機(jī)械設(shè)備振動(dòng)特性分析

機(jī)械設(shè)備振動(dòng)特性分析佟德純教授一振動(dòng)波形變換設(shè)備的振動(dòng)監(jiān)測(cè)與診斷，振動(dòng)波形的分析，提取表征狀態(tài)信息的特征量是最常用的有效方法之一，振動(dòng)波形的分析主要有兩種：一是時(shí)域分析，即將振動(dòng)作為時(shí)間T(秒)的函數(shù)X(T)來(lái)觀測(cè)。二是頻域分析，即按傅立葉變換方法將X(T)變換成頻率f(赫芝)的函數(shù)X(f)。這個(gè)變換關(guān)系和過(guò)程可用空間簡(jiǎn)圖來(lái)表示，見(jiàn)圖5.1。圖5.1振動(dòng)波形分析1.振動(dòng)的時(shí)域波形特征量(1)數(shù)X(f)。這個(gè)變換關(guān)系和過(guò)程可用空間簡(jiǎn)圖來(lái)表示，見(jiàn)圖5.1。圖5.1振動(dòng)波形分析1.振動(dòng)的時(shí)域波形特征量(1)均值：：描述振動(dòng)過(guò)程的靜態(tài)成分，又稱為直流分量，即\o"CurrentDocument"x=T\Tx(t)dt(5.1)式中T一平均時(shí)間(樣本長(zhǎng)度)，以秒或毫秒計(jì)。⑵絕對(duì)值平均x，即XI=1j-x(t)dt(5.2)(3)均方值|克：表示振動(dòng)的平均能量或平均功率的指標(biāo)，即x2=—\Tx2(t)dt(5.3)T0(4)均方根值(有效值)X:描述振動(dòng)的有效正振幅，即rmsX=，:-jTx2(t)dt

\T0rms(5.4)(5)方差^::描述振動(dòng)偏離均值散布情況，其標(biāo)準(zhǔn)差貝表示振動(dòng)的動(dòng)態(tài)分量，即C2=TjTx(t)-x」dt為了進(jìn)一步理解上述振動(dòng)特征量的物理意義，特用模擬電路表示特征量的運(yùn)算過(guò)程，具(5.5)體如圖5.2所示。圖5.2振動(dòng)特征量的運(yùn)算電路3.復(fù)雜周期振動(dòng)的分解復(fù)雜的周期振動(dòng)x諧波(簡(jiǎn)諧)振動(dòng)之各，T圖5.2振動(dòng)特征量的運(yùn)算電路3.復(fù)雜周期振動(dòng)的分解復(fù)雜的周期振動(dòng)x諧波(簡(jiǎn)諧)振動(dòng)之各，T(t)=x(t+nT)都可用傅立葉級(jí)數(shù)的形式展開(kāi)，即分解成若干個(gè)即?\x~~2^+，(an=1cosn3t+bsinnst)=A+工Acos(n①t+0)n=1(5.6)式中?為角頻率，①=2酒0=2k/TA0為直流分量，A0=aAn為n階諧波的振幅=y：a+b,(n=1,2)b0n為n階諧波的相角0arctg(-f),(n=1,2???)0n為n階諧波的相角n由(5.6)式可知，復(fù)雜的周期振動(dòng)x「t)是由直流分量A°和各次諧波振動(dòng)A〃,(n=1,2,3???)所組成。這就是振動(dòng)信號(hào)的頻率分析，又稱諧波分析，是振動(dòng)監(jiān)測(cè)與診斷的基本方法之一。示例：柴油機(jī)扭振分析柴油機(jī)是六缸四沖程星形連接，點(diǎn)火次序如圖5.3所示。轉(zhuǎn)速n=195rpm，即基頻f0=4.26Hz圖5.3柴油機(jī)點(diǎn)火次序圖5.4扭振分析實(shí)測(cè)的扭振信號(hào)和頻率分析的結(jié)果如圖5.4所示。扭振是典型的復(fù)雜周期振動(dòng)，在圖5.4(a)時(shí)域波形曲線上僅僅能測(cè)得一個(gè)基本周期T=310ms，對(duì)應(yīng)的頻率f°=1/T=4.22Hz,與理論的轉(zhuǎn)頻f0=4.26Hz相近。進(jìn)行頻率分析的結(jié)果，在圖5.4(b)離散頻譜圖上測(cè)得：f]=4.22Hzf2=7.244Hzf3=10.66z@f4=110.42Hz⑤f5=210.18Hz等五個(gè)主要頻率分量，這正是以實(shí)際轉(zhuǎn)頻f1=4.22Hz為基頻的二階、三階、六階和九階諧波分量，一階為主旋轉(zhuǎn)頻率分量，反映主軸系統(tǒng)的工作狀態(tài)；二階諧波分量反映往復(fù)運(yùn)動(dòng)件的狀態(tài)；三、六、九階諧波分量往往是由于點(diǎn)火不均勻，活塞敲缸所引起的振動(dòng)。顯而易見(jiàn)，通過(guò)對(duì)扭振的頻率分析可以獲得較豐富的柴油機(jī)工作狀態(tài)的信息。