频谱与包络分析

时域与频域：看同一信号的两种方式

传感器输出的是随时间变化的波形，也就是时域信号。时域波形直观地反映冲击、削顶、拍振和间歇性事件，峰值、有效值和峰值因子都在时域计算。频域分析通过快速傅里叶变换把波形分解为不同频率的正弦成分，得到频谱。频谱擅长识别周期性来源，因为每一种机械激励都对应特定的频率：转速、叶片通过、齿轮啮合、轴承缺陷通过频率和电源频率相关成分。

两种视角互为补充。频谱中一长串等间隔的谐波，在时域上可能是一串周期冲击；时域里幅值周期性起伏的拍振，在频谱上是两根靠得很近的谱线。只看频谱可能漏掉偶发冲击，只看时域又很难把多种叠加的周期成分分开。诊断时应当先看时域判断信号性质，再看频谱找频率来源，必要时回到时域确认。

频率分辨率、窗函数与平均

频谱的频率分辨率由一次分析所用的记录时长决定，记录越长，相邻谱线的间隔越小。分辨率不够时，相近的两个频率会合并成一根谱线，导致误判。典型例子是两极电机：两倍电源频率与两倍转速频率非常接近，只有分辨率足够高时才能分开，而这两者分别指向电磁问题和机械问题。同样，滚动轴承特征频率与转速谐波相邻，齿轮啮合频率周围的边带间距等于轴的转频，也都需要足够的分辨率才能看清。

有限长度的记录会造成频谱泄漏，使一根谱线的能量散布到相邻频率。窗函数用来控制泄漏：分析稳态振动常用汉宁窗；需要准确读取幅值时可用平顶窗；锤击试验的力信号和响应信号则用力窗和指数窗。平均方式影响谱的稳定性：线性平均降低随机成分的波动；峰值保持用于捕捉起伏的最大值；以转速脉冲为参考的时域同步平均可以提取与某根轴同步的成分，常用于齿轮箱分析。

• 分辨率提高意味着记录时间变长，转速不稳时谱线反而会变宽，需要权衡或采用阶次分析。
• 窗函数会改变谱线幅值的读数，比较不同测量时应使用相同的窗函数和平均设置。
• 平均次数越多，随机成分越平滑，但偶发冲击被淹没得越彻底。
• 频谱幅值有峰值、峰峰值和有效值等不同表示，读数时要确认单位和定义一致。

谐波、分数谐波与边带

谐波是基频的整数倍成分。纯粹的正弦激励只产生一根谱线，而实际机器中的非线性、冲击和不对称会使波形偏离正弦，于是出现谐波。转速的多阶谐波常见于松动、不对中和碰摩；叶片通过频率、齿轮啮合频率也常伴随其谐波。分数谐波是转速的半倍、三分之一倍等成分，多与严重松动、碰摩等非线性现象有关；滑动轴承中略低于半倍转速的成分则提示油膜涡动。

边带是某一载波频率两侧等间距分布的谱线，间距等于调制频率，说明载波的幅值或频率在以该频率周期性变化。读边带的关键是找到间距对应的是哪个部件的频率：间距等于哪根轴的转频，问题往往就与哪根轴上的部件有关。

包络解调：把被淹没的冲击找出来

滚动轴承的滚道或滚动体出现剥落、裂纹时，每次滚动体经过缺陷处都会产生一次短促冲击，冲击的重复频率就是轴承的故障特征频率。问题在于，这些冲击能量很小，在普通频谱的低频段完全被转速相关的大振动淹没；但每次冲击会激起轴承座和传感器的高频共振，使高频段出现一阵阵衰减振荡。包络解调正是利用这一点：先用带通滤波器取出被冲击激起的高频共振带，再求出这段信号的包络，最后对包络做频谱，冲击的重复频率便清楚地显示出来。

