振动诊断技术及其应用现状

在工业领域普遍存在的振动是衡量设备状态的重要指标之一，当机械内部发生异常时，设备就会出现振动加剧的现象。振动诊断就是以系统在某种激励下的振动响应作为诊断信息的来源，通过对所测得的振动参量（振动位移、速度、加速度）进行各种分析处理，并以此为基础，借助一定的识别策略，对机械设备的运行状态作出判断，进而对诊断有故障的设备给出故障部位、故障程度以及故障原因等方面的信息。由于振动诊断具有诊断结果准确可靠和便于实时诊断等诸多优点，因而它成为应用最广泛、最普遍的诊断技术之一。特别是近年来，随着振动信号采集、传输以及分析用仪器技术性能的提高，更进一步地促进了振动诊断技术在机械故障诊断中的应用。

5.2.1　机械振动及其测量

（1）机械振动

从物理意义来讲，机械振动是指物体在平衡位置附近作往复的运动。机械设备状态监测中常遇到的振动有：周期振动、非周期振动、窄带随机振动和宽带随机振动，以及其中几种振动的组合。周期振动和非周期振动属确定性振动范围，由简谐振动及简谐振动的叠加构成。

简谐振动是机械振动中最基本、最简单的振动形式。其振动位移x与时间t的关系可用正弦曲线表示，其表达式为

式中　D——振幅，又称峰值，2D称为峰-峰值，μm或mm；

T——振动的周期，即再现相同振动状态的最小时间间隔，s；

φ——振动的初相位，rad。

每秒振动的次数称为振动频率，显然振动周期的倒数即为振动频率，即

式中　f——振动频率，Hz。

振动频率f又可用角频率来表示，即

因此，式（5.1）还可表示为

此处，令ψ=ωt+φ。 ψ称为简谐振动的相位，是时间t的函数，单位为rad。

振幅、频率和相位是描述机械振动的三个基本要素。简谐振动除可用位移表示外，同样可用相应的振动速度和加速度表示。速度和加速度的表达式可由式（5.2）经过一次和二次微分求得

位移、速度和加速度是描述机械振动的三个特征量。

（2）振动测量

1）测量参数的选择

对于机电设备的振动诊断而言，可测量的幅值参数有三个：位移、速度和加速度。振动测量参数的选择应考虑振动信号的频率构成和所关心的振动后果这两方面的因素。

对简谐振动而言，加速度a、速度v和位移x这三者之间存在如下的关系式

由式（5.5）可以看出，f越大，则加速度和速度的测定灵敏度越高。因此，一般随着信号频率的提高，应依次选用位移、速度和加速度作为测量参数。三个测量参数的适用频率范围见表5.1。

表5.1　按频带选定测量参数

从振动后果方面考虑选择监测测量参数的原则：冲击是主要问题时，测量加速度；振动能量和疲劳是主要问题时，测量速度；振动的幅度和位移是主要问题时，测量位移。实际测量中，根据振动后果选择振动监测参数的方法见表5.2。

表5.2　根据振动后果选择振动监测参数

测量参数选择的另一个问题是振动信号统计特征量的选用。有效值反映了振动时间历程的全过程；峰值只是反映瞬时值的大小，与平均值一样，不能全面反映振动的真实特性。因此，在评定机电设备的振动量级和诊断故障时，一般首选速度及加速度的有效值，只在测量变形破坏时，才采用位移峰值。

2）测量监测点的确定

信号是信息的载体，如何选择最佳的测量点并采取合适的检测方法来获取设备运行状态的直接信息是一个非常重要的问题。如果因监测点位置选择不当使检测到的信号不真实、不典型，或不能客观地、充分地反映设备的实际状态，那么故障诊断的准确性就会大打折扣。一般情况下，确定测量点数量及方向时应考虑的总原则如下：

