设备故障的振动识别方法与实例上

1、 设备故障的振动识别方法与实例上海华阳检测仪器有限公司资料汇编2003年4月前 言振动分析是设备故障诊断最重要最常用的方法。但在设备现场的实际工作中,常常遇到的最困难的也是最关键的问题是，在使用简易诊断仪器如振动计已经发现设备存在故障的情况下，如何根据各种振动分析仪频谱分析仪提供的振动波形和频谱，诊断出设备的故障类型、部位及严重程度，以便据此采取相应的措施。为满足从事设备管理、状态监测、故障诊断和设备维修工作的工程技术人员这方面的需要,我们编写了这本小册子。本书紧紧围绕设备故障的识别问题，介绍了故障诊断的一般方法和步骤；为了方便查阅，按照故障类型，分别详细地列出了其波形和频谱特征及诊断要点，说

2、明了如何区分不同故障的方法，引用的大量工程实例与方法介绍相互印证，以求具有更大的参考价值。本书承蒙北京航天工程学院研究员袁宏义先生审阅，在此特致谢意。由于作者水平所限，书中难免有不妥之处，敬请读者指正。作 者 1994年5月 目 录前言l 振动信号的波形和频谱 （7）1.1 孤立的谱峰单一频率信号（7）1.2 谐波一般周期信号（7）1.3边频调制的单频信号（8）1.3.1调幅 （8）1.3.2调频 （9）1.4宽带频谱脉冲信号、瞬态信号、随机信号（10）l.4.l 脉冲信号 （10）1.4.2周期脉冲信号 （11）1.4.3瞬态信号 （11）1.4.4随机信号 （12）2识别故障的一般方法和步

3、骤 （14）2.1搜集和掌握有关的知识和资料（14）2.2振动数据采集 （14）2.2.1仪器配置 （14）2.2.2参数设置 （15）2.2.3辅助测试 （16）2.3故障分析与诊断 （16）2.3.1注意发展和变化 （16）2.3.2分析振动的频率成分 （16）2.3.3分析振动的方向性和幅值稳定性 （17）2.3.4分析各频率成分的相位 （18）2.3.5边频分析 （18）2.3.6分析波形变化 （19）2.3.7分析轴心轨迹 （20）2.3.8全息谱分析 （23）2.3.9观察随转速的变化 （24）3常见故障的识别及实例 （27）3.l不平衡 （28）实例l 离心压缩机不平衡 （30）

4、实例2 压缩机不平衡 （31）3.2不对中 （32）实例l 压缩机组对中不良 （33）实例2 电机发电机组对中故障 （35）3.3机械松动 （36）实例l 电机不平衡及支承松动 （38）实例2 发电机组汽轮机支承松动 （39）3.4转子或轴裂纹 （40 ）实验 裂纹转子的振动特性及诊断 ( 41)实例 合成气压缩机轴裂纹 （42）3.5滚动轴承 （43）实例l 压缩机轴承损伤 （45）实例2 煤气排送机故障 （47）实例3 挖土机滚动轴承损坏 （48）3.6滑动轴承 （50）实例l 离心压缩机油膜振荡 （52）实例2 二氧化碳压缩机停车事故 （54）3.7齿轮箱 （56）实例l JCF.500

5、齿轮箱的边频分析 （58）实例2 大型水泥磨齿轮箱故障 （60）实例3 立式车床变速箱故障 （61）3.8传动皮带 （62）3.9叶轮、叶片和旋翼 （63）实例 叶片断裂故障 （64）3.10电机 （65）实例 冷凝液泵驱动电机故障 （68）3.11共振 （70）实例 变速风机的共振故障 （70）1 振动信号的波形和频谱不同的振动信号具有不同的波形和频谱。诊断设备故障时，为了根据已知的频谱和波形确定未知的振动类型和特点，需要掌握常见的几种波形、频谱与振动之间的对应关系。1.1 孤立的谱峰单一频率信号频谱中只有一个孤立的峰（图1-1），表明这是正弦振动。它具有单一的频率分量，即峰值所在处的频率分

6、量，是最简单的周期性振动。频谱中除了一个主峰外，若还有其他孤立的峰，表明这已不是正弦振动，而是由几个频率分量合成的振动，每个峰代表一个频率分量。若其他峰比主峰幅度小很多，则可近似的看作是正弦振动。这种以单一频率为主的振动是处于不平衡状态下一台简单机器的振动，它的频谱在轴转速处（l×RPM）出现一个主峰。有时振动信号中包含直流分量,可以通过交流耦合输入方式（AC方式）将直流成分滤掉。直流成分在频谱分析中并不重要，一般不予考虑。1.2 谐波一般周期信号机器产生的振动基本上都是周期性振动，即波形为无限重复的形式。一般周期性振动信号的频谱由一系列彼此有关的峰（a） （b）图1-1 正弦振动的