振動(dòng)波形的積分變換與頻譜分析如果振動(dòng)不是周期振動(dòng)，而是一般的振動(dòng)，即振動(dòng)波形x(t)不能用周期函數(shù)來(lái)描述，也就不能用上述傅立葉級(jí)數(shù)的方法展開(kāi)，但是可以運(yùn)用同樣的思考方法，即在周期振動(dòng)的情況下其傅氏級(jí)數(shù)和是用Z來(lái)表示的，而為一般振動(dòng)x(t)時(shí)，則和式變?yōu)榉e分，即X(f)=j+8x(t)e-網(wǎng)dt(5.7)-s這個(gè)公式稱為傅立葉積分，與周期振動(dòng)時(shí)的傅立葉級(jí)數(shù)相對(duì)應(yīng)，用此式可將時(shí)間域的振動(dòng)波形x(t)變換為頻率f的函數(shù)X(f)，這種變換又稱傅立葉正變換。反之，若將X(f)變換為x(t)時(shí)，即x(t)=j+sX(f)ej21ftdf(5.8)此式稱為傅立葉反變換。時(shí)域振動(dòng)波形x(t)和頻率函數(shù)X(f)兩者是由傅立葉變換聯(lián)系起來(lái)的，這種關(guān)系如圖5.5所示。圖5.5振動(dòng)的傅立葉變換從工程實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，考慮到負(fù)頻率(~f)無(wú)實(shí)際意義，另外要賦予頻率函數(shù)以明確物理含意，定義|X(f)為幅值譜，Gx(f)為功率譜，即G(f)=lim||X(f)|2，f>0(5.9)xx_/TT3功率譜G(f)和幅值譜|X(f)|都反映振動(dòng)信號(hào)的頻率結(jié)構(gòu)，但功率譜所描述的是xx信號(hào)幅值的平方，因此其反映的頻率結(jié)構(gòu)特征更為明顯。功率譜和幅值譜統(tǒng)稱為振動(dòng)信號(hào)的頻譜。隨著電子計(jì)算技術(shù)的迅速發(fā)展，振動(dòng)信號(hào)的頻譜計(jì)算可以用專用快速傅立葉分析儀(又稱FFT分析儀)來(lái)完成，因此它廣泛應(yīng)用到各技術(shù)領(lǐng)域，特別是設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷。二軸系的振動(dòng)特征機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)中基本零部件有軸、軸系、聯(lián)軸節(jié)、軸承和齒輪等，它們?cè)谶\(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，不同工作狀態(tài)所產(chǎn)生的振動(dòng)或噪聲也不同，特別是故障狀態(tài)都對(duì)應(yīng)著一定頻率分量的變化，這種頻率成分稱為特征頻率，同一零部件對(duì)應(yīng)不同故障有不同的特征頻率分量的變化，而對(duì)同一故障不同零部件有不同的特征頻率。同此，振動(dòng)頻譜的分析和特別頻率的識(shí)別是設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷的有效方法之一，也是普遍采用的手段。軸和軸系是作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的，其常見(jiàn)故障有不平衡，彎曲、不對(duì)中以及由此而產(chǎn)生的變形碰摩等。1.不平衡軸的不平衡，一般有：靜不平衡、雙面不平衡，動(dòng)不平衡和動(dòng)靜不平衡四種。在軸存在靜不平衡的情況下，它是一個(gè)載面的不平衡，軸旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生一個(gè)不平衡力矩M，這個(gè)力矩是周期變化的，如圖5.6所示，形成了一階轉(zhuǎn)頻的振動(dòng)，其特征頻率為f0=60(位)的式中n為軸的轉(zhuǎn)速(rpm)。其他三種不平衡狀態(tài)是多個(gè)截面的不平衡，每一個(gè)截面的不平衡所激發(fā)的橫向振動(dòng)與靜不平衡是一樣的，只是各截面上振動(dòng)的相位和幅值大小有差異，其特征頻率仍然是f。0

圖5.6軸不平衡振動(dòng)圖解軸彎曲圖5.6軸不平衡振動(dòng)圖解軸和軸系安裝不良、熱變形和自重都會(huì)引起軸的彎曲。軸的彎曲實(shí)質(zhì)上是軸不平衡的一種表現(xiàn)。在軸旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)導(dǎo)致一階轉(zhuǎn)頻fo的橫向振動(dòng)，同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生一階轉(zhuǎn)頻fo的軸向振動(dòng)和二階轉(zhuǎn)頻2f的橫向振動(dòng)?！