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摘要：振动信号处理技术在动设备振动监测与诊断中的应用.
关键词：动设备；振动信号；频谱分析；监测与诊断
设备的运转一定会产生振动.即使是机器在最佳的运行状态，因微小的缺陷及外界激励，也会产生振动.例如，汽轮机、离心压缩机、压缩机、鼓风机、电机、发电机、泵及各种齿轮变速器等在运行时，必然会产生振动和噪声.据目前多方资料统计，机械设备由于振动引起的故障，占总的机械故障率的60%-70%。所以通过振动信号测量、监视和分析，分析设备运行状态，是降低设备振动和噪音、提高设备寿命、保证生产系统平稳、节能降耗的最佳途径。
1 振动产生的原因
动设备的主要是由转子、支承转子的轴承、定子、机器壳体、联轴节等部件组成，此外还有齿轮传动件、叶轮叶片及密封等.动设备转速范围一般为每分钟几千转至几十万转。动设备部件和机体的振动有两类振源引起：一类是由于转子的动、静不平衡，零部件配合失当，零部件配合间隙过大等引起的机械强迫振动，其中包括周期振动、冲击振动、随机振动等，同时也引起噪声.大多数振动都具有周期性的特征频率，振动以转子转速为相应函数，属于不同转速时的强迫振动；别一类振动是由设备自身结构自激振动或环境振动引起的振动、例如：流体的喘激振动、轴承的油膜振动、部件本身的响应振动，结构的局部振动等.这类振动的特点是与动设备的转速、转速阶数无直关系.
转子、轴承、壳体、联轴节、密封和基础等部分的结构及加工和安装方面的缺陷，使设备在运行时引起振动，振动又往往是机器破坏的主要原因，所以对动设备的振动测量、监视和分析是非常重要的.由于振动这个参数比起其它状态参数（例如润滑油或内部流体的温度、压力、流量或电机的电流等）更能直接地、快速准确地反映机组运行状态，所以振动一般作为对机组状态进行诊断的主要依据.动设备振动检测、监视及故障诊断是一门综合性的学科，在理论上它涉及到转子动力学、轴承、流体力学等.
2 动设备的振动分类
2.1动设备振动按振动频率分为：振动频率为转速频率的倍数，即振动频率为nXr/sec（X为转速频率），振动与转速频率成一定比例关系的振动频率，例如：38～49%Xr/sec，及低頻振动（5Hz以下的振动）、高频振动（10KHz以上的振动）.
2.2按振动发生的部位分为：转子、轴承、壳体、基础、阀、管道等结构.
2.3按振幅方位分为：轴向振动、径向振动、扭转振动.
2.4按振动原因分为：转子不平衡、不对中、滑动轴承与轴颈偏心、机器零件松动、摩擦、滚动轴承损坏、传动皮带损坏、油膜涡动和油膜振荡、电气方面的原因引起的振动、介质引起的振动等.
3 振动信号处理技术在动设备故障诊断中的应用
3.1概况
设备为两级双吸卧式离心泵，其技术参数：泵型号250AYSⅡ160×2，流量500m3/h，转速3 000r/min，单级扬程160m。故障现象为：前轴承座部振动及噪声有逐渐增大的趋势，轴承温度并未明显变化。测点布置如图l所示。
3.2振动分析
分析振动数据时依据ISO10816-3振动标准，最大振动允许值为7.1mm/s。分析重点放在泵内外侧垂直方向上。
3.3滚动轴承基本故障频率的计算
泵前轴承（型号6215）属深沟球轴承，共有滚子11个。泵后轴承（型号7314C）属角接触球轴承，共有滚子12个。可根据以下公式计算出轴承故障频率，见表1。
3.4故障诊断
轴承故障一般出现在轴承的内、外环上，在测检中，通常先是轴承外环和内环故障频率处出现信号。随后出现的保持架故障的信号以边带形式或边带差频形式出现在轴承外环或内环故障频率两侧。进行故障诊断时，频谱图中的缺陷频率与故障频率相接近，可以判断在该元件上可能存在相应故障，与故障频率接近的缺陷频率峰值数越多就说明该元件存在的故障可能性越大。
