利用頻譜分析解決動(dòng)設(shè)備振動(dòng)原因

宋衛(wèi)東

（陜西化建工程有限責(zé)任公司，陜西 咸陽(yáng) 712199）

機(jī)器運(yùn)動(dòng)時(shí)難免會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，這會(huì)降低機(jī)器的工作性能，甚至使機(jī)器無(wú)法正常工作。各種機(jī)械部件和基礎(chǔ)都可以看作是一個(gè)彈性系統(tǒng)。在一定的條件基礎(chǔ)下，物體在其平衡位置附近的往復(fù)運(yùn)動(dòng)是機(jī)械振動(dòng)。由于附加動(dòng)載荷的作用，部分零件加速磨損、疲勞和斷裂，影響使用壽命，甚至造成事故。

1 機(jī)械故障診斷技術(shù)

機(jī)械故障診斷技術(shù)分為簡(jiǎn)易診斷和精密診斷。簡(jiǎn)易診斷是為了迅速概括機(jī)器目前的狀態(tài)參數(shù)是否在允許值范圍內(nèi)及其劣化趨勢(shì)等，所用的監(jiān)測(cè)儀器為便于攜帶的點(diǎn)檢儀器；精密診斷是最終診斷，其目的是通過(guò)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)處理分析確定機(jī)器發(fā)生異常的原因、部位、程度及發(fā)展趨勢(shì)等，并決定應(yīng)釆取的治理措施。利用精密診斷解決動(dòng)設(shè)備使用中的問(wèn)題。任何振動(dòng)信號(hào)都由三部分組成:不同的振幅、頻率和相位，振動(dòng)分析的前提是：①振幅表示設(shè)備運(yùn)行異常的嚴(yán)重程度。②頻率部分表示設(shè)備損壞或振動(dòng)的來(lái)源。③相位差表示設(shè)備運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)模式。這三個(gè)元素對(duì)機(jī)械設(shè)備代表了不同的含義。

2 利用頻譜分析解決動(dòng)設(shè)備振動(dòng)

頻譜以振幅與頻率的坐標(biāo)表示振動(dòng)訊號(hào)，振動(dòng)檢測(cè)設(shè)備對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到不同頻率的幅值。從這兩條信息中，我們可以大致判斷出設(shè)備問(wèn)題的根本原因和嚴(yán)重程度。

2020年某企業(yè)一臺(tái)鍋爐風(fēng)機(jī)運(yùn)行情況，轉(zhuǎn)速2998rpm功率200kw，風(fēng)機(jī)運(yùn)行中可以感覺(jué)到明顯的振動(dòng)，利用手持測(cè)振儀檢測(cè)數(shù)據(jù)為6.3mm/s。我們先檢查風(fēng)機(jī)和電機(jī)聯(lián)軸器的對(duì)中情況，數(shù)據(jù)為軸向0.11徑向0.13數(shù)值超出要求值，重新對(duì)風(fēng)機(jī)和電機(jī)對(duì)中找正，調(diào)整后數(shù)值為軸向0.03徑向0.04達(dá)到設(shè)備對(duì)中的技術(shù)要求，開機(jī)后振動(dòng)有一定的改善，使用手持測(cè)振儀數(shù)值為5.0mm/s，雖然有改善但是還不能達(dá)到設(shè)備的正常要求。為進(jìn)一步分析風(fēng)機(jī)震動(dòng)原因，我們采集了這臺(tái)設(shè)備的振動(dòng)頻譜（如圖1），從圖中我們可以看這臺(tái)風(fēng)機(jī)的振動(dòng)頻率，這里能看到的7處振幅和頻率分別是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。從以上7組數(shù)據(jù)我們能看到這臺(tái)風(fēng)機(jī)運(yùn)行的振幅相對(duì)的頻率，其中6組頻率相對(duì)振幅數(shù)據(jù)由于都在1.0mm/s以下，由于振幅小可以排除風(fēng)這6組振動(dòng)頻率，第2組數(shù)據(jù)出現(xiàn)在頻率50Hz處振幅為4.4mm/s，在這個(gè)頻率下振幅最大，風(fēng)機(jī)震動(dòng)原因應(yīng)該就是它引起的，由于頻率50Hz正好是風(fēng)機(jī)的工作頻率（工作頻率=轉(zhuǎn)速2998÷時(shí)間60=49.8Hz），這種在工作頻率上的震動(dòng)多出現(xiàn)在傳動(dòng)設(shè)備轉(zhuǎn)動(dòng)部件不平衡引起，我們將風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)部件進(jìn)行動(dòng)平衡校準(zhǔn)，校準(zhǔn)后安裝轉(zhuǎn)動(dòng)部件連接對(duì)中電機(jī)合格后，開機(jī)運(yùn)作風(fēng)機(jī)后體感風(fēng)機(jī)震動(dòng)明顯減小，用測(cè)振儀檢查振幅最大為2.2mm/s達(dá)到風(fēng)機(jī)運(yùn)行對(duì)振幅的要求，我們用有采集了檢修會(huì)后這臺(tái)風(fēng)機(jī)的頻譜圖（圖2），可以看到和圖1振動(dòng)頻譜對(duì)比圖2的振幅明顯下降，第2組數(shù)據(jù)由原來(lái)50Hz4.4mm/s下降到50Hz1.8mm/s達(dá)到了風(fēng)機(jī)長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行。