7、波形和频谱a波形；b频谱组成，每个峰代表一个频率分量。代表信号中最长的波形重复率的称为基频或基波，其他各峰位于基频的整数倍处，依次称为二次谐波、三次谐波等等。上节讨论过的单一频率的振动是最简单的周期性振动，其二次以上的谐波为零。周期信号的一个例子是方波（图1-2）。方波的基频是波形中基本方形的重复频率，理想方波的频谱只包含奇次谐波（一、三、五等次谐波）。如果方波不完全理想，也可能包含一些较小的偶次谐波。奇次谐波的幅值与谐波次数成反比，即三次谐波幅值是一次谐波幅值的1/3，五次谐波幅值是一次谐波幅值的1/5等等。 RPM代表转速1.3 边频调制的单频信号1.3.1 调幅一个单一频率的振动，其幅值

8、随时间周期性地变化，称为调幅。其单一频率的振动信号为载波信号。而幅值随时间变化的信号为调制信号。所以，调幅就是由调制信号对载波信号进行幅值调制。（a）（b）图1-2 方波的波形和频谱a波形；b频谱最简单的情况是，调制信号是直流信号加上一个单一频率的信号，其频率与载波信号频率不同。这种调幅信号的频谱在载波峰两侧各有一个幅值相同的峰，此即边频（图1-3）。设载波频率为fc，调制频率为fs，则边频的频率为fc±fs。其中，fcfs为上边频，fcfs为下边频，它们与载波峰的频率间隔都是fs。如果调制信号是一般的周期信号，它包含多个谐波分量，则每个谐波分量对载波信号调制的结果都在载波峰两侧产生

9、一对边频，最终组成边频族。最靠近载波峰的一对边频由调制信号的基频产生，再往外一对由调制信号的二次谐波产生，如此等等。相邻边频的间距等于调制信号频率，各边频幅值比例（a）（b）图1-3 调幅信号的波形和频谱a波形；b频谱与调制信号各次谐波幅值比例相同。在调制信号中不含直流分量的特殊情况下，载波峰幅值可能为零，也就是说，只剩上边频和下边频。1.3.2 调频一个单一频率信号的幅值保持不变，但是频率随时间周期性的变化，称为调频（频率调制）。最简单的情况是调制信号单一频率的正弦信号（图1-4），但即使这种最简单的情况，频谱也十分复杂。载波峰两边等间隔地分布着边频族，相邻边频的间距等于调制频率。（a）（b

10、）图1-4 调频信号波形和频谱a调频信号的波形；b调频信号的频谱只有频率调制而不存在幅值调制时，载波峰两侧左右对称。但实际上两种调制往往同时存在，使载波峰两侧一般不对称、不规则，而且载波峰和某些边频的幅值有可能很小，甚至为零，这使得在某些情况下难于确认究竟哪个是载波峰。若调制信号不是单一频率，而是一般周期信号，则频谱更加复杂。但是，相邻边频的间距仍然等于调制信号的基本频率。例如，齿轮齿距的改变、载荷波动、局部缺陷以及连成片的缺陷都会对啮合频率产生调制作用（图1-5）。其中，齿轮局部缺陷激发的是窄脉冲，其频谱在较宽的频率范围内具有相等而较小的幅值。连成片的缺陷激发的脉冲较宽，其频谱的频率（a）（

11、b）图1-5 齿轮有缺陷时的波形和频谱a局部缺陷；b连续缺陷；fm啮合频率范围窄，幅值衰减较快。由上述两种缺陷的调制作用而形成的边带也不同：局部缺陷情况下，边带范围宽，幅值小，变化平缓；连成片的缺陷情况下，边带范围窄，集中于载波峰附近，幅值较大，衰减较快。1.4宽带频谱脉冲信号、瞬态信号、随机信号1.4.1 脉冲信号机器运转中常有冲击现象，冲击产生脉冲信号。一个单独的脉冲通常持续很短的时间，波形很尖的常称为窄脉冲。窄脉冲有频带很宽的连续频谱，没有明显的峰值（图1-6）。（a） （b）图1-6 窄脉冲的波形和频谱a 窄脉冲的波形；b窄脉冲的频谱每个实际脉冲的频谱，其幅度随频率的增加而减小，脉冲越

12、窄，减小得越慢（图1-7）。所以，从频谱幅值减小的快慢可估计出脉冲的宽窄。第一个凹陷处的频率等于脉冲宽度的倒数，在此频率的整数倍处还有第二、第三凹陷。1.4.2 周期脉冲信号若脉冲信号以一定的周期重复，波形和幅值不变，则这是周期信号（图1-8）。它的频谱中有一系列等间距的峰，基频与相邻谐波的间距等于脉冲重复频率。谐波峰幅度随频率的增加而减小，整个频谱的形状类似于单个脉冲的频谱形状。1.4.3 瞬态信号瞬态信号与脉冲信号类似之处在于，它们都是突然间开始图1-7 不同脉冲频谱比较a一般脉冲；b窄脉冲；c很窄的脉冲的，不同之处是，瞬态信号并不突然停止，而是在一段时间内逐步衰减（图1-9），一台机器或

