设备震动故障诊断

1、设备震动技术基设备震动技术基 础础 知知 识识 振动是物体运动的一种形式，通常是指物体 经过其平衡位置而往复变化的过程。 振动有时对人类是有害的，但有时人们可以利 用振动来为我们服务。 只要是运转的机器，都或多或少地发生振动， 因此，振动诊断在各种诊断方法中所占的比例最 大，一般可达60%-70%。 机械振动 低频振动：f 1000 Hz 构成一个确定性振动有3个基本要素，即 振幅d、频率f 和相位。 当然，振幅不仅用位移，还可以用速度 和加速度。要特别说明一个与振动有关的量 就是速度有效值 ，也常被称为速度均方根值。 这是一个经常用到的振动测量参数。目前许 多振动标准都是采用振动速度作为判别

2、参数， 因为它最能够反映振动的烈度。 幅值反映振动的强度，振幅的平方常 与物质振动的能量成正比，振动诊断标准都 是用振幅来表示的。 同样的振幅其频率越高，对机组损坏程 度越大，因此不同转速的机组定义的振动标 准值不同。 当频率和频率一定时，相位的大幅偏移 就是故障（异常）的征兆。 现场测试诊断的实施步骤现场测试诊断的实施步骤 诊断步骤概括为准备工作、诊断实施和决策验诊断步骤概括为准备工作、诊断实施和决策验 证等证等3个环节，具体分为个环节，具体分为6个步骤来介绍。个步骤来介绍。 一一. 了解被诊断的对象了解被诊断的对象 了解被诊断的对象是开展现场诊断的第一步。概括起 来，对一台被列为诊断对象的

3、设备要着重掌握4个方 面的内容： 设备的结构组成设备的结构组成 1）搞清楚设备的基本组成部分及其联接关系。一 台完整的设备一般由三大部分组成，即：原动机（也 叫做辅机，大多数采用电动机，也有用内燃机、汽轮 机、水轮机）、工作机（也叫做主机）和传动系统。 要分别查明它们的型号、规格、性能参数及联接的形 式，画出结构简图。 原动机（电动机） 传动系统 工作机（引风机） 、电动机滚动轴承 、引风机滚动轴承 2） 必须查明各主要零部件（特别是运动零 件）的型号、规格、结构参数及数量等，并 在结构图上表明或另予说明。这些零件包括： 轴承型式、滚动轴承型号、齿轮的齿数，叶 轮的叶片数、带轮直径、联轴器型式

4、等。 二二. . 确定诊断方案确定诊断方案 在此基础上，接下来就要确定具体的诊断方案。 诊断方案应包括以下几方面的内容。 1. 1. 选择测点选择测点 测点就是机器上被测量的部位，它是获取诊断信 息的窗口。诊断方案正确与否关系到能否所需要的真 实完整的设备状态信息，只有在对诊断对象充分了解 的基础上才能根据诊断目的恰当地选择测点，具体要 求如下： 有些设备的振动特征有明显的方向性，不同方 向的振动信号也往往包含着不同的故障信息。即水平 方向（H）、垂直方向（V）和轴线方向（A）。 水平 垂直 轴向 一般来说水平振动幅 值大于垂直方向幅值， 当轴承盖松动时就会 出现垂直方向幅值大 的现象，并伴随

5、着高 次频率成份。 4. 4. 选择诊断仪器选择诊断仪器 测振仪器的选择除了重视质量和可靠性外，最主要 的还要考虑两条： 1）仪器的频率范围要足够的宽，要求能记录下信 号内所有重要的频率成分，一般来说要在10-10000Hz 或更宽一些。对于预示故障来说，高频成分是一个重要 信息，机械早期故障首先在高频中出现，待到低频段出 现异常时，故障已经发生了。所以仪器的频率范围要能 覆盖高频低频各个频段。 2）要考虑仪器的动态范围。要求测量仪器在一定 的频率范围内能对所有可能出现的振动数值，从最高到 最低均能保证一定的显示精度。这种能够保证一定精度 的数值范围称为仪器的动态范围仪器的动态范围。对多数机械

