故障诊断技术

1、故障诊断技术故障诊断技术 -振动测试振动测试 石磊 2007年05月 - - 以可靠性为中心的维修以可靠性为中心的维修 第一阶段：第一阶段： 损坏后修换损坏后修换 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 第二阶段：第二阶段： 定期大修定期大修 工作的计划性工作的计划性 控制系统出现控制系统出现 出现体积大、出现体积大、 速度慢的计算速度慢的计算 机机 第三阶段：第三阶段： 状态监测状态监测 可靠性和维修性设可靠性和维修性设 计计 危害分析危害分析 故障模式和影响分故障模式和影响分 析析 专家系统专家系统 体积小、速度快的体积小、速度快的 计算机计算机 -

2、 - 以可靠性为中心的维修以可靠性为中心的维修 - - 以可靠性为中心的维修以可靠性为中心的维修 由于旋转设备由于旋转设备70%70%以上的故障都可以由振动数值的变化表以上的故障都可以由振动数值的变化表 现出来，因此在进行预防性维修的基础上，运转中设备有现出来，因此在进行预防性维修的基础上，运转中设备有 50% 50% 以上问题可以由振动信号的变化分析出来，在设备故障以上问题可以由振动信号的变化分析出来，在设备故障 停机之前及时解决。停机之前及时解决。 据国外企业统计，采用诊断技术后事故率可减少据国外企业统计，采用诊断技术后事故率可减少75%75%，维，维 修费用可降低修费用可降低25%25%

3、50%50%。 - - 以可靠性为中心的维修以可靠性为中心的维修 由于旋转设备由于旋转设备70%70%以上的故障都可以由振动数值的变化表以上的故障都可以由振动数值的变化表 现出来，因此在进行预防性维修的基础上，运转中设备有现出来，因此在进行预防性维修的基础上，运转中设备有 50% 50% 以上问题可以由振动信号的变化分析出来，在设备故障以上问题可以由振动信号的变化分析出来，在设备故障 停机之前及时解决。停机之前及时解决。 据国外企业统计，采用诊断技术后事故率可减少据国外企业统计，采用诊断技术后事故率可减少75%75%，维，维 修费用可降低修费用可降低25%25%50%50%。 - - 名词术语

4、名词术语 机械振动是指物体围绕其平衡位置附近来回摆动并随时间机械振动是指物体围绕其平衡位置附近来回摆动并随时间 变化的一种运动。机械振动通常以其幅值、周期（频率）和变化的一种运动。机械振动通常以其幅值、周期（频率）和 相位来描述，它们是描述振动的三个基本参量。相位来描述，它们是描述振动的三个基本参量。 幅值：表示物体动态运动或振动的幅度，它是机械振动幅值：表示物体动态运动或振动的幅度，它是机械振动 强度的标志，也是机器振动严重程度的一个重要指标。振幅强度的标志，也是机器振动严重程度的一个重要指标。振幅 的大小可以表示为峰峰值（的大小可以表示为峰峰值（P PP P）、单峰值（）、单峰值（0 0P

5、 P）、有）、有 效值（效值（RMSRMS）或平均值（）或平均值（AverageAverage）。）。 - - 名词术语名词术语 周期：物体完成一个完整的振动所需要的时间，以周期：物体完成一个完整的振动所需要的时间，以T0T0表表 示。单位一般是用示。单位一般是用“秒秒”来表示。例如一个单摆，它的周期来表示。例如一个单摆，它的周期 就是重锤从左运动到右，再从右运动回左边起点所需要的时就是重锤从左运动到右，再从右运动回左边起点所需要的时 间。间。 频率：是指振动物体在单位时间（频率：是指振动物体在单位时间（1 1秒）内所产生振动的秒）内所产生振动的 次数，即次数，即HzHz，以，以f0f0表示。

6、很显然，表示。很显然，f0f01 1T0T0。对于旋转机。对于旋转机 械的振动来说，存在下述令人感兴趣的频率：械的振动来说，存在下述令人感兴趣的频率：a a）转动轴的）转动轴的 旋转频率；旋转频率；b b）各种振动分量的频率；）各种振动分量的频率；c c）机器自身和基础或）机器自身和基础或 其它附着物的固有频率。其它附着物的固有频率。 - - 名词术语名词术语 相位：是指旋转机械测量中某一瞬间机器的选频振动信相位：是指旋转机械测量中某一瞬间机器的选频振动信 号（如基频）与轴上某一固定标志（如键相器）之间的相位号（如基频）与轴上某一固定标志（如键相器）之间的相位 差。差。 振动速度相位超前振动位

7、移振动速度相位超前振动位移9090； 振动加速度相位超前振动加速度相位超前 振动速度振动速度9090； 振动加速度相位超前振动位移振动加速度相位超前振动位移180180。 - - 名词术语名词术语 峭峭 度度 1 42 0 1 /3 N qia i xxx N 波波形形指标指标 rms x K x 均方幅值 平均幅值 峰值指标峰值指标 p rms x C x 峰 值 均 方 幅 值 脉冲指标脉冲指标 P x I x 峰 值 平 均 幅 值 裕度指标裕度指标 P r x L x 峰 值 方 根 幅 值 - - 振动传感器振动传感器 现场振动测试采用的传感器一般有非接触式电涡流传感器、现场振动测试

8、采用的传感器一般有非接触式电涡流传感器、 速度传感器、加速度传感器和复合传感器（它是由一个非接速度传感器、加速度传感器和复合传感器（它是由一个非接 触传感器和一个惯性传感器组成）四种。每一种传感器都有触传感器和一个惯性传感器组成）四种。每一种传感器都有 它们固有的频响特性，其决定了各自的工作范围。它们固有的频响特性，其决定了各自的工作范围。 - - 振动传感器振动传感器 - - 常用图谱常用图谱时域波形时域波形 总体上掌握所测信号随时间的变化规律总体上掌握所测信号随时间的变化规律, ,基本应用如下：基本应用如下： 1)1)根据纵坐标刻度可了解到信号大小；根据纵坐标刻度可了解到信号大小； 2)2

