浅谈如何通过振动信号诊断机械设备故障

摘要：无论机器大小，精度的高低，在日常工作中都会产生振动，不同的机器故障对应着不同的振动特性，所以对机械设备的振动监测显得尤为重要。本文主要介绍了几种常用的振动信号分析方法，以及振动诊断的优势，并对它们的发展趋势进行了分析。

关键字：故障振动；振动监测；振动信号

一、 机械振动与故障设备

机械振动是日常工作中最常见的物流现象，一般情况下机械振动都是有害的，振动会破坏机械的正常运作。振动所产生的动载荷重会对机械本身造成损伤甚至降低机械的使用寿命。事物都有相对的一面，振动并不是没有优点，比如输送、夯实、脱水、振动筛等振动机就是利用了振动的优点去工作的。无论机器大小、精度高低，在日常的工作中都会产生不同的振动，振动的大小以及振动成分变化都会直接影响机器的运作，不同的机器对应着不同的振动特点。正是因为机器普遍存在着振动的这些特性，所以应用振动信号去监测设备故障已经成为了一种方法，一种手段。

二、 振动信号的诊断

一般的情况下，振动的时域信号总是杂乱无章的，无论是正常状态还是非正常状态，故障信息并不是直接显示出来的，并不是直接表露在外表让我们一眼就可以发现，所以要获得故障信息必须要对信号进行分析处理才可以。下面介绍几种常用的振动信号的分析方法。

1.时域分析。时域分析原理简单而且容易实现，它是信号分析方法中最基础的一个。主要包含时域波形、相关分析、概率密度、滤波处理等。主要是对振动时域信号的时间历程进程分析，适宜对信号中含有周期信号、谐波信号或短脉冲信号进行分析。利用时域波形分析可识别出共振现象和拍频现象。时域分析具有广泛的应用，主要面对的是一些变速、低速、重载的设备。由于某些机械设备的振动信号所包含的频率成分比较低，受诊断分析仪器的下限、分辨率及分析软件功能的限制，频谱分析的方法运用的就不是特别好。然而通过时域分析就很容易提取出信号的特征，随之它也成为了最直接、最有效的故障诊断方法。

2.倒谱分析。倒谱分析也叫二次谱分析，它在机械传动系统的故障诊断中展现出了非常特殊的优越性。它是检测复杂的图谱中周期分量的重要工具。由于机械设备中轴承和齿轮比较多，振动信号中调制现象普遍，肉眼难以识别谱图中谱线所展示出来的周期性，然而利用倒谱可以将谱图上的变频带谱线转变为单谱线，这样就便于识别系统特征的频率。当混有异族谱频、同族谱频、多成分多频和功率谱的成分比较复杂时，应用倒谱分析就最好的方法。

3.频谱分析。频谱分析是指对变化的信号在频率范围内进行分析，分析得出的结果是以频率为坐标的物理量的曲线和谱线，并得到以频率为变量的频谱函数。机械的振动信号一般是多种信号合成的复杂信号，它可以分解为一系列的谐波分量。这些谐波分量代表着各自对应的频率激励力和某些特定频率。通过频谱分析可以求出动态信号中的各个频率的分布范围；通过对测试波形的分析可得出频率的幅值，通过这些幅值的变化来校正测试波形；我们可以通过频谱分析提供的幅值、频率值、各种谱密度求得被测结构的模态参数和传递函数，为幅振、消振等问题提供解决的条件。

三、振动诊断的应用优势

（1）振动现象伴随着机械设备的运行而发生，机械设备一旦开启就会产生振动信号，故障信息就包含在振动信号内。

（2）振动问题在高速、重载荷的机械设备内时有发生，事故率极高。

（3）许多振动故障都会有明显的特征，非常容易识别。

（4）目前针对振动问题的检测方法、理论都比较成熟。

（5）振动诊断易于实现全程监控和在线诊断。

四、机械故障的特征分析

机械设备的故障诊断主要是针对旋转件的故障诊断，预先掌握故障的特征是对故障做出准确诊断的前提条件。故障特征主要包括以下几种。

（1）不对中故障。不对中故障是机械设备的一种常见的故障。迫使机械设备停机检修的原因有一半的原因是由不对中引起的。不对中分为两种情况，分别为转子不对中和轴承不对中。转子不对中的故障形式有可能是轴线形成的夹角角度不对中，也有可能是轴线平行偏移的高度不对中，还有可能是两者的结合。由于不对中所引起的故障的主要特征是二阶转速频率下的振动分量和轴向振动。

（2）动静件碰摩故障

转子质量的不平衡、转子不对中、转子弯曲、静止部件的不对中都有可能引起动静件碰摩。动静件碰摩分为两种情况，主要是径向碰摩和轴向碰摩。在机械运转时，局部的摩擦一般发生在整周摩擦前面，它会引起机械的不规则振动。随着振动的愈演愈烈，局部摩擦就会过渡到整周摩擦，从而导致机器发生严重的破坏。

（3）齿形误差。由于齿形误差产生的振动，使振动信号呈现出明显的调制现象。观察频谱可以看出，以齿轮的啮合频率及其倍频为频率的中心，在它的周围分布着以齿轮旋转频率为调制频率的边带。当齿轮的误差比较严重时，激振能力较大就会产生齿轮所在轴和其倍频为调制频率的齿轮共振频率调制现象。

（4）齿轮磨损严重。当齿轮的磨损发展到一定的程度时，啮合频率谐波幅值增大，阶数也会变得越来越高，谐波增大的幅度也越来越大。与此同时，振动的能量也有较大幅度的上升。

（5）断齿。它的时域波形表现为冲击型振动，频率相当于断齿轴的转频。在频域上多出现间隔为断齿轴转频的边频地带，它数量多、分布宽、幅值较大。

（6）轴不平衡。当轴的不平衡比较严重时，就会在齿轮传动中导致严重的齿轮误差，形成以啮合频率为载波频率，以齿轮所在轴方向的转频为调制频率的频率调制现象。但是在一般的谱图上边带的数量比较少。

五、结语

由于现代化生产机械设备的连续化、高速化、连续化，设备发生问题也时有发生，设备状态的检测与故障诊断也变得尤为重要，通过对振动信号的分析处理去解决机械故障存在的问题已经成为主要的方法之一。尽管近年来兴起的神经网络法、时频分析法仍不够成熟，但是随着研究工作的深入，这些方法也会变得越来越成熟。

参考文献

[1]郭伟，贺佳.时域波形分析在故障诊断中的重要性[J].设备管理与维修，2010，1：50-52.

[2]鲍明，赵淳生.齿轮故障诊断技术的研究[J].南京航空学院学报，1992（5）：56-57

[3]赵中敏.以振动信号分析方法诊断机械故障[J].中国设备工程，2006，11

[4]张连松.转子不对中时轴系振动响应分析与实验研究：[硕士学位论文]北京：清华人学精密仪器与机械学系，1988-11

[5]陆建湖.机械设备振动监测与故障诊断的发展与展望[J].广西工学院学报，1998，9（4）