转动设备的频率知识

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转动设备的频率知识

1、频率 f  是物体每秒钟内振动循环的次数，单位是赫兹 [Hz]。频率是振动特性的标志，是分析振动原因分析振动原  的重要依据。周期T是物体完成一个振动过程所需要的时间，单位是秒 [s] 。例如一个单摆，它的周期就是重锤从左运动到右，再从右运动回左边起点所需要的时间。频率与周期互为倒数，f＝1/T。对旋转机械来说，转子每旋转一周就是完成了一个振动过程，为一个周期，或者说振动循环变化了一次。因此转速 n、角速度 ω 都可以看作频率，称为旋转频率、转速频率、圆频率，或 n、ω、f不分，都直接简称为频率，它们之间的换算关系为：f = n/60，ω＝2πf＝2πn/60≈0.1n，其中转速 n的单位为转/分钟[r/min]，角速度 ω 的单位为弧度/秒[rad/s]。

2、倍频、一倍频、二倍频、0.5倍频、工频、基频、转频

振动频率也可以用转速频率的倍数来表示。倍频就是用转速频率的倍数来表示的振动频率。

如果振动频率为机器实际运行转速频率的一倍、二倍、三倍、0.5      倍、0.43倍、…时，则称为一倍频（习惯上又称为1X，或1×）、二倍频（2X、2×）、三倍频（3X、3×）、0.5 倍频（0.5X、0.5×）、0.43 倍频（0.43X、0.43×）、…等。其中，一倍频，即实际运行转速频率又称为工频实际运行转速频率又称为工频、基频、转频，0.5 倍频又称为半频。

例如，某机器的实际运行转速 n 为 6000  r/min，那么，转速频率＝n/60＝6000/60＝100Hz，其工频为 100Hz，二倍频为 200Hz，半频为 50Hz。

3、 通频振动、选频振动

通频振动是原始的、未经傅里叶变换分解处理的、由各频率振动分量相互迭加后的总振动。其振动波形是复杂的波形。

选频振动是从通频振动中所分解出来的、振动波形是单一正弦波的、某一选定频率频的振动（如工频、0.5 倍频、二倍频、…）

4、故障特征频率

各种不同类型的故障所引起的振动都有各自的特征频率都有各自的特征频率 。例如，转子不平衡的振动频率是工频，齿式联轴器（带中间齿套）不对中的振动频率是二倍频，油膜涡动的振动频率是 0.5倍频(实际上要小一点)，等等。由各频率成分的幅值大小和分布情况，从中查找出发生了异常变化的频率，再联系故障特征频率探索构成振动激振力的来源，是判别振动故障类型通常采用的诊断方法。但是反过来，某种振动频率又和多种类型的故障有关联。例如，动不平衡的特征频率是工频，但不能说工频高就是发生了动不平衡，因为某些轴承及不对中等故障的振动频率也是工频。因此，频率和振动故障的对应关系并不是唯一的。为了得到正确的诊断结论，需要对各种振动信息进行综合分析。

常见的故障特征频率及相应的故障类型，简要介绍如下：

①  工频

工频成分在所有情况下都存在，工频幅值几乎总是最大，应该在其发生异常增大的情况下才视为故障特征频率。工频所对应的故障类型相对较多。多数（60％以上）为不平衡不平故障，如转子发生机械损伤脱落（断叶片、叶轮破裂等）、结垢、初始不平衡，以及轴弯曲等；同时，相当数量（接近 40％）为轴承偏心轴承偏类故障，如间隙过大、轴承合金磨损、轴颈与轴承偏心、轴承座刚度差异过大等；此外，还有刚性联轴器的角度（端面）不对中；支座、壳体、基础的松动、变形、裂缝等支承刚度异常引起的振动或共振；运行转速接近临界转速；发电机及电动机转子偏心等。

②  二倍频

二倍频成分在所有情况下也都存在，幅值往往低于工频的一半，常伴有呈递减状的三倍频、四倍频、…，也应该在异常增大的情况下视为故障特征频率。二倍频所对应的故障类型较为集中。绝大多数为不对中（含联轴器联轴）故障，如齿式联轴器（带中间短接）和金属挠性（膜盘、叠片）联轴器的不对中、刚性联轴器的平行（径向）不对中，其中，既有安装偏差大所产生的冷态不对中，又有由温差产生的支座升降不均匀以及管道力所引起的热态不对中，以及联轴器损伤故障等；此外，还有概率较小的其它故障，如转动部件松动，转子刚度不对称（横向裂纹），支承刚度在水平、垂直方向上相差过大相差过等。

