机械振动分析的带宽与谱线数

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　　在应用FFT时必须确定分析和显示的频率带宽或频率最大范围。所选择的带宽应该足够宽，能够包含所有重要的与故障相关的频率。当然，带宽越宽，测量频率的精度越低。因此，选择的带宽不应高于需要监测的与故障相关的振动频率。

　　关于谱线分辨率的设置，在很多场合应用广泛，比如电气故障、皮带传动故障、边带分析等等。

　　带宽选择

       1、滚动轴承
　　滚动轴承失效时，根据失效程度不同可分为几个典型阶段。每个阶段都可以监测到独特的故障频率特征。轴承失效的早期阶段，第一个迹象是振动能量的显著增大。轴承失效进一步发展，轴承滚道或滚动体上损伤尺寸扩大，轴承零部件之间的冲击强度增加。这些冲击力能够激起包括内、外滚道，轴承体和滚动体保持架等轴承零部件固有频率的共鸣，这类似于敲击一个铃使它振动或在固有频率下共鸣。

　　通常轴承零部件的固有频率范围大约是30000CPM (500Hz) 或300HZ到120000 (2KHz)，有些轴承零部件的固有频率稍微低一些或高一些。无论如何，监测、分析滚动轴承故障时，一般建议选择0～120000CPM (0～2KHz) 的带宽。

　　2、滑动轴承
　　滑动轴承轴承设备，例如大型电机和风机，很少出现像滚动轴承设备那样高的与故障相关的振动频率，除非设备有其它特点，如风机叶片或叶轮叶片数量很多，这时气动力或水动力脉动可能产生高频振动。因此，滑动轴承设备的带宽通常设置为工作转速的10倍频 (10×RPM)。对于一个使用圆柱轴承的1800RPM的风机，数据采集的频带宽度 (Fmax)设定为18000CPM (10×1800CPM=18000CPM)。大多数情况，这样的设置能够满足要求。此外，如果计算得出风机叶片或叶轮叶片通过频率高于10倍频，应该调整频带宽度参数。对于滑动轴承的通用设备，频带宽度值设置很少超过1000HZ。

　　3、齿轮传动设备
　　对于包括齿轮和齿轮传动的设备，主要关心的是齿轮故障的监测和分析。经验表明，很多齿轮故障产生的振动频率是齿轮啮合基频的2倍，有时是基频的3倍。由于这一原因，齿轮振动分析中建议将频带宽度最小设置为齿轮啮合频率的3.25倍。对于多级齿轮变速器，为了与多个齿轮啮合频率匹配，需要设置相应的几个不同的频带宽度。

　　正确选择频带宽度是非常重要的，必须依据预期的故障频率，全面考虑后决定。有人会指出，与最高啮合频率匹配的频带宽度 (10000HZ) 适合于上例中所有的设备，但必须记住，频带宽度越宽，频率精度越低。虽然需要10000HZ的高频带宽度来检测和诊断高速齿轮轴故障，但是这个频带宽度在识别和区分其它潜在性故障时无法保证其精确性，例如，驱动电机的机械-电气故障。

　　谱线数设置

       谱线数设置与频带宽度选择同样重要，分辨率谱线数量的选择决定了频谱分析中频率数据的精度和分辨率。如：选择120000CPM的频带宽度，400条分辨率谱线，用频带宽度除以分辨率谱线数，很容易计算出分辨率谱线的频率宽度，但在一条谱线上很可能包含几个不同的频率。同时，FFT频谱只能显示出一个振动峰，仿佛只有一个振动频率成分。

　　理解频带宽度、分辨率谱线以及频率精度之间的关系是很重要的。

　　举例说明：
　　假设电机驱动的泵工作转速为2985RPM，可能发生的机械故障有不平衡、松动、对中不良等，产生的振动频率为1倍频和2倍频 (2985CPM和5970CPM)。另外，假设电机为两极感应电动机，可能发生的电气故障有绕组短路或断路、气隙不均、转子线棒折断等，这都会使转子和定子间产生不平衡电磁力而引起振动，这些电气故障产生的振动频率与驱动电机的交流电 (AC) 频率有关。电机为两极电机，定子磁场的旋转速度是交流电频率的1倍即3000CPM(假设交流电频率为50Hz或3000CPM)。

　　本例中，可能发生机械故障和(或)电气故障，两者故障的典型振动频率只相差15CPM (3000CPM-2985CPM=15CPM)。当设定频带宽度和分辨率谱线数量分别为120000CPM和400条时，FFT分析将不能区分电气故障和机械故障的频率成分，因为这时的频率分辨率为300CPM，3000CPM和2985CPM的频率成分在同一条谱线上显示。

　　有时，不对中故障会导致两倍频振动。在上例中，它可能是6000CPM (2×3000RPM = 6000CPM)，电气故障引起振动的频率通常是交流电频率的两倍 (6000CPM)，这里，机械故障振动频率 (5970CPM) 和电气故障振动频率 (6000CPM) 仅相差30CPM。在频率分辨率为300CPM的频谱分析中，也不能区分和分辨这两种故障。

　　从感应电机的诊断可以明显看出，在振动分析时应该特别注意那些振动频率接近的故障，选择频谱分析的频带宽度和分辨率谱线数量时，要综合考虑这些因素。因此，如果需要区分感应电动机的机械故障频率和电气故障频率，建议采用一个额外的频谱分析，至少在一个水平方向或一个垂直方向上的FFT使用0到12000CPM的频带宽度，3200分辨率谱线。这将提供可以区分机械故障频率和电气故障频率的略小于4CPM的频谱分辨率。

　　来源：设备管理研习社公众号(ID：sbglyxs)，原文来自电力鹰。