1.1 引言：为什么设备振动不容忽视

在工业生产领域，振动是运行设备不可避免的伴随物。然而，正常运行振动与问题振动之间存在着关键的界限，理解和控制这一点至关重要。机器和机构振动是一种复杂的物理现象，它既可以作为正常运行的指标，也可以作为严重技术问题的预兆。

振动通常是设备出现故障时最先听到或感受到的迹象。人耳能够辨别运行机器声学特性的变化，这在过去曾是经验丰富的机械师和操作员的主要诊断方法。然而，现代人对诊断准确性和可靠性的要求远远超出了人类感官的能力。

虽然一定程度的振动是许多设备运行的固有特性，也是机械装置动态过程的自然结果，但过度振动显然是潜在问题的征兆，可能导致严重后果。重要的是要理解，正常振动和异常振动之间的界限并非绝对值，而是取决于许多因素，包括设备类型、运行条件、机器使用年限以及执行操作的精度要求。

如果零件未达到适当的平衡状态，必然会产生引起振动、噪音和加速部件磨损的力。这一过程遵循指数规律：初始的微小不平衡会随着时间的推移导致轴承间隙增大，进而加剧振动并加速进一步磨损。由此，形成设备性能下降的恶性循环。

因此，了解和管理振动是确保工业运行可靠性、效率和安全性的根本基础。现代生产流程的特点是高度自动化和集成化，这意味着一个元件的故障就可能导致整个技术链瘫痪。在这种情况下，忽视振动问题的代价可能是灾难性的。

有必要区分正常运行振动和故障振动（疑似故障）。正常振动的特点是参数随时间保持稳定，频率特性与设备运行频率可预测，振幅不超过既定标准。相反，故障振动则表现为参数不稳定、出现新的频率成分、振幅急剧增加或相位关系发生变化。

将问题振动与磨损、故障和成本等负面后果联系起来，会给技术人员带来紧迫感和现实意义。统计数据显示，计划外停产的成本平均是计划内维护成本的50到100倍。此外，大多数此类停产可以通过及时的振动诊断来避免。

现代技术不仅能够在早期阶段发现问题，还能预测缺陷的发展，规划最佳干预时间，并最大限度地减少对生产过程的影响。这在激烈的竞争环境中尤为重要，因为每小时的停机时间都可能意味着市场地位的丧失。

在安全问题中，人为因素也至关重要。过度振动会给操作员带来不适，降低其工作效率和注意力，进而增加事故风险。此外，长时间暴露于振动环境中会导致职业病，给企业带来额外的法律和财务风险。

在现代企业环境责任要求的背景下，振动控制在减少环境影响方面也发挥着重要作用。最佳运行的设备消耗更少的能源，产生更少的噪音和排放，这符合可持续发展原则，并且是获得环境证书和许可的重要因素。

1.2 机械振动科学：关键概念

机械振动是一种复杂的物理现象，可以定义为机械体或系统围绕平衡位置的振动。这个定义看似简单，却隐藏着许多细微差别和复杂性，理解这些细微差别和复杂性对于工业设备的有效诊断和振动管理至关重要。

一些基本参数可用于描述和定量评估振动，每个参数都包含重要的诊断信息。了解这些参数及其相互关系是有效分析设备状态的基础。

振动幅度：问题严重程度的指标

振幅表示振动的大小，即部件相对于其平衡位置的移动量。该参数可以用不同的单位来测量，每种单位都适用于特定类型的分析和诊断。

位移（通常以毫米或微米为单位）表示相对于平衡位置的最大偏差。该参数对于低频振动以及分析地基振动尤为重要。较大的位移值可能表明系统刚度存在问题或存在共振现象。

振动速度（以毫米/秒或英寸/秒为单位）是诊断10 Hz至1000 Hz频率范围内大多数机械故障的最通用参数。ISO 20816等国际标准正是基于振动速度测量。该参数与振动能量密切相关，因此也与潜在的设备损坏密切相关。

