振动分析和故障诊断

振动分析和故障诊断罗克韦尔自动化–恩泰克振动故障分析和诊断的任务振动故障分析诊断的任务：从某种意义上讲，就是读谱图，把频谱上的每个频谱分量与监测的机器的零部件对照联系，给每条频谱以物理解释。1.振动频谱中存在哪些频谱分量？2.每条频谱分量的幅值多大？3.这些频谱分量彼此之间存在什么关系？4.如果存在明显的高幅值的频谱分量，它的精确的来源？它与机器的零部件对应关系如何？5.如果能测量相位，应该检查相位是否稳定？各测点信号之间的相位关系如何？振动参数1.振动位移2.振动速度(国际标准和国家标准推荐通常采用的参数)3.振动加速度振动参数1.峰值(Peak)2.峰峰值(Peak-Peak)3.有效值(RMS)Tf1fkm2122f•周期xAmax•峰值，峰-峰值22xAmax•平均值xAtdtAVT2002sin•有效值xTAtdtArmsT122200sin上限中性位置下限振动加速度尖峰振动速度尖峰时间周期振动位移峰-峰正弦波的有效值，峰值，峰峰值与平均值之间关系：有效值=0.707X峰值=1.11X平均值峰值=1.414X有效值=1.57X平均值平均值=0.637X峰值=0.90X有效值峰峰值=2X峰值峰值因子=峰值/有效值(适用于任何变量)当量烈度轮廓力指示器疲劳指示器应力指示器对数频率对数幅值振动加速度(g)振动位移(密尔)振动速度(英寸/秒)100密尔当量烈度轮廓振动加速度(g)峰值振动速度(英寸/秒)峰值振动位移(密尔)峰峰值频率(转/分)其中：低频区域高频区域低频段高频段中频段振动信号的采集与处理快速傅里叶分析(FFT)原理xAitiiisin()1幅值时域频域合成波分解的波用频谱图表示振动监测中的一些技术细节要点•简谐振动位移，速度和加速度三者关系振动加速度a0振动速度v0振动位移d0振动加速度a01(2f)V0(2f)²d0振动速度V0a0/(2f)1(2f)d0振动位移d0a0/(2f)²V0/(2f)1振动监测中的一些技术细节要点•振动传感器1.振动加速度传感器2.振动速度传感器2.1压电式(实质是振动加速度传感器)2.2磁电式振动速度传感器3.振动位移传感器(电涡流式)振动监测中的一些技术细节要点压电晶体式振动加速度传感器结构原理声学屏蔽罩预载螺栓基础固定螺栓孔内置电荷放大器(ICP)电气接头地震质量压电晶体材料振动监测中的一些技术细节要点•非接触式振动位移传感器或电涡流式位移传感器•用以测量轴相对于滑动轴承的运动(留有很大空间供产生油膜用)•直流电压测量间隙•交流电压就是振动信号非接触式电涡流式传感器振动监测中的一些技术细节要点•电涡流式振动位移传感器的工作原理轴非接触式传感器探头非接触式传感器振荡器检波器直流间隙信号交流振动信号间隙传感器线圈磁场振动监测中的一些技术细节要点•电涡流式传感器的标定曲线信号传感器输出电压(伏)间隙-(X25.4)微米(1密尔=25.4微米)灵敏度系数7.87毫伏/微米振动监测中的一些技术细节要点•振动加速度传感器的频响特性10赫兹27K赫兹频率振动幅值5K赫兹高频振动区域常规振动区域5赫兹低频振动区(通常需要使用专用的低频加速度传感器)振动加速度传感器固定自振频率Fn可用的频率范围为传感器固定自振频率Fn的约50%10K赫兹普通振动传感器不宜使用的高频振动区域1K赫兹ISO和GB规定的振动烈度测量频率范围振动监测中的一些技术细节要点•振动加速度传感器固定自振频率和最高可用频率螺栓固定振动加速度传感器的固定最高可用频率(赫兹)固定自振频率(赫兹)胶粘结固定螺栓固定在稀土磁铁座上固定在快速连接螺栓固定上用2英寸长探杆手持固定没有观察162509000750060008003188712075101501475可用的频率范围为传感器固定自振频率Fn的约50%振动监测中的一些技术细节要点•关键因素:固定的自振频率•可用的频率范围为传感器固定自振频率Fn的约50%振动传感器固定方式的影响螺纹固定磁铁座固定手持探杆固定胶粘结固定电涡流式传感器在滑动轴承内对准轴非接触式传感器轴轴承绝对振动相对振动机械振动标准分类仪器系统标准API670API678ISO10817ISO2945判断应用标准ISO7919ISO10816ISO13373(草案)ISO13373(草案)振动总量标准振动故障诊断轴振动轴承座，机壳振动API611，612，…相对振动绝对振动机器振动测量和评价的有关标准目录1.