02第二章 设备故障的振动诊断技术

第二章设备故障的振动诊断技术第一节信号概念及分类第二节振动测量仪器及其应用第三节旋转机械的振动监测与诊断学习目的本章主要讨论动态信号分析处理中的有关问题，重点介绍以快速傅里叶变换为基础的各种分析技术。1、了解信号的概念、转换、传输以及特征信号的选择2、了解袖珍式振动表、频谱分析仪、计算机辅助状态监测系统等振动测量仪器及其应用3、掌握旋转机械振动故障分析常用方法，了解旋转机械典型故障特征辨识4、了解滚动轴承的故障诊断方法5、了解齿轮传动装置的动力特征6、了解其他常见故障及其频率特征第一节信号概念及分类一、信号转换与传感器1．动态范围2．灵敏度3．动态特性4．稳定性二、信号传输及干扰噪声三、信号的分类：确定性信号及非确定性信号四、特征信号的选择：信号的敏感性，在线（On-line）与实时性三、信号的分类信号可分为确定性信号及非确定性信号，所谓确定性信号是指可用数学关系式描述的信号，它又可分为周期信号及非周期信号，正弦波、方波等是典型的周期信号，而阶跃脉冲、半正弦脉冲等是典型的非周期信号。所谓非确定性信号是指不能用数学关系式描述的信号，也无法预知其将来的幅值，又称为随机信号，如前一点中提到的电噪声信号，又如在不平坦的道路上行驶的汽车，车内产生的振动就是随机振动，它使乘客感到颠簸。三、信号的分类信号还可按其取值情况分为模拟信号和数字信号。模拟信号一般都是连续的，而数字信号则是离散的。大多数传感器输出的信号是模拟的，如各种压电式、磁电式、电容式、电涡流式及霍尔效应等类型的传感器；少数传感器输出的信号是离散的，如测量转动的圆光栅，其输出信号为脉冲，通过脉冲计数确定转过的角度。现代电子计算机只能处理数字信号，使用模拟／数字(A／D)转换器后才能处理模拟信号。四、特征信号的选择机器在运行中能提供的信息很多，但不是每一种信息都对工况监测有积极的意义。要选择能实时采集的、且能敏感反映工况状态变化的信息，蕴含这种信息的信号称为特征信号。特征信号选择要考虑的主要问题：信号的敏感性，在线（On-line）与实时性常用特征信号1、振动振动是可能判断下列动力状态的最佳特征信号：平衡，轴承稳定性和叶片、齿轮的齿等元件上所受的动态应力。此外，一般机器的异常，如联轴节同轴度误差和不适当的间隙等经常亦可从振动特征中显示出来。2、温度测量温度常用于两个目的。一个是用来测量和评价机器状态或施加于某些如推力轴承等特定元件上的负载。二是作为一个保证辅助系统（例如冷却器）工作正常以及确定热动力性能和效率的特征信号。3、压力压力亦是一项很有价值的诊断辅助信号，因为压力变化常是故障的征兆，例如内部间隙的堵塞或变化，将影响推力负载。4、油的状态监测油的状态可以预警油里外部物质的增多，例如通过对油中磨粒进行观察和分析，能比较准确地判别故障的程度、部位、类型和原因。第二节振动测量仪器及其应用一、宽频带测量简介二、早期故障检测与损坏指示三、频率分析的基本系统四、计算机辅助状态监测系统图2-1图2-2第三节旋转机械的振动监测与诊断一、预备知识1.机械振动及其种类2．简谐振动及其性质3．周期振动及其性质4．时域―频域分析5．转子的临界转速在机械故障的众多诊断信息中，振动信号能够更迅速、更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的。第三节旋转机械的振动监测与诊断二、监测参数及分析方法1.监测参数(1)动态参数一、振幅它表示振动的严重程度，可用位移、速度或加速度表示。常见振动传感器的使用频率范围，见图2-8。第三节振动诊断技术振动幅值1、均值TTxdttxT0)(1limx第三节振动诊断技术2、方差3、有效值2xrmsxTTrmsdttxTx02)(1limdttxTTxTx202)(1lim第三节振动诊断技术二、振动烈度（即振动速度的方均根值）三、相位不同振源产生不同的振动相位不同，对于两个振源，相位相同可以使振幅叠加，产生严重后果；反之相位相反可能一起振动抵消，起到减振作用。