振动加速度（以m/s²或g为单位，其中g = 9.81 m/s²）对高频振动成分最为敏感，用于诊断轴承缺陷、齿轮传动和其他高频振动源。加速度与作用于结构上的力成正比，因此对于评估结构载荷至关重要。

大振幅通常表示问题更严重，但必须理解，绝对振幅值必须结合设备类型、运行条件和测量系统特性来解读。例如，对于大型低速电机来说，5 mm/s 的振动振幅可能正常，但对于高速 CNC 机床主轴来说，5 mm/s 的振动振幅却至关重要。

振动频率：震源识别的关键

频率是指振动发生的速率，通常以赫兹 (Hz) 表示，对应于每秒的周期数，或以每分钟的周期数 (CPM) 表示，这在分析旋转设备时特别方便，因为它与每分钟转数 (RPM) 直接相关。

频率分析是最强大的诊断工具之一，因为不同类型的缺陷会以特征频率表现出来。例如，转子不平衡会在旋转频率（1 倍转速）下表现出来，轴错位会在两倍旋转频率（2 倍转速）下产生振动，而轴承缺陷则会根据轴承的几何形状和转速在特定频率下产生振动。

每分钟转数与赫兹频率之间的数学关系可以用一个简单的公式来表示：f(Hz) = RPM/60。通过此关系，可以轻松地将转速转换为基波频率，并分析多个频率（谐波），这些频率通常包含重要的诊断信息。

振动阶段：关于运动的空间信息

相位描述的是机器某一部件相对于另一部件或固定参考点的振动运动。在诊断某些类型的不平衡、错位以及其他体现在不同测量点之间的特征相位关系中的缺陷时，此参数尤为重要。

相位分析需要使用参考信号（通常来自转速表或频闪仪）同时测量多个点的振动。不同测量点之间的相位差可以指示问题的类型和位置。例如，不平衡通常表现为轴承支架的同相运动，而错位则表现为异相运动。

频率特性在诊断中的重要性

值得注意的是，不同的机械问题往往表现出不同的振动特性，尤其是在特定频率下。这种模式是开发专家诊断系统和自动缺陷识别算法的基础。

次谐波（低于基频的频率，例如 0.5X、0.33X）可能表示旋转不稳定、滚动轴承问题或滑动轴承中的油楔问题。次谐波的出现通常预示着严重的问题。

理解这些基本概念至关重要，尤其对于那些并非振动专家但必须了解问题本质才能做出明智维护和维修决策的读者而言。这些知识为后续讨论更复杂的分析方法（例如频谱分析、包络分析和倒谱分析）奠定了基础。

现代振动分析系统能够实时处理海量数据，甚至能够检测到微弱的缺陷迹象。机器学习和人工智能越来越多地应用于振动信号的自动模式识别，显著提高了诊断的准确性和速度。

1.3 常见元凶：识别过度振动的根本原因

工业设备过度振动很少是一个孤立的问题。通常，它是一种或多种缺陷状况的征兆，这些缺陷状况可能独立发生，也可能相互作用。了解这些根本原因对于有效诊断和预防严重的设备故障至关重要。

不平衡：最常见的振动原因

不平衡是由于旋转部件的质量分布不均匀而产生的，形成“重点”，从而产生离心力，最终导致振动。这是电机、转子、风扇、泵和其他旋转设备中最常见的振动原因之一。

静态不平衡

重心与旋转轴不重合。表现在一个平面内，并以旋转频率引起径向振动。

动态不平衡

惯性轴与旋转轴不重合。需要在两个平面上进行校正，并产生导致转子摇摆的力矩。

从数学上讲，不平衡产生的离心力可以用以下公式表示：

从该公式可以看出，不平衡力与转速的平方成正比，这解释了为什么不平衡问题在高速下尤为严重。转速加倍，不平衡力就会增加四倍。

造成不平衡的原因多种多样，包括制造误差、不均匀磨损、污染物积聚、平衡块损坏、温度影响导致的变形以及腐蚀。在运行过程中，不平衡程度会逐渐加剧，需要定期进行设备再平衡。

