什么是振动分析？

快速回答

振动分析 是指测量和解释旋转机械的机械振荡，以便在不拆卸的情况下诊断故障的过程。使用方法 快速傅里叶变换 (快速傅里叶变换），将复杂的振动信号分解成各个频率分量。每个故障都会产生一个特征频谱 "指纹"： 不平衡 转速为 1×转/分、, 错位 2倍，松动为多次谐波，轴承缺陷为非同步频率。轴承 平衡仪-1a 在一台便携式仪器中同时进行平衡和频谱分析。.

每台旋转机器都会振动。在健康的机器中，振动是低而稳定的，这是其正常的 "运行特征"。随着缺陷的产生，振动会以可预测的方式发生变化。通过测量和分析这些变化，我们可以找出根本原因，预测故障，并在发生灾难性故障之前安排维修。这是 预测性维护.

FFT：频谱分析的核心

振动传感器（加速度计）将机械振荡转换为电信号。随着时间的推移显示出来，这就是 波形 - 当存在多个故障时，会出现一条复杂、看似混乱的曲线。FFT（快速傅立叶变换）可将这一复杂信号分解为各个正弦波分量，每个分量都有自己的频率和振幅。.

将 FFT 想象成一个三棱镜，将白光分割成彩虹。复杂波形是 "白光"--FFT 揭示了隐藏在其中的各种 "颜色"（频率）。结果就是 振动频谱 - 的主要诊断工具。.

旋转频率
f₁ₓ = RPM / 60 (Hz)
1× = 轴旋转频率 - 所有频谱分析的参考频率

主要频谱参数

  • 频率（X 轴，赫兹）： 振荡发生的频率。与振源直接相关。1× = 轴速。2× = 两倍轴速。.
  • 振幅（Y 轴，毫米/秒有效值）： 每个频率的振动强度。峰值越高 = 能量越大 = 情况越严重。.
  • 谐波： 基数的整数倍：2×（2nd）、3×（3rd）、4×等。它们的存在和相对高度带有诊断信息。.
  • 相位 (°)： 不同测量点的时间关系。对于区分不平衡（同相）和错位（180°）至关重要。.

振动测量单位：位移、速度、加速度

振动可以通过三种不同的物理参数来测量。每种参数都强调不同的频率范围，因此适用于不同的诊断任务。了解何时使用哪种参数是有效分析的基础。.

📏 位移

微米（峰峰值）或密耳
最佳范围 1-100 赫兹

如何衡量 最远的 表面移动。强调低频--是慢速机器、轴轨道分析和轴颈轴承接近探头的理想选择。1 mil = 25.4 µm。.

📈 速度

毫米/秒（有效值）
最佳范围 10-1000 赫兹

如何衡量 快 表面移动。表面移动 标准参数 适用于 ISO 10816 标准的一般机械监控。频率响应平缓，对大多数故障类型具有同等权重。. Balanset-1A 的测量单位为毫米/秒有效值。.

💥 加速度

m/s² 或 g（有效值/峰值）
最佳范围 500 Hz - 20 kHz+

测量 强逼 的振动。强调高频--是早期轴承缺陷、齿轮啮合和冲击的理想选择。1 g = 9.81 m/s²。用于包络/解调分析。.

何时使用每个参数
范围单元频率范围最适合标准
位移微米（峰峰值）1-100 赫兹慢速机器 (< 600 RPM）、轴轨道、接近探测器、轴颈轴承ISO 7919（轴振动）
速度毫米/秒 有效值10-1000 赫兹通用机械监控 - 不平衡、错位、松动。默认参数。.ISO 10816、ISO 20816
加速度g 或 m/s² RMS500 Hz - 20 kHz早期轴承缺陷、齿轮啮合、冲击、高速机械ISO 15242（轴承振动）
单频转换
v = 2πf · d | a = 2πf · v = (2πf)² · d
d = 位移（米），v = 速度（米/秒），a = 加速度（米/秒²），f = 频率（赫兹）
💡 经验法则

如果您只有一个传感器和一个参数可供选择，那么 选择速度（毫米/秒有效值）. .它以平坦的响应涵盖了最广泛的常见故障。Balanset-1A 将其作为本机参数。只有在需要以高频率捕捉早期轴承或齿轮缺陷时，才增加加速度测量。.