恪鉶軸系不對(duì)中與聯(lián)軸節(jié)的工作狀態(tài)軸系安裝不佳，軸有彎曲以存在較大間隙等都會(huì)導(dǎo)致軸系不對(duì)中，從而產(chǎn)生振動(dòng)，使聯(lián)節(jié)處在不正常工作狀態(tài)。軸系不對(duì)中有根軸線平行且偏離一段距離、兩軸線交叉和兩軸線交錯(cuò)等形式。軸系不對(duì)中在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程產(chǎn)生振動(dòng)，如圖5.7所示，不對(duì)中會(huì)激發(fā)出一階轉(zhuǎn)頻fo的軸向振動(dòng)，圖5.7(a)所示；同時(shí)會(huì)產(chǎn)生二階轉(zhuǎn)頻2fo的橫向振動(dòng)，圖5.7(b)所示?！愣A轉(zhuǎn)頻2f橫向振動(dòng)和一階轉(zhuǎn)頻f軸向振動(dòng)是不對(duì)中故障狀態(tài)的特征。一般如果oo二階轉(zhuǎn)頻橫向振動(dòng)的振幅是一階轉(zhuǎn)頻橫向振動(dòng)的振幅的30?75%時(shí)，則此不對(duì)中度(即不同軸度)聯(lián)軸節(jié)還可承；若達(dá)到75?150%時(shí)，則聯(lián)軸節(jié)會(huì)產(chǎn)生故障；若超過(guò)150%時(shí)，則會(huì)使聯(lián)軸節(jié)產(chǎn)生嚴(yán)重故障，加速磨損以至不能使用。圖5.7軸系不對(duì)中振動(dòng)圖解圖5.8不對(duì)中狀態(tài)的振動(dòng)特征圖5.7軸系不對(duì)中振動(dòng)圖解圖5.8不對(duì)中狀態(tài)的振動(dòng)特征軸系不對(duì)中狀態(tài)的振動(dòng)特征如圖5.8所示。(a)圖為振動(dòng)波形，(b)圖為振動(dòng)頻譜，(c)碰摩摩擦故障往往產(chǎn)生高頻譜，另外，振動(dòng)信號(hào)是由軸傳感器測(cè)得的，則軸上的劃痕或其他缺陷也會(huì)產(chǎn)生相同的征兆。另外，摩擦通常是一種瞬態(tài)現(xiàn)象，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)由于軸成弓形而不能運(yùn)轉(zhuǎn)的征兆。因此，一個(gè)削頂?shù)恼駝?dòng)波形和軸心軌跡是碰摩故障的明顯表示，如圖5.9所示。應(yīng)該注意到軸碰摩方向上受到約束產(chǎn)生削頂現(xiàn)象，其他方向的運(yùn)動(dòng)接近正常。圖5.9碰摩的波形與軸心軌跡松動(dòng)機(jī)械松動(dòng)，即零件之間不適當(dāng)?shù)呐浜希ǔ５恼駝?dòng)特征是在轉(zhuǎn)頻的一系列諧頻上出現(xiàn)異常大的振幅。雖然這些諧頻產(chǎn)生的確切規(guī)律還未完全清楚，但它們可能是松動(dòng)零件對(duì)轉(zhuǎn)子動(dòng)態(tài)輸入的非線性響應(yīng)引起的。這種現(xiàn)象已在一些軸承的軸瓦蓋松動(dòng)的機(jī)器上看到，其振動(dòng)頻譜特征如圖5.10所示。帕承座有機(jī)嗡圖5.11滾珠通過(guò)負(fù)荷區(qū)的情形圖5.10機(jī)械松動(dòng)的頻譜特征JEIfrW三軸承的振動(dòng)特征帕承座有機(jī)嗡圖5.11滾珠通過(guò)負(fù)荷區(qū)的情形圖5.10機(jī)械松動(dòng)的頻譜特征JEIfrW1.滾動(dòng)軸承的振動(dòng)特征從幾何觀點(diǎn)看，滾動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)十分簡(jiǎn)單是標(biāo)準(zhǔn)化的外購(gòu)件，但作為振源就顯得相當(dāng)復(fù)雜多種振源，還要承擔(dān)軸系不平衡、彎曲、不對(duì)中和扭振等的傳遞作用。這就使問(wèn)題更為復(fù)雜，一般來(lái)說(shuō)，可將軸承振動(dòng)歸結(jié)以下四種形式：由于設(shè)計(jì)、安裝、潤(rùn)滑等原因產(chǎn)生的隨機(jī)振動(dòng)，它在所有的軸承中都存在。由滾珠通過(guò)負(fù)荷產(chǎn)生的振動(dòng)，如圖5.11所示為有6個(gè)滾珠的軸承，有時(shí)是一個(gè)滾珠通過(guò)負(fù)荷區(qū)，有時(shí)是二個(gè)滾珠通過(guò)負(fù)荷區(qū)，這樣上下有一位移跳動(dòng)，產(chǎn)生振動(dòng)。它是一簡(jiǎn)諧激勵(lì)，在各種軸承中都存在。由于滾珠通過(guò)有故障和波度的滾道(內(nèi)圈或外圈)、光潔度不合格的表面、滾珠本身有缺陷或故障以及有故障的保持架等原因引起的振動(dòng)。