13、一个构件突然受到一次冲击后的振动即是这种瞬态信号，它是对一个脉冲信号的响应。象脉冲信号一样，瞬态信号的频谱也是宽带连续的。频谱的特点是有一个明显的峰，称为共振峰，其频率为结构的共振频率。共振频率决定于结构的物理特性，尤其是结构的刚度和质量。刚度越大，质量越小，其共振频率越高。共振峰的宽度图1-8 周期脉冲的波形和频谱a周期脉冲的波形；b周期脉冲的频谱决定于结构阻尼大小（即振动能量消耗的快慢）。对周期脉冲信号的响应是另一种周期信号，其频谱是一系列重复频率的谐波。各次谐波的幅值等于单个瞬态响应信号对应频谱的幅值。1.4.4 随机信号宽带频谱中还有随机信号。随机信号是一种非确定性的信号，这种不确定性

14、是指对每单个信号的不可预测性和不重复性。例如，由于各种激励和影响因素的复杂和多变，摩擦产生的振动便是一种随机振动。但是，大量的随机信号存在着统计规律性，即存在着稳定的平均性质。图1-9 瞬态信号的波形和频谱a 瞬态信号的波形；b瞬态信号的频谱随机信号的频谱是宽带连续的（图1-10），它不象周期信号那样有孤立峰，而是能量分布在很宽的频率范围内。在频谱中可能有峰，但通常与系统共振有关，而不一定代表系统中存在周期性故障激励信号，峰的宽度决定于结构共振频率和阻尼。实际工作中测量的信号常常是上述各种信号组成的组合信号，其频谱也不象上述每一种信号的频谱那么单纯，而是由叠加而成的复杂频谱（图1-11）。但是

15、，在许多情况下，为主的是一种或两种信号，频谱中可以明显地找出它们的特征。有时还可通过滤波等方法消除掉次要成分，然后利用上述关于波形和频谱的知识，将主要信号（故障信号）鉴别出来。现将常见波形和频谱总结列表如下：频谱形式振动波形孤立峰简谐振动谐波族周期振动围绕孤峰的边频族调制的单一频率振动围绕谐频的边频族调制的周期性振动宽带频谱脉冲瞬态或随机振动混合频谱组合振动 图1-10 随机信号的波形和频谱a随机信号的波形；b随机信号的频谱图1-11 组合信号的波形和频谱a组合信号的波形；b组合信号的频谱2 识别故障的一般方法和步骤2.1 搜集和掌握有关的知识和资料（1）机器结构性能资料：包括机器的工作原理，

16、机器在整个生产过程中的地位和作用，重要的动态参数，如驱动功率、流量、压力、转速变化范围、电流、电压、温度等，机器结构组成和参数，如轴承型式、密封结构、联轴节结构、齿轮齿数、叶片数、共振频率、临界转速等等。（2）操作运行情况：包括负荷及其变化情况、润滑情况、起动和停机情况、工艺参数变化情况等。（3）机器周围环境的影响：包括温度、湿度、与其他机器的关联、地基沉降、电压波动等因素对机器性能的影响。（4）故障与维修情况：包括上次大修时间、大修时作过哪些调整、运转以来发生故障及对故障处理情况的记录和档案、机器的薄弱环节及预计容易发生故障的类型和部位、同型号、同工作条件下其他机器的故障情况等。2.2 振动

17、数据采集2.2.1仪器配置 设备振动诊断系统可以是微机系统，也可以是专用仪器。由于微机系统具有很多优点，越来越被广泛采用。图2-1是以便携式微机为主机的离线设备监测和诊断系统。图2-2是在线监测和诊断的计算机系统。 设备加器放速内大度装器传集感成数据采集器便携式微机监测和诊断软件数据管理软件图2-1 离线振动监测和诊断系统 设备电位涡移流传式感 器预处理器数据采集器台式微机监测和诊断软件数 据管理软件图2-2 在线振动监测和诊断系统2.2.2 参数设置采集振动数据时，首先要设置仪器的数据采集参数，这些参数主要有：最高分析频率、采样频率、采样点数（数据长度）、触发方式、放大倍数、AC/DC选择、

18、传感器灵敏度等。简单说明如下：（1）最高分析频率Fm指需要分析的最高频率，也是经过抗混滤波后的信号最高频率。根据采样定理，Fm与采样频率Fs之间的关系一般可取为:Fs=2.56Fm最高分析频率Fm的选取决定于设备转速和故障性质。例如，诊断常见故障不平衡、不对中、机械松动及电机转子故障时，特征信息包含在频谱的10×RPM范围内；滚动轴承的故障信息在内外滚道、保持架及滚子等的故障特征频率及其低次谐频处，这些故障特征频率与机器转速及轴承构造参数有关；滚动轴承疲劳故障信息在与转速有关的某些高频区域；滑动轴承油膜涡动引起的振动频率主要在（0.420.48）×RPM区域；齿轮箱故障信息