9、)根据横坐标刻度可大致了解某些主要频率成分，根据横坐标刻度可大致了解某些主要频率成分， 3)3)某些周期性或脉冲冲击信号在时域波形上更容易发现。某些周期性或脉冲冲击信号在时域波形上更容易发现。 - - 常用图谱常用图谱-波德图波德图 波德图是反映机器振动幅值和相位随转速变化的关系曲线。波德图是反映机器振动幅值和相位随转速变化的关系曲线。 横坐标是转速，纵坐标有两个，一个是振幅峰峰值，另一个横坐标是转速，纵坐标有两个，一个是振幅峰峰值，另一个 是相位。是相位。 - - 常用图谱常用图谱-波德图波德图 波德图上我们可以得到以下信息：波德图上我们可以得到以下信息： 转子系统在各种转速下的振幅和相位；

10、转子系统在各种转速下的振幅和相位； 转子系统的临界转速；转子系统的临界转速； 转子系统的共振放大系数转子系统的共振放大系数(Q=Amax(Q=Amax)；一般小型机组；一般小型机组Q Q在在 3 35 5甚至更小，而大型机组在甚至更小，而大型机组在5 57 7；超过上述数值，很可能；超过上述数值，很可能 是不安全的；是不安全的； 转子的振型；转子的振型； 系统的阻尼大小；系统的阻尼大小； 转子上机械偏差和电气偏差的大小；转子上机械偏差和电气偏差的大小； 转子是否发生了热弯曲。转子是否发生了热弯曲。 由这些数据可以获得有关转子的动平衡状况和振动体的刚由这些数据可以获得有关转子的动平衡状况和振动体

11、的刚 度、阻尼特性等动态数据。度、阻尼特性等动态数据。 - - 常用图谱常用图谱-极坐标图极坐标图 极坐标图是波德图的极坐标表现形式，比波德图更为直观。极坐标图是波德图的极坐标表现形式，比波德图更为直观。 图中用一旋转矢量的点代表转子的轴心，该点在各个转速下图中用一旋转矢量的点代表转子的轴心，该点在各个转速下 所处位置的极半径就代表了轴的径向振幅，该点在极坐标上所处位置的极半径就代表了轴的径向振幅，该点在极坐标上 的角度就是此时振动的相位角。的角度就是此时振动的相位角。 - - 常用图谱常用图谱-频谱瀑布图频谱瀑布图 用某一测点在启停机（或正常运行中）时连续测得的一组用某一测点在启停机（或正常

12、运行中）时连续测得的一组 频谱图按时间顺序组成的三维谱图就是频谱瀑布图。频谱图按时间顺序组成的三维谱图就是频谱瀑布图。Z Z轴是轴是 时间轴相同阶次频率的谱线集和时间轴相同阶次频率的谱线集和Z Z轴是平行的。从图中可以轴是平行的。从图中可以 清楚地看出各种频率的振幅随时间是如何变化的。清楚地看出各种频率的振幅随时间是如何变化的。 - - 常用图谱常用图谱-轴心轨迹图轴心轨迹图 轴心轨迹一般是指转子上的轴心一点相对于轴承座在其与轴心轨迹一般是指转子上的轴心一点相对于轴承座在其与 轴线垂直的平面内的运动轨迹。轴线垂直的平面内的运动轨迹。 - - 常用图谱常用图谱-轴心轨迹图轴心轨迹图 - - 常用

13、图谱常用图谱-振动趋势图振动趋势图 在机组运行时，可利用趋势图来显示、记录机器的通频在机组运行时，可利用趋势图来显示、记录机器的通频 振动、各频率分量的振动、相位或其它过程参数是如何随时振动、各频率分量的振动、相位或其它过程参数是如何随时 间变化的。间变化的。 - - 常用图谱常用图谱-波形频谱图波形频谱图 - - 故障诊断故障诊断 带传动系统：带传动系统： 带驱动相关振动带驱动相关振动. 支撑、紧固元件：支撑、紧固元件： 机械性松弛机械性松弛. 配合元件：配合元件：平行、平行、 偏角不对中和轴承偏角不对中和轴承 装配误差等装配误差等. 转子：转子：摩擦摩擦. 叶片、流体：叶片、流体： 流体相

14、关振动流体相关振动. 电机：电机：电器相关振动电器相关振动. 轴承：轴承：滚动元件相关振动滚动元件相关振动. 齿轮：齿轮：偏心、磨损等偏心、磨损等. 滑动轴承：滑动轴承：磨损、间磨损、间 隙、油膜涡动隙、油膜涡动/振荡振荡. 转子：转子：不平衡不平衡. 转子转速同步：转子转速同步：拍振拍振. 转子或其它结构：转子或其它结构：共振共振. - - 故障诊断故障诊断故障原因分类故障原因分类 故障分类故障分类主要原因主要原因 设计原因设计原因 (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，应力集中结构不合理，应力集中

15、(3)设计工作转速接近或落入临界转速区设计工作转速接近或落入临界转速区 (4)热膨胀量计算不准，导致热态对中不良热膨胀量计算不准，导致热态对中不良 制造原因制造原因 (1)零部件加工制造不良，精度不够零部件加工制造不良，精度不够 (2)零件材质不良，强度不够，制造缺陷零件材质不良，强度不够，制造缺陷 (3)转子动平衡不符合技术要求转子动平衡不符合技术要求 安装维修安装维修 (1)机械安装不当，零部件错位，预负荷大机械安装不当，零部件错位，预负荷大 (2)轴系不对中轴系不对中 (3)机器几何参数（如配合间隙、过盈量及相对位置）调整不当机器几何参数（如配合间隙、过盈量及相对位置）调整不当 (4)管

