状态监测与故障诊断

1、 设备监控与故障诊断设备监控与故障诊断李宏坤李宏坤沈鼓研究院沈鼓研究院- -大连分院大连分院第一章第一章 设备维护概述设备维护概述 一、设备的重要性一、设备的重要性二、设备为何发生故障二、设备为何发生故障三、设备维护的重要性三、设备维护的重要性四、常用的设备维护体制四、常用的设备维护体制五、状态监测技术五、状态监测技术六、状态监测的发展趋势六、状态监测的发展趋势1.1.现代工业的特点：大型化、现代工业的特点：大型化、连续化、高速化和自动化连续化、高速化和自动化2.2.现代工业对设备的依赖程度现代工业对设备的依赖程度3.3.设备发生故障而停工造成的设备发生故障而停工造成的损失巨大，维修费用大幅上

2、升；损失巨大，维修费用大幅上升；同时可能招致重大事故。同时可能招致重大事故。设备的重要性设备的重要性 据统计，工业现场的轴承据统计，工业现场的轴承 仅有仅有10%10%达到设计寿命达到设计寿命 (1) 40%(1) 40%由于润滑不良造成失效由于润滑不良造成失效(2) 30%(2) 30%由于不对中等装配原因引起故障由于不对中等装配原因引起故障(3) 20%(3) 20%是由于过载使用或制造上的原因导致故障是由于过载使用或制造上的原因导致故障设备为何发生故障设备为何发生故障设备故障产生的原因设备故障产生的原因v 设计、制造设计、制造v 安装的原因安装的原因v 维护方法的不当维护方法的不当v 超

3、负荷使用超负荷使用设备为何发生故障设备为何发生故障1.1.提高设备运行的可靠性提高设备运行的可靠性2.2.减少设备故障导致的维修费用减少设备故障导致的维修费用3.3.提高产品的质量提高产品的质量设备维护的重要性设备维护的重要性常用的设备维护体制常用的设备维护体制1.1.故障后维修故障后维修故障后维修是指允许设备运行到故障损坏为止，故障后维修是指允许设备运行到故障损坏为止，而不预先采取措施。它也被称为事后维修。而不预先采取措施。它也被称为事后维修。其维修理念是其维修理念是: :任其损坏。任其损坏。2.2.计划维修计划维修计划维修是指按企业的维修计划进行的维修计划维修是指按企业的维修计划进行的维修

4、其维修理念是：其维修理念是： 停工前进行检修计划维修的观点是，机器的寿停工前进行检修计划维修的观点是，机器的寿命是有限的，它发生故障的机率与其使用的时间成命是有限的，它发生故障的机率与其使用的时间成正比，如下图所示。正比，如下图所示。常用的设备维护体制常用的设备维护体制3.3.预测性维修预测性维修预测性维修也被称为预测性维修也被称为“基于状态的维修基于状态的维修” 它的维修理念是：如果没有出现故障，就不检修。它的维修理念是：如果没有出现故障，就不检修。常用的设备维护体制常用的设备维护体制4.4.主动维修主动维修主动维修也称为主动维修也称为“精确精确维护维护”、“基于可靠性基于可靠性的维护的维护

5、”。其维修理念是：一旦其维修理念是：一旦维修，就进行精确维维修，就进行精确维修修 。常用的设备维护体制常用的设备维护体制1.1.状态监测介绍状态监测介绍(1)(1)简介简介正如其名，状态监测就是监测设备状态的技术，正如其名，状态监测就是监测设备状态的技术，我们通过它来了解设备的健康状况，判断设备是我们通过它来了解设备的健康状况，判断设备是处于稳定状态或正在恶化。处于稳定状态或正在恶化。状态监测技术状态监测技术(2)2)为什么要进行状态监测为什么要进行状态监测你可能会问我们为什么如此关注旋转机械的健康你可能会问我们为什么如此关注旋转机械的健康状态？概括一句话：经济效益状态？概括一句话：经济效益。

6、 状态监测技术状态监测技术(3)3)如何进行状态监测如何进行状态监测 那么，在进行状态监测时我们能够做哪些工作那么，在进行状态监测时我们能够做哪些工作呢？有多种不同类型的检测技术和手段可以在状呢？有多种不同类型的检测技术和手段可以在状态监测中应用。态监测中应用。 关键在于了解设备失效的方式。如果你知道可关键在于了解设备失效的方式。如果你知道可能发生的故障类型和位置，以及机器的内部情能发生的故障类型和位置，以及机器的内部情况，你就能够找到正确的监测手段。况，你就能够找到正确的监测手段。状态监测技术状态监测技术 我们将诊断分析分为四个阶段：检测是否有故障，分我们将诊断分析分为四个阶段：检测是否有故

7、障，分析故障的严重性，查找故障根源以及维修后检验。析故障的严重性，查找故障根源以及维修后检验。状态监测技术状态监测技术 诊断软件的首要任务是监测设备是否有故障。软件中包诊断软件的首要任务是监测设备是否有故障。软件中包含的专家系统，能够将所测得的振动水平与一系列预设的报含的专家系统，能够将所测得的振动水平与一系列预设的报警值进行比较。用户则需警值进行比较。用户则需要仔细分析你所提供的要仔细分析你所提供的“异异常报告常报告”，从而确定哪台机，从而确定哪台机器可能有故障。器可能有故障。 状态监测技术状态监测技术确定报警值和危险值的方法确定报警值和危险值的方法 绝对法绝对法 根据相应的国际标准、国家标

8、准、行业标根据相应的国际标准、国家标准、行业标准等准等 如：如： ISOISO， GB GB， API API 等等。 相对法相对法 以机器正常状态的振动值作为基数，自己以机器正常状态的振动值作为基数，自己和自己比和自己比。 类比法类比法 与同类机器的振动值作比较与同类机器的振动值作比较。转机振动标准举例转机振动标准举例( (轴承振动轴承振动) )ISO2372ISO2372，ISO3945ISO3945振动烈度：振动烈度：振动速度的有效值振动速度的有效值测量频率范围测量频率范围 10 1010001000HzHzI I 级：小型机械级：小型机械 例例1515kWkW以下电机以下电机IIII级