這些振動(dòng)都是周期性脈沖激勵(lì)，這是我們?cè)\斷的對(duì)象。由軸承外部傳來(lái)的振動(dòng)，它們可能是周期的，穩(wěn)定的，也可能是非周期的，非穩(wěn)態(tài)的任意激勵(lì)。滾動(dòng)軸承故障特征頻率軸承故障引起振動(dòng)，它的特征頻率是診斷中必須識(shí)別提取的，哪些是它的特征頻率呢？圖5.12向心推力軸承圖5.12為向心推力滾動(dòng)軸承的結(jié)構(gòu)圖，中間為滾珠軸承的軸向剖面圖，右邊為滾錐軸承的軸向剖面圖。設(shè)外圈轉(zhuǎn)頻為f，內(nèi)圈轉(zhuǎn)頻為f.，保持架轉(zhuǎn)頻為f，軸承節(jié)徑為D，01c滾動(dòng)體直徑為d，接觸角為a。此時(shí)滾動(dòng)體繞E點(diǎn)作定點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，它與內(nèi)圈在A點(diǎn)接觸，它與外圈在B點(diǎn)接觸。通過(guò)滾動(dòng)軸承運(yùn)動(dòng)學(xué)的分析，可以求得滾動(dòng)體通過(guò)內(nèi)、外圈滾道的頻率，以及滾動(dòng)體相對(duì)保持架的回轉(zhuǎn)頻率等。這些與故障密切相關(guān)的。A點(diǎn)的速度為V=赤rf=.i(D—dcosa)(5.10)B點(diǎn)的速度為

V=2兀rf=W(D+dcosa)c點(diǎn)的速度0V=2兀rf=W(D+dcosa)c點(diǎn)的速度0為oooV=L(v+v)=nfD

c2ioi由此可得f=n=1c2兀D2(5.11)(5.12)cosXkDJ(5.13)同理，f.icfoc=fo-fc=2(fo_f]1_Dcosx單個(gè)滾動(dòng)體在內(nèi)圈滾道上的通過(guò)頻率fic為=f.-f=1(f.-fh+dcos撲ic2ickDJ(5.14)(5.15)滾動(dòng)體相對(duì)保持架的回轉(zhuǎn)頻率(即自轉(zhuǎn)頻率)f也可求得，即〔d)fbc=2d(匕-fo^l1-2C0S2Xbc(5.16)廠n廠Cd、f=-f1-cosXop2rkDJn。d]f=-f1+cosX>ip2rkDJ1D￡Ld2]=——f1-——cos2X2drkD2Jf考慮到滾動(dòng)軸承有n個(gè)滾動(dòng)體，可表示為則滾動(dòng)體在外圈及內(nèi)圈滾道上通過(guò)頻率fmp及fip以及fip(5.17)式中f廣f"f0為內(nèi)外圈的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)頻率，當(dāng)外圈固定時(shí)，fr即為軸的轉(zhuǎn)頻率，即f=f.,"f.則滾動(dòng)體在外圈及內(nèi)圈滾道上通過(guò)頻率fmp及fip以及fip(5.17)內(nèi)容元件故障頻率公式一般原因內(nèi)圈-，2(:d、1+—cosa、D,\f./1不平衡外圈-12[:d、1-—cosy、D,f./z不對(duì)中等滾珠Dd「1-[-fLkDJ\fi電源通過(guò)等如果在外圈滾道上有故障時(shí)，則產(chǎn)生以f*為頻率的脈沖激勵(lì)，所以稱、為外圈的

故障頻率，同理f.為內(nèi)圈的故障頻率。若滾動(dòng)體上有故障時(shí)，因其自轉(zhuǎn)一周通過(guò)內(nèi)外ip圈各一次，故滾動(dòng)體的故障頻率為fb(=2fb。一般徑向滾珠軸承a=0，一般外圈固定，即fb=0，則f=f，其故障頻率如表5-1所示。上述公式和表格可以算出故障激勵(lì)的基頻，但根據(jù)公式計(jì)算的假設(shè)和響應(yīng)分析，在具體診斷中應(yīng)注意以下情形：滾珠通過(guò)故障激起的是周期沖擊，它不是單一的諧波，而是展開(kāi)的漸減無(wú)窮付氏級(jí)數(shù)，它在振動(dòng)頻譜圖上呈現(xiàn)為具有一定結(jié)構(gòu)形式諧波族的離散譜線。不同故障的諧波族衰減速度不一樣，平緩故障的諧波族比尖銳故障的衰減得快，由此可在頻譜圖上區(qū)別故障的性質(zhì)；在振動(dòng)頻譜圖上某頻率諧波幅值的變化可幫助區(qū)分故障的部位和性質(zhì)。相同元件的同類故障，由于面積傷害的大小不同，使某些頻率分量產(chǎn)生變化，而這個(gè)頻率不一定等于故障數(shù)目乘故障頻率。滑動(dòng)軸承的半速渦動(dòng)與油膜振蕩油膜渦動(dòng)渦動(dòng)是軸或轉(zhuǎn)子軸頸作調(diào)整旋轉(zhuǎn)同時(shí)，還繞軸頸某平衡中心作公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。