信号的频谱图
机组运行状态良好。
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基座松动和转子不平衡相伴生，表现为非线性的 振动特征。其振动形式以纵向振动为主。其振动特征 为：
（１） 频率特征 振动频率除基频成分 fｒ 外，还伴 有高次谐波成分 ３ fｒ、５ fｒ 及分数谐波等，并且 ３ 倍 频成分要大于 ２ 倍频成分。当增速时振幅变化有跳跃 现象，即突然增大或减小；
轴承一样供选用； （５） 制作加工要求不高，容易实现； （６） 承载能力强，无磨损，无振动，应用集中系
数极低且综合费用比键、花键等联接方式低。 （７） 可以替代圆柱形过盈无键联接，在生产实践
中有实用意义。
参考文献 １ 陈德奎，刘逸民． 双锥中间套无键联接的探讨． 有色设备，
１９９９（６） ２ 刘逸民． 齿轴铜套烟配径向变形量的简化计算． 矿山机械，
目前幅值谱在机械故障诊断领域中的应用相当普 遍。
幅值谱可以提供以下的诊断信息： （１） 振动信号中主要由哪些频率成分及谐波分量 所组成； （２） 组成的谐波分量中哪些成分的幅值最为突 出，这提示着和故障的某种联系。
３ 工程应用
在 ＦＦＴ 谱分析中，频率分辨率Δf ＝ f／ n （f 为采
样频率，n 为采样点数），其中 f 必须要满足采样定律，
参考文 献 １ 易良榘编著． 简易振动诊断现场实用技术． 北京：机械工业
出版社，２００３． ２ 韩 捷，张瑞林等． 旋转机械故障机理及诊断技术． 北 京：
机械工业出版社，１９９７． ３ 徐 敏等． 设备故障诊断手册． 西安：西安交通大学出版
社，１９９８．□ （ 收稿日期：２ ０ ０ ６ － ０ １ － １ ２ ）