第四讲 状态监测与诊断基本知识2

1、第四讲：监测与诊断技术基础 故障诊断的常用图谱 监测与诊断技术基础 振动频谱中包含机器零部件的机械状态信息 ， 振动诊断的任务从某种意义上讲，就是读谱图， 把频谱上的每个频谱分量与监测的机器的零部 件对照联系，给每条频谱以物理解释。 状态监测常用图谱 n1波德图 n波德图是反映机器振动幅值、相位随转速变化的关系曲线，见图 n图形的横坐标是转速，纵坐标有两个，一个是振幅的峰峰值，另一个 是相位。 n从波德图上我们可以得到以下信息： n转子系统在各种转速下的振幅和相位； n转子系统的临界转速； n转子系统的共振放大系数(Q=Amax)；一般小型机组Q在35甚至更 小，而大型机组在57；超过上述数值

2、，很可能是不安全的； n转子的振型； n系统的阻尼大小； n转子上机械偏差和电气偏差的大小； n转子是否发生了热弯曲。 n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度、阻尼特性 等动态数据 2极坐标图 极坐标图是把振幅和相位随转速变化的关 系用极坐标的形式表示出来，见图2。 n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 的角度就是此时振动的相位角。这种极 坐标表示方法在作用上与波德图相同， 但它比波德图更为直观 3频谱瀑布图 用某一测点在启停机（或正常运行中）时 连续测得的一组频谱图按时间顺序组成 的三维谱图就是频谱瀑布

3、图，见图3。图 中Z轴是时间轴相同阶次频率的谱线集和 Z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。 4极联图 n极联图是在启停机转速连续变化时，不同转速 下得到的频谱图依次组成的三维谱图。它的Z 轴是转速，工频和各个倍频及分频的轴线在图 中是都以0点为原点相外发射的倾斜的直线。 在分析振动与转速有关的故障时是很直观的。 该图常用来了解各转速下振动频谱变化情况， 可以确定转子临界转速及其振动幅值、半速涡 动或油膜振荡的发生和发展过程等。 n5轴心位置图 n轴心位置图用来显示轴颈中心相对于轴承 中心位置。这种图形提供了转子在轴承中 稳态位置变化的观测方法，用以判别轴颈 是

4、否处于正常位置。 n当轴心位置超出一定范围时，说明轴承处 于不正常的工作状态，从中可以判断转子 的对中好坏、轴承的标高是否正常，轴瓦 是否磨损或变形等等。如果轴心位置上移， 则预示着转子不稳定的开始。通过对轴颈 中心位置变化的监测和分析，可以预测到 某些故障的来临，为故障的防治提供早期 预报。 n一般来说轴心位置的偏位角应该在20 50之间。 n6轴心轨迹图 n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。通常， 转子振动信号中除了包含由不平衡引起的基频振 动分量之外，还存在由于油膜涡动、油膜振荡、 气体激振、摩擦、不对中、啮合等等原因引起的 分数谐波振动、亚

5、异步振动、高次谐波振动等等 各种复杂的振动分量，使得轴心轨迹的形状表现 出各种不同的特征，其形状变得十分复杂，有时 甚至是非常地混乱。 7振动趋势图 n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间 变化的。 n这种图形以不同长度的时间为横坐标， 以振幅、相位或其它参数为纵坐标。在 分析机组振动随时间、负荷、轴位移或 其它工艺参数的变化时，这种图给出的 曲线十分直观，对于运行管理人员来说， 用它来监视机组的运行状况是非常有用 的。 8波形频谱图 n在对振动信号进行分析时，在时域波形图上可以得到一些相关的信息， 如振幅、周期（即频率）、

6、相位和波形的形状及其变化。这些数据有 助于对振动起因的分析及振动机理的研究。但由于从波形图上不能直 接得到我们所需要的精确数据，现在已经很少有人用它来确定振动参 数。但它可以在实时监测中作为示波器用来观察振动的形态和变化。 n我们知道，对于一个复杂的非谐和的周 期性的振动信号，可以用傅立叶级数展 开的方法得到一系列的频率成分。对振 动波形进行FFT处理则得到振动的频谱分 布，即频谱图，该图反映了振动的频率 结构。 频谱分析的示意图 故障诊断的常用图谱 n5.1 常规图谱（又称稳态图，不含开停车信息） n5.1.1 机组总貌图 n显示机组总貌，查看探头的位置及位号。 n5.1.2 单值棒图 n单

7、值棒图是以棒图的形式显示选定监测分站选定机 组键相的振动通道的实时 n振动幅值 n显示实时振动值，并可知低报、高报警值及转速。 5.1.3 多值棒图 n多值棒图是将选定监测分站选定机组键相的各个振动通道的总振值和各倍频 n幅值以及残余量都用棒图的形式表示出来。显示实时通频值及各主要振动分量的 振动值，可大致了解机组运行是否正常。 n通频值通频值即总振动值，为各频率下振动分量相互迭加后的总和。 n一倍频又称基频、工频，为转子实际工作转速的频率， nf = n /60 Hz；转子动不平衡、轴承工作不良、热态对中不良等均会引起一倍频 增大，发生概率依次降低。 n二倍频二倍工频，转子热态对中不良、裂纹

8、、松动等都会引起二倍频增大， 主要是对中不良。 n0.5倍频0.5倍工频，油膜失稳会引起该频率段增大，轴承工作不良（如间隙、 紧力、接触、摇摆、油档等）也会引起该段频率增大；旋转失速（喘振的先兆） 的频率为(0.40.8)倍工频，也有可能。 n可选频段用户根据机组的特点，自己定义的频段。 n残余量剩余频率成分振动分量的总和。该部分振值高时，转子有可能发生 摩擦、气流脉动等。 n正常运转状态下的多值棒图通常是，一倍频最大，二倍频小于一倍频的一半，0.5 倍频微量或无，残余量不大。 5.1.4 波形图 n时域频谱波形图谱 是用来查看选定监测分站选定机组 键相的选定振动通道的波形及频谱。 n显示通频

