多參數振動分析在設備缺陷發展不同階段的應用

王志欣 朱浩軍

SKF中國銷售有限公司 上海市

一、概述

對設備狀態監測的振動分析，通常使用多個參數進行分析，包括速度、加速度、位移以及一些特殊分析參數，例如SKF加速度包絡技術等。通常根據不同的頻率范圍來選擇對應的參數進行分析，位移、速度、加速度這3種振動參數的選擇可以參考圖1。

圖1 振動參數Vs頻率范圍

振動位移通常用于較低頻率的分析；振動加速度用來分析高頻振動（例如葉片的通過頻率、齒輪嚙合頻率、軸承缺陷頻率等）；振動速度用來分析的頻率范圍通常適用于10～1 000Hz。

振動加速度信號和速度信號通常用來分析周期性激勵振動（例如不平衡、不對中等）和隨機振動（例如氣蝕、摩擦等。SKF加速度包絡技術通常用來分析反復沖擊振動（滾動體早期缺陷、齒輪嚙合缺陷等）。以下通過一系列的案例舉例分析了如何通過多參數分析方法來評估設備的缺陷。

二、滾動軸承的早期缺陷（NU320）

當軸承缺陷時，通常會產生周期性的沖擊力和激勵力。在早期缺陷的階段（例如內圈有缺陷），當滾動體滾動到缺陷位置（比如該處有磨損和剝落）將會產生微弱的振動。這種振動通常被其他信號調制了，因此通過信號處理技術，例如SKF加速度包絡解調技術和FFT頻譜分析，能夠提取并放大這些微弱的振動信號，從而來分析軸承的缺陷，見圖2。

圖3通過加速度包絡頻譜的瀑布圖展示了軸承缺陷出現前后，頻譜頻率成分的變化。

同上，在該設備同一時刻、同一位置測試的振動速度頻譜見圖4。圖4中可以看出，軸承缺陷頻率在速度頻譜圖中并沒有出現峰值，因此速度頻譜不能用于軸承早期缺陷的檢測，因為在這種早期缺陷的情況下，產生的重復沖擊力還不能引起大的振動。

圖2 軸承外圈缺陷加速度包絡譜圖

圖3 缺陷出現前后，加速度包絡頻譜的變化

圖5通過速度頻譜的瀑布圖做了一個較深入的失效原因分析，從圖1到圖3，可以知道存在軸承缺陷。但是從圖5，可以看到速度頻譜的瀑布圖中，1倍頻明顯增大，因此，可以判斷在這個案例中，不平衡才是產生軸承缺陷的根本原因。

與以上兩種參數的分析方法一樣，圖6是加速度頻譜的瀑布圖，圖7是加速度總值的趨勢圖。圖6和圖7中，振動測點的位置和時間與以上的一樣，從圖6中可以看出，加速度頻譜有一些形狀上的變化，此外振動總值有所增加。重復的沖擊力導致了高頻信號部分的幅值增加，從而引起了振動總值的變化。

在這個案例中，通過多參數振動分析法揭示了如何檢測軸承的早期缺陷，并分析了引起軸承缺陷的根本原因。

三、齒輪嚙合缺陷

圖4 速度頻譜

圖5 速度頻譜瀑布圖

圖6 振動加速度頻譜瀑布圖

圖7 振動加速度總值趨勢圖

圖8 齒輪嚙合缺陷速度譜圖

圖9 齒輪嚙合缺陷速度瀑布圖

圖10 速度總值趨勢圖

圖11 加速度包絡譜圖

圖12 加速度包絡譜瀑布圖

圖13 加速度包絡譜趨勢圖

通常加速度頻譜和速度頻譜中都能出現齒輪的嚙合頻率（GMF），當齒輪產生缺陷時，頻譜中通常出現齒輪的嚙合頻率及其倍頻，而且在這些頻率周圍通常會出現大量的邊頻成分。

從圖9和圖10可以分別從速度頻譜瀑布圖以及速度總值趨勢圖看出齒輪缺陷發展的演變，頻譜中齒輪嚙合頻率和總值逐漸增加。

最終，通過SKF加速度包絡頻譜確認了齒輪的早期缺陷，見圖11。圖11中出現了多個齒輪的嚙合頻率的倍頻，并且伴有邊頻成分。該齒輪的缺陷是因為磨損產生了周期性沖擊力，從而引起了振動的增加。

這個案例中，齒輪的嚙合缺陷可以通過速度和加速度頻譜在早期檢測出來，并能在SKF加速度包絡頻譜中清晰顯示出因為缺陷引起的周期性沖擊力的頻率成分。

四、結論

在設備的故障診斷中，每種振動參數都有其獨特的重要性，不同設備部件、不同的缺陷階段（初期、中期、晚期）應該選擇最適合其的振動參數來進行數據分析，比如：最恰當的頻率范圍、最恰當的測量位置、最恰當的FFT參數設置等。 W13.12-30