利用頻譜分析解決動設備振動原因

宋衛東

（陜西化建工程有限責任公司，陜西 咸陽 712199）

機器運動時難免會產生振動，這會降低機器的工作性能，甚至使機器無法正常工作。各種機械部件和基礎都可以看作是一個彈性系統。在一定的條件基礎下，物體在其平衡位置附近的往復運動是機械振動。由于附加動載荷的作用，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 機械故障診斷技術

機械故障診斷技術分為簡易診斷和精密診斷。簡易診斷是為了迅速概括機器目前的狀態參數是否在允許值范圍內及其劣化趨勢等，所用的監測儀器為便于攜帶的點檢儀器；精密診斷是最終診斷，其目的是通過監測和數據處理分析確定機器發生異常的原因、部位、程度及發展趨勢等，并決定應釆取的治理措施。利用精密診斷解決動設備使用中的問題。任何振動信號都由三部分組成:不同的振幅、頻率和相位，振動分析的前提是：①振幅表示設備運行異常的嚴重程度。②頻率部分表示設備損壞或振動的來源。③相位差表示設備運行時產生的振動模式。這三個元素對機械設備代表了不同的含義。

2 利用頻譜分析解決動設備振動

頻譜以振幅與頻率的坐標表示振動訊號，振動檢測設備對振動信號進行轉換，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備問題的根本原因和嚴重程度。

2020年某企業一臺鍋爐風機運行情況，轉速2998rpm功率200kw，風機運行中可以感覺到明顯的振動，利用手持測振儀檢測數據為6.3mm/s。我們先檢查風機和電機聯軸器的對中情況，數據為軸向0.11徑向0.13數值超出要求值，重新對風機和電機對中找正，調整后數值為軸向0.03徑向0.04達到設備對中的技術要求，開機后振動有一定的改善，使用手持測振儀數值為5.0mm/s，雖然有改善但是還不能達到設備的正常要求。為進一步分析風機震動原因，我們采集了這臺設備的振動頻譜（如圖1），從圖中我們可以看這臺風機的振動頻率，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組數據我們能看到這臺風機運行的振幅相對的頻率，其中6組頻率相對振幅數據由于都在1.0mm/s以下，由于振幅小可以排除風這6組振動頻率，第2組數據出現在頻率50Hz處振幅為4.4mm/s，在這個頻率下振幅最大，風機震動原因應該就是它引起的，由于頻率50Hz正好是風機的工作頻率（工作頻率=轉速2998÷時間60=49.8Hz），這種在工作頻率上的震動多出現在傳動設備轉動部件不平衡引起，我們將風機的轉動部件進行動平衡校準，校準后安裝轉動部件連接對中電機合格后，開機運作風機后體感風機震動明顯減小，用測振儀檢查振幅最大為2.2mm/s達到風機運行對振幅的要求，我們用有采集了檢修會后這臺風機的頻譜圖（圖2），可以看到和圖1振動頻譜對比圖2的振幅明顯下降，第2組數據由原來50Hz4.4mm/s下降到50Hz1.8mm/s達到了風機長周期穩定運行。

圖1 振動頻譜

圖2 頻譜圖

2021年3 月我們在檢修一臺離心油泵時發現其振動超標，泵功率250KW轉速2970rpm，聯軸器采用中間短接雙膜片形式，運行時振幅最高9.8mm/s不能正常運行，我們采集了這臺泵的運行振動頻譜如圖3，從頻譜圖中我們可看到，這臺泵的主要振動頻率和振幅分別在50Hz9.8mm/s、100Hz9.2mm/s、150Hz7.2mm/s，軸向和徑向振動較大，從測得數據可以看出這3個數據中振動的頻率分別是50Hz、100Hz、150Hz，正好是這臺泵工作頻率（泵的工作頻率=轉速2970÷時間60=49.5Hz）的1倍（50Hz）、2倍（100Hz）、3倍（150Hz）。我們檢查發現泵和電機對中超過技術要求，重新找正泵對中后所有振動數值都達到要求，泵的運行良好。這次的振動主要是聯軸器對中偏差引起，為了進一步了解聯軸器對中偏差和頻率振幅的關系，我們分別調整聯軸器的幾種偏差形式（圖4中abc），用頻譜來檢查它們在不同偏差下的數據。