19、在齿轮啮合频率以及齿轮的固有频率附近；而叶轮叶片故障信息则在叶片通过频率、转频及它们的谐频处等等。最高分析频率应适当高于上述各故障信息所在的频率范围。2采样点数N与谱线数M有以下关系：N=2.56×M谱线数M与频率分辨率F及最高分析频率Fm有以下关系：F=Fm / M或 M= Fm /F所以有 N=2.56 Fm /F由此可知，采样点数的多少与要求多大的频率分辨率有关。当最高分析频率已经确定，要考虑诊断中读谱的频率分辨率是多少，然后由上式计算采样点数，并将采样点数设置为最接近计算值的2的n次幂。例如，机器转速R=3000r/min=50Hz，欲分析8倍频以下振动信号，要求频率分辨率F

20、 =1Hz，则采样频率和采样点数设置如下：最高分析频率Fm =8×R=8×50Hz=400Hz；采样频率Fs=2.56×Fm=2.56×400Hz=1024Hz；采样点数N=2.56×Fm /F=2.56×400Hz/1Hz;=1024=210；谱线数M=N/2.56=1024/2.56=400（条）。若对于频谱的频率分辨率没有太高的要求，一般来说，采样点数设为1024（400条谱线）便足够了。有时需要作时间频率三维谱图，采样点数可设置为8192（213）甚至更多。（3）触发方式一般设置为内触发。在作现场动平衡需要测量相位时，或作阶比

21、分析时，要求以转速脉冲信号适当分频后作为数据采集的外触发信号。此时，应设置为外触发，同时在外触发端口引入触发信号。（4）放大倍数一般能够自动改换，即根据信号幅度自动选择放大倍数，以使放大后的信号幅度满足模/数转换的要求。如果仪器不能自动转换放大倍数，则需预先测试或估计出信号的最大可能幅度，然后人工设定放大倍数，使放大后的最大信号幅度不超过允许幅值。（5）AC/DC选择一项，在作动态测量时应设置为AC。（6）传感器灵敏度（或工程单位）设置一项，在输入传感器灵敏度数值后，时域和频域幅值谱纵坐标单位为与灵敏度相应的力学单位，若不输入灵敏度数值，则时域和频域纵坐标为伏。例如，加速度传感器灵敏度以 V

22、/（m/s2）为单位时，时域和频域幅值谱纵坐标单位为m/s2；加速度传感器灵敏度以V/g为单位时，时域和频域纵坐标单位为重力加速度g。2.2.3 辅助测试有些情况下，为了确定或排除某些可能的故障，需要进行一些辅助测试。这些辅助测试包括：变转速振动测试；变负荷振动测试；变润滑系统参数（油温、油压）振动测试；起动或停车过程振动测试；共振频率测试；机壳、基座或管道某些部件的测试 。2.3 故障分析与诊断根据振动信号识别设备故障是件难度很大的工作。这主要因为：同一故障可以表现出多种症候，同一症候可由不同故障引起，不同类型的机器其故障与症候的对应关系可能不完全一样，这种关系又与运行条件、环境条件、故障历

23、史及维修情况有密切联系。在故障诊断中，熟悉和掌握机器的结构、特性、使用和维修情况以及实际诊断经验都是很重要的。2.3.1 注意发展和变化在分析和诊断故障时，应注意从发展变化中得出准确的结论。单独一次测量往往难于对故障判断有较大把握，反复多次的追踪测量分析能使诊断更接近于真实情况。为此，应注意积累和研究机器正常运行状态下的振动数据，包括基频的幅值和相位、次谐波和高次谐波的幅值和相位、其他重要频率分量的幅值、时域波形以及轴心轨迹的形状、大小和旋转方向等。对当前机器的振动信号进行各种观察和分析时，应与正常运行状态下的振动进行比较，注意哪些参数发生了变化及变化程度如何。例如，基频分量变化不大而2倍频幅

24、值明显增大可能说明不对中加剧，喘振使轴向振动变化明显，而不平衡增大使水平和垂直方向振动同步增长。趋势分析也是有效的方法，不但分析振动有效值或峰-峰值变化趋势，而且分析基频、1/2倍频、2倍频等各频率分量的变化趋势，从而得出振动是稳定不变、逐渐上升、时升时降还是迅速增大等信息。例如，不平衡加大使振动缓慢而稳定上升，叶片断落则使振动幅值突然上升。2.3.2 分析振动的频率成分每一种引发异常振动的故障源都产生一定频率成分的振动，可能是单一频率，也可能是一组频率或某个频带。根据振动信号的频率组成，可以很快排除一批不可能出现的故障，将注意力集中在几个可能的故障原因上。一般说来：不平衡主要引起基频振动；不

