旋转机械振动的监测与分析研究

刘小伟　雒泽文

【摘 要】在机械运转过程中，经常会出现机械振动等相关问题，使机械不能正常的运转，这会给机械生产带来较大的损失，所以对旋转机械振动的监测与分析是相当必要的。本文主要介绍的为旋转机械振动监测和设备故障分析。

【关键词】机械振动；监测；分析

0 前言

设备运转状态监测的重要组成部分包括旋转机械振动监测。随着机械生产技术的不断进步，以状态监测为本质的故障诊断方法和预测方法获得了认可。该方法的不断发展，将使设备的维修方式从先前的“出现故障进行维修”和“一段时间后进行维修”过渡到“预测故障苗头进行维修”，从而使设备的年利用率得以显著的提高，使停机维修时间得以大大的缩短，也使维修费用降低不少。

近年来，在我国振动状态监测技术获得了相关部门的认可和重视，在诸多旋转振动设备上均安装了监测仪表或监测系统。例如，从欧洲引进的发电机组都安装了振动保护系统。对国内制造的200MW、300MW和600MW汽轮发电机组，正在研究与主机配套的振动保护系统。国内先前存在的电站设备上也相应的安装了由中国自主研发的机械保护系统。

1 旋转机械的振动问题

旋转机械所研究的主要对象为一个转动部件（转子或者转轴），在进行旋转机械的振动监测和相关分析时，都将研究转子的转动相关特征。

转动部件的重要元件为转子，它是由轴承（滚动轴承、角接触球轴承和其它轴承）支撑在箱体、机壳和其它部件上，使其构成了转子-支撑系统。事实表明，大部分的旋转机械振动问题均与转子有关系。例如轴承的不对称问题、质量部均匀问题、润滑油不能及时供给问题、部件损坏等问题均与转子相关。当然，并不是所有的旋转机械的振动问题都与转子有关，也存在其它问题。如支撑损坏、管道作用力等问题。因为大多数的旋转机械问题都与转子相关，则研究转子的转动特征是相当必要的。

2 旋转机械振动测试系统

旋转机械振动测试系统分为传感器测量系统和信号采集与分析系统。其中传感器测量系统包括各式各样的振动传感器和特定的测量电路，它的作用是将旋转机械的振动转变为具有统一化灵敏度的电压信号；信号采集与分析系统的作用是将先前存在的振动信号通过A/D转换，最终成为数字信号经计算机按要求进行特定的分析处理，从不同方面将其分为状态监测、故障诊断、动平衡等的相关研究。

我们将监测装置的“眼”和“耳”称之为传感器，传感器影响着整个测试系统，它的测试结果直接与分析结果可靠性和准确性挂钩。假如传感器的测量系统不能提供真实的振动信号，致使各频率振动幅值和相位上均有较大的错误，或由于测点位置选择不正确致使遗漏相关比较重要的信息，即使接下来有较高级的分析设备和处理设备，也不能获得相对真实的信息。旋转机械振动测试中常用的传感器有三种，其分别为惯性式速度传感器、压电式加速度传感器和不接触的电涡流式位移传感器。同他们一体化的专用测量电路分别为积分放大器、电荷放大器和前置器。所得的振幅所使用的单位分别为mm/s、mm/s2或g及mm或Lm。规定速度振幅采用有效数值，规定加速度振幅采用单峰数值，规定位移振幅采用峰值。在10-1000Hz的频段范围内速度二次方根值相同的，我们称之为振动烈度相同，不同的则振动烈度不同。

旋转机械振动信号分析的内容十分丰富，但其本质包括基频检测、频谱分析、波形分析及趋势分析。在旋转机械振动信号分析中，我们将同转速同频率的振动分量称之为基频振动。我们知道旋转机械的实际振动不可能是只有一个频率的简谐振动，它一定包含基础频率之外的其它频率含量。基础频率检测的目的之一就是从总的振动中提取基础频率振动所需要的幅值和相位。频谱分析则是从频域分析总的振动中各种频率分量，以及各频率的分量随转速的变化而相应的改变的情况，这是进行故障分析和诊断的很重要的依据。

3 转轴径向相对振动的测定

通常将圆轴的横截面中心位置（也称轴心）相对于轴承底座在规定半径方向上的振动称之为转轴径向的相对振动。实际上，我们用什么办法都不能测量到轴心的振动，通常用特定的方法测到的圆轴的转动表面在圆轴的半径方向的振动，用作为轴心在该方向上的振动。轴振动的测定是分析转轴振动特征的非常重要的依据，尤其是对于油膜轴承来说，因为轴瓦和轴劲之间留有相当大的间隙用以形成油膜，如此在诸多场合下，轴颈处的轴振动一般要比轴承座的振动大，有时甚至大几十倍或者上百倍。此时，轴的径向相对振动就可使我们通晓轴的振动故障的相关信息，而不一定使我们再去测量轴的径向的绝对振动。

4 振动趋势分析

现如今，一种被广泛关注的机械振动的分析方法是趋势分析，用它可以大约的确定机械的相关状况，还可以用它来确定机器是否处于正常状态，或者出现故障等原因。机器都不会逃过一个准则，也就是因为一个小的缺陷便会在局部发生较大的机械故障，在与振动相关的机器中，有时会因为一个小元件的破坏就会使该部分的机械体发生较大的振动的状况。然而，在没有出现故障的机械体，就不会产生振动而保持平稳运转状态。相反，如果出现重大机械故障，这些故障会使机器的机械状况恶化，那么相应振级会随着机械状态和恶化过程的时间而发生变化。

5 结论

综上所述，对于运转的机械我们要做好监测和分析，对于不同的情况我们要做好相应的措施，当某机器一直处于报警值之下，但是我们从监测中了解到它在一定时间之内，观察到它的振动水平急剧的增加，这时我们要将此机器进行停机，给以相应的处理；还有一种情况便是，处于报警值之下的机器，在很长的时间内，一直处于平稳运转。它的振动水平并没有显著的增加，则我们可以认为它一直处于正常状态下工作，则认为这台机器正常。趋势分析可以对总振动量，也可以对它的某一阶分量或者对某一窄带频段内的分量进行。对于滚动轴承的振动趋势分析还使用峭度。如此，应对机器进行必要的监测和分析，才可以延长其使用寿命。

【参考文献】

[1]李方泽，刘馥清，王正.工程振动测试与分析[M].北京：高等教育出版社，1992.

[2]黄文虎，夏松波，刘瑞岩，等.设备故障诊断原理技术及应用[M].北京：科学出版社，1997.

[3]郑万泔.随机信号与振动分析系统CRAS使用说明书[Z].南京汽轮高新技术开发公司.

[责任编辑：谢庆云]