图2是泵外侧1号测点轴承垂直方向振动尖峰能量谱图（图中标注为轴承滚动体故障频率），从图中可以看出该处频率为110mm/s，与泵外侧轴承（型号7314C）滚动体故障频率108.30Hz仅相差1.7Hz，并另有峰值与轴承滚动体故障频率接近，振动幅值没有超标。但在1 000Hz数据采集频段内具有宽频能量。
图3是泵内侧2号测点轴承垂直方向的速度谱图（图中标注为轴承滚动体故障频率），图中显示峰值所处位置刚好是泵内侧轴承（型号6215）滚动体故障频率149.39Hz的2倍频（误差不大于3Hz）。且振动幅值达到6.66mm/s，已超标。综上所述，判断该泵内外两侧轴承滚动体出现故障。
3.5验证
对泵进行检修，拆下泵内外侧轴承，发现轴承保持架情况基本良好，两侧轴承滚动体表面有明显点蚀，轴承内外圈存在点蚀，实际情况与故障诊断结果基本一致。
运用状态监测仪器对设备故障进行精密诊断，为维修人员提供准确指导，确定最佳的检修时机。准确诊断出设备故障，需要根据有重点地采集数据。轴承振动尖峰能量以及速度值非常敏感和有效，作为判断轴承损伤程度以及变化趋势的重要依据。动设备的振动故障有其固有特征。故障反映在振动上与其优势频率分量的关系，正在开展深入研究。各种故障与频率症兆间的逻辑关系，目前正在借助模糊数学理论大力开展研究，并已取得相应的研究成果.随着形势发展的需要，机械设备状态监测与故障诊断技术必将有一个较大的发展，而振动信号处理技术，必将在动设备的监测与诊断中，发挥其前所未有的重要作用.
参考文献：
[1]曾周末，杨学友，孙家翥·大型旋转轴系扭振和横振动的同时测量·动态分析与测试技术，1992，（2）：13～16·
[2]（美）J·S·米切尔·机器故障的分析与监测·北京：机械工业出版社，1990，8～12·
[3]沈庆根.化工机器故障诊断技术[M].杭州：浙江大学出版社，1994.
[4]晏砺堂等.高速旋转机械振动[M].北京：国防工业出版社，1994.
[5]高品贤.振动、冲击及噪音测试技术[M].成都：西南交通大学出版社，1992.
作者简介：
徐琪（1983-），男， 黑龙江省哈尔滨市人，学士学位，工程师。
关键词：动设备；振动信号；频谱分析；监测与诊断
设备的运转一定会产生振动.即使是机器在最佳的运行状态，因微小的缺陷及外界激励，也会产生振动.例如，汽轮机、离心压缩机、压缩机、鼓风机、电机、发电机、泵及各种齿轮变速器等在运行时，必然会产生振动和噪声.据目前多方资料统计，机械设备由于振动引起的故障，占总的机械故障率的60%-70%。所以通过振动信号测量、监视和分析，分析设备运行状态，是降低设备振动和噪音、提高设备寿命、保证生产系统平稳、节能降耗的最佳途径。
1 振动产生的原因
动设备的主要是由转子、支承转子的轴承、定子、机器壳体、联轴节等部件组成，此外还有齿轮传动件、叶轮叶片及密封等.动设备转速范围一般为每分钟几千转至几十万转。动设备部件和机体的振动有两类振源引起：一类是由于转子的动、静不平衡，零部件配合失当，零部件配合间隙过大等引起的机械强迫振动，其中包括周期振动、冲击振动、随机振动等，同时也引起噪声.大多数振动都具有周期性的特征频率，振动以转子转速为相应函数，属于不同转速时的强迫振动；别一类振动是由设备自身结构自激振动或环境振动引起的振动、例如：流体的喘激振动、轴承的油膜振动、部件本身的响应振动，结构的局部振动等.这类振动的特点是与动设备的转速、转速阶数无直关系.
转子、轴承、壳体、联轴节、密封和基础等部分的结构及加工和安装方面的缺陷，使设备在运行时引起振动，振动又往往是机器破坏的主要原因，所以对动设备的振动测量、监视和分析是非常重要的.由于振动这个参数比起其它状态参数（例如润滑油或内部流体的温度、压力、流量或电机的电流等）更能直接地、快速准确地反映机组运行状态，所以振动一般作为对机组状态进行诊断的主要依据.动设备振动检测、监视及故障诊断是一门综合性的学科，在理论上它涉及到转子动力学、轴承、流体力学等.
