摘要：本文阐述了常见旋转机械故障产生的原因、频谱特征及分析方法，通过具体实例介绍了振动监测诊断技术中的频谱分析法在舰艇机电设备中的应用。
关键词：振动监测；频谱分析；故障诊断
前言
随着科学技术的发展，舰艇机电设备工作强度不断增大，自动化程度越来越高，同时设备结构和功能更加复杂，各部分的关联愈加密切，往往某处微小的故障就可能导致爆发连锁反应，使设备乃至整个系统遭受灾难性的毁坏，不仅会造成巨大的经济损失，而且会危及人员的生命安全，后果非常严重。运用监测诊断技术能够及时有效地评估设备状态，进行故障诊断，从而提高设备运行的可靠性，产生巨大的经济和军事效益。对于舰船机电设备而言，监测诊断就是要及时掌握设备状态，尽早预测故障，提高装备的完好率。振动监测诊断具有准确率高，便于在线监测等诸多优点而受到人们的普遍关注，在机械故障诊断的整个技术体系中居主导地位，广泛应用于各种舰艇机械设备（包括往复式机械和旋转机械）的监测诊断中。
1旋转机械的常见故障及其频谱特征
旋转机械在舰艇机电设备中应用十分广泛，是开展监测诊断的主要对象。对旋转机械进行振动监测诊断，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（振动速度、位移、加速度等）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做出判断，进而对于诊断有故障的机械给出故障部位、故障程度以及故障原因等方面的信息。对振动信号进行处理的基本方法有幅域分析、时域分析、频域分析和相域分析。频谱分析是信号频域分析的基础，是识别机械振动故障最常用的方法。应用频谱分析容易区分常见的不平衡、不对中、机械松动、轴承问题等几种旋转机械故障。[1]
1.1 不平衡
引起转子不平衡的原因是多方面的，转子材质不均匀，制造、安装过程中产生的误差，以及长期运行中产生不均匀磨损、腐蚀、变形，某些固定件松脱等方面的原因使得制造出来的转子几何中心线与旋转轴线不重合。[2]不平衡在时域波形图中与频域波形图中特征很突出，主要频谱图、时域波形图及其特征如下：
（1）频谱图中有较稳定的高峰，谐波能量集中在基频(1X)，其它倍频振幅很小；
（2）随着转速的升降，基频振幅随之升降；
（3）振动的时域波形为正弦波；
（4）轴向振动比径向振动小的多；
（5)轴心轨迹为圆或椭圆。
1.2 不对中
机组安装后，转子轴线或其延长线不重合，称为不对中，不对中分为三种情况：平行不对中、角度不对中、平行和角度不对中。当转子存在不对中故障时，不仅机器振动加大，还会发生轴承偏磨，联轴节过度发热，齿式联轴节齿面磨损，与半联轴节配合的轴端键槽产生裂纹，磨片联轴节疲劳损坏。[3]不对中故障产生的频谱图、轴心轨迹图、时域波形图及其特征如下：
（1）转子径向振动出现2倍频，以1倍频和2倍频分量为主，不对中越严重，2倍频所占比例越大；
（2）转子轴向振动在1倍频、2倍频甚至3倍频处有稳定的高峰，一般达到径向振动的50%以上，若与径向振动一样大或更大，表明情况严重，应及时处理，一般4~10倍频分量较小；
（3）轴承不对中时，径向振动较大，有可能出现高次谐波，振动不稳定；
（4）振动随负荷的增加而成正比增加，但转速影响不大；
（5）轴心轨迹成香蕉形或8字形；
（6）时域波形稳定，每转出现1个、2个或3个峰值。
1.3机械松动
机械松动分为结构松动和转动部件松动，造成机械松动的原因是：安装不良、长期工作造成过度磨损、基础或机座损坏或多部件零件破坏。[4]机械松动故障的频谱图及其特征如下：
（1）除基频分量外，还有很大的倍频分量，特别是3~10倍频；
（2）径向振动较大，特别是垂直径向振动较大；
（3）有时含有1/2倍频、2/3倍频、2/5倍频等分数倍频分量；
（4）轴向振动很小或正常；
（5）时域波形较杂乱，有明显的不稳定的非周期信号，可能存在大的冲击信号。
1.4轴承问题
旋转机械是故障诊断的重点，而很多旋转机械的故障都和轴承有关。据统计旋转机械的故障40%是由轴承引起的，它的好坏对机器的工作状况影响极大，轴承的缺陷会导致机器剧烈振动和噪声，甚至会引起设备的损坏。
轴承按其结构分为滚动轴承和滑动轴承。滚动轴承在运转过程中由于各种原因引起损坏，如轴承的材料缺陷，加工或装配不当，润滑不良，水分和异物侵入，腐蚀以及过载等可导致轴承过早损坏。主要故障表现为：疲劳剥落、磨损、塑性变形、锈蚀、断裂、胶合和保持架损坏。[5]
1.4.1滚动轴承
滚动轴承的特征频率与故障具体部位、滚动轴承零件几何尺寸、轴承工作转速等因素有关。如果不计轴承各元件弹性变形，并认为滚动与滚道之间为纯滚动，则各故障特征频率为：
（1）内环的频率为： fr=n/60
