振動時頻分析技術在設備故障診斷中的應用

楊建東，李鴻飛，徐洋洋

（廣西防城港核電有限公司，廣西 防城港 538001）

振動是機械設備運行狀態的綜合反映，對振動信號的監測和分析，能及時發現設備故障隱患。常見的振動信號是原始時域波形以及經快速傅里葉變換（FFT）處理得到的頻域譜。振動時域和頻域分析在不同的故障類型中各有特點，二者相互驗證、互為補充，能夠大幅提高故障診斷的準確性和時效性，對核電廠旋轉設備的故障診斷及預知性維修工作具有重要的參考價值和意義。

1 機械振動信號

1．1 時域波形分析

時域波形是物體在任意時刻偏離其平衡位置的幅度，幅度單位可以是位移、速度或加速度，它反映了振動信號隨時間的變化歷程，能夠表征外部激振力和系統總剛度的動態變化特性，對故障類型作出基本的判斷，也因此具有簡潔、直觀、形象的優勢。正常的時域波形應該沿時間軸對稱分布，若零部件配合部位發生松動，則時域波形將發生畸變，表現為幅值不對稱、不連續等特點，對于此類故障的分析診斷，時域波形更重要。時域波形可直觀展示并且定量描述沖擊脈沖現象，對故障類型具有較強的指向性，常見于滾動軸承點蝕、剝落等損傷性的缺陷。此外，設備發生拍頻共振、幅值調制等故障時，將會在時域波形上表現為峰谷起伏的特征，同時振動總值將呈現周期性增大、減小的變化規律，故障診斷時可作為重要參考。

1．2 頻譜分析

振動頻譜是在原始時域波形基礎上進行FFT，將其分解為若干個頻率不同的簡諧振動分量，以獲得信號的頻率結構和各諧波分量的幅值特點。不同的頻率結構往往蘊含著特定的故障信息，準確識別振動信號中包含的特殊頻率成分，就容易找到故障原因。首先，應重視頻譜的分辨率，特別當發生拍振或調幅故障時，若分辨率太低，則關鍵的頻率成分被掩蓋，導致誤診誤判。但分辨率也不宜過高，不然會耗費大量的時間采集、存儲不必要的數據。對于特定結構的設備和振動形態，最大分析頻率（Fmax）和窗函數因子（Wf）基本上是明確的，為了確保頻譜分辨率滿足分析需要，我們更應關注的是如何設置合適的譜線數（L），此時，譜線數的大小取決于需要識別的最小頻率差（△f），則有：

振動信號處理一般使用漢寧窗，即Wf=1.5，而Fmax的選取仍然需要謹慎對待，Fmax太大則容易造成有效頻率堆疊而難以識別，Fmax太小則可能遺漏關鍵頻率。其次，要明確頻率組成及其幅值大小之間的邏輯關系，弄清楚振動的基頻、主頻、同步/非同步/次同步頻率以及各個諧波之間的關系，這對能否準確識別異常頻率分量、解釋故障機理至關重要。

2 常見故障的分析和診斷

2．1 軸承損傷

某核電機組主控室空調系統3#風機驅動側軸承（FBD）垂直向振動5.26mm/s，相比歷史數據上漲較大，且超過報警值（4.5mm/s），為了排查故障原因，對測點FBD垂直向的振動時域和頻域信號展開分析。

從圖1可知，該風機驅動側軸承的振動加速度時域波形存在明顯的沖擊成分，沖擊間隔時間△t=0.00625s，即160Hz。圖2的振動速度譜表明除了風機轉頻30.86Hz外，還存在幅值較高的160Hz及其多倍諧波頻率，恰好與時域波形特征相吻合。160Hz是電機或風機轉頻的非同步諧波，經核算，該軸承（SKF2313）的外圈故障特征頻率BPFO=160Hz，根據滾動軸承失效機理，懷疑軸承外圈可能存在損傷性故障。最終解體檢查，發現軸承外圈內滾道存在30mm長、2mm深的疲勞剝落痕跡，與振動分析結果完全吻合。

2．2 機械松動

某核電機組發電機密封油系統2#油泵電機驅動側軸承（MBD）垂直向振動達3.34mm/s，超過程序規定的報警限值（2.8mm/s），并伴有周期性的異音，為了后續深入開展故障分析和診斷，使用500Hz/6400線的采樣設置，采集各軸承的振動時域波形和頻譜。

圖1 測點FBD垂直向振動加速度時域波形

圖2 測點FBD垂直向振動速度譜

分析測點MBD垂直向的速度譜（圖3）可知。

圖3 測點MBD垂直向振動速度頻譜

（1）頻譜以電機轉頻（24.71Hz）及其多倍諧波為主，其中電機轉頻分量的幅值較小，而8倍轉頻諧波（197.9Hz）的幅值最大，符合機械松動的頻譜特征。

（2）以轉頻諧波尤其是高次諧波為中心頻率，其兩側存在大量伴生頻率簇，為了查明原因，需要對頻譜進行細化分析。

分析圖4可知，以8倍轉頻諧波（197.9Hz）為中心頻率，兩側存在約1.2～1.3 Hz的邊帶，由已知的設備參數，計算該電機的極通過頻率Fp=（25-24.71）*4=1.16 Hz，考慮到頻譜分辨率Hz，可認為上述邊帶頻率即為電機極通過頻率。所以，圖4中的196.6Hz、199.1Hz正是8倍轉頻諧波作為中心頻率被極通過頻率調制的結果。根據異步電機振動理論，轉頻諧波被極通過頻率調制的原因，主要是電機存在動態氣隙不均所致，通常意味著該電機轉子的運行狀態可能存在異常。進一步分析測點MBD水平向的加速度時域波形（圖5），發現存在非常明顯的轉頻沖擊成分，而這恰恰符合軸承跑外圈后典型的時域波形特征。結合前述分析的機械松動頻譜特征以及轉子存在動態氣隙不均，可以判斷該軸承因配合松動導致跑外圈。

圖4 8倍轉頻諧波附近的細化譜

圖5 測點MBD-H振動加速度時域波形

維修人員現場解體檢查，證實電機轉子晃度超標，軸承外圈外表面存在多處因跑外圈造成的摩擦痕跡。實測軸承室內徑90+0.240mm，而標準要求為90+0.022～0.013mm，配合間隙嚴重超過標準尺寸，檢查結果與振動分析診斷結論吻合。

3 結語

（1）時域波形和頻譜在振動分析和故障診斷中各有優勢，時域波形側重于反映故障性質和嚴重程度，具有直觀、形象的特點，而頻譜則更能說明故障的機理和缺陷的根源，故障診斷時二者相輔相成、綜合應用。

（2）振動時域和頻域分析，應特別重視原始信號的分辨率，數據采集時要根據需要識別的最小頻差，設置合適的譜線數，以確保所獲取的頻譜能夠準確反映振動信號的頻率分布。

（3）時域波形和頻譜的幅值單位需要根據特定的故障類型確定，加速度單位能代表與激振力相關的高頻沖擊能量，而速度單位則可兼顧低頻和高頻信號。

（4）每一種振動故障都有其特定的故障機理和頻譜特征，但同一種頻譜特征可能意味著多種故障形式，實踐中需要綜合多種信息進行分析、論證，避免誤診誤判。