设备振动诊断的开展方法

来源：《设备综合诊断技术讲座——现场设备振动诊断的开展方法》，作者：谷立臣教授。

振动参数是指振动的位移、速度和加速度。一般情况下，低频的振动强度由位移值度量，中频的振动强度由速度值度量，高频的振动强度由加速度值度量。在现场设备诊断中，大多采用速度作为测量振动的参数。

振动的位移、速度和加速度分别用D，V 和A 来表示。

表1 美国ANSI S2..17-1980标准推荐的有关振动参数相宜的测振频率范围

振动幅值有三种表示方法，如下图所示。

• 峰值，峰值能指示波的最大位移。峰值又有单峰值、双峰值。峰值在测量设备振动位移或冲击能量时特别有价值。

  
  

• 平均值，从数学关系上看是波形绝对值的平均。

  
  

• 有效值，从数学关系上看是均方值的平方根。有效值是对幅值的最贴切量度。因为它既顾及波的时间历史，同时又给出一个与内含能量直接有关的幅度值，是一个常用的振动幅值。

各种振动参数幅值的符号表示如下

简谐振动，峰值、平均值和有效值三者之间的数学关系是：

• 峰值：D

  
  

• 平均值：Dav=0.637D

  
  

• 有效值：Drms=0.70D

如果把振动看作是设备的脉搏，振动测量是给设备搭脉，那么，测点的布置就是给设备选择穴位。

测点布置应该注意如下几点：

1. 测点应该选择信号传递路线最短的位置，尽量减少中间界面。

2. 应该选择能反应设备工作状态的信号反应敏感部位作为测点，如轴承座、机座等，一般都选为典型测点。

3. 测点一旦选定，应在设备上做好定位标记。因为在一个测点上，如果位置稍有变化，则振动测量的结果是不相同的。如下图中，同样是测量某一点钢结构支座的基础振动，A点的振动比B点要小，这是由于A、B两点的位置不一样，支座的刚性不一样，振动测量的结果就不一样。

4. 一般情况下，在一个测点上要用X、Y、Z 三个方向的振动来评定。因为像低频振动（对于高频振动，一般无方向性，通常只从一个方向来测量），由于载荷的影响或故障的变化，造成一个测点在三个方向上振动的变化是不一样的，总有一个或两个方向上会有敏感的反应。例如：不平衡在水平方向上表现突出，不对中则反应在轴向上，而设备松动在垂直方向上最容易发生。

5. 应考虑现场临时增加测点的可能性，这对于一些大型机组和现场发现已有故障迹象的设备是十分必要的。对于现场发现已有故障迹象的设备，通过增加临时测点，进行搜索性的补充性的测量，以更全面更准确地查出故障。

6. 测点布置直接关系到测量结果，测量前应做好两项准备：

• 第一，查阅有关设备的技术资料，对设备的结构原理、机械运动动力学、故障机理等要有一个透彻的了解；

  
  

• 第二，要到现场实地考察，主要察看传感器的安装位置是否安全可靠，测点布置方案一旦形成，就要绘制设备简图，并标注测点和写上编号。

7. 绘制一张简洁明了又不失完整的设备简图，对于以后的振动测量和振动分析是至关重要的。设备简图应该包括：

• 设备的全部主要零部件；

  
  

• 每一个零部件的转速；

  
  

• 驱动装置的功率；

  
  

• 每个轴承点的位置；

  
  

• 设备基础；

  
  

• 设备辅助装置；

  
  

• 收集有关设备振动的信息并标注在设备简图的相应部位，例如轴承型号，如是滚动轴承，还须了解滚珠（柱）的数目，齿轮的齿数、风机的叶片数和泵的叶片数等。

设备运行有各种工况。如：轻载与重载、快速与慢速、高压与低压、起动与制动、温度变化和流量变化等。在各种工况条件下，设备的振动情况是不一样的，其测量结果也会不同。

在给设备作定期的状态监测与趋势分析时，为了保证对每一次振动测量的数据的可比性和有效性，一般可选择设备的稳定工况作为振动测量的工况。

在需要给设备作故障诊断时，在现场许可的情况下，一般应选择最能暴露设备故障的工况作为振动测量的工况，因为这时记录下来的包含有故障信息的振动信号，对以后的频谱分析是十分重要的。