相对振动标准ISO7919-1~5非往复式机器的机械振动----在旋转轴上的测量和评价第一部分总则(GB/T11348.1-89)第二部分陆地安装的大型汽轮发电机组(GB/T11348.2-1997)第三部分耦合的工业机器(GB/T11348.3)第四部分燃气轮机组(GB/T11348.4)第五部分水力发电厂和泵站机组2.绝对振动标准ISO10816-1~6机械振动----在非旋转部件上测量和评价机器振动第一部分总则第二部分陆地安装的功率超过50MW的大型汽轮发电机组第三部分额定功率大于15KW额定转速在12015000转/分在现场测量的工业机器第四部分不包括航空器类的燃气轮机组第五部分水力发电厂和泵站机组第六部分额定功率超过100KW的往复式机器机器振动测量和评价的有关标准ISO10816-1：I类--发动机和机器的单独部件；II类--无专用基础的中型机器(15-75KW)；专用刚性基础上300KW以下中型机器；III类--刚性基础上的大型机器；IV类--柔性基础上的大型机器。ISO10816-1专用机组宽带振动准则常见机械故障由RA-Entek归纳总结共17类46种机械和电气故障的频谱、时域波形和相位关系，供诊断参考第一类、质量不平衡1.力不平衡(静不平衡)2.力偶不平衡3.动不平衡4.悬臂转子不平衡第二类、转子偏心第三类、轴弯曲第四类、不对中1.联轴器角向不对中2.联轴器平行不对中3.滚动轴承偏斜地固定在轴上第五类共振第六类机械松动1.A型松动2.B型松动3.C型松动第七类转子摩擦第八类滑动轴承故障1.磨损或间隙故障2.油膜涡动3.油膜振荡第九类、滚动轴承故障1.保持架故障2.滚动体故障3.外环故障4.内环故障第十类、流体动力机械故障1.叶片通过频率2.紊流3.气穴第十一类、齿轮故障1.齿轮负载2.齿轮偏心和齿轮侧隙反弹3.齿轮不对中4.齿断或齿裂5.齿轮组合状态问题6.齿轮摆动故障7.齿轮轴承松动第十二类、交流电动机故障1.定子偏心，铁芯片短路或松动2.转子偏心(动偏心)3.转子故障(断条等)4.相位故障(接头松动)第十三类、交流同步电动机(定子线圈松动)第十四类、直流电动机及其控制故障1.电枢绕组开裂，接地故障或系统调谐故障2.起动卡故障或保险丝烧断3.可控硅整流器(SCR)故障，控制卡断路，接头松动，保险丝烧断4.比较器卡故障5.断路电流通过滚动轴承故障第十五类、皮带传动故障1.皮带磨损或不匹配2.皮带轮偏心3.皮带共振第十六类、拍振第十七类、机器软脚及与之相关的共振第一类质量不平衡力不平衡径向1.1力不平衡力不平衡是同相位和稳定的。不平衡产生的振动幅值在转子第一阶临界转速以下随转速的平方增大(例如，转速升高3倍，则振动幅值增大9倍)。总是存在1转速频率，并且通常在频谱中占优势。在转子重心平面内只用一个平衡修正重量便可修正之。在内侧轴承与外侧轴承水平方向及内侧轴承与外侧轴承垂直方向的相位差应该接近0度。不平衡转子的每个轴承上水平方向与垂直方向的相位差应该接近90度。径向力偶不平衡1.2力偶不平衡力偶不平衡在同一轴上导致180度反相位运动。总是存在1转速频率，并且通常在频谱上占优势。在转子第一临界转速以上，振动幅值随转速升高的平方增大。可引起大的轴向振动和径向振动。至少需在两个修正平面内放置平衡重量才能修正。在内侧轴承与外侧轴承水平方向及内侧轴承外侧轴承垂直方向应该存在约180度相位差。每个轴承上水平方向与垂直方向之间相位差通常应该约为90度(30度)。