16、道应力大，机器在工作状态下改变了动态特性和安装精度管道应力大，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，改变了动平衡精度转子长期放置不当，改变了动平衡精度 (6)未按规程检修，破坏了机器原有的配合性质和精度未按规程检修，破坏了机器原有的配合性质和精度 - - 故障诊断故障诊断故障原因分类故障原因分类 故障分类故障分类主要原因主要原因 操作运行操作运行 (1)工艺参数（如介质温度、压力、流量、负荷等）偏离设计值，工艺参数（如介质温度、压力、流量、负荷等）偏离设计值， 机器运行工况不正常机器运行工况不正常 (2)机器在超速、超负荷下运行，改变了机器的工作特性机器在超速、超负

17、荷下运行，改变了机器的工作特性 (3)运行点接近或落入临界转速区运行点接近或落入临界转速区 (4)润滑或冷却不良润滑或冷却不良 (5)转子局部损坏或结垢转子局部损坏或结垢 (6)起停机或升降速过程操作不当，暖机不够，热胀不均或在临界起停机或升降速过程操作不当，暖机不够，热胀不均或在临界 区停留时间过久区停留时间过久 机器劣化机器劣化 (1)长期运行，转子挠度增大或动平衡劣化长期运行，转子挠度增大或动平衡劣化 (2)转子局部损坏、脱落或产生裂纹转子局部损坏、脱落或产生裂纹 (3)零部件磨损、点蚀或腐蚀等零部件磨损、点蚀或腐蚀等 (4)配合面受力劣化，产生过盈不足或松动等，破坏了配合性质和配合面受

18、力劣化，产生过盈不足或松动等，破坏了配合性质和 精度精度 (5)机器表面沉降不均，机器壳体变形机器表面沉降不均，机器壳体变形 - - 故障诊断故障诊断不平衡不平衡 不平衡是各种旋转机械中最普遍存在的故障。引起转子不不平衡是各种旋转机械中最普遍存在的故障。引起转子不 平衡的原因是多方面的，如转子的结构设计不合理、机械加平衡的原因是多方面的，如转子的结构设计不合理、机械加 工质量偏差、装配误差、材质不均匀、动平衡精度差；运行工质量偏差、装配误差、材质不均匀、动平衡精度差；运行 中联轴器相对位置的改变；转子部件缺损，如：运行中由于中联轴器相对位置的改变；转子部件缺损，如：运行中由于 腐蚀、磨损、介质

19、不均匀结垢、脱落；转子受疲劳应力作用腐蚀、磨损、介质不均匀结垢、脱落；转子受疲劳应力作用 造成转子的零部件（如叶轮、叶片、围带、拉筋等）局部损造成转子的零部件（如叶轮、叶片、围带、拉筋等）局部损 坏、脱落，产生碎块飞出等。坏、脱落，产生碎块飞出等。 - - 故障诊断故障诊断不平衡不平衡 （1 1）时域波形近似正弦波。）时域波形近似正弦波。 （2 2）频谱能量集中于基频。并且会出现较小的高次谐波，呈）频谱能量集中于基频。并且会出现较小的高次谐波，呈 “枞树形枞树形”。 （3 3）在临界转速以下，振幅随转速的增加而增大；在临界转）在临界转速以下，振幅随转速的增加而增大；在临界转 速以上，转速增加振

20、幅趋于一个较小的稳定值；当转速接近速以上，转速增加振幅趋于一个较小的稳定值；当转速接近 临界转速时，发生共振，振幅具有最大峰值。振动幅值对转临界转速时，发生共振，振幅具有最大峰值。振动幅值对转 速的变化非常敏感。速的变化非常敏感。 （4 4）当工作转速一定时，相位稳定（因此才可以方便地做动）当工作转速一定时，相位稳定（因此才可以方便地做动 平衡）。平衡）。 （5 5）转子的轴心轨迹为椭圆。）转子的轴心轨迹为椭圆。 （6 6）从轴心轨迹观察其进动特征为同步正进动。）从轴心轨迹观察其进动特征为同步正进动。 - - 故障诊断故障诊断不平衡不平衡 - - 故障诊断故障诊断不平衡不平衡 - - 故障诊断

21、故障诊断不平衡不平衡 - - 故障诊断故障诊断不对中不对中 转子不对中通常是指相邻两转子的轴心线与轴承中心线的倾转子不对中通常是指相邻两转子的轴心线与轴承中心线的倾 斜或偏移程度。转子不对中可分为联轴器不对中和轴承不对中。斜或偏移程度。转子不对中可分为联轴器不对中和轴承不对中。 联轴器不对中又可分为平行不对中、偏角不对中和平行偏角不对联轴器不对中又可分为平行不对中、偏角不对中和平行偏角不对 中三种情况。平行不对中时振动频率为转子工频的两倍。偏角不中三种情况。平行不对中时振动频率为转子工频的两倍。偏角不 对中使联轴器附加一个弯矩，以力图减小两个轴中心线的偏角。对中使联轴器附加一个弯矩，以力图减小

22、两个轴中心线的偏角。 轴每旋转一周，弯矩作用方向就交变一次，因此，偏角不对中增轴每旋转一周，弯矩作用方向就交变一次，因此，偏角不对中增 加了转子的轴向力，使转子在轴向产生工频振动。平行偏角不对加了转子的轴向力，使转子在轴向产生工频振动。平行偏角不对 中是以上两种情况的综合，使转子发生径向和轴向振动。轴承不中是以上两种情况的综合，使转子发生径向和轴向振动。轴承不 对中实际上反映的是轴承座标高和轴中心位置的偏差。轴承不对对中实际上反映的是轴承座标高和轴中心位置的偏差。轴承不对 中使轴系的载荷重新分配。负荷较大的轴承可能会出现高次谐波中使轴系的载荷重新分配。负荷较大的轴承可能会出现高次谐波 振动，负

23、荷较轻的轴承容易失稳，同时还使轴系的临界转速发生振动，负荷较轻的轴承容易失稳，同时还使轴系的临界转速发生 改变。改变。 - - 故障诊断故障诊断不对中不对中 （1 1）故障特征频率为角频率的）故障特征频率为角频率的2 2、1 1倍频，及其高次谐波。倍频，及其高次谐波。 （2 2）由不对中产生的对转子的激励力随转速升高而成平方增大，）由不对中产生的对转子的激励力随转速升高而成平方增大， 因此，高速旋转机械应更加注重转子的对中要求。因此，高速旋转机械应更加注重转子的对中要求。 （3 3）激励力与不对中量成正比，随不对中量的增加呈线性增大。）激励力与不对中量成正比，随不对中量的增加呈线性增大。 （4

