振动常用术语

“振动三要素” — 振幅、频率、相位

振幅是物体动态运动或振动的幅度，是振动强度和能量水平的标志，是评判机器运转状态优劣的主要指标。

振幅的量值可以表示为峰峰值（pp）、单峰值（p）、有效值（rms）或平均值（ap）。峰峰值是整个振动历程的最大值，即正峰与负峰之间的差值；单峰值是正峰或负峰的最大值；有效值即均方根值。

只有在纯正弦波(如简谐振动)的情况下，单峰值等于峰峰值的1/2，有效值等于单峰值的0.707倍，平均值等于单峰值的0.637倍；平均值在振动测量中很少使用。它们之间的换算关系是：峰峰值＝2×单峰值＝2×21/2×有效值。此换算关系并无多大的实用价值，只是说明振幅在表示为峰峰值、峰值、有效值时，数值不同、相差很大。

①振幅分别用振动位移、振动速度、振动加速度值加以描述、度量，三者相互之间可以通过微分或积分进行换算。

在振动测量中，除特别注明外，习惯上，振动位移的量值为峰峰值，单位是微米[μm]或密耳[mil]；振动速度的量值为有效值，单位是毫米/秒[mm/s]或英寸/秒[ips]；振动加速度的量值是单峰值，单位是重力加速度[g]或米/秒平方[m/s2]，1[g] = 9.81[m/s2]。

可以认为，在低频范围内，振动强度与位移成正比；在中频范围内，振动强度与速度成正比；在高频范围内，振动强度与加速度成正比。因为频率低意味着振动体在单位时间内振动的次数少、过程时间长，速度、加速度的数值相对较小且变化量更小，因此振动位移能够更清晰地反映出振动强度的大小；而频率高，意味着振动次数多、过程短，速度、尤其是加速度的数值及变化量大，因此振动强度与振动加速度成正比。

也可以认为，振动位移具体地反映了间隙的大小，振动速度反映了能量的大小，振动加速度反映了冲击力的大小。

在实际应用中，大型旋转机械的振动用振动位移的峰峰值[μm]表示，用装在轴承上的非接触式电涡流位移传感器来测量转子轴颈的振动；

一般转动设备的振动用振动速度的有效值[mm/s]表示，用手持式或装在设备壳体上靠近轴承处的磁电式速度传感器或压电式加速度传感器（如今主要是加速度传感器）来测量；

齿轮和滚动轴承的振动用振动加速度的单峰值[g]表示，用加速度传感器来测量。

②相位关系

在非简谐振动中，振动速度与位移之间的相位差并不是固定的，它取决于振动的具体形式和系统的物理特性。

在简谐振动中，由于振动位移、速度和加速度都是正弦或余弦函数，并且它们之间具有固定的相位关系（速度比位移超前π/2，加速度比位移超前π），这使得相位差的分析变得相对简单。

然而，在非简谐振动中，由于振动不是单一的频率分量，而是由多个频率分量组成，因此振动位移和速度不再是简单的正弦或余弦函数。在这种情况下，速度和位移之间的相位差可能随时间变化，并且可能不是常数。

要确定非简谐振动中速度与位移的具体相位差，通常需要对振动信号进行频谱分析，了解各频率分量的相位和振幅。通过频谱分析，我们可以获得振动信号在频域上的表示，进而分析不同频率分量之间的相位关系。

③高频振动

 值得指出的是，同一种故障在振动位移、速度和加速度频谱中表现出来的故障特征不完全相同。假设某故障振动位移信号频谱中10Hz、20Hz和50Hz分量幅值都为10μm。根据公式计算出每一频率分量的速度和加速度幅值，从而得到相应的振动速度和加速度频谱。高频分量在振动速度和加速度频谱中得到了明显“放大”。频率越高，速度和加速度频谱中高频分量的“放大”作用越明显。因此，对于高频振动故障，为了在故障的早期能够比较明显地反映出振动变化，采用振动速度或加速度监测比较有效。低频分量在振动位移频谱中得到了明显“放大”。频率越低，放大效果越明显。因此，对于低频振动故障，监测振动位移更能够突出反映振动变化。

