设备状态检测与故障诊断程光友PPT课件

1、几个观点与一个问题 1：单纯的理论是不能做好现场诊断 2：需要掌握那些理论做基础 3：理论是方法与基础，仪器是工具和手段 4：诊断就是现在和过去的比较 5：诊断关键点是看频率结构变化 6：机器由那几个关键部件组成第1页/共129页一、设备状态监测与诊断技术的基本概念 设备状态监测，是指用人工或专用的仪器工具，按照规定的监测点(设备及部位)进行间断或连续的(周期)监测，掌握设备运行所处于的状态(状态识别)，有压力、流量、温度、振动与噪声等等。所谓的设备诊断技术，是指在设备运行中或基本不拆卸的情况下，根据设备的运行技术状态，判断故障的部位和原因，并预测设备今后的技术状态变化。 第2页/共129页

2、设备状态监测和诊断技术是两项既有区别又密切联系的设备管理技术。设备状态监测和诊断技术是实施状态维修、预知维修的重要基础。可以这么认为，设备状态监测是状态维修的初级阶段，通俗的说，它描述、反应的是设备运行状态的好与坏，而设备诊断技术是状态监测后的识别和判断阶段，能够确定设备“生病”的部位与原因。没有大量历史数据是不能保证诊断正确性 状态与诊断之联系区别第3页/共129页故障诊断的基本方法 机械故障诊断的基本方法可按不同的观点来分类，目前流行的分类方法有两种；一是按机械故障诊断方法的难易程度分类，可分为简易诊断法和精密诊断法；二是按机械故障诊断的测试手段来分类，主要分为直接观察法、振动噪声测试法、

3、无损检测法、磨损物测定法、机器性能参数测定法。第4页/共129页故障诊断的基本方法 1简易诊断法 简易诊断法指主要采用便携式的简易诊断仪器，如测振仪、声级计、工业内窥镜、红外点温仪对设备进行人工巡回监测，根据设定的标准或人的经验分析，了解设备是否处于正常状态。若发现异常，通过对监测数据分析进一步了解其发展的趋势。因此，简易诊断法主要解决的是状态监测和一般的趋势预报问题 第5页/共129页 2精密诊断法 精密诊断法指对已产生异常状态的原因采用精密诊断仪器和各种分析手段(包括计算机辅助分析方法、诊断专家系统等)进行综合分析，以期了解故障的类型、程度、部位和产生的原因及故障发展的趋势等问题。精密诊断

4、法主要解决的问题是分析故障部位、程度、原因和较准确地确定发展趋势。第6页/共129页故障诊断的基本方法（6#） 3）直接观察法 传统的直接观察法，如“听、摸、看、闻”是早已存在的古老方法，并一直沿用到现在，在一些情况下仍然十分有效。但因其主要依靠人的感觉和经验，故有较大的局限性。随着技术的发展和进步，目前出现的便携式测振仪、泄漏听诊仪、光纤内窥镜、红外热像仪、激光全息摄影等现代手段，大大延长了人的感观器官，使这种传统方法又恢复了青春活力，成为一种有效的诊断方法。第7页/共129页 4振动噪声测定法 机械设备在运动状态下(包括正常和异常状态)都会产生振动和噪声。进一步的研究还表明，振动和噪声的强

5、弱及其包含的主要频率成分和故障的类型、程度、部位和原因等有着密切的联系。大多数机械设备是定速运转设备，各零部件的运动规律决定了它的振动频率。由于是定速运转，其振动频率即为该零件的特征频率，观测特征频率的振动幅值变化，可以了解该零部件的运动状态和劣化程度。因此利用这种信息进行故障诊断是比较有效的方法，也是目前发展比较成熟的方法。其中特别是振动法，由于不受背景噪声干扰的影响，使信号处理比较容易，因此应用更加普遍。第8页/共129页故障诊断的基本方法 5无损检验 无损检验是一种从材料和产品的无损检验技术中发展起来的方法，它是在不破坏材料表面及内部结构的情况下检验机械零部件缺陷的方法。它使用的手段包括

