振动分析和故障诊断

1振动分析和故障诊断北京科之建公司我们的目标•状态检测•设备（资产）健康检测•设备（资产）健康管理•提高设备可用率•减少维修成本•延长设备寿命机器状态检修的基础是振动频谱中包含机器零部件的机械状态信息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.振动频谱中存在那些频谱分量？2.每条频谱分量的幅值多大？3.这些频谱分量彼此中间存在什么关系？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.如果能够测量相位，应该检查各测点信号之间的相位关系如何？振动监测和诊断的注意事项振动监测和诊断要想取得准确的结果必须考虑仔细整个系统的每一个环节：包括参数的选择，传感器及其固定方法，测点位置的选择，仪器选择以及分析参数的选择等振动的三要素振动是个向量1.幅值2.频率3.相位6快速傅里叶变化快速傅里叶分析(FFT)原理xAitiiisin()17典型波形的频谱简谐波形及其频谱脉冲波形及其频谱方波形及其频谱简谐拍波及其频谱8滤波问题振动参数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.振动加速度常见的设备故障由经验归纳总结的十七类46种机械和电气故障的特征谱、特征时域信号和相位关系供诊断参考常见的设备故障一.质量不平衡二.转子偏心三.轴弯曲四.不对中五.共振六.机械松动七.转子与定子摩擦八.滑动轴承故障九.滚动轴承故障1.力不平衡2.力偶不平衡3.动不平衡4.悬臂转子不平衡1.联轴器角不对中2.联轴器平行不对中3.滚动轴承偏斜地固定在轴上1.A型松动2.B型松动3.C型松动1.磨擦或间隙故障2.油膜涡动3.油膜振荡1.保持架故障2.滚动体故障3.外环故障4.内环故障常见的设备故障十.流体动力机械故障十一.齿轮故障十二.交流电机故障十三.交流同步电机定子线圈松动十四.直流电动机及其控制故障十五.皮带传动故障十六.拍振十七.机器软脚及与之相关的共振1.叶片通过频率2.紊乱3.气穴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）1.电枢绕组开裂接地故障或系统调谐故障2.起动卡故障和保险丝烧断3.可控硅整流器故障控制卡断路接头松动保险丝断4.比较器卡故障5.断路电流通过滚动轴承故障1.皮带磨损或不匹配2.皮带轮偏心3.皮带共振一质量不平衡A同频占主导，相位稳定。如果只有不平衡，1X幅值大于等于通频幅值的80％，且按转速平方增大。通常水平方向的幅值大于垂直方向的幅值，但通常不应超过两倍。同一设备的两个轴承处相位接近。水平方向和垂直方向的相位相差接近90度。典型的频谱相位关系力不平衡一质量不平衡B典型的频谱相位关系力偶不平衡总存在一转速频率，在频谱上占优势．振幅按转速平方增大。需进行双平面动平衡。偶不平衡在机器两端支承处均产生振动，有时一侧比另一侧大较大的偶不平衡有时可产生较大的轴向振动。两支承径向同方向振动相位相差180。一质量不平衡C动不平衡是前两种不平衡的合成结果。仍是１X转速频率在振动频谱中占主导。两支承处同方向振动相位差接近典型的频谱相位关系动不平衡一质量不平衡Ｄ悬臂转子不平衡在轴向和径向都会引起较大1X振动。轴向相位稳定，而径向相位会有变化。悬臂式转子可产生较大的轴向振动，轴向振动有时甚至超过径向振动。两支承处轴向振动相位接近。往往是力不平衡和偶不平衡同时出现。典型的频谱相位关系悬臂转子不平衡二转子偏心当旋转的皮带轮、齿轮、电机转子等有几何偏心时，会在两个转子中心连线方向上产生较大的1X振动；偏心泵除产生1X振动外，还由于流体不平衡会造成叶轮通过频率及倍频的振动。垂直与水平方向振动相位相差为0或180。采用平衡的办法只能消除单方向的振动。典型的频谱相位关系三轴弯曲弯曲的轴产生较大的轴向振动．