振动分析基础知识

旋转机械振动分析基础

汽轮机、发电机、燃气轮机、压缩机、风机、泵等都属于旋转机械，是电力、石化和冶金等行业的关键设备。这些设备出现故障后，大多会带来严重的经济损失。

振动在设备故障中占了很大比重，是影响设备安全、稳定运行的重要因素。振动又是设备的“体温计”，直接反映了设备健康状况，是设备安全评估的重要指标。一台机组正常运行时，其振动值和振动变化值都应该比较小。一旦机组振动值变大，或振动变得不稳定，都说明设备出现了一定程度的故障。振动对机组安全、稳定运行的危害主要表现在：

(1)振动过大将会导致轴承乌金疲劳损坏。

(2)过大振动将会造成通流部分磨损，严重时将会导致大轴弯曲。统计数据表明，汽轮发电机组60％以上的大轴弯曲事故就是由于摩擦引起的。

(3)振动过大还将使部件承受大幅交变应力，容易造成转子、联结螺栓、管道、地基等的损坏。

正因为振动对设备安全运行相当重要，人们对振动问题都很重视。目前大型机组上普遍安装了振动监测系统，并将振动信号投了保护。振动超标时，保护动作，机组自动停机，

从而保证设备的绝对安全。

一、振动分析基本概念

振动是一个动态量。图所示是一种简单的振动形式－简谐振动，即振动量按余弦（或正弦）函数规律周期性地变化，幅值反映了振动大小；频率反映了振动量动态变化的快慢程度；相位反映了信号在t=0时刻的初始状态。

可见，为了完全描述一个振动信号，必须同时知道幅值、频率和相位这三个参数，人们称之为振动分析的三要素。

振动是一个动态变化量。为了突出反映交变量的影响，振动监测时常取波形中正、负峰值的差值作为振动幅值，又称为峰峰值。

简谐振动是一种简单的振动形式，实际机组上发生的振动比简谐振动要复杂得多。不管振动多么复杂，由信号分析理论可知，都可以将其分解为若干具有不同频率、幅值和相

位的简谐分量的合成。

旋转机械振动分析离不开转速，为了方便和直观起见，常以1x 表示与转动频率相等的频率，又称为工（基）频；以0.5x、2x、3x 等表示与转动频率的0.5 倍、2 倍和3 倍等相等的频率，又称为半频、二倍频、三倍频。

采用信号分析理论中的快速傅立叶变换（FFT）可以快速、方便地求出复杂振动信号中所含频率分量的幅值和相位。该过程称为频谱分析，并已成为振动故障分析领域᳔基本和常用的工具。频谱分析所起的作用可以概括为以下两点：

(1）不同故障所对应的频率不同。例如：转子不平衡故障的频率为工频，汽流激振和油膜振荡等故障的频率为低频，电磁激振等故障的频率为高频等。频率特征是故障判断的必要条件。某种故障必然具备相应的频率特征。因此，根据频谱分析结果可以对故障性质作一个初步、定性判断。本书第3～5 章将详细介绍每一种故障的频率特征。

（2）多种故障的频率特征具有很强的相似性，频率特征并不是故障判断的充分条件。例如，热变形、不平衡、共振、刚度不足、摩擦等故障的特征频率都是工频，仅根据频率特征无法将故障原因进一步定量细化。为了能确诊故障原因，振动分析必须结合过程参数和相关试验数据进行，突出相似故障之间的微小差别。

二、振动位移、速度和加速度

除了振动位移外，振动分析时还经常用到振动速度和加速度。将位移信号对时间求一次和两次导数，可以分别得到振动速度和加速度；反之，对振动加速度信号进行一次和二次积分可以分别得到速度和位移信号。

（1）振动位移、速度和加速度信号的频率相同。不管采用何种表示方式，故障性质不会变化，都可以用于振动监测。三种方式在旋转机械振动分析中都有广泛应用。

（2）在相同位移幅值下，频率越高，振动所产生的交变应力越大，对设备的危害也越大。因此，故障频率越高，位移幅值应该控制得越严格。对于旋转机械而言，转速越高，振动标准越严。

（3）振动速度（或加速度）幅值是振动位移和频率（或频率平方）的乘积，幅值中同时反映了振动频率和位移幅值的影响，较单纯的振动位移幅值更全面。

（4）振动加速度相位超前振动速度相位90o，振动速度相位又超前振动位移相位90o。采用不同表示方式时，必须考虑相互之间的相位差。

（5）值得指出的是，同一种故障在振动位移、速度和加速度频谱中表现出来的故障特征不完全相同。于高频振动故障，为了在故障的早期能够比较明显地反映出振动变化，采用振动速度或加速度监测比较有效。

对于低频振动故障，监测振动位移更能够突出反映振动变化。

（6）振动位移、速度和加速度之间可以相互转换。虽然将位移信号对时间求导可以得到速度信号和加速度信号，但是由于求导过程中误差有可能会放大，实际上很少进行这样的转换。信号积分过程中误差是收敛的，因此，目前采用得比较多的是由加速度或速度信号积分求出位移信号。一些采用加速度传感器的振动仪表，可以通过积分同时测量出振动加速度、速度和位移值。

三、旋转机械振动标准

振动直接影响到大型旋转机械的安全、稳定运行。目前，大型旋转机械振动评定尺度主要有轴承座振动位移、轴承座振动烈度和轴径向位移三种。

（一）、轴承座振动

轴承座振动，又称为轴承振动或瓦振，它是以轴承座垂直、水平和轴向三个方向中的最大振动为评定依据。振动位移和振动烈度是轴承座振动监测所主要采用的两个尺度。

1、轴承座振动位移

表3 给出了我国《电力工业技术管理法规》中给出的汽轮发电机组轴承振动标准。该标准以轴承振动位移信号峰峰值为尺度，在我国电力行业得到了广泛应用，是汽轮发电机组轴承座振动评判的主要依据。

表3 汽轮发电机组轴承振动标准（单位：μm）

2、轴承振动烈度

振动速度幅值同时反映了振动位移幅值和频率的影响，因此又称为振动烈度。对于高频振动或冲击型振动，监测振动烈度比振动位移更为有效。

支承刚度对轴承振动的影响很大。相同激励力下，支承

刚度越小，轴承振动越大。因此，轴承振动烈度评定时，针对刚性支承和柔性支承给出了不同标准。刚性支撑通常指的是支撑系统固有频率高于激振力频率，柔性支撑通常指的是支撑系统固有频率低于激振力频率。ISO10816：1996 规定：如在测量方向上机器与支撑系统组合的᳔低自振频率至少大于主激振频率（大多数情况下为旋转频率）25％，则支撑系统在该方向上可看作刚性支撑，其它支撑系统都可看作柔性支撑。例如：大型电动机、泵和小型汽轮发电机组一般是刚性支承，大型汽轮发电机组部分轴承座则采用柔性支承。某些情况下，支撑部件可能在某一测量方向上为刚性，而在其它方向上为柔性。