振动故障诊断——如何进行振动频谱分析
参考振动频谱分析关键步骤及分析要点
参考怎么看频谱图?
图解滚动轴承故障的频谱波形

1 频谱分析关键步骤

频谱分析准确与否取决于多个方面。
(1)设置仪器频率范围、分辨率等；
(2)数据采集位置应根据设备的机械特性、振动传递路径和故障可能发生的区域来确定；(3)另外熟悉设备、了解机械结构原理是故障诊断的基本要求。

1.1 查看频谱信号是否正确

频谱分析第一步，查看频谱信号是否正确。
虽然仪器已设置正确，但采集过程中可能会出现偏差，如电缆松动、传感器安装松动、测量时稳定时间不够、温度问题等都会造成数据失真。最为典型的是滑雪坡式的频谱形态，一般为稳定时间不够或传感器问题。

1.2 查找转速频率

频谱分析第二步，查找转速频率。
若存在多轴系且不同转速时，需要找出每根转子的转速频率，转速频率得到确定，就可以开始实际的频谱分析，因为频谱中的各频率成分几乎都围绕着转速频率进行区分、计算。

1.3 观察频率所在区域

频谱分析第三步，观察频率所在区域。
以转速频率为基准，观察振动能量集中在那个区域，可快速判断振动性质，缩小故障范围。
(1)若集中在低于转速频率的次同步区域，要考虑是否为油膜振荡或油涡动、转子摩擦故障、流体激振、滚动轴承中的保持架频率、严重的松动故障等；
(2)若集中在高于转速频率的同步区域，要考虑是否为不平衡、不对中、转子弯曲、松动、摩擦、结构问题等引起；
(3)若为高于转速频率的非同步频率，一般集中为滚动轴承的缺陷、气蚀、电气问题、共振、外部干扰和其他非同步振动源相关的频率。

1.4 确定各特征频率基频及谐波

频谱分析第四步，确定各特征频率基频及谐波。
查找是否存在除转速频率1X以外的其他特征频率的基频，如，啮合频率1X，叶片通过频率1X、轴承特征频率1X等等。然后分析其他频率是否为其谐波，一些特征频率是在一定幅值范围内是允许存在的，有些则直接对应着故障，如滚动轴承特征频率，而谐波的幅值与多少往往预示着故障的严重程度。

1.5 查找边带频率成分

频谱分析第五步，查找边带频率成分。
任何边带的产生都意味着故障的存在，边带频率通常为故障原因或故障位置。产生边带的常见故障有齿轮故障、滚动轴承故障、电机故障等等，边带间隔可能为转速频率、零部件的特征频率以及一些频率的和频或差频。

1.6 观察地平噪声

频谱分析第六步，观察地平噪声。
正常频谱地平噪声很小，相对平坦。严重的松动、滚动轴承故障的严重摩擦、共振、气流激振等问题会引起地平噪声的抬高，其有各自的振动特征，区分并不困难。

1.7 其它频率分析

频谱分析第七步，其它频率分析。
频谱中可能存在一些未知的振动频率，在某些情况下，机械系统的非线性行为可能导致产生无法通过简单谐波关系来解释频率，其幅值一般很小，没有实际分析意义；但也可能是其他原因引起的，最常见的附近设备的振动传递。

1.8 确定故障原因

频谱分析第八步，确定故障原因。
首要的是，对各种频谱形态对应的振动故障有所了解，熟悉机器在不同条件下的故障模式，极其可能产生的频率成分。根据频谱形态确定故障性质后根据频率成分的大小及分布确定振动原因及严重程度。
频谱分析能够确定振动故障性质，甄别部分振动原因，但有些原因的确定是需要多方面的佐证，不是单一频谱分析能够确认的，且同样的频谱形态对应的故障原因可能并不一致。时域波形、振动相位、振动与位置、负荷、温度、压力等都是一些重要的佐证依据。

2 怎么看频谱图

对时域信号进行FFT变换，能得到频谱图（这里的频谱是指各类频域谱图，如频谱、自谱、互谱、colormap等等，不单单指频谱spectrum，横轴除了频率之外，还有可能是阶次），有的频谱除了幅频曲线之外，还有相频曲线。
各个频谱图都有幅频曲线，但有的频谱却没有相频曲线，如自谱、PSD等。