测试周期没有统一的标准，即使是同类型的设备，在不同的使用环境条件下，其技术状况的变化也不完全一样。所以，测试周期应该根据设备的具体运行状况来制定。

测试周期确定必须注意三个问题：

• 测试周期必须和设备的技术状况同步。同步的具体含义是，当设备处于正常稳定的运行状态时，测试周期可长一些；当设备处于跑合或劣化阶段时，就必须缩短测试周期。

  
  

• 必须对设备的劣化速度进行研究。如果把每一次测试的数据，绘制成技术状态变化的趋势图，然后根据数据增长的变化率，可以清晰地反映设备的劣化速度，从而制定相应的测试周期。

  
  

• 对于一般转速的、劣化过程发展缓慢的设备，可采用周期性的测试方法，也称为离线监测；而对于高速旋转的、其劣化异变是瞬时发生的设备，则需要进行现场跟踪实时测量，也称为在线监测。

表2 各类设备标准测试周期的例子

振动测量频带设置的原则是：应保证设备振动的所有特征频率都能记录下来。为此我们必须注意两个方面：

• 通过计算，了解设备的特征频率。这里包括设备的转频、倍频、结构固有频率、以及故障发生时的特征频率。

  
  

• 在选择传感器、振动测试仪时，应注意它们的频响范围是否与设备的特征频率相匹配。

有时一台设备的转频在1kHz以下的低频段，而其故障发生时的特征频率又在1kHz以上的高频段，为了频谱分析的需要，可以分两次设置频带分别记录两次信号，一次设在1kHz，另一次设在5kHz，这样，既可清晰地看到设备的转频，又可捕捉到设备在高频段的故障信号。

设备振动测试是一项严密而又细致的工作，为了保证设备振动信号能准确无误地记录下来，在测试前要做好以下准备工作：

1. 被测设备的技术调研工作。

• 首先，应查阅设备的技术档案，包括设计图纸，运行统计资料，故障维修记录等。通过查阅资料，做到对设备的历史状况有一个概貌性的了解；

  
  

• 第二，到现场认识和了解设备，通过看、听、闻、摸，实地考察设备的现场运转情况，同时察看传感器的安装位置；

  
  

• 第三，向现场操作人员和维修人员了解设备的技术状况，要重视他们提供的信息。

2. 制订测试方案。

一次成功的诊断往往与一个严格的、准确的、完整的测试方案有关。测试方案应包括：

• 确定测试的技术路线，即选用哪一套测试分析仪器对现场诊断最有效。例如，对一些运行比较稳定、振动信号变化较小的设备，往往采用离线监测的方法，如采用数据采集器——计算机系统，先在现场把设备振动信号记录下来，然后把信号输入计算机通过专用软件进行分析诊断；对一些运行不稳定、有冲击振动且振动变化大的设备，对一些十分重要、不能轻易停机的大型机组，则往往采用在线监测的方法，如电厂普遍采用的用于监测汽轮发电机组的电涡流传感器——本特利振动计系统。

• 绘制设备简图，注上测点编号。

  
  

• 频率计算，对被测设备的主要特征频率进行计算，这些频率包括：旋转机械转子的基频、齿轮箱的齿轮啮合频率、轴承的故障特征频率、风机叶片的通过频率、机座的共振频率等。通过频率计算，可为测试仪器的频带设置提供依据，同时也为以后的频谱分析作准备。

  
  

• 选择并在测试仪器上设置振动参数、振动幅值和测试分析频带。

  
  

• 选择测试周期。

  
  

• 选择测试工况。

• 检查设备的安装情况，保证测点与设备不产生共振，保证相对测量在不同地理位置对相同或不同的设备进行测量时具有可比性。
  

  
  

• 测量径向振动时，传感器应相对于设备上的被测轴径向安装；测量轴向振动时，应相对于被测轴平行安装。

  
  

• 传感器的连接方式有刚性螺栓连接、双头螺栓连接、绝缘螺栓连接、粘结、磁吸座连接等。在离线振动测试中，磁吸座连接是一种常用且方便的方法，但在现场使用中，要注意连接部位的接触稳定良好，特别是连接像轴承座的圆弧曲面时。

  
  

• 对运行状态下的设备进行测量时，除非要反映过渡状态，一般应在设备达到额定的负载、速度、热稳定性状态后进行。

  
  

• 应考虑背景振动（设备尚未运转时由外界引起的振动）的影响，如背景振动达到或超过被测设备的5%时，应对其进行修正。

  
  

• 应考虑到电场和磁场对测量的影响，如有信号输出（如50Hz电流信号），则应对传感器加以屏蔽或接地，信号线应重新布置并远离动力线。