错位：可靠性的隐藏威胁

当连接的机器（例如电机和泵）的轴未对准时，就会发生错位。错位主要有两种类型：平行错位（轴偏移）和角度错位（轴以一定角度相交）。实际应用中，最常见的是混合错位，包括两种类型。

不对中会在联轴器、轴承和轴上产生周期性载荷，表现为振动，主要发生在两倍旋转频率（2倍转速）下。然而，也可能出现其他谐波，具体取决于不对中的类型和程度以及联轴器的特性。

可接受的错位限度取决于转速和设备类型。对于精密高速设备，可接受的偏差可能仅为百分之几毫米，而对于低速机器，公差可能更大。然而，无论如何，精确的对中对于可靠运行和较长的设备使用寿命都至关重要。

机械松动：不稳定的根源

机械松动意味着部件之间的间隙过大，可以表现为多种形式：基础螺栓或安装螺栓松动、轴承磨损且内部间隙过大、零件与轴配合不良、键连接磨损、外壳零件变形。

松动会放大其他振动源，如同放大器一样放大不平衡力或错位力。此外，松动还会产生非线性效应，例如冲击和敲击，从而产生宽带振动和高频分量。

轴承缺陷：高频问题指标

轴承滚道或滚动体的磨损、点蚀或损坏是高频振动的主要原因。轴承会产生与其几何形状和运动特性相关的特征频率：

这些公式可以计算特征轴承缺陷频率：BPFO（外圈球通过频率）、BPFI（内圈球通过频率）、BSF（球旋转频率）和FTF（基本列车频率）。

共振：所有问题的放大器

当激励频率（例如转速或其倍数）与机器或其结构的固有频率重合时，就会发生共振。这会导致振动急剧放大，其后果可能非常严重。

共振现象

当激励频率与固有频率匹配时，共振会放大振动

共振现象在设备启动和关闭期间，当旋转频率超过临界值时尤其危险。现代控制系统通常包含快速通过共振区的算法，以最大限度地减少放大振动的暴露时间。

振动的其他原因

除了主要原因外，还有许多其他因素可能导致过度振动：

弯曲的轴 以旋转频率及其谐波产生振动，振动特性取决于弯曲的程度和类型。热弯曲可能由于轴的加热或冷却不均匀而发生。

齿轮传动问题 包括齿磨损、齿断裂或缺损、制造精度不高以及间隙不正确。齿轮传动会产生啮合频率（齿数×转速）及其谐波的振动。

电机电气问题 可能包括气隙不均匀、转子断条、直流电机换向问题、三相电机相位不平衡。这些问题通常出现在与主电源频率相关的频率上。

现代诊断系统使用缺陷特征数据库和专家系统自动识别各种问题组合。这不仅可以检测缺陷的存在，还可以评估其严重程度、发展速度和消除优先级。

1.4 多米诺骨牌效应：不受控制的振动对效率、使用寿命和安全的影响

忽视过度振动会引发连锁退化过程，其效应堪比多米诺骨牌效应——一块瓷砖倒下必然会导致其他瓷砖倒下。对于工业设备而言，这意味着，即使初期出现一个小问题，如果不加以处理，也可能给整个生产系统带来灾难性的后果。

加速部件磨损：破坏链中的第一个环节

部件加速磨损是过度振动最直接、最明显的后果之一。这一过程几乎影响所有机器部件，但最脆弱的是轴承、密封件、轴、联轴器，甚至机器基础。

轴承对振动尤其敏感，因为振动会产生额外的动态载荷，从而加速金属的疲劳失效。研究表明，仅增加20%的振动水平就会导致轴承使用寿命缩短40-50%。这是因为根据伦德伯格-帕尔姆格伦方程，轴承的疲劳耐久性与施加载荷的立方成反比。