包络分析同样适用于齿轮局部损伤、往复机械的阀门冲击等周期性冲击问题。它的效果很依赖两个条件：一是滤波频带要选在冲击激起的共振带上，并避开啮合频率等强烈的周期成分；二是传感器安装要有足够刚度，螺栓或粘接安装最可靠，磁座需要平整的接触面，手持探针基本不适用于包络分析。

1. 计算特征频率根据轴承几何参数和转速算出外圈、内圈、滚动体和保持架的特征频率，或依据规格查得相应系数。
2. 选择滤波频带观察高频段在哪里有被冲击激起的宽带抬升，把带通滤波器设在该频带，避开强周期成分。
3. 得到包络谱对滤波后的信号求包络并做频谱，检查是否出现特征频率及其谐波。
4. 核对调制关系内圈问题常伴有以转频为间距的边带，滚动体问题常伴有以保持架频率为间距的边带，外圈问题多数没有明显边带。
5. 结合趋势判断单次包络谱给出有无，严重程度需要结合时域峰值、同一测点的历史趋势和其他测点综合判断。

相位分析：振动之间的时间关系

相位描述的是同一频率的振动在不同测点、不同方向之间谁先谁后。测量相位需要转速参考信号，或者多个通道同步采集。频谱能告诉你振动在一倍转速上很大，但不平衡、不对中、弯轴、偏心、松动和共振都可能表现为一倍转速突出，这时相位往往是区分它们的关键。

对于转子问题，不平衡时同一轴承水平与垂直方向的相位通常接近正交，且相位稳定，但受支承刚度影响也会偏离；不对中时联轴器两侧轴向振动常接近反相；松动时相位往往不稳定，各方向之间关系杂乱。对于结构，同步测量的各点相位说明它们是同向还是反向运动，可以判断振型。经过共振时，相位会随频率出现明显的变化，这是判断共振的重要依据。现场动平衡也完全依赖相位测量。

瀑布图、升降速与阶次分析

瀑布图把一组随时间或转速排列的频谱叠放在一起，适合观察变化过程。在升速或降速过程中，与转速相关的成分沿着斜线移动，这些斜线称为阶次；与转速无关的成分，比如结构固有频率、电源频率相关成分，表现为不随转速移动的竖直线。当某条阶次线穿过一条固有频率线时幅值明显升高，说明该转速下发生了共振，这比在单一转速下猜测可靠得多。

伯德图和极坐标图把某一阶次的幅值和相位随转速的变化画出来，共振峰处幅值最大、相位明显变化，常用于确定临界转速和评估共振裕量。转速波动较大的机器，可以用阶次分析代替普通频谱：以转速脉冲为参考按等角度重采样，使转速相关成分始终落在固定的阶次上，不再因转速漂移而模糊。对电机而言，断电惰转是一种很有用的瀑布图测试：断电瞬间电磁力消失，与电磁相关的成分立即消失，而机械成分随转速逐渐下降。

常见误读与避免方法

分析在诊断中的位置

频谱与包络分析是工具，不是结论。一个可靠的诊断需要同时具备三方面信息：设备的结构参数，包括转速、叶片数、齿数、轴承几何和支承方式；测量数据，包括多测点多方向的频谱、时域、相位和不同工况的对比；现场检查，包括对中、紧固、润滑、基础和管道状况。分析的作用是把这三方面联系起来，提出可以被现场验证的判断。

• 先根据设备参数列出所有可能的特征频率，再去频谱中逐一对照，而不是从最高的峰反推原因。
• 比较不同测点、不同方向的频谱，问题部位通常在离它最近的测点上最突出。
• 用工况变化验证判断：频率随转速移动还是固定，幅值随负荷还是随转速变化。
• 对重要判断给出现场确认方法，比如停机检查、对中复测、拆检轴承，并在处理后复测。
• 保存原始时域数据和设置参数，便于日后复核和趋势比较。

现场测试怎么安排

现场测试由北京团队的工程师带仪器完成；测点方案、评价依据和报告形式在方案中与您确认。北京以外的项目按地点、测点数量和工期安排人员和仪器。需要配合材料检测或失效件分析的，可以与失效分析一并安排。

常见问题

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