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【摘 要】目前高速旋转设备广泛应用于许多大型生产和试验中，随着生产技术的发展，高速旋转设备向着大型化和自动化发展。在运行到一定时期这些高转速试验设备会出现机械和振动等故障，尤其是产生振动后会给生产和试验带来严重影响。本文主要描述了高速旋转设备共振故障的原因。通过共振故障的机理分析和故障分析，讨论了高速旋转设备的故障诊断步骤和方法。
【关键词】高速旋转设备；共振故障；原因
高速旋转设备所有故障中，振动故障出现的次数最高。导致其出现振动故障的原因有很多，怎样快速准确地诊断出故障类型，进一步找出故障原因，采取有效对策，保证设备恢复平稳运行，是每一个设备工程师必须要思考的问题。
1 高速旋转设备共振故障诊断理论分析
其一，波形分析方法，这种方法需要观察振动波的特征，取得诊断信息后，效果会非常清晰。但其缺点在于当振动频率成分含量很多时，波形复杂，观察获取诊断信息较困难。
其二，频谱分析方法，这是目前应用最广泛的方法之一。尖锐的功率谱谱峰，对发生的故障会非常敏感，并且谱峰大小可以作为判断故障程度的依据，通过频率值诊断故障种类，这是故障诊断专家知识系统中最成熟、最可靠的规则。或者通过概率统计方法建立设备标准谱，将其作为衡量设备工况是否发生异常的标准。
其三，瞬态分析方法，这种方法主要包括极坐标图、坎贝尔图以及波德图、瀑布图分析等等，分析过程信号。
其四，统计分析方法，这种方法会对振动信号中各个频率分量产生综合影响，进一步实施量化处理。从振动参数、曲线波形或者频谱图中得到量化指标。
其五，模糊数学分析方法，这种方法主要用于诊断高速旋转设备故障诊断中遇到的模糊问题。在模糊综合评判、模式识别方面，都有进展，但是由于很难确定模糊隶属度函数，导致这种技术方法很难推广应用。
此外，还有专家诊断知识系统、人工神经网络理论等等。
2 高速旋转设备共振故障分析
高速旋转设备的主要部件有叶轮、密封组、转子轴、联轴器以及止推轴承、壳体等。比较常见的故障有转子不对中、转子轴裂纹、转子不平衡以及机座松动等。据统计分析，各种故障发生的概率如下图1所示。
2.1 共振故障原理
高速旋转设备的转子振动模型如下图2所示，在设备运行过程中，当激振力的频率Ω无限和系统固定频率ω时，整个系统的振幅会突然增大，产生共振，在共振区间内，共振大小和系统阻尼密切相关，阻尼越小，其振动幅值就会越大。
一般情况下，高速旋转设备在开车或者停机过程中，通过某一转速附近时会发生剧烈振动，称为临界转速，并且转子的临界转速有无限多个，如果把这些临界转速从小到大进行排列，最小的可称作一阶临界转速。在工程应用方面，通常把转轴的固有频率ω对应的转速当作转子的临界转速，当转子的工作转速和临界转速中任何一个数值接近时，此时，设备就可能会出现共振。
2.2 共振故障原因分析
其一，设计、制造方面原因。机组在设计或者制造的过程中系统临界转速设计不太合理，导致工作转速落入临界转速范围内。
其二，可能由于设备启动运行、升降速以及停车过程中操作不当引起的，若在临界范围内停留太长时间，就可能会增大振动。但这种情况很少见。
其三，在安装、维护设备的过程中，操作方法不当，导致系统的支撑条件发生变化，以至于设备固有频率改变，导致其和激励频率太接近而产生振动。
2.3 共振故障的主要振动特点
分析共振故障的原理可知，在振动频谱图中强迫激振力的频率分量非常明显。系统在发生共振时振动的副值会急剧变大，十分不稳定，这和其它类型的振动有所不同，像基础松动、不对中振动副值通常比较稳定。同时，在工程应用中，旋转设备的支撑刚度一般都具有向异性，也就是说系统在水平、垂直以及轴向上会出现不同的临界转速。而系统受到激振力的频率一定和系统某一方向的固有频率接近，所以，系统在这个方向有发生共振的可能性。通过上述分析可以发现，高速旋转设备在发生共振故障时有以下几个特征：机组出现共振时，振动幅值不稳定，且表现出明显的单向性；振动频谱图中强迫外力频率的分量非常明显。
