機械振動信號獲取方法及信號分析

劉文玲

摘 ?要：以DH型離心式壓縮機為研究對象，針壓縮機運行中出現的異音故障，通過合理布置測點，利用簡易測振儀測量壓縮機軸承的振動幅值、記錄數據;并利用故障診斷系統分析軟件對各級軸承的頻譜圖進行分析，以確定合理的振動測量方法。

關鍵詞：振動信號;軸振動;軸承座振動

旋轉機械在運行時容易引起較大的振動，過大的振動往往是機器損壞和故障發生的主要原因。而機器的振動參數比起其它參數（如介質溫度、壓力、流量和機器轉速、輸出功率等）更能直接快速準確地反映機組的運行狀態，所以對旋轉機械的振動測量、監測和分析是非常重要的，而最重要的是振動信號的正確提取。

通過對旋轉機械振動信息的測量和分析，往往可以不停機或不解體設備就可以對設備劣化的部位和故障的性質做出判斷。本文以DH型離心壓縮機為例分析旋轉機械振動信號的提取方法的確定與分析。

1測量方式

在對DH型壓縮機的故障診斷過程，監測數據的獲取至關重要，為了準確的獲得監測數據，需要注意監測項目與原則、監測方式及監測點的布置。

1.1監測項目與原則

1） 采集軸承殼體部位的水平方向、垂直方向和軸向的振動信號;

2） 轉子轉速高，為剛性支承，采用速度指標來測定振動信號;

3） 轉子支承剛度越大，振幅越小，由于旋轉機械支承的水平剛度一般小于垂直剛度，若存在不平衡振動，則水平方向的振動值一般大于垂直方向的振動值。本文以水平方向的振動數據進行分析。

1.2監測方式

為了準確的實現對DH型壓縮機的故障診斷，迅速找到故障點，文中主要采用兩種振動監測方式：

1） 為了方便及時，由當班操作人員利用HG-2504簡易測振儀采用速度指標測量壓縮機各級軸承的振動幅值，每天定期測量并記錄，及時掌握壓縮機的振動變化情況。

2） 由設備管理人員采用Datline 數據采集器對壓縮機的振動信號數據進行收集，并利用EMONITOR Odyseey 故障診斷系統分析軟件對采集頻譜信號進行分析，以分析壓縮機的故障形式、故障原因及故障趨勢。

1.3監測點布置

軸承測點的布置如圖1 所示。

1.壓縮機轉子;2.軸承;3.軸承座;4.軸承測點

離心式壓縮機的12個測點具體位置如下：

測點1：一級軸承垂直方向;

測點2：一級軸承水平方向;

測點3：一級軸承軸向;

測點4：二級軸承垂直方向;

測點5：二級軸承水平方向;

測點6：二級軸承軸向;

測點7：三級軸承垂直方向;

測點8：三級軸承水平方向;

測點9：三級軸承軸向;

測點10：四級軸承垂直方向;

測點11：四級軸承水平方向;

測點12：四級軸承軸向。

2 測量方法分析

監測機組的振動主要有兩種形式，即軸振動監測和軸承座振動監測。

軸振動是指軸的振動通過油膜傳遞給軸承的振動，軸承座振動是指軸的振動是通過軸承座外殼傳遞軸承的振動。軸承座振動受軸承座剛度的影響，在軸振相同的情況下測量的數值也會不同，因此軸承座振動測量誤差較大，而軸振動是最直觀的振動測量。軸振動監測探頭能夠測量出轉子在軸承中的位置變化情況以及軸承間隙的大小，除阻尼的影響外，轉子的振動能量基本都能反映到軸振動傳感器上。軸振動是相對而言的絕對振動，軸振動對于轉子不平衡、不對中、軸承磨損等中低頻故障的監測和診斷效果較好。

此例中的DH離心式壓縮機無軸振動探頭，采用軸承座振動監測方法對壓縮機的振動信號進行監測，在長期的監測過程中發現無論機組運行正常與否，軸承座的振動幅值都沒有明顯的變化。通過對測量結果分析知，對此種類型的機組進行軸承座振動監測并不能反映機組真實的故障程度。

針對以上問題進行了認真的分析和總結，DH型離心壓縮機轉子屬于高速輕載的剛性轉子，其轉子振動能量通過油膜作用于軸承座上，其中一部分能量被油膜吸收，由于軸承固定在齒輪箱殼體上，而齒輪箱殼體的尺寸及形狀決定了其剛度值高。

如果忽略阻尼的影響，那么軸承座強迫振動的運動方程為：

其中 為軸承座的質量; 為軸承座的振動值;K為軸承座某一方向的剛度; 為轉子對軸承座的激振力。

其穩態響應為

式中 為激振力頻率; 為軸承座的固有頻率;k為軸承座的剛性系數。

從式（2）可以看出，當剛度K值較大時，振動值 就比較小，這就是說DH壓縮機軸承座的振動值并不能反映轉子的振動情況。

當激振力頻率 小于軸承座固有頻率 時，振動值 隨 的增大而增大。因DH型壓縮機的軸承座剛度高，根據其轉速可知其固有頻率也很高，轉子振動的故障頻率一般都小于固有頻率 ，那么轉子振動的低頻部分在軸承座頻譜圖上的響應較低，而高頻部分響應則較高。所以DH型壓縮機轉子的不平衡等故障在軸承座頻譜圖上反映較低。

通過對比故障前后三級軸承水平頻譜圖，發現故障后測得的頻譜圖中出現了高速轉子工頻（313.5Hz）的半倍頻（157.5Hz），說明轉子的不平衡已引起了軸承故障，但振動幅值遠低于允許值，說明轉子振動的低頻部分在軸承座頻譜圖上的響應較低，而高頻部分響應則較高的結論是正確的。

3結論

通過以上分析，得出以下結論：

1） 對于DH型離心壓縮機進行振動監測，一般應選用軸振動監測方式;

2） 對于DH型離心壓縮機的振動監測與故障診斷，要盡可能地使用軸振動傳感器，而用加速度傳感器拾取軸承座的振動信號對于轉子不平衡等故障的診斷是不合適的。

參考文獻：

[1][美]謝 F S，摩爾 I Z，享克 R T 等.機械振動—理論及應用[M].沈文均，張景繪 譯.北京：國防工業出版社，1984.

[2]葉振幫，常鴻壽. 離心式制冷壓縮機[M]. 北京： 機械工業出版社，1981.

[3]吳振球譯，振動分析 .恩泰克科學公司.

[4]屈梁生，何正嘉. 機械故障診斷學[M].上海：上海科學技術出版社，1986.

[5]高慎琴. 化工機器[M].北京：化學工業出版社，1992.

[6]易良榘. 簡易振動診斷現場實用技術[M]. 北京：機械工業出版社，2003.

[7]王輝. DH型離心壓縮機振動監測及故障診斷分析.《流體機械》，2004.11