6、来说，其 振动水平通常是随频率变化的。 6. 6. 做好其它相关事项的准备做好其它相关事项的准备 测量前的准备工作一定要仔细。为了防止测量失误， 最好在正式测量前做一次模拟测试，以检验仪器是否 正常，准备工作是否充分。比如检查仪器的电量是否 充足，这看似小事，但也决不能疏忽，在现场常常发 生因仪器无电而使诊断工作不得不终止的情况。各种 记录表格也要准备好，真正做到“万事俱备”。 四四. . 实施状态判断实施状态判断 根据测量数据和信号分析所得到的特征信息，对设 备的运行状态做出判断。首先，判断机器是否处于正常 状态，然后对存在异常的设备做进一步的分析，指出故 障的原因，部位和程度。 一一. .

7、 旋转机械故障诊断的特点旋转机械故障诊断的特点 旋转机械 指那些功能是由旋转运动完成 的机械。尤其指那些旋转速度较高的机械，如电动机、 离心式压缩机、汽轮发电机、以及离心式鼓风机、离 心式水泵、真空泵等，都属于旋转机械的范围。在对 它们进行诊断时，必须注意它的以下几个特点。 获取旋转机械故障信号的主要途径获取旋转机械故障信号的主要途径： 1 1） 振动频率分析振动频率分析 旋转机械的每一种故障都各自的特征频率，在现场对其振 动信号做频率分析是诊断旋转机械故障最有效的方法。 2 2）分析振幅的方向特征）分析振幅的方向特征 在有些情况下，旋转机械不同的故障类型在振动表现上有 比较明显的方向特征。所

8、以只要条件允许，对其测点进行振动测 量时，都应该测量3个方向，因为不同的方向表现出不同的故障 特征。 3 3） 分析振幅随转速变化的关系分析振幅随转速变化的关系 旋转机械有相当一部分故障的振动幅值与转速变化有密切 的关系，所以现场测量时，在必要的时候，要尽量创造条件，在 改变转速的过程中测量机器的振幅值。 表1 旋转机械故障的来源及主要原因 故障来源 主 要 原 因 设计、制造 1. 设计不当，动态特性不良，运行时发生强迫 振动或自激振动 2. 结构不合理，有应力集中 3. 工作转速接近或落入临界转速区 4. 运行点接近或落入运行非稳定区 5. 零部件加工制造不良，精度不够 6. 零件材质不良

9、，强度不够，有制造缺陷 7. 转子动平衡不符合技术要求 故障来源 主 要 原 因 安装、维修 1.机器安装不当，零部件错位，预负荷大 2.轴系对中不良（对轴系热态对中考虑不够） 3.机器几何参数（如配合间隙、过盈量及相对位置）调 整位置不当 4.管道压力大，机器在工作状态下改变了动态特性和安 装精度 5.转子长期放置不当，破坏了动平衡精度 6.安装或维修工程破坏了机器原有的配合性质和精度 运行操作 1.机器在非设计状态下运行（如超转速、超负荷或低负 荷运行），改变了机器工作特性 2.润滑或冷却不良 3.旋转体局部损坏或结垢 4.工艺参数（如介质的温度、压力、流量、负荷等）不 当，机器运行失稳

10、5.启动、停机或升降速过程操作不当，暖机不够，热膨 胀不均匀或在临界区停留时间长 故障来源 主 要 原 因 机器恶劣 1.长期运行，转子挠度增大 2.旋转体局部损坏、脱落或产生裂纹 3.零、部件磨损、点蚀或腐蚀等 4.配合面受力劣化，产生过盈不足或松动等， 破坏了配合性质和精度 5.机器基础沉降不均匀，机器壳体变形 表2 转子质量偏心的振动特征 12345678 特征频率 常伴频率 振动稳定性 振动方向 相位特征轴心轨迹 进动方向矢量区域 1稳定径向稳定椭圆正进动不变 表3 转子质量偏心的敏感参数 123456 振动随转 速变化 振动随负 荷变化 振动随油温 变化 振动随流 量变化 振动随压力

