旋转机械振动状态监测过程中常用的图谱简析

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　　波德图

　　图1 波德图

　　波德图是反映机器振动幅值、相位随转速变化的关系曲线，见图1。图形的横坐标是转速，纵坐标有两个，一个是振幅的峰-峰值，另一个是相位。从波德图上我们可以得到以下信息：

　　    · 转子系统在各种转速下的振幅和相位;
　　    · 转子系统的临界转速;
　　    · 转子系统的共振放大系数(Q=Amax/ε)，一般小型机组Q在3～5甚至更小，而大型机组在5～7，超过上述数值，很可能是不安全的;
　　    · 转子的振型;
　　    · 系统的阻尼大小;
　　    · 转子上机械偏差和电气偏差的大小;
　　    · 转子是否发生了热弯曲。

　　由这些数据可以获得有关转子的动平衡状况和振动体的刚度、阻尼特性等动态数据。

　　极坐标图

　　图2 极坐标图

　　极坐标图是把振幅和相位随转速变化的关系用极坐标的形式表示出来，见图2。图中用一旋转矢量的点代表转子的轴心，该点在各个转速下所处位置的极半径就代表了轴的径向振幅，该点在极坐标上的角度就是此时振动的相位角。这种极坐标表示方法在作用上与波德图相同，但它比波德图更为直观。

　　振幅-转速曲线在极坐标图中是呈环状出现的，临界转速处在环状振幅最大处，且此时从弧段上标记的转速应该显示出变化率为最大。用电涡流传感器测试轴的振动时，在极坐标图中可以很容易得到轴的原始晃度矢量，即与低转速所对应的矢量。从带有原始晃度的图形要得到扣除原始晃度后的振动曲线也很容易做到，为此，只要将极坐标系的坐标原点平移到与需要扣除的原始晃度矢量相对应的转速点，原图的曲线形状保持不变。这样，原曲线在新坐标系中的坐标即是扣除原始晃度后的振动响应。

　　频谱瀑布图

　　图3 频谱瀑布图

　　用某一测点在启停机(或正常运行中)时连续测得的一组频谱图按时间顺序组成的三维谱图就是频谱瀑布图，见图3。图中Z轴是时间轴相同阶次频率的谱线集和Z 轴是平行的。从图中可以清楚地看出各种频率的振幅随时间是如何变化的。

　　极联图

　　图4 极联图

　　极联图是在启停机转速连续变化时，不同转速下得到的频谱图依次组成的三维谱图。它的Z 轴是转速，工频和各个倍频及分频的轴线在图中是都以0点为原点相外发射的倾斜的直线。在分析振动与转速有关的故障时是很直观的。该图常用来了解各转速下振动频谱变化情况，可以确定转子临界转速及其振动幅值、半速涡动或油膜振荡的发生和发展过程等。

　　轴心位置图

　　图5 轴心位置图

　　轴心位置图用来显示轴颈中心相对于轴承中心位置。这种图形提供了转子在轴承中稳态位置变化的观测方法，用以判别轴颈是否处于正常位置。

　　当轴心位置超出一定范围时，说明轴承处于不正常的工作状态，从中可以判断转子的对中好坏、轴承的标高是否正常，轴瓦是否磨损或变形等等。如果轴心位置上移，则预示着转子不稳定的开始。通过对轴颈中心位置变化的监测和分析，可以预测到某些故障的来临，为故障的防治提供早期预报。

　　一般来说轴心位置的偏位角应该在20°～50°之间。

　　轴心轨迹图

　　图6 轴心轨迹图(提纯)

　　轴心轨迹一般是指转子上的轴心一点相对于轴承座在其与轴线垂直的平面内的运动轨迹。通常，转子振动信号中除了包含由不平衡引起的基频振动分量之外，还存在由于油膜涡动、油膜振荡、气体激振、摩擦、不对中、啮合等等原因引起的分数谐波振动、亚异步振动、高次谐波振动等等各种复杂的振动分量，使得轴心轨迹的形状表现出各种不同的特征，其形状变得十分复杂，有时甚至是非常地混乱。

　　振动趋势图

　　图7 振动趋势图

　　在机组运行时，可利用趋势图来显示、记录机器的通频振动、各频率分量的振动、相位或其它过程参数是如何随时间变化的。

　　这种图形以不同长度的时间为横坐标，以振幅、相位或其它参数为纵坐标。在分析机组振动随时间、负荷、轴位移或其它工艺参数的变化时，这种图给出的曲线十分直观，对于运行管理人员来说，用它来监视机组的运行状况是非常有用的。

　　波形频谱图

　　图8 波形频谱图

　　在对振动信号进行分析时，在时域波形图上可以得到一些相关的信息，如振幅、周期(即频率)、相位和波形的形状及其变化。这些数据有助于对振动起因的分析及振动机理的研究。但由于从波形图上不能直接得到我们所需要的精确数据，现在已经很少有人用它来确定振动参数。但它可以在实时监测中作为示波器用来观察振动的形态和变化。

　　我们知道，对于一个复杂的非谐和的周期性的振动信号，可以用傅立叶级数展开的方法得到一系列的频率成分。对振动波形进行FFT处理则得到振动的频谱分布，即频谱图，该图反映了振动的频率结构。

　　图9 频谱分析的示意图

　　本文摘录自阿尔斯通创为实培训教材《旋转机械状态监测与故障诊断讲义》，作者：陈国远。