24、 4）典型的轴心轨迹为月牙形、香蕉形，严重对中不良时的轴心）典型的轴心轨迹为月牙形、香蕉形，严重对中不良时的轴心 轨迹可能出现轨迹可能出现“8”8”字形；字形； （5 5）轴系具有过大的不对中量时，会由于联轴器不符合其运动条）轴系具有过大的不对中量时，会由于联轴器不符合其运动条 件而使转子在运动中产生巨大的附加径向力和轴向力，以及附加弯件而使转子在运动中产生巨大的附加径向力和轴向力，以及附加弯 矩，使转子产生异常振动，轴承过早损坏，对转子系统具有较大的矩，使转子产生异常振动，轴承过早损坏，对转子系统具有较大的 破坏性。破坏性。 - - 故障诊断故障诊断不对中不对中 - - 故障诊断故障诊断不对

25、中不对中 - - 故障诊断故障诊断轴承故障轴承故障 特征频率分析法是对滚动轴承实施振动诊断的基本方法。特征频率分析法是对滚动轴承实施振动诊断的基本方法。 滚动轴承的振动频率成分非常丰富，滚动轴承的振动频率成分非常丰富， 图图4-64-6轴承元件疲劳点轴承元件疲劳点 蚀每一个元件都有各自的故障特征频率。因此，通过频谱分蚀每一个元件都有各自的故障特征频率。因此，通过频谱分 析不但可以判断轴承是否存在故障，而且可以对轴承中损坏析不但可以判断轴承是否存在故障，而且可以对轴承中损坏 元件的部位做出准确判断。由于最初轴承振动信号是高频信元件的部位做出准确判断。由于最初轴承振动信号是高频信 号，早期故障的振

26、动信号十分微弱，往往淹没在其他相对强号，早期故障的振动信号十分微弱，往往淹没在其他相对强 烈的振动之中，因此，通过对振动信号作频率分析可以避免烈的振动之中，因此，通过对振动信号作频率分析可以避免 漏检的情况漏检的情况 - - 故障诊断故障诊断轴承故障轴承故障 （1 1）疲劳剥落损伤）疲劳剥落损伤 当轴承上产生了疲劳剥落坑后，在轴承运转中会因为碰撞而产生冲当轴承上产生了疲劳剥落坑后，在轴承运转中会因为碰撞而产生冲 击脉冲。在轴承剥落坑处碰撞产生的冲击力的脉冲宽度一般都很小，大击脉冲。在轴承剥落坑处碰撞产生的冲击力的脉冲宽度一般都很小，大 致为微秒级。因力的频谱宽度与脉冲持续时间成反比，所以其频谱

27、可从致为微秒级。因力的频谱宽度与脉冲持续时间成反比，所以其频谱可从 直流延展到直流延展到100100500kHz500kHz。疲劳剥落损伤可以在很宽的频率范围内激发起。疲劳剥落损伤可以在很宽的频率范围内激发起 轴承传感器系统的固有振动。在简单情况下，碰撞频率就等于滚动体在轴承传感器系统的固有振动。在简单情况下，碰撞频率就等于滚动体在 滚道上的通过频率或滚动体的自转频率。滚道上的通过频率或滚动体的自转频率。 （2 2）磨损）磨损 虽然振动信号呈现较强的随机性，但随着磨损的进行，振动加速度虽然振动信号呈现较强的随机性，但随着磨损的进行，振动加速度 峰值和有效值缓慢上升。如果不发生疲劳剥落，最后振动

28、幅值可比最初峰值和有效值缓慢上升。如果不发生疲劳剥落，最后振动幅值可比最初 增大很多倍。增大很多倍。 （3 3）胶合）胶合 胶合是指轴承中金属与金属之间直接接触，从而使润滑剂恶化甚至胶合是指轴承中金属与金属之间直接接触，从而使润滑剂恶化甚至 发生碳化，最终使轴承卡死不能正常的工作。在轴承运转过程中，发生发生碳化，最终使轴承卡死不能正常的工作。在轴承运转过程中，发生 胶合轴承的振动加速度比起其温度的变化能更早的预报胶合的发生。胶合轴承的振动加速度比起其温度的变化能更早的预报胶合的发生。 - - 故障诊断故障诊断轴承故障轴承故障 当滚动轴承某元件出现局部损伤时，机器在运行中就会产当滚动轴承某元件出

29、现局部损伤时，机器在运行中就会产 生相应的振动频率，称为故障特征频率，又叫轴承通过频率。生相应的振动频率，称为故障特征频率，又叫轴承通过频率。 各元件的通过频率分别计算如下：各元件的通过频率分别计算如下： 内圈通过频率即单位时间内内圈上的某一损伤点与滚动内圈通过频率即单位时间内内圈上的某一损伤点与滚动 体接触的次数：体接触的次数： - - 故障诊断故障诊断轴承故障轴承故障 外圈通过频率即单位时间内外圈上的某一损伤点与滚动外圈通过频率即单位时间内外圈上的某一损伤点与滚动 体接触的次数：体接触的次数： 滚动体通过频率即单位时间内滚动体上某一损伤点与内滚动体通过频率即单位时间内滚动体上某一损伤点与内

30、 圈或外圈接触的次数：圈或外圈接触的次数： 保持架通过频率保持架通过频率 ： - - 故障诊断故障诊断轴承故障轴承故障 - - 故障诊断故障诊断轴承故障轴承故障 由发电机前轴承振动时域图可以看到，发电机轴承明显存 在冲击现象，冲击周期T=0.1s，同时存在T=6ms的边频。从 发电机前轴承振动频域放大图可以看到主要是10.986Hz及其 2，3，4谐波。由此可以判断，此电机轴承保持架 存在故障。 - - 齿轮箱的故障诊断齿轮箱的故障诊断常见失效形式常见失效形式 一、齿面磨损一、齿面磨损 二、齿面胶合和擦伤二、齿面胶合和擦伤 三、齿面接触疲劳三、齿面接触疲劳 四、弯曲疲劳与断齿四、弯曲疲劳与断齿