11、 变化 其它识别方法 明显不明显不变不变不变 低速时振幅 趋于零 12345678 特征频率 常伴频率 振动稳定性 振动方向 相位特征轴心轨迹 进动方向矢量区域 1 突发性增 大后稳定 径向 突变后 稳定 椭圆正进动 突变后 稳定 表4 转子部件缺损的振动特征 表5 转子部件缺损的敏感参数 123456 振动随转 速变化 振动随负 荷变化 振动随油温 变化 振动随流 量变化 振动随压力 变化 其它识别方法 明显不明显不变不变不变 振幅突然增 加 表6 转子质量偏心的故障原因 故障 来源 1234 设计、制造安装、维修运行、操作机器劣化 主要 原因 结构不合理， 制造误差大， 材质不均匀， 动平

12、衡精度低 转子上零件安 装错位 转子回转体 结垢（例如 压缩机流道 内结垢） 转子上零件 配合松动 故障 来源 1234 设计、制造安装、维修运行、操作机器劣化 主要 原因 结构不合理， 制造误差大， 材质不均匀 转子有较大 预负荷 1.超速、超 负荷运行 2.零件局部 损坏脱落 转子受腐蚀 疲劳，应力 集中 表7 转子部件缺损的故障原因 12345678 特征频率 常伴频率 振动稳定性 振动方向相位特征轴心轨迹进动方向矢量区域 12稳定 径向、 轴向 稳定椭圆正进动 矢量起始点 大，随运行 继续增大 表8 转子弓形弯曲的振动特征 123456 振动随转 速变化 振动随负 荷变化 振动随油 温

13、变化 振动随流 量变化 振动随压 力变化 其它识别方法 明显不明显不变不变不变 1.机器开始升速运行 时，在低速阶段振 动幅值就较大 2.刚性转子两端相位 差180 表9 转子弓形弯曲的敏感参数 12345678 特征频率 常伴 频率 振动 稳定性 振动 方向 相位 特征 轴心 轨迹 进动 方向 矢量区域 1稳定 径向、 轴向 稳定椭圆 正进动 升速时矢量逐渐 增大，稳定运行 后矢量减小 表10 转子临时性弯曲的振动特征 表11 转子临时性弯曲的敏感参数 123456 振动随转 速变化 振动随负 荷变化 振动随油 温变化 振动随流 量变化 振动随压 力变化 其它识别方法 明显不明显不变不变不变

14、 升速过程振幅大， 往往不能正常启动 故障 来源 1234 设计、制造安装、维修运行、操作机器劣化 主要 原因 结构不合理， 制造误差大， 材质不均匀 1.转子长期存放不当， 发生永久弯曲变形 2.轴承安装错位，转 子有较大预负荷 高速、高温 机器，停车 后未及时盘 车 转子热稳 定性差， 长期运行 后自然弯 曲 表12 转子弓形弯曲的故障原因 故障 来源 1234 设计、制造安装、维修运行、操作机器劣化 主要 原因 结构不合理，制造误 差大，材质不均匀 转子有较大预 负荷 升速过快， 加载太大 转子稳定 性差 表13 转子临时性弯曲的故障原因 12345678 特征频率 常伴频率 振动稳定性

15、 振动方向 相位特征轴心轨迹 进动方向矢量区域 2 1、 3 稳定 径向、 轴向 较稳定 双环 椭圆 正进动不变 表14 转子不对中的振动特征 表15 转子不对中的敏感参数 123456 振动随转 速变化 振动随负 荷变化 振动随油 温变化 振动随流 量变化 振动随压 力变化 其它识别方法 明显明显有影响有影响有影响 1.转子轴向振动较大 2.联轴器相邻轴承处 振动较大 3.随机器负荷增加， 振动增大 4.对环境温度变化敏 感 故障 来源 1234 设计、制造安装、维修运行、操作机器劣化 主要 原因 对机器热膨 胀量考虑不 够，给定的 安装对中技 术要求不准 1.安装精度 未达到技 术要求 2

