振動監(jiān)測標(biāo)準與理論

振動是反映機械設(shè)備運行狀態(tài)的重要參數(shù)，當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障時（例如零部件之間的變形、碰撞、摩擦、破損等），其振動狀態(tài)產(chǎn)生變化，通過振動監(jiān)測系統(tǒng)對設(shè)備振動進行監(jiān)測，分析提取振動信號中的故障特征，可以判斷設(shè)備的健康狀態(tài)，進行故障診斷和預(yù)測。

振動監(jiān)測具有以下特點：

1）包含故障信息豐富。設(shè)備中主要零部件的各種典型損耗性故障都可以通過振動監(jiān)測做出診斷。

2）故障反應(yīng)靈敏、迅速。振動對故障反映比較靈敏，即使非常微弱的故障，也會引起振動變化。通過各種振動信號分析處理方法可以在強干擾背景下提取故障信息，因此可以實現(xiàn)故障的早期診斷。

3）測量方便。只要將振動傳感器安裝在設(shè)備體上的合適部位，即可實現(xiàn)振動測量，對設(shè)備不產(chǎn)生影響。

本篇首先介紹振動監(jiān)測的相關(guān)標(biāo)準，其次，通過以齒輪減速機及軸承為對象，介紹振動監(jiān)測的理論基礎(chǔ)。

一、振動監(jiān)測的標(biāo)準

機器設(shè)備的健康狀態(tài)是保障其長期安全可靠運行的基本條件，振動大小是反映機器設(shè)備健康狀態(tài)的主要指標(biāo)之一。在當(dāng)前技術(shù)水平下，國內(nèi)外針對大型、重要設(shè)備通常都采取了振動監(jiān)測手段，包括在線或離線監(jiān)測，通過監(jiān)測設(shè)備的振動判斷設(shè)備的健康狀態(tài)。為了描述機器的健康狀態(tài)，必須根據(jù)法定的標(biāo)準作為評定準則。對于機器設(shè)備的制造廠來說，標(biāo)準是確定產(chǎn)品是否合格的依據(jù)；而對于機器設(shè)備的使用單位來說，特別是使用中的一些大型設(shè)備或流程工業(yè)中的關(guān)鍵設(shè)備，標(biāo)準也是隨時掌握設(shè)備運行狀態(tài)的依據(jù)。國際標(biāo)準化組織（ISO）下設(shè)的振動、沖擊與狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)委員會（TC108）是專門負責(zé)制定振動與沖擊方面國際標(biāo)準的機構(gòu)，該機構(gòu)根據(jù)機械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)發(fā)展的需要，還歸口制定機器狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷方面的國際標(biāo)準。我國與ISO/TC 108對口的是全國機械振動、沖擊及狀態(tài)監(jiān)測標(biāo)準化技術(shù)委員會（SAC/TC53），該委員會由國家有關(guān)部委專家共同組成，是全國性專業(yè)標(biāo)準化技術(shù)工作組織，由國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局領(lǐng)導(dǎo)。

用于旋轉(zhuǎn)機械振動評價的主要國際標(biāo)準有ISO 7919和ISO 10816（有些改為ISO 20816系列）兩個系列，分別對應(yīng)我國國家標(biāo)準GB/T 11348和GB/T 6075系列標(biāo)準。這兩個系列振動標(biāo)準簡單介紹如下：

1）ISO 10816（GB/T 6075）系列標(biāo)準主要針對軸承座振動，共有7個部分，如表7-7所示。根據(jù)旋轉(zhuǎn)機械軸承座相對于地面的絕對振動（絕對瓦振）進行振動狀態(tài)評價，主要測量參數(shù)是振動速度，評價參數(shù)為振動速度值和振動位移值。

表1 GB/T 6075系列標(biāo)準相關(guān)信息

2）ISO 7919（GB/T 11348）系列標(biāo)準主要針對旋轉(zhuǎn)軸振動，共有5個部分，如表2所示。根據(jù)支撐軸承處的軸頸相對于軸瓦振動位移（相對軸振）進行振動狀態(tài)評價。通過安裝在軸承附近的電渦流傳感器測量相對軸振位移，對振動大小進行評價。