3 诊断共振故障
3.1 高速旋转设备共振故障诊断步骤
（1）选取合适的监测参数，检测方法以及检测仪器。要求监测参数可以准确反映出设备状态，在此基础上确定好检测仪器、检测方法。（2）收集状态信号，也就是采集设备在运行过程中的所有信息，主要通过传感器转变成物理信号，输入信号处理系统，然后得到反映设备状态的参数信息。（3）高速旋转设备出现振动故障时，可以在获得设备状态信息之后，用信号处理技术，提取出有用的故障信息，以找出故障特点，形成待检模式。（4）判断设备状态，需要比较分析待检模式和已知的故障特征模式，根据设备以往的运行情况，综合分析，判断设备的状态是否正常，如果发生异常，需要明确故障的部位以及原因等等。（5）当对设备发生故障的部位、原因以及危险程度进行综合评价分析之后，确定出相应的维修对策，比如：停机检修故障，采取临时特护措施，加强监视运行等等。
3.2 现场诊断要点
首先，需要现场测量转子的实际临界转速，这主要是因为在现场安装转子时，在出厂测量临界时支撑条件发生了变化，导致实际临界转速和出厂标的临界转速之间有一定区别。同时，大型机组的转子系统一般是由几个单机转子通过联轴器形成的轴系，这个时候，现场测量得到的临界转速，才是轴系的真正临界转速。通过大量的实践经验可知，采用升速曲线故障诊断方法，可以很好地诊断出现场轴系的临界转速。
其次，随着机组大型化、高速化的普及，转子常常在二阶或者更高阶的临界转速之上运行，此时就要考虑到转子二阶或者更高阶的临界转速。
总而言之，在诊断高速旋转设备共振故障时，不能单方面从故障设备本身寻找原因，必须把它放在机组或者其支撑构成系统中找出解决问题的对策。为了尽最大限度减少破坏性共振现象的出现，在机械设计时要科学设计转子的特征参数，尽量使其固有频率偏离强迫激振力的频率，同时，在使用设备的过程中要加强维护保养，这样一来，当设备的运行条件变化时，就可以及时处理，解决隐患，以防故障扩大化。
参考文献：
[1]姬广勤，徐兴科.引风机振动故障的诊断与分析[J].风机技术，2006（06）.
【关键词】高速旋转设备；共振故障；原因
高速旋转设备所有故障中，振动故障出现的次数最高。导致其出现振动故障的原因有很多，怎样快速准确地诊断出故障类型，进一步找出故障原因，采取有效对策，保证设备恢复平稳运行，是每一个设备工程师必须要思考的问题。
1 高速旋转设备共振故障诊断理论分析
其一，波形分析方法，这种方法需要观察振动波的特征，取得诊断信息后，效果会非常清晰。但其缺点在于当振动频率成分含量很多时，波形复杂，观察获取诊断信息较困难。
其二，频谱分析方法，这是目前应用最广泛的方法之一。尖锐的功率谱谱峰，对发生的故障会非常敏感，并且谱峰大小可以作为判断故障程度的依据，通过频率值诊断故障种类，这是故障诊断专家知识系统中最成熟、最可靠的规则。或者通过概率统计方法建立设备标准谱，将其作为衡量设备工况是否发生异常的标准。
其三，瞬态分析方法，这种方法主要包括极坐标图、坎贝尔图以及波德图、瀑布图分析等等，分析过程信号。
其四，统计分析方法，这种方法会对振动信号中各个频率分量产生综合影响，进一步实施量化处理。从振动参数、曲线波形或者频谱图中得到量化指标。
其五，模糊数学分析方法，这种方法主要用于诊断高速旋转设备故障诊断中遇到的模糊问题。在模糊综合评判、模式识别方面，都有进展，但是由于很难确定模糊隶属度函数，导致这种技术方法很难推广应用。
此外，还有专家诊断知识系统、人工神经网络理论等等。
2 高速旋转设备共振故障分析
高速旋转设备的主要部件有叶轮、密封组、转子轴、联轴器以及止推轴承、壳体等。比较常见的故障有转子不对中、转子轴裂纹、转子不平衡以及机座松动等。据统计分析，各种故障发生的概率如下图1所示。
