 编者按 本文是荏原机械（中国）有限公司焦伟才工程师第二篇经验之谈 - 从现场服务的角度，与朋友们分享其对振动的理解及振动处理的基本思路。焦工不仅具有非常丰富的生产和制造经验，同时还具有非常丰富的设备现场应用和服务经验。他的不少解决问题的理念和方法比较独特，值得同行们学习和参考。《泵沙龙》尽可能原汁原味地将其展现给大家。  前言 当人类第一次使用乐器时，就对振动产生了深厚的兴趣。振动现象不仅为人类带来了帮助和美好体验（如优美的音乐、计时钟表、按摩椅、电动牙刷等），同时也带来了困扰甚至重大灾难（如塔科马海峡吊桥垮塌、赛格大厦共振、机器设备断轴停机等事故）。旋转机械的振动诊断就是通过振动的知识和设备的特性来分析和解决出现的振动问题。它是一门涉及多学科、多知识点的复杂技术，作者并不是一名专门从事振动分析的专业人员，这里仅仅从一名泵服务工程师的角度，通过几个案例谈谈泵常见振动故障处理的一般思路。作者希望通过《泵沙龙》这个平台，能起到抛砖引玉的效果，并诚邀各位同仁及振动方面的专家分享更多的泵振动故障处理经验及方法。 涉及的名词、术语 振动是指物体或物体的一部分在某一位置所做的周期性往复运动（振荡）。振动理论主要是研究物体的振动规律与作用在其上的力的关系。机器的振动会使机械零件产生周期性应力，从而导致疲劳失效。因此，对振动进行控制是设备管理中不可缺或的部分，全面了解振动的基本概念是处理振动问题的基础。 振动的基本参数：幅值、周期（频率）和相位 振动测量中通常以其幅值、频率（周期）和相位来描述振动特征，它们是描述振动的三个基本参量。以下介绍在振动测量和分析中经常用到的有关名词、术语及其单位。 1）幅值 表示物体动态运动或振动的幅度，它是机械振动强度的标志，也是机器振动严重程度的一个重要指标。机器运转状态的好坏绝大多数情况是根据振动幅值的大小来判别的。振幅的大小可以表示为峰－峰值（ P－P）、单峰值（ 0－P）、有效值（ RMS）或平均值（ Average）。峰－峰值等于正峰和负峰之间的最大偏差值，峰值等于峰－峰的一半。在纯正弦波的情况下，均方根值等于峰值的 0.707倍，平均值等于峰值的 0.637倍。而平均值在振动测量中一般则很少使用。见图1和图2。  图1：振动的峰－峰值、单峰值、有效值和平均值  图2：有效值的物理意义 表述振动幅值的大小通常采用振动的位移、振动速度或加速度值为度量单位。一般在振动测量中，除特别注明外，振动位移（ d）以峰－峰值表示，单位一般是μm；振动速度（v）常用有效值表示，单位用mm/s。振动速度的有效值又称为“振动烈度”。如GB/T 29531-2013《泵的振动测量与评价方法》就是以“振动烈度”来作为标准的。 为了有效地反映机器的运行状态，对于工作性质、转速、结构不同的机器，应该采用不同的振动物理量来描述和计量。一般来说，转速较低、没有明显冲击的设备使用位移比较合适（ISO 7919），对于高频或带有较大冲击的设备，采用加速度描述比较合适。泵一般使用有效速度、速度来评价其振动状态（ISO 10816-3）。见图3。  图3：位移、速度、加速度传感器的选择 对于简谐振动，速度（v）的振幅等于位移的振幅乘以系数ω（ω=2πf）。类似地，加速度(a)的振幅等于位移的振幅乘以ω2。  以上仅仅是对简谐振动而言是正确的，因其频率f值为一常数；而对于一个复杂振动或波形来说，由于其振动频率f值的多重性而会带来误差。对于单一频率谐波加速度、速度和位移的对应关系见图4。  图4：简谐波分量加速度、速度和位移之间的关系 2）周期 物体完成一个完整的振动所需要的时间，即周期，以T表示。单位一般是用“秒”来表示。 3）频率 频率是指振动物体在单位时间（1秒）内所产生振动的次数，单位为赫兹（Hz），以f表示。很显然，f＝1／T。对于旋转机械的振动来说，存在下述令人感兴趣的频率： - 转动轴的旋转频率，一般表示为1X。 - 各种振动分量的频率，如0.47X、0.5X、2X、3X等。 - 机器自身和基础或者其它附着物的固有频率。 由于某些机器故障仅仅在某些特定的频率下才产生振动（参见下面“共振”知识点），这种现象就有助于区别各种不同种类的振动故障。例如：不平衡故障的结果一定会导致工频（1X）能量的异常升高。但振动频率和机器故障的关系并不是一一相对应的。也就是说，某一特定频率的振动，可能和多种机器的故障有关联。因此，在故障风险分析中，不要企图将某一固定的振动频率与某一特定的机器故障建立直接对应的联系。在对旋转机械进行振动分析与故障诊断时，振动的频率是非常重要的参数，是分析振动原因的重要依据，它有助于人们对机器的故障进行判别，根据振动频率可以初步查明振动的性质和来源。但是，它仅仅只是一种重要参数而已。为了得到正确的诊断结论，特别是一些复杂振动，必须对机器所有的参数（如幅值、频谱、相位、轨迹、峰值因数、峭度值等）进行估计和分析。振动频率可采用赫兹（Hz）、周/分钟（CPM）、转/分钟（RPM）等度量单位。 4）相位 相位是一个正弦信号至另一个同频正弦振动信号或者一个振动信号至固定参考物的角度差或时间差的一种度量。在机械应用中，相对相位是指不同振动信号上相同事件的相位差。而绝对相位是将振动波形上事件的时间与不同类型的参考信号进行比较，参考信号由轴上“每转一次”的标记装置（闪频仪）产生。相位的度量单位为度（°），通常振动相位在0°～360°范围之间变化。振动的相位在振动分析中十分重要，它不仅反映了不平衡分量的相对位置，在动平衡中必不可少，而且在故障诊断中也能发挥重要作用。 下面介绍一下振动位移、速度、加速度三者之间的相位关系。以单摆的简谐振动为例：  图5：振动位移、速度、加速度三者之间的相位关系 把一个单摆横向来看，当重锤向上摆，通过起始点0时，其位移为零，而速度为正方向最大，加速度为零；当重锤运动到上死点时，位移为正方向最大，此时速度为零，加速度为负方向最大；重锤向下回零时，位移为零，速度为负方向最大，加速度为零；当重锤运动到下死点时，位移为负方向最大，而此时速度为零，加速度为正方向最大。 结论：振动速度相位超前振动位移90°；振动加速度相位超前振动速度90°；振动加速度相位超前振动位移 180°。相位如果没有明确指明，其角度增加的方向总是与转子的转动方向相反。 位移描述振动物体（质点）在振动过程中偏移平衡位置的最大距离，速度描述物体位置随时间变化的快慢程度，而加速度描述速度随时间变化的快慢。 工频振动 工频振动表示与所测机器转子的旋转频率相同的正弦振动的幅值。对于工作转速为 6000 r/min的机器，工频振动频率是 100 Hz。工频振动也称基频振动。 振动频率大小等于工频频率的行为称为转子同步行为，在旋转机械中振动的主要振源是不平衡，而不平衡会在所有旋转机械中产生同步（即1X）响应并且是最常见的行为。当不平衡扰动频率等于转子系统固有频率时就会产生共振，振幅达到一个极大值。 径向振动、水平振动、垂直振动、轴向振动 径向振动是指垂直于机器转轴中心线方向的振功。径向振动有时也称为横向振动。 水平振动是指与水平方向一致的径向振动。垂直振动是指与垂直方向一致的径向振动。 轴向振动是指与转轴中心线同一方向的振动。 由于存在各向异性刚度，每个方向的振动值就不一样，振动的幅值要结合该方向的刚度进行分析，刚度低的方向振动幅值也大。 同步振动、异步振动 同步振动是指与转速相同的振动频率成分，通常表示为1X，即1倍转子速度。 异步振动是指与转速频率1X以外的振动频率成份，也可称为非同步运动，异步振动又可细分为次同步、超同步、分谐波、超谐波（1X的整数倍频）等。 受迫振动、自激振动 系统在外力作用下（通常是重复性的力）所作的振动称为受迫振动。通常，受迫振动按照激励力（外力）的频率振动。如果外力的频率与系统的固有频率之一相同，系统就会发生共振，既系统的振动幅度将会非常大。 自激振动是指由振动体自身所激励的振动。维持振动的交变力是由运动本身产生或控制的。