振动三要素分析

说到振动的三要素，估计没有一个人不了解的，不就是幅值、频率和相位吗？这样的问题未免过于简单，大有蔑视他人之智商的嫌疑。

在刚刚接触振动的时候，我们给振动赋予了很多美丽的称谓，如机器的脉搏等等，但在故障诊断中，为什么对振动这个物理现象总是拿捏不准，有时会望而生畏呢？

答案就是《大学》中的论述，我们可能没有把振动的本末始终弄清楚。

振动因力而生，透过支撑刚度这一非线性的“介质”，我们得到的振动充其量也不过是一个二次信息。所以分析振动，应结合分析力和刚度的变化，才能够弄清楚振动变化的本末始终。站在这个角度上看振动，我们不会在简单地说振动大了不好，振动小了一定好，有时候振动峰值突然变小了，我们就会突然不笑了，因为极有可能是因为支撑刚度的突然增大而导致振动响应突然降低，转子与轴承摩擦的一瞬间是不是这样一个道理呀？

振动幅值是我们最熟悉的参数，也是我们拿来衡量机器运行状态的基本参数。当然，对于大多数情况，振动幅值是有使用价值的。振动标准就是基于机器转速（与激振力频率相关）来定义振动幅值的。

但是，按照幅值评价机器运行状态时应注意：对于以峰峰值计量的振动幅值，要特别注意信号的对称性特征。

一般来说，若振动信号分布是对称的，说明机器振动在这个方向上的支撑刚度是均匀的；反之，若出现较明显的不对称特征，则说明该方向上支撑刚度是不均匀的，就应查找发生这种支撑刚度不均匀的原因。

同样，以半峰值计量振动幅值时也应注意对称性问题。例如，我们在测量滚动轴承引起的振动时，当振动信号分布均匀时，即便是有明显的冲击特征，充其量这个阶段是局部故障发展期，滚动轴承仍然有一定的剩余寿命，但是振动信号呈现很明显的不对称性时，说明滚动轴承的支撑刚度开始变得不均匀，不对称特征越明显，支撑刚度均匀性越差。我们很容易会联想到如果轴承保持架破裂，支撑刚度就会不均匀。用信号的不对称特征诊断滚动轴承保持架破裂非常有效，这是在实际中经过验证了的。

还有一种计量单位是信号的有效值，它反映了振动的平均能量，而且具有较好的稳定性，故经常用于机器的振动保护中。

我们还是以滚动轴承为例，从故障发展的始终顺序看，当轴承存在局部缺陷时，峰值首先变大，但有效值不会有明显的变化；当局部故障发展到整个滚道时，振动的平均能量增大，即有效值增大，标志着滚动轴承故障进入发展期。在故障发展期，峰值和有效值可能同步增大，等峰值不再增大时，这个时间点作为更换轴承的节点是比较安全的。

因此，有时候我们用一种计量单位来评价振动时，关注的角度是不一样的。建议同时进行不同的计量，通过这些计量参数的变化，可帮助我们找到故障发展的本末始终。

在综合状态评价体系中，采用了多参数、多角度和多尺度的“三多”原则，共计用了27项指标评价一个测点的状态，其效果还是令人满意的。正所谓“横看成林侧成峰”，不同的观察角度能够提供的信息是不同的。

在振动标准中并非未考虑频率的影响，但是考虑的比较粗糙，因为不可能考虑的很细致，那样也不现实。但是频率的影响确实很重要，这就是为什么很容易把故障诊断和频谱分析联系起来。

都江堰的安澜索桥的振幅大约有半米，但仍然是安全的，因为其频率很低；如果一台转速为5000rpm的机器振动幅值达到100微米，估计所有的人员都会很紧张。离开了频率，单纯的幅值并不能说明什么。

我们这里不说什么样的频谱特征与什么故障有什么关系，我们要说的是频率在振动中的作用。在振动联想中定义异常状态时，其中一项是“出现新的频率成分”。

一般来说，在振动频率结构相对稳定的情况下，相同的幅值反映了相同的工作状态；但是当出现一个或数个新的频率成分时，一定是机器的工作状态发生了变化。

有一本振动监测的指导类小册子上有一幅频谱示意图，上面划分了数种故障特征频率在频谱上的位置，其实就是说明当出现这些特征频率时，就表明存在这种故障了。如果我们再细分，就会发现，即便是出现某种故障特征时，故障所处的阶段不同，起频率特征分布也是不同的：故障初期大概只能出现特征频率的基频（这个基频与工频没有任何关系，即便是与转速成一定的比例关系，纯粹是一种数学上的关系），但随着故障的进一步发展，会出现特征频率的低次谐波和高次谐波。这就是故障发展的本末始终。

在诊断滚动轴承故障时，用的诊断模型采用了“3个频段6个数值段”的模式类型，根据不同频段、不同的取值范围、不同的报警阈值和频段变化特征来评价滚动轴承当前的状态和故障所处的阶段。

说到频率，还有一点需要注意：不同频率的振动对机器的影响系数是不同的。旋转力是振动幅值最大的贡献者，能够占到90%，如果摩擦力和冲击里也占到90%，那机器还能运行吗？所以看幅值谱的时候，还不能简单地看谁的个儿高，还要看清它是谁。有的频率成分幅值高点儿没事儿，有些频率成分露个头就可能出事儿。看人下菜不对，看频率成分分析故障绝对没错。

除了分析平衡问题，相位的地位远没有幅值和频率那样受到重视。无论大家清楚与否，我们还是先把相位的定义复述一下。

相位是触发脉冲信号前沿到前振动信号的第一个正峰值的角度。即触发脉冲在前，振动信号的正峰值在后。因此，相位是触发脉冲和振动信号两者之间的位置关系。如果是正脉冲，则从脉冲的上升沿计算；如果是负脉冲，则从脉冲的下降沿计算。

1X信号的相位是按上述的定义计算的，2X相位也是这样计算的。不论是多少阶振动信号的相位，都是触发脉冲前沿到前振动信号第一个正峰值的角度，只是高阶相位物理意义不明确，在实际应用中很少涉及。

在一定转速下，振动信号与激振力之间的角度差是恒定的，但是我们不能确定是多少，只能知道在多大的范围内变化。

我们知道，在键相传感器和振动传感器安装位置不变的情况下，仪器指示相位应该是相同的。但如果是临时安装的传感器，不同的仪器指示相位可能不同。

若键相传感器顺转动方向移动，即触发脉冲信号滞后，仪器指示相位减小；反之，仪器指示相位增大；若振动传感器顺转动方向移动，振动信号之后，仪器指示相位增大；反之，仪器指示相位减小；仪器指示相位变化因机组垂直和水平方向上支撑刚度特性不同未必与传感器移动角度保持严格一致。

说到相位，就不能不说一说动平衡问题。动平衡过程中需要加试重，加试重的角度对平衡效果影响很大，我们希望找到真正的不平衡角度，这样就可以在其相反的方向上加试重，但是这个角度我们只知道在某一个范围内，而不知道其确切的位置。

试重角度可按以下方法反推：

键相传感器与键相标志（凸台或键槽）对准，从振动传感器逆转相位角找到振动高点；由振动高点顺转滞后角，找到不平衡力的角度，其对面即为加重角度；根据键相标志与平衡配重之间的关系，在转子上找到加重位置；转子采用刚性支撑的系统，当平衡转速小于临界转速时，滞后角为0～90°；在临界转速附近时，取滞后角等于90°，当平衡转速大于临界转速时，取滞后角90～180°；柔性支撑系统工作转速下轴瓦振动的滞后角普遍比刚性支撑要大。

来源：汽车NVH云讲堂