密封件也会受到振动的影响，因为振动会破坏密封面之间的接触稳定性。这会导致润滑剂泄漏、污染物侵入，并进一步恶化轴承的运行状况。统计数据显示，在存在显著振动的情况下，密封件的使用寿命可能会缩短3-5倍。

轴会承受振动产生的周期性应力，这可能导致疲劳裂纹，尤其是在轴承座区域、键槽或直径过渡处等应力集中区域。轴中出现疲劳裂纹尤其危险，因为它可能导致突发灾难性故障。

运营效率损失：隐藏的能源损失

振动不可避免地会导致运行效率的损失，因为能量以机械振动的形式耗散，而不是做有用功。这会导致能耗增加，根据问题的严重程度和设备类型，能耗可能在 5% 到 25% 之间。

额外的能源消耗来自以下几个方面：

• 摩擦损失： 振动增加会增加轴承和其他接触面的摩擦
• 气动损失： 风扇叶片和转子振动会降低其效率
• 驱动损耗： 错位和其他缺陷会增加联轴器和变速箱的损失
• 变形损失： 能量消耗在结构的弹性变形上

在要求高精度的生产过程中，振动可能会危及最终产品质量。这在半导体制造、精密加工、制药等行业尤为严重，因为即使是最小的振动也可能导致产品缺陷。

经济后果：隐性成本和显性成本

由于维修频率增加，以及至关重要的意外停机，维护成本不断增加。工业企业统计数据显示，与振动问题相关的成本结构如下：

尤其令人痛心的是计划外停机，大型生产线每小时的停工成本可能高达数十万美元。例如，在石化行业，停产一个裂解装置每天的损失可能高达100万至150万美元，这还不包括违反合同义务造成的损失。

安全风险：对人员和环境的威胁

不受控制的振动可能导致结构性或灾难性的设备故障，并可能造成人员伤害，从而带来严重的职业安全风险。工业史上有很多案例，忽视振动问题导致了悲剧性的后果。

主要安全风险包括：

• 机械损伤： 来自被毁坏设备的飞散部件
• 火灾和爆炸： 由于密封失效导致可燃液体或气体泄漏
• 化学中毒： 当含有有毒物质的系统减压时
• 结构倒塌： 当地基或支撑结构失效时

振动产生的过量噪音也会引起严重问题。它会影响操作人员的舒适度，降低注意力，并可能导致职业性听力疾病。长时间暴露于85分贝以上的噪音中会导致不可逆的听力损失，给雇主带来法律风险。

环境后果：对环境的隐性影响

振动导致的能源效率低下会增加二氧化碳和其他温室气体排放，从而对环境造成负面影响。大型工业企业每年的能源消耗高达数百吉瓦时，即使是5%的效率低下，也可能意味着额外的数千吨二氧化碳排放。

此外，振动问题可能导致：

• 工艺流体泄漏到环境中
• 加速磨损导致废物产生增加
• 周边地区的噪音污染
• 破坏工艺过程稳定性并造成环境影响

对业务流程的全面影响

详细描述所有这些负面后果，不仅强化了主动振动管理的必要性，也让人们清楚地认识到现代诊断解决方案旨在满足的“需求”。重要的是要理解，振动问题的后果远不止技术层面，还会影响到所有业务层面：

• 操作层面： 生产力降低，维护成本增加
• 战术层面： 生产计划中断、供应问题
• 战略层面： 失去竞争优势，声誉受损

现代经济现实要求企业实现效率最大化，风险最小化。在此背景下，主动振动管理不仅是一项技术必需品，更是决定竞争成败的战略优势。

1.5 诊断途径：振动分析工具和方法概述

振动诊断过程是一种综合方法，它结合了先进的测量技术、复杂的分析算法和专业知识，将“原始”振动数据转化为有价值的诊断信息。该过程通常包括三个主要阶段：测量、分析和解释，每个阶段对于获得准确有用的结果都至关重要。

测量阶段：传感器作为了解振动世界的窗口

传感器是振动诊断链中至关重要的第一环节。主要使用加速度计——安装在设备上用于捕捉机械振动并将其转换为电信号的装置。传感器的质量和特性直接影响整个诊断过程的准确性和可靠性。