如果弯曲接近轴的中部，占优势的是一倍频；若弯曲接近力偶，则占优势的是二倍频．振动随转速增加迅速增加，过了临界转速也一样。典型的频谱相位关系四不对中有资料表明现有企业在役设备30％－50％存在不同程度的不对中，严重的不对中会造成设备部件的过早损坏，同时会造成能源的浪费．不对中既可产生径向振动,又会产生轴向振动；既会造成临近联轴节处支承的振动,也会造成远离联轴节的自由端的振动。不对中易产生2X振动，严重的不对中有时会产生类似松动的高次谐波振动.不对中分为角向不对中，平行不对中，轴承不对中．四不对中A角不对中产生较大的轴向振动，频谱成分为1X和2X；常见1X、2X或3X都占优势的情况。如果2X或3X超过1X的30％到50％，则可认为是存在角不对中。严重的角向不对中激起1×转速频率的许多谐波频率．联轴节两侧轴向振动相位相差180.典型的频谱相位关系角不对中四不对中B典型的频谱相位关系平行不对中平行不对中的振动特性类似角不对中，但径向振动较大。频谱中2X较大，常常超过1X，这与联轴节结构类型有关。.角不对中和平行不对中严重时，会产生较多谐波的高谐次（4X~8X）振动。甚至出现类似机械松动时出现完整系列的高频谐波．联轴节两侧相位相差也是180。四不对中C轴承不对中或卡死将产生1X,2X轴向振动，如果测试一侧轴承座的四等分点的振动相位，对应两点的相位相差180。通过找对中无法消除振动，只有卸下轴承重新安装。典型的频谱相位关系轴承不对中五共振传动强迫振动频率与系统的自然频率一致时出现共振，使振动急剧放大，导致过早损坏或灾难性的破坏．这可能是转子的自然频率，也常常起源于支承框架，基础齿轮箱或皮带．如果转子处在或接近共振，由于很大的相位飘移，几乎不可能平衡掉，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的变化而变化．六机械松动松动本身不是纯粹的故障,不会直接产生振动，但它可放大故障的作用。A结构框架或底座松动B轴承座松动C轴承等部件配合松动A.结构框架/底座松动振动特征:•类似不平衡或不对中,频谱主要以1X为主。•振动具有局部性,只表现在松动的转子上。•相位分析可以揭示在螺栓或机器底角与基础底板或基础本身的垂直方向测量之间的相位差约90到100度。包括如下几方面的故障•支脚、底板、水泥底座松动/强度不够；•框架或底板变形；紧固螺丝松动。B.由于结构/轴承座晃动或开裂引起的松动振动特征:•主要以2X为特征(主要是径向2X超过1X的50%)•幅值有时不稳定•振动只有伴随其它故障如不平衡或不对中时才有表现,此时要消除平衡或对中将很困难.•在间隙达到出现碰撞前,振动主要是1X和2X；出现碰撞后,振动将出现大量谐频。包括如下几方面的故障•结构或轴承座开裂•支承件长度不同引起的晃动•部件间隙出现少量偏差时(尚无碰撞)•紧固螺丝松动。C.轴承在轴承座内松动或部件配合松动振动特征:•由于松动的零部件对转子的动态力产生非线性的响应，常常出现大量的高次谐频,有时10X，甚至20X，松动严重时还会出现半频及谐频(0.5X,1.5X..)成分。•半频及谐频往往随不平衡或不对中等故障出现。•振动具有方向性和局部性。•振动幅值变化较大，相位有时也不稳定。包括如下几方面的故障•轴承在轴承座内松动•轴承内圈间隙大•轴承保持架在轴承盖内松动•轴承松动或与轴有相对转动七转子摩擦转子在转动过程中与定子的摩擦会造成严重的设备故障在摩擦过程中,转子刚度发生改变从而改变转子系统的固有频率,可能激起一个或多个共振。往往会激起亚谐波振动(1/2X,1/3X.),严重时出现大量的谐频(1/2X,1.5X,2.5X...)，并伴随有噪音。（类似粉笔在黑板上拖动时产生的宽带噪声）•轴径和滑动轴承钨金干摩•电动机转子与定子接触•叶轮与扩压器口接触•汽轮机叶片与静叶严重摩擦轻微摩擦•轴与汽封摩擦•联轴器罩摩轴•皮带摩擦皮带罩•叶片摩擦外罩典型的摩擦波形八滑动轴承滑动轴承摩擦后期通常出现一系列完整的转速频率谐波（多达10X～20X）。