表2 GB/T 11348系列標(biāo)準相關(guān)信息

3）發(fā)達國家標(biāo)準。美國、德國等工業(yè)發(fā)達國家也有許多在國際上普遍采用的振動評價標(biāo)準，例如美國石油學(xué)會的API610（離心泵）、API611（通用汽輪機）、API613（專用齒輪箱）、API617（離心壓縮機）、API673（專用風(fēng)機）等；德國工程師協(xié)會標(biāo)準VDI2056、VDI2059；英國國家標(biāo)準BS4675。

各種旋轉(zhuǎn)機械的振源主要來自于結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造、安裝、調(diào)試和環(huán)境本身。振動會在非常短的時間內(nèi)造成結(jié)構(gòu)疲勞和損傷，因此在振動設(shè)計中必須重視旋轉(zhuǎn)機械的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)和軸承等部件經(jīng)受疲勞損傷的程度。振動部件的疲勞損傷正比于其振動速度，振動所產(chǎn)生的能量正比于其振動速度的二次方，能量傳遞將導(dǎo)致振動部件磨損和引起其他缺陷。因此，在旋轉(zhuǎn)機械振動判定標(biāo)準中，疲勞損傷和磨損等缺陷這兩種破壞形式都最好以速度為標(biāo)準。對于10Hz以下的低頻振動，以位移破壞為主，其實質(zhì)是疲勞強度破壞，而不是能量破壞，以位移作為振動標(biāo)準；對于10Hz～1kHz頻帶的振動，以一定的速度級作為振動狀態(tài)的判據(jù)；對于1kHz以上的高頻振動，主要應(yīng)該考慮沖擊力和共振破壞，此時應(yīng)以加速度作為判定標(biāo)準，如圖1所示。圖2所示為日本豐田利夫教授在其著作中提出的標(biāo)準，此標(biāo)準在低頻、中頻和高頻段分別為位移、速度和加速度。

圖1 分頻段振動標(biāo)準示意圖

圖2 機械預(yù)防損傷曲線

以振動值作為評定機器振動狀態(tài)，是制造廠出廠檢驗的依據(jù)，這種評定標(biāo)準往往是比較苛刻的。對于設(shè)備的使用單位，根據(jù)長期使用的經(jīng)驗，即使在超出此類標(biāo)準的情況下，仍然被監(jiān)視使用，往往采用以振動值的變化作為依據(jù)的相對評定標(biāo)準。

二、振動監(jiān)測理論

機械振動是指物體在平衡點附近往復(fù)周期變化的運動。機械設(shè)備的振動是設(shè)備結(jié)構(gòu)對動態(tài)交變載荷作用的一種響應(yīng)形式。振動具有普遍性，所有承受變化載荷的機械設(shè)備都存在振動現(xiàn)象。彈性結(jié)構(gòu)在各種內(nèi)外部載荷作用下產(chǎn)生彈性形變，并以固體聲形式在結(jié)構(gòu)中傳播，到達設(shè)備表面而產(chǎn)生振動。圖3給出了齒輪減速器的振源、傳播途徑和振動及聲輻射示意圖。機械設(shè)備的振動響應(yīng)特征既取決于輸入激勵，也受到傳遞途經(jīng)的影響。不同類型的載荷激勵，不同的傳遞途徑，導(dǎo)致振動響應(yīng)信號的特征不同。當(dāng)零部件發(fā)生故障時，激勵發(fā)生變化，結(jié)構(gòu)振動狀態(tài)也將發(fā)生相應(yīng)變化。通過監(jiān)測結(jié)構(gòu)振動，可以實現(xiàn)健康狀態(tài)評估與診斷。

圖3 齒輪傳動系統(tǒng)振動原理

一)齒輪減速機振動

1.齒輪振動產(chǎn)生機理

嚙合齒輪副在工作中受到外部和內(nèi)部激勵作用，外部激勵主要是驅(qū)動軸的輸入轉(zhuǎn)矩和輸出軸負載轉(zhuǎn)矩的變化等。內(nèi)部激勵包括齒輪嚙合過程的變剛度激勵、傳遞誤差激勵和嚙合沖擊激勵等。