9、：中型机械级：中型机械 例例15157575kWkW以下电机以下电机 和和300300kWkW以下机械以下机械IIIIII级：大型机械，刚性基础级：大型机械，刚性基础 600 6001200012000r/minr/minIV IV 级：大型机械，柔性基础级：大型机械，柔性基础 600 6001200012000r/minr/min振动烈度 mm/s设 备 分 级范 围限 值I 级II 级III 级IV 级0.280.450.71A A A1.12A A A1.8B B BA A A2.8B B BA A A4.5C C CB B B7.1C C CB B B11.2C C C18C C C2

10、84571D D DD D DD D DD D D0.280.450.711.121.82.84.57.111.2182845A优优，B良，良，C可可，D不可不可(轴振动)转机振动标准举例转机振动标准举例VDI德国工程师协会德国工程师协会IEC 国际电工协会国际电工协会API 美国石油协会美国石油协会相对法确定振动限值相对法确定振动限值1 2 3 4 5 6 7 8滚动轴承滚动轴承齿齿 轮轮旋转机械旋转机械滑动轴承滑动轴承(23) (46) 报警值危险值正常值正常值类比法确定振动限值类比法确定振动限值CBAD C C泵泵的振动超过同类诸泵的的振动超过同类诸泵的振动一倍，振动一倍，C C泵应定为

11、有故障泵应定为有故障滚动轴承机械的滚动轴承机械的报警参考值报警参考值0 5 10 15 20 25 30 35 40 R8 6 4 2 0mm/s pk故障频率带频率范围报警值单 位通 频(010)R 8.8mm/s pk亚同步(00.8)R2.54mm/s pk基 频(0.81.8)R 7.6mm/s pk23 倍频(1.53.5)R 6.3mm/s pk410 倍频(3.510)R 5.0mm/s pk叶片通过频率叶片数R 2.5mm/s pk基频相位 30度 R 为机器的转动频率滑动轴承机械的滑动轴承机械的报警参考值报警参考值0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 R8 6 4 2

12、 0mm/s pk 最后，在维修完成以后，我们还需要采取一些措施来最后，在维修完成以后，我们还需要采取一些措施来检验故障是否排除，确定维修的效果以及设备的继续工作检验故障是否排除，确定维修的效果以及设备的继续工作能力。这就是我们前面所说的检验阶段。能力。这就是我们前面所说的检验阶段。 状态监测技术状态监测技术状态监测的发展趋势是：状态监测的发展趋势是： 诊断技术与诊断系统紧密结合；机器状态监测和工业诊断技术与诊断系统紧密结合；机器状态监测和工业过程监测将融为一体；自动诊断和在线系统的应用将日趋过程监测将融为一体；自动诊断和在线系统的应用将日趋增加；最新的增加；最新的ITIT技术、技术、Inte

13、rnetInternet技术将更广泛地应用在该技术将更广泛地应用在该领域。领域。状态监测的发展趋势状态监测的发展趋势离线检测离线检测在线监测在线监测第二章第二章 振动原理振动原理一、振动原理概述一、振动原理概述 二、时域波形二、时域波形 三、相位三、相位 四、振动的度量四、振动的度量 五、频谱五、频谱 六、特征频率六、特征频率 七、典型信号七、典型信号 八、总振值八、总振值 九、振动分析简介九、振动分析简介 振动概述振动概述 如何进行测量如何进行测量 测量什么测量什么 测量信号的形状测量信号的形状 如何去解释那些最终的数据图表如何去解释那些最终的数据图表 （如何进行（如何进行分析）分析）时域波

14、形基本术语时域波形基本术语 周期和频率周期和频率 什么是时域波形什么是时域波形 CPMCPM制频率和制频率和HzHz制频率制频率时域波形基本术语时域波形基本术语 振幅振幅 峰峰- -峰值峰值 峰值峰值 均值均值 均方根值（均方根值（RMSRMS）相位简介相位简介 相位就是事件的时间顺序：一个事件的出现与另一相位就是事件的时间顺序：一个事件的出现与另一事件相关。事件相关。 同相位振动波形同相位振动波形相位相差相位相差180振动的度量振动的度量 位移位移 速度速度 速度和位移的关系速度和位移的关系 加速度加速度 加速度、速度和位移的关系加速度、速度和位移的关系 三个重要参数及其相互关系三个重要参数

15、及其相互关系频谱简介频谱简介 风扇在转动时产生的单纯的正弦信号风扇在转动时产生的单纯的正弦信号 打开模拟器上的卡片选项后，其波形会发生变化打开模拟器上的卡片选项后，其波形会发生变化 扇叶撞击卡片振动波形扇叶撞击卡片振动波形 叠加波形叠加波形 频谱简介频谱简介 频谱绘制过程频谱绘制过程 波形分解波形分解 快速傅立叶（快速傅立叶（FFTFFT） 频谱简介频谱简介( (频率的阶频率的阶) ) 频率的频率的相对值相对值来描述频率来描述频率 Hz Hz表示表示 阶（倍频）表示阶（倍频）表示计算阶只需要用实际频率除以转动速度即可计算阶只需要用实际频率除以转动速度即可 ！特征频率特征频率 特征频率简介特征频