如果軸頸主要是由油膜力的激勵(lì)作用引起渦動(dòng)，則滑動(dòng)軸承中軸頸的渦動(dòng)角速度將接近為轉(zhuǎn)速之半，所以一般稱為“半速渦動(dòng)”軸頸在渦動(dòng)軸承中作偏心旋轉(zhuǎn)時(shí)，形成進(jìn)口斷面大于出口斷面的油楔，(具體如圖5.13所示)，如果進(jìn)口處的油流速度并不馬上下降，則軸頸從油楔中間隙大的地方帶入的油量大于從間隙小的地方帶出的油量，由于液體不可壓縮性，多余的油就要把軸頸推向前進(jìn)，形成了與軸旋轉(zhuǎn)方向相同的渦動(dòng)運(yùn)動(dòng)，渦動(dòng)速度就是油楔本身的前進(jìn)速度，經(jīng)過(guò)對(duì)圖5.12的分析，得出圖5.13軸頸半速渦動(dòng)分析式中3為轉(zhuǎn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)角速度。Q=—32圖5.14軸頸在軸承中的渦動(dòng)軌跡圖5.13軸頸半速渦動(dòng)分析式中3為轉(zhuǎn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)角速度。實(shí)際上，渦動(dòng)頻率通常低于軸本身轉(zhuǎn)速頻率之半。根據(jù)國(guó)外資料介紹，半速渦動(dòng)的實(shí)際渦動(dòng)頻率為(5.19)Q=(0.43~0.48)o(5.19)當(dāng)軸頸渦動(dòng)運(yùn)動(dòng)的渦動(dòng)頻率在軸系轉(zhuǎn)子一階自振頻率以下(即Q<3ci)發(fā)生的半速渦是一種比較平靜的渦動(dòng)運(yùn)動(dòng)，由于油膜具有非線性特性，軸心軌跡為一穩(wěn)定的封閉圖形，如圖5.14所示，此時(shí)轉(zhuǎn)子、軸系仍能平衡地工作。油膜振蕩必須注意到，當(dāng)轉(zhuǎn)速升高到轉(zhuǎn)子軸系第一階臨界轉(zhuǎn)速的兩倍附近時(shí)，渦動(dòng)頻率與轉(zhuǎn)子軸系一階自振頻率相重合，這時(shí)轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)發(fā)生激烈的共振。這種共振渦動(dòng)就是通常所說(shuō)的“滑膜振蕩”。油膜振蕩的頻率為轉(zhuǎn)子軸系一階自振頻率，即Q=3](5.20)滑動(dòng)軸承油膜振蕩是軸頸的渦動(dòng)運(yùn)動(dòng)與轉(zhuǎn)子軸系自振頻率相吻合時(shí)發(fā)生的大幅度共振運(yùn)動(dòng)，是一種故障狀態(tài)，其特點(diǎn)往往是來(lái)勢(shì)很猛，瞬時(shí)間振幅突然升高，很快發(fā)生油膜破裂，引起軸頸與軸瓦之間摩擦，發(fā)出強(qiáng)烈的吼叫聲，將會(huì)嚴(yán)重?fù)p壞軸承和轉(zhuǎn)子等。為了避免油膜振蕩的發(fā)生，應(yīng)該使轉(zhuǎn)子軸系工作轉(zhuǎn)速避免在一階臨界轉(zhuǎn)速的兩倍附近運(yùn)行。磨損與松動(dòng)一般在大中型機(jī)械設(shè)備上采用滑動(dòng)軸承較多，其主要故障是磨損與松動(dòng)。用于軸系的不平衡、不對(duì)中以及軸承本身安裝不良而導(dǎo)致軸承的承壓不均勻油膜破裂等。軸承磨損是同運(yùn)動(dòng)表面的相對(duì)磨擦造成的。磨擦激發(fā)一種高頻振動(dòng)和噪聲，對(duì)其信號(hào)作頻譜分析時(shí)，則發(fā)現(xiàn)整修頻帶的分量均被提高了，并且在高頻段上出現(xiàn)峰值，這些分量大小與摩擦的嚴(yán)重程度成正比。一般軸承的摩擦與松動(dòng)與軸承的不平衡，不對(duì)中和彎曲等故障狀態(tài)有密切關(guān)系，因此在振動(dòng)的頻譜圖上常出現(xiàn)轉(zhuǎn)頻f0的一階、二階、三階以及高階分量。軸承油膜振蕩是軸頸的渦動(dòng)運(yùn)動(dòng)與轉(zhuǎn)子自振頻率相吻合時(shí)發(fā)生的大幅度共振運(yùn)動(dòng)。其特點(diǎn)往往來(lái)勢(shì)很猛，瞬時(shí)間振幅突然升高，很快發(fā)生局部油膜破裂，引起軸頸與軸瓦之間摩擦，發(fā)生強(qiáng)烈的吼叫聲，將會(huì)嚴(yán)重?fù)p壞軸承和轉(zhuǎn)子。發(fā)生軸頸猛烈振動(dòng)的激勵(lì)力是油膜的不穩(wěn)定造成的，因此有人把油膜的不穩(wěn)定性比作一種波浪，這個(gè)油的波浪在軸承間隙內(nèi)繞軸頸運(yùn)動(dòng)，軸頸就浮在波中被波浪推著前進(jìn)，像一塊沖浪板一樣，波的平均速度就是軸頸的渦動(dòng)速度。診斷這類故障，一般是從振動(dòng)頻率是否接近轉(zhuǎn)速之半來(lái)判別。例如，北京石油化工總廠某臺(tái)離心式冷凍壓縮機(jī)，由于更換了軸承架和主軸瓦，該機(jī)1973-1973年的一年時(shí)間內(nèi)歷經(jīng)38次試車，由于機(jī)器出現(xiàn)強(qiáng)烈振動(dòng)和吼叫聲而失敗。經(jīng)過(guò)測(cè)試分析，該機(jī)轉(zhuǎn)速頻率為213Hz，振動(dòng)頻率為92Hz，振動(dòng)頻率對(duì)轉(zhuǎn)速頻率之比為0.43，因此，診斷為軸承油膜振蕩。