25、对中不但影响基频振动，还可引起2倍频及其他高倍频振动；滑动轴承油膜涡动的振动频率为（0.420.48）×RPM，油膜振荡的振动频率为转子一阶临界转速频率；转子与固定部件之间的摩擦激发较宽频带的振动，可能包括基频、倍频、次谐波、转子零部件固有频率；转子组件松动的振动频率以基频为主，可能伴有倍频或1/2×RPM、1/3×RPM等分数倍频。为了更好地知道各频率成分的主次，有时可列出频率结构表（表2-1），表中有以mV为单位读出的通频幅值和各频率成分的幅值，根据各频率成分与通频的幅值比，可以清楚地看出各频率成分的强弱顺序和它们在总振动中所占的份量。表2-1 某电机振动信号

26、的频率结构通频幅值频 率 结 构444.2mV频 率Hz50150250350倍 频F03f05f07f0幅值mV170.4374.914040倍频与通频幅值比0.38360.84400.3150.090强弱顺序2134在研究频谱的频率成分时，为了突出主要频率成分，减弱干扰和噪声，可以利用自功率谱（简称自谱）。由于自功率谱的纵坐标与幅值的平方成正比，使幅值谱中的高峰更突出而小的峰变得更不明显，所以能使频率结构更清晰，如图2-3所示。图2-3 振动信号的幅值谱和自功率谱a振动信号；b幅值谱；c自功率谱2.3.3 分析振动的方向性和幅值稳定性一般说来：不平衡量增大，则径向水平、垂直两个方向的振幅同

27、时增长；不对中径向振幅增大，但同时还可引起轴向振动；基座松动时垂直方向振动明显大于水平方向振动；转子组件松动引起的振动，其幅值不稳定；油膜涡动和油膜振荡则以径向振动为主，振幅不稳定；转子裂纹引起的2倍频振动，水平方向和垂直方向的振幅大小相近。2.3.4 分析各频率成分的相位不平衡引起的基频振动分量与转轴相位标志之间的角度（即基频分量的相位）保持不变，水平方向与垂直方向振动相位相差约90°。平行不对中引起的径向振动在轴两端反向，即相位相差180°；角不对中引起的径向振动在轴两端同向，即相位差为零。2.3.5 边频分析在齿轮箱（以及电机）故障诊断中，常见到具有复杂周期结构的振动

28、频谱 图2-4（a）。频谱中有轴转动频率fr及其谐波，有齿轮啮合频率fm及其谐波，还有fr与fm之间调制产生的边频族。实际上，一对齿轮的啮合频率fm及其谐波频率是载波频率，而齿轮偏心、齿间游隙、齿的个别损伤及轴本身故障产生的每周一次振动（频率为fr）成为调制信号，调制结果使fm两边产生出频率间隔彼此相等的边频族。所以，频谱上谱峰分布有了周期性结构。分析边频，求出调制频率，常常可以找到故障的部位。在难于直接从频谱图上分析边频结构时，可以借助于细化分析或倒频谱。倒频谱的横坐标是频率的倒数，具有时间量纲（通常以毫秒为单位）。对于有变频结构的频谱作倒频谱分析时，倒频谱中就出现代表不同周期性结构的谱峰，

29、如图2-4（b）中有1/fm、2/fm和1/fr，等几个峰，据此可以求出特征频率fr和fm倒频谱的优点在于：（l）将频谱中的周期性结构检测出来，便于边频分析；（2）比起幅值谱，倒频谱受振动传输途径影响较小。振动传感器安装在齿轮箱不同位置上，其幅值谱可能不同，但其倒频谱差别很小；图2-4 齿轮箱振动频谱a对数功率谱；b倒频谱图2-5 细化示意图（3）当调制信号（常常是故障信号）较弱时，在频谱图中往往不明显，但倒频谱能够相对加强幅值小的信号，使较弱的周期性信号变得明显。细化分析又称选带分析或ZOOM，它可围绕一个指定的中心频率在较窄的频带内进行分析，因而大大提高了频率分辨率（图2-5）。太多数FF

30、T分析都在直流分量。（即零频率）与最高分析频率之间的宽频带内进行，称为基带分析，频率分辨率往往不够大，如图2-6所示。图2-6 基带分析与细化分析a基带分析；b某频段的细化分析细化不仅大大提高频率分辨率，还可明显地改善信噪比。2.3.6 分析波形变化波形分析具有简捷直观的特点，对于成分比较简单的振动位移信号，或者信号中的削波、脉冲、调幅、调频等情况较为有效，一般可与频谱分析同时使用。图2-7为故障轴承的振动波形。正常时振动加速度波形有较小的振幅平均值（a），当出现滚道面疲劳时，其波形振幅普遍增大（b），又当出现内外圈疲劳剥落时，波形中可看到频率等于其故障特征频率的冲击信号（c），而（d）图则是

31、外圈椭圆度超差时的波形。图2-7 故障轴承的振动波形a正常轴承；b滚道面疲劳；c内外圈疲劳剥落；d外圈椭圆度超差图2-8为某5万kW发电机组径向振动位移信号。波形上下两部分明显不对称，但若将上半部分的趋势延伸至下半部分，基本上就是一个正弦振动，且其频率与转速一致。可见产生振动的主要原因是转子不平衡。另一方面，从波形下半部分来看，由不平衡引起的振动在半个周期中受到了阻碍，并产生了频率高于转速的振动分量，使波形下半边波峰远不如上半边尖锐，并且叠加有高频的波动。这表明轴承对于转子的约束力在相反的两个方向上有明显的不同。通过进一步的查实，最终找到波形不对称的原因是轴承支承刚度不均匀。图2-8 发电机组

