振动频谱分析基础

Fluke 810振动诊断仪——旋转机器
振动基础知识——旋转机器
振动测试提供关键的机器状态信息。

我们来了解一
些关于振动的基础知识：
y电机轴以1776 RPM的转速带动泵轴
y轴上的一个重点在所有径向产生一个向外的力
y传感器每转检测到一次振动
y正弦波表示轴旋转时的振动
y轴完整旋转一周产生一个周期的正弦波——当
重点处于顶部时形成波峰，重点处于底部时形成
波谷
周/分钟
1776 转/分钟 = 1776
(转轴) (正弦波)
波形分析基础——术语
循环不断重复
- 一个完整的正弦波为一个循环 -
- 一个循环每分钟= 1 CPM - 一个循环每秒= 1 CPS (赫兹)
峰值
峰-峰值
-RMS = 0.707 峰值
-峰-峰值 = 2 峰值
位移为移动的距离 d mils p-p
速率为距离与时间之比V = d / t in/sec peak
加速度为速率与时间之比 A = V / t in/sec2 (G) rms
Fluke 810振动诊断仪——旋转机器
机器部件
y该泵有10个轮叶
y轴每旋转一周，传感器检测到10次叶片振动
y正弦波显示10次完整的循环，形成幅度较小的轴正
弦波
y振动水平较小意味着幅度低于轴振动
y由于主轴的质量大，将导致振动强于叶轮
10 次振动每转= 10 个循环每转
(转轴) (正弦波)
复合波形
如果我们将两个正弦波(轴和泵轮)叠加在一起，将形成以下波形：
- 1 次轴转动
- 10 次泵轮振动
但实际上振动彼此叠加，更像以下波形：
真实旋转机器的20次或30次振动可能是如下波形：
Fluke 810振动诊断仪——旋转机器
频率(谱)分析
y 波形含有关于被测机器的信息 y 但不同事件的模式相互叠加，杂乱无序——太复杂
FFT
y 采用快速傅里叶变换(FFT)方法，可将采集的波形从时域(幅值与时间关系)转换至频域(幅值与频率关系)。