16、率简介 特征频率的计算特征频率的计算 特征频率等于特征频率等于基准速度基准速度和阶的乘积和阶的乘积 特征频率特征频率典型设备特征频率：典型设备特征频率：滚动轴承滚动轴承 变速箱变速箱多级变速箱多级变速箱带传动带传动滚动轴承滚动轴承特征频率特征频率变速箱变速箱特征频率特征频率啮合频率啮合频率 计算齿轮啮合频率，计算齿轮啮合频率，齿轮啮齿轮啮合频率合频率等于等于齿数与轴速的乘齿数与轴速的乘积。积。在这个例子当中，输入在这个例子当中，输入端齿轮有端齿轮有1212个齿，输出端有个齿，输出端有2424个齿。其齿轮啮合频率为个齿。其齿轮啮合频率为输入速度的输入速度的1212倍，或输出速倍，或输出速度的度的

17、2424倍倍。多级变速箱多级变速箱特征频率特征频率输出速度的计算需要考虑每一个输出速度的计算需要考虑每一个齿轮的作用，齿轮的作用，齿轮啮合频率等于齿轮啮合频率等于齿数和齿轮转速的乘积齿数和齿轮转速的乘积，对于多，对于多级变速箱同时我们还必须考虑中级变速箱同时我们还必须考虑中间轴的作用间轴的作用。 小结小结 归纳一下特征频率的计算步骤：归纳一下特征频率的计算步骤： 首先确定每个轴的相对转速；首先确定每个轴的相对转速； 分析各个轴上的元件并计算它们的扰动频率分析各个轴上的元件并计算它们的扰动频率（如轴承频率、叶片通过频率和齿轮啮合频（如轴承频率、叶片通过频率和齿轮啮合频率等）。同时不要忘记考虑轴的

18、转速。率等）。同时不要忘记考虑轴的转速。典型信号典型信号 正弦波正弦波 方波和谐波方波和谐波 限幅波限幅波 瞬态瞬态 调制和边频带调制和边频带 拍击拍击 混合信号和相位混合信号和相位 总振值（均方根值总振值（均方根值RMSRMS） “总振值总振值”就是信号的均方根值（就是信号的均方根值（RMSRMS）。）。 总振值通常用来测量频率在总振值通常用来测量频率在10-1000Hz10-1000Hz之间的之间的振动信号。振动信号。 振动分析简介振动分析简介 通过对前面有过时域波形和频谱相关知识的学习，通过对前面有过时域波形和频谱相关知识的学习，结合机械振动学的知识我们可以对机械设备的简单结合机械振动学

19、的知识我们可以对机械设备的简单故障进行分析了，当然这只是一个很初步的故障诊故障进行分析了，当然这只是一个很初步的故障诊断，这将为后续的设备故障诊断打下良好的基础。断，这将为后续的设备故障诊断打下良好的基础。信号处理基础第三章第三章 振动测量实践振动测量实践一、振动测量的基础知识一、振动测量的基础知识二、传感器类型二、传感器类型三、传感器和单位的选择三、传感器和单位的选择四、传感器的安放四、传感器的安放五、安装传感器五、安装传感器六、采集测量数据六、采集测量数据七、相位测量七、相位测量 振动测量的基础知识振动测量的基础知识图中显示了振动测图中显示了振动测量的基本参数量的基本参数: :加速加速度、

20、速度和位移。度、速度和位移。三者的相位关系是：三者的相位关系是：位移与加速度有位移与加速度有180180度的相位差，与速度度的相位差，与速度有有9090度的相位差。度的相位差。振动测量的基本参数有：加速度、速度和位移振动测量的基本参数有：加速度、速度和位移 传感器类型传感器类型 根据测量参数的不同，测量中用到的传感器有以下根据测量参数的不同，测量中用到的传感器有以下几类：几类： 位移传感器位移传感器 速度传感器速度传感器 加速度传感器加速度传感器 传感器稳定时间传感器稳定时间 传感器的标定传感器的标定 鉴于某些加速度传感器的运行环境，推荐每年进行一次标定鉴于某些加速度传感器的运行环境，推荐每年

21、进行一次标定传感器和单位的选择传感器和单位的选择频率响应的表示：用输入信号频率响应的表示：用输入信号与测量所得信号之间的关系曲与测量所得信号之间的关系曲线。线。理想情况下，传感器的输出信理想情况下，传感器的输出信号，其曲线应该是平直的（如号，其曲线应该是平直的（如左上图）左上图）实际上，通常存在着一个低频实际上，通常存在着一个低频限制，在某个频率范围内响应限制，在某个频率范围内响应曲线为平滑曲线（或直线），而曲线为平滑曲线（或直线），而在高频区域，响应曲线还会出现在高频区域，响应曲线还会出现下滑（如左下图）下滑（如左下图）传感器的选择要考虑：传感器的选择要考虑：传感器的频率响应和传感器的使用范

22、围传感器的频率响应和传感器的使用范围 传感器的安放传感器的安放安放传感器时必须确保没有将传感安放传感器时必须确保没有将传感器安装到自身会受到机器振动激励器安装到自身会受到机器振动激励的部件上。诸如风扇罩、联轴器防的部件上。诸如风扇罩、联轴器防护盖、电动机散热片等不宜放置传护盖、电动机散热片等不宜放置传感器的部件（如左图）。感器的部件（如左图）。传感器的安放原则是传感器的安放原则是：1.1.选择的安装位置必须要能够保证使用数据采集仪时的工选择的安装位置必须要能够保证使用数据采集仪时的工作安全作安全 ；2.2.在振源（轴承）和传感器间必须有一个良好的机械传输在振源（轴承）和传感器间必须有一个良好的

23、机械传输路径。机器上的许多部件都会产生振动，传感器安装时应路径。机器上的许多部件都会产生振动，传感器安装时应选择振源和传感器间的最短路径。选择振源和传感器间的最短路径。 采集测量数据采集测量数据 识别无效数据识别无效数据 热瞬态热瞬态 表面污垢将会导致高频信号损失表面污垢将会导致高频信号损失 接触不良产生的谐波接触不良产生的谐波 传感器问题传感器问题 相位测量相位测量相位反映了两个正弦波间的相对时间差。就我们所讨相位反映了两个正弦波间的相对时间差。就我们所讨论的问题，正弦波通常表示的是转速频率。尽管实际论的问题，正弦波通常表示的是转速频率。尽管实际测量的是时间差，但一般用角度来表示（或弧度）。