四齒輪的振動(dòng)特征與調(diào)制邊帶齒輪是機(jī)械設(shè)備的基礎(chǔ)零件，齒輪嚙合傳動(dòng)是機(jī)械傳動(dòng)的主要形式之一，它具有傳遞運(yùn)動(dòng)、扭矩和變速的功能。齒輪廣泛應(yīng)用于各種機(jī)械系統(tǒng)，它的運(yùn)行狀態(tài)是否正常直接影響整臺(tái)機(jī)器或整個(gè)生產(chǎn)線的工作。在石化、發(fā)電、冶金業(yè)的流程工藝中，齒輪的失效往往會(huì)造成整條生產(chǎn)線的停產(chǎn)，給經(jīng)濟(jì)帶來(lái)重大損失。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，由于齒輪失效引起的機(jī)械故障，約占10.3%。因此，齒輪工作狀態(tài)的監(jiān)測(cè)與診斷是十分重要的，是使機(jī)器設(shè)備從“壽命維修”過(guò)渡到“狀態(tài)維修”必須做的基礎(chǔ)工作。1.齒輪嚙合振動(dòng)的基本成分一對(duì)齒輪嚙合運(yùn)轉(zhuǎn)，如圖5.15所示，由于參加工作的齒數(shù)由一對(duì)變成兩對(duì)，又由兩對(duì)變成一對(duì)，形成單齒嚙合和雙齒嚙合的交替變化，使齒輪的等效剛度呈周期變化。這樣對(duì)于齒輪相當(dāng)施加了一個(gè)周期性的沖擊載荷，從而導(dǎo)致齒輪的嚙合振動(dòng)。這種振動(dòng)是一種周期性沖擊振動(dòng)，如圖中的第三條曲線所示。圖5.15圖5.15齒輪嚙合振動(dòng)齒輪振動(dòng)信號(hào)中有大小齒輪的轉(zhuǎn)頻、嚙合頻率及其諧頻等基本成分，其中轉(zhuǎn)頻成分為(5.21)x(t)=Acos(2Kft+①)+Acos式中f,f2一大小齒輪的轉(zhuǎn)頻，即(5.22)f=n/60,f=n《60式中n1，n2—求小齒輪的轉(zhuǎn)速嚙合頻率及諧頻成分為(5.21)(5.22)(5.23)x(t)=*Acos(2兀ft+①)其中Z1彳為大小齒輪的齒數(shù)。m=1式中f一嚙合頻率，即f=Zf=Zf(5.23)其中Z1彳為大小齒輪的齒數(shù)。cc11223.齒輪嚙合振動(dòng)的調(diào)制邊帶齒輪嚙合傳動(dòng)過(guò)程中，由于載荷、剛度以及轉(zhuǎn)速的波動(dòng)，齒輪振動(dòng)信號(hào)無(wú)論在低頻或高頻都有調(diào)制現(xiàn)象出現(xiàn)，產(chǎn)生了調(diào)制邊頻成分，齒輪嚙合狀態(tài)的異常加劇了這種調(diào)制作用。一般調(diào)制有調(diào)幅、調(diào)相和兩者同時(shí)有存在的情況，后者可以表示為x(t)=丈A(t)cosb兀ft+①](5.24)m=1式中A(t)一調(diào)幅信號(hào)m中(t)一調(diào)相信號(hào)mfc一載波頻率如圖5.16所示，無(wú)論調(diào)幅、調(diào)相，還是調(diào)幅調(diào)相并存，它們共同的特點(diǎn)是頻譜圖上都有以載波頻率及其諧頻為中心，以調(diào)制頻率為間隔的邊帶結(jié)構(gòu)，且有上下邊帶之分。(a)調(diào)幅信號(hào)(b)調(diào)相信號(hào)(c)調(diào)幅調(diào)相并存在齒輪振動(dòng)信號(hào)中，調(diào)幅信號(hào)A〃(t)即以轉(zhuǎn)頻為調(diào)制頻率，調(diào)相信號(hào)中〃(t)即以轉(zhuǎn)頻為調(diào)制頻率，載波頻率fc即蒐齒輪的嚙合頻率。這樣齒輪振動(dòng)信號(hào)的頻譜圖上，以嚙合頻率f及其諧頻為中心形成邊帶結(jié)構(gòu)。其邊頻為：f+mf,f土mf,2f土mf,2f土mf,???Kf+mf,Kf土mf(m=1,2,…;K=1,2,3,…)c1c2c1c2c1c24.齒輪振動(dòng)的頻譜一對(duì)直齒嚙合傳動(dòng)，如圖5.16所示，其中大齒輪：％=2400中mZ「29F1=n1/60=40Hz小齒輪：n2=1310rpmZ2=53F2=21.9Hz大小齒輪嚙合頻率：f=Zf=Zf=1160HzTOC\o"1-5"\h\zC1122其調(diào)制邊頻為f±m(xù)f=1160±m(xù)40,f土mf=1160±m(xù)21.9C1C22f土mf=2320土m40,2f土mf=2320土m21.9C1C2