①应是设备振动的敏感点；

②应是离机械设备核心部位最近的关键点；

③应是容易产生劣化现象的易损点；

④采集的信号应能对设备振动状态作出全面的描述。

此外，选择监测点时还应考虑环境因素的影响，尽可能地避免选择高温、高湿、出风口温度变化剧烈的位置作为测量点。

在测轴承的振动时，测量点应选在刚度足够好的部位，同时应尽量靠近轴承的承载区，并与被监测的转动部件最好只隔一个界面，尽可能避免多层相隔，以减少振动信号在传递过程中因中间环节造成的能量衰减。在测轴承振动时，一般要从轴向、水平和垂直三个方向选定监测点。考虑到测量效率及经济性，可根据机械容易产生的异常情况来确定重点测量方向。从信号频段的角度来考虑，对于低频振动，应该在水平和垂直两个方向同时进行测量，必要时再在轴向进行测量；对于高频振动，一般只需在一个方向进行测量。这是因为低频信号的方向性较强，而高频信号对方向不敏感的缘故。

研究结果表明，在测高频振动时，测量点的微小偏移（几毫米）将会造成测量值的成倍离散（高达6倍）。因此，切记测量点一经选定，就应进行标记，以保证在同一点进行测量。

3）振动监测周期的确定

振动监测周期应以能及时反映设备状态的变化为基本原则来确定，因此，不同类型的设备在不同工况下其振动监测周期不相同。监测周期通常有以下三类：

①定期巡检

每隔一定的时间间隔对设备检测一次，间隔时间的长短与设备类型及状态有关。高速、大型的关键设备，检测周期要短一些；振动状态变化明显的设备，检测周期也应缩短；新安装及维修后的设备，应频繁检测，直至运转正常。

②随机点检

对不重要的设备，一般不定期地进行检测。发现设备有异常现象时，可临时对其进行测试和诊断。

③长期连续监测

对部分大型关键设备应进行在线监测，一旦测定值超过设定的阈值，监测系统即进行报警，提醒人们对机器采取相应的保护措施。

4）振动监测判断标准的确定

利用振动监测数值判断设备有无异常需要一个相关的判断标准，即被测量值多大时表明设备正常，超过哪个值时，说明设备异常。常用的判断标准有绝对判断标准、相对判断标准和类比判断标准。

①绝对判断标准

绝对判断标准是将被测量值与事先设定的“标准状态阈值”相比较，以判定设备运行状态的一类标准，它是在规定的检测方法的基础上制定的。常用的振动判断绝对标准有ISO 2372、ISO 3495、VDI 2056、BS 4675、GB/T 6075-1985、ISO 10816等。常用的机电设备振动速度分级标准见表5.3，其中A表示设备状态良好，B表示允许，C表示较差，D表示不允许状态。

表5.3　机电设备振动速度分级标准

旋转机械的振动位移标准如图5.2所示。它适用于振动不直接影响加工质量的机器。

②相对判断标准

对于有些设备，由于规格、产量、重要性等的不确定性，难以确定设备振动的绝对判断标准，此时可使用振动的相对判断标准，即将设备正常运转时所测得的值定为初始值，然后对同一部位进行测定，再将实测值与初始值进行比较，两值相比的倍数就定为相对标准。典型的相对判断标准见表5.4。

相对标准是应用较为广泛的一类标准，其不足之处在于标准的建立周期长，且阈值的设定可能随时间和环境条件（包括载荷情况）而变化。

③类比判断标准

数台同样规格的设备在相同条件下运行时，可通过对各台设备相同部件振动测试结果的比较来确定设备的运行状态，此法也称为类比法。通过类比法确定的机器正常运行时振动的允许值，即为类比判断标准。工程中适用于所有设备的绝对判定标准是不存在的，因此，一般都是兼用绝对判断标准、相对判断标准和类比判断标准，来获得准确可靠的诊断结果。