31、 五、轴不平衡、不对中和弯曲五、轴不平衡、不对中和弯曲 六、滚动轴承的失效六、滚动轴承的失效 - - 齿轮箱的故障诊断齿轮箱的故障诊断常见失效形式常见失效形式 齿轮磨粒磨损齿轮磨粒磨损 若滑油供应不足或工作齿面上有外来的微小颗粒，则齿面若滑油供应不足或工作齿面上有外来的微小颗粒，则齿面 将发生剧烈的磨粒磨损。将发生剧烈的磨粒磨损。 腐蚀磨损腐蚀磨损 以化学腐蚀作用为主并伴有机械磨损的一种损伤形式以化学腐蚀作用为主并伴有机械磨损的一种损伤形式 。 齿轮轮齿端面冲击磨损齿轮轮齿端面冲击磨损 变速箱齿轮在换档时，轮齿端面经常受到冲击载荷而导致变速箱齿轮在换档时，轮齿端面经常受到冲击载荷而导致 齿端面

32、磨损。齿端面磨损。 一、齿面磨损一、齿面磨损 - - 齿轮箱的故障诊断齿轮箱的故障诊断常见失效形式常见失效形式 二、齿面胶合和擦伤二、齿面胶合和擦伤 齿轮两啮合齿面的金属，发生胶合磨损是在一定压力下直齿轮两啮合齿面的金属，发生胶合磨损是在一定压力下直 接接触，接接触，“焊合焊合”后又有相对运动，金属从齿面上撕落，或后又有相对运动，金属从齿面上撕落，或 从一个齿面向另一个齿转移而引起损伤的现象。从一个齿面向另一个齿转移而引起损伤的现象。 胶合磨损胶合磨损的宏观特征是齿面沿滑动速度方向呈现深、宽不等的宏观特征是齿面沿滑动速度方向呈现深、宽不等 的条状粗糙沟纹，在齿顶和齿根处较为严重。的条状粗糙沟纹

33、，在齿顶和齿根处较为严重。 冷粘合撕伤冷粘合撕伤在重载低速传动的情况下形成在重载低速传动的情况下形成 ，由于局部压力，由于局部压力 很高，表面油膜破裂，造成轮齿金属表面直接接触。很高，表面油膜破裂，造成轮齿金属表面直接接触。 热粘合撕伤热粘合撕伤通常是在高速或重载中速传动中，由于齿面接触通常是在高速或重载中速传动中，由于齿面接触 点局部温度升高，油膜及其它表面膜破裂，表层金属熔合而点局部温度升高，油膜及其它表面膜破裂，表层金属熔合而 以撕裂形成的。以撕裂形成的。 - - 齿轮箱的故障诊断齿轮箱的故障诊断常见失效形式常见失效形式 三、齿面接触疲劳三、齿面接触疲劳 齿轮在啮合过程中，既有相对滚动，

34、又有相对滑动。这两齿轮在啮合过程中，既有相对滚动，又有相对滑动。这两 种力的作用使齿轮表面层深处产生脉动循环变化的剪应力。种力的作用使齿轮表面层深处产生脉动循环变化的剪应力。 轮齿表面在这种剪应力反复作用下，引起局部金属剥落而造轮齿表面在这种剪应力反复作用下，引起局部金属剥落而造 成损坏成损坏 。 麻点和疲劳剥落麻点和疲劳剥落 齿轮在接触应力作用下，工作表面呈痘斑、片状的疲劳齿轮在接触应力作用下，工作表面呈痘斑、片状的疲劳 损伤，称为麻点疲劳剥落。损伤，称为麻点疲劳剥落。 - - 齿轮箱的故障诊断齿轮箱的故障诊断常见失效形式常见失效形式 三、齿面接触疲劳三、齿面接触疲劳 浅层疲劳剥落浅层疲劳剥

35、落 比麻点剥落大而深的接触疲劳剥落损伤称为浅层疲劳剥比麻点剥落大而深的接触疲劳剥落损伤称为浅层疲劳剥 落。呈鳞片状，通常坑深约落。呈鳞片状，通常坑深约0.4mm0.4mm，但在硬化层深度以内。，但在硬化层深度以内。 硬化层疲劳剥落硬化层疲劳剥落 经表面强化处理的齿轮在工作过程中出现大块状剥落，经表面强化处理的齿轮在工作过程中出现大块状剥落， 深度达到硬化层过渡过区，称为硬化层疲劳剥落深度达到硬化层过渡过区，称为硬化层疲劳剥落 。 - - 齿轮箱的故障诊断齿轮箱的故障诊断常见失效形式常见失效形式 四、弯曲疲劳与断齿四、弯曲疲劳与断齿 轮齿承受载荷，如同悬臂梁，其根部受到脉动循环的弯轮齿承受载荷，

36、如同悬臂梁，其根部受到脉动循环的弯 曲应力作用。当这种周期性的应力过高时，会在根部产生曲应力作用。当这种周期性的应力过高时，会在根部产生 裂纹，并逐渐扩展。当剩余部分无法承担外载荷时，就会裂纹，并逐渐扩展。当剩余部分无法承担外载荷时，就会 发生断齿。发生断齿。 - - 齿轮箱的故障诊断齿轮箱的故障诊断常见失效形式常见失效形式 五、轴不平衡、不对中和弯曲五、轴不平衡、不对中和弯曲 轴产生较严重的不平衡问题一般来源于下列几个方面：轴产生较严重的不平衡问题一般来源于下列几个方面： 1. 1. 制造过程中工艺和加工存在问题，新制造的轴也会产生制造过程中工艺和加工存在问题，新制造的轴也会产生 严重的不平