24、测量的是时间差，但一般用角度来表示（或弧度）。360360度为一圆周（轴旋转一圈）。度为一圆周（轴旋转一圈）。 相位测量相位测量左上图表示：如果两个左上图表示：如果两个信号同相位，它们会同信号同相位，它们会同时到达峰值时到达峰值 。左下图表示：如果两个左下图表示：如果两个信号间的相位差为信号间的相位差为180180度，当其中一个达到峰度，当其中一个达到峰值时，另一个正好达到值时，另一个正好达到极小值极小值。第四章第四章 振动分析振动分析 本章将重点放在对振动数据的分析上，并据此本章将重点放在对振动数据的分析上，并据此判断是否有故障存在。我们将这部分分成以下四个判断是否有故障存在。我们将这部分分

25、成以下四个阶段：检测、分析阶段：检测、分析/ /诊断、故障的根源分析和确认诊断、故障的根源分析和确认阶段。阶段。一、一、 四个阶段四个阶段检测阶段检测阶段故障根源分析故障根源分析分析阶段分析阶段确认阶段确认阶段二、频谱分析二、频谱分析 得到了频谱图，首先需要检查，得到了频谱图，首先需要检查， 接着查找相关接着查找相关的模式：的模式： 谐波、边频带、峰丘谐波、边频带、峰丘等，然后开始查找一等，然后开始查找一些特殊的故障：些特殊的故障：不平衡、不对中和轴承故障不平衡、不对中和轴承故障等等。等等。 采集的数据中都可能存在一些错误的数据。其主采集的数据中都可能存在一些错误的数据。其主要原因可能是要原因

26、可能是传感器传感器没有良好的固定，机器在测试过没有良好的固定，机器在测试过程中出现波动或工作状况不正确等等程中出现波动或工作状况不正确等等 ，所以做结论，所以做结论之前要仔细检查所列的检查表。之前要仔细检查所列的检查表。 1 1、验证数据、验证数据 最常见的错误与传感器有关的，与传感器相关最常见的错误与传感器有关的，与传感器相关问题大都来自于问题大都来自于不正确的安装方式不正确的安装方式。要做的第一件。要做的第一件事是检查事是检查频谱中是否有峰值频谱中是否有峰值出现，不仅是与电气有出现，不仅是与电气有关的峰值（在行频及其倍数处），还要确保存在与关的峰值（在行频及其倍数处），还要确保存在与机器状

27、态相关的信息机器状态相关的信息 2 2、检查传感器故障、检查传感器故障 测试设备运行要稳定测试设备运行要稳定 分析测试点要正确分析测试点要正确 3 3、测试环境的修正、测试环境的修正 识别运动速度频率处的峰值，可以利用谐波识别运动速度频率处的峰值，可以利用谐波标志将标志将速度峰值及其倍频位置速度峰值及其倍频位置标出，最好的方法标出，最好的方法是将频谱进行是将频谱进行归一化阶归一化阶处理。处理。 4、识别运动速度频率处的峰值识别运动速度频率处的峰值 要快速查找那些跟重要模式和特征相关的数据。请查找要快速查找那些跟重要模式和特征相关的数据。请查找高高振幅峰值、振幅峰值、均匀间隔均匀间隔的系列峰值（

28、谐波和边频带）、的系列峰值（谐波和边频带）、非整非整数倍转动频率数倍转动频率的峰值、较高的背景噪音的峰丘状图谱。的峰值、较高的背景噪音的峰丘状图谱。 5 5、快速扫描数据、快速扫描数据 谐波是从一系列从基频开始的波峰。谐波是非常明显的，谐波是从一系列从基频开始的波峰。谐波是非常明显的，如果你使用如果你使用对数方式对数方式来显示，它们将更为明显。有时谐波的来显示，它们将更为明显。有时谐波的振幅会高于基频振幅，时谐波与运行速度无关。它们还可能振幅会高于基频振幅，时谐波与运行速度无关。它们还可能与轴承频率、皮带速度或其它频率有关。与轴承频率、皮带速度或其它频率有关。 谐波的振幅会高于基频振幅谐波的振

29、幅会高于基频振幅谐波使用对数方式来显示谐波使用对数方式来显示6 6、分析谐波、分析谐波齿轮箱时域波形图齿轮箱时域波形图齿轮箱边频带频谱图齿轮箱边频带频谱图7 7、分析边频带、分析边频带 边频带是由于两个信号调幅产生的。在研究滚动轴承、边频带是由于两个信号调幅产生的。在研究滚动轴承、齿轮箱、电气和其它某些故障时，边频带是普遍存在的齿轮箱、电气和其它某些故障时，边频带是普遍存在的 频带的范围频带的范围 背景噪音表示背景振动背景噪音表示背景振动 或者表示测量系统的测或者表示测量系统的测量下限，而量下限，而背景噪声背景噪声现象也导致频谱中出现现象也导致频谱中出现峰丘峰丘。 峰丘图峰丘图5X5X和和6X

30、6X频率处的噪声时域图频率处的噪声时域图9 9、背景噪声和峰丘、背景噪声和峰丘1010、振幅的重要性、振幅的重要性 图中的两个频谱都显示出一个很图中的两个频谱都显示出一个很强的强的1X1X波峰波峰（第（第二个二个1X1X波峰是由一个通过齿轮驱动的风扇产生的）。波峰是由一个通过齿轮驱动的风扇产生的）。但是，它们各自的振幅单位是不同的。但是，它们各自的振幅单位是不同的。 振幅的变化振幅的变化 大量频谱进行分析的方法是瀑布图，这种图可以用来显示振大量频谱进行分析的方法是瀑布图，这种图可以用来显示振动的波峰和模式是怎样随时间变化的。动的波峰和模式是怎样随时间变化的。 11、瀑布图简介瀑布图简介 通常使