图2-81.监测参数(2)静态参数①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。②轴向位置是机器转子上止推环相对于止推轴承的位置。③差胀指旋转机械中转子与静子之间轴向间隙的变化值。④对中度指轴系转子之间的连接对中程度。⑤温度⑥润滑油压反映滑动轴承油膜的建立情况。补充润滑的基本知识一、润滑的概念润滑为了减少摩擦和磨损对机械设备造成的危害，而人为的利用不同物质具有不同的摩擦特性，选择那些摩擦和磨损对设备危害较小物质去替换那些对设备危害大的物质，从而达到减少摩擦和磨损造成的各种危害的程度。补充润滑的基本知识二、润滑的作用1、降低摩擦润滑剂摩擦系数小，从而减少了摩擦阻力，节约能源消耗2、减少磨损润滑剂在摩擦面间可以减少磨粒磨损、表面疲劳、粘着磨损等所造成的磨损。补充润滑的基本知识3、冷却作用润滑剂可以吸热、传热和散热，因而能够降低摩擦热造成的温度上升。4、防锈作用润滑剂的存在可以防止因空气、水滴、水蒸气、腐蚀性气体及液体、氧化物引起的锈蚀。补充润滑的基本知识5、传递动力在许多情况下润滑剂具有传递动力的功能，如液压传动。6、密封作用润滑剂对某些外露零部件形成密封，防止水分杂质浸入。补充润滑的基本知识7、减震作用在受到冲击载荷时，可以吸收冲击能，如汽车减震器等。8、清洁作用通过润滑剂的循环可以带走杂质，经过滤器滤掉。补充润滑的基本知识三、润滑的分类1、无润滑2、边界润滑3、流体润滑4、半流体润滑和半干润滑补充润滑的基本知识1、无润滑摩擦系数NFFf/补充润滑的基本知识2、边界润滑摩擦表面上仅存在一层很薄的油膜。油膜靠静电引力和分子吸引牢固的吸附在金属表面上。补充润滑的基本知识3、流体润滑当摩擦面间的润滑膜厚度大到足以将两个表面的轮廓峰完全隔开时，相对摩擦的两个表面被完全分隔开来。摩擦在流体内部的分子间进行。补充润滑的基本知识4、半流体润滑和半干润滑液体润滑的油膜部分遭到破坏时，油膜破坏的部位就会出现摩擦表面的直接接触，处于干摩擦或者边界润滑状态。若此时流体润滑占主要地位，则称为半流体润滑，若油膜大部分遭到破坏则称为半干润滑。二、监测参数及分析方法2.旋转机械振动故障分析常用方法（1）波特图（Bodeplot）是机器振幅与转速频率，相位与转速频率的关系曲线，如图2-9所示。（2）极坐标图是把上述幅频特性和相频特性曲线综合在极坐标上表示出来，如图2-10所示。（3)轴心位置图借助于相互垂直的两个电涡流传感器，监测直流间隙电压，即可得到转子轴颈中心的径向位置。如图2-11所示。（4)轴心轨迹图涡动运动的轨迹称之为轴心轨迹如图2-14所示。。（5)频谱图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），每一谐波分量又含有幅值和相位特征量。各个谐波分量以频率轴为坐标，按频率高低排列起来的谱图，就叫频谱图。各谐波分量分别以幅值或相位特征量来表示，分别称为幅值频谱（简称幅值谱）和相位频谱（注意与波特图的区别）。图2-9图2-10图2-11图2-12为了便于识别各频率成分（包括基频、倍频及分数倍频等）与故障的联系，常将频谱图的频率轴（横坐标）改用工作频率的倍数来表示，而纵坐标仍表示幅值。这种谱图称为阶比幅值谱。图2-13为图2-12的阶比幅值谱。两图形状相似仅在横轴方向比例有所改变，因此两者提供的诊断信息量相同。三、旋转机械振动评定标准1．轴承振动评定，这可以利用接触式传感器（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。2．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（它代表了振动能量的大小）来表示。由上述两表可以看出，转速低，允许的振动值大；转速高，允许的振动值小。