（1）變剛度激勵

一般情況下嚙合齒輪副的重合度不是整數(shù)，輪齒嚙合過程中同時參與嚙合的齒對數(shù)隨著嚙合過程的進行不斷變化，因而輪齒的綜合嚙合剛度也是周期變化的。圖4所示為一對嚙合齒，輪齒在A點開始嚙合，主動輪輪齒的齒根首先進入嚙合，彈性變形較??；從動輪輪齒的齒頂處首先進入嚙合，彈性變形較大。到D點主動輪輪齒和從動輪輪齒完成一次嚙合過程，嚙合過程中主動輪輪齒彈性變形δp逐漸增大，從動輪輪齒彈性變形δg逐漸減小，彈性變形規(guī)律如圖4所示，單對齒的綜合變形 sδ=δp+δg。單對輪齒的綜合剛度ks等于各單對齒綜合剛度的疊加（如圖4c所示）圖4d和圖4e分別示出直齒輪和斜齒輪的綜合剛度變化特征，直齒輪在嚙合過程中交替出現(xiàn)單齒嚙合和雙齒嚙合情況，使得輪齒綜合嚙合剛度出現(xiàn)周期性階躍變化。斜齒輪嚙合過程由輪齒一端開始，逐漸擴展到整個齒面，然后從另一端退出，綜合剛度不存在階躍突變。

圖4 齒輪嚙合的綜合剛度變化特征

（2）傳遞誤差激勵

由于齒輪加工和安裝存在誤差，使嚙合齒廓偏離理想齒廓位置，稱為傳遞誤差。傳遞誤差造成嚙合過程中輪齒間的周期性運動沖擊，當(dāng)主動輪勻速轉(zhuǎn)動時，從動輪不再是勻速轉(zhuǎn)動，而是出現(xiàn)轉(zhuǎn)速波動，包括長周期波動成分和短周期波動成分。長周期波動主要由于齒輪的幾何偏心造成的，其頻率與軸的轉(zhuǎn)動頻率相同，影響齒輪的運動精度，如圖5a所示。短周期波動則主要由基節(jié)偏差和齒形偏差造成，如圖5b所示。

圖5齒輪傳遞誤差

其頻率為軸的轉(zhuǎn)動頻率與齒數(shù)的乘積，稱為嚙合頻率：

式中，n、f和z分別為兩個齒輪（下標(biāo)區(qū)分）的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)動頻率和齒數(shù)。

短周期誤差可以表示為以嚙合頻率為基頻的一系列諧波的疊加，即

在各次諧波激勵下，傳動系統(tǒng)將產(chǎn)生復(fù)雜的諧振現(xiàn)象，是影響傳動平穩(wěn)性的主要因素。

（3）嚙合沖擊激勵

由于齒形偏差和輪齒的彈性變形，使得輪齒在進入和脫離嚙合時會產(chǎn)生周期性沖擊。齒形偏差和輪齒的彈性變形產(chǎn)生的沖擊激勵性質(zhì)不同，前者可以被視為一個動態(tài)位移激勵，后者則為動態(tài)載荷激勵。

2.齒輪振動信號的基本特征

多級齒輪傳動系統(tǒng)在運行產(chǎn)生振動的激勵源包括各級嚙合齒輪副、支撐軸承等，使箱體結(jié)構(gòu)表面的振動形態(tài)非常復(fù)雜，包含多種周期成分和隨機成分。其中主要周期成分的頻率如下：

1）各級齒輪副的嚙合頻率及其低次諧波頻率。齒輪無論處于正?；虍惓顟B(tài)，嚙合頻率及其諧波成分總是振動信號中的主要成分。齒面出現(xiàn)異常時，嚙合頻率及其諧波幅值會發(fā)生一些變化，但是嚙合頻率的幅值受載荷變化等因素的影響更大，因此僅憑嚙合頻率幅值變化難以準確判斷故障。