31、用对数坐标来突出显示数据中对应的谐波、边频通常使用对数坐标来突出显示数据中对应的谐波、边频带和其它振动模式。这是因为使用对数显示时即使有大振幅带和其它振动模式。这是因为使用对数显示时即使有大振幅也可以清楚的观测到很小的振幅。也可以清楚的观测到很小的振幅。 瀑布图瀑布图对数模式的频谱图对数模式的频谱图12、对数坐标显示对数坐标显示 三、时域波形分析三、时域波形分析1 1、传感器类型选择的重要性、传感器类型选择的重要性 一般选择一般选择非接触式非接触式涡流涡流“位移位移”传感器传感器、速度传感器或加速度速度传感器或加速度传感器来对振动进行传感器来对振动进行测量。它们具有各自测量。它们具有各自不同的

32、特性，特别是不同的特性，特别是频率响应特性。这些频率响应特性。这些差异会在时域波形图差异会在时域波形图中显示出来。中显示出来。频率范围和时域波形的范围呈反比。下面是它们的实际关系：频率范围和时域波形的范围呈反比。下面是它们的实际关系：时间间隔样本的数量时间间隔样本的数量 / / （频带宽度（频带宽度* *2.562.56）频带宽度样本的数量频带宽度样本的数量 / / （时间间隔（时间间隔* *2.562.56）2、测量参数设置测量参数设置 3 3、进行分析进行分析 对时域波形进行分析主要有三个原因：对时域波形进行分析主要有三个原因：第一、你能在时域波形图中看到一些频谱中无法看到的现象。第一、你

33、能在时域波形图中看到一些频谱中无法看到的现象。第二、许多故障状态需要根据时域波形图来识别。第二、许多故障状态需要根据时域波形图来识别。第三、我们可以利用时域波形来进行一些有用的计算。第三、我们可以利用时域波形来进行一些有用的计算。4 4、分析分析方法方法 通过一个简单的例子介绍分析方法通过一个简单的例子介绍分析方法信号周期图信号周期图信号频谱图信号频谱图特征频率特征频率 故障根源分析故障根源分析一、根源分析一、根源分析 根源分析，即查找问题的根本原因。根源分析，即查找问题的根本原因。振动分析的一个好振动分析的一个好处是能够检测处是能够检测故障故障、诊断出故障原因并诊断出故障原因并判断问题的严重

34、程判断问题的严重程度，最后给出维修度，最后给出维修措施。措施。 二、检查历史数据二、检查历史数据 查看状态监测查看状态监测数据，可以发现轴数据，可以发现轴承最早出现承最早出现不平衡不平衡或不对中或不对中的信号，的信号，还可以从中看到还可以从中看到共共振的显示振的显示。 这是一个在测试两天后就失效的电机轴承的早这是一个在测试两天后就失效的电机轴承的早期测试数据图，它显示期测试数据图，它显示1X1X轴向数据轴向数据有不对中或槽轮有不对中或槽轮偏离。偏离。故障类型故障类型不平衡不平衡不对中不对中松动松动其它故障类型其它故障类型静态不平衡静态不平衡 静态不平衡 频谱图 特征特征: :径向径向1X1X波

35、峰波峰（垂直或水平方（垂直或水平方向上）。向上）。偶不平衡偶不平衡 偶不平衡频谱图 特征：特征：径向径向1X1X波峰波峰（垂直或水平方向（垂直或水平方向上）。上）。 动态不平衡动态不平衡 动态不平衡动态不平衡 ： 转子上可能同时存在着静态不平衡和偶不平衡，这种情转子上可能同时存在着静态不平衡和偶不平衡，这种情况称之为况称之为动态动态不平衡。不平衡。 静态不平衡和偶不平衡的区分：静态不平衡和偶不平衡的区分： 对于静态不平衡，在机器两端是对于静态不平衡，在机器两端是同相同相的。对于偶不平衡，的。对于偶不平衡，机器两端的机器两端的相位相差相位相差180180度度。然而，在大多数情况下，。然而，在大多

36、数情况下，都都是动态不平衡是动态不平衡（静态不平衡和偶不平衡的组合）。（静态不平衡和偶不平衡的组合）。 垂直安装的机器垂直安装的机器 垂直安装机器的不平衡频谱图 特征：特征：径向径向1X1X波峰（水平方波峰（水平方向上）。向上）。悬吊式机器悬吊式机器 悬吊或悬臂式设备的不平衡频谱图 特征：轴向和径向上特征：轴向和径向上高强度高强度1X1X波峰波峰( (垂直或垂直或水平方向上水平方向上) )。平行不对中平行不对中 轴向上平行不对中频谱图 特征：特征：径向径向2X2X波峰，径向波峰，径向1X1X低幅波峰低幅波峰（垂直或水平（垂直或水平方向上）。方向上）。径向上平行不对中频谱图 轴线角度不对中轴线角

37、度不对中 径向上轴线角度不对中的频谱图 特征：轴向特征：轴向1X1X波峰，轴波峰，轴向向2X2X低幅低幅波峰，径向波峰，径向1X1X低幅波峰低幅波峰。轴向上轴线角度不对中的频谱图不对中和不平衡的区分不对中和不平衡的区分 区分不对中和不平衡的一个方法是区分不对中和不平衡的一个方法是提高机器的转速提高机器的转速。如果是。如果是不平衡不平衡，振幅的增加会与速度的平方成，振幅的增加会与速度的平方成正比正比；反之，不对中；反之，不对中引起的振动却不会随速度发生变化。当然，并不是所有机器引起的振动却不会随速度发生变化。当然，并不是所有机器都能够进行这样的测试。另外还有一种可以进行的测试就是都能够进行这样的