图5.2　旋转机械的振动位移标准

表5.4　振动相对判断标准

5.2.2　振动分析

振动分析就是将测量获得的振动信号中含有的与设备状态有关的特征参数提取出来。根据振动分析信号处理方式的不同，分为幅域分析、时域分析和频域分析。不同的振动信号分析方法可从不同的角度观察、分析信号，从而可根据不同需要得出各种信号处理结果。这里仅介绍一种幅域分析方法。

信号幅域分析是在波形的幅值上进行的，如计算波形的最大值、最小值、平均值、有效值等，它也研究波形幅值的概率分布问题。信号的幅值是从总体上反映信号强弱的特征参数。在幅域分析中，对波形幅值的研究通过以下几个参数进行。

（1）峰值Xp

峰值是表示振幅的单峰值。在实际振动波形中，单峰值表示瞬时冲击的最大幅值。 Xp-p表示振幅的双峰值，又称峰-峰值，它反映了振动波形的最大偏移量。

（2）平均值平均值是表示振幅的平均值，是在时间T范围内设备振动的平均水平。其表达式为

（3）有效值Xrms（均方根值）

有效值Xrms表示振幅的有效值，它表征了振动的破坏能力，是衡量振动能量大小的量。ISO标准规定，振动速度的均方根值（即有效值）为“振动烈度”，作为衡量振动强度的一个标准。有效值的数学表达式为

幅域分析法中，对波形幅值概率分布的研究是通过概率密度函数进行的。概率密度函数是表示信号幅值落在指定区间内的概率，它提供了关于振动信号的两个信息：一是信号幅值落在指定区间内的概率，二是信号沿幅值域分布的信息。例如，对于如图5.3（a）所示的信号，x（t）值落入（x，x+Δx）区间内的时间为Tx，即

图5.3　概率密度函数的计算

当样本记录的观察时间T趋于无穷大时，Tx/T的比值就是幅值落在（x，x +Δx）区间内的概率，即

定义幅值概率密度函数p（x）为

如图5.3（b）所示为信号沿幅值域分布的情况，坐标x表示信号x（t）值的大小，而阴影部分的面积则表示信号x（t）的值落在（x，x +Δx）区间内的概率。概率密度函数曲线与x轴所包围的面积是1。不同信号有不同的概率密度函数图形，可以借此识别信号的性质。图5.4为常见的四种信号的概率密度函数图形。

图5.4　四种信号的概率密度函数

概率密度函数可以直接用于机电设备的故障诊断。图5.5反映车床变速箱的噪声分布规律，可以看出，新旧两台变速箱的分布规律有明显的差异。新车床的概率密度函数图形呈“窄而高”的形态，而旧车床的图形呈“宽而矮”的形态。显然，旧机床噪声的幅值大于新车床的幅值。

图5.5　车床变速箱噪声的概率密度函数

5.2.3　齿轮故障的振动诊断

齿轮失效是造成机器故障的重要因素之一。据统计，在齿轮箱的各类零件的失效比例分别为：轴承19%、轴10%、箱体7%、紧固件3%、油封1%，而齿轮失效的比例则高达60%。齿轮失效后，会引起异常振动，通过对振动特性的分析，便可对故障进行诊断。引起齿轮振动的原因大致有如下三类：

1）制造误差引起的齿轮失效

齿轮制造时造成的主要误差有偏心、齿距偏差和齿形误差等，当齿轮的这些误差较严重时，会引起齿轮传动中忽快忽慢，使啮合时产生冲击，引起较大噪声等。

2）由于箱体、轴等零件的加工误差及装配方法等因素引起的齿轮失效

齿轮装配后会在齿宽方向产生只有一端接触或齿轮轴的直线性偏差（不同轴、不对中）等现象。在这种情况下，齿轮所承受的载荷在齿顶方向是不均匀的，因此会使齿轮的局部受力增加，个别齿载荷过重，从而引起齿轮的早期磨损，甚至断裂。

