曹梅
摘要机械振动是一种十分普遍的现象，凡是运动的机械不管多么精密，都存在程度不同的振动，有时人们用感官很难感觉到振动的存在，只有用现代仪器测量，才能揭示其真实面目。文章针对旋转机械的故障类型并结合烟厂实例对振动信号进行了分析。
关键词状态监测旋转机械故障诊断振动
中图分类号TH13文献标识码B
机械故障诊断就是通过测量机器的信息，比如振动信号，判断其运行状态的一种现代化设备管理方法，振动现象与其运行状态有着对应的关系。机械分为旋转机械和往复机械两种类型，它们在组成结构、动力学特征以及工作原理等方面都有所不同，故障信号的表现形式也存在差异。烟草行业大多采用旋转机械，例如SH8011隧道式烘梗丝机热风循环风机、SH9型叶丝在线膨胀干燥系统、高速卷接包机组的刀头组件、GDX2硬盒翻盖包装初胜且齿轮箱、B1高速包装机组转塔。这些设备都是生产线上的关键设备，对这些设备加强监测，防止发生故障，具有十分重要的意义。
一、旋转机械故障诊断的特点
旋转机械的核心部分是转子组件，它是由转轴及固定在其上的各类圆盘状零件组成。由于整个转子高速旋转，所以对其制造、安装、调试、维护管理都有很高的要求。如果其中某个零件出了问题，或在某个连接配合部位发生了异常的变动，就可能会引起机组的强烈振动，对这类机械进行故障诊断时，首先抓住各个故障的特征频率，对振动信号作频谱分析。通常采用傅里叶变换，将复杂的信号分解为有限或无限个频率的简谐分量，再把各次谐波按其频率大小从低到高排列起来就成了频谱。旋转机械的振动信号大多数是一些周期信号、准周期信号、或平稳随机信号。
旋转机械的每一种故障都有各自的特征频率，故障频率都与转子的转速有关，或等于转子的旋转频率（简称转频或工频）或倍频或分频。因此，分析振动频率与转频的关系是诊断旋转机械故障的一把钥匙。
二、旋转机械常见的故障
1．不平衡
转子不平衡引起的振动是旋转机械的常见的多发故障。产生不平衡的原因：旋转机械转轴上所装配的零部件，如果材质不均匀（如铸件中存在气孔、砂眼，加工误差）、装配偏心以及在长期运行中产生不均匀磨损、腐蚀、变形，或者某些固定件松脱、各种附着物不均匀堆积等各种原因，都会导致零件发生质心偏移而造成不平衡。不平衡包括静不平衡和动不平衡。
不平衡振动的频率一般很明显，主要表现不平衡转子的故障频率等于转子的旋转频率：
f0=fr=n/60
式中f0——转子的基频，Hz
fr——转子旋转频率，Hz
n——转子转速，r/min
除此之外，不平衡振动还会激起其他频率成分例如分频、倍频等。
不平衡引起的振动幅值在径向和轴向大小是不一样的，径向振动的比轴向要大，这是因为不平衡产生的离心力作用方向垂直于转子轴线所致，而在径向振动中，水平方向大于垂直方向，这是由于轴承座在垂直方向的动刚度一般大于水平方向的的原因。
影响不平衡振动的主要因素有三个，即转子质量m、质心到两轴承连线的垂直距离（即偏心距）e，转子的旋转角速度ω。转子旋转时产生的离心力Fc=m"e"ω，这个离心力作用在支撑转子的两个轴承上，方向垂直于轴承中心。一个作用于物体上的力，当大小或方向发生变化时，就会引起振动，这是造成不平衡振动的根本原因。从计算离心力Fc公式可知，不平衡振动对转速的变化反应最敏感，这一书寺点对于识别不平衡故障很有用处。
在诊断不平衡故障时，首先必须分析信号和频率成分，是否有突出的转频，其次看振动的方向特征，必要时再分析振幅随转速的变化情况，或测量相位。
采用903数据采集器对SH811隧道烘梗丝机热风系统风机轴承进行定期测试，电机为37kW，转速为2950r/min(转频为49.1Hz)，2004年1月16日测试中，发现风机轴承振动数据超标。水平方向振动值为25.4mm/s，频谱显示在50Hz频率出现异常峰值（图1），其频率正好与风机轴转频相一致，诊断为风机转子不平衡。当时因生产忙，设备拆卸较困难，没有及时检查。2004年1月29日，突然该风机出现严重抖动，如同火车的轰隆声，情况紧急，立即用采集器采集频谱，水平方向振动值逆到95mm/s，停初检查，发现风机扇叶上不均匀积厚达1cm，用铲子铲去积垢后再测试，水平振动值降为7.54mm/s（图2）。
2.转子不对中
转子不对中也是旋转机械常见故障之一，主要有：(1)转子与转子之间的联接不对中，主要反映在联轴器的对中性上。(2)转子轴颈与两端轴承不对中，对滑动轴承来说，这种情况产生的主要原因与轴承是否形成良好的油膜有直接关系。对滚动轴承来讲，主要是因为两端轴承座孔不同轴、轴承元件损坏、外圈配合松动，两端支座变形等（对电动机而言是前后端盖），都会引起不对中。
