机械故障诊断学钟秉林第10章旋转机械的状态检测与故

第10章旋转机械的状态监视与故障诊断机械振动及其种类转子系统振动故障诊断机械故障诊断理论与方法第3篇机械故障诊断技术的工程应用2019/8/51内容安排齿轮箱故障诊断滚动轴承的振动信号分析应用篇。工程领域进行理论探索、方法研究和技术开发的终极目标是将其有关成果成功地应用于工程实践，取得直接的经济效益和社会效益。旋转机械故障诊断技术是近些年来国内外开展广泛研究，发展比较成熟的故障诊断技术，具有一定的代表性，因此是应用篇的重点部分。旋转机械是指齿轮箱、离心风机、离心泵、汽轮机、燃气轮机、发电机、电动机、离心压缩机、水轮机、航空发动机等机械设备，可见，机械设备中大部分都是旋转机械，它们广泛应用于电力、石化、冶金、机械、造纸、船舶、航空以及军事等重要工程领域。一、概述2019/8/52旋转机械运行速度一般较高，且往往是关键设备，其工况状态影响机器设备自身的安全稳定、甚至可能导致重大经济损失、机毁人亡的事故。随着科学技术和现代工业的发展，旋转机械正朝着大型、高速和自动化方向发展，这对提高安全性和可靠性，发展先进的状态监测与故障诊断技术，提出了迫切要求。本章以旋转机械中最基本的转子系统、齿轮箱和轴承为对象，讨论工况监视和故障诊断方法。一、概述2019/8/53一、概述2019/8/54在众多可用于检测与诊断的信号中，如振动、温度、压力、声响、位移、变形等，振动信号能够迅速、直接地反映机械设备的运行状态。据统计，70%以上的故障都是以振动形式表现出来，用振动方法可以发现使用中的航空发动机故障的34%。关于振动的一些概念：二、振动基础2019/8/552.1机械振动及其种类机械振动是自然界、工程技术和日常生活中普遍存在的物理现象。各种机械在运动时，由于诸如旋转件的不平衡、负载的不均匀、结构刚度的各向异性、间隙、润滑不良、支撑松动等因素，总是伴随着各式各样的振动。二、振动基础2019/8/56振动测试的3个基本参数：幅值、频率和相位。幅值幅值是振动强度大小的标志，它可以用不同的方法表示，如单峰值、有效值、平均值等；频率为周期的倒数。通过频谱分析可以确定主要频率成分及其幅值大小，从而可以寻找振源，采取措施；相位振动信号的相位信息十分重要，利用相位关系确定共振点、振型测量、旋转件动平衡、有源振动控制、降噪等。二、振动基础2019/8/57机械振动稳态振动能够用数学式明确表示的函数随机振动需用数理统计方法来描述周期振动振动以周期T重复出现非周期振动振动无固定的周期平稳随机振动振动统计特性对时间为常数非平稳随机振动振动统计特性随时间而变化二、振动基础2019/8/58从统计角度，旋转机械振动可分成：2.2简谐振动简谐振动是最基本的周期运动，周期运动都可以用多个不同频率的简谐运动的组合来表示。简谐振动的运动规律可以用简谐函数表示：yATtsin()2Aftsin()2Atsin()vdydtAftcos()2advdtAfty222sin()位移速度加速度二、振动基础2019/8/592.3周期振动ytytnTn()(),,,,...012周期振动的定义：（按周期T重复）周期函数可以展开为傅里叶级数：1010sin(sincos)(nnnnnntnAAtnbtnaaty旋转机械的振动过程是一个以周期振动为主导的随机过程。二、振动基础2019/8/5102.4转子的临界转速旋转机械在启停升降速过程中，往往在某个(或某几个)转速下出现振动急剧增大的现象，有时甚至在工作转速下振动也比较强烈。其振动原因往往是由于转子系统处于临界转速附近产生共振：二、振动基础在无阻尼的情况下，转子的临界转速等于其横向固有频率；在有阻尼的情况下，转子的临界转速略高于其横向固有频率。转子的临界转速个数与转子的自由度相等。对实际转子来说，理论上有无穷多个临界转速，但由于转子的转速限制，往往只能遇见数个临界转速。