机械振动故障诊断分析指南

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机械异常振动，通过故障诊断确定故障的部位，确定故障原因最终提出修改建议。从目标来分，可分为在线诊断和离线诊断。本文着重叙述生活中家电产品所遇到的振动故障问题，略微区别于工业机械中所说的故障诊断。家电企业不会像大型工业机械在产品上长期进行机械振动的监测，而是把重点放在产品开发过程的验证和控制，来保证大批量生产后产品的可靠性、低振动低噪声，保证产品竞争力。量产后作为不定期监测发现差异点，保证产品一致性。但总体来说，振动分析是相通的，通过振动频率点找振源。

故障诊断在工作实践中，更多的是读取频谱信息，其次掌握产品工作原理、传递路径，熟练使用各种振动测量仪器，另外就是对长期工作经验的积累。选择合适的振动分析方法，合适的振动参数能够帮助我们迅速找到问题并解决。

一、振动术语

振动是指物体反复前后、左右或上下运动的状态，即物体的往复运动。一般用频率、位移、速度和加速度来表示。这4个元素一般表示为F、D、V、A。这可以简单地用弹簧和质量来说明，当质量从起始位置被拉下来并释放时，质量移动就像图中所示的振动波形一样。

1. Frequency——频率，F

单位时间内完成周期性变化的次数，是描述周期运动频繁程度的量，常用符号f 或ν 表示，单位为秒分之一，符号为s-1。为了纪念德国物理学家赫兹的贡献，人们把频率的单位命名为赫兹，简称“赫”，符号为Hz。每个物体都有由它本身性质决定的与振幅无关的频率，叫做固有频率。

2. Displacement—— 位移，D

用位移表示物体（质点）的位置变化。定义为：由初位置到末位置的有向线段。其大小与路径无关，方向由起点指向终点。它是一个有大小和方向的物理量，即矢量。

3. Velocity——速度，V

用速度来表示物体运动的快慢和方向，速度在数值上等于物体运动的位移跟发生这段位移所用的时间的比值。

4. Acceleration——加速度，A

速度对时间的变化率，表示速度变化的快慢。加速度表征单位时间内速度改变程度的矢量。一般情况下，加速度是个瞬时概念，它的常用单位是米/秒2、m/s2等。

单位关系（速度、加速度、位移）

二、测量函数

1. 简谐振动三要素

Amplitude——振幅，A：

  · 偏离平衡位置的最大值，描述的大小。

  · 振幅是故障的烈度。

Angular frequency——角频率，ω：

  · 描述振动的快慢，单位为rad/s。

  · ω=2πf=2π/T。

Initial phase——初相位，ϕ：

  · 描述振动在起始瞬间的状态。

2. 振动时域参数

Peak——峰值：

  · 峰值在一定时间内持续。

  · 用来测量相当稳定的冲击或波。

RMS——Root Mean Square value， 均方根值也称有效值：

  · 在一定时间内，瞬时值的均方根值。

  · 其与波的能量有关，速度的均方根值是机械状态诊断的重要因素之一。

Average——平均值

Peak to Peak——峰峰值：

  · 主要应用于位移。

各振动参数间关系（正弦波常数）：

  · 正弦波的有效值、峰值、峰峰值与平均值相互间的关系。

  · 峰值因子=峰值/有效值（适用于任何变量）。

三、振动的类型

根据人类感知器官（眼手耳） 的不同，振动可分为三种类型：

  · 慢动作可见、可视。使用位移量单位，表现在低频抖动，如管路的振动。

  · 触摸无形但有感觉。使用速度或者加速度单位，用手可以感觉到。

  · 触摸无形，但可听为异常噪音。使用加速度单位，可以听到。

示意图

四、常见故障特征
机械产品中主要有如下故障特征（可利用振动频率进行诊断），换句话说振动分析可以检测如下问题：

  · Mass Unbalance 动平衡

  · Eccentric Rotors 转子偏心

  · Bent Shaft 轴弯曲

  · Misalignment 不对中

  · Mechanical Looseness, Improper Component Fit, and Soft Foot 机械松动

  · Belt Drive Problems 皮带驱动问题

  · Gearbox failures 齿轮失效

  · Bearing failures 轴承失效

  · Resonance and natural frequencies 共振问题

  · Electrical Problems in Motors 电机电气问题。由于作用在转子或定子上的磁力不均等，会出现电气问题。这些不均匀的磁力可能是由于：Open or short windings of rotor or stator 转子绕组开路或短路；Broken rotor bar 转子破损；Eccentric rotor 转子偏心；Unbalanced phases 相不平衡；Unequal air gaps 气隙不稳等。

  · Critical speeds 临界转速

五、常见故障频率特征

上述故障问题，利用采集振动频谱分析，根据表1中列出的频率点，初步判断问题所在。

  · 机械问题：不平衡、不对中、松动、轴弯曲和轴承等问题。

  · 电气和电磁问题：运转速度、磁力、松动等问题，如想了解更多内容可以参阅 《IEEE Std 1415 ™ -2006 感应机械维修测试和故障分析指南》。

表1 典型电磁问题引起的振动频率（文献1）

备注：由于篇幅所限，不做具体说明。

六、常见振动分析方法

1. Time waveform 时间波形

2. Fast Fourier Transform (FFT) FFT 分析

3. Phase measurement 相位测量

4. Modal Analysis & Resonance Testing 模态分析与共振测试

5. Finite Element Analysis (FEA) 有限元分析

6. Operating deflection shape analysis（ODS）

7. Sound intensity 声强测试

8. Order Analysis 阶次分析

9. Envelope analysis 包络分析

10. Power spectral density (PSD) 功率谱密度

参考文献：

[1] IEEE Std 1415 ™ -2006  IEEE Guide for Induction Machinery Maintenance Testing and Failure Analysis, New York, NY 1001 6-5997, USA April 2007.

[2] https://www.mobiusinstitute.com/

[3] ISO 10816-1 Mechanical Vibration - Evaluation of machine Vibration by measurements on non-rotating Parts -Part 1:General guidelines

[4] SKF, Vibration Diagnostic Guide

[5] Glenn H. Bate, B.Sc, M.Sc, Dip. UCL. Bruel&Kjcer, Vibration Diagnostics for Industrial Electric Motor Drives

[6] Alfonso Fernandez, study of vibration.

[7] Garrett Sandwell, Learn About Vibration Volume 1: Basic Understanding of Machinery Vibration, VIBES Corp, 2019

[8] Jaafar Alsalaet, Vibration Analysis and Diagnostic Guide, University of Basrah. June 2012

[9] Jonathan Trout,Vibration Analysis Explained,Noria Corporation

[10] 黄志坚, 机械设备振动故障监测与诊断,化学工业出版社, 2010

来源：噪声振动News微信公众号（ID：Noise_Vibration），作者：麦克斯。