（2）保持架的旋转频率（或滚动体的公转频率）：
fc=1/2{1-d/D (cosβ)}fr
（3）外环故障频率：Zfc=Z/2{1-d/D (cosβ)} fr
（4）内环故障频率：Zfi= Z/2{1+d/D (cosβ)} fr 式中 Ｚ--轴承滚动体个数
D--轴承的节径
d--滚动体直径
β--接触角
1.4.2滑动轴承
滑动轴承可能有多种故障，其中包括间隙过大，油膜涡动和油膜振荡以及摩擦。造成这些故障的原因是装配不当，润滑不良，负荷欠妥，长久磨损及轴承设计不当等。滑动轴承的故障一般在频谱图上表现为半倍频故障，间隙过大时（4~10）倍频分量较显著，类似于机械松动的现象，但轴向振动较大；油膜涡动有较大的径向振动，频谱图中有明显而稳定的涡动频率分量（42%~48%），可能有高次谐波分量。[6]
涡动频率与机械松动或轴承摩擦区分：
（1） 为了区分涡动频率（42%~48%）分量与机械松动或轴承摩擦产生的1/2分量，须使用高分辨率频谱和峰值标记，应使频率分辨率达到转速的2%~5%；
（2） 机器启动过程中，如果达到临界转速时油膜涡动开始出现，则当转速超过临界转速后涡动仍会存在，当转速超过临界转速的两倍时，油膜振荡可能会出现。一旦出现油膜振荡，振幅急剧增大，即使再提高转速，振幅也不会减小；
（3）涡动频率与轴和轴承间隙有关，间隙增大时涡动频率减小；
（4）具有导向轴承的长垂直轴容易发生涡动，部分原因是由于轴上静载小。
2应用实例
2007年3月10日，在对xxx1舰机电设备进行普测时，利用轴承故障诊断仪T2000对该舰左主机滑油备用泵的轴承状况监测（测点布置如图一所示），发现测点3处的轴承冲击振动异常，dBm、dBc值如表1所示。针对监测结果，建议舰员对该轴承加强润滑，3月15日再次测量，dBm值仍然居高不下，说明该轴承故障不是由轴承内部缺乏润滑油所致，由此判断轴承部件受到严重损伤。为了进一步识别故障部件，弄清故障原因，利用vibXpert数据采集器对该轴承进行了振动监测，数据如表2所示。分析发现测点3处轴承振动较大，特别是径向水平振动测值达到了45mm/s。为此对该轴承进行频谱分析，波形图和频谱图如图3、4所示。监测工况：电机额定转速1480r/min,功率55KW，压力0.8Mpa,流量142 m3/h。
表1轴承冲击脉冲数据记录表
诊断分析：
（1）转速1480rpm，工频为24.66 Hz，测点3轴承内圈频率为121.93 Hz，外圈频率为75.38 Hz，滚动体频率为98.74 Hz。在径向频谱中出现了390 Hz、415 Hz和510 Hz信号以及大量高次谐波信号。
表2：测点3、4处的振动值
（2）频率识别：
nfi+f =3×121.93Hz+24.66Hz =390.45 Hz
nfi+2f =3×121.93Hz+2×24.66Hz =415.11 Hz
nfi+f =4×121.93Hz+24.66Hz =510.18 Hz
分析发现390 Hz、415 Hz和510 Hz频率成分是轴承内圈频率的边频。
（3）诊断结果：测点3处轴承内圈存在严重损伤。
（4）实际情况
对测点3处轴承进行拆卸检修，发现该轴承内圈点蚀严重，更换新轴承。2007年4月6日对左主机滑油备用泵轴承进行监测，并与同类舰同型设备轴承监测数据比较，数值相近，设备运行情况良好。
3结论
机械设备不出故障是不现实的，重要的是要掌握设备的运行现状，把握它的发展趋势，及时发现故障隐患。振动监测诊断技术的方法是灵活多样的，在平时的监测过程中，解决问题的关键是在掌握常见故障的典型特征的基础上，选择合适的监测仪器，运用合理的方法进行分析处理，对已形成或正在形成的故障进行分析诊断，判断故障的部位和产生的原因，并及时采取有效的防治措施，做到防患于未然。只要较好的运用振动监测诊断技术对舰艇机电设备进行监测诊断，就能够在允许的条件下充分挖掘设备潜力，延长使用寿命，降低设备全寿命周期费用。
参考文献：
[1] 韩捷，张瑞林. 旋转机械故障机理的诊断技术. 机械工业出版社，1996：11-18.
[2] 杨凤珍. 动力机械测试技术. 大连理工大学出版社，2005：180-182.
[3] 沈庆根，郑水英. 设备故障诊断. 化学工业出版社，2006：82-95.
[4] 易良榘. 简易振动诊断现场实用技术. 机械工业出版社，2003：52-55.
[5] 梅宏斌. 滚动轴承振动监测与诊断理论、方法. 机械工业出版社. 1997：41-44.
[6] 陈长征，胡立新. 设备振动分析与故障诊断技术. 科学出版社，2007：250-260.
[7] 张正松. 旋转机械振动监测及故障诊断. 机械工业出版社，1991.