32、径向振动波形分析波形有助于区分不同故障。一般说来:不平衡的振动波形基本上是正弦式的；不对中的振动波形比较稳定、光滑、重复性好；转子组件松动及干摩擦产生的振动波形比较毛糙、不平滑、不稳定，还可能出现削波现象；自激振动，如油膜涡动、油膜振荡等，振动波形比较杂乱，重复性差，波动大。2.3.7 分析轴心轨迹在转轴同一截面内安装两个径向位移传感器，彼此互成90°，将此两路信号分别输入示波器的X和Y方向，或者用双通道数据采集器进行数据采集，然后再以屏幕上的X和Y方向进行图形显示，成为表示轴心的轨迹，（如图2-9）。轴心轨迹表示转子轴心一点相对于轴承座的运动。为了去掉振动信号中的直流分量，可使信号

33、先经过高通滤波。转子振动信号中除包含不平衡引起的同步振动分量外，一般还存在亚同步（其频率低于转速）分量和高次谐波（其频率是转速的整数倍）分量，使轴心轨迹形状复杂，甚至非常混乱，造成分析困难。例如，一台压缩机高压缸转子系统发生油膜涡动导致机组停车，由于油膜涡动周期并不恰好是转子回转周期图2-9 典型的轴心轨迹a椭圆；b双椭圆；c发散的2倍，其轴心轨迹不完全重合，显得很凌乱，如图2-10（a）所示。目前发展了一种模拟轴心轨迹技术，它是根据频谐分析原理，将X、Y方向振动信号分解成各个频率分量，然后将某些频率分量提取出来加以合成，再用计算机重新作出轴心轨迹，可将原本凌乱的轨迹显示得十分消楚，如图2-1

34、0（b）所示。由图上可以看到，轴心轨迹呈内“8”字形，这是油膜涡动的典型特征。分析轴心轨迹的方法如下：（1）注意轴心轨迹的形状及其变化。轴心轨迹常用来监视滑动轴承中的油膜振荡。当转子稳定转动时，轴心轨迹近似于椭圆，如图2-9（a）。轨迹变为双椭圆时（b），表示滑动轴承中出现了半速涡动（又称双圈晃动），这是转轴失稳的初期图2-10 油膜涡动时的轴心轨迹和模拟轴心轨迹a轴心轨迹；b模拟轴心轨迹征兆。再如，观察汽轮发电机组起动过程中转速振动分量的轴心轨迹（图2-11），发现其大小、形状和最大振动方向不断变化并逐渐趋于稳定转速下的振幅和最大振动方向。这是因为起动过程中，机器由冷态逐步过渡到热平衡状态，

35、机器热容量较大，所需过渡时间较长。相反，突然停车过程中（图2-12），由于降速快，机器热平衡状态来不及变化，所以转速振动分量轴心轨迹只是随转速的降低而逐步缩小，其形状和最大振动方向并无明显变化。（2）注意轴心轨迹的稳定性。正常情况下，轴心轨迹比较稳定，基本上相互重合。如果轴心轨迹紊乱，形状和大小不断变化，不能重合，则表明运行状态出现异常。例如，出现油膜涡动或油膜振荡时，轴心轨迹将不断发散，如图2-9（c）所示。此时可用模拟轴心轨迹进行观察。图2-11 发电机组起动过程基频轴心轨迹（3）观察轴心轨迹的旋转方向。旋转方向与转子转动方向一致，称为正向进动；二者相反时，称为反向进动。大多数情况下，轴心

36、轨迹都是正向进动，有时出现反向进动，可能由于转子径向干摩擦所致。利用波形分析和轴心轨迹，可以发现一些典型的故障，如表2-2。图2-12 发电机组停车过程基频轴心轨迹表2-2 利用波形分析和轴心轨迹诊断的典型故障缺陷时域X-Y轨迹诊断不 对 中典型的严重不对中油膜涡动与不平衡相似而且涡动频率较慢，小于轴转速的0.5倍摩 擦接触产生花状，它叠加在正常的轴心轨迹上不平衡或轴弯椭圆的X-Y显示2.3.8 全息谱分析转子在同一支承截面内垂直和水平两方向振动之间，以及转子在各个支承截面振动之间，都有密切关系。分析这些关系，可以得到更多的机器状态信息。利用二维全息谱和三维全息谱可以达到上述目的。（l）二维全