典型的自激振动有微风中树叶的摆动、流体诱发的失稳、摩擦导致的次同步等，塔科马大桥毁坏就是有类似的自激振动引起的。 刚度、阻尼 刚度是一种机械或液压元件在负载作用下的弹性变化量。一般机械结构的刚度包括静刚度和动刚度两个部分。静刚度决定于结构的材料和几何尺寸，而动刚度既与静刚度有关，也与连接刚度和共振状态有关。 阻尼是指振动系统中的能量转换（从机械能转换成另一种能量形式，一般是热能），这种能量转换抑制了每次振荡的振幅值。当转轴运动时，阻尼来自轴承中的油、密封等。 现场对泵组共用底座进行灌浆就是增加机组的质量和刚度，从而改变机组的固有频率，避免共振发生。而使用减震垫（座）就是引入阻尼机构来防止系统产生过大响应，以及对激振力的耗散，减小从设备某一部分传递到其他部分的激振力。 共振、临界转速、固有频率 共振是一种现象：当受迫振动的频率接近机器系统的固有频率时，振动响应的振幅会急剧增大，这种现象称为共振。 每一个转子，连同支持它的轴承组成的系统，都有若干阶横向振动的固有频率，每一阶固有频率又有它所对应的振型。 在一定的转速下，某一阶固有频率可以被转子上的不平衡力激起，这个与固有频率一致的转速就被称为临界转速。 当系统作自由振动时，其振动的频率只与系统本身的质量（或转动惯量）、刚度和阻尼有关。这个由系统的固有性质所决定的振动频率，称为系统的固有频率。 泵振动故障处理的一般思路 分析诊断机械振动的简化思维：  振动是激振力与动力学刚度的比率，测量振动时实际上在测量该比率的值。因此，激振力的变化、动力学刚度的变化，或者两者同时变化都会引起振动发生变化，因此，应该充分理解并在分析振动问题时予以应用，这样可以帮助我们能从简单的角度去分析复杂的振动问题。 从上面的公式可以看出，任何振动都是由于激振力及动力学刚度分别或同时发生了改变而引起的，激振力可以是内在的和外部的。为此，首先要确认激振力的来源。找到激振力的来源后，可以通过各种方法来减小激振力，如不平衡力就是一个最常见的激振力。虽然我们都会对转子进行静平衡或动平衡来降低产生的不平衡力，但无论如何都不可能完全消除这个不平衡力，也就是不可能完全消除振动，这也是ISO对振动进行评级分类的目的。当振动达到一定的烈度时，就会对设备造成损坏或降低零部件的使用寿命，这时需要对振动进行干预，将振动烈度控制到对设备零部件使用寿命的影响在可以接受的程度范围之内。 正如上面所述无法完全消除平衡力，有时激振力是不能消除或者消除激振力的成本太高，这时就需要从上面公式的分母部分来考虑，而分子的值不变，增加分母的值即动力学刚度同样也能减小振动。动力学刚度是转子质量、弹簧刚度、阻尼及转子转速的函数，只要想办法改变这些参数，振动响应也就会随之变化。但影响动力学刚度的参数中质量一般很难改变，实际应用中可以通过改变结构件的刚度，如增加加强筋、增加结构材料的厚度、增加支撑点等来改变刚度。有时也通过增加阻尼或隔离振动来降低振动的响应和减小振动的危害，如增加减震座（垫）、隔振座（垫）、使用如铸铁和复合材料等阻尼相对较大的材料做结构件等。 要想搞清楚激振力的来源及如何改变动力学刚度，除了需要对振动的基本知识有深入的了解外，还需要对发生振动故障的设备结构、性能、系统甚至检测数据等全面掌握，如振动的部位及该部位的刚度参数、泵转速和振动频率的关系、轴承的结构及受力、叶轮及导叶叶片的数量、不同结构泵的各向异性刚度等。 通过振动基本原理及故障设备属性关系来分析查找振动原因，是处理振动问题的关键一步。通过这个方法，可以处理大部分泵系统遇到的振动问题。但如果遇到一些复杂的振动故障，我们还需要使用专业的硬件设备如频谱仪、频闪仪、压力脉动仪、噪声仪等来获取和振动相关的参数，同时还要借助一些振动分析的方法，如轴心轨迹、极坐标和伯德图、频谱级联图和瀑布图、模态分析等。 - 欢迎持续关注 - |
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