加载中…【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)
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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？）：
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：
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。
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）：
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。
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：
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。
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：
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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