圖1 振動(dòng)頻譜

圖2 頻譜圖

2021年3 月我們?cè)跈z修一臺(tái)離心油泵時(shí)發(fā)現(xiàn)其振動(dòng)超標(biāo)，泵功率250KW轉(zhuǎn)速2970rpm，聯(lián)軸器采用中間短接雙膜片形式，運(yùn)行時(shí)振幅最高9.8mm/s不能正常運(yùn)行，我們采集了這臺(tái)泵的運(yùn)行振動(dòng)頻譜如圖3，從頻譜圖中我們可看到，這臺(tái)泵的主要振動(dòng)頻率和振幅分別在50Hz9.8mm/s、100Hz9.2mm/s、150Hz7.2mm/s，軸向和徑向振動(dòng)較大，從測(cè)得數(shù)據(jù)可以看出這3個(gè)數(shù)據(jù)中振動(dòng)的頻率分別是50Hz、100Hz、150Hz，正好是這臺(tái)泵工作頻率（泵的工作頻率=轉(zhuǎn)速2970÷時(shí)間60=49.5Hz）的1倍（50Hz）、2倍（100Hz）、3倍（150Hz）。我們檢查發(fā)現(xiàn)泵和電機(jī)對(duì)中超過(guò)技術(shù)要求，重新找正泵對(duì)中后所有振動(dòng)數(shù)值都達(dá)到要求，泵的運(yùn)行良好。這次的振動(dòng)主要是聯(lián)軸器對(duì)中偏差引起，為了進(jìn)一步了解聯(lián)軸器對(duì)中偏差和頻率振幅的關(guān)系，我們分別調(diào)整聯(lián)軸器的幾種偏差形式（圖4中abc），用頻譜來(lái)檢查它們?cè)诓煌钕碌臄?shù)據(jù)。

圖3 運(yùn)行振動(dòng)頻譜

圖4 聯(lián)軸器的偏差形式

我們先將聯(lián)軸器調(diào)整為角不對(duì)中情況，獲得頻譜數(shù)據(jù)如（圖5），從頻譜圖中我們可以看到在聯(lián)軸器角不對(duì)中的情況下，可以產(chǎn)生頻率50H振幅7.2mm/s的振動(dòng)，并能檢測(cè)出很強(qiáng)的軸向振幅，由此判斷動(dòng)設(shè)備聯(lián)軸器角不對(duì)中振幅主要出現(xiàn)在1倍頻，但于上面提到的轉(zhuǎn)子不平衡的1倍頻不同的是，聯(lián)軸器角不對(duì)中出現(xiàn)的1倍頻振幅會(huì)伴有很強(qiáng)的軸向振幅。

圖5 頻譜數(shù)據(jù)

