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轉動設備的頻率知識

1、頻率 f  是物體每秒鐘內振動循環(huán)的次數(shù)，單位是赫茲 [Hz]。頻率是振動特性的標志，是分析振動原因分析振動原  的重要依據(jù)。周期T是物體完成一個振動過程所需要的時間，單位是秒 [s] 。例如一個單擺，它的周期就是重錘從左運動到右，再從右運動回左邊起點所需要的時間。頻率與周期互為倒數(shù)，f＝1/T。對旋轉機械來說，轉子每旋轉一周就是完成了一個振動過程，為一個周期，或者說振動循環(huán)變化了一次。因此轉速 n、角速度 ω 都可以看作頻率，稱為旋轉頻率、轉速頻率、圓頻率，或 n、ω、f不分，都直接簡稱為頻率，它們之間的換算關系為：f = n/60，ω＝2πf＝2πn/60≈0.1n，其中轉速 n的單位為轉/分鐘[r/min]，角速度 ω 的單位為弧度/秒[rad/s]。

2、倍頻、一倍頻、二倍頻、0.5倍頻、工頻、基頻、轉頻

振動頻率也可以用轉速頻率的倍數(shù)來表示。倍頻就是用轉速頻率的倍數(shù)來表示的振動頻率。

如果振動頻率為機器實際運行轉速頻率的一倍、二倍、三倍、0.5      倍、0.43倍、…時，則稱為一倍頻（習慣上又稱為1X，或1×）、二倍頻（2X、2×）、三倍頻（3X、3×）、0.5 倍頻（0.5X、0.5×）、0.43 倍頻（0.43X、0.43×）、…等。其中，一倍頻，即實際運行轉速頻率又稱為工頻實際運行轉速頻率又稱為工頻、基頻、轉頻，0.5 倍頻又稱為半頻。

例如，某機器的實際運行轉速 n 為 6000  r/min，那么，轉速頻率＝n/60＝6000/60＝100Hz，其工頻為 100Hz，二倍頻為 200Hz，半頻為 50Hz。

3、 通頻振動、選頻振動

通頻振動是原始的、未經傅里葉變換分解處理的、由各頻率振動分量相互迭加后的總振動。其振動波形是復雜的波形。

選頻振動是從通頻振動中所分解出來的、振動波形是單一正弦波的、某一選定頻率頻的振動（如工頻、0.5 倍頻、二倍頻、…）

4、故障特征頻率

各種不同類型的故障所引起的振動都有各自的特征頻率都有各自的特征頻率 。例如，轉子不平衡的振動頻率是工頻，齒式聯(lián)軸器（帶中間齒套）不對中的振動頻率是二倍頻，油膜渦動的振動頻率是 0.5倍頻(實際上要小一點)，等等。由各頻率成分的幅值大小和分布情況，從中查找出發(fā)生了異常變化的頻率，再聯(lián)系故障特征頻率探索構成振動激振力的來源，是判別振動故障類型通常采用的診斷方法。但是反過來，某種振動頻率又和多種類型的故障有關聯(lián)。例如，動不平衡的特征頻率是工頻，但不能說工頻高就是發(fā)生了動不平衡，因為某些軸承及不對中等故障的振動頻率也是工頻。因此，頻率和振動故障的對應關系并不是唯一的。為了得到正確的診斷結論，需要對各種振動信息進行綜合分析。

常見的故障特征頻率及相應的故障類型，簡要介紹如下：

①  工頻

工頻成分在所有情況下都存在，工頻幅值幾乎總是最大，應該在其發(fā)生異常增大的情況下才視為故障特征頻率。工頻所對應的故障類型相對較多。多數(shù)（60％以上）為不平衡不平故障，如轉子發(fā)生機械損傷脫落（斷葉片、葉輪破裂等）、結垢、初始不平衡，以及軸彎曲等；同時，相當數(shù)量（接近 40％）為軸承偏心軸承偏類故障，如間隙過大、軸承合金磨損、軸頸與軸承偏心、軸承座剛度差異過大等；此外，還有剛性聯(lián)軸器的角度（端面）不對中；支座、殼體、基礎的松動、變形、裂縫等支承剛度異常引起的振動或共振；運行轉速接近臨界轉速；發(fā)電機及電動機轉子偏心等。

②  二倍頻

二倍頻成分在所有情況下也都存在，幅值往往低于工頻的一半，常伴有呈遞減狀的三倍頻、四倍頻、…，也應該在異常增大的情況下視為故障特征頻率。二倍頻所對應的故障類型較為集中。絕大多數(shù)為不對中（含聯(lián)軸器聯(lián)軸）故障，如齒式聯(lián)軸器（帶中間短接）和金屬撓性（膜盤、疊片）聯(lián)軸器的不對中、剛性聯(lián)軸器的平行（徑向）不對中，其中，既有安裝偏差大所產生的冷態(tài)不對中，又有由溫差產生的支座升降不均勻以及管道力所引起的熱態(tài)不對中，以及聯(lián)軸器損傷故障等；此外，還有概率較小的其它故障，如轉動部件松動，轉子剛度不對稱（橫向裂紋），支承剛度在水平、垂直方向上相差過大相差過等。

