一台旋转机械(如风机、电机、泵)运行时发生异常振动,伴随巨大噪音。仅凭时域的振动波形,我们难以精准定位故障原因。如何准确诊断故障类型(例如不平衡、不对中、轴承损坏、齿轮断齿等)?

时域分析的局限性

如果我们只观察振动传感器采集到的时域信号(振动加速度、速度或位移随时间变化的波形),我们会看到:

  • 一个复杂的、看似杂乱无章的波形。

  • 我们能从中提取一些总体参数,如:振动总量(RMS值)、峰值、峭度等。这些参数可以告诉我们“振动很严重”,但就像一个医生只知道病人“发烧了”,却不知道是哪种感染引起的。

  • 难以区分:是转子的不平衡(单一频率)引起的?还是齿轮啮合(高频成分)有问题?或者是轴承滚道出现了点蚀(冲击成分)?

时域波形就像一锅混合了各种食材的浓汤,你尝得出来味道不对,但很难分辨具体是哪种食材坏了。

频域分析的核心作用(解决方案)

将时域振动信号通过傅里叶变换(FFT) 转换为频域频谱图后,一切变得清晰:

  • 每种故障都有其独特的“频率指纹”。

  • 在频谱图上,我们可以清晰地看到振动能量分布在哪些具体的频率点上。

常见故障在频域中的“指纹”特征

  1. 转子不平衡

    • 频域特征:在频谱上出现一个非常突出的峰值,其频率等于设备的旋转频率(1× RPM)。这是最主要、最明显的特征。

    • 诊断:时域波形近似正弦波,频域在1倍转频处有高峰。

  2. 轴不对中(角不对中或平行不对中)

    • 频域特征:除了在1倍转频有峰值外,通常在2倍转频(2× RPM) 处会出现一个非常明显的、有时甚至高于1倍频的峰值。可能伴有高次谐波。

    • 诊断:时域波形呈“削顶”的正弦波,频域以2倍频为主导。

  3. 滚动轴承故障

    • 频域特征:会出现一系列特定的故障频率(由轴承几何尺寸计算得出),如:

      • 内圈故障频率

      • 外圈故障频率

      • 滚动体故障频率

      • 保持架故障频率

    • 这些频率通常是转频的非整数倍,并且周围常伴有边带(故障频率 ± 转频),表明损伤点在周期性冲击。

    • 诊断:时域波形会出现周期性的冲击脉冲,频域在特定故障频率处出现峰值簇。

  4. 齿轮故障(如断齿、磨损)

    • 频域特征:在齿轮啮合频率(齿数 × 轴转频) 处出现高峰。如果齿轮有局部缺陷,啮合频率周围会出现以故障齿轮所在轴转频为间隔的边带

    • 诊断:边带的存在是局部损伤(如断齿)的明确指示。

  5. 机械松动

    • 频域特征:频谱中会出现丰富的谐波,在转频的倍数(1×, 2×, 3×, ...)上都有较高的峰值,有时可高达10倍频以上。

    • 诊断:时域波形严重畸变,频域像一把“梳子”。


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