16、.对热态时 转子不对 中变化量 考虑不够 1.超负荷运 行 2.机组保温 不良，轴 系各转子 热变形不 同 1.机器基础或 机座沉降不 均匀 ，时 不对中超差 2.环境温度变 化大，机器 热变形不同 表16 转子不对中的故障原因 表17 油膜轴承故障的主要原因 轴承故障 主 要 原 因 巴氏合金松脱 轴瓦表面巴氏合金与基体金属结合不牢 轴瓦磨损 1.转子对中不良 2.轴承安装缺陷，两半轴瓦错位，单边接触 3.润滑不良，供油不足 4.油膜振荡或转子失稳时，由于异常振动的大振幅 造成严重磨损 疲劳损坏 （疲劳裂纹） 1.轴承过载，轴瓦局部应力集中 2.润滑不良，承载区油膜破裂 3.轴承间隙不适当

17、4.轴承配合松动，过盈不足 5.转子异常振动，在轴承上产生交变载荷 腐 蚀 润滑剂的化学作用 气 蚀 1.转子涡动速度高，发生异常振动 2.润滑油粘度下降或油中混有客气和水分等，使轴承 内的油液在低压区产生微小汽泡，在高压区被挤破 而形成压力冲击波冲击轴承表面，产生疲劳裂纹或 金属剥落 表18 油膜涡动的振动特征 12345678 特征频率 常伴频率 振动稳定性 振动方向 相位特征轴心轨迹进动方向 矢量区域 1较稳定径向稳定 双环 椭圆 正进动改变 2 1 123456 振动随转 速变化 振动随负 荷变化 振动随油 温变化 振动随流 量变化 振动随压力 变化 其它识别方法 明显不明显明显不变不

18、变 涡动频率随工作角 频率升降，保持 表19 油膜涡动的敏感参数 故障 来源 1234 设计、制造安装、维修运行、操作机器劣化 主要 原因 轴承设计或制 造不符合技术 要求 1.轴承间隙不当 2.轴承壳体配合过 盈不足 3.轴瓦参数不当 1.润滑油不 良 2.油温或油 压不当 轴承磨损， 疲劳损坏， 腐蚀及气 蚀等 表20 油膜涡动的故障原因 2 1 表21 油膜振荡的振动特征 12345678 特征频率 常伴频率 振动稳定性 振动方向 相位特征 轴心轨迹 进动方向矢量区域 （ 0.430.48) 组合 频率 不稳定径向 不稳定 （突变） 扩散不 规则 正进动改变 表22 油膜振荡的敏感参数

19、123456 振动随转 速变化 振动随负 荷变化 振动随油 温变化 振动随流 量变化 振动随压 力变化 其它识别方法 振动发 生后， 升高转 速，振 动不变 不明显明显不变不变 1.工作角频率等于或高于 时突然发生 2.振动强烈，有低沉吼叫声 3.振荡发生前发生油膜涡动 4.异常振动有非线性特征 n 2 2 1 故障 来源 1234 设计、制造安装、维修运行、操作机器劣化 主要 原因 轴承设计或 制造不符合 技术要求 1.轴承间隙不当 2.轴承壳体配合过 盈不足 3.轴瓦参数不当 1.润滑油不 良 2.油温或油 压不当 轴承磨损， 疲劳损坏， 腐蚀及气 蚀等 表23 油膜振荡的故障原因 表24

20、 旋转失速的振动特征 12345678 特征频率 常伴频率 振动稳定性 振动方向 相位特征轴心轨迹进动方向 矢量区域 及 的成对 次谐波 组合 频率 振幅大幅 度波动 径向、 轴向 不稳定杂乱正进动突变 s ）（ s 表25 旋转失速的敏感参数 123456 振动随转 速变化 振动随负 荷变化 振动随油 温变化 振动随流 量变化 振动随压 力变化 其它识别方法 明显很明显不变很明显变化 1.机器出口压力波 动大 2.机器入口气体压 力及流量波动 表26 旋转失速的故障原因 故障 来源 1234 设计、制造安装、维修运行、操作机器劣化 主要 原因 机器的各级 流道设计不 匹配 1.入口滤清器堵塞

