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【振动监测】机械振动的那些事3——振动频谱分析

(2017-03-28 13:50:16)
标签:

nvh

振动监测

fft

频谱分析

分类: 振动监测理论
我们知道,一个机器有很多组件,每个组件都可能振动,这些振动互相影响、叠加、杂交,最终,整个机子经历的就是一场“复合”振动。

这种复合振动,从时域角度去看,波形很复杂,但从频域角度去看,会简单一些(真的会么?):

【振动监测】机械振动的那些事3——振动频谱分析
图1 – 机器的振动

所谓的“频谱分析”,就是从频谱出发,去分析机器的工作状况。

今天,我们就来体验一下频谱分析。


一、分而治之
首先,我们要对分析对象有个基本了解,比如,这个机器由哪些组件构成,电机的转速是多少,风扇有多少叶片,齿轮有多少牙齿。。。等等等等。

这是因为不同组件的有着不同的振动特性,一般电机转子的振动频率和它的转速有关,叶片的振动频率会高一些,齿轮的振动频率会更高一些。

类似的,我们可以将频谱图划分为3个区域:

【振动监测】机械振动的那些事3——振动频谱分析
图2 – 机器的振动频谱

1X,机器的工作速率,一般为电机输出轴的转速;
1X以下,次低频区域,如果这里峰值很高,不是什么好事情,如油膜涡动等。
1X到10X,低频区域,如果这里峰值很高,不是什么好事情,典型症状包括不平衡、不对中、松动等;
10X以上,高频区域,如果这里峰值很高,也不是什么好事情,如齿轮、轴承的故障常发于此;

经过这么划分,频谱图就会清晰一些,有利于我们找到故障的源头。

其实这和交响乐队很像, 我曾在乐队里担任小号手,不过造诣不高,经常走调,别以为有那么多乐器同时演奏,我走调一次指挥员听不出,他一下子就可以听出来,然后把我训一顿。因为。。小号的音乐频率很不一样嘛!

1.谐波
频谱图中经常可以看到基频(1X)的谐波,如2X、3X、4X。。。,回想我们上篇所讲的振动都是最简单的正弦曲线,但实际上机器振动的波形很复杂,当中蕴含着很多基频整数倍的振动成分。

【振动监测】机械振动的那些事3——振动频谱分析
图3 – 谐波

2.边带
如果放大频谱图,会看到有些峰值的周围有边带(而非单独一根波峰):

【振动监测】机械振动的那些事3——振动频谱分析
图4 – 边带

这些边带是由不同振动源相互“调制”而成的,对你没看错,振动也会发生调制,就和无线电广播里的FM(调频)、AM(调幅)一样!如果我没猜错的话,上图是一种AM调制。

3.采样率
既然不同组件的振动频率有高有低,那么振动传感器(如,加速度计)应用什么频率去采样呢?

一般来说,如果不需要检查旋转型啮合器件(如齿轮组)的振动情况,传感器的采样率设置为机器工作速率的10倍。
比如,电机的转速为10,000 rpm,那么振动采样率为100,000 cpm(Cycles per minute)。

如果需要检查齿轮组的振动情况,传感器的采样率设置在工作速率乘以3倍的齿数的频率上(叶轮、轴承类似)。
比如,12齿的齿轮以10,000 rpm旋转,那么振动采样率为360,000 cpm。


二、以史为镜
常用的一种频谱分析的手段就是对比了:
首先,在机器状态良好的时候,比如新买来或刚修好时,采集和记录它的振动频谱图,把这种频谱图称之为“黄金参考”(Golden reference)。
之后,在机器日常运行的过程中,将采集到的振动频谱图,都与“黄金参考”进行对比,看是哪个部分发生了变化。
为保持一致性,后续的振动采样要和“黄金参考”使用相同的采样位置和方式。

【振动监测】机械振动的那些事3——振动频谱分析
图5 – 频谱对比

上图给出了一组对比示例,其中1X逐渐增大,说明振动信号呈周期性,频率和电机工作速率一致,此外,轴承(bearing)的振动也在增大,潜在的故障原因可能是转子不平衡或是不对中引起的。

有些检测仪器用瀑布图的做频谱对比,看上去会更加清晰:

【振动监测】机械振动的那些事3——振动频谱分析
图6 – 瀑布图


三、国际标准
既然频谱上可以看出振幅的变化,那么究竟变化到什么程度算大,什么程度算小呢?

其实国际标准化组织(ISO)提出了一些规范,比如,在ISO 10816-3中用振动速率的有效值来评估机器的工作状况。

【振动监测】机械振动的那些事3——振动频谱分析
图7 – ISO 10816-3

说明如下:
  • 标准中对机器进行分组(Group1~4),如分为额定功率大于15KW的泵,或是额定功率大于15KW小于300KW的机器,或是轴高大于等于315mm的电机等;
  • 每组机器里又分为刚性支承(rigid)和柔性支承(flexible);
  • 纵向就是振动速度的幅度,数值范围从0到11mm/s及以上;
  • 绿色为区域 A,表示振动速率的有效值正常,机器可以正常使用。
  • 黄色为区域 B,机器可以在没有任何约束的情况下继续使用。
  • 橙色为区域 C,振动速率的有效值在橙色区域中表示机器状况已不适合再继续使用,它只能维持有限的一段使用时间。建议在下一次维护中进行检测维修。
  • 红色为区域 D,危险的振动速率有效值,机器有可能随时随地损坏。

另外的一个ISO 7919-3中,对在旋转轴上的测量和评价给出了规范:

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图8 – ISO 7919-3

其中:
  • 横坐标为转速,单位为RPM;
  • 纵坐标为位移的振幅,单位为um;
  • 区域A、B、C、D的意义和ISO 10816中一样;

四、小结
振动频谱图揭示了很多关于机器工作状态的信息,在评估频谱图的时候,有些问题值得自问自答一下:
频谱图中展示了哪些振动峰值?
这些峰值和机器的工作频率(1X)有什么关系?是谐波还是非谐波?
这些峰值的幅度多大,是否处于合理范围?
这些峰值的振动源可能会是什么,是轴、轴承、还是齿轮?如7X和叶片的数量会不会有关系?
这些峰值之间的相互关系,为什么2X的振幅比1X的要大?……

当然,频谱不是万能的,也没有包含所有的信息。很多时候机器有多个振动源,如同时存在底座松动和转子不平衡的故障,这在频谱上可能都反映出1X的高振幅和其谐波,所以光看频谱难以得出有效结论。

总体上来说:
振幅揭示了机器振动的剧烈程度,频率揭示了机器振动的快慢;
其实,还有一个“相位”,揭示了机器振动的方式,比如振动如何传播?两个振动源之间如何影响?这些信息都蕴藏在相位中,它对确定故障源头很有帮助,我们下回再聊。

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