信号频谱分析的应用

华中科技大学机械学院2.3非周期信号及其频谱第二章、信号分析基础2.3-2频谱分析的应用——故障诊断在机械设备故障诊断技术中，针对不同的情况，存在不同的信号分析方法，而频域分析更是发挥至关重要的作用。一般说来，频谱分析是故障诊断的关键。频域分析法主要是对信号的频率结构进行分析，确定信号是由那些频率成分所组成，以及这些频率成分幅值的大小。通过对“故障特征频率”及“故障特征频率幅值”的分析，就可以准确地对设备的故障情况进行诊断。华中科技大学机械学院第二章、信号分析基础2.3-2频谱分析的应用——故障诊断在分析谱图时应抓住重点，忽略次要因素，以确定故障类型，找出设备存在的问题。在分析振动谱图时，有两条原则：（1）频率形态（大小及其变化等）代表故障类型；（2）幅值代表故障劣化程度。华中科技大学机械学院转动机械常见故障的频率特征强迫振动类故障自激振动类故障R:转动频率故障名称频率特征转动特征故障名称频率特征转动特征不平衡1×R同步正进动油膜涡动(0.4~0.49)×R正进动热弯曲1×R同步正进动油膜振荡等于低阶固有频率正进动不对中2×R正进动气隙振荡等于低阶固有频率正进动磁拉力不平衡2N×RN为磁极对数正进动内腔积液失稳前0.5×R失稳后为低阶固有频率正进动松动1×R,2×R等也有1.5×R,2.5×R等转子内阻失稳前0.5×R失稳后为低阶固有频率正进动齿轮故障啮合频率等于齿数×R，边带频率…径向摩擦失稳前小于低阶固有频率失稳后等于低阶固有频率反进动滚动轴承外环故障…内环故障…滚珠故障…轴向摩擦失稳前小于低阶固有频率失稳后等于低阶固有频率华中科技大学机械学院例1利用频谱诊断发动机连杆轴承间隙发动机连杆轴承间隙变化时的振动功率谱间隙增加，功率谱幅值也相应增加，并且在1.2kHz处尤其明显，谱峰值随连杆轴承间隙的增加而呈抛物线关系增加。因此，利用这一关系可诊断出连杆轴承间隙的大小。华中科技大学机械学院例2不平衡故障泵、风机、电动机使用一段时间后，由于磨擦、积灰等原因，使转子质心改变，出现不平衡（电动机由于润滑脂过量也会引起不平衡）。不平衡的特点是：1、振动频率单一，振动方向以径向为主。在工频（亦称转频）（1X）处有一最大峰值，（转子若为悬臂支承，将有轴相分量）；2、在一阶临界转速内振幅随转速的升高而增大；3、谱图中一般不含工频（1X）的高次谐波（2X、3X……）。华中科技大学机械学院一台射流泵正常运转时在工频（1800r／min）处幅值最大，达1.5μm（图5-1）。3个月后再测量，同一处的最大峰值已是2.83μm（图5-2），达到泵安全运行的报警值。拆机修理发现一异物缠绕在叶轮上，改变了质心。除异物，工频处幅值仅为0.97μm（图5-3），振幅明显减小，泵运行正常。5-35-4华中科技大学机械学院例3不对中及轴弯曲就旋转机械而言，70％-75％的振动是不对中引起的。不对中有两种：平行不对中和角度不对中。平行不对中径向振动比较突出，角度不对中轴向振动更突出、两者在机器端部或联轴器两边都有180°的相位差。不对中振动的特点：1．在2X处有大的能量分布；2．随着不对中程度的增加，产生很大的轴向振动分量；3．在联轴器的两边振动的相位关系是180°＋30°；4．在2X处的幅值大于1X处的50％时意味不对中程度已加剧。华中科技大学机械学院图5-5是一台水泵的谱图，图中2X处也有峰值，该处幅值已明显增大并超过1X调处的幅值（图5-5），说明不对中已比较严重。检查发现不对中量达0.254mm。找正后谱图（图5-6）2x处的幅值已明显变小，机组运行相当平稳。5-55-6华中科技大学机械学院5-75-8例4机械松动即使装配再好的机器运行一段时间后也会产生松动。引起松动的常见原因是：螺母松动、螺栓断裂、轴径磨损、甚至装配了不合格零件。具有松动故障的典型频谱特征是以工频为基频的各次谐波，并在谱图中常看到10X。国外有人认为，若3X处峰值最大，是轴和轴承间有松动，若4X处有峰值，表明轴承本身、松动。图5-7是一台电机地脚螺栓诊断的谱图。但更换地脚螺栓后，谱图上除工频处有一峰值，其它峰值均已消谢图5-8）。