21、 2.叶轮流道或气流 流道堵塞 机器的工作介 质流量调整不 当，工艺参数 不匹配 机器气体入 口或流道有 异物堵塞 表27 区别旋转失速与油膜振荡的主要方法 区别内容 旋转失速 油膜振荡 振动特征频率与工 作转速的关系 振动特征频率随转子 工作转速而变 油膜振荡发生后，振荡特 征频率不随工作转速变化 振动特征频率与机 器进口流量的关系 振动强烈程度随流量 改变而变化 振动强烈程度不随流量变 化 压力脉动频率的特 点 压力脉动频率与工作 流速频率相等 压力脉动频率与转子固有 频率接近 表28 喘振的振动特征 12345678 特征频率 常伴频率振动稳定性 振动方向 相位特征轴心轨迹进动方向 矢量

22、区域 超低频 （0.5 20Hz） 1不稳定径向不稳定紊乱正进动突变 表29 喘振的敏感参数 123456 振动随转 速变化 振动随负 荷变化 振动随油 温变化 振动随流 量变化 振动随压 力变化 其它识别方法 改变改变改变 明显改 变 明显改 变 1.振动剧烈 2.出口压力和进口流 量波动大 3.噪声大，低沉吼叫， 声音异常 表30 喘振的故障原因 故障 来源 1234 设计、制造安装、维修运行、操作机器劣化 主要 原因 设计制造不 当，实际流 量小于喘振 流量，压缩 机工作点离 防喘线太近 1.入口滤清 器堵塞 2.叶轮流道 或气流流 道堵塞 1.压缩机的实际运 行流量小于喘振 流量 2.

23、压缩机出口压力 低于管网压力 3.气源不足，进气 压力太低，进气 温度或气体相对 分子质量变化大， 转速变化太快及 升压速度过快、 过猛 1.管道阻 力增大 2.管网阻 力增加 3.管路逆 止阀失 灵等 表31 转子与静止件径向摩擦的振动特征 12345678 特征 频率 常伴 频率 振动稳 定性 振动 方向 相位特征轴心轨迹进动方向 矢量 区域 高次谐 波、低 次谐波 及其组 合频率 1 不稳 径向 1.连续摩擦： 反向位移、 跳动、突变 2.局部摩擦： 反向位移 1.连续摩 擦：扩 散 2.局部摩 擦：紊 乱 1.连续摩 擦：反 进动 2.局部摩 擦：正 进动 突变 表32 转子与静止件径

24、向摩擦的敏感参数 123456 振动随转 速变化 振动随负 荷变化 振动随油 温变化 振动随流 量变化 振动随压 力变化 其它识别方法 不明显不明显不变不变 不变 时域波形严重削波 表33 转子与静止件径向摩擦的故障原因 故障 来源 1234 设计、制造安装、维修运行、操作机器劣化 主要 原因 转子与静止 件（如为轴 承、密封、 隔板等）的 间隙不当 1.转子与定子偏心 2.转子对中不良 3.转子动挠度大 1.机器运行 时热膨胀 严重不均 匀 2.转子位移 基础或壳 体变形大 表34 转子系统出现各次谐波的可能性 振动频率 （0 40） （4050） （50 100） 不规 则 出现的可能性（

25、）40401010 表35 转子过盈配合件过盈不足的振动特征 12345678 特征 频率 常伴 频率 振动稳 定性 振动 方向 相位 特征 轴心 轨迹 进动 方向 矢量 区域 1 （次谐波） 1不稳径向杂乱 不 稳定 正 进动 改变 表36 转子过盈配合件过盈不足的敏感参数 123456 振动随转 速变化 振动随负 荷变化 振动随油 温变化 振动随流 量变化 振动随压 力变化 其它识别 方法 有变化有变化不变不变不变 1）转子失 稳涡动频 率 2）振动 大小与转 子不平衡 量成正比 nt 表37 转子过盈配合件过盈不足的故障原因 故障来源 1234 设计、制造安装、维修运行、操作机械劣化 主