2）各級齒輪軸的旋轉(zhuǎn)頻率及其低次諧波成分。齒輪軸如果存在質(zhì)量偏心或安裝誤差等，在高速旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生離心力，激起旋轉(zhuǎn)頻率及其低次諧波成分。

3）齒輪及軸的結(jié)構(gòu)共振頻率。齒輪嚙入嚙出過程產(chǎn)生沖擊激勵，引起的結(jié)構(gòu)沖擊振動響應(yīng)。

4）交叉調(diào)制成分。齒輪存在制造或安裝誤差（如齒輪軸存在偏心、齒輪節(jié)距不均、主從動軸不平行等），在嚙合過程中，齒面載荷將產(chǎn)生波動，使振動幅值和頻率發(fā)生周期性變化，產(chǎn)生信號調(diào)制現(xiàn)象，結(jié)果在振動信號頻譜中產(chǎn)生邊帶成分。

5）隱含成分。經(jīng)過滾齒加工的齒輪，在齒面留有滾齒加工的痕跡，工作時產(chǎn)生一種接近嚙合頻率的特殊頻率成分，稱為隱含成分，也稱為鬼影成分（Ghost Frequency）。經(jīng)過一段時間磨合后，這一頻率成分便會消失。

3.齒輪故障的振動信號特征

減速機經(jīng)過長期運行，齒輪的嚙合齒面可能產(chǎn)生各種故障，導(dǎo)致嚙合過程的嚙合力發(fā)生波動，產(chǎn)生周期沖擊激勵，使振動信號出現(xiàn)調(diào)制現(xiàn)象。齒輪故障產(chǎn)生的調(diào)制分為幅值調(diào)制和頻率調(diào)制。幅值調(diào)制由于載荷的幅值波動產(chǎn)生，頻率調(diào)制由于轉(zhuǎn)矩波動產(chǎn)生，兩種調(diào)制往往同時存在。不同調(diào)制狀態(tài)產(chǎn)生的頻譜特征有區(qū)別。

圖6所示為齒輪故障產(chǎn)生的調(diào)幅振動（左列）及其頻譜（右列）特征示意圖。圖中第一行為正常狀態(tài)的振動信號及其頻譜，振動信號以齒輪嚙合頻率成分為主（嚙合周期為Tz），在均載調(diào)階下振動幅值基本不變，頻譜中嚙合頻率fz及其低次諧波成分最突出，其他成分很少。如果某個輪齒發(fā)生故障，故障齒進入嚙合區(qū)將引起嚙合力的變化，導(dǎo)致振動幅值發(fā)生周期波動，產(chǎn)生幅值調(diào)制現(xiàn)象，相應(yīng)的頻譜在嚙合頻率及其諧波兩側(cè)出現(xiàn)邊帶成分，邊帶成分的頻率間隔為故障齒輪軸的轉(zhuǎn)頻。圖中第二行為局部齒出現(xiàn)點蝕、斷齒等故障時的振動波形和頻譜，故障齒進入嚙合狀態(tài)時，產(chǎn)生局部沖擊，導(dǎo)致振動信號出現(xiàn)每轉(zhuǎn)一次的沖擊響應(yīng)，形成幅值調(diào)制，頻譜中在嚙合頻率及其諧波兩側(cè)出現(xiàn)分布較寬的邊帶成分。圖中第三行為齒輪出現(xiàn)分布故障時的幅值調(diào)制信號及其頻譜的特征。在嚙合頻率及其諧波兩側(cè)的邊帶成分比較集中。

圖6 幅值調(diào)制信號及其邊帶影響

如果齒輪存在加工誤差或發(fā)生齒面故障，將會造成齒輪軸轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，從而產(chǎn)生振動信號的頻率調(diào)制現(xiàn)象，頻譜中同樣在嚙合頻率兩側(cè)形成邊帶，如圖7所示。邊帶是齒輪故障的典型特征。

圖7頻率調(diào)制信號及其頻譜

齒輪故障程度不同，嚙合過程中產(chǎn)生的嚙合力波動大小不同，激勵能量也不同，可能激起不同結(jié)構(gòu)的振動，形成以下三種不同載波的調(diào)制振動形式：