37、息谱。转子在同一支承截面内垂直和水平两个方向的振动信号可以分别分解成次谐波分量和高次谐波分量，根据幅值、频率和相位，把两个方向相同频率成分的振动分别合成，并将各频率分量的合成图罗列在一张谱图上，这就是二维全息谱。图2-13（a）和（b）分别是某化肥厂空压机驱动透平转子自由端和联轴节端振动的二维全息谱，频率成分主要有14倍频和较小的次谐波。从（a）图看出，存在一个突出的4倍频分量，而且振动方向不变，这表明转子受到一个方向不变的力的作用，力的作用频率为转频的4倍。由此联想到空压机驱动透平采用的是回油楔轴承，上述现象可能与此有关。与自由端（a）图相比，（b）图中2倍频成分占突出地位，主要原因是联轴节

38、对中不良，不对中与不平衡复合作用的结果，使1倍频成分由圆变成椭圆。4倍频成分仍然存在，方向相同，仅幅值变小，原因仍为四油楔轴承，对另一化肥厂的空压机驱动透平振动信号分析结果表明，也存在4倍频分量，这可能与设计有关；（2）三维全息谱。三维全息谱显示不同支承截面内同一频率成分的振动轨迹、相位关系及轴心线上出现的节点。图2-14是某化肥厂空压机组基频分量振动的三维全息谱。该机组自大修以来运行状态稳定，但从图中可以看出，仍存在需要注意的问题。自由端基频振动轨迹近似为一直线，其水平和垂直振动相位差接近180°，这显然由于压缩机转子每转都受到一个方向固定的力作用，此力大小基本不变。振源不会是转子

39、自身缺陷，而很可能是轴承及其附近轴上零部件所受强迫力。压缩机图2-13 空压机驱动透平转子的二维全息谱a自由端振动二维全息谱；b联轴节端振动二维全息谱自由端支承轴承为椭圆轴承，轴承安装不良，如上瓦与下瓦之间的联接出现松动，就很可能造成上述振动。这一点在下次大修时应引起注意。2.3.9 观察随转速的变化转速变化主要指起动和停车过程，在这一过程中经历各种转速，振动信号能显示出故障与转速的关系，以此可区分不同故障。例如：不平衡引起的振动幅值随转速的增大而增大，并在通过临界转速时有峰值出现；不对中引起的振动与转速关系不大。图2-15为不平衡、不对中引起的振幅随转速变化的示意图。图2-14 空压机组三维

40、全息谱a基频分量：从右至左依次为透平、低压缸b低频分量：从右至左依次为透平、低压缸图2-15 不平衡、不对中时振动与转速的关系a不平衡、不对中分别发生；b不平衡、不对中同时存在：不平衡力和不对中力相位错开的情况不平衡力和不对中力相位相同的情况油膜涡动的振动频率随转速增大而增大，但与转速的比例保持在（4248）%之间。当转速到达一阶临界转速的二倍以上时，即出现强烈振动，振动频率不再随转速增大而保持在转子临界转速上，此即发生了油膜振荡。观察振动的某些频率分量随转速（以及时间、负载等）变化情况，可利用三维谱（又称瀑布图或级联谱）。三维谱是将不同转速下的频谱叠加在一起构成的（图2-16），其横坐标为频

41、率，纵坐标为转速，第三坐标为振幅。从图上可以看到由谱峰构成的“山脉”。若“山脉”斜线通过坐标原点，表明这种振动的频率分量与转速有关，其振源也必定与转速有关（如不平衡）；与频率轴垂直的“山脉”表示不受转速影响的频率分量（如油膜振荡）；分布不规则的“山脉”可认为由随机振动产生。图2-16 三维谱图2-16 三维谱 3 常见故障的识别及实例本章对于各种常见故障，分别简述故障原因，给出频谱和波形特征，叙述测量仪器设置及诊断要点，在“说明”中指出与其他故障的区分方法及需要加以注明的内容，最后提供比较典型的工程实例，以资借鉴。3.1 不平衡3.1.1 故障原因当转子质量中心偏离转动中心时出现不平衡。造成不

42、平衡的原因通常是：装配不适当、转子上有附加物生成、转子质量磨损、转子破裂或丢失部件。3.1.2 频谱和波形特征（图3-1）（1）径向振动大 基频有稳定的高峰，其他倍频振幅较小。 基频幅值随转速增大而增大，这是不平衡的重要特征。（2）轴向振动较小3.1.3仪器设置（1）最高分析频率。低转速：200Hz。高转速：400Hz。（2）波形、频谱、振动速度或加速度显示。3.1.4诊断（1）频域： 确认频谱中以稳定的基频分量为主，其他倍频幅值很小。 轴向振动比径向振动小得多。图3-1 不平衡时的振动频谱和波形a 不平衡时振动频谱；b不平衡时振动波形 必要时改变转速，确认基频幅值随转速增大而增大。（2）时域

