利用频谱分析解决动设备振动原因

宋卫东

（陕西化建工程有限责任公司，陕西 咸阳 712199）

机器运动时难免会产生振动，这会降低机器的工作性能，甚至使机器无法正常工作。各种机械部件和基础都可以看作是一个弹性系统。在一定的条件基础下，物体在其平衡位置附近的往复运动是机械振动。由于附加动载荷的作用，部分零件加速磨损、疲劳和断裂，影响使用寿命，甚至造成事故。

1 机械故障诊断技术

机械故障诊断技术分为简易诊断和精密诊断。简易诊断是为了迅速概括机器目前的状态参数是否在允许值范围内及其劣化趋势等，所用的监测仪器为便于携带的点检仪器；精密诊断是最终诊断，其目的是通过监测和数据处理分析确定机器发生异常的原因、部位、程度及发展趋势等，并决定应釆取的治理措施。利用精密诊断解决动设备使用中的问题。任何振动信号都由三部分组成:不同的振幅、频率和相位，振动分析的前提是：①振幅表示设备运行异常的严重程度。②频率部分表示设备损坏或振动的来源。③相位差表示设备运行时产生的振动模式。这三个元素对机械设备代表了不同的含义。

2 利用频谱分析解决动设备振动

频谱以振幅与频率的坐标表示振动讯号，振动检测设备对振动信号进行转换，得到不同频率的幅值。从这两条信息中，我们可以大致判断出设备问题的根本原因和严重程度。

2020年某企业一台锅炉风机运行情况，转速2998rpm功率200kw，风机运行中可以感觉到明显的振动，利用手持测振仪检测数据为6.3mm/s。我们先检查风机和电机联轴器的对中情况，数据为轴向0.11径向0.13数值超出要求值，重新对风机和电机对中找正，调整后数值为轴向0.03径向0.04达到设备对中的技术要求，开机后振动有一定的改善，使用手持测振仪数值为5.0mm/s，虽然有改善但是还不能达到设备的正常要求。为进一步分析风机震动原因，我们采集了这台设备的振动频谱（如图1），从图中我们可以看这台风机的振动频率，这里能看到的7处振幅和频率分别是1)10Hz0.2mm/s、2)50Hz4.4mm/s、3)70Hz0.4mm/s、4)100Hz0.45mm/s、5)155Hz0.35mm/s、6)200Hz0.5mm/s、7)250Hz0.3mm/s。从以上7组数据我们能看到这台风机运行的振幅相对的频率，其中6组频率相对振幅数据由于都在1.0mm/s以下，由于振幅小可以排除风这6组振动频率，第2组数据出现在频率50Hz处振幅为4.4mm/s，在这个频率下振幅最大，风机震动原因应该就是它引起的，由于频率50Hz正好是风机的工作频率（工作频率=转速2998÷时间60=49.8Hz），这种在工作频率上的震动多出现在传动设备转动部件不平衡引起，我们将风机的转动部件进行动平衡校准，校准后安装转动部件连接对中电机合格后，开机运作风机后体感风机震动明显减小，用测振仪检查振幅最大为2.2mm/s达到风机运行对振幅的要求，我们用有采集了检修会后这台风机的频谱图（图2），可以看到和图1振动频谱对比图2的振幅明显下降，第2组数据由原来50Hz4.4mm/s下降到50Hz1.8mm/s达到了风机长周期稳定运行。

