机械振动信号获取方法及信号分析

刘文玲

摘  要：以DH型离心式压缩机为研究对象，针压缩机运行中出现的异音故障，通过合理布置测点，利用简易测振仪测量压缩机轴承的振动幅值、记录数据;并利用故障诊断系统分析软件对各级轴承的频谱图进行分析，以确定合理的振动测量方法。

关键词：振动信号;轴振动;轴承座振动

旋转机械在运行时容易引起较大的振动，过大的振动往往是机器损坏和故障发生的主要原因。而机器的振动参数比起其它参数（如介质温度、压力、流量和机器转速、输出功率等）更能直接快速准确地反映机组的运行状态，所以对旋转机械的振动测量、监测和分析是非常重要的，而最重要的是振动信号的正确提取。

通过对旋转机械振动信息的测量和分析，往往可以不停机或不解体设备就可以对设备劣化的部位和故障的性质做出判断。本文以DH型离心压缩机为例分析旋转机械振动信号的提取方法的确定与分析。

1测量方式

在对DH型压缩机的故障诊断过程，监测数据的获取至关重要，为了准确的获得监测数据，需要注意监测项目与原则、监测方式及监测点的布置。

1.1监测项目与原则

1） 采集轴承壳体部位的水平方向、垂直方向和轴向的振动信号;

2） 转子转速高，为刚性支承，采用速度指标来测定振动信号;

3） 转子支承刚度越大，振幅越小，由于旋转机械支承的水平刚度一般小于垂直刚度，若存在不平衡振动，则水平方向的振动值一般大于垂直方向的振动值。本文以水平方向的振动数据进行分析。

1.2监测方式

为了准确的实现对DH型压缩机的故障诊断，迅速找到故障点，文中主要采用两种振动监测方式：

1） 为了方便及时，由当班操作人员利用HG-2504简易测振仪采用速度指标测量压缩机各级轴承的振动幅值，每天定期测量并记录，及时掌握压缩机的振动变化情况。

2） 由设备管理人员采用Datline 数据采集器对压缩机的振动信号数据进行收集，并利用EMONITOR Odyseey 故障诊断系统分析软件对采集频谱信号进行分析，以分析压缩机的故障形式、故障原因及故障趋势。

1.3监测点布置

轴承测点的布置如图1 所示。

1.压缩机转子;2.轴承;3.轴承座;4.轴承测点

离心式压缩机的12个测点具体位置如下：

测点1：一级轴承垂直方向;

测点2：一级轴承水平方向;

测点3：一级轴承轴向;

测点4：二级轴承垂直方向;

测点5：二级轴承水平方向;

测点6：二级轴承轴向;

测点7：三级轴承垂直方向;

测点8：三级轴承水平方向;

测点9：三级轴承轴向;

测点10：四级轴承垂直方向;

测点11：四级轴承水平方向;

测点12：四级轴承轴向。

2 测量方法分析

监测机组的振动主要有两种形式，即轴振动监测和轴承座振动监测。

轴振动是指轴的振动通过油膜传递给轴承的振动，轴承座振动是指轴的振动是通过轴承座外壳传递轴承的振动。轴承座振动受轴承座刚度的影响，在轴振相同的情况下测量的数值也会不同，因此轴承座振动测量误差较大，而轴振动是最直观的振动测量。轴振动监测探头能够测量出转子在轴承中的位置变化情况以及轴承间隙的大小，除阻尼的影响外，转子的振动能量基本都能反映到轴振动传感器上。轴振动是相对而言的绝对振动，轴振动对于转子不平衡、不对中、轴承磨损等中低频故障的监测和诊断效果较好。

此例中的DH离心式压缩机无轴振动探头，采用轴承座振动监测方法对压缩机的振动信号进行监测，在长期的监测过程中发现无论机组运行正常与否，轴承座的振动幅值都没有明显的变化。通过对测量结果分析知，对此种类型的机组进行轴承座振动监测并不能反映机组真实的故障程度。

针对以上问题进行了认真的分析和总结，DH型离心压缩机转子属于高速轻载的刚性转子，其转子振动能量通过油膜作用于轴承座上，其中一部分能量被油膜吸收，由于轴承固定在齿轮箱壳体上，而齿轮箱壳体的尺寸及形状决定了其刚度值高。

如果忽略阻尼的影响，那么轴承座强迫振动的运动方程为：

其中 为轴承座的质量; 为轴承座的振动值;K为轴承座某一方向的刚度; 为转子对轴承座的激振力。

其稳态响应为

式中 为激振力频率; 为轴承座的固有频率;k为轴承座的刚性系数。

从式（2）可以看出，当刚度K值较大时，振动值 就比较小，这就是说DH压缩机轴承座的振动值并不能反映转子的振动情况。

当激振力频率 小于轴承座固有频率 时，振动值 随 的增大而增大。因DH型压缩机的轴承座刚度高，根据其转速可知其固有频率也很高，转子振动的故障频率一般都小于固有频率 ，那么转子振动的低频部分在轴承座频谱图上的响应较低，而高频部分响应则较高。所以DH型压缩机转子的不平衡等故障在轴承座频谱图上反映较低。

通过对比故障前后三级轴承水平频谱图，发现故障后测得的频谱图中出现了高速转子工频（313.5Hz）的半倍频（157.5Hz），说明转子的不平衡已引起了轴承故障，但振动幅值远低于允许值，说明转子振动的低频部分在轴承座频谱图上的响应较低，而高频部分响应则较高的结论是正确的。

3结论

通过以上分析，得出以下结论：

1） 对于DH型离心压缩机进行振动监测，一般应选用轴振动监测方式;

2） 对于DH型离心压缩机的振动监测与故障诊断，要尽可能地使用轴振动传感器，而用加速度传感器拾取轴承座的振动信号对于转子不平衡等故障的诊断是不合适的。

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