37、衡现象；严重的不平衡现象； 2. 2. 在使用过程中轴受到过大的瞬时冲击载荷的作用，产生在使用过程中轴受到过大的瞬时冲击载荷的作用，产生 弯曲或永久变形；弯曲或永久变形； 3. 3. 长期在较大的偏载工况下工作，由于疲劳作用产生永久长期在较大的偏载工况下工作，由于疲劳作用产生永久 变形。变形。 - - 齿轮箱的故障诊断齿轮箱的故障诊断常见失效形式常见失效形式 六、滚动轴承的失效六、滚动轴承的失效 滚动轴承的常见失效形式有：滚动轴承的常见失效形式有： 内环、外环或滚动体的点蚀和疲劳剥落，保内环、外环或滚动体的点蚀和疲劳剥落，保 持架损坏。持架损坏。 - - 齿轮箱的故障诊断齿轮箱的故障诊断典型故

38、障（齿形误差）典型故障（齿形误差） 特征表现为：特征表现为： (1).(1).以齿轮啮合频率及其谐波为载波频率，齿轮所在轴转频以齿轮啮合频率及其谐波为载波频率，齿轮所在轴转频 及其倍频为调制频率的啮合频率调制。一般的齿形误差产生及其倍频为调制频率的啮合频率调制。一般的齿形误差产生 的调制边频带窄，以一阶转频调制为主，且边频带的幅值较的调制边频带窄，以一阶转频调制为主，且边频带的幅值较 小。当齿形误差严重时，由于激振能量较大，激励起齿轮固小。当齿形误差严重时，由于激振能量较大，激励起齿轮固 有频率，出现以齿轮各阶固有频率为载波频率，齿轮所在轴有频率，出现以齿轮各阶固有频率为载波频率，齿轮所在轴

39、转频及其倍频为调制频率的齿轮共振频率调制；转频及其倍频为调制频率的齿轮共振频率调制； (2).(2).振动能量振动能量( (包括有效值和峭度指标包括有效值和峭度指标) )有一定程度的增大；有一定程度的增大； (3).(3).包络能量包络能量( (包括有效值和峭度指标包括有效值和峭度指标) )有一定程度的增大。有一定程度的增大。 - - 齿轮箱的故障诊断齿轮箱的故障诊断典型故障（齿形误差）典型故障（齿形误差） - - 齿轮箱的故障诊断齿轮箱的故障诊断典型故障（齿轮均匀磨损典型故障（齿轮均匀磨损 ） 主要特征为：主要特征为： (1). (1). 齿轮啮合频率及其谐波的幅值明显增大，阶数越高，幅齿轮

40、啮合频率及其谐波的幅值明显增大，阶数越高，幅 值增大的幅度越大；值增大的幅度越大； (2). (2). 振动能量振动能量( (有效值有效值) )有较大幅度的增加。有较大幅度的增加。 - - 齿轮箱的故障诊断齿轮箱的故障诊断典型故障（齿轮均匀磨损典型故障（齿轮均匀磨损 ） - - 齿轮箱的故障诊断齿轮箱的故障诊断典型故障（轴不对中典型故障（轴不对中 ） 主要特征为：主要特征为： （1 1）以齿轮啮合频率及其谐波为载波频率，齿轮所在轴转频）以齿轮啮合频率及其谐波为载波频率，齿轮所在轴转频 及其倍频为调制频率的啮合频率调制；及其倍频为调制频率的啮合频率调制； （2 2）齿轮啮合频率及其谐波幅值增大；

41、）齿轮啮合频率及其谐波幅值增大； （3 3）振动能量）振动能量( (包括有效值和峭度指标包括有效值和峭度指标) )有一定程度的增加；有一定程度的增加； （4 4）包络能量）包络能量( (包括有效值和峭度指标包括有效值和峭度指标) )有一定程度的增加。有一定程度的增加。 - - 齿轮箱的故障诊断齿轮箱的故障诊断典型故障（箱体共振典型故障（箱体共振 ） 齿轮箱箱体共振是一种严重的故障形式，一般是由于受到齿轮箱箱体共振是一种严重的故障形式，一般是由于受到 箱体以外的其它激励的影响，激发了箱体的固有频率，形成箱体以外的其它激励的影响，激发了箱体的固有频率，形成 共振。外部激励一定是振动能量较大的激励源

42、。箱体共振时共振。外部激励一定是振动能量较大的激励源。箱体共振时 的振动信号根据共振发生情况可分为有无调制的和有调制现的振动信号根据共振发生情况可分为有无调制的和有调制现 象的两种。象的两种。 壳体共振时齿轮箱体振动信号的主要特征为：壳体共振时齿轮箱体振动信号的主要特征为： （1）齿轮箱壳体某一阶固有频率成分占主导地位，其它频率）齿轮箱壳体某一阶固有频率成分占主导地位，其它频率 成分的幅值很小；成分的幅值很小； （2）振动能量）振动能量(有效值有效值)有大幅度的增加有大幅度的增加 - - 齿轮箱的故障诊断齿轮箱的故障诊断典型故障（箱体共振典型故障（箱体共振 ） 箱体共振调制时齿轮箱体振动信号的

43、主要特征为：箱体共振调制时齿轮箱体振动信号的主要特征为： （1 1）以箱体固有频率、齿轮固有频率和齿轮啮合频率及其高）以箱体固有频率、齿轮固有频率和齿轮啮合频率及其高 次谐波为中心频率，以弯曲轴的转频及其高次谐波为调制频次谐波为中心频率，以弯曲轴的转频及其高次谐波为调制频 率的调制边带；率的调制边带； （2 2）齿轮啮合频率及其谐波幅值明显增大；）齿轮啮合频率及其谐波幅值明显增大； （3 3）振动能量）振动能量( (包括有效值和峭度指标包括有效值和峭度指标) )有大幅度的增加；有大幅度的增加； （4 4）包络能量）包络能量( (包括有效值和峭度指标包括有效值和峭度指标) )有大幅度的增加。有大

