机械振动分析 – 常见故障的诊断频谱特征 • 便携式平衡机、振动分析仪“Balanset”，用于动态平衡破碎机、风扇、碎草机、联合收割机上的螺旋钻、轴、离心机、涡轮机和许多其他转子 机械振动分析 – 常见故障的诊断频谱特征 • 便携式平衡机、振动分析仪“Balanset”，用于动态平衡破碎机、风扇、碎草机、联合收割机上的螺旋钻、轴、离心机、涡轮机和许多其他转子

机械振动分析——常见故障的诊断频谱特征

由 Nikolai Shelkovenko 于 发布

振动分析是诊断机器技术状况的关键技术。不同的机器故障会在振动频谱中产生特征模式。通过检查机器振动的频谱（通常通过FFT分析），可以识别特定的缺陷类型。下表列出了常见的缺陷类别（不平衡、错位、松动、轴承缺陷、齿轮故障）。每个表格概述了故障的子类型，描述了它们的典型振动频谱、观察到的频谱成分、关键识别特征以及一个说明性的频谱图（以SVG格式嵌入）。所有频率参考均使用运行速度的倍数（例如，“1×”=每转一次的频率）。

不平衡

缺陷类型 光谱描述 光谱成分简述 主要特点 SVG 图形
静态不平衡 （单平面） 频谱以基本运行速度（1× RPM）处的单峰为主：振动为正弦波，其他频率下的能量最小。 主要为较强的1倍旋转频率成分。几乎没有高次谐波（纯1倍音调）。 所有径向方向上的振幅均为1倍大：两个轴承的振动同相（两端无相位差）：在同一轴承的水平和垂直测量之间通常会观察到约90°的相移：。
动态不平衡 （双机/夫妻） 频谱还显示出一个主要峰值，频率为每转一次（1倍），类似于静态不平衡。振动发生在转速范围内，如果唯一的问题是不平衡，则不会出现明显的高频成分。 主要的 1× RPM 分量（通常伴有转子的“摆动”或抖动）：除非存在其他故障，否则通常不会出现高次谐波。 每个轴承的 1× 振动 异相 – 转子两端振动的相位差约为180°（表明存在耦合不平衡）。具有这种相位关系的强1倍峰值是动态不平衡的标志。

错位

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平行错位 （偏置轴） 振动频谱在基波（1倍）及其2倍和3倍运行速度下的谐波能量升高，尤其是在径向。通常，在存在错位的情况下，1倍分量占主导地位，并伴有明显的2倍分量。 在1倍、2倍和3倍轴旋转频率处出现显著峰值。这些峰值主要出现在径向振动测量（垂直于轴）中： 径向1倍和2倍振动较高具有指示意义。通常可以观察到联轴器两侧径向振动测量值之间存在180°的相位差，这与纯粹的不平衡现象有所区别。
角度错位 （斜井） 频谱显示轴转速有强烈的谐波，特别是除了 1 倍转速之外，还有一个突出的 2 倍转速分量：在 1 倍、2 倍（通常是 3 倍）转速下出现振动，轴向（沿轴）振动很明显。 在1倍和2倍（有时是3倍）运行速度下出现明显的峰值：2倍分量通常与1倍分量一样大，甚至更大。这些频率在轴向振动频谱（沿机器轴线）中表现明显： 二次谐波（2倍）振幅高于1倍，且轴向振动强烈。联轴器两侧的轴向测量值相位差为180°，这是角度错位的标志。

松弛

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机械松动 （部件松动） 频谱中充满了与跑步速度相关的谐波。出现了大量1倍的整数倍（从1倍到约10倍的高阶），且振幅较大。在严重情况下，还可能出现次谐波频率（例如0.5倍）。 多个运行速度谐波占主导地位（1×、2×、3×……直至约10×）。偶尔，由于重复冲击，可能会出现1/2×、3/2×等分数（半阶）频率分量。 频谱中出现独特的“谐波系列”峰值——在旋转频率的整数倍处出现多个等距峰值。这表明零件松动或安装不当，导致反复撞击。出现多个谐波（可能还有半阶次谐波）是关键特征。
结构松散 （底座/安装松动） 振动频谱通常以一到两倍的运行速度为主导。通常，频谱中会出现1倍转速和/或2倍转速的峰值。超过2倍的高次谐波的振幅通常远低于这些基波。 主要显示1倍和2倍轴速时的频率成分。其他谐波（3倍、4倍等）通常不存在或较小。1倍或2倍成分可能占主导地位，具体取决于松动的性质（例如，每转一次冲击或每转两次冲击）。 相对于频谱其余部分，1 倍或 2 倍峰值（或两者）明显较高，表明支撑或结构松动。如果机器安装松散，则垂直方向的振动通常更强烈。如果出现一个或两个主要的低阶峰值，且高次谐波较少，则表明结构或地基松动。