43、： 波形以稳定的单一频率为主，轴每转一周出现一个峰值。 轴向振动比径向振动小得多。3.1.5 说明（1）造成径向振动基频幅值大的其他故障有：轴不对中、轴弯曲、机械松动及机械共振。应将它们与不平衡区分开，在检测不平衡之前予以纠正。（2）若1×RPM、2×RPM、3×RPM等分量大，而且垂直方向的振动明显大于水平方向振动，可能是基础松动。（3）若轴向振动较大，并且径向和轴向的1×RPM、2×RPM、3×RPM分量较大，可能是轴不对中。（4）稍微改变转速，若基频幅值变化很大，可诊断为机械共振。（5）对于电机，若基频幅值大的同时，其振动时域波

44、形有缓慢调制现象，可能是机电故障，如转子断条或裂纹。（6）轴弯曲与不平衡有相似的频谱特征。区分的方法是：低速转动下检查转子各部位的径向跳动量，可判断是否有初始弯曲；在一定转速下改变机组负荷，若振动随负荷和时间而变化，则可能是局部摩擦、受热或冷却不均匀引起的热弯曲。实例1 离心压缩机不平衡（1）故障情况某化工厂离心压缩机高压缸的径向振动自3月以来呈不断增长趋势，有的测点振动峰-峰值从27m增长到50m，几乎翻了一番（见表3-1）。表3-1 振动通频峰-峰值（m）日期9108垂直9108水平9109垂直9109水平21/34227372431/3402737242/4422835258/44733

45、413118/44748434227/445504544低压缸转速为6446r/min，高压缸转速为13175r/min。（2）诊断利用监测和诊断系统对振动测试信号进行分析诊断，振动测点分布如图3-2。图3-3为高压缸5月2日振动频谱。从频谱图可以看出，主要频率分量只有基频分量一个，其余倍频分量均很小，所占比例在10%以下（表3-2）。轴心轨迹如图3-4所示，基本上呈圆形，很规则，波动很小，并且为正进动，即轴心轨迹旋向与转子旋转方向相同。 图3-2 振动测点分布图 表3-2 倍频成分百分比倍频 测点0.5倍频1倍频2倍频9108垂直90%48.61 10%4.96 9108水平1.8%1.12

46、 91%55.53 7.0%4.01 9109垂直94%47.87 6.0%3.18 9109水平2.5%1.37 93%49.30 4.5%2.42 图3-3 高压缸5月2日振动频谱 图3-3高压缸5月2日振动频谱a左轴承垂直；b左轴承水平；c右轴承垂直；d右轴承水平图3-4 轴心轨迹a右轴承；b左轴承为了进一步了解情况，将3月份以来的转子振动数据作趋势分析，如图3-5所示，左右轴承大体类似。可以看出，2倍频分量振幅基本上没有变化，振动通频峰-峰值增长的原因完全是由于基频振动分量的增长。由该机器以往的运行经验，引起振动增加的原因可能有：探头失效，引起测试数据不准；图3-5 左轴承振动趋势分析

47、a通频峰-峰值；b1倍频；c2倍频转子对中不良；压缩机高压缸内部气流不稳；油膜涡动；不平衡量增加。现在根据上面的分析确定振动上升的真正原因。探头失效不可能造成读数增加，因为高压缸四个径向振动探头的振幅都有所增加。而且基频分量明显增长的同时2倍频分量却保持不变。对中不良也可排除，因为对中不良的特征是2倍频分量增长，在振动中占较大比重，并且轴心轨迹狭长。但实际情况并非如此。压缩机内部工作气流不稳所激发的振动，一般在频谱上会出现一些与转子或其零部件固有频率有关的频率成分，而实际频谱上没有这样的频率成分，气流不稳这一条也可排除。又因为0.5倍频附近没有明显的频率分量，所以也不是油膜涡动。从频谱上突出的

48、基频分量，加之圆形轴心轨迹，可以有把握地认为，不平衡是振动增大的主要原因。另外，趋势图上基频变化曲线与通频振动峰-峰值变化曲线十分吻合，也表明振动增大的原因是不平衡的增大。高压缸转子转速高达13000r/min以上，对转子的微小不平衡量很敏感。根据以往的运行记录和检修记录，认为不平衡量增加的可能原因有二：一是转子叶片结垢或磨损不均匀，当继续运转时，结垢或磨损有可能趋于均匀，使振动逐渐平缓甚至降低。二是由于机器基础热变形造成转子挠度变形加大，热变形主要受气温影响。综合上述两种可能原因，可知振动的变化将比较缓慢，不会突然造成机器的损坏。诊断结论为：振动增大主要原因是不平衡量的增加；振动变化比较缓慢，不会引起突发事故，只要注意监测，在振幅峰-峰值到达报警值以前，不必停车检修；建议下次大修时，对转子进行现场动平衡调试，以降低振动幅值。（3）验证根据诊断结论，机组继续运转了18个月，直至大修。振幅缓慢上升，但未发生什么故障，未影响生产正常进行，监测频谱中仍只有基频分量，可见振动原因仍是不平衡，未出现新的振源。实例2 压缩机不平衡（1）故障情况某石化化工厂C501机组压缩机大修后进行催化剂再生工作时，振动报警，测点D（图3-6）位移高达68m，超过允许值60m；测点C（与测点D互成90&