二、振动基础2019/8/512nncr051.050711..nnncrcrnncr071.刚性转子准刚性转子挠性转子第一阶临界转速二、振动基础2019/8/513根据转子的工作转速n与其第一阶临界转速ncr1之间的关系，可划分为：3.1旋转机械振动评定标准目前最常采用的是通频振幅来衡量机械运行状态的，根据所使用传感器的种类分为：轴承振动评定利用接触式传感器(例如磁电式振动速度传感器或压电式振动加速度传感器)放置在轴承座上进行测量；三、转子系统振动故障诊断2019/8/514轴振动值评定这可利用非接触式传感器(例如电涡流式传感器)测量轴相对于机壳的振动值或轴的绝对振动值。评定参数可用振动位移峰峰值和振动烈度(即均方根值，它代表了振动能量的大小)来表示。三、转子系统振动故障诊断2019/8/515以轴承振动位移峰峰值作评定标准转速/rpm标准/mm优良合格15003050703000203050水电部汽轮机组振动标准(双振峰)三、转子系统振动故障诊断2019/8/5162019/8/516机械部离心鼓风机和压缩机振动标准标准转速/mm≤3000≤6500≤1000010000-16000主轴轴承50≤40≤30≤20齿轮轴承≤40≤40≤30)min(1r三、转子系统振动故障诊断2019/8/517IEC汽轮机振动标准)min(1r标准转速/mm≤1000150030003600≥6000轴承上7550252112轴上(靠近轴承)150100504420三、转子系统振动故障诊断2019/8/518三、转子系统振动故障诊断2019/8/519可以看出转速低，则允许的振动值大；转速高，允许的振动值小。三、转子系统振动故障诊断2019/8/520可以看出转速低，则允许的振动值大；转速高，允许的振动值小。在制定上述振动标准时，假设：机组振动为单一频率的正弦波振动；轴承振动和转子振动基本上有一固定的比值，因此可利用轴承振动代表转子振动；轴承座在垂直、水平方向上的刚度基本上相等，即认为是各向同性的。三、转子系统振动故障诊断2019/8/521实际证明上述假设与事实不尽相符：所测得的振动多数是由数种频率的振动合成的；转子振动和轴承座振动的比值，可以是2－50倍，它和轴承型式，间隙、轴承座刚度、油膜特性等有关，且同类机组亦不尽相同；轴承组水平刚度明显低于垂直刚度；因此，为了较全面的反映机组的振动情况，必须制定其它的振动标准：三、转子系统振动故障诊断2019/8/522以轴承振动烈度作为评定标准振动烈度vTvtdtvvvrmsTn1122012222()()121212222222()AAAnn三、转子系统振动故障诊断2019/8/523ISO3945振动标准：适用于大于300kW，转速为600～12000r/min的大型原动机和其它具有旋转质量的大型机器，例如电动机和发电机、蒸汽轮机和燃气轮机、涡轮压缩机、涡轮泵和风扇等。三、转子系统振动故障诊断2019/8/524三、转子系统振动故障诊断2019/8/5252019/8/526草案三、转子系统振动故障诊断以轴振动的位移峰峰值作为评定标准美国石油学会给出了功率不超过1000kW的中小型涡轮机械轴振动的振动标准API617，其振动许可值为：式中：A—振动许可值（双振幅），单位：mm;n—机器转速，单位为r/min。An25412000.三、转子系统振动故障诊断2019/8/528趋势监测三、转子系统振动故障诊断2019/8/529分频段监测三、转子系统振动故障诊断2019/8/530三、转子系统振动故障诊断2019/8/5313.2监测参数及分析方法监测参数动态参数振幅表示振动的严重程度，可用位移、速度或加速度表示；振动烈度描述机器振动状态的一种特征量；相位对于确定旋转机械的动态特性、故障特性及转子的动平衡等具有重要意义。