第三节旋转机械的振动监测与诊断四、旋转机械典型故障辨识1.不平衡振动（1）不平衡振动的特征转子的质量不平衡所产生的离心力始终作用在转子上，它相对于转子是静止的，其振动频率就是转子的转速频率，也称为工频（即工作频率），在频率分析时，首先要找的就是工频成分。其特征（参见图2-14）有:图2-141)对于刚性转子，不平衡产生的离心力与转速的平方成正比，而在轴承座测得的振动随转速增加而加大，但不一定与转速的平方成正比，这是由于轴承与转子之间的振动耦合的非线性所致。2)在临界转速附近，振幅会出现一个峰值，且相位在临界转速前后相差近180°。3）振动频率和转速频率一致，转速频率的高次谐波幅值很低，在时域上波形接近于一个正弦波。（2）固有不平衡由于各转子残余不平衡的累积、材质不良、安装不当等原因，即使机组在制造过程中已对各个转子作了动平衡，但是连接起来的转子系统还是存在固有不平衡。为消除质量不平衡产生的振动，应在平衡机或现场作静平衡和动平衡试验，加以校正。（3)转子弯曲转子弯曲有初始弯曲与热弯曲之分。转子的初始弯曲是由于加工不良、残余应力或碰撞等原因引起的，它将引起转子系统工频振动，通过振动测量并不能把它与转子的质量不平衡区分开来。而应在低速转动下检查转子各部位的径向跳动量予以判断。当转子弯曲不严重时也可以用平衡方法加以校正；当弯曲严重时，必须进行校正或更换。转子热弯曲是：1）由于转子与静子（如密封处）发生间歇性局部接触，产生摩擦热引起的转子临时性弯曲；2）转子不均匀受热或冷却引起转子的临时性弯曲。其特点是转子的振动随时间、负荷的变化而在大小和相位上均有改变。因此，可通过变负荷或一段时间的振动监测判断转子热弯曲故障。防止热弯曲一方面要减小使转子不均匀受热的影响因素，如启停机时充分暖机，保证机组均匀膨胀；另一方面应注意装配间隙，各部件要有相近的线（膨）胀系数。（4)转子部件脱落当旋转转子上部件突然脱落时，使转子产生阶跃性的不平衡变化，其表现形式也是每转一次的振动成分，使机组振动加剧。但由于转子部件脱落不平衡矢量与原始转子不平衡矢量的叠加，使合成的不平衡矢量在大小、相位和位置三方面均与原始转子不平衡矢量发生了变化，因此，可通过测量相位进一步诊断。（5)联轴器精度不良第三节旋转机械的振动监测与诊断四、旋转机械典型故障辨识2．转子不对中分类：见图2-16转子不对中故障的主要特征（参见图2-17）有：图2-16图2-17转子不对中故障的主要特征有：(1)改变轴承的支承负荷，使轴承的油膜压力也随之改变，负荷减少，轴承可能会产生油膜失稳。(2)最大振动往往在不对中联轴器两侧的轴承上，且振动值与转子的负荷有关，随负荷的增大而增高。(3)平行不对中主要引起径向振动，振动频率为旋转频率的2倍，同时也存在多倍频振动。3.动静摩擦在旋转机械中，由于转子弯曲、转子不对中引起轴心严重变形，间隙不足和非旋转部件弯曲变形等原因引起转子与固定件接触碰撞而引起的异常振动时有发生。摩擦分全圆径环形摩擦和局部摩擦两种，其特征（参见图2-18和图2-19）有：第三节旋转机械的振动监测与诊断五、滚动轴承故障诊断滚动轴承是机械设备中最常见也是最易损坏的零件之一。滚动轴承有很多损坏形式，常见的有磨损失效、疲劳失效、腐蚀失效、断裂失效、压痕失效和胶合失效。当它出现随机性的机械故障时，所产生的振幅相应增加，如图2-20。1.滚动轴承的振动机理（1）轴承刚度变化引起的振动（2）由滚动轴承运动副引起的振动（3）滚动轴承元件的固有频率（4）滚动轴承故障所产生的振动（图2-21）（5）与滚动轴承安装有关的振动（图2-22、图2-23）图2-20图2-21五、滚动轴承故障诊断2．滚动轴承振动信号的拾取滚动轴承故障的振动识别必须以轴承本身的真实振动信号为依据。由于轴承异常所引起的振动受轴的旋转速度、轴承损伤部分的形状以及轴承和外壳振动系统的传递特征所左右。因而，在测取轴承振动信号时，无论测哪个方向的振动信号，传