④单位转换

振动位移、速度和加速度之间可以相互转换。虽然将位移信号对时间求导可以得到速度信号和加速度信号，但是由于求导过程中误差有可能会放大，实际上很少进行这样的转换。信号积分过程中误差是收敛的，因此，目前采用得比较多的是由加速度或速度信号积分求出位移信号。一些采用加速度传感器的振动仪表，可以通过积分同时测量出振动加速度、速度和位移值

振动烈度是振动标准中的通用术语，是描述一台机器振动状态的特征量。在我国及国际振动标准中，几乎都规定振动烈度的度量值为振动速度的有效值。

因此，可以认为振动烈度就是振动速度的有效值。所以，在对一般转动设备进行振动监测时，应测量振动速度的有效值（并要求在靠近轴承位置处的水平、垂直、轴向三个方向上进行测量，取最大值），因为只有振动烈度才有振动标准可以参照（大机组不完全如此），评定机器运转状态的优劣时才能做到有据可依。

右图为中石化旋转机械振动标准SHS 01003-2004关于机器振动烈度的评定等级表。我国及国际其它振动标准关于机器振动烈度的评定等级也大致如此。例如，ISO 3945对转速为600~12000 r/min，功率大于300kW的大型旋转机械的标准与此完全相同；德国工程师协会VDI 2056标准与此基本相同（低一格）。

其中，根据输出功率、机器—支承系统的刚性等将旋转机械分为如下4类：

Ⅰ～小型转机，如15 kW以下的电机；

Ⅱ～安装在刚性基础上的中型转机，功率在300 kW以下；

Ⅲ～大型转机，机器—支承系统为刚性支承状态；

Ⅳ～大型转机，机器—支承系统为挠性支承状态。

当支座的固有频率大于转子轴承系统的固有频率时，为刚性支承状态；当支座的固有频率小于转子轴承系统的固有频率时，为挠性支承状态。

频率f是物体每秒钟内振动循环的次数，单位是赫兹 [Hz]。

频率是振动特性的标志，是分析振动原因的重要依据。

周期T是物体完成一个振动过程所需要的时间，单位是秒 [s] 。例如一个单摆，它的周期就是重锤从左运动到右，再从右运动回左边起点所需要的时间。

频率与周期互为倒数，f＝1/T。

对旋转机械来说，转子每旋转一周就是完成了一个振动过程，为一个周期，或者说振动循环变化了一次。因此转速n、角速度ω都可以看作频率，称为旋转频率、转速频率、圆频率，或n、ω、f不分，都直接简称为频率，它们之间的换算关系为：f = n/60，ω＝2πf＝2πn/60≈0.1n，其中转速n的单位为转/分钟[r/min]，角速度ω的单位为弧度/秒[rad/s]。

振动频率也可以用转速频率的倍数来表示。

倍频就是用转速频率的倍数来表示的振动频率。

如果振动频率为机器实际运行转速频率的一倍、二倍、三倍、0.5倍、0.43倍、…时，则称为一倍频（习惯上又称为1X）、二倍频（2X）、三倍频（3X）、0.5倍频（0.5X）、0.43倍频（0.43X）、…等。其中，一倍频，即实际运行转速频率又称为工频、基频、转频，0.5倍频又称为半频。

