振动分析知识系列教程——关于频谱、波形和相位的简单介绍

频谱使我们能更容易看清每一个频率。我们也可以看到谐波和边带，通过它们可以告诉我们设备内部的移动以及受到的应力等等。实际的振动往往是很复杂的，而不是简单的振动或是简单的单一频率的振动。如果我们看看从振动传感器过来的原始信号，这个传感器可能放在这个轴承或者其他轴承上，它看起来会非常复杂。但是我们要做的就是把它分解成几个简单的区域。

首先我要点击这个按钮，打开这个灰色的轴和灰色的转子，现在我们将要看到的所有振动，就来自于这个轴承。想象一下这里有个加速度传感器安装在这个轴承这里。但这是一个单一的振动源。如果我们把设备转速提高一点，波形中的峰值就会靠近一些，如果我们改变幅值，我们就可以看到更高或更低的幅值。

现在是一个来源的振动，我们还可能看到来自于另外一个源头的振动，这个振动来自于轴承本身的振动，虽然在滚动轴承内有滚动元件以及三种不同的频率，但是简单起见，我们用一个频率来代表。这个频率高于我们之前看到的旋转一周产生一次的灰色的振动信号。所以现在我们又有一个不同于转速频率的绿色振动。我们可以看到轴承状况良好。事实上如果状况良好我们不会看到轴承上产生任何振动。但是随着轴承的故障发展。这个频率的幅值会增加。正如我所说的现实中轴承振动要复杂得多。

让我们暂时关闭它一会，看看由风机本体产生的振动。现在我们看到每旋转一周发生一次的振动。假设风机上有10个叶片。叶片每次经过我们的参考位置时，会传递振动信号到轴承座上的这个测点。它有点像是轰轰轰，每旋转一周听到10次轰的声音。因此这个振动每旋转一周有10个周期。

现在我们的振动由3个来源。橙色振动来自于橙色的风机；绿色的振动来自于绿色的轴承；灰色的振动来自于灰色的轴和转子。如果我把它们全都打开，您可以看到三个振动源。现在您可以知道您的轴承或者其他组件没有问题。但事实上我们看不到这个。我们只能看到这个红色的信号。它是这三个信号的组合。实际上的振动会比这个复杂得多。我们现在要做的是在3D图中来看它。现在我们看到的和之前的基本一样。灰色的振动、绿色的振动、橙色的振动。现在我要做的是旋转我们的视图。这个是时间。这个是幅值。但我们这里实际上得到了一个三维图谱。因为现在我们将之前一直谈论的这三个波形利用频率分开了。所以现在有转速频率，这个较低的频率；频率高一些的来自于轴承的绿色振动；以及这个例子中来自于风机的更高的频率。现在我们将他们分成了三个频率，而不是从这一侧看到的波形或是波形的和。如果我们从这一边看，只是看频谱的两端。这就是FFT或者说频谱所做的事情。就是这样。现在您可以看到这就是那三个峰值。

虽然算法是FFT的一部分，但我们不需要考虑如何计算。现在您看，这里就是我的高的橙色振动或者绿色振动。这里我们可以更清楚地看它。您看，如果由风机引起的振动，我会在这里看它；来自轴承的振动，我会从这里看它；这个就是旋转一周发生一次的振动。现在如果我们有更多的不平衡，这里的振动会高；这里的振动低表示轴承状态良好，现在看不到一点点轴承问题。轴承有问题时我们看到幅值更高。关于频谱还有更多我们可以谈论的内容。但这是最基本的内容。一般的振动我们通常会看到转速频率下的振动。但是在理想情况下我们看不到其他任何振动。如果有不平衡振动会变得更高。如果我们有不对中我们可能会看到2x或3x或4x或5x。看具体的情况。旋转部件松动我们可能看到很多这样的峰值。这些称为谐波。如果有轴承故障我们同样可以看到谐波。但是这次还可能看到，在这些轴承频率旁边还有这些小的峰值，我们称它们为边带。如果有共振我们可能会看到1X峰值以及很宽的底部能量。所以对于某一个故障，我们可以看很多东西。频谱以及频谱的变化会告诉我们问题的本质，以及幅值达到什么程度告诉我们问题的严重程度。

我之前提到过这一切都来自于时域波形。时域波形本身是非常有价值的。因为它是来自于传感器的原始信号。我们已经看过一些时域波形。在这个例子中它会更加复杂一些。我们看到这些齿啮合在一起时会产生一个周期的振动。所以如果有21个齿我们就可以说，轴每旋转一周我们会有21个这些小的周期。如果现在齿轮出现问题，比如说出现了一个断牙，每次断牙啮合时我们会得到一个额外的尖峰。这里我不想谈论齿轮箱故障。重点是时域波形给了我们一些信息，这些信息在频谱中是难以看到的。这里我们可以很清楚地知道发生了什么。但是频谱中是很难看到的。