9、振动位移（总振值）与时间(周期)的关系，又 称幅值时域图。在正常的状态下，波形图应为较平滑 的正弦波，且重复性好。 na动不平衡时，在一个周期内为典型的正弦波； nb对中不良时，在一个周期内为波峰翻倍，波形光滑、 稳定、重复性好； nc摩擦时，波峰多，波形毛糙、不稳定、或有削波； nd自激振荡（油膜涡动，旋转脱离）时，波形杂乱、 重复性差、波动性大。 5.1.5 频谱图 n波形及频谱。显示了在各振动分量的频率及其振幅值。 n横坐标可选择“阶比”或“频率”，一般用阶比。 n各种频率所对应的故障可参照前面在多值棒图中的介 绍。 n正常运转状态下的频谱图通常是，一倍频最大，二倍 频次之、约小于一倍频

10、的一半，三倍频、四倍频x倍 频逐步参差递减，低频（即小于一倍频的成份）微量。 n看图谱不能就图看图，一定要与历史和正常运转下的 频谱图相比较，查找那些频率成份发生了变化，变化 的倍率有多大。 5.1.6 轴心轨迹图 n轴心轨迹图是显示选定机组、选定轴系、选定端面的轴心运动轨 迹，包括原始轨迹、各倍频轨迹、提纯轨迹（一、二、三倍频轨 迹的合成）以及平均轨迹（即 n各个周期的原始轴心轨迹的平均）。同时可显示不同轨迹类型下 相应的时域波形。 n显示转子轴心相对于轴承座涡动运动的轨迹。 n有原始、提纯、平均、一倍频、二倍频等轴心轨迹，主要看提纯。 n在正常的情况下，轴心轨迹为一椭圆形。 n若轴心轨迹的

11、形状、大小重复性好，则表明转子是稳定的。 n对中不良时，为香蕉状，严重时为8字形； n摩擦时，多处出现锯齿尖角或小环； n瓦块安装间隙相互偏差较大时，会出现明显的凸起状。 n油膜涡动时，大圈套小圈。 5.1.7 振动趋势图 n振动趋势图是以趋势图的形式分别显示选定监测分站和选定机组 振动通 道的趋势数据或一段时间的历史数据或一组起停机数据。 n从振动趋势图可以看到异常振动的起始时间、持续时间、终止时间，依 此查看DCS，查找机组的运行参数有无发生重大变化，从而确定故障的 真伪。还可以通过选择框，看到各探头的间隙电压趋势，从而确定一次 仪表本身有无故障。并且可以更清晰地看到工频、二倍频、0.5倍

12、频等主 要频率成份幅值变化的形态，从而进行故障类型、程度、趋势的诊断。 n依次看各振动分量的趋势图，查找变化量最大的频率成分，从而确定故 障类型。例如，看一倍频有无变化，能否回到原正常值，是否发生突变 （含相位）。若不能回到原正常值，则为动不平衡；若突变，则为转子 损伤；若变化缓慢，则为转子结垢（如催化剂粘结）。 n看异常振动分量的变化倍率，从而确定故障的程度，进而确定是否停机。 例如，对动不平衡，若超出正常值的一倍，应引起重视，但仍可监视运 行；若超出2.5倍，或为继续上升的趋势，则应尽快组织停机抢修。对伴 有低频分量引起的轴承工作不良，则应根据波动的间隔时间、波动量的 大小、能否回到原正常

13、值作出判断。 5.1.8 过程振动趋势图 n过程趋势图是以趋势图的形式显示转子轴位移 及机组的过程参数与时间的关系。 n机组的过程参数，如进出口压力、温度及流量、 油温、瓦温等，对故障诊断是有帮助的。 n轴位移发生变化时应该与转子的轴向力（由进、 出口压差、流量、分子量、是否带液等决定） 及推力轴承瓦温综合判断。 n5.1.9 极坐标图 n各振动分量的幅值及相位随时间变化的 统计结果，亦称可接受区域图。 n散布集中、相位稳定时，好；散布区域 增大、相位改变时，应引起重视。 n振幅；Z轴时间或转速间隔。 n5.1.10 轴心位置图 n在忽略振动的情况下，显示轴心相对与 轴承中心的稳态位置。 n可

14、以看出轴承的偏位角、偏心距、最小 油膜的厚度，从而判断转子运行是否平 稳。 n5.1.11 全息谱图 n全面反映转子在同一轴承处主要振动分量的振幅、相 位、频率信息。 n全息谱图实际上是将两个相互垂直的同一阶次频率谐 波合成后的轨迹图集合在一起，对分析较疑难的故障 作用更加明显。 n正常运转状态下，全息谱图中的轨迹为椭圆。若轨迹 为正圆或接近为正圆，则表明两个相互垂直方向上的 振动幅值相同、相位差为90或幅值相近、相位差很 接近90；若轨迹为斜直线或接近为斜直线，则表明 两方向振动相位相同或非常接近；若轨迹为水平线或 垂直线，则表明水平或垂直方向上的振动分量要比另 一方向大得多。 n5.2 启停机图谱（又称瞬态图，仅分析启停机过程中的 状况） n5.2.1 转速时间图 n显示开停机过程中，转速变化与时间的关系。 n5.2.2 Nyquist 奈奎斯特图 n把开停机过程中振幅与相位随转速变化关系用极