频响范围对振动监测的重要性内附故障特征

导读

振动监测是工业设备状态监测与故障诊断领域的一种常见手段，通过在设备关键位置（如轴承座）加装振动传感器采集振动数据，并对振动数据进行分析，提取故障特征进而实现故障诊断。

*频响范围是指振动传感器能够有效感知的振动频率范围，而频响上限则是传感器能够有效感知的最高振动频率。

原理解析

在振动监测领域，通常要求振动加速度传感器的频响上限高于10kHz。为何这样要求？低频响传感器就不能用于设备监测和故障诊断了吗？

这主要是与振动监测所诊断的设备故障特征频率有关。许多工业设备的常见故障，如轴承润滑不良、磨损，齿轮磨损等，其特征频率较高，需要传感器能有效感知高频故障特征频率才可以对其进行覆盖。低频响传感器也并非不能用，它可以用于监测故障特征频率相对较低的部分，如转子不平衡、不对中、松动、共振等。

在振动监测过程中，可以感知并不意味着有效采集，想要实现高频振动数据的有效采集，在拥有高频响范围的同时，还需要考虑采样频率的大小。

采集系统中，采样频率的设置必须要满足采样定理①：采样频率高于所关心最高频率（抗混滤波器截止频率）的2倍。实际应用中由于采集系统抗混叠滤波器②截止频率以上存在过渡频带，为了避免过渡频带产生频率混叠，采样频率应不低于所关心最高频率的2.56倍。也就是说，在传感器频响足够高的情况下，有效采集振动数据的最高频率值=采样频率fs÷2.56。

根据采样定理，当振动传感器频响上限为10kHz时，我们应将采样频率fs至少设置为10kHz*2.56=25.6kHz，才可以保证可采集到有效振动数据的最高频率＝10kHz。若我们将采样频率fs设置为一个较小值，如fs=Hz，传感器能采集到的有效振动数据最高频率=fs÷2.56=Hz，此时即使传感器的频响上限达10kHz，~10kHz之间的高频数据仍将无法被采集。

因此，要想获取更高的振动频率数据，不仅需要振动传感器拥有高频响，还需要将采样频率设置为不低于频响上限的2.56倍才可以实现。

实例展示

下面我们以具体故障类型说明传感器频响上限不低于10kHz的必要性。

（1）轴承润滑不良

轴承润滑不良是滚动轴承最常见的一种故障类型，其故障特征主要体现在频谱高频段。高频段会出现能量突出，底部抬升的特征，呈“杂草堆”状。如下图，某给料泵轴承润滑不良频谱。

图1某给料泵轴承润滑不良频谱

在图1所示频谱图中可以看出，轴承润滑不良特征频率发生在~Hz附近。在实际振动监测工作中，采用频响不低于10kHz的传感器才能有效检测轴承润滑不良特征。

（2）轴承磨损

轴承磨损也是工业设备常见故障之一，轴承元件出现磨损时，通常会在加速度频谱高频段出现以轴承缺陷频率为间隔的频带。如下图某电机驱动端轴承外圈磨损加速度频谱所示，轴承外圈缺陷频率间隔频带上限在9kHz附近。

图2某电机轴承外圈磨损频谱

（3）齿轮故障

齿轮传动是旋转类设备动力传动的常用方式之一，齿轮故障又是齿轮传动设备中最常见的故障。齿轮故障的识别通常是基于齿轮啮合频率GMF③，并结合啮合频率两侧的边带加以识别（齿轮啮合频率=齿轮转频×齿轮齿数）。

图3齿轮磨损故障特征频谱

图4齿轮不对中故障特征频谱

*GMF表示齿轮啮合频率，fr表示低速齿轮转频

由图3、4可以看出，当齿轮出现磨损时通常会激发出齿轮多阶啮合频率，齿轮转速越高、齿数越多、所激发的齿轮啮合频率阶次越高，要求传感器频响上限就越高，如双馈风电机组齿轮增速箱、氯碱化工厂氯气压缩机齿轮增速箱等齿轮啮合频率及其倍频均较大，一般需选用10kHz以上频响传感器可以满足齿轮故障的全面监测。

（4）电气故障

实际中，电机电气问题时有发生。电机出现电气问题时，通常会引发异常电磁振动，有时异常振动频率会出现在频谱高频段，如电机出现转子条松松动故障时，频谱会出现转子条通过频率且伴有电源频率2倍频的边带（转子条通过频率=电机转子条数×电机转频）。

某2极变频电机其工作电源频率为35Hz，出现电气异常（转子条松动）时其振动频谱如下图所示。

图5某变频电机电气异常振动频谱

图5所示电机电气异常相关频率最高达9kHz左右，采用真实频响不低于10kHz的传感器才能有效检测电气异常相关频率。

总结

结合以上几类故障分析来看，为了能更好的监测设备运行状态，覆盖更多设备故障类型，在实际应用中推荐采用频响不低于10kHz的振动传感器，达到有效采集分析大部分设备故障特征频率的效果，这样在监测过程中才不至于产生漏报故障，尽可能的避免设备故障导致的非计划性停机或损坏，进而提高企业生产效率、降低运维成本。

释义：

①采样定理：采样定理又称奈奎斯特定理，由E.T.Whittaker()、Kotelnikov()、Shannon()提出，在数字信号处理领域中，采样定理是连续时间信号（通常称为“模拟信号”）和离散时间信号（通常称为“数字信号”）之间的基本桥梁。该定理说明采样频率与信号频谱之间的关系，是连续信号离散化的基本依据。它为采样率建立了一个足够的条件，该采样率允许离散采样序列从有限带宽的连续时间信号中捕获所有信息。在进行模拟数字信号的转换过程中，当采样频率s.max大于信号中最高频率imax的2倍时(fs.max2fmax)，采样之后的数字信号完整地保留了原始信号中的信息，一般实际应用中保证采样频率为信号最高频率的2.56~4倍。

②抗混叠滤波器：一个低通滤波器，用以在输出电平中把混叠频率分量降低到微不足道的程度。工程测量中采样频率不可能无限高也不需要无限高，因为一般只关心一定频率范围内的信号成分。为解决频率混叠，在对模拟信号进行离散化采集前，采用低通滤波器滤除高于1/2采样频率的频率成分。

③齿轮啮合频率GMF：在齿轮的啮合过程中，啮合位置、啮合刚度和所受载荷等多种参数均具有周期性变化的特征，反映这个周期性特征信息的就是啮合频率（GMF）及其高次谐波。

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