3）齿轮使用中的齿面损伤失效

齿轮使用中的齿面损伤失效主要为磨损失效、表面接触疲劳失效、塑性变形失效、轮齿损伤失效等。

（1）齿轮的振动机理

在齿轮传动过程中，每个轮齿是周期性地进入和退出啮合的，以直齿圆柱齿轮传动为例，其啮合区分为单齿啮合区和双齿啮合区。在单齿啮合区，全部载荷由一对齿副承担，当进入双齿啮合区时，载荷则分别由两对齿副按其啮合刚度的大小分别承担（啮合刚度是指啮合齿副在其啮合点处抵抗挠曲变形和接触变形的能力）。在这个过程中，引起齿轮振动的原因大致有以下三个方面：

1）齿副载荷变化

在单、双齿啮合区的交变部位，每对齿副所承受的载荷会发生突变，这种突变必将激发齿轮的振动。

2）啮合刚度变化

在传动过程中每个轮齿的啮合点均从齿根向齿顶（主动齿轮）或从齿顶向齿根（从动齿轮）逐渐移动，由于啮合点沿齿高方向不断变化，各啮合点处齿副的啮合刚度也随之改变，这种啮合刚度的变化，也将激发齿轮产生振动。

3）轮齿受载变形

齿轮在传动过程中其轮齿因受载变形会使基圆齿距发生变化，这将使轮齿进入啮合和退出啮合时产生啮入冲击和啮出冲击，从而使齿轮振动加剧。

由于以上原因引起的齿轮振动是以每齿啮合为基本频率进行的，其频率的高低与齿轮的转速、齿数等有关。当齿轮失效时，振动会加剧，随之会产生一些新的频率成分，齿轮故障的振动诊断就是利用这些特征频率进行的。

（2）齿轮故障振动诊断的特征频率

1）轴的转动频率及其谐频

由于齿轮-轴系统不平衡引起的离心惯性力，使齿轮-轴系统产生强迫振动，当转动频率接近齿轮-轴系统横向振动的固有频率时，将产生临界转速现象，使转轴大幅度变形，恶化齿轮的啮合关系，造成更大的振动。

齿轮及轴的转动频率fr为

式中　n——齿轮及轴的转速， r/min。

若齿轮已有一齿断裂，每转动一周轮齿将猛烈冲击一次，此时的振动频率结构将增加谐频成分，谐频为转动频率的整倍数，如2fr，3fr，…。

2）啮合频率

齿轮在啮合中由于节线冲击、啮合冲击、轮齿弹性、变形误差与故障等会使齿与齿之间发生冲击，冲击的频率称为啮合频率。

定轴转动齿轮的啮合频率为

式中　fr1——主动轮的旋转频率，Hz；

z1——主动轮的齿数；

fr2——从动轮的旋转频率，Hz；

z2——从动轮的齿数。

齿轮以啮合频率振动的特点如下：

①振动频率随转速变化而变化。

②当啮合频率或其高阶谐频接近或等于齿轮某阶固有频率时，齿轮将产生强烈振动。

③由于齿轮固有频率一般较高，因此这种振动振幅不大，常表现为强烈噪声。

（3）齿轮故障的振动诊断

齿轮故障的振动诊断是通过分析振动特性或由振动产生的噪声频谱实现的。齿轮振动诊断的主要项目是齿轮的偏心、齿距误差、齿形误差、齿面磨损和齿根部裂纹等。

齿轮工作中发生异常时的振动特性见表5.5。

表5.5　齿轮异常及其振动特性

由表5.5可知，各种齿轮异常的振动特性具有如下特点：

①当齿轮所有齿面均产生磨损或齿面上有裂痕、点蚀、剥落等损伤时，其振动频谱中存在啮合频率的2次、3次及高次谐波成分。

②当齿轮存在偏心时，齿轮每转中的压力时大时小地变化，致使啮合振动的振幅受旋转频率的调制，其频谱包括旋转频率fr、啮合频率fm成分及其边频带fm ±fr。

③齿轮回转质量不平衡。主要频率成分为旋转频率fr和啮合频率fm，但旋转频率振动的振幅较正常情况大。

④齿轮局部性缺陷是指齿轮个别轮齿存在折损、齿面磨损、点蚀、齿根裂纹等局部性缺陷时，在啮合过程中，该齿轮将激发异常大的冲击振动，在振动波形上出现较大的周期性脉冲幅值，其主要频率成分为旋转频率fr及其高次谐波nfm。