轴承缺陷

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外圈缺陷 振动频谱呈现出一系列与外圈缺陷频率及其谐波相对应的峰值。这些峰值通常位于较高频率（不是轴转速的整数倍），并指示滚动体每次经过外圈缺陷时的情况。 外圈滚珠通过频率 (BPFO) 存在多个谐波。通常，对于明显的外圈故障，在频谱中可以观察到 8 到 10 个 BPFO 谐波。这些峰值之间的间距等于 BPFO（由轴承几何形状和转速决定的特征频率）。 BPFO 及其连续谐波处出现的一连串清晰的峰值是其特征。多个均匀分布的高频峰值（BPFO、2×BPFO、3×BPFO……）清晰地表明外圈轴承存在缺陷。
内圈缺陷 内圈故障的频谱在内圈故障频率及其谐波处显示出几个显著的峰值。此外，每个故障频率峰值通常伴有间隔为运行速度（1 倍）频率的边带峰值。 包含内圈滚珠通过频率 (BPFI) 的多个谐波，通常约为 8-10 个谐波。其特点是，这些 BPFI 峰值在 ±1× RPM 转速下受到边带调制——这意味着在每个 BPFI 谐波旁边，都会出现较小的侧峰，这些侧峰与主峰之间的间隔等于轴旋转频率。 明显的迹象是存在带有边带图案的内圈缺陷频率 (BPFI) 谐波。在 BPFI 谐波周围，以轴转速为间隔的边带表明内圈缺陷每转都会加载一次，从而确认问题出在内圈而非外圈。
滚动体缺陷 （球/滚子） 滚动元件（球或滚子）缺陷会导致以滚动元件旋转频率及其谐波频率振动。频谱将显示一系列峰值，这些峰值并非轴转速的整数倍，而是球/滚子旋转频率 (BSF) 的倍数。其中一个谐波峰值通常比其他谐波峰值大得多，这反映了有多少滚动元件受损。 滚动元件缺陷频率 (BSF) 及其谐波处会出现峰值。例如，BSF、2×BSF、3×BSF 等。值得注意的是，这些峰值的振幅模式可以指示受损元件的数量——例如，如果二次谐波最大，则可能表明两个滚珠/滚子出现剥落。通常，滚道故障频率下也会出现一些振动，因为滚动元件损坏通常也会导致滚道损坏。 如果出现一系列以BSF（轴承元件自旋频率）而非轴旋转频率为间隔的峰值，则表明滚动元件存在缺陷。BSF的N次谐波振幅特别高通常意味着N个元件受损（例如，非常高的2×BSF峰值可能表示两个滚珠存在缺陷）。
笼状缺陷 （轴承保持架/FTF） 滚动轴承中的保持架（隔板）缺陷会导致保持架旋转频率（即基频 (FTF)）及其谐波产生振动。这些频率通常是亚同步的（低于轴转速）。频谱会在 FTF、2×FTF、3×FTF 等频率处出现峰值，并且通常会由于调制而与其他轴承频率产生一些相互作用。 低频峰值对应于保持架的旋转频率 (FTF) 及其整数倍。例如，如果 FTF ≈ 0.4 倍轴速，则可能会在 ~0.4 倍、~0.8 倍、~1.2 倍等处看到峰值。在许多情况下，保持架缺陷与滚道缺陷共存，因此 FTF 可能会调制滚道缺陷信号，产生和/差频率（滚道频率周围的边带）。 一个或多个与轴承保持架转速 (FTF) 一致的次谐波峰值（低于 1 倍）表明保持架存在问题。这通常与其他轴承故障迹象同时出现。关键特征是频谱中存在 FTF 及其谐波，除非保持架出现故障，否则这种情况并不常见。

齿轮故障

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齿轮偏心/轴弯曲 该故障导致齿轮啮合振动发生调制。在频谱中，齿轮啮合频率 (GMF) 峰值被间隔为齿轮轴转速（1 倍齿轮转速）的边带峰值所包围。通常，由于偏心率的不平衡效应，齿轮自身的 1 倍转速振动也会升高。 齿轮啮合频率及其低次谐波（例如，1×、2×、3× GMF）处的振幅显著增加。GMF 周围（有时在其谐波周围）出现清晰的边带，其间隔等于受影响齿轮转速的 1 倍。这些边带的存在表明齿轮旋转对啮合频率的振幅进行了调制。 齿轮啮合频率在1倍齿轮频率下出现明显的边带是其特征。这种边带模式（峰值在GMF附近按运转速度等距分布）强烈表明齿轮偏心或齿轮轴弯曲。此外，齿轮的基波（1倍）振动可能高于正常值。
齿轮齿磨损或损坏 齿轮齿故障（例如磨损或断裂）会导致齿轮啮合频率及其谐波的振动增强。频谱通常显示多个高振幅的GMF峰值（1×GMF、2×GMF等）。此外，在这些GMF峰值周围还会出现许多边带频率，这些边带频率以轴旋转频率为间隔。在某些情况下，还可以观察到带有边带的齿轮固有频率（共振）的激励。 齿轮啮合频率（齿啮合频率）及其谐波（例如，2×GMF）处峰值升高。在每个主要的GMF谐波周围，都有间隔1倍运转速度的边带峰值。1×、2×、3×GMF分量周围的边带数量和大小往往会随着齿损伤的严重程度而增加。在严重情况下，可能会出现与齿轮共振频率相对应的额外峰值（具有其自身的边带）。 多个高振幅齿轮啮合频率谐波伴随密集的边带图案是其特征。这表明由于磨损或断齿导致齿面啮合不规则。严重磨损或损坏的齿轮会在啮合频率峰值周围出现大量边带（间隔为齿轮转速的1倍），这与健康齿轮（后者在GMF处具有更清晰的频谱）相区别。
类别 解决方案

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