38、测试。另外还有一种可以进行的测试就是单独测量不带连接器的电机。如果存在较高的单独测量不带连接器的电机。如果存在较高的1 1振幅，则振幅，则说明电机出现不平衡。如果说明电机出现不平衡。如果1 1振动消失了，则不是所驱动振动消失了，则不是所驱动部件的不平衡问题就是不对中问题。每个这样的小测试都能部件的不平衡问题就是不对中问题。每个这样的小测试都能为我们提供很多有用的信息。为我们提供很多有用的信息。松动松动 松动松动也会产生非常明显的也会产生非常明显的1 1基频波峰。在实际中存在有两基频波峰。在实际中存在有两种类型的松动：旋转松动和非旋转松动。种类型的松动：旋转松动和非旋转松动。旋转部件旋转部件的松

39、动是的松动是由于旋转件和类似轴承的固定件间的间隙太大所造成的，而由于旋转件和类似轴承的固定件间的间隙太大所造成的，而非旋转性的松动非旋转性的松动一般是出现在两个固定的部件之间，例如基一般是出现在两个固定的部件之间，例如基脚与地基、机器和轴承箱间的松动等。脚与地基、机器和轴承箱间的松动等。旋转松动旋转松动 旋转松动 频谱图特征：径向特征：径向1X1X谐波（严重时出现谐波（严重时出现0.5X0.5X谐波）。谐波）。结构松动结构松动 结构松动频谱图 特征：水平方向特征：水平方向上上1X1X波峰。波峰。轴承座松动轴承座松动 轴承座松动频谱图 特征：径向特征：径向1X1X、2X2X和和3X3X波峰。波峰

40、。共振共振 共振时的频谱图 特征：频谱中通特征：频谱中通常只在一个方向常只在一个方向有有“峰丘峰丘”出现。出现。 轴弯曲轴弯曲 轴弯曲时的频谱图 特 征 ：特 征 ： 轴轴向向1X1X波峰波峰。偏翘轴承偏翘轴承 偏翘轴承的频谱图 特征：轴向特征：轴向1X1X、2X2X和和3X3X波峰。波峰。转子摩擦转子摩擦 转子摩擦时的频谱图 特征：特征：径向径向1X1X谐波谐波（严重时（严重时有有0.5X0.5X谐波）。谐波）。D 节圆直径d 滚珠直径 接触角z 滚珠数R 轴的转速频率滚动轴承故障的特征频滚动轴承故障的特征频率率 dD外环故障频率外环故障频率内环故障频率内环故障频率滚珠滚珠故障频率故障频率保

41、持架碰外环保持架碰外环保持架碰内环保持架碰内环RDdzf)cos1 (2RDdzf)cos1 (2RDddDf22cos)(1RDdf)cos1 (21RDdf)cos1 (21测试位置的选择测试位置的选择滚动轴承故障的频谱滚动轴承故障的频谱 轴承每一种零件有其特殊的故障频率。 随着故障发展，它的幅值增加，并有谐波谐波两边产生边频 还可用非频率域的诊断方法，如共振解调电机电机离心泵离心泵PIPO1 1X X2X2X频频率率故障基本故障基本频率频率6.716.71X X基本频率基本频率的的四个谐波四个谐波带带滚动轴承滚动轴承的机械的频谱特点的机械的频谱特点 不平衡不平衡不对不对中中松动松动滚动轴

42、承故障频滚动轴承故障频率率3.53.02.52.01.51.00.50Velocity in mm/s pk滚动轴承的主要失效形式滚动轴承的主要失效形式1）疲劳点蚀 2）塑性变形转速很低或作间歇摆动转速很低或作间歇摆动3）磨损润滑不良、润滑不良、密封不严、密封不严、多尘条件多尘条件 带带滑动轴承滑动轴承的机械的频谱特点的机械的频谱特点不对中不对中松动引起的谐波松动引起的谐波不平衡不平衡油膜涡动、碰摩油膜涡动、碰摩0 2 4 6 8 10 12 14 16Frequency in orderDisplacement in m pk to pk12.510.07.55.02.50变速箱分析变速箱分

43、析 齿轮啮合齿轮啮合 齿磨损齿磨损 齿负载齿负载 齿轮啮合侧隙齿轮啮合侧隙 齿轮不对中齿轮不对中 齿轮破裂或折断齿轮破裂或折断 追逐齿频率追逐齿频率齿轮啮合齿轮啮合 齿轮啮合时的频谱图 特征：通常会在轴的转速频特征：通常会在轴的转速频率和齿轮啮合频率处出现波率和齿轮啮合频率处出现波峰，但是幅值不高。可能会峰，但是幅值不高。可能会出现出现2X2X波峰，并且在齿轮啮波峰，并且在齿轮啮合频率附近有轴转速频率的合频率附近有轴转速频率的边频带。对于直齿轮主要的边频带。对于直齿轮主要的振动是在径向，斜齿轮主要振动是在径向，斜齿轮主要的振动是在轴向。的振动是在轴向。齿磨损齿磨损 齿磨损时的频谱图 特征：齿轮

44、啮合频率附近特征：齿轮啮合频率附近的的1X边频带边频带 当齿轮的齿开始发生磨损当齿轮的齿开始发生磨损的时候，会发生两件事情，的时候，会发生两件事情，第一件是齿轮啮合频率处第一件是齿轮啮合频率处边频带的幅值升高，而边边频带的幅值升高，而边频带的振幅决定于齿轮的频带的振幅决定于齿轮的转速。第二件事情是将出转速。第二件事情是将出现齿轮固有频率的振动，现齿轮固有频率的振动，固有频率振动也会有边频固有频率振动也会有边频带产生，并且它有很宽的带产生，并且它有很宽的基频。基频。齿负载齿负载 齿负载时的频谱图 特征：齿轮啮合频率处高特征：齿轮啮合频率处高强度波峰强度波峰 齿轮啮合频率处振幅的大齿轮啮合频率处振