这是一个实际的例子。这片小的损伤的区域发生啮合后，我们在这里得到了这些大的振动峰值，这里，这里，这里，等等。介于两者之间的是齿轮啮合振动应该的样子。它看起来应该是这样的。现在它是一个不同的坐标。我们在看两个尖峰之间。就是这里。是的。有一些变化。但是如果我的时域波形就像这样，我会认为一切正常。但是如果我看到大的峰值，信号里面大的上升和下落，我就需要注意了。因此时域波形分析是非常重要的。尤其是有齿轮故障、滚动轴承故障等造成冲击情况时。

现在我们来讲另外一种分析方法——相位分析。相位分析会告诉我们更多设备运动的信息。如果一台设备因为不平衡，以一种圆形的方式移动，相位会告诉我们。如果是由不对中，不同的力会产生不同的运动，相位会告诉我们。还有偏心、轴弯曲、轴承翘曲等等。相位读数会告诉我们设备在进行什么样的运动，因此我们可以判断什么力产生了这样的运动，因此判断出现了什么样的故障状态。

有几种方法可以测量相位。最直接但实施并不一定是最简单的方法是在设备上放一个传感器测量振动信号，再加上每旋转一周产生一次脉冲信号的转速传感器，这个转速传感器可以是激光转速计，也可以是光电转速计，或者别的类型的旋转一周产生一次脉冲的转速计。当它看到白色反光带时就得到一个脉冲，这就像一个参考时间。现在我们就知道振动的峰值以什么为参考了。

更简单的一个方式是使用两个加速度传感器。告诉分析仪设备的转速是多少，它就可以看到设备的运动了。举个例子，我这里有一个小模拟器。我会把反光带贴上去，把光电转速计放在这。然后我们启动设备。这就是从激光转速计或光电转速计过来的信号的样子。然后我们把传感器放在设备上。我们不仅可以看到波形的样子，还可以得到相位读数。然后我可以移开传感器，可以看到值变为0。然后我把它放在侧面，噢，它变了大约90度。这表明设备存在不平衡。

我们可以做很多事情。我们可以比较这个相位读数和另一边的相位读数，看它是否存在不对中；我们还可以比较这个顶部和那边的顶部，还是检查是否有不对中；或者这里检查松动。很多事情。我们可以停掉设备，因为不想伤害我们的手指。然后把它（转速计）拿走。使用两个加速度传感器以及双通道的分析仪同样可以做这件事。我们可以看到90度的相位差。交换两个传感器的位置就会变成-90度。通过这个方法我们可以做所有这些事情。这样做会更容易，因为不需要停下设备。我们也可以使用频闪仪。如果我们启动设备。用慢动作来看，我们可以看到红色螺栓。我现在要做的是调节频闪仪，使轴旋转一周时频闪仪闪烁一次，这样轴看起来像是静止状态。当然这时候我们不能去摸它。但是我们可以在设备上贴上一个传感器。当我们移动传感器，仿佛轴在慢慢旋转。这个例子中它旋转了1/4圈。螺栓从顶部移动到了侧面。这表明存在不平衡。我们可以利用频闪仪做很多事情。但这个视频不计划去详细解释频闪仪的用法，比如利用频闪仪查看皮带打滑或其他问题。

好了，总结一下。频谱分析是最常用的振动分析工具，峰值通常与设备内的组件有关，我们可以看到发生了什么，比如风机叶片不平衡、齿轮缺陷或者滚动轴承缺陷等等。它可以帮助我们诊断很多种故障，帮助我们确定是否有故障需要更密切的关注。

时域波形。时域波形用来生成频谱，但它同样也是非常有用的分析工具，特别是在齿轮箱、滚动轴承以及其他类型的组件。你应该要能够利用时域波形。

相位分析可以帮助我们理解设备的运动。它可以帮助区分不平衡、不对中、偏心、轴弯曲以及其他类型的故障。

了解设备、故障状态、以及测量，换句话说，关于信号处理的一点内容是非常重要的。这样你就不仅知道如何正确采集数据，而且当振动发生变化时，你会明白设备里面发生了什么，而不是看着墙上的挂图。希望挂图上显示的内容就是设备实际的问题。生活远比墙上的挂图要复杂。

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