例如：

某机器的实际运行转速n为6000 r/min，那么，转速频率＝n/60＝6000/60＝100Hz，其工频为100Hz，二倍频为200Hz，半频为50Hz。

通频振动是原始的、未经傅里叶变换分解处理的、由各频率振动分量相互迭加后的总振动。其振动波形是复杂的波形。

选频振动是从通频振动中所分解出来的、振动波形是单一正弦波的、某一选定频率的振动（如工频、0.5倍频、二倍频、…）。

各种不同类型的故障所引起的振动都有各自的特征频率。例如，转子不平衡的振动频率是工频，齿式联轴器（带中间齿套）不对中的振动频率是二倍频，油膜涡动的振动频率是0.5倍频(实际上要小一点)，等等。由各频率成分的幅值大小和分布情况，从中查找出发生了异常变化的频率，再联系故障特征频率探索构成振动激振力的来源，是判别振动故障类型通常采用的诊断方法。

但是反过来，某种振动频率又和多种类型的故障有关联。例如，动不平衡的特征频率是工频，但不能说工频高就是发生了动不平衡，因为某些轴承及不对中等故障的振动频率也是工频。因此，频率和振动故障的对应关系并不是唯一的。为了得到正确的诊断结论，需要对各种振动信息进行综合分析。

① 工频

工频成分在所有情况下都存在，工频幅值几乎总是最大，应该在其发生异常增大的情况下才视为故障特征频率。

工频所对应的故障类型相对较多。多数（60％以上）为不平衡故障，如转子发生机械损伤脱落（断叶片、叶轮破裂等）、结垢、初始不平衡，以及轴弯曲等；同时，相当数量（接近40％）为轴承偏心类故障，如间隙过大、轴承合金磨损、轴颈与轴承偏心、轴承座刚度差异过大等；此外，还有刚性联轴器的角度（端面）不对中；支座、壳体、基础的松动、变形、裂缝等支承刚度异常引起的振动或共振；运行转速接近临界转速；发电机及电动机转子偏心等。

② 二倍频

二倍频成分在所有情况下也都存在，幅值往往低于工频的一半，常伴有呈递减状的三倍频、四倍频、…，也应该在异常增大的情况下视为故障特征频率。

二倍频所对应的故障类型较为集中。绝大多数为不对中（含联轴器）故障，如齿式联轴器（带中间短接）和金属挠性（膜盘、叠片）联轴器的不对中、刚性联轴器的平行（径向）不对中。其中，既有安装偏差大所产生的冷态不对中，又有由温差产生的支座升降不均匀以及管道力所引起的热态不对中，以及联轴器损伤故障等；此外，还有概率较小的其它故障，如转动部件松动，转子刚度不对称（横向裂纹），支承刚度在水平、垂直方向上相差过大等。

③ 机器自身和基础或其它附着物的固有频率

④ 齿轮故障的特征频率

由于齿轮的轮齿在进入和脱离啮合时，载荷突变、碰撞加剧，瞬时的高频冲击振幅与周期性变化的转频振幅相互叠加而产生幅值调制；制造时的轮齿分度不均匀、即周节误差使旋转速率发生变化则产生了频率调制。

齿轮振动的特征频率为：fm ± i f ， i为正整数（i＝1，2，3，…）

式中，fm～啮合频率，为载波频率， fm＝f1z1＝f2z2，

其中， f1、f2、z1、z2分别为主动轮、从动轮的转速频率及齿数；

f～齿轮的转速频率，为调制频率。

表现在频谱图上，是以啮合频率fm为中心、以齿轮转速频率f为间隔，不太对称地分布于fm的两侧（对称度与周节误差相关），两侧称为边频带、边带。

如果缺陷分布较均匀、如磨损，频谱图上的边频带则显现为窄、高、起伏大；如果发生断齿或大的局部性缺陷，边带则宽、低、平。

⑤ 滚动轴承故障的特征频率

对于滚动轴承来说，由于轴承游隙的存在，滚动体在通过载荷方向时受力最大，反方向时最小或无。因此，每个滚动体在通过载荷方向时就会发生一次力的变化，内圈及轴颈、外圈及轴承座也同时受到一次激励，此激励频率称为滚动体的通过频率fe。显然，fe＝z fc，其中，z～滚动体个数，fc～滚动体的公转频率、也是保持架的旋转频率。