44、幅度的增加。 - - 齿轮箱的故障诊断齿轮箱的故障诊断典型故障（断齿典型故障（断齿 ） 主要特征为：主要特征为： (1). (1). 以齿轮啮合频率及其谐波为载波频率，齿轮所在轴转频以齿轮啮合频率及其谐波为载波频率，齿轮所在轴转频 及其倍频为调制频率的啮合频率调制，调制边频带宽而高，及其倍频为调制频率的啮合频率调制，调制边频带宽而高， 解调谱出现所在轴的转频和多次高阶谐波；解调谱出现所在轴的转频和多次高阶谐波； (2). (2). 以齿轮各阶固有频率为载波频率，齿轮所在轴转频及其以齿轮各阶固有频率为载波频率，齿轮所在轴转频及其 倍频为调制频率的齿轮共振频率调制，调制边频带宽而高，倍频为调制频率

45、的齿轮共振频率调制，调制边频带宽而高， 解调谱出现所在轴的转频和多次高阶谐波；解调谱出现所在轴的转频和多次高阶谐波； (3). (3). 振动能量振动能量( (包括有效值和峭度指标包括有效值和峭度指标) )有较大幅度的增加；有较大幅度的增加； (4). (4). 包络能量包络能量( (包括有效值和峭度指标包括有效值和峭度指标) )有较大幅度的增加。有较大幅度的增加。 - - 齿轮箱的故障诊断齿轮箱的故障诊断典型故障（断齿典型故障（断齿 ） - - 齿轮箱的故障诊断齿轮箱的故障诊断典型故障（断齿典型故障（断齿 ） - - 齿轮箱的故障诊断齿轮箱的故障诊断典型故障（轴轻度弯曲典型故障（轴轻度弯曲

46、） 主要特征为： (1). (1). 以齿轮啮合频率及其谐波为载波频率，齿轮所在轴转频以齿轮啮合频率及其谐波为载波频率，齿轮所在轴转频 及其倍频为调制频率的啮合频率调制，调制边频带数量少而及其倍频为调制频率的啮合频率调制，调制边频带数量少而 稀，解调谱上一般只出现所在轴的转频；稀，解调谱上一般只出现所在轴的转频； (2). (2). 如果弯曲轴上有多对齿轮啮合，则会出现多对啮合频率如果弯曲轴上有多对齿轮啮合，则会出现多对啮合频率 调制；调制； (3). (3). 振动能量振动能量( (包括有效值和峭度指标包括有效值和峭度指标) )有一定程度的增加，有一定程度的增加， 特别是轴向振动能量有较大增

47、加；特别是轴向振动能量有较大增加； (4). (4). 包络能量包络能量( (包括有效值和峭度指标包括有效值和峭度指标) )有一定程度的增加。有一定程度的增加。 - - 齿轮箱的故障诊断齿轮箱的故障诊断典型故障（轴轻度弯曲典型故障（轴轻度弯曲 ） - - 齿轮箱的故障诊断齿轮箱的故障诊断典型故障（轴严重弯曲典型故障（轴严重弯曲 ） 主要特征为：主要特征为： (1). (1). 以齿轮啮合频率及其谐波为、齿轮固有频率、箱体固有以齿轮啮合频率及其谐波为、齿轮固有频率、箱体固有 频率为载波频率，以齿轮所在轴转频为调制频率的啮合频率频率为载波频率，以齿轮所在轴转频为调制频率的啮合频率 调制，如果弯曲轴

48、上有多对齿轮啮合，则会出现多对啮合频调制，如果弯曲轴上有多对齿轮啮合，则会出现多对啮合频 率调制，谱图上边带数量较宽，解调谱上出现所在轴的转频率调制，谱图上边带数量较宽，解调谱上出现所在轴的转频 和多阶高次谐波；和多阶高次谐波； (2). (2). 如果弯曲轴上有多对齿轮啮合，则会出现多对啮合频率如果弯曲轴上有多对齿轮啮合，则会出现多对啮合频率 调制；调制； (3). (3). 弯曲轴的多对齿轮的啮合频率及其高次谐波弯曲轴的多对齿轮的啮合频率及其高次谐波 (4). (4). 振动能量振动能量( (包括有效值和峭度指标包括有效值和峭度指标) )有较大程度的增加；有较大程度的增加； (5). (5

49、). 包络能量包络能量( (包括有效值和峭度指标包括有效值和峭度指标) )有大幅度的增加。有大幅度的增加。 - - 齿轮箱的故障诊断齿轮箱的故障诊断典型故障（轴严重弯曲典型故障（轴严重弯曲 ） - - 齿轮箱的故障诊断齿轮箱的故障诊断典型故障（轴向窜动典型故障（轴向窜动 ） 主要特征为：主要特征为： (1). (1). 一根轴上有方向相反的两个斜齿轮；一根轴上有方向相反的两个斜齿轮； (2). (2). 有故障轴上齿数多的齿轮啮合频率的幅值大幅度增加；有故障轴上齿数多的齿轮啮合频率的幅值大幅度增加； (3). (3). 振动能量振动能量( (包括有效值和峭度指标包括有效值和峭度指标) )有较大

50、程度的增加。有较大程度的增加。 - - 齿轮箱的故障诊断齿轮箱的故障诊断典型故障（轴有较严重的典型故障（轴有较严重的 不平衡不平衡 ） 主要特征为：主要特征为： (1). (1). 以齿轮啮合频率及其谐波为载波频率，齿轮所在轴转频以齿轮啮合频率及其谐波为载波频率，齿轮所在轴转频 及其倍频为调制频率的啮合频率调制，调制边频带数量少而及其倍频为调制频率的啮合频率调制，调制边频带数量少而 稀，解调谱上一般只出现所在轴的转频；稀，解调谱上一般只出现所在轴的转频； (2). (2). 有故障轴的转频成分有较大程度的增加；有故障轴的转频成分有较大程度的增加； (3). (3). 振动能量振动能量( (包括

