浅析振动频谱分析技术在旋转机械故障诊断中的应用

邢建兵 缪建明 罗伟 刘海燕

摘要：本文阐述了利用振动频谱分析技术对振动信号进行分析与处理，实现对旋转机械的状态监测与故障诊断。此方法在实际应用过程中为设备维护提供了重要依据，并取得了良好的使用效果和经济效益。

关键词：振动频谱;旋转机械;故障诊断

1.引言

随着振动频谱分析技术日渐成熟，预知维修逐渐成为当前设备精细化管理的一种趋势。我公司于2006年10月购买巡检仪器对旋转机械进行系统、精密的点检，通过采集数据 ——数据回收——在线分析——故障诊断——落实整改等步骤和方法先后诊断和解决了不少旋转机械早期故障，使旋转设备的运行状态真正做到了“可控”、“在控”，本文重点介绍了旋转机械常见的三个案例，并对案例中的故障进行详细的分析和论证。

2.旋转机械的特点

旋转机械整个轴系包括电动机和齿轮变速箱，我公司旋转机械都是由主电机作为动力源，带动变速箱运行，其核心部分是转子组件。由于整个转子高速旋转，所以对其制造、安装、调试、维护管理都有很高的要求。如果其中某个零件出了问题，或在某个连接配合部位发生了异常的变动，就可能会引起机组的强烈振动，旋转机械故障的一般规律是：故障形成之后先经历一个较长的发展过程，一旦有其它条件触发，故障则呈指数级快速发展，直至演变为事故的发生。设备早期故障一旦被检测出来，设备状态就已“在控”，我们就可以按照设备状态的变化来决定是继续运行，还是停机检修。对这类机械进行故障诊断时，首先抓住各个故障的特征频率，对振动信号作频谱分析。频谱分析就是将所测得时域信号变换成频域加以分析。通常采用傅里叶变换，将复杂的信号分解为有限或无限个频率的简谐分量，再把各次谐波按其频率大小从低到高排列起来就成了频谱。旋转机械的振动信号大多数是一些周期信号、准周期信号、或平稳随机信号。  旋转机械常见的故障一般包括轴承故障、不平衡、不对中、机械松动等，要及时、准确判断旋转机械是否发生故障、故障部位以及故障程度，则需要故障分析人员在充分熟悉被监测设备的基础上掌握扎实的振动理论知识和一定的频谱分析能力。每一种故障都有各自的特征频率，故障频率都与转子的转速有关，或等于转子的旋转频率（简称转频或工频）或倍频或分频。因此，分析振动频率与转频的关系是诊断旋转机械故障的基础和关键。

3.现场应用频谱分析法的诊断实例

3.1不对中故障

2008年6月11日检测球团厂2#润磨电机时发现该机负载侧轴向振动达10.6mm/s，严重超标。于是通过对振动数据进行频谱分析，具体诊断过程如下：

2008年6月11日下午使用HY-106B和PMS巡检系统对电机和减速器进行数据采集和振动频谱分析。

该轴系各测点轴向振动速度值如表1所示（Av代表轴向振动速度）：

测点

1

2

3

4

Av（mm/s）

2.9

10.6

4.5

5.5

表1 各测点轴向振动速度一览表

从上表振动数据可以看出电机负载侧轴向振动远大于其它测点，频谱图中存在较大的二倍频分量，且达到一倍频的3.2倍，该现象说明联轴器存在严重的不对中故障。

综合以上数据分析，我们诊断结论为电机负载侧轴向振动严重超标主要是由安装不对中故障造成。于是发放信息联络处单要求分厂立即停机重调同心度，停机检测发现该柱销联轴器轴心径向位移达0.4 mm，远超过标准规定的0.05 mm，振动数据已降为4.9 mm/s ，运行恢复正常。

3.2不平衡故障

炼铁一厂1#矿槽除尘电机自2006年12月起开始纳入PMS设备巡检系统，该电机运行状况一直稳定，至2008年5月2日两侧轴承座水平径向振动最大值均未超过2.9mm/s。但自2008年5月6起电机两侧轴承座水平径向振动开始出现增长趋势，到2008年6月3日达到6.3 mm/s。于是通过对振动数据进行频谱分析，对电机振动突然增大的问题进行了故障诊断，诊断过程如下：

2008年6月6日上午再次用HY-106B和PMS巡检系统对电机和风机进行数据采集和振动频谱分析，采集数据时风机转数为750 r/min。

该轴系各测点水平径向振动速度值如表1所示（Hv代表水平径向振动速度）：

测点

1

2

3

4

5

6

Hv（mm/s）

6.0

5.7

4.7

4.8

5.2

5.0

表1 各测点水平径向振动速度一览表

风机的振动是运行中常见的故障，引起风机异常振动的主要原因有转子不平衡、转子不对中、机件松动、油膜振荡、内摩擦。从表1振动速度值来看， 6个测点中水平径向振动基本在同一级数。

该轴系各测点水平径向振动位移量如表2所示（Hd代表水平径向振动位移）：

测点

1

2

3

4

5

6

Hd（μm）

225

215

180

185

191

189

表2 各测点水平径向振动位移量一览表

从表2数据可以看出各测点振动位移量严重超标（6极电机轴承振动位移量允许最大值为100μm）。

综合以上数据分析，我们诊断为该电机振动加剧是由于风机叶轮严重不平衡故障引起，而引起风机叶轮不平衡故障主要有以下两点①叶轮积灰不均或硬灰掉落②叶轮磨损不均。

4.故障处理

我们测得水泥基座振动为0.6mm/s，预埋件基座振动0.8mm/s，基础的振动很小，进一步证实造成整个轴系在“摇晃”的故障原因应该在风机上。为避免故障扩大损坏设备，我们当即要求分厂对风机进行停机检查，发现该风机叶轮有一处叶片脱落，更换风机后测得振动如下，

测点

1

2

3

4

5

6

Hv（mm/s）

2.1

2.7

2.4

2.1

3.2

2.8

更换风机后水平振动频谱特征基本未变，幅值降低至正常范围内，表明风机叶轮不平衡的故障已消除，风机的运行已趋于正常。

5.结语

通过实施设备状态监测和故障诊断技术后，一方面提高了对设备状态、劣化趋势的认知和控制能力，针对故障原因使抢修做到有的放矢，有效避免了重大故障的发生;另一方面，我们对数据不超标、振动未发现异常的电机实行延期下线，期间加强点检频次，进一步提高了设备的运转率，延长了设备的使用寿命。