2.1 要了解结构

如果你对待测结构不了解，那么，频谱图在你眼里就是一张图，难以从里面提取到有用的信息。而了解结构，是为了了解待测结构的（故障）振动特性。了解了振动特性，才能确定频率图中各个频率成分的来源。

对于传动类结构，我们要确定各类参与传动结构的振动特性，如轴系、齿轮、轴承等的振动特性。
(1)首先要确定这些结构的参考转速，通常是可测量的转速，如输入轴。
(2)然后根据各轴与参考转速之间的速比，计算得到各轴的转频或阶次，计算相应轴上的轴承或齿轮的特征频率（阶次）。
(3)特征频率（阶次）是指因运转而产生的频率（阶次），如齿轮的啮合频率，轴承滚珠自转频率等等。获得这些信息，就需要获得齿轮和轴承的结构参数，如齿轮与轴承的类别与结构参数等。

还要了解常见安装问题引起的振动特性，例如：
(1)不平衡、轴弯曲、安装角度不对中等都将导致转频在频谱图中幅值高；
(2)而安装时的轴平行不对中会出现转频的2倍频幅值高；
(3)如果出现摩擦或安装松动等情况将导致出现转频的倍频或分数倍频。

2.2 频谱的共性

(1)频谱是离散的，谱线只位于频率分辨率的整数倍频率处。
(2)频率分辨率对频谱有两点明显影响：第一，影响频率精度；第二，影响频谱幅值。
(3)频率分辨率与时间成反比，当频率分辨率越精细时，一帧时域数据越长，这会影响数据截断次数和平均次数。
(4)由于信号截断导致数据不满足傅里叶周期性变换要求而出现频谱泄漏，泄漏的表现是频谱出现拖尾效应。
(5)为了减少泄漏，需要加窗函数，但加窗只能减少泄漏，不能消除泄漏，因此，加窗后的信号幅值仍与真实值有差异。

2.3 查看频谱图

频谱图中每条谱线对应的频率成分都是一个单频信号，因此，具有振动三要素：幅值、频率和相位。有些频谱不具有相位信息，如自谱，在这3个要素中，更看重前面两个，即幅值和频率。
(1)首先要确定频谱图中幅值最高的几个频率成分，这些频率幅值高，就表明它们对响应的贡献大。
(2)确定幅值最高的几个频率成分之后，要确定这些频率成分是由什么原因产生的，或者说要确定这些频率成分的来源，以最终帮助工程师解决问题。

(3)频谱图中的频率成分可能是由以下几个方面引起的：共振、转频及其倍频、特征频率（阶次）、工频及其倍频、调制产生的边频、和频与差频、异常频率等等。

2.3.1 共振

从稳态工况下的二维频谱图中，如图中的自谱，很难将共振频率与其他频率成分区分开来。当然，也可采用排除法，如果排除了特征频率、转频及其倍频等，仍找不到原因，那么很大可能是共振了。

某信号的自谱：

另一方面，如果是共振的话，很容易从升降速工况的colormap图中找到答案。如从图所示的Colormap图中，确定的关键信息是共振频率和阶次。
阶次是从原点出发的斜线；共振频率是垂直频率轴的直线。因为共振频率接近或等于结构的固有频率，是不随转速变化的，因此，它垂直于频率轴。
colormap图中的阶次（粉色）和共振（褐色框）：

2.3.2 确定与转速相关的频率成分

对于确定与转速相关的频率成分，如转频及其倍频、部件的特征频率（阶次）等，有两个方法。
方法一：如果能连续升降速，则三维瀑布图（包括colormap图）可以确定这些特征频率（阶次）。
方法二：如果转速不能连续变化，则可使设备在两个邻近的转速下运行，按稳态来处理数据，然后将两个频谱放在同一个图中显示。由于转速有差异，那么，与转速相关的频率成分都会随转速变化，如图所示，可以看出随转速变化的频率成分。
重叠显示两个转速下的数据：