我們?cè)俅握{(diào)整聯(lián)軸器為平行不對(duì)中情況，用儀器采集了振動(dòng)的頻譜得到的數(shù)據(jù)如（圖6）。

圖6 振動(dòng)的頻譜

頻譜圖中可以看到在100Hz的頻率上出現(xiàn)了6.3mm/s的最大振幅，我們又將平行不對(duì)中的位置進(jìn)行了調(diào)整，分別在水平方向、垂直方向、和斜角方向調(diào)出平行不對(duì)中偏差，測(cè)量后得出的數(shù)據(jù)最大振幅都出現(xiàn)在100Hz（泵轉(zhuǎn)速2970rpm振幅出現(xiàn)在頻率100Hz處，正好是這臺(tái)泵工作頻率的2倍，也可以理解為2倍頻振幅高。），在分析獲得數(shù)據(jù)后還發(fā)現(xiàn)平行不對(duì)中時(shí)軸向的振幅比較小，主要振幅出現(xiàn)在徑向，從試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，如果設(shè)備運(yùn)行出現(xiàn)徑向2倍頻峰值非常高而軸向振幅峰值小，可以判斷多是設(shè)備聯(lián)軸器平行不對(duì)中引起。

我們?cè)俅握{(diào)整了聯(lián)軸器的對(duì)中狀態(tài)，同時(shí)調(diào)整聯(lián)軸器為角不對(duì)中和平衡不對(duì)中，并采集了振動(dòng)頻譜數(shù)據(jù)如（圖7）。

圖7 振動(dòng)頻譜

從頻譜數(shù)據(jù)中我們可以看到，振動(dòng)頻譜出現(xiàn)在50Hz、100Hz、150Hz、， 這 正 好 是 設(shè) 備 工 作 頻 率2970rpm÷60min=49.5Hz的1倍、2倍、3倍頻率，從檢測(cè)數(shù)據(jù)和實(shí)踐對(duì)比發(fā)現(xiàn)，機(jī)泵振動(dòng)同時(shí)出現(xiàn)1、2、3倍頻，而其它頻率沒(méi)有明顯的振幅，同時(shí)伴有明顯的軸向振動(dòng)。

通過(guò)上面的實(shí)例我們?cè)诳偨Y(jié)出機(jī)械的一些振動(dòng)特點(diǎn)。轉(zhuǎn)子不平衡的特征診斷：在時(shí)域波形和頻譜上具有較高的徑向振動(dòng)和穩(wěn)定的1倍頻分量，在1倍頻上的振幅值隨速度穩(wěn)定增加，在2、3倍頻等處振幅值較低，軸向振動(dòng)較低，不平衡對(duì)轉(zhuǎn)速的變化最為敏感(與速度的平方成正比)。聯(lián)軸器不對(duì)中診斷：其有較大的軸向和徑向的振動(dòng)，在1、2或3倍頻處會(huì)出現(xiàn)穩(wěn)定的峰值，在4到10倍頻處諧波成分較低，不對(duì)中振動(dòng)隨負(fù)荷的增加而成正比，但轉(zhuǎn)速對(duì)其影響不大，并通過(guò)頻譜圖分析了聯(lián)軸器的各種不對(duì)中特點(diǎn)，①角度不對(duì)中的軸向1倍頻峰值非常高，②平行不對(duì)中的徑向2倍頻峰值非常高，③組合不對(duì)中的軸向和徑向峰值都高。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，機(jī)器運(yùn)動(dòng)時(shí)難免會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，振動(dòng)會(huì)降低機(jī)器的工作性能，甚至使機(jī)器無(wú)法正常工作。正常范圍內(nèi)的機(jī)械振動(dòng)是允許的，但非正常的振動(dòng)則必須及時(shí)釆取措施加以排除?；ぶ行D(zhuǎn)機(jī)器的種類很多，盡管它們各自的性能和作用不同，但機(jī)器運(yùn)行中所出現(xiàn)的故障卻有著共同的規(guī)律。機(jī)器的故障有多種多樣，有些故障的性質(zhì)雖然有較明顯的區(qū)別，但它們的表現(xiàn)形式卻極易混淆。因此對(duì)機(jī)器診斷時(shí)，首先要根據(jù)各種故障發(fā)生的機(jī)理，尋找其獨(dú)特的癥狀及其敏感參數(shù)。要把所測(cè)得的振動(dòng)信號(hào)從幅域、時(shí)域和頻域進(jìn)行頻譜分析。