图2-10 油膜涡动时的轴心轨迹和模拟轴心轨迹
a—轴心轨迹；b—模拟轴心轨迹
征兆。再如，观察汽轮发电机组起动过程中转速振动分量的轴心轨迹（图2-11），发现其大小、形状和最大振动方向不断变化并逐渐趋于稳定转速下的振幅和最大振动方向。这是因为起动过程中，机器由冷态逐步过渡到热平衡状态，机器热容量较大，所需过渡时间较长。相反，突然停车过程中（图2-12），由于降速快，机器热平衡状态来不及变化，所以转速振动分量轴心轨迹只是随转速的降低而逐步缩小，其形状和最大振动方向并无明显变化。
（2）注意轴心轨迹的稳定性。正常情况下，轴心轨迹比较稳定，基本上相互重合。如果轴心轨迹紊乱，形状和大小不断变化，不能重合，则表明运行状态出现异常。例如，出现油膜涡动或油膜振荡时，轴心轨迹将不断发散，如图2-9（c）所示。此时可用模拟轴心轨迹进行观察。
21
图2-11 发电机组起动过程基频轴心轨迹
（3）观察轴心轨迹的旋转方向。旋转方向与转子转动方向一致，称为正向进动；二者相反时，称为反向进动。大多数情况下，轴心轨迹都是正向进动，有时出现反向进动，可能由于转子径向干摩擦所致。
利用波形分析和轴心轨迹，可以发现一些典型的故障，如表2-2。
图2-12 发电机组停车过程基频轴心轨迹
表2-2 利用波形分析和轴心轨迹诊断的典型故障
缺陷 时域 X-Y轨迹 诊断 不 对 中 典型的严重不对中 油膜涡动 与不平衡相似而且涡动频率较慢，小于轴转速的0.5倍 摩 擦 接触产生花状，它叠加在正常的轴心轨迹上 不平衡或轴弯 椭圆的X-Y显示
2.3.8 全息谱分析
转子在同一支承截面内垂直和水平两方向振动之间，以及转子在各个支承截面振动之间，都有密切关系。分析这些关系，可以得到更多的机器状态信息。利用二维全息谱和三维全息谱可以达到上述目的。
（l）二维全息谱。转子在同一支承截面内垂直和水平两个方向的振动信号可以分别分解成次谐波分量和高次谐波分量，根据幅值、频率和相位，把两个方向相同频率成分的振动分别合成，并将各频率分量的合成图罗列在一张谱图上，这就是二维全息谱。图2-13（a）和（b）分别是某化肥厂空压机驱动透平转子自由端和联轴节端振动的二维全息谱，频率成分主要有1～4倍频和较小的次谐波。从（a）图看出，存在一个突出的4倍频分量，而且振动方向不变，这表明转子受到一个方向不变的力的作用，力的作用频率为转频的4倍。由此联想到空压机驱动透平采用的是回油楔轴承，上述现象可能与此有关。与自由端（a）图相比，（b）图中2倍频成分占突出地位，主要原因是联轴节对中不良，不对中与不平衡复合作用的结果，使1倍频成分由圆变成椭圆。4倍频成分仍然存在，方向相同，仅幅值变小，原
22
因仍为四油楔轴承，对另一化肥厂的空压机驱动透平振动信号分析结果表明，也存在4倍频分量，这可能与设计有关；
（2）三维全息谱。三维全息谱显示不同支承截面内同一频率成分的振动轨迹、相位关系及轴心线上出现的节点。图2-14是某化肥厂空压机组基频分量振动的三维全息谱。该机组自大修以来运行状态稳定，但从图中可以看出，仍存在需要注意的问题。自由端基频振动轨迹近似为一直线，其水平和垂直振动相位差接近180°，这显然由于压缩机转子每转都受到一个方向固定的力作用，此力大小基本不变。振源不会是转子自身缺陷，而很可能是轴承及其附近轴上零部件所受强迫力。压缩机
图2-13 空压机驱动透平转子的二维全息谱
a—自由端振动二维全息谱；b—联轴节端振动二维全息谱
自由端支承轴承为椭圆轴承，轴承安装不良，如上瓦与下瓦之间的联接出现松动，就很可能造成上述振动。这一点在下次大修时应引起注意。
2.3.9 观察随转速的变化
转速变化主要指起动和停车过程，在这一过程中经历各种转速，振动信号能显示出故障与转速的关系，以此可区分不同故障。例如：
不平衡引起的振动幅值随转速的增大而增大，并在通过临界转速时有峰值出现；
不对中引起的振动与转速关系不大。图2-15为不平衡、不对中引起的振幅随转速变化的示意图。
23
图2-14 空压机组三维全息谱
a—基频分量：从右至左依次为透平、低压缸 b—低频分量：从右至左依次为透平、低压缸
图2-15 不平衡、不对中时振动与转速的关系
a—不平衡、不对中分别发生；b—不平衡、不对中同时存在：
①不平衡力和不对中力相位错开的情况
②不平衡力和不对中力相位相同的情况
油膜涡动的振动频率随转速增大而增大，但与转速的比例保持在（42～48）%之间。当转速到达一阶临界转速的二倍以上时，即出现强烈振动，振动频率不再随转速增大而保持在转子临界转速上，此即发生了油膜振荡。
24
观察振动的某些频率分量随转速（以及时间、负载等）变化情况，可利用三维谱（又称瀑布图或级联谱）。三维谱是将不同转速下的频谱叠加在一起构成的（图2-16），其横坐标为频率，纵坐标为转速，第三坐标为振幅。从图上可以看到由谱峰构成的“山脉”。若“山脉”斜线通过坐标原点，表明这种振动的频率分量与转速有关，其振源也必定与转速有关（如不平衡）；与频率轴垂直的“山脉”表示不受转速影响的频率分量（如油膜振荡）；分布不规则的“山脉”可认为由随机振动产生。
图2-16 三维谱
图2-16 三维谱
3 常见故障的识别及实例
本章对于各种常见故障，分别简述故障原因，给出频谱和波形特征，叙述测量仪器设置及诊断要点，在“说明”中指出与其他故障的区分方法及需要加以注明的内容，最后提供比较典型的工程实例，以资借鉴。
3.1 不平衡
3.1.1 故障原因
当转子质量中心偏离转动中心时出现不平衡。造成不平衡的原因通常是：装配不适当、转子上有附加物生成、转子质量磨损、转子破裂或丢失部件。
3.1.2 频谱和波形特征（图3-1） （1）径向振动大
① 基频有稳定的高峰，其他倍频振幅较小。
② 基频幅值随转速增大而增大，这是不平衡的重要特征。 （2）轴向振动较小
3.1.3仪器设置
（1）最高分析频率。低转速：200Hz。高转速：400Hz。
25