26、要原因 转轴与旋转 体配合面过 盈不足 1）转子多 次拆卸，破 坏了转轴与 旋转体原有 的配合性质 2）组装方 法不当 超转速、超 负荷运行 配合件蠕变 表38 转子支承系统联接松动的振动特征 12345678 特征频率 常伴频率 振动 稳定性 振动 方向 相位 特征 轴心 轨迹 进动 方向 矢量 区域 基频及 分数谐 波 2， 3 不稳定。 工作转速 达到某阈 值时，振 幅突然增 大或减小 松动 方向 振动 大 不稳定紊乱正进 动 变动 表39 转子支承系统联接松动的敏感参数 123456 振动随 转速变化 振动随 负荷变化 振动随 油温变化 振动随 流量变化 振动随 压力变化 其它 识别方

27、法 很敏感敏感不变不变不变 非线性振 动特征 表40 转子支承系统联接松动的故障原因 故障 来源 1234 设计、制造安装、维修运行、操作机械劣化 主要 原因 配合尺寸加 工误差大， 改变了设计 所要求的配 合性质 支承系统配 合间隙过大 或紧固不良、 防松动措施 不当 超负荷运行 支承系统配 合性质改变， 机壳或基础 变形，螺栓 松动 表41 密封和间隙动力失稳的振动特征 12345678 特征频率常伴频率 振动 稳定性 振动 方向 相位 特征 轴心 轨迹 进动 方向 矢量 区域 小于 （1/2） 的次 谐波 1、 （ 1/n) 及n 不稳定 强烈振 动 径向 不 稳定 紊乱 并扩 散 正

28、进动 突变 表42 密封和间隙动力失稳的故障原因 123456 振动随 转速变化 振动随 负荷变化 振动随 油温变化 振动随 流量变化 振动随 压力变化 其它 识别方法 在某阈值 矢稳 很敏感明显改变不变有影响 1）分数谐 波及组合 频率 2）工作 转速达到 某阈值时 突然振动 剧烈 表43 密封和间隙动力失稳的故障原因 故障来源 1234 设计、制造安装、维修运行、操作机械劣化 主要原因 制造误差造 成密封或叶 轮在内腔的 间隙不均匀 转子或密封 安装不当， 造成密封或 叶轮在内腔 的间隙不均 匀 操作不当， 转子升降速 过快，升降 压过猛，超 负荷运行 转轴弯曲或 轴承磨损产 生偏隙 表4

29、4 转轴具有横向裂纹的振动特征 1 2 3 4 5 6 7 8 特征频率 常伴频率 振动 稳定性 振动方向 相位特征 轴心轨迹 进动方向 矢量区域 半临界 点的2 2、 3等高 频谱波 不稳定 径向、 轴向 不规则 变化 双椭圆 或 不规则 正进动改变 表45 转轴具有横向裂纹的敏感参数 123456 振动随 转速变化 振动随 负荷变化 振动随 油温变化 振动随 流量变化 振动随 压力变化 其它 识别方法 变化 不规则 变化 不变不变不变 非线性振 动。过半 临界点 2谐波 有共振峰 值 表46 转轴具有横向裂纹的故障原因 故 障 来 源 1234 设计、制造安装、维修运行、操作机器劣化 主

30、要 原 因 材质不良、 应力集中 检修时未能 发现潜在裂 纹 及其频繁启动， 升速、升压过 猛，转子长期 受交变力 轴产生疲 劳裂纹 转子不平衡产生的原因及频率特征转子不平衡产生的原因及频率特征 旋转机械常见故障的振动诊断及实例旋转机械常见故障的振动诊断及实例 转子不平衡转子不平衡 不平衡不平衡 类类 型型 不平衡不平衡 频频 谱谱 实例实例1： 某公司有一台电动机，额定转速某公司有一台电动机，额定转速3000r/min， 运行中发现振动异常，测取轴承部位的振动信号作频运行中发现振动异常，测取轴承部位的振动信号作频 谱分析，其谱图如右下图所示。以电动机转频谱分析，其谱图如右下图所示。以电动机转频 （50Hz）最为突出，判断电动机转子存在不平衡。）最为突出，判断电动机转子存在不平衡。 在作动平衡测试时，转子不平衡量达在作