使用 Balanset-1A 的测量技术

传感器放置

诊断质量完全取决于测量质量。振动力通过轴承传递，因此传感器必须安装在轴承座上 - 尽可能靠近轴承，安装在承重结构上（而不是轴承盖或冷却片上）。.

  • 表面处理： 清洁、平整、无漆片。磁性底座必须平齐。.
  • 径向水平（H）： 垂直于轴，水平面。通常振幅最大。.
  • 径向垂直（V）： 垂直于轴，垂直面。.
  • 轴向 (A)： 与轴平行。对检测偏差至关重要。.
💡 双通道诊断技巧

Balanset-1A 有 2 个通道。诊断时，将两个传感器安装在 一样 一个径向，一个轴向。这样就能同时获得径向和轴向光谱，从而即时检测出不对中情况。.

Balanset-1A 诊断模式

  • F1 - 频谱分析仪： 全 FFT 显示。主要诊断模式。.
  • F5 - 测振仪： 快速评估。比较 V1s（总有效值）与 V1o（1×）。如果 V1s ≈ V1o → 不平衡。如果 V1s ≫ V1o → 其他故障。.
  • F8 - 图表： 详细的频谱和时间波形。最适合谐波模式和轴承频率。.
⚠️ V1s 与 V1o - 首次诊断检查

平衡前，比较 V1s 和 V1o。如果 V1s ≫ V1o（例如，8 mm/s 与 2 mm/s），则大多数振动并非来自不平衡。平衡并不能解决这个问题 - 检查整个频谱。.

相位分析--诊断鉴别器

频率告诉你 什么 正在振动；相位告诉你 如何. .两个故障可能产生相同的频谱（都以 1× 为主），只有相位分析才能将它们区分开来。相位是不同测量点振动之间的角度关系，单位为度（0°-360°）。.

阶段 → 诊断参考表
相位关系测量点诊断解释
0°（同相位）轴承 1 ↔ 轴承 2（径向）静态不平衡两个轴承同步移动 - 在转子中心有一个重点。单平面校正。.
~180°（反相位）轴承 1 ↔ 轴承 2（径向）动态（耦合）不平衡轴承反向摇摆 - 不同平面上的两个重点形成摇摆耦合。需要双平面校正。.
约90°水平 ↔ 垂直（同一方位）不平衡（任何类型）不平衡时为正常状态 - 力矢量随轴旋转，在同一点 H 和 V 之间产生 ~90° 角。.
约180°横向耦合（径向）平行偏差耦合力推动轴在相反的径向方向上分开。高 2× 的 180° 跨耦合是其特征。.
约180°跨联轴器（轴向）角度偏差轴向交替推/拉。180°轴向跨联轴器与高 1× 和 2× 联轴器是确定的。.
0°跨联轴器（轴向）不是错位两侧轴向移动方向相同 - 可能是热膨胀、管道应变或软脚。不是角度偏差。.
不稳定任何一致的观点机械松动相位读数在两次测量之间随机跳变--这是松动接头受到冲击的特征。不稳定的相位 = 松动。.
慢慢漂移任何时间点共振或热效应预热过程中的渐进相移表明结构刚度随温度变化而变化（热错位）。.
一致，非 0/180°轴承 1 ↔ 轴承 2综合静态 + 耦合不平衡相位在 0° 和 180° 之间，表示静态和耦合成分的混合--需要双平面平衡。.
使用 Balanset-1A 进行相位测量

Balanset-1A 以转速计为基准，以 1 倍（测振仪模式下的 F1 值）显示相位。要比较两个轴承之间的相位，请在相同的参考标记上用转速计沿相同的方向（如水平方向）测量每个轴承。相位读数的差异将显示故障类型。无需特殊软件，只需减去两个读数即可。.