其式中加號(hào)(+)為上邊帶，而減號(hào)(-)為下邊帶，這樣整個(gè)振動(dòng)頻譜如圖5.17所示。從整個(gè)頻譜看，有轉(zhuǎn)頻及諧頻、嚙合頻率及諧頻、調(diào)制邊頻以及結(jié)構(gòu)振動(dòng)頻率等，頻率成分相當(dāng)豐富。這僅僅是一對(duì)齒輪嚙合傳動(dòng)，若一齒輪箱有若干對(duì)齒輪嚙合傳動(dòng)，則其振動(dòng)頻譜結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜。齒輪各種狀態(tài)的波形與頻譜如圖5.18所示的表5-2表5-2齒輪發(fā)生的振動(dòng)低頻fm：fm：嚙合頻率圖5.18齒輪各種狀態(tài)的振動(dòng)表fr：旋轉(zhuǎn)頻率齒輪的狀態(tài)時(shí)域頻域正常QAAAA/WP(fm)P(fr)frfm齒輪軸不同軸WWU/wP(fm)P(fm+fr)P(fm-fr)1111frfm-frfm+fr偏心附)P(fm)frfm局部異常AAam/wwP(fr}P(2fr)?同|,(3fr)P(3fr)磨損P(fm)P(2fm)1P(3fm)周節(jié)誤差A(yù)mp.Mod+Freg-Mod圖5.18齒輪各種狀態(tài)的振動(dòng)表P(fm)P(2fm)JIlliHifr

圖5.17典型的嚙合傳動(dòng)頻譜五旋轉(zhuǎn)機(jī)械的振動(dòng)特征絕大多數(shù)機(jī)械設(shè)備都有旋轉(zhuǎn)零部件，旋轉(zhuǎn)機(jī)械是指那些主要功能是由旋轉(zhuǎn)動(dòng)作來(lái)完成的機(jī)械，尤其是指轉(zhuǎn)速較高的機(jī)械。這類高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械的工作狀態(tài)往往通過(guò)振動(dòng)反映出來(lái)，對(duì)振動(dòng)進(jìn)行頻譜分析，觀察各特征頻率分量的變化。這是旋轉(zhuǎn)機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)與診斷的主要內(nèi)容之一。1.離心式旋轉(zhuǎn)機(jī)械在離心式旋轉(zhuǎn)機(jī)械中，液體或氣體徑向流過(guò)旋轉(zhuǎn)機(jī)件，這類機(jī)械包括泵、液力耦合器、鼓風(fēng)機(jī)和壓縮機(jī)等。這種機(jī)械的振動(dòng)頻譜，除轉(zhuǎn)頻及低階諧波分量外，大多數(shù)離心式旋轉(zhuǎn)機(jī)械還會(huì)產(chǎn)生葉頻分量及其諧波分量。所謂葉頻即輪葉通過(guò)頻率，它等于轉(zhuǎn)頻乘上葉輪的葉數(shù)。圖5.19所示是含有葉頻分量的離心式旋轉(zhuǎn)機(jī)械典型振動(dòng)頻譜。其中(a)圖是從單級(jí)離心泵殼體上測(cè)得的，其葉頻分量比轉(zhuǎn)頻分量高得相當(dāng)多。(b)圖是從多級(jí)離心泵上測(cè)得的，同樣，葉頻及其倍頻的幅值亦比轉(zhuǎn)頻的高得多。圖5.20是從離心式壓縮機(jī)上測(cè)得的振動(dòng)頻譜，其結(jié)構(gòu)仍然是葉頻及其諧波分量比較明顯。各種壓縮機(jī)以及即使是同一臺(tái)壓縮機(jī)，只要運(yùn)行狀態(tài)稍有變化，其葉頻分量的幅值便會(huì)有很大的變化。3.葉片類的旋轉(zhuǎn)機(jī)械流體流動(dòng)方向平行于旋轉(zhuǎn)機(jī)件軸的葉片類機(jī)械，如軸流式壓縮機(jī)、蒸汽渦輪和現(xiàn)代燃?xì)鉁u輪等，它們與離心式旋轉(zhuǎn)機(jī)械相比，通常會(huì)產(chǎn)生更加復(fù)雜的振動(dòng)頻譜。特別是在