幅值
幅值
y 由于特定的振动幅值可与机器的运行速度紧密相关，所以频谱简化了数据的理解。

事件 频率 • 由测试仪执行变换，简化波形 • 频谱是信号幅值(y 轴)与频率(x 轴)的关系曲线 • 这些尖峰处于特定的频率，表示机器正在发生的现象。

• 机器诊断需要将频谱中的尖峰与机器中发生的事件相匹配起来。

• 从该频谱图中，我们可观察到 1x 不平衡和 10x 风扇叶片。

• 频谱分析是我们用来诊断机器状况的主要工具。

• 机器故障将表现为特定频率下的振动。

幅值
• 如果知道了在频谱图上的什么位置查找问题，我们就能够获得进行诊断所需的信息。

频率
分析旋转机器的频谱数据——简单3步
对于一个人来说，经过培训成长为一名好的振动分析师，需要几年的时间，我们则只需要观察重点，分析数据。

我们接下来观察来自于某台机器的振动图形，仅需简单3步即可进行振动分析：
1. 识别振动尖峰，因为它们与机器上的源部件相关。

• 最大尖峰一般来自于转轴。

• 轴每旋转一周，4个轮叶形成4次振动。

• 注意2X 、3X 、4X 和6X 处的1X 尖峰。

• 所有旋转机器都存在这些“谐波”，属正常现象。

• 随着频率增高，幅值逐渐变小。

2. 根据振动规律，在数据中查找模式。

3. 测量振动尖峰的幅值及模式，确定故障严重程度。

Fluke 810振动诊断仪——旋转机器
3轴及2种频率范围
旋转轴上/下、前/后及轴向运动。

测试仪测量3个方向的轴运动和2种频率范围。

这就能够通过比较轴之间的数据，确定模式及诊断机械故障——提供完整的振动信息。

3个轴运动方向：
轴向
水平
垂直
分析典型旋转机器的频谱数据：
联轴机器
测量2个电机轴承及2个泵轴承；小型机器 => 仅1个电机和1个泵位置
泵
泵谐波
1 X 轴
1 X 谐波
1 X 轴
• 两根轴的速度相同(均为1X) • 1XM = 1XP
• 比较电机和泵的数据
电机数据位置2
泵数据位置3
注意，泵数据上存在4X 和8X 尖峰，但在电机数据上没有 => 4 个泵轮叶
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直接传动机器——强耦合
1根轴，仅测量2个电机轴承；小型电机 => 仅1个位置
电机数据位置2
1 X 轴
泵
泵谐波
• 仅测量轴承
• 叶轮安装在延长电机轴上——泵上无轴承
• 无泵数据(仅电机数据)——仍然可看到泵轮叶的4X和8X尖峰
皮带传动机器(变速箱机器与之类似)
测量2个电机轴承及2个泵轴承；小型机器 => 仅1个电机和1个泵位置
电机数据位置2
1 XM 轴
1XM 谐波
• 轴的速度不同(1:1:1)
• 1XP = 1.1 XM
• 比较电机和泵的数据
1 XP 轴
泵数据位置3 1XP 谐波
泵谐波
泵
注：
y电机和泵数据上均出现1XM和1XP谐波(振动通过底座传递)
y两个位置的频率范围相同 => 可将两个位置的数据重叠并进行比较
y电机数据中存在较强的电机谐波，电机数据中存在较强的泵谐波
y泵振动(4个轮叶)发声发生在泵轴上=> 4 X 1.1 = 4.4X; 8 X 1.1 = 8.8X。

关于不同机器类型的设置信息，请参考Fluke 810振动诊断仪培训资料。

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4种常见机器故障
• 每种机械部件都产生独一无二的振动信号。

• 频谱中显示的信号往往形成特征模式。

• 模式识别是振动分析的一个关键部分...，但是，必须经过大量的培训并具备专业知识，才能读懂模式图。

故障类型有数百种，但大多数非常罕见或很少发生。

相比于学习数百种故障，我们重点了解日常发生的故障。

80-90%的故障为4种常见故障。

机器故障
频率和轴
发生部件 严重程度 不平衡 1X——所有径向 受影响部件 较高的1X 幅值 失中——平行 2X——径向和切向 联轴的两侧 较高的2X 幅值 失中——角度 1X——轴向
联轴的两侧 较高的1X 幅值 松动 1X 谐波——所有方向 受影响部件 谐波较高 滚柱轴承
非整倍——所有方向
受影响部件
谐波、边带、 泵噪声、底噪
电机数据——位置2
泵
泵谐波
1X 谐波
1 X 轴
1 X 轴
不平衡模式：
- 高1X ，仅一根轴 - 所有径向(非轴向)
泵数据——位置3
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电机数据——位置2
泵谐波
泵
1X 谐波
1 X 轴
1 X 轴
角度
并联
失中模式：
角度 - 高1X - 仅轴向
- 联轴的两侧 并联 – 高2X
- 垂直和水平 泵数据——位置3
- 联轴的两侧
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电机数据——位置2
松动模式：
- 高1X谐波
- 仅一根轴
- 全部三个方向1X谐波
1 X 轴
1 X 轴
泵数据——位置3
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电机数据——位置2
模式：
- 高非整数倍尖峰 - 仅一根轴
- 全部三个方向 - 首先表现为高频，其次表现为低频 - 然后表现为轴承谐波(轻微) - 再然后表现为1X 边带(中等) - 再然后表现为泵噪声(严重) - 再然后表现为高底噪(非常严重)
• 轴承频率非同步 • 轴承滚珠、轴承罩和座圈的几何形状呈现出不同的速度——并非轴转速的倍数
• 非同步尖峰一般来自于滚珠轴承
• 大多数振动程序需要以下轴承频率：
1. 内座圈
2. 外座圈
3. 轴承套
4. 滚珠旋转
以下是一个轴承故障的例子： • 注意，轴振动的尖峰在1X 处
• 我们有4个泵轮叶和7个电机冷却风扇叶片(太小，难以观察到)。

• 在3.56X 处具有较大尖峰。

• 我们知道，机器不可能有3.56个风扇叶片或3.56个泵轮叶片。

很可能来自于滚珠轴承
1 X 轴 1 X 轴
1 X 轴
1X 谐波
1 X 轴
泵
泵谐波
止动环槽
滚珠密封/屏蔽槽
内圈
内座圈
外部直径
内孔
轴承罩外圈
外座圈
内圈端面 外圈端面
阶次。