径向动不平衡1.3动不平衡动不平衡是不平衡的最普遍的类型，它是力不平衡和力偶不平衡两者的组合。振动频谱中1转速频率占优势，真正需要双面修正。内侧轴承与外侧轴承之间径向方向的相位差可能在从0度到180度范围内的任何一个角度。然而，当内侧轴承与外侧轴承测量比较时(30度)，水平方向的相位差应该精密地与垂直方向的相位差相匹配。还有，如果不平衡突出，每个轴承上水平方向与垂直方向之间的相位差大致为90度(40度)。轴向和径向悬臂转子不平衡1.4悬臂转子不平衡悬臂转子不平衡在轴向方向和径向方向引起大的1转速频率振动。轴向方向振动趋向于同相位，而径向方向振动可能不稳定。然而，不平衡转子上水平方向的相位差通常与垂直方向的相位差相匹配(30度)。悬臂转子有力不平衡和力偶不平衡两者，似乎每一种都需要修正。因此，总是必需要在两个修正面内加以修正重量，以抵消力不平衡和力偶不平衡。第二类、转子偏心径向转子偏心风机电动机2.偏心的转子皮带轮，齿轮，轴承和电动机框架等旋转中心与几何中心线偏离时出现偏心。最大的振动出现在两个转子中心连线方向上，振动频率为偏心转子的1转速频率。水平方向和垂直方向振动相位差或是0度或是180度(每一种都表示直线运动)。平衡偏心的转子的试图往往导致一个方向振动减小，而另一个径向方向的振动增大(与偏心量有关)。第三类轴弯曲轴向弯曲的轴3.弯曲的轴弯曲的轴引起大的轴向振动，同一台机器上轴向振动相位差趋向于180度，如果弯曲接近轴的中部，占优势的振动出现在1转子转速频率，如果弯曲接近力偶，则占优势的振动出现在2转速频率(如果您改变传感器的方向的话，应该仔细考虑每次轴向测量时振动传感器的方位)。用千分表证实轴的弯曲。第四类不对中轴向角向不对中4.1角向不对中角向不对中的特征是轴向振动大，联轴器两侧振动相位差180度。典型地出现在1转速频率和2转速频率的大的轴向振动。然而，不常见1转速频率，2转速频率或3转速频率占优势。这些征兆也指示联轴器故障。严重的角向不对中可激起1转速频率的许多阶谐波频率。与机械松动不一样，这些转速谐波频率典型地在频谱上都没有升高的噪声地平。径向平行不对中4.2平行不对中平行不对中的振动征兆类似于角向不对中，但是，径向方向振动大，并且联轴器两侧振动相位差接近180度。2转速频率振动往往大于1转速频率振动，联轴器的类型和结构决定2转速频率振动相对于1转速频率振动的高度。角向不对中或平行不对中严重时，可在较高谐波频率(4到8转速频率谐波)处出现大的振动，甚至出现类似于机械松动时出现的完整系列的高频谐波。当不对中严重时，联轴器的类型和材料往往对整个频谱有很大的影响。典型地没有提高的噪声地平。轴向不对中的滚动轴承卡在轴上相位相位差180度4.3不对中的滚动轴承卡在轴上不对中的滚动轴承卡在轴上时将产生明显的轴向振动。将引起同一轴承座上顶部与底部振动相位差约180度的轴向振动及左侧与右侧振动相位差约180度的轴向振动。对准联轴器或平衡转子都不能缓解此故障。通常，必须卸下轴承并重新正确安装。第五类共振共振幅值相位共振第一阶临界转速第二阶临界转速5.共振强迫振动频率与系统的自然频率一致时出现共振，使振动幅值急剧放大，导致过早损坏或灾难性破坏。这可能是转子的自然频率，也常常起源于支承框架，基础，齿轮箱或甚至传动皮带。如果转子处在或接近共振，由于很大的相位漂移，几乎不可能平衡掉(共振时相位漂移为90度，通过共振时相位漂移接近180度)。往往需要提高或降低自然频率来改变自然频率。自然频率通常不随转速变化，这一点有助于识别自然频率(除非在大型平面轴颈轴承机器或在有明显悬臂的转子上)。第六类机械松动径向A型机械松动底板A型机器地脚混凝土基础6.1A型松动这种频谱是机器底脚，底板或基础的结构松动/减弱引起的，或者由基础上恶化的水泥浆，松动的地脚螺栓，或者框架或者基础变形(即软脚)引起的。相位分析可以揭示在螺栓或机器底脚与基础底板或基础本身垂