6、超声、红外、x射线、射线、声发射、掺透染色等。这一套方法目前已发展成一个独立的分支，在检验由裂纹、砂眼、缩孔等缺陷造成的设备故障时比较有效。其局限性主要是其某些方法如超声、射线检测等不便于在动态下进行。第9页/共129页故障诊断的基本方法 6）磨损残余物测定法 机器的润滑系统或液压系统的循环油路中携带着大量的磨损残余物(磨粒)。它们的数量、大小、几何形状及成分反映了机器的磨损部位、程度和性质，根据这些信息可以有效地诊断设备的磨损状态。目前磨损残余物测定方法在工程机械及汽车、飞机发动机监测方面已取得了良好的效果 第10页/共129页故障诊断的基本方法 7）机器性能参数测定法 机器的性能参数主要包

7、括显示机器主要功能的一些数据，如泵的扬程，机床的精度，压缩机的压力，流量，内燃机的功率、耗油量，破碎机的粒度等。一般这些数据可以直接从机器的仪表上读出，由此可以判定机器的运行状态是否离开正常范围。这种机器性能参数测定方法主要用于状态监测或作为故障诊断的辅助手段 第11页/共129页特别提示：JL 当诊断一台设备的故障部位和原因时，往往需要综合的运用多种检测方法。在判定前，要列举各种可能及该可能的特征参数值，再与检测得到的数据进行对比验证，将对比不相符合的可能排除，剩下相符的可能，即为设备的故障部位和原因。这就是故障诊断中所普遍使用的排除法 第12页/共129页二、设备状态检测前期工作 检测对象

8、的确定 检测对象的技术参数 检测对象的历史信息 检测对象监测部位的确定 检测部位的方向 检测工况的选择 检测仪器的选择第13页/共129页1 1）检测对象的确定 什么是重点设备我们认为，凡是单机停机，处理比较困难，备品备件难以准备，影响整个生产过程的设备，以及影响产品质量的设备即为重点设备，我们应该把握好这类设备的运行状态。一般定义为：a、 生产设备关键性（A类）指大型、高速、检修费用昂贵，采用在线监测系统、连续检测（投入费用较大）b、 重要性生产设备（B类）采用离线状态监测仪器，配置便携式简易或精密检测分析仪器（数采），定期采集数据进行分析，（投入费用是可以接受的）c、 一般性生产设备（C类

9、）采用离线简易检测仪器，定一个标准来进行评判，也是比较普遍采用的一种常规做法。投入费用低，易掌握，便于普及。 通常企业采用的比较多的就是c和b第14页/共129页随着计算机及网络技术的发展，国外已经把设备管理上升到企业资产管理范畴，不仅重要、关键设备进行在线监测方式进行状态管理，而且一般设备也采用在线监测方式，从而保证设备状态的准确、及时得到监控，提高设备的使用寿命，提高生产效率，创造更大的经济效益。设备管理发展趋势第15页/共129页2 2）检测对象的技术参数 只有我们明确了设备运行参数，才能够合理的选择传感器的类型，采集器的功能与精度，从而保证不遗漏其特征信息，同时节约投资。 振动参数常用

10、的有A、V、D，三者经积分、微分转换。一般情况，对低频振动用D（小于10Hz）；高频振动用A（大于1KHz）；中频振动用V（101KHz）度量。单位：D-mm、m；V-cm/s、mm/s；A-m/s2、1 g=9.8m/s2 第16页/共129页3 3）检测对象的历史信息 掌握检测对象的历史信息包括安装精度要求，检修及故障处理信息，条件允许的情况下，做诊断工作的人员应该是自己去取得检修及故障处理信息，这对故障诊断能够起到事半功倍的效果，盲人摸象是得不到正确结论的。 做设备诊断的必要条件_输入轴转速、齿轮的齿数、轴承的型号（节径、滚动体个数、接触角、滚动体直径）第17页/共129页4 4）检测对

11、象监测部位的确定 因为我们已经明确了设备运行参数，掌握检测对象的历史信息，我们就顺理成章地把检测部位设置在如下位置： 1：故障发生部位 2：轴承定位部位 3：连接钢性好的部位。当我们确定好检测部位后，一定要做好标记。第18页/共129页5）检测部位的方向 对传动链不是非常复杂的设备，如风机，我们应该尽量采集水平、垂直、轴向三个方向的数据，从而方便我们分析故障的类型，对采用滚动轴承支撑的，非常有必要加上加速度参数的检测，因为滚动轴承故障特征一般在高频率区域。对传动链复杂，机构特殊的设备，原则上要保证传感器安置在设备易发故障的轴承定位部位，一般取轴向