故障 1：不平衡

原因： 质量中心偏离旋转轴。制造公差、沉积物堆积、侵蚀、叶片断裂、重量损失。.

光谱： 主峰值正好为 1× RPM。谐波极低。径向振动。振幅随转速增加²（二次方）。相位稳定且可重复。.

静态不平衡（单翼）

纯 1× 峰值正弦波形。两个轴承同相。单平面校正。.

静态不平衡 - 25 赫兹（1500 转/分）时为 1 倍。谐波最小。.

动态不平衡（双平面/耦合）

也是 1× 优势，但方位相差 ~180°。需要双平面校正。.

动态不平衡 - 1× 主导。频谱与静态相似，但在轴承处相位不同。.

行动： 履行 转子平衡 与 Balanset-1A 一起使用。G 级公差 ISO 1940-1.

故障 2：轴未对准

原因： 耦合轴的轴线不重合。可以是平行（偏移）或成角（倾斜），通常两者兼而有之。.

平行偏差（径向）

径向高 1× 和 2×。2× 通常≥ 1×。耦合时相移 180°。.

平行偏差 - 径向。强 1× 和 2×，轻微 3×。.

角度偏差 - 径向

径向存在 1× 和 2×，但通常以 2× 为主。.

角度偏差 - 径向 (R)。2× > 1×.

角度偏差 - 轴向

轴向振动 ≥ 50% 的径向振动。轴向联轴器相位 180°。这是关键的测量值。.

角度偏差 - 轴向 (A)。轴向偏差高达 2 倍。.

行动： 平衡不会有任何帮助。停机并进行轴校准。之后重新检查振动。.

故障 3：机械松动

原因： 结构刚度损失 - 螺栓松动、地基裂缝、轴承座磨损、间隙过大。.

部件松动

"谐波 "森林"--1×、2×、3×、4×......直至 10× 以上，振幅递减。可能会出现 0.5 倍的次谐波。.

元件松动 - 1× 至 10× 的多次谐波。注意 0.5 倍次谐波。.

结构松散

1× 和/或 2× 主音。很少有高次谐波。强烈的垂直振动。.

结构松散 - 1× 和 2× 占主导地位。高次谐波最少。.

行动： 检查并拧紧安装螺栓。检查地基。经常检查松动情况 前 平衡。.

故障 4：滚动轴承缺陷

原因： 滚道、滚动体或保持架出现点蚀、剥落、磨损。.

轴承缺陷频率
BPFO = (n/2)(1 - Bd/Pd-cos α) - fs
BPFI = (n/2)(1 + Bd/Pd-cos α) - fs
BSF = (Pd/2Bd)(1 - (Bd/Pd-cos α)²) - fs
FTF = ½(1 - Bd/Pd-cos α) - fs
n = 滚动体 | Bd = 滚珠直径 | Pd = 节距直径 | α = 接触角 | fs = 转速/60

外齿圈缺陷 (BPFO)

在 BPFO、2×BPFO、3×BPFO 处出现一系列峰值......无 1× 边带（静止环）。最常见的轴承故障。.

外圈缺陷 - 在非同步频率上出现 BPFO 谐波。无边带。.

内齿圈缺陷 (BPFI)

具有 ±1× 边带的 BPFI 谐波（旋转环、负载区调制）。边带模式是关键的标识符。.

内滚道缺陷 - 带有 ±1 倍边带的 BPFI 谐波（主峰两侧的较小峰值）。.

滚动体缺陷 (BSF)

BSF 谐波。2×BSF 通常占主导地位。非同步。常伴有赛损。.

滚动体缺陷 - BSF 谐波。注：2×BSF 最高（两元件损坏）。.

保持架缺陷（FTF）

次同步峰值（FTF ≈ 0.4× 轴速）。频率低。通常伴随其他轴承损坏。.