现代加速度计分为几种主要类型：

至关重要的传感器特性是：

• 敏感性： 通常以mV/g或pC/g为单位。高灵敏度可以检测到微弱信号，但强烈振动可能会导致过载。
• 频率范围： 确定传感器能够精确测量的频率范围。对于轴承诊断，可能需要高达 20-50 kHz 的频率范围。
• 动态范围： 最大可测水平与最小可测水平之比。宽动态范围可测量弱振动和强振动。
• 温度稳定性： 对于具有宽工作温度范围的工业应用来说很重要。

振动计：快速评估总体状况

振动计是一种便携式仪器，可提供常规振动水平测量，可用于快速检查设备状态或跟踪机器长期的总体状态趋势。这些仪器通常显示一个或多个积分振动参数，例如均方根速度或峰值加速度。

现代振动计通常具有以下功能：

• 在多个频带中进行测量以粗略定位问题
• 用于趋势分析的数据存储
• 与预设标准 (ISO 20816、ISO 10816) 的比较
• 简单的光谱可视化
• 无线数据传输

振动分析仪：深度诊断

为了更深入地诊断和识别振动的根本原因，需要使用振动分析仪或频率分析仪。这些复杂的仪器是专门针对实时振动信号处理进行优化的计算机。

现代分析仪操作的基础是快速傅里叶变换 (FFT)，这是一种数学算法，它将复杂的时间信号分解成各个频率分量。该过程生成振动频谱——一种显示振动幅度随频率变化的曲线图。

现代振动分析仪提供许多先进的功能：

• 多渠道分析： 同时测量多个点的振动以进行相位分析
• 高分辨率FFT： 多达 25,600 条线，可进行详细的光谱分析
• 时间分析： 捕获和分析瞬态过程
• 包络分析： 提取轴承诊断的调制信号
• 倒谱分析： 光谱中周期性结构的检测
• 轨道分析： 空间中轴运动的可视化

时间波形分析：寻找瞬态过程

时间波形分析是另一种有价值的方法，尤其适用于检测频谱中可能不可见的冲击、瞬态和非平稳现象。这种方法可以观察振动信号的“自然”形式——作为时间函数。

关键时间分析参数包括：

• 波峰因数： 峰值与均方根值的比率。值高表示存在冲击。
• 峰度： 分布“锐度”的统计测量。峰度的增加通常是轴承出现缺陷的早期征兆。
• 偏度： 测量振幅分布不对称性。

诊断设备的现代趋势

技术发展带来了振动诊断的新功能：

• 无线监控系统： 具有自主供电和无线数据传输的传感器网络
• 人工智能： 自动缺陷模式识别和故障预测
• 云平台： 使用大型计算资源对来自多个对象的数据进行集中处理
• 移动应用程序： 将智能手机变成便携式振动分析仪
• 工业物联网集成： 包括工业物联网系统中的振动监测

这些工具和方法（尤其是FFT分析）的实施，为探讨拥有先进的分析能力（最好是便携式的）在有效现场诊断中的优势奠定了基础。现代便携式分析仪将固定系统的强大功能与现场使用的便利性相结合，可直接在设备上进行全面诊断。

振动诊断的未来在于创建智能系统，该系统不仅能够检测和分类缺陷，还能预测缺陷的发展、优化维护计划，并与一般企业管理系统集成，以最大限度地提高运营效率。

1.6 主动振动管理的力量：早期检测和纠正的好处

采用主动的振动管理方法，取代传统的“故障后维修”被动方法，代表着维护理念的根本性转变。这种方法不仅可以预防灾难性故障，还能优化整个设备生命周期，将维护从成本中心转变为竞争优势的源泉。

延长设备使用寿命：耐久性数学

主动振动管理具有诸多显著优势，其中最突出的是延长设备部件的使用寿命。研究表明，适当的振动管理可使轴承使用寿命延长 200-300%，密封件使用寿命延长 150-200%，整机使用寿命延长 50-100%。