45、幅的大小决定于带动这个齿轮的小决定于带动这个齿轮的轴的对中程度和齿轮上的轴的对中程度和齿轮上的载荷。齿轮啮合频率处的载荷。齿轮啮合频率处的有波峰并不一定意味着存有波峰并不一定意味着存在故障。在故障。 齿轮啮合频率齿轮啮合频率= =齿数齿数x x轴的轴的转速；输出转速转速；输出转速= =输入转速输入转速x x主动轮齿数主动轮齿数/ /被动轮齿数被动轮齿数齿轮啮合侧隙齿轮啮合侧隙 齿轮啮合侧隙时的频谱图 特征：啮合频率附近的特征：啮合频率附近的1X1X边频带边频带 齿轮啮合侧隙会在啮合频齿轮啮合侧隙会在啮合频率附近产生轴转速频率边率附近产生轴转速频率边频带，当存在这个问题的频带，当存在这个问题的时

46、候，齿轮啮合侧隙波峰时候，齿轮啮合侧隙波峰和齿轮的固有频率波峰将和齿轮的固有频率波峰将随着载荷的增加而减弱。随着载荷的增加而减弱。齿轮不对中齿轮不对中 齿轮不对中时的频谱图 特征：齿轮啮合频率谐波特征：齿轮啮合频率谐波附近的附近的1X1X边频带边频带 不对中齿轮会在啮合频率不对中齿轮会在啮合频率处产生带有边频带的啮合处产生带有边频带的啮合频率振动，但是有啮合频频率振动，但是有啮合频率的谐波是很常见的，在率的谐波是很常见的，在二倍和三倍啮合频率处谐二倍和三倍啮合频率处谐波的蜂值还比较高。因此，波的蜂值还比较高。因此，设 置 较 高 的 频 率 范 围设 置 较 高 的 频 率 范 围(Fmax)

47、(Fmax)，使所有要测量的，使所有要测量的频率都能看到，是很重要频率都能看到，是很重要的。的。齿轮破裂或折断齿轮破裂或折断 齿轮破裂或折断时的频谱图 特征：径向高强度的特征：径向高强度的1X1X波波峰；齿轮固有频率；啮合峰；齿轮固有频率；啮合频率处的频率处的1X1X边频带边频带 最好的方法是观察破裂或最好的方法是观察破裂或折断的轮齿的时域波形，折断的轮齿的时域波形，如果齿轮有如果齿轮有1212个齿，那其个齿，那其中一个齿的波形就会和其中一个齿的波形就会和其他不同。脉冲的时间间隔他不同。脉冲的时间间隔等于齿轮的旋转周期（齿等于齿轮的旋转周期（齿上一固定点重复啮合的时上一固定点重复啮合的时间差）

48、。间差）。追逐齿频率追逐齿频率 追逐齿频率的频谱图 特征：追逐齿频和特征：追逐齿频和2XHT 2XHT 追逐齿频率追逐齿频率 是一个齿轮是一个齿轮的一个齿与另外一个齿轮的一个齿与另外一个齿轮的某一特定齿相啮合的频的某一特定齿相啮合的频率。如果齿轮传动比是整率。如果齿轮传动比是整数（例如数（例如1 1，2 2，3 3）追逐齿）追逐齿频率就等于大齿轮的转速，频率就等于大齿轮的转速，每旋转一周相同的齿轮会每旋转一周相同的齿轮会啮合一次。啮合一次。齿轮故障的频谱齿轮故障的频谱 齿轮啮合频率GMF等于齿数乘以齿轮转速频率。 齿轮啮合频率两边有边频间距为1X。 随着齿轮故障发展，边频越来越丰富，幅值增加。

49、OUBSISOL齿轮箱齿轮箱上辊上辊下辊下辊输入轴输入轴啮合频率啮合频率GMFGMF上边上边频频下边频下边频2X联轴器联轴器 如果联轴器没有正确安装或使用，如果联轴器没有正确安装或使用，如不平行的法兰面，将出现与轴如不平行的法兰面，将出现与轴线角度不对中相似的振动模式。线角度不对中相似的振动模式。联轴器不平衡也是一个很常见的联轴器不平衡也是一个很常见的问题，它会在频谱的问题，它会在频谱的径向上出现径向上出现高幅的高幅的1 1和和2 2振动分量振动分量。联轴。联轴器的磨损会产生不对中和松动的器的磨损会产生不对中和松动的所有症状。所有症状。 联轴器不平衡时的频谱图联轴器不平衡时的频谱图联轴器磨损时

50、的频谱图联轴器磨损时的频谱图第五章第五章 现场应用现场应用 通过对前面章节的学习我们了解了振动的基本通过对前面章节的学习我们了解了振动的基本原理以及信号分析的相关知识，本章的第一节将详细原理以及信号分析的相关知识，本章的第一节将详细介绍实际故障诊断过程中所要面对和考虑的实际问题，介绍实际故障诊断过程中所要面对和考虑的实际问题，如机器设备的数量和基本参数、如何测量以及测量后如机器设备的数量和基本参数、如何测量以及测量后报警值如何设定等问题。第二节将介绍日常监测诊断报警值如何设定等问题。第二节将介绍日常监测诊断的阶段划分及如何提升状态监测在企业中的地位的阶段划分及如何提升状态监测在企业中的地位 。