圖3 運行振動頻譜

圖4 聯軸器的偏差形式

我們先將聯軸器調整為角不對中情況，獲得頻譜數據如（圖5），從頻譜圖中我們可以看到在聯軸器角不對中的情況下，可以產生頻率50H振幅7.2mm/s的振動，并能檢測出很強的軸向振幅，由此判斷動設備聯軸器角不對中振幅主要出現在1倍頻，但于上面提到的轉子不平衡的1倍頻不同的是，聯軸器角不對中出現的1倍頻振幅會伴有很強的軸向振幅。

圖5 頻譜數據

我們再次調整聯軸器為平行不對中情況，用儀器采集了振動的頻譜得到的數據如（圖6）。

圖6 振動的頻譜

頻譜圖中可以看到在100Hz的頻率上出現了6.3mm/s的最大振幅，我們又將平行不對中的位置進行了調整，分別在水平方向、垂直方向、和斜角方向調出平行不對中偏差，測量后得出的數據最大振幅都出現在100Hz（泵轉速2970rpm振幅出現在頻率100Hz處，正好是這臺泵工作頻率的2倍，也可以理解為2倍頻振幅高。），在分析獲得數據后還發現平行不對中時軸向的振幅比較小，主要振幅出現在徑向，從試驗中發現，如果設備運行出現徑向2倍頻峰值非常高而軸向振幅峰值小，可以判斷多是設備聯軸器平行不對中引起。

我們再次調整了聯軸器的對中狀態，同時調整聯軸器為角不對中和平衡不對中，并采集了振動頻譜數據如（圖7）。

圖7 振動頻譜

從頻譜數據中我們可以看到，振動頻譜出現在50Hz、100Hz、150Hz、， 這 正 好 是 設 備 工 作 頻 率2970rpm÷60min=49.5Hz的1倍、2倍、3倍頻率，從檢測數據和實踐對比發現，機泵振動同時出現1、2、3倍頻，而其它頻率沒有明顯的振幅，同時伴有明顯的軸向振動。

通過上面的實例我們在總結出機械的一些振動特點。轉子不平衡的特征診斷：在時域波形和頻譜上具有較高的徑向振動和穩定的1倍頻分量，在1倍頻上的振幅值隨速度穩定增加，在2、3倍頻等處振幅值較低，軸向振動較低，不平衡對轉速的變化最為敏感(與速度的平方成正比)。聯軸器不對中診斷：其有較大的軸向和徑向的振動，在1、2或3倍頻處會出現穩定的峰值，在4到10倍頻處諧波成分較低，不對中振動隨負荷的增加而成正比，但轉速對其影響不大，并通過頻譜圖分析了聯軸器的各種不對中特點，①角度不對中的軸向1倍頻峰值非常高，②平行不對中的徑向2倍頻峰值非常高，③組合不對中的軸向和徑向峰值都高。

3 結語

綜上所述，機器運動時難免會產生振動，振動會降低機器的工作性能，甚至使機器無法正常工作。正常范圍內的機械振動是允許的，但非正常的振動則必須及時釆取措施加以排除。化工中旋轉機器的種類很多，盡管它們各自的性能和作用不同，但機器運行中所出現的故障卻有著共同的規律。機器的故障有多種多樣，有些故障的性質雖然有較明顯的區別，但它們的表現形式卻極易混淆。因此對機器診斷時，首先要根據各種故障發生的機理，尋找其獨特的癥狀及其敏感參數。要把所測得的振動信號從幅域、時域和頻域進行頻譜分析。