2.3.3 工频及其倍频

工频是指50Hz交流电产生的频率成分，如果出现50Hz及其倍频，那么，工频干扰明显，这时，应在正式测试之前排除这个干扰。如使用电池供电、关闭测试现场的泵，白织灯等设备、使用磁环等措施。由于50Hz及其倍频已确定为干扰，因此，强烈建议在正式测试前排除这个干扰。

2.3.4 调制产生的边频

边频的出现是由于信号受到调制的作用，如图所示。调制分三种类型：调幅、调频和混合调制三类。
(1)调幅现象表象为时域波形的幅值变化。调幅的时域波形由载波信号与调制信号的时域乘积得到。幅值调制的结果在频谱图上将形成边频。当齿轮安装偏心或齿轮本身偏心时易产生幅值调制。
(2)调频现象表现为时域波形的频率变化。当转速不稳定或者齿距不相等时，易产生调频现象。
(3)混合调制是指同时存在调幅和调频现象。

齿轮箱噪声信号存在明显的边频:

2.3.5 和频与差频

下图显示的载波频率为930Hz，输入和输出的转频分别为30Hz和34.4Hz。(1)在以啮合频率为载波频率的两侧包含了以两个转频为调制频率的边频带。
(2)同时又存在以两个转频的差频4.4Hz为调制频率的边频带，此时的载波频率为输入转频对应的边频带频率，这是明显的交叉调制现象。

如果载波频率的幅值和两侧边频带幅值相差很大，在图形显示时可以用分贝尺度。

调制引起的边频中的差频：

频率相近的分量容易形成和频与差频，这是这些频率交叉调制的结果。
(1)如主动轮和从动轮的齿数相差不大，导致输入转频与输出转频交叉调制形成和频或差频，如上图所示的4.4Hz，则是输入转频与输出转频的差频。(2)另外，和频与差频不一定是一次谐波频率之和或之差，也可能是其他谐波频率，也可能是其中一个是一次谐波频率，而另一个是高次谐波频率。

2.3.6 异常频率

异常频率与结构特性、转速没有关系，如齿轮中的鬼线频率。一般这类异常频率有两个方法可用于确定：
方法一是基于异常频率对负荷不敏感，因此，不同的负载下，但异常频率变化小。
方法二是使用阶次分析，这样可以通过阶次线确定异常频率与转速的倍数关系，如果这个倍数不是任何部件的阶次，那么可以确定这个频率就是异常频率。如果发现一个频率（或一组谐频）找不出来源，那么有理由怀疑它是异常频率。
旋转设备振动原因分析
5分钟带你认识鱼骨图分析法

3 旋转设备振动原因分析鱼骨图

鱼骨分析法，又名因果分析法，是一种发现问题“根本原因”的分析方法，现代工商管理教育如MBA、EMBA等将其划分为问题型、原因型及对策型鱼骨分析等几类先进技术分析。鱼骨分析法因其形状如鱼骨而得名，它是一种透过现象看本质的分析方法。

问题的特性总是受到一些因素的影响，通过头脑风暴找出这些因素，并将它们与特性值一起，按相互关联性整理而成的层次分明、条理清楚，因其形状如鱼骨，所以叫鱼骨图。

鱼骨图(Fishbone analysis method)是由日本管理大师石川馨先生所发展出来的，故又名石川图。

鱼骨图的三种类型：
(1)结构型鱼骨图(重点在于梳理结构，而不是分析原因)。
(2)原因型鱼骨图(鱼头在右，主题通常写问题点，不需要加为什么)。
(3)对策型鱼骨图(侧重于对某一问题的解决方法分析，鱼头向左，主题通常为“如何提高？”或是“如何改善？”等)。

(1)主骨用粗线画，加箭头标志。
(2)大骨上分类书写3～6个要因，用四方框圈起来。
(3)中骨用事实描述，必须使用价值判断(如……不良)。
(4)小骨要围绕"为什么会那样"?来写。
(5)孙骨要更进一步来追查"为什么会那样"?来写。

设备振动原因、测量、分析。

3.1 机械因素振动分析

3.2 基础因素振动分析

3.3 电气因素振动分析

3.4 转子不平衡振动分析

3.5 转子不对中振动分析

3.6 转子热弯曲振动分析

3.7 动静碰磨振动分析

3.8 轴向振动原因分析