保持架缺陷 - FTF 和谐波低于 1 倍轴速（次同步）。.
轴承缺陷进展（4 个阶段）

第 1 阶段 - 地下： 超声波区域（> 5 kHz）。在标准 FFT 中不可见。可通过尖峰能量/包络检测。.

第 2 阶段--早期缺陷： 出现轴承频率（BPFO、BPFI）。低振幅。此时 Balanset-1A 开始检测。.

第 3 阶段--已取得进展： 多重谐波。出现边带。本底噪声上升。.

第 4 阶段--高级： 宽带噪声。轴承频率可能会消失在噪音中。急需更换。.

包络（解调）分析 - 早期轴承检测

标准的 FFT 频谱分析可检测出第 2 阶段以后的轴承缺陷。但在第 1 阶段，轴承的撞击太微弱，不会出现在噪声本底之上。. 包络分析 (也称为解调或高频检测，HFD）将检测扩展到更早的阶段。.

如何使用

当滚动体撞击缺陷时，会产生一个短的撞击脉冲，激发高频结构共振（通常为 5-20 kHz）。每次撞击时，这些共振都会短暂 "响起"。包络分析分为三个步骤：

  1. 带通滤波器 隔离冲击环所在的高频共振频段（如 5-15 kHz）。.
  2. 整改和封套： 提取振幅调制模式--跟随振铃峰值的 "包络"。.
  3. 包络的 FFT 对包络信号进行 FFT 处理。结果显示 重复率 等于轴承缺陷频率（BPFO、BPFI、BSF、FTF）。.
信封为何能更早检测

在原始频谱中，BPFO 处的微弱撞击可能会产生 0.1 mm/s 的速度--在 2 mm/s 的机器噪声中是看不见的。但在没有其他振动源的地方，同样的撞击会激发 8 kHz 的共振。解调后，BPFO 的重复模式从干净的背景中清晰地显现出来。.

相关参数

  • 斯派克能源公司 (SE)： 全面测量高频冲击能量。标量趋势值。适用于 "去/不去 "筛选。.
  • gSE / HFD / PeakVue： 信封派生参数的特定供应商名称。所有这些都基于相同的原则。.
  • 加速度包围 Balanset-1A 以速度（毫米/秒）为单位进行测量。要进行全包络分析，最好使用具有加速度输入和带通滤波功能的专用分析仪。不过，Balanset-1A 的 FFT 仍能在标准速度频谱中有效检测出 2+ 级轴承缺陷。.
内齿圈缺陷的包络谱 - BPFI 谐波从解调后的高频信号中清晰显现。与原始速度频谱相比，这些谐波可能隐藏在噪声中。.

行动： 检查润滑情况。计划更换轴承。增加监测频率。.

故障 5：齿轮缺陷

原因： 磨损、凹坑或断齿。齿轮偏心率。GMF = 齿数 × 轴转速 / 60。.

齿轮偏心率

在 ±1× 轴速下带有边带的 GMF。齿轮的 1× 也可能升高。.

齿轮偏心率 - 频率为 500 Hz、边带为 ±1× 的 GMF。升高 1 倍。.

齿轮齿磨损/损坏

带有密集边带的多个 GMF 谐波。严重程度与边带数量和振幅相关。.

齿轮磨损--GMF 和 2×GMF，多边带间隔为 1×。.

行动： 检查变速箱油是否有金属颗粒。安排检查时间。监控 GMF 边带趋势。.

电气故障（电机）

电磁故障在以下位置产生振动 2 倍线路频率 (50 赫兹电网为 100 赫兹，60 赫兹电网为 120 赫兹）。关键测试：振动消失 顷刻间 当电源被切断时。机械故障会逐渐衰减。.

  • 定子偏心率： 2 倍线路频率，稳定振幅。.
  • 转子杆缺陷： 滑频间隔下线路频率附近的边带。.
  • 软脚 松开单个电机支脚时，振动会发生变化。.

故障 7：皮带传动问题

原因： 皮带磨损、错位或张紧不当。皮带传动会在 带通频率, 由于皮带比皮带轮圆周长，所以通常是次同步频率（低于 1 倍轴速）。.