图1 振动频谱

图2 频谱图

2021年3 月我们在检修一台离心油泵时发现其振动超标，泵功率250KW转速2970rpm，联轴器采用中间短接双膜片形式，运行时振幅最高9.8mm/s不能正常运行，我们采集了这台泵的运行振动频谱如图3，从频谱图中我们可看到，这台泵的主要振动频率和振幅分别在50Hz9.8mm/s、100Hz9.2mm/s、150Hz7.2mm/s，轴向和径向振动较大，从测得数据可以看出这3个数据中振动的频率分别是50Hz、100Hz、150Hz，正好是这台泵工作频率（泵的工作频率=转速2970÷时间60=49.5Hz）的1倍（50Hz）、2倍（100Hz）、3倍（150Hz）。我们检查发现泵和电机对中超过技术要求，重新找正泵对中后所有振动数值都达到要求，泵的运行良好。这次的振动主要是联轴器对中偏差引起，为了进一步了解联轴器对中偏差和频率振幅的关系，我们分别调整联轴器的几种偏差形式（图4中abc），用频谱来检查它们在不同偏差下的数据。

图3 运行振动频谱

图4 联轴器的偏差形式

我们先将联轴器调整为角不对中情况，获得频谱数据如（图5），从频谱图中我们可以看到在联轴器角不对中的情况下，可以产生频率50H振幅7.2mm/s的振动，并能检测出很强的轴向振幅，由此判断动设备联轴器角不对中振幅主要出现在1倍频，但于上面提到的转子不平衡的1倍频不同的是，联轴器角不对中出现的1倍频振幅会伴有很强的轴向振幅。

图5 频谱数据

我们再次调整联轴器为平行不对中情况，用仪器采集了振动的频谱得到的数据如（图6）。

图6 振动的频谱

频谱图中可以看到在100Hz的频率上出现了6.3mm/s的最大振幅，我们又将平行不对中的位置进行了调整，分别在水平方向、垂直方向、和斜角方向调出平行不对中偏差，测量后得出的数据最大振幅都出现在100Hz（泵转速2970rpm振幅出现在频率100Hz处，正好是这台泵工作频率的2倍，也可以理解为2倍频振幅高。），在分析获得数据后还发现平行不对中时轴向的振幅比较小，主要振幅出现在径向，从试验中发现，如果设备运行出现径向2倍频峰值非常高而轴向振幅峰值小，可以判断多是设备联轴器平行不对中引起。

我们再次调整了联轴器的对中状态，同时调整联轴器为角不对中和平衡不对中，并采集了振动频谱数据如（图7）。

图7 振动频谱

从频谱数据中我们可以看到，振动频谱出现在50Hz、100Hz、150Hz、， 这 正 好 是 设 备 工 作 频 率2970rpm÷60min=49.5Hz的1倍、2倍、3倍频率，从检测数据和实践对比发现，机泵振动同时出现1、2、3倍频，而其它频率没有明显的振幅，同时伴有明显的轴向振动。

通过上面的实例我们在总结出机械的一些振动特点。转子不平衡的特征诊断：在时域波形和频谱上具有较高的径向振动和稳定的1倍频分量，在1倍频上的振幅值随速度稳定增加，在2、3倍频等处振幅值较低，轴向振动较低，不平衡对转速的变化最为敏感(与速度的平方成正比)。联轴器不对中诊断：其有较大的轴向和径向的振动，在1、2或3倍频处会出现稳定的峰值，在4到10倍频处谐波成分较低，不对中振动随负荷的增加而成正比，但转速对其影响不大，并通过频谱图分析了联轴器的各种不对中特点，①角度不对中的轴向1倍频峰值非常高，②平行不对中的径向2倍频峰值非常高，③组合不对中的轴向和径向峰值都高。

3 结语

综上所述，机器运动时难免会产生振动，振动会降低机器的工作性能，甚至使机器无法正常工作。正常范围内的机械振动是允许的，但非正常的振动则必须及时釆取措施加以排除。化工中旋转机器的种类很多，尽管它们各自的性能和作用不同，但机器运行中所出现的故障却有着共同的规律。机器的故障有多种多样，有些故障的性质虽然有较明显的区别，但它们的表现形式却极易混淆。因此对机器诊断时，首先要根据各种故障发生的机理，寻找其独特的症状及其敏感参数。要把所测得的振动信号从幅域、时域和频域进行频谱分析。