这些改进基于材料疲劳失效的基本原理。根据沃勒方程，疲劳耐久性与应力幅的幂成反比，对于大多数金属而言，应力幅的幂在3到10之间。这意味着即使振动水平略有降低，也能显著延长使用寿命。

提高整体设备效率（OEE）

整体设备效率 (OEE) 是一项关键的生产效率指标，它综合考虑了可用性、性能和质量。主动振动管理对 OEE 的三个组成部分均有积极影响：

• 可用性： 通过预防紧急故障来减少意外停机时间
• 表现： 保持最佳运行参数和速度
• 质量： 通过工艺流程的稳定性减少缺陷

统计数据显示，实施全面振动管理计划的企业可实现 5-15% 的 OEE 改进，对于大型制造企业来说，这意味着每年可额外获得数百万美元的利润。

预防严重且代价高昂的故障

主动方法最显著的优势之一是能够预防严重且代价高昂的故障。连锁故障是指一个组件的故障导致其他系统部件受损，这种故障在财务和运营方面都可能造成极大的破坏。

一个典型的例子是高速涡轮机械中的轴承故障：轴承损坏会导致转子-定子接触，从而损坏叶片、轴承座、轴，甚至可能影响基础。这种连锁故障的成本可能是及时更换轴承成本的50到100倍。

降低运行噪音和振动

有效振动管理的另一个好处是显著降低运行噪音。工业环境中的噪音不仅会给人员带来不适，还可能预示着技术问题，影响操作员的工作准确性，并带来与职业安全要求相关的法律风险。

噪音水平降低10分贝，人耳感觉相当于音量降低了两倍。对于噪音水平可能超过90分贝的生产设施，即使轻微的降低也会对工作舒适度和人员生产力产生显著影响。

振动分析作为预测性维护的基础

振动分析是预测性维护 (PdM) 的基石，PdM 是一种通过持续或定期的设备状态监测来预测故障的策略。PdM 代表着从被动和预防性维护向基于数据的智能维护方法的演变。

预测性维护的关键原则包括：

• 状态监测： 连续或定期测量关键参数
• 趋势分析： 跟踪随时间的变化以识别正在出现的问题
• 预测： 使用统计模型和机器学习来预测故障
• 优化： 考虑运营需求，在最佳时间规划干预措施

早期检测和干预计划

实施振动分析程序可以在问题尚未影响性能的初始阶段检测到问题，但此时已可以通过灵敏的诊断方法检测到问题。这降低了意外停机的风险并优化了维护计划。

PF（潜在功能故障）曲线说明了缺陷随时间的演变：

不同缺陷类型的 PF 间隔可以从几天到几个月不等，为规划最佳干预措施提供了充足的时间。

直接经济效益

这直接减少了停机时间并显著节省了成本。经济效益分析表明，在振动监测系统上每投资1美元，就能节省3到15美元，具体取决于生产类型和设备的关键程度。

成功实施的技术要求

为了充分利用这些优势，及时、准确且经常进行现场诊断至关重要。定期有效地进行这些检查是任何主动维护策略成功的关键。

现代诊断设备的要求包括：

• 便携性 能够直接在设备上进行测量
• 准确性： 能够检测到哪怕是微弱的缺陷迹象
• 分析速度： 快速数据处理，立即做出决策
• 易于使用： 为不同资质的人员提供直观的界面
• 一体化： 与现有管理系统的兼容性

先进的便携式工具能够快速获取有用信息，促进明智决策和早期干预。这些工具将先进的分析能力与现场使用的实用性相结合，使各类技术专家都能轻松掌握先进的诊断方法。

主动振动管理的未来在于打造智能的自学习系统，该系统不仅能监测设备当前状态，还能实时优化运行，适应不断变化的运行条件和生产需求。这将为真正自主的生产系统开辟道路，使其能够独立保持最佳性能。