传送带频率
f输送带 = (π - D - RPM) / (60 - L)
D = 滑轮直径 (m) | L = 皮带长度 (m) | RPM = 滑轮速度
简体：f输送带 = 滑轮圆周速度/皮带长度

常见的皮带签名

  • 皮带磨损/缺陷： 带频峰值（f输送带）及其谐波（2×、3×、4× f输送带).这些峰值出现在 1 倍轴转速以下--次同步峰值是关键指标。.
  • 皮带错位： 轴速为 1 倍和 2 倍时轴向振动加剧。与轴不对中类似，但仅限于皮带驱动机器。.
  • 张力不当： 高 1× 振动，随着皮带张紧度的调整而急剧变化。过紧的皮带会增加轴承载荷；过松的皮带会造成拍击和皮带频率峰值。.
  • 谐振： 如果皮带跨度共振与运行速度一致，则会激发皮带固有频率（皮带 "飘带"）。可见皮带固有频率处的宽峰值。.
皮带传动缺陷 - 皮带频率和谐波的次同步峰值（25 赫兹时低于 1× 轴速）。.

行动： 检查皮带状况、张力和皮带轮对齐情况。更换磨损的皮带。对于反复出现的问题，使用激光工具或直尺检查皮带轮对齐情况。.

故障 8：泵气蚀

原因： 当局部压力低于液体的蒸汽压力（通常在泵的吸入口处）时，蒸汽气泡就会形成并剧烈溃散。每个气泡的崩溃都会产生微冲击。每秒成千上万次的塌陷会产生特有的宽带噪音。.

光谱特征

  • 宽带高频能量 与机械故障（产生不连续的峰值）不同，气蚀会在很宽的频率范围内（通常在 2-5 kHz 以上）产生较高的噪声底。频谱看起来像 "驼峰 "或高原，而不是尖锐的峰值。.
  • 随机、非周期性： 没有谐波，与轴转速无关。噪音听起来像 "碎石 "或 "噼啪 "声，即使没有仪器也能听到。.
  • 低频效应 严重的气蚀还可能导致 1 倍频率的不稳定性和流动湍流产生的宽带低频噪声。.
泵气蚀--宽带高频噪声（底噪高于 200 Hz）。无离散峰值 - 与轴承缺陷形成鲜明对比，轴承缺陷显示特定频率。.

行动： 增加吸入压力（降低泵、打开吸入阀、减少吸入管损耗）。检查 NPSH可用 与 NPSH必需的. .尽可能降低泵速。气蚀会导致快速侵蚀损坏 - 切勿忽视。.

故障 9：油旋和油鞭（滑动轴承）

原因： 轴颈（套筒）轴承中的油膜不稳定性。油膜楔迫使轴在轴承间隙内以亚同步频率运行。这与滚动体轴承缺陷不同，仅发生在滑动轴承/轴颈轴承中。.

油膜涡流

  • 频率： 大约 0.42× 至 0.48× 轴速（通常为 ~0.43×）。这是一个跟踪轴速的次同步峰值--如果转速增加，漩涡频率也会相应增加。.
  • 光谱： 一个 ~0.43× 的单一峰值，随速度变化。振幅可能适中。.
  • 健康）状况： 油鞭的前兆。通常不会立即造成破坏，但表示不稳定。.

油鞭

  • 频率： 锁定转子的第一个 固有频率 (临界转速）。与涡流不同，它不跟踪轴速 - 频率随转速变化而保持不变。.
  • 光谱： 转子第一临界转速时出现较大的次同步峰值。振幅可能非常高 - 具有破坏性。.
  • 健康）状况： 危险. 需要立即采取措施。可能导致轴承磨损和轴损坏。.
油旋 - 在 ~0.43 倍轴转速（1500 RPM 时 ≈ 10.7 Hz）时出现次同步峰值。与 0.5 倍松动度不同。.
⚠️ 油旋与松动 - 如何区分

两者都会产生次同步峰，但 油膜涡动 为 ~0.43×（不完全是 0.5×），并与速度同步。. 松弛 在 0.5×、1.5×、2.5× 时产生峰值，且不随速度变化（保持在 1× 的固定分数上）。油旋只出现在轴颈/套筒轴承中 - 如果机器使用滚动轴承，则不可能出现油旋。.