⑤当齿轮存在齿距误差时，齿轮在每转中的速度会变化，致使啮合振动的频率受旋转频率振动的调制，其频谱包括旋转频率fr、啮合频率fm成分及其边频带fm ±nfr（n=1，2，3，…）。

⑥高速涡轮增速机中所用的齿轮，其啮合频率高达5 kHz以上，其振动特性与常速旋转齿轮有所不同。常速旋转的齿轮，其振动波形包含啮合频率和啮合冲击引起的自由振动的固有频率两个主要成分；而高速旋转的齿轮，因啮合频率大于固有频率，故齿轮只发生啮合频率成分的振动，而不发生固有频率的振动。两种转速下的齿轮振动特性比较见表5.6。

表5.6　常速和高速齿轮的振动特性比较表

注： fm——啮合频率； fe——齿轮的固有频率。

5.2.4　滚动轴承故障的振动诊断

滚动轴承是机械系统中重要的支承部件，其性能与工况的好坏直接影响与之相连的转轴以及安装在转轴上的齿轮，甚至是整台机器设备的性能，在齿轮箱的各类故障中，轴承的故障率仅次于齿轮占19%。因此，开展对轴承的故障诊断具有很大的现实意义。

滚动轴承常见故障有磨损、疲劳、压痕、腐蚀、点蚀、胶合（黏着）以及保持架损坏等，当出现这些故障时，轴承必然产生异常振动和噪声，因此，可采用振动分析的方法对轴承故障进行诊断。

（1）滚动轴承的振动机理

正常情况下，滚动轴承的振动由以下五个方面的因素引起。

1）轴承刚度变化

由于轴承结构所致，滚动体与外圈的接触点变化，使轴承载荷分布状况呈现周期性变化，从而使轴承刚性参数产生周期性变化，由此引发轴承谐波振动。无论滚动轴承正常与否，这种振动都会发生。

2）运动副

轴承的滚动表面虽加工得非常平滑，但从微观来看，仍然是高低不平的，滚动体在这些凹面之上转动，会产生交变的激振力，从而引发振动。这种振动既是随机的又含有滚动体的传输振动，其主要频率成分是滚动轴承的特征频率。在轴承外圈固定内圈旋转时，滚动轴承的特征频率如下：

①内圈旋转频率

式中　n——轴的转速，r/min。

②滚动体公转频率

式中　D——轴承的节圆直径，mm；

d——滚动体直径，mm；

α——接触角，（°）。

③滚动体自转频率

④保持架通过内圈频率

⑤滚动体通过内圈频率

式中　z——滚动体数目。

⑥滚动体通过外圈频率

式中　z——滚动体数目。

3）滚动轴承元件的固有频率

滚动轴承元件出现缺陷或结构不规则时，运行中将激发各个元件以其固有频率振动。轴承元件的固有频率取决于本身的材料、外形和质量，一般为20～60 kHz。

4）滚动轴承安装

轴承安装歪斜、旋转轴系弯曲或轴承紧固过紧、过松等，都会引起轴承振动，振动的频率与滚动体的通过频率相同。

5）滚动轴承常见的异常状况

当轴承状况异常时，在激振力的作用下，轴承振动加剧，振动值变大。滚动轴承常见的异常状况可分为以下三种。

①表面皱裂是因轴承使用时间较长、轴承的滚动配合面慢慢劣化的异常形态。发生这种情况时，轴承的振动与正常轴承的振动具有相同的特点，即两者的振动都是无规则的，振幅的概率密度分布大多为正态分布，两者的唯一区别是轴承皱裂时的振幅变大了。