51、到车间进行调查到车间进行调查 首先要考察企业现有设首先要考察企业现有设备的状况。必须从经济备的状况。必须从经济的角度出发来考虑相关的角度出发来考虑相关的问题（如设备的可靠的问题（如设备的可靠性、重要性和耐用度等）性、重要性和耐用度等）同时兼顾现场的实际情同时兼顾现场的实际情况（可接近性和位置场况（可接近性和位置场地等）。地等）。经济因素经济因素 所作的一切都必须考虑经济上的可行性。如果没有所作的一切都必须考虑经济上的可行性。如果没有在经济上对实施状态监测所需的时间和开销进行评在经济上对实施状态监测所需的时间和开销进行评估，就暂时不要实施该监测计划。估，就暂时不要实施该监测计划。 必须对机器的历

52、史记录进行研究。看它是否可靠？必须对机器的历史记录进行研究。看它是否可靠？由于故障造成的影响是什么？停工期，继发损坏和由于故障造成的影响是什么？停工期，继发损坏和部件部件/ /工人需求。造成了多长时间的生产停工，花工人需求。造成了多长时间的生产停工，花费了多少资金？是否有备用部件？费了多少资金？是否有备用部件？ 必须考虑监测故障所需的技术条件。是仅用振动监必须考虑监测故障所需的技术条件。是仅用振动监测就足够了？还是需要一些其它的监测技术：如红测就足够了？还是需要一些其它的监测技术：如红外线热谱、磨损颗粒分析等等。外线热谱、磨损颗粒分析等等。 现场因素现场因素 对于任何的监测技术，都必须考虑它的

53、安全性和实对于任何的监测技术，都必须考虑它的安全性和实用性问题。如果是遥控设备或设备工作在一个很恶用性问题。如果是遥控设备或设备工作在一个很恶劣的条件中或轴承安装在很难接近的位置，则需要劣的条件中或轴承安装在很难接近的位置，则需要安装永久性传感器或者是在线的监测装置。安装永久性传感器或者是在线的监测装置。 永久性的传感器直接安装在机器内，转接点选在方永久性的传感器直接安装在机器内，转接点选在方便连接的位置便连接的位置 。了解机器了解机器 了解轴承的相关参数是非常有用的，主要包括了解轴承的相关参数是非常有用的，主要包括轴承轴承的物理参数（滚珠数等）和扰动频率。应该记住，的物理参数（滚珠数等）和扰

54、动频率。应该记住，当轴承真正失效时其症状通常都会很当轴承真正失效时其症状通常都会很“明显明显”(参见参见故障诊断部分中的描述故障诊断部分中的描述)，因此并不要求完全了解这，因此并不要求完全了解这些参数。些参数。 标准测试条件标准测试条件 你同时还必须建立一套标准，保证进行重复你同时还必须建立一套标准，保证进行重复测试所需要的条件。知道机器是否运转在相测试所需要的条件。知道机器是否运转在相同速度和载荷下是非常重要的，因为在进行同速度和载荷下是非常重要的，因为在进行振动测量所得数据的比较时我们希望测试的振动测量所得数据的比较时我们希望测试的结果只随着机器状态的改变而改变。结果只随着机器状态的改变而

55、改变。 测量位置测量位置 水平安装机器安装位置的选择水平安装机器安装位置的选择 机器上的测点位置和方位机器上的测点位置和方位应该与机器应该与机器主应力主应力的传播的传播方向相吻合。方向相吻合。 对于水平安装的机器，其对于水平安装的机器，其测量读书通常取自水平面测量读书通常取自水平面上，但其主要部件（电机、上，但其主要部件（电机、泵、风扇等）上至少采集泵、风扇等）上至少采集一个垂直方向的数据。轴一个垂直方向的数据。轴向上的数据在延伸方向上向上的数据在延伸方向上采集。然而，轴向应力通采集。然而，轴向应力通常都是均匀的传播到主轴常都是均匀的传播到主轴位置。位置。怎样测量怎样测量 现在你必须决定采集什

56、么数据。主要包括两个问题。现在你必须决定采集什么数据。主要包括两个问题。首先你必须决定测量的类型（总振值、频谱等）；首先你必须决定测量的类型（总振值、频谱等）；第二是测量所需要的条件和参数（频率范围、平均第二是测量所需要的条件和参数（频率范围、平均次数等）。次数等）。怎样测量怎样测量 测量数据的频谱图测量数据的频谱图 推荐的方法是，首先计算推荐的方法是，首先计算扰动频率的大小（如前所扰动频率的大小（如前所述），然后以至少高于最述），然后以至少高于最高频率的高频率的30%的频率范围的频率范围来采集数据。来采集数据。 如果支持两个频率范围，如果支持两个频率范围，低频率范围测量时通常设低频率范围测量

57、时通常设在在10倍转速，高频率范围倍转速，高频率范围设定为设定为100倍转速。倍转速。建立数据库建立数据库 每个状态监测系统都是不同的，但好的系统使用数每个状态监测系统都是不同的，但好的系统使用数据库设置向导让你一步步操作下去，不但可以建立据库设置向导让你一步步操作下去，不但可以建立数据库，同时还可以对扰动频率和频段进行设置，数据库，同时还可以对扰动频率和频段进行设置，以保证诊断报告和专家系统能够正确判断状态。以保证诊断报告和专家系统能够正确判断状态。 数据库的任务是标识每台机器和测试位置。位置通数据库的任务是标识每台机器和测试位置。位置通常是有限制的（沿着传动路径从驱动部件到被驱动常是有限制的（沿着传动路径从驱动部件到被驱动部件），并命名为部件），并命名为“电机连接端电机连接端”、“泵自由端泵自由端”等等。等等。 你必须使用一个易于识别和理解的命名规则。测量你必须使用一个易于识别和理解的命名规则。测量位置名称将出现在数据采集器的屏幕上和报告中，位置名称将出现在数据采集器的屏幕上和报告中，因此位置名称必须清楚明确。因此位置名称必须清楚明确。 寿命预测寿命预测 在设备维修决策过程中，如果能够比较准确在设备维