破碎的滑动轴承往往产生垂直方向比水平方向振幅更大的振动。间隙过大的滑动轴承可能会导致不平衡、不对中引起的振动更大。噪声地平说明间隙过大／松动松动，1/2X,1/3X等成分，随负荷变化较大乌金脱落，1/2X及谐频，幅值小于松动谱瓦块损坏，1/3X涡动，调油温有效油膜窝动振荡不稳定油膜窝动频谱•油膜窝动不稳定出现在（0.4-0.8）×转速频率范围内，常常比较严重；油膜窝动由油膜激起的振动正常的工作状态的偏移使油楔推轴在轴承内作环绕运动．油膜窝动是不稳定的，因为它增大离心力，离心力增大窝动力，可使油膜不能再支承轴．•如果机器处在或高于2×转子自然频率运转时可能出现油膜振荡，转子进入两倍邻界转速时，油膜窝动频率将非常接近邻界转速频率，引起过大的振动，油膜可能不再具有支承能力．窝动速度实际将锁定在转子临界转速，虽然机器转速升高，但是这个尖峰不能通过它，产生以转子临界转速频率的横向正进动亚谐波振动．九滚动轴承有资料显示仅有10％～20％的轴承达到或接近设计寿命.其余部分因为如下各种原因达不到设计寿命.润滑不当,使用错误的润滑剂；润滑剂或轴承内混入赃物或杂质；运输或存放不当；选型不当、安装错误等.振动监测的最终目的是通过跟踪轴承状态了解何时需要更换轴承.•位移,不易用于轴承的监测。•加速度,可早期发现轴承的故障征兆,应与速度联用。•使用包络技术或g扴E监测参数的选择第一阶段：滚动轴承故障初始阶段，出现在超声段20K～60KHz,它们可用g扴E、高频(HFD)g来测量、评定。例如：某轴承在第一阶段的尖峰能量值为0.25g扴E(实测数值与测试位置和机械转速有关)。第二阶段：滚动轴承的轻微故障阶段，开始“敲击”出轴承元件的自有频率(fn)，一般在500～2KHz（30K到120K转／分）范围内；振动尖峰能量的总量值增大（从0.25gsE增加到0.50gsE）滚动轴承故障四个阶段第三阶段：滚动轴承宏观故障阶段，出现磨损故障频率和谐波出现，（有FFT,BSF,BPFO,BPFI及其谐波的出现）；同时边带频率的数量增加．第四阶段：轴承故障的最后阶段，这一阶段甚至影响1X分量，并引起其它倍频分量2X、3X等的增大。轴承故障频率和固有频率开始“消失”被随机的宽带高频噪音地平代替，高频量和尖峰能量值很大。滚动轴承故障四个阶段滚动轴承的四种故障频率及四个区域•滚动轴承保持架故障频率：FTF•滚动轴承滚动体旋转故障频率：BSF•滚动轴承外环故障频率：BPFO•滚动轴承内环故障频率：BPFI*A区域：常规机械故障频率区*B区域：滚动轴承故障频率区*C区域：轴承零部件自振频率区*D区域：振动尖峰能量gsE区振动尖峰能量gsE技术•振动尖峰能量gsE利用高通滤波滤掉常规机械振动故障（不平衡，不对中，松动等）频率，只检测高频振动，此频率范围内滚动轴承缺陷脉冲能激起机器零部件或结构或振动加速度计安装固定共振频率，作为载频调制轴承故障频率，并利用峰峰检波检测并保持高频脉冲峰值，用衰减时间常数确定gsE频谱的最高频率Fmax．这样既保持了故障的严重程度，又突出了故障频率基频及其谐波频率．参见振动分析和故障诊断74页．滚动轴承故障频谱滚动轴承故障前后gSE谱十流体动力激振•叶片通过频率（BPF）＝叶片数目×转速频率．在泵，风机和压缩机中，这种叶片通过频率总是有的，通常不成为故障．然而如果泵中旋转叶片与静止的扩压器之间在圆周方向上不均匀，那么可能产生大幅值的叶片通过频率及其谐波．而且，有时叶片通过频率及其谐波与系统的某自然频率一致，产生大的振动．如果叶轮摩擦环卡住轴承，或者焊接固定的扩压器叶片损坏，则可能产生大的叶片通过频率振动．管道的突然弯曲，防碍流体流动的障碍物，阻尼器或者如果泵或风机转子与其壳体中心不重合都会引起叶片通过频率的大振动．•转子叶片通过频率和静子叶片通过频