③  低频（低于工频的频率）

正常情况下，低频成分往往不存在或者以微量幅值（一般不大于 3      m）存在，在其大于 3~5m 的情况下，就应该以故障特征频率的预兆加以关注了。低频所对应的故障类型相对复杂。可进一步分为两种类型，一种是分数谐波振动，如 1/2 倍频、1/3 倍频、…，且频率成分较多，多数为摩擦及松动故障，如密封、油封、油挡的摩擦，轴承瓦背紧力不够等；另一种是亚异步振动，对应的为流体动力激振类故障，如旋转失速、喘振、油膜涡动、油膜振荡、密封流体激振，此外还有进汽进（气）激振等，其中油膜振荡、密封流体激振为自激振动，是一种很危险、能量很大的振动，一般发生在转速高于第一临界转速之后，多数是在二倍第一临界转速以上，频率成分较为单一。

④  转子的临界转速

转子的临界转速就是转子的固有频率，其所对应的故障类型有油膜振荡、密封流体激振、临界转速区共振，对于老机组、成熟机型发生的概率较低。

⑤  机器自身和基础或其它附着物的固有频率

⑥  齿轮故障的特征频率

    由于齿轮的轮齿在进入和脱离啮合时，载荷突变、碰撞加剧，瞬时的高频冲击振幅与周期性变化的转频振幅相互叠加而产生幅值调制；制造时的轮齿分度不均匀、即周节误差使旋转速率发生变化则产生了频率调制。

    齿轮振动的特征频率为：f_m ± i f  ，i为正整数（i＝1，2，3，…）式中，f_m～啮合频率，为载波频率， f_m＝f₁z₁＝f₂z₂，其中，      f₁、f₂、z₁、z₂分别为主动轮、从动轮的转速频率及齿数； f～齿轮的转速频率，为调制频率。

表现在频谱图上，是以啮合频率f_m为中心、以齿轮转速频率 f为间隔，不太对称地分布于 f_m的两侧（对称度与周节误差相关），两侧称为边频带、边带。如果缺陷分布较均匀、如磨损，频谱图上的边频带则显现为窄、高、起伏大；如果发生断齿或大的局部性缺陷，边带则宽、低、平。

    ⑦  滚动轴承故障的特征频率

    滚动体的通过频率对于滚动轴承来说，由于轴承游隙的存在，滚动体在通过载荷方向时受力最大，反方向时最小或无。因此，每个滚动体在通过载荷方向时就会发生一次力的变化，内圈及轴颈、外圈及轴承座也同时受到一次激励，此激励频率称为滚动体的通过频率 f_e。显然，f_e＝z f_c，其中，z～滚动体个数，f_c～滚动体的公转频率、也是保持架的旋转频率。滚动轴承的缺陷间隔频率由于润滑不良、载荷过大、异物侵入、锈蚀等原因，会引起轴承工作表面上的剥落、胶合、裂纹、腐蚀凹坑、压痕等离散型缺陷或损伤。滚动体在通过内、外圈上的缺陷点或转过自身的缺陷点时，就会与缺陷凹坑发生碰撞，而产生冲击振动。同时由于持续时间极短，能量分散在极宽的频率范围上，完全可以激发起轴承各元件以其固有频率的振动，就像用小锤轻轻敲击大钟可以使钟发出声音（固有频率的振动）一样。因此，这种由局部缺陷所产生的冲击脉冲振动信号，其频率成分不仅有反映滚动轴承故障特征的间隔频率（即通过缺陷处的冲击频率），同时还包含有反映滚动轴承各元件固有频率的高频成分。

    由局部缺陷引起的冲击振动的间隔频率的计算公式见下表。

式中，D～滚动体中心圆（节圆）直径，[mm]；

d～滚动体直径，[mm]；

α～接触角，[角度或弧]；

z～滚动体的个数；

  n～轴的转速，[r/min]。

    除转速 n外，D、d、α、z均可根据轴承型号由轴承样本查出。由于外圈是固定不动的，所以外圈的间隔频率 f_o就是滚动体的通过频率 f_e，而滚动体间隔频率 f_b则是滚动体的自转频率。滚动轴承的特征频率右图是外圈、内圈、滚动体上的缺陷所产生的振动波形图。波形图显示：外圈存在缺陷时，周期为外圈间隔频率的倒数  1/f_o；内圈存在缺陷时，周期为内圈间隔频率的倒数1/f_i，并出现了对 f_i 的幅值调，调制频率为滚动体的公转频率 f_c（即保持架旋转频率）或转速频率 f；滚动体存在缺陷时，周期为滚动体间隔频率的倒数 1/f_b，调制频率为 f_c 。

    滚动轴承的特征频率就是以缺陷间隔频率及其谐波为载波频率、转速频率为调制频率相互叠加调制（其中外圈不动，无调制频率）而成的，具体如下，

外圈：   ifo                                 i为正整数(i＝1，2，3，…)

内圈：   if_i ± f_c 或 if_i ± f        i 为正整数(i＝1，2，3，…)

滚动体：2if_o ± f_c                     i为正整数(i＝1，2，3，…)。