2 动设备的振动分类
2.1动设备振动按振动频率分为：振动频率为转速频率的倍数，即振动频率为nXr/sec（X为转速频率），振动与转速频率成一定比例关系的振动频率，例如：38～49%Xr/sec，及低頻振动（5Hz以下的振动）、高频振动（10KHz以上的振动）.
2.2按振动发生的部位分为：转子、轴承、壳体、基础、阀、管道等结构.
2.3按振幅方位分为：轴向振动、径向振动、扭转振动.
2.4按振动原因分为：转子不平衡、不对中、滑动轴承与轴颈偏心、机器零件松动、摩擦、滚动轴承损坏、传动皮带损坏、油膜涡动和油膜振荡、电气方面的原因引起的振动、介质引起的振动等.
3 振动信号处理技术在动设备故障诊断中的应用
3.1概况
设备为两级双吸卧式离心泵，其技术参数：泵型号250AYSⅡ160×2，流量500m3/h，转速3 000r/min，单级扬程160m。故障现象为：前轴承座部振动及噪声有逐渐增大的趋势，轴承温度并未明显变化。测点布置如图l所示。
3.2振动分析
分析振动数据时依据ISO10816-3振动标准，最大振动允许值为7.1mm/s。分析重点放在泵内外侧垂直方向上。
3.3滚动轴承基本故障频率的计算
泵前轴承（型号6215）属深沟球轴承，共有滚子11个。泵后轴承（型号7314C）属角接触球轴承，共有滚子12个。可根据以下公式计算出轴承故障频率，见表1。
3.4故障诊断
轴承故障一般出现在轴承的内、外环上，在测检中，通常先是轴承外环和内环故障频率处出现信号。随后出现的保持架故障的信号以边带形式或边带差频形式出现在轴承外环或内环故障频率两侧。进行故障诊断时，频谱图中的缺陷频率与故障频率相接近，可以判断在该元件上可能存在相应故障，与故障频率接近的缺陷频率峰值数越多就说明该元件存在的故障可能性越大。
图2是泵外侧1号测点轴承垂直方向振动尖峰能量谱图（图中标注为轴承滚动体故障频率），从图中可以看出该处频率为110mm/s，与泵外侧轴承（型号7314C）滚动体故障频率108.30Hz仅相差1.7Hz，并另有峰值与轴承滚动体故障频率接近，振动幅值没有超标。但在1 000Hz数据采集频段内具有宽频能量。
图3是泵内侧2号测点轴承垂直方向的速度谱图（图中标注为轴承滚动体故障频率），图中显示峰值所处位置刚好是泵内侧轴承（型号6215）滚动体故障频率149.39Hz的2倍频（误差不大于3Hz）。且振动幅值达到6.66mm/s，已超标。综上所述，判断该泵内外两侧轴承滚动体出现故障。
3.5验证
对泵进行检修，拆下泵内外侧轴承，发现轴承保持架情况基本良好，两侧轴承滚动体表面有明显点蚀，轴承内外圈存在点蚀，实际情况与故障诊断结果基本一致。
运用状态监测仪器对设备故障进行精密诊断，为维修人员提供准确指导，确定最佳的检修时机。准确诊断出设备故障，需要根据有重点地采集数据。轴承振动尖峰能量以及速度值非常敏感和有效，作为判断轴承损伤程度以及变化趋势的重要依据。动设备的振动故障有其固有特征。故障反映在振动上与其优势频率分量的关系，正在开展深入研究。各种故障与频率症兆间的逻辑关系，目前正在借助模糊数学理论大力开展研究，并已取得相应的研究成果.随着形势发展的需要，机械设备状态监测与故障诊断技术必将有一个较大的发展，而振动信号处理技术，必将在动设备的监测与诊断中，发挥其前所未有的重要作用.
参考文献：
[1]曾周末，杨学友，孙家翥·大型旋转轴系扭振和横振动的同时测量·动态分析与测试技术，1992，（2）：13～16·
[2]（美）J·S·米切尔·机器故障的分析与监测·北京：机械工业出版社，1990，8～12·
[3]沈庆根.化工机器故障诊断技术[M].杭州：浙江大学出版社，1994.
[4]晏砺堂等.高速旋转机械振动[M].北京：国防工业出版社，1994.
[5]高品贤.振动、冲击及噪音测试技术[M].成都：西南交通大学出版社，1992.
作者简介：
徐琪（1983-），男， 黑龙江省哈尔滨市人，学士学位，工程师。