1）嚙合頻率及其高次諧波。當(dāng)故障較輕（如輕微的軸彎曲或面積小、數(shù)量少的齒面點蝕），調(diào)制振動的載波頻率為嚙合頻率，調(diào)制波頻率為故障齒輪軸的轉(zhuǎn)頻。因此一對齒輪副的嚙合頻率相同，但是主從動齒輪軸的旋轉(zhuǎn)頻率不同，因此可以根據(jù)調(diào)制波頻率（邊帶成分的頻率的間隔）判斷故障發(fā)生的部位。

2）齒輪諧振頻率。當(dāng)故障比較嚴重時，激振能量較大，齒輪結(jié)構(gòu)振動被激起，可能產(chǎn)生以齒輪諧振頻率為載波頻率的調(diào)幅振動。

3）箱體諧振頻率。當(dāng)故障非常嚴重時，激勵能量非常大，箱體結(jié)構(gòu)受到故障沖擊激勵，也會產(chǎn)生以箱體結(jié)構(gòu)固有頻率為載波頻率的調(diào)幅振動。

4.減速機振動信號示例

圖8給出了在某個兩級平行軸斜齒輪減速機上測量的振動信號，該齒輪箱第一級傳動齒數(shù)比為24/68，第二級傳動的齒數(shù)比為11/52。三個振動信號分別為正常運行狀態(tài)、局部點蝕故障狀態(tài)（第一級主動齒輪上2個相鄰齒的齒面有局部點蝕）、分布點蝕故障狀態(tài)（第一級主動齒輪的24個齒的齒面上全部出現(xiàn)點蝕）?？梢钥闯觯顟B(tài)信號中以齒輪嚙合引起的周期振動成分為主，幅值比較平穩(wěn)；局部點蝕故障信號中出現(xiàn)明顯的周期性沖擊成分，其周期與主軸的轉(zhuǎn)數(shù)相應(yīng)，造成振動信號的幅值調(diào)制，呈現(xiàn)明顯的平穩(wěn)隨機特征。當(dāng)故障擴展到所有輪齒時，周期性沖擊成分不再明顯，而振動信號幅值整體增大，隨機性加強，表明故障引起的振動能量增加。

圖8 齒輪振動測量信號

圖9齒輪振動測量信號

二)軸承振動

正常狀態(tài)下，振動信號主要呈平穩(wěn)隨機信號特征。如果軸承上出現(xiàn)局部故障，軸承故障點每次接觸產(chǎn)生的沖擊響應(yīng)可以視為某個結(jié)構(gòu)共振頻率下的指數(shù)衰減振蕩，可以表示為

式中，fr為結(jié)構(gòu)的有阻尼固有振動頻率；a為與阻尼有關(guān)的衰減系數(shù)。局部出現(xiàn)故障的軸承，在旋轉(zhuǎn)過程中每次故障點接觸將產(chǎn)生沖擊激勵，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生周期性的沖擊振動x(t)。周期T對應(yīng)的頻率稱為軸承的故障特征頻率，取決于故障部位和軸承結(jié)構(gòu)尺寸。圖10給出了滾動軸承故障引起的振動信號特征。外圈由于固定不轉(zhuǎn)，局部故障產(chǎn)生的周期沖擊成分的幅值基本不變，而內(nèi)圈和滾動體不斷旋轉(zhuǎn)，當(dāng)其存在局部故障時，故障點每經(jīng)過承載區(qū)，產(chǎn)生的沖擊強烈一些，在非承載區(qū)，沖擊就會減弱。沖擊峰值的幅度隨轉(zhuǎn)速發(fā)生變化。