高頻段上。從燃?xì)鉁u輪和軸流式壓縮機(jī)上測(cè)得的振動(dòng)頻譜，其葉頻分量十分明顯，除其倍頻外，還經(jīng)常出現(xiàn)和與差的組合。一般蒸汽渦輪的振動(dòng)頻譜中葉頻的分量的幅值比軸流式壓縮機(jī)葉頻分量的幅值低得多。圖5.20離心式壓縮機(jī)振動(dòng)特征圖5.21是一臺(tái)軸流式壓縮機(jī)振動(dòng)加速度頻譜（高頻），由裝37個(gè)葉片的前四排產(chǎn)生的葉頻振動(dòng)分量以及裝有47個(gè)葉片的5到11排的葉頻和諧頻分量都很顯著。從裝在殼體上加速度傳感器測(cè)得的這些分量的幅值隨轉(zhuǎn)速、壓力比和靜葉片角度的變化而變化。在這類頻譜圖上，如果靜葉片通過(guò)頻率分量存在，則由于遠(yuǎn)低于噪聲電平（地毯值），所以隱藏著而看不出。在這種殼體上測(cè)得的振動(dòng)頻譜圖上，轉(zhuǎn)子葉片通過(guò)頻率分量是明顯的，而靜葉片通過(guò)頻率分量往往看不到。圖5.21軸流式壓縮機(jī)振動(dòng)加速度特征圖5.21是一臺(tái)軸流式壓縮機(jī)振動(dòng)加速度頻譜（高頻），由裝37個(gè)葉片的前四排產(chǎn)生

的葉頻振動(dòng)分量以及裝有47個(gè)葉片的5到11排的葉頻和諧頻分量都很顯著。從裝在殼體上加速度傳感器測(cè)得的這些分量的幅值隨轉(zhuǎn)速、壓力比和靜葉片角度的變化而變化。在這類頻譜圖上，如果靜葉片通過(guò)頻率分量存在，則由于遠(yuǎn)低于噪聲電平(地毯值)，所以隱藏著而看不出。在這種殼體上測(cè)得的振動(dòng)頻譜圖上，轉(zhuǎn)子葉片通過(guò)頻率分量是明顯第11篷和14城改引.雙帥航空狷輪的，而靜葉片通過(guò)頻率分量往往看不到。第1用叩域圖5.22三種燃?xì)馔钙綁嚎s機(jī)的振動(dòng)頻譜圖5.22所示為三種不同類型燃?xì)鉁u輪的壓縮機(jī)部分的振動(dòng)頻譜，這種頻譜結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，在每一張譜圖中，絕大多數(shù)的顯著分量都能與某排葉片聯(lián)起來(lái)，這只要簡(jiǎn)單地將某一特定分量的頻率除以轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)頻，得到的商通常都與某排葉片數(shù)相吻合，從而指明了頻譜某特定分量的來(lái)源。葉片通過(guò)頻率(葉頻)的計(jì)算采用下列形式，即f=kN(Hz)(5-25)式中N一軸的轉(zhuǎn)頻，即N=n60(Hz)，n為轉(zhuǎn)速(N有時(shí)也常用f°表示)k一特定排的葉片數(shù)應(yīng)該注意，葉片數(shù)k是一排中的葉片總數(shù)再加上未裝的間隔數(shù)。葉頻基本上是由葉片之間的間隔數(shù)決定的。不管什么原因，缺少葉片只能產(chǎn)生諧波和影響葉頻上的幅值，但是除非葉片間隙改變，否則葉頻數(shù)是不會(huì)變化的，如圖5.23所示為周期相同的中斷波與連續(xù)波，其頻率相同。

㈤圖5.23周期相同的中斷波及連續(xù)波六振動(dòng)原因分析表㈤圖5.23周期相同的中斷波及連續(xù)波旋轉(zhuǎn)機(jī)械都有特定的振動(dòng)頻譜圖，其中每個(gè)振動(dòng)分量都與特定的零部件和特定原因相聯(lián)系。J.S.Sohre于六十年代用600余次事故分析的經(jīng)驗(yàn)編成的旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)原因分析表，他將30種故障按照振動(dòng)主頻率分量、主要振動(dòng)方向、位置以及振動(dòng)隨轉(zhuǎn)速變化等方面表現(xiàn)出來(lái)的統(tǒng)計(jì)百分?jǐn)?shù)列成表格，一目了然，對(duì)分析振動(dòng)原因很有幫助，對(duì)我們從事設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與診斷的人員很有參考借鑒作用。表5-3是J.S.Sohre的振動(dòng)原因分析表的縮簡(jiǎn)，這里列出供參考。衰4-3振動(dòng)原因和現(xiàn)象K(N.ftRM*)18說(shuō)方向與掇動(dòng)產(chǎn)生部位轉(zhuǎn)速的變化與掇幅的用減3以上XN1XN11/BXN《?”■1.)0)不ttnAX動(dòng)的力?向動(dòng)H承&炸?it上升時(shí)4XN水THI向福動(dòng)振*動(dòng)矗S加伊*1急m&*定加加少2.苗S10Ctt界?時(shí)的峰fl10C51VVIV1VaI0CS30605S30S5C510S3050S51030$SCS1054060406C104030)01010208020801010J0103040308010101070101010701010101010103040307010201040102020105G202010203050801010203010202020402020102030so80101020402020204(202040501090104050101010S(3040307020101050)0201010)05(10201010403010SO20202040901