三、转子系统振动故障诊断2019/8/532静态参数轴心位置在稳定情况下，轴承中心相对于转轴轴颈中心的位置；轴向位置是机器转子上止推环相对于止推轴承的位置；差胀旋转机械中转子与定子之间轴向间隙的变化值。三、转子系统振动故障诊断2019/8/533对中度指轴系转子之间的连接对中程度，它与各轴承之间的相对位置有关；温度轴瓦温度反映轴承运行情况；止推瓦反映轴承和静止部件的轴向间隙。润滑油压反映滑动轴承油膜的建立情况。三、转子系统振动故障诊断2019/8/534三、转子系统振动故障诊断2019/8/535三、转子系统振动故障诊断2019/8/536涡流传感器的安装三、转子系统振动故障诊断2019/8/537三、转子系统振动故障诊断2019/8/538三、转子系统振动故障诊断2019/8/539相对轴位移三、转子系统振动故障诊断2019/8/540相对轴膨胀三、转子系统振动故障诊断2019/8/541输入保护滤波正峰值保持负峰值保持峰峰叠加比较电路报警门限精密稳压源振动信号振动信号峰峰值超限报警原理三、转子系统振动故障诊断2019/8/542间接测量——电机电流三、转子系统振动故障诊断2019/8/543旋转电机倾动电机高炉中心线中心喉管布料溜槽旋转倾动123410111213141556789H16171819201-20均为齿轮，其中5，6，17，18为涡轮涡杆，20为扇形齿轮，H为周转轮系系杆三、转子系统振动故障诊断2019/8/544三、转子系统振动故障诊断2019/8/545常用图形分析方法波特图振幅与频率，相位与频率的关系曲线。010203040506070809001020304050频率/Hz01020304050607080903033027021015090频率/Hz三、转子系统振动故障诊断2019/8/546从波特图中可以得到：转子系统在各个转速下的振幅和相位、转子系统在运行范围内的临界转速值、转子系统阻尼大小和共振放大系数、综合转子系统上几个测点可以确定转子系统的各阶振型。三、转子系统振动故障诊断2019/8/547极坐标图0000000000000000027090180461192322152345241524852555259026212660269528002870315035354900转轴随转速变化时的工频振动矢量图三、转子系统振动故障诊断2019/8/548幅频特性和相频特性曲线综合在极坐标图上得到。轴心位置图95009400920087008000760012004500500360-1.01.01.02.03.0rpmTOP三、转子系统振动故障诊断2019/8/549轴心位置图是指：转轴在没有径向振动情况下轴心相对于轴承中心的稳态位置。通过轴心位置图可判断：轴颈是否处于正常位置、对中好坏、轴承标高是否正常、轴瓦有否变形等情况，从长时间轴心位置的趋势可观察出轴承的摩损等。三、转子系统振动故障诊断2019/8/550轴心轨迹图-1.2-0.8-0.40.00.40.81.2-1.0-0.50.00.51.0-1.5-1.0-0.50.00.51.01.5-1.5-1.0-0.50.00.51.01.5三、转子系统振动故障诊断2019/8/551转子在轴承中高速旋转时，不仅围绕自身中心旋转，而且还环绕某一中心作涡动运动。产生涡动运动的原因可能是转子不平衡、对中不良或动静摩擦等，这种涡动运动的轨迹称为轴心轨迹。三、转子系统振动故障诊断2019/8/552三、转子系统振动故障诊断2019/8/553机械振动信号绝大多数是由多种激励信号合成的复杂信号，按照傅里叶分析原理，这种复杂信号可以分解为一系列谐波分量（即频率成分，包含幅值和相位特征量）。各谐波分量以频率轴为坐标，按转速频率高低排列起来的谱图，称为频谱图。三、转子系统振动故障诊断2019/8/554频谱图和瀑布图当把启动或停机时各个不同转速的频谱图画在一张图