2.1 共振故障原理
高速旋转设备的转子振动模型如下图2所示，在设备运行过程中，当激振力的频率Ω无限和系统固定频率ω时，整个系统的振幅会突然增大，产生共振，在共振区间内，共振大小和系统阻尼密切相关，阻尼越小，其振动幅值就会越大。
一般情况下，高速旋转设备在开车或者停机过程中，通过某一转速附近时会发生剧烈振动，称为临界转速，并且转子的临界转速有无限多个，如果把这些临界转速从小到大进行排列，最小的可称作一阶临界转速。在工程应用方面，通常把转轴的固有频率ω对应的转速当作转子的临界转速，当转子的工作转速和临界转速中任何一个数值接近时，此时，设备就可能会出现共振。
2.2 共振故障原因分析
其一，设计、制造方面原因。机组在设计或者制造的过程中系统临界转速设计不太合理，导致工作转速落入临界转速范围内。
其二，可能由于设备启动运行、升降速以及停车过程中操作不当引起的，若在临界范围内停留太长时间，就可能会增大振动。但这种情况很少见。
其三，在安装、维护设备的过程中，操作方法不当，导致系统的支撑条件发生变化，以至于设备固有频率改变，导致其和激励频率太接近而产生振动。
2.3 共振故障的主要振动特点
分析共振故障的原理可知，在振动频谱图中强迫激振力的频率分量非常明显。系统在发生共振时振动的副值会急剧变大，十分不稳定，这和其它类型的振动有所不同，像基础松动、不对中振动副值通常比较稳定。同时，在工程应用中，旋转设备的支撑刚度一般都具有向异性，也就是说系统在水平、垂直以及轴向上会出现不同的临界转速。而系统受到激振力的频率一定和系统某一方向的固有频率接近，所以，系统在这个方向有发生共振的可能性。通过上述分析可以发现，高速旋转设备在发生共振故障时有以下几个特征：机组出现共振时，振动幅值不稳定，且表现出明显的单向性；振动频谱图中强迫外力频率的分量非常明显。
3 诊断共振故障
3.1 高速旋转设备共振故障诊断步骤
（1）选取合适的监测参数，检测方法以及检测仪器。要求监测参数可以准确反映出设备状态，在此基础上确定好检测仪器、检测方法。（2）收集状态信号，也就是采集设备在运行过程中的所有信息，主要通过传感器转变成物理信号，输入信号处理系统，然后得到反映设备状态的参数信息。（3）高速旋转设备出现振动故障时，可以在获得设备状态信息之后，用信号处理技术，提取出有用的故障信息，以找出故障特点，形成待检模式。（4）判断设备状态，需要比较分析待检模式和已知的故障特征模式，根据设备以往的运行情况，综合分析，判断设备的状态是否正常，如果发生异常，需要明确故障的部位以及原因等等。（5）当对设备发生故障的部位、原因以及危险程度进行综合评价分析之后，确定出相应的维修对策，比如：停机检修故障，采取临时特护措施，加强监视运行等等。
3.2 现场诊断要点
首先，需要现场测量转子的实际临界转速，这主要是因为在现场安装转子时，在出厂测量临界时支撑条件发生了变化，导致实际临界转速和出厂标的临界转速之间有一定区别。同时，大型机组的转子系统一般是由几个单机转子通过联轴器形成的轴系，这个时候，现场测量得到的临界转速，才是轴系的真正临界转速。通过大量的实践经验可知，采用升速曲线故障诊断方法，可以很好地诊断出现场轴系的临界转速。
其次，随着机组大型化、高速化的普及，转子常常在二阶或者更高阶的临界转速之上运行，此时就要考虑到转子二阶或者更高阶的临界转速。
总而言之，在诊断高速旋转设备共振故障时，不能单方面从故障设备本身寻找原因，必须把它放在机组或者其支撑构成系统中找出解决问题的对策。为了尽最大限度减少破坏性共振现象的出现，在机械设计时要科学设计转子的特征参数，尽量使其固有频率偏离强迫激振力的频率，同时，在使用设备的过程中要加强维护保养，这样一来，当设备的运行条件变化时，就可以及时处理，解决隐患，以防故障扩大化。
参考文献：
[1]姬广勤，徐兴科.引风机振动故障的诊断与分析[J].风机技术，2006（06）.