圖10滾動軸承故障引起的振動信號特征

故障特征頻率與故障部位及軸承結(jié)構(gòu)尺寸有關(guān)，可以通過下列各式計算得到：

（1）內(nèi)圈通過頻率（Ballpass Frequency，Inner race，BPFI）

（2）外圈通過頻率（Ballpass Frequency，Outer race，BPFO）

（3）滾動體通過頻率（Ball Spin Frequency，BSF）

（4）保持架頻率（Fundamental Train Frequency，F(xiàn)TF）

式中，d為滾動體直徑（mm）；D為軸承節(jié)徑（mm）；zb為滾動體數(shù)目；φ為接觸角；fn為軸旋轉(zhuǎn)頻率（Hz）。

根據(jù)信號分析理論，周期沖擊振動可以視為單個沖擊振動響應(yīng)b(t)與一個脈沖序列p(t)的卷積。圖11分別給出單個沖擊振動響應(yīng)b(t)、脈沖序列p(t)、周期沖擊振動信號x(t)（左列）及其對應(yīng)的頻譜（右列）。單個沖擊振動響應(yīng)b(t)的頻譜特征是在結(jié)構(gòu)共振頻率fr處出現(xiàn)峰值，而周期沖擊振動x(t)（如內(nèi)圈故障周期TBPFI）的頻譜P(f)中變成以故障頻率fBPFI為間隔的線譜成分，尤其共振頻率附近比較突出，也稱為邊帶成分。

圖11軸承故障產(chǎn)生的周期性沖擊振動示意圖

軸承故障診斷方法主要是根據(jù)故障產(chǎn)生的周期沖擊峰值大小判斷故障程度，根據(jù)故障特征頻率判斷故障部位。實際軸承在工作過程中，滾動體與軸承內(nèi)外圈之間存在相對滑動，故障特征頻率在一定范圍內(nèi)會發(fā)生瞬時變化。圖12給出了滾動軸承振動信號中包含的主要特征頻率成分及其所占據(jù)的大致頻帶。圖中所示為各個頻率成分與轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)頻率f 之間的相對關(guān)系。一般而言，軸承故障特征頻率處于和軸旋轉(zhuǎn)頻率相近的低頻范圍，而軸承結(jié)構(gòu)共振頻率則都處于高頻范圍，即超過軸旋轉(zhuǎn)頻率數(shù)百倍到數(shù)千倍的頻率范圍。

圖12軸承故障信號的頻率分布

由表面損傷碰撞產(chǎn)生的沖擊力所引起的振動脈沖寬度一般都很?。é蘳級），對應(yīng)的頻譜可從0Hz延伸到幾十、數(shù)百kHz，于是在很寬的頻率范圍內(nèi)都可能激勵起滾動軸承的固有振動，造成振動信號的中高頻域出現(xiàn)一系列明顯的調(diào)制峰群。由于滾動體固有頻率非常高，超出一般振動加速度傳感器的測量范圍，所以對故障軸承實測振動信號頻域分析時，內(nèi)、外圈固有頻率附近的邊帶最為常見，而滾動體固有頻率附近的邊帶難以觀測到。另外，在齒輪傳動系統(tǒng)中，滾動軸承故障時的振動能量比齒輪副嚙合振動能量小得多，所以在振動信號低頻域內(nèi)，滾動軸承故障特征頻率及其倍頻附近的邊帶成分常常被能量較高的齒輪振動成分所掩蓋，于是利用信號低頻域成分診斷軸承故障較為困難。

在齒輪減速機中，滾動軸承內(nèi)圈與轉(zhuǎn)軸多采用緊密的過盈配合，所以盡管內(nèi)圈質(zhì)量不大，但要激勵起內(nèi)圈固有頻率共振需要較高能量。軸承外圈與箱體軸承座之間的配合比內(nèi)圈與轉(zhuǎn)軸配合松得多，在滾動軸承運行一段時間后，尤其是故障后，外圈可能發(fā)生松動，所以較小的能量也可能激勵起外圈的固有頻率共振。因此對于外圈固定、內(nèi)圈轉(zhuǎn)動的滾動軸承，不論故障發(fā)生在什么部位（外圈、內(nèi)圈或滾動體），沖擊能量都容易誘發(fā)外圈共振，于是在滾動軸承振動信號中，以外圈各階固有頻率為載波頻率、以故障特征頻率為調(diào)制頻率的調(diào)制現(xiàn)象非常普遍。

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