②表面剥落是疲劳、裂纹、压痕以及胶合斑点等失效形式所造成滚动面的异常形态，它引起的振动为冲击振动。在它的频谱中，一类为传输振动的低频脉动形式，另一类为轴承元件的固有振动。通过查找这些固有振动中的某一元件运行的特征频率是否出现，即可进行故障诊断。

③轴承烧毁是由于润滑状态恶化造成的，发生此类情况时，轴承的振动值将迅速增大。

（2）滚动轴承故障的振动诊断方法

滚动轴承故障的振动诊断方法有多种，下面对常用的振幅监测法和频谱分析法进行介绍。

1）振幅监测法

①有效值（均方根值）和峰值判别法

振动信号的有效值反映了振动能量的大小，当轴承产生异常后，其振动必然增大，因而可用有效值作为轴承异常的判断指标。有效值是对时间平均的，故适用于像磨损之类的振幅随时间缓慢变化的故障诊断。

峰值反映的是某一时刻振幅的最大值，因而适用于诊断像表面点蚀之类的具有瞬变冲击振动的故障诊断。

②波峰因数诊断法

所谓波峰因数，是指峰值与有效值之比。采用波峰因数进行诊断的最大特点，是因为它的值不受轴承尺寸、转速及载荷的影响。正常情况下，滚动轴承的波峰因数约为5，当轴承有故障时可达到几十，所以，轴承正常、异常的判定可很方便地进行。另外，波峰因数不受振动信号绝对水平的影响，测量系统的灵敏度即使变动，对示值也不会产生多大影响，此法适用于点蚀类故障的诊断。

2）概率密度诊断法

将滚动轴承的振动或噪声信号通过数据处理得到不同形式的概率密度函数图形，根据图形的形式可以初步确定轴承是否存在故障以及故障的状态和位置。无故障滚动轴承振幅的概率密度曲线是典型的正态分布曲线，而一旦出现故障，概率密度曲线就会出现变形情况。据此不难分析出如图5.6所示的四种不同状态轴承的工作状况。图5.6（a），接近高斯分布；图5.6（b），图形方差值较大，但无鞍形，可以说无明显故障；图5.6（c），图形特点是数据集中的成分大，在均值左右出现明显的鞍形，说明存在划伤现象；图5.6（d），图形方差值很大，数据非常分散，这是疲劳的明显特征。

图5.6　轴承的四种概率密度函数图

3）冲击脉冲诊断法

冲击脉冲诊断法的原理是：滚动轴承存在缺陷时，如有疲劳剥落、裂纹、磨损和滚道进入异物，会发生低频冲击，这种冲击脉冲信号不同于一般机器的振动信号，冲击脉冲的持续时间很长，其能量可在广阔的频率范围内发散，并由于结构阻力很快被衰减下去，冲击脉冲的强弱与轴承的线速度有关，反映了故障程度。

在冲击脉冲技术中，所用的通用测量单位称为冲击值dBsv。在测量到的轴承冲击值dBsv中，还包含了一个初始值dBt，也称为背景分贝值，其大小由轴承内径大小和转速高低确定，相当于一个没有任何损伤的轴承所具有的冲击值。轴承工作状态好坏的冲击值是dBsv与dBt的相对差值，称为标准值dBN，即

冲击脉冲计的刻度单位就是用dBN值表示的。

用dBN判断轴承状态的标准为：

0≤dBN≤20 dB　　　　　　　正常状态，轴承工作状态良好；

20≤dBN≤35 dB　　　　　　　　注意状态，轴承有初期损伤；

35≤dBN≤60 dB　　　　　　　　警告状态，轴承已有明显损伤。

使用冲击脉冲诊断法时，常常会由于经验不足或对设备工况条件考虑不周造成误诊，为防止这些情况的发生，采用该法时应注意以下两个问题：

①由于机器本身结构限制，无法完全达到SPM传感器安装标准时，会造成信号衰减。

②设备本身结构有较大误差，如出现轴弯曲、不对中等情况时，会造成轴承状态恶化前的误报警。