行动： 油旋：检查轴承间隙、机油粘度和负荷。增加轴承负荷或更换机油粘度。油旋 立即减速 低于临界值。请咨询转子动力学专家。.

ISO 10816 振动严重程度 - 完整分类表

ISO 10816（已被 ISO 20816 取代，但仍被广泛引用）定义了四个机器等级的振动严重性区域。振动以轴承座上的速度测量，单位为毫米/秒有效值。下表列出了所有四个等级的所有区域界限，在评估测量结果时可作为快速参考。.

📋 ISO 10816-3 振动严重度区 - 所有机器等级（毫米/秒有效值）
机器类别 A区
良好		 B区
可接受		 C区
警报		 D区
危险
I类
小型机床 ≤ 15 千瓦
(泵、风扇、压缩机）		 ≤ 0.71 0.71 - 1.8 1.8 - 4.5 > 4.5
II 类
15-75 千瓦中型机床
(无特殊基础）		 ≤ 1.8 1.8 - 4.5 4.5 - 11.2 > 11.2
III 类
大型机器 > 75 千瓦
（刚性基础）		 ≤2.8 2.8 - 7.1 7.1 - 18 > 18
IV类
大型机器 > 75 千瓦
(柔性地基，如钢架）		 ≤4.5 4.5 - 11.2 11.2 - 28 > 28
📌 如何使用本表

步骤1： 根据功率和基础类型确定机器等级。.
第 2 步： 测量每个轴承座径向的总振动速度（毫米/秒有效值）。.
步骤3： 找到区域. A区 = 新启用或优秀。. B区 = 不受限制的长期运作。. C区 = 只能在有限的时间内接受 - 定期维护。. D区 = 正在发生损坏 - 尽快停止机器。.

记住： 趋势比绝对值更重要。. 一台机器的运行速度为 3.0 mm/s（II 级 B 区），而之前的速度为 1.5 mm/s，速度增加了一倍--即使速度仍然 "可以接受"，也要调查原因。Balanset-1A 的测振仪模式（F5）可显示总速度 V1，以便即时进行区域评估。.

⚠️ ISO 10816 与 ISO 20816 的比较

ISO 10816 被 ISO 20816（2016-2022 年发布）正式取代。对于大多数机器类型而言，区域边界仍然相似，但 ISO 20816 增加了位移的评估标准，并扩展了机器的特定部分。实际上，ISO 10816 的值仍然是行业标准参考值。Balanset-1A 和大多数工业振动程序仍在使用 ISO 10816 区域。.

从测量到监测

趋势分析

单一频谱只是一个快照。振动分析的力量在于 趋势分析 - 跟踪随时间发生的变化。.

  • 创建基线： 测量新设备或已知良好的设备。保存频谱。.
  • 确定间隔时间： 关键：每周。标准：每月辅助：每季度.
  • 确保可重复性： 相同的点，相同的方向，相同的运行条件。.
  • 跟踪更改： 即使在国际标准化组织 A 区，与基线相比增加 2 倍也是非常可观的。.

决策算法

  1. 获取高质量频谱（F8 图表，径向 + 轴向）。.
  2. 找出最高峰--这是主要问题。.
  3. 与故障类型匹配：
    • 1× 主导 → 不平衡 → 使用 Balanset-1A 实现平衡。.
    • 2× 主导 + 高轴向 → 错位 → 重新对齐轴。.
    • 多次谐波 → 松动 → 检查并拧紧。.
    • 非同步峰值→ 轴承 → 计划更换。.
    • GMF + 边带 → 齿轮 → 检查机油，检查变速箱。.
  4. 先解决主要故障--次要症状往往会消失。.

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