转子不对中将产生一种附加弯矩，给轴承增加一种附加荷，致使轴承上的负荷重新分配，形成附加激励引起机组强烈拆动，严重时导致轴承和联轴器的损坏、地脚螺栓断裂或扭弯、推膜失稳、转轴弯曲、转子与定子产生碰磨等后果。
不对中主要激发二倍转频或多倍转频振动。振动大小与不对中形式有一定关系，一般表现为轴向振动比较大。不对中引起的振动其振幅值与机器的负荷有一定的关系，一般随着负荷的增加而成正比的增加，然而对转速的变化影响不大。
厂里的薄片生产线压辊电机是滑差电机，使用时转速为1200r/min，转频为20Hz，功率为7.5kW。在一次测试中，发现电机轴承轴向振动超标为18.56mm/s，水平方向仅为2.9mm/s。采集轴向振动频谱图，发现一倍频、二倍频均出现异常峰值，时域波形显示明显的不对中（图3），判断为联轴器故障。检修联轴器，发现牙嵌式联轴器凸牙磨损严重，橡胶垫损坏。更换新件后，振动下降，频谱图如图4，一倍频、二倍频峰值已消失。但时域波形仍然存在问题，频谱成“截头状”，后经检查发现，电机端轴承外圈与轴承座因配合松动而引发摩擦所致。更换轴承后，频谱正常。
3．松动
机械松动也是旋转机械比较常见的故障，松动有两种情况，一种是地脚螺栓连接松动。它带来的后果是引起整个机器松动。另一种情况是零件之间正常的配合关系被破坏造成配合间隙超差而引起的松动，比如滚动与轴承的内圈与转轴或外圈与轴承座孔之间的配合，因丧失了配合精度而造成松动。
由松动引起的振动具有一定的非线性，其振动信号的频率成分相当复杂，除了基频(等于转频)以外，还产生高频次谐波和分频振动，频谱结构成梳状，有时还表现出一些方向特征很明显，主要在垂直方向很强烈。
一次监测中，发现烟丝风送高压风机出现较严重的振动，电机转速2950r/min，风机轴转速1500r/min，轴频为25Hz，测得故障频谱图如图5。图中有一倍频、二倍频、三倍频、四倍频、七倍频及高次谐振。判断为松动故障。经检查发现地脚螺丝松动，紧固后振动值下降，频谱正常。
4．摩擦
摩擦故障形式有多种多样。如转子与密封件的摩擦，转子与隔板之间的摩擦，电动机转子与定子的摩擦，叶轮、齿轮、风扇与机壳或护罩的摩擦、滚动轴承外圈与轴承孔、以及转轴与轴承内圈或转轴与其他零件因配合松动而引发的摩擦。
摩擦一般引起非线性振动，频带范围较宽，除了一倍基频外还有二倍基频、三倍基频等高次谐波，以及1/2、1/3等低次谐波。在某些清况下还会激起系统的固有频率。摩擦振动的时域波形上常常表现为削波状态，“截头余弦”形状（图4）的时域波形常被视为摩擦故障的重要标志。
5．滚动轴承引起的故障振动
滚动轴承的振动频率成分非常丰富，每一个元件都有各自的故障特征频率。特征频率的计算非常复杂，在现场不便进行，这里有几个简化公式，用起来比较方便，实际应用表明误差也不大。
内圈通过频率：f1=0.6frz
外圈通过频率：f0=0.4frz
保持架通过频率：fe=0.4fr
式中fr——轴频
z——滚动轴承的滚珠数
在诊断时通过频率分析不但可以发现故障，而且可以确定发生故障的元件。
厂里一台HT膨胀机电机转速为1440r/min，膨胀机转速为1125r/min，轴频为18.75Hz。轴承滚珠数为10个。在一段时间的运行中发现振动噪声较大，其频谱图如图6，以7.5Hz的频率峰最突出。计算出各个故障的特征频率，内圈通过频率：f1=0.6frz=112.5Hz，外圈通过频率：f0=0.4frz=75Hz，保持架通过频率：fe=0.4fr=7.5Hz。经拆开后发现保持架已破裂。更换新的轴承后，7.5Hz的频率峰值下降了很多（图7）。但还存在着非线性的故障，建议加强监测。
三、结语
在进行旋转机械的故障诊断时，往往故障与征兆之间不完全是一一对应的关系，有时各种故障同时发生，使频谱图更加复杂。随着状态监测技术不断的发展，识别频谱图，已成为一种新的工程技术。正确掌握振动标准也是一项重要的工作，除了采用绝对的国际标准外，企业还应根据不同设备的情况建立一套相对标准，即将测量值与初始值相比较作出判断。总之，正确判断故障，识别频谱图，不仅需要掌握相关振动学方面的知识，还要对所测的设备非常了解，认真听取现场操作人员、修理技术人员的意见后，才能得到符合实际情况的诊断结果。
参考文献
1屈梁生等．机械故障诊断学，上海：上海科学技术出版社，1986
2郑国伟等主编一设备管理与维修工作手册长沙：湖南科学技术出版社，1986
3雷继绕等一机械故障诊断基础知识．西安交通大学出版社，1997