③  低頻（低于工頻的頻率）

正常情況下，低頻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 的情況下，就應該以故障特征頻率的預兆加以關注了。低頻所對應的故障類型相對復雜?？蛇M一步分為兩種類型，一種是分數(shù)諧波振動，如 1/2 倍頻、1/3 倍頻、…，且頻率成分較多，多數(shù)為摩擦及松動故障，如密封、油封、油擋的摩擦，軸承瓦背緊力不夠等；另一種是亞異步振動，對應的為流體動力激振類故障，如旋轉失速、喘振、油膜渦動、油膜振蕩、密封流體激振，此外還有進汽進（氣）激振等，其中油膜振蕩、密封流體激振為自激振動，是一種很危險、能量很大的振動，一般發(fā)生在轉速高于第一臨界轉速之后，多數(shù)是在二倍第一臨界轉速以上，頻率成分較為單一。

④  轉子的臨界轉速

轉子的臨界轉速就是轉子的固有頻率，其所對應的故障類型有油膜振蕩、密封流體激振、臨界轉速區(qū)共振，對于老機組、成熟機型發(fā)生的概率較低。

⑤  機器自身和基礎或其它附著物的固有頻率

⑥  齒輪故障的特征頻率

    由于齒輪的輪齒在進入和脫離嚙合時，載荷突變、碰撞加劇，瞬時的高頻沖擊振幅與周期性變化的轉頻振幅相互疊加而產生幅值調制；制造時的輪齒分度不均勻、即周節(jié)誤差使旋轉速率發(fā)生變化則產生了頻率調制。

    齒輪振動的特征頻率為：f_m ± i f  ，i為正整數(shù)（i＝1，2，3，…）式中，f_m～嚙合頻率，為載波頻率， f_m＝f₁z₁＝f₂z₂，其中，      f₁、f₂、z₁、z₂分別為主動輪、從動輪的轉速頻率及齒數(shù)； f～齒輪的轉速頻率，為調制頻率。

表現(xiàn)在頻譜圖上，是以嚙合頻率f_m為中心、以齒輪轉速頻率 f為間隔，不太對稱地分布于 f_m的兩側（對稱度與周節(jié)誤差相關），兩側稱為邊頻帶、邊帶。如果缺陷分布較均勻、如磨損，頻譜圖上的邊頻帶則顯現(xiàn)為窄、高、起伏大；如果發(fā)生斷齒或大的局部性缺陷，邊帶則寬、低、平。

    ⑦  滾動軸承故障的特征頻率

    滾動體的通過頻率對于滾動軸承來說，由于軸承游隙的存在，滾動體在通過載荷方向時受力最大，反方向時最小或無。因此，每個滾動體在通過載荷方向時就會發(fā)生一次力的變化，內圈及軸頸、外圈及軸承座也同時受到一次激勵，此激勵頻率稱為滾動體的通過頻率 f_e。顯然，f_e＝z f_c，其中，z～滾動體個數(shù)，f_c～滾動體的公轉頻率、也是保持架的旋轉頻率。滾動軸承的缺陷間隔頻率由于潤滑不良、載荷過大、異物侵入、銹蝕等原因，會引起軸承工作表面上的剝落、膠合、裂紋、腐蝕凹坑、壓痕等離散型缺陷或損傷。滾動體在通過內、外圈上的缺陷點或轉過自身的缺陷點時，就會與缺陷凹坑發(fā)生碰撞，而產生沖擊振動。同時由于持續(xù)時間極短，能量分散在極寬的頻率范圍上，完全可以激發(fā)起軸承各元件以其固有頻率的振動，就像用小錘輕輕敲擊大鐘可以使鐘發(fā)出聲音（固有頻率的振動）一樣。因此，這種由局部缺陷所產生的沖擊脈沖振動信號，其頻率成分不僅有反映滾動軸承故障特征的間隔頻率（即通過缺陷處的沖擊頻率），同時還包含有反映滾動軸承各元件固有頻率的高頻成分。

    由局部缺陷引起的沖擊振動的間隔頻率的計算公式見下表。

式中，D～滾動體中心圓（節(jié)圓）直徑，[mm]；

d～滾動體直徑，[mm]；

α～接觸角，[角度或弧]；

z～滾動體的個數(shù)；

  n～軸的轉速，[r/min]。

    除轉速 n外，D、d、α、z均可根據(jù)軸承型號由軸承樣本查出。由于外圈是固定不動的，所以外圈的間隔頻率 f_o就是滾動體的通過頻率 f_e，而滾動體間隔頻率 f_b則是滾動體的自轉頻率。滾動軸承的特征頻率右圖是外圈、內圈、滾動體上的缺陷所產生的振動波形圖。波形圖顯示：外圈存在缺陷時，周期為外圈間隔頻率的倒數(shù)  1/f_o；內圈存在缺陷時，周期為內圈間隔頻率的倒數(shù)1/f_i，并出現(xiàn)了對 f_i 的幅值調，調制頻率為滾動體的公轉頻率 f_c（即保持架旋轉頻率）或轉速頻率 f；滾動體存在缺陷時，周期為滾動體間隔頻率的倒數(shù) 1/f_b，調制頻率為 f_c 。

    滾動軸承的特征頻率就是以缺陷間隔頻率及其諧波為載波頻率、轉速頻率為調制頻率相互疊加調制（其中外圈不動，無調制頻率）而成的，具體如下，

外圈：   ifo                                 i為正整數(shù)(i＝1，2，3，…)

內圈：   if_i ± f_c 或 if_i ± f        i 為正整數(shù)(i＝1，2，3，…)

滾動體：2if_o ± f_c                     i為正整數(shù)(i＝1，2，3，…)。