51、有效值和峭度指标包括有效值和峭度指标) )有一定程度的增加；有一定程度的增加； (4). (4). 包络能量包络能量( (包括有效值和峭度指标包括有效值和峭度指标) )有一定程度的增加。有一定程度的增加。 - - 齿轮箱的故障诊断齿轮箱的故障诊断典型故障（轴有较严重的典型故障（轴有较严重的 不平衡不平衡 ） - - 齿轮箱的故障诊断齿轮箱的故障诊断典型故障（轴承疲劳剥落典型故障（轴承疲劳剥落 和点蚀和点蚀 ） 滚动轴承内外环及滚动体疲劳剥落和点蚀后，在其频谱的滚动轴承内外环及滚动体疲劳剥落和点蚀后，在其频谱的 中高频区外环固有频率附近出现明显的调制峰群，产生以外中高频区外环固有频率附近出现明显

52、的调制峰群，产生以外 环固有频率为载波频率，以轴承通过频率为调制频率的固有环固有频率为载波频率，以轴承通过频率为调制频率的固有 频率调制现象。由于滚动轴承产生的振动在传动箱中与齿轮频率调制现象。由于滚动轴承产生的振动在传动箱中与齿轮 振动相比能量较小，解调谱中调制频率幅值较小，一般只出振动相比能量较小，解调谱中调制频率幅值较小，一般只出 现现1 1阶阶 。 - - 齿轮箱的故障诊断齿轮箱的故障诊断 - - 齿轮箱的故障诊断齿轮箱的故障诊断 - - 齿轮箱的故障诊断齿轮箱的故障诊断 从齿轮箱高速级振动时域图中可以看出，风力发电机组是典从齿轮箱高速级振动时域图中可以看出，风力发电机组是典 型的以高

53、速齿轮旋转频率为周期的冲击脉冲；从齿轮箱高速型的以高速齿轮旋转频率为周期的冲击脉冲；从齿轮箱高速 级振动频谱图中可以看出，频率域表现为级振动频谱图中可以看出，频率域表现为Z7/Z8Z7/Z8的啮合频率的啮合频率 525hz525hz，以及高速齿轮的旋转频率，以及高速齿轮的旋转频率9.8hz9.8hz的的1 1，2 2边频。由边频。由 此可以判断，高速齿轮局部存在着异常现象。此可以判断，高速齿轮局部存在着异常现象。 - - 在线状态检测系统在线状态检测系统 故障诊断技术故障诊断技术 -油液监测油液监测 石磊 2007年05月 - - 油液监测油液监测-背景背景 滑油中的磨粒元素种类和含量。随着滑

54、油中的磨粒元素种类和含量。随着6060年代工业界对监测与诊断年代工业界对监测与诊断 技术的需求，特别是技术的需求，特别是7070年代初，铁谱技术的问世，油液监测技术与年代初，铁谱技术的问世，油液监测技术与 其他监测方法一样，产生了飞速的发展。通过其他监测方法一样，产生了飞速的发展。通过8080年代学术界和工业年代学术界和工业 界的积极探索，油液监测技术已成为设备诊断技术体系中与振动监界的积极探索，油液监测技术已成为设备诊断技术体系中与振动监 测、温度监测、性能参数监测共同发展的主要方法之一。进入测、温度监测、性能参数监测共同发展的主要方法之一。进入9090年年 代以后，油液监测技术正日益朝着多

55、种方法集成、在线与离线并举、代以后，油液监测技术正日益朝着多种方法集成、在线与离线并举、 监测诊断维修管理融为一体和方法与仪器的智能化方向发展，取得监测诊断维修管理融为一体和方法与仪器的智能化方向发展，取得 了不少令人振奋的进步。了不少令人振奋的进步。 油液监测技术是通过分析被监测机器的在用润滑剂油液监测技术是通过分析被监测机器的在用润滑剂( (或工作介质或工作介质) ) 的性能变化和携带的磨损微粒的情况，获得机器的润滑和磨损状态的性能变化和携带的磨损微粒的情况，获得机器的润滑和磨损状态 的信息，评价机器的工况和预测故障，并确定故障原因、类型和零的信息，评价机器的工况和预测故障，并确定故障原因

56、、类型和零 件的技术。件的技术。 - - 油液监测油液监测-背景背景 最初的油液监测只是油污染分析，主要是分析油品的理化最初的油液监测只是油污染分析，主要是分析油品的理化 指标如粘度、水分、酸值、闪点、机械杂质等，通常采用石指标如粘度、水分、酸值、闪点、机械杂质等，通常采用石 油产品性能指标测定方法对在用润滑剂进行检测，以评价其油产品性能指标测定方法对在用润滑剂进行检测，以评价其 质量的变化。工业化生产的发展使机器越来越大型化、复杂质量的变化。工业化生产的发展使机器越来越大型化、复杂 化和连续化，对机器的维修要求越来越高，因此，机器故障化和连续化，对机器的维修要求越来越高，因此，机器故障 诊断

57、技术应运而生，促使了人们积极开发基于油液监测的诊诊断技术应运而生，促使了人们积极开发基于油液监测的诊 断方法。首先，人们注重了在用润滑油中携带的磨损微粒和断方法。首先，人们注重了在用润滑油中携带的磨损微粒和 污染物微粒，因此，将光谱分析移植用于在用润滑油中磨粒污染物微粒，因此，将光谱分析移植用于在用润滑油中磨粒 元素和含量的分析，通过获得磨粒元素种类和含量的信息，元素和含量的分析，通过获得磨粒元素种类和含量的信息， 对取样机器的磨损状况作出解释，这一方法的应用，开拓了对取样机器的磨损状况作出解释，这一方法的应用，开拓了 油液监测从磨粒这一信息载体获得机器故障的先例。油液监测从磨粒这一信息载体获得机器故障的先例。 - - 油液监测油液监测-背景背景 60 60年代中期，油液颗粒自动计数器成为商品，由此产生了油液监年代中期，油液颗粒自动计数器成为商品，由此产生了油液监 测中颗粒计数法，这种方法可获得一个数字化的分析结果，用于评测中颗粒计数法，这种方法可获得一个数字化的分析结果，用于评 价取样机器油品污染的程度。价取样机器油品污染的程度。7070年代初，铁谱技术问世并很快在机年代初，铁谱技术问世并很快在机 器的故障诊断中得