机械故障的振动分析及诊断

典型机械故障的振动分析及诊断振动的基本概念mxcxkxft()惯性力阻尼力弹性力干扰力表征振动的三个要素：振动幅值、频率（周期）、相位有阻尼的强迫振动及其特性W/WoW/Wo现场设备实际的振动波形振动信号的采集与处理快速富里叶分析(FFT)原理用振动分析方法监测设备状态分析方法幅值分析：振动总值（振动水平、列度）、变化趋势、机械动态特性频谱分析：引起设备振动原因的具体分析相位分析：设备振动原因的进一步确认、共振（相频特性）、动平衡分析波形分析：振动总值（峰值、峰峰值…）、周期、拍节峰值能量谱分析：轴承、齿轮…振动分析的过程：问诊→监测→诊断→措施问诊：了解设备背景，列出可能引起振动的原因•设备结构（传动链参数，如齿轮齿数、轴承型号、皮带轮直径等）、设备的动态特性等信息;•设备运行工况，过程参数：温度、压力、转速、负荷•设备维修档案监测:确定振动监测和分析方案•测试的工况（转速、负荷）；测点位置；测试参数（振动位移、速度、加速度）；绝对振动、相对振动•测试振动的方向（H/V/A）•数据类型（幅值、频谱、波形、相位）•信号检测类型：峰值、峰峰值、有效值振动分析的过程：问诊→监测→诊断→措施诊断：引起振动的原因和部位•振动幅值趋势分析•振动波形识别•频谱分析、峰值能量谱分析•频响特性与相干分析•瞬时频率变化与相位分析措施：给出结论•继续运行；还能运行多久?•维修、检查；部位?不同设备故障的振动特点常见的设备故障不平衡偏心转子轴弯曲不对中松动转子与定子摩擦滑动轴承滚动轴承齿轮故障力不平衡力偶不平衡动不平衡悬臂转子不平衡角不对中平行不对中轴承不对中联轴节故障结构框架/底座松动轴承座松动轴承等部件松动齿轮磨损齿轮偏心齿轮不对中质量不平衡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质量不平衡B典型的频谱相位关系力偶不平衡同频占主导，相位稳定。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。质量不平衡C动不平衡是前两种不平衡的合成结果。仍是同频占主导，相位稳定。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。往往是力不平衡和力偶不平衡同时出现典型的频谱相位关系悬臂转子不平衡偏心转子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轴弯曲振动特征类似动不平衡，振动以1X为主，如果弯曲靠近联轴节，也可产生2X振动。类似不对中、通常振幅稳定，如果2X与供电频率或其谐频接近，则可能产生波动。轴向振动可能较大，两支承处相位相差180度。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。相位是判断不对中的最好判据。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；还常见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。联轴节两侧轴向振动相位相差180度。典型的频谱相位关系角不对中不对中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。联轴节两侧相位相差也是180度。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度。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不对中D如果联轴节的短节过长或过短，通常会产生明显的3X振动。齿型联轴节卡死会引起轴向和径向振动，通常轴向大于径向，频谱以1X为主，兼有其它谐频，也有出现4X为主的实例。振动随负荷而变，1X明显。松动的联轴节将引起啮合频率及叶片通过频率的振动，其周围分布1X旁瓣。联轴节故障对中不良设备的轴心轨迹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。•同轴承径向振动垂直，水平方向相位差0或180度。•底板连接处相邻结合面的振动相位相差180度。•如果轴承紧固是在轴向，也会引起类似不对中的轴向振动。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:•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,可能造成系统共振。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。•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润滑油不足引起的频谱滚动轴承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gSE监测参数的选择第一阶段：轴承故障出现在超声段20～60KHz,它们可用gSE、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0.25gSE(实测数值与测试位置和机械转速有关)。第二阶段：轻微的轴承故障开始“敲击”出轴承元件的固有频率段，一般在500～2KHz范围内；本阶段后期表现为，在固有频率附近出现边频（例：0.25gSE～0.5gSE）滚动轴承故障谱特征(1)第三阶段：轴承出现磨损故障频率和谐波出现；磨损发展时出现更多故障频率谐波，并且边带数目增多，振动尖峰能量值继续增大。第四阶段：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”被随机振动或噪音代替，高频量和尖峰能量值很大。滚动轴承故障谱特征(2)滚动轴承故障频谱滚动轴承故障前后gSE谱滑动轴承滑动轴承摩擦后期通常出现一系列倍频成分（多达10X～20X）。老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、不对中等引起的振动更大。摩擦/间隙过大的频谱油膜振荡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，调油温有效滑动轴承损坏及松动频谱齿轮故障(1)正常的频谱出现所有转轴的1X和啮合频率(GMF)。齿轮啮合频率的两侧有转速边带，其峰值较小。齿磨损：齿轮固有频率出现，且有磨损齿轮所在轴的转速边带磨损明显时，啮合频率附近也会出现较高峰值的边带。正常齿轮的频谱齿轮磨损时的频谱齿轮故障(2)齿轮偏心：啮合频率附近有较高幅值的边带往往说明齿轮偏心、游隙或轴不平行。啮合频率峰值随负载的增大而增大。齿轮不对中：几乎总是激起啮合频率二次或更高谐次的振动，且2X或3X啮合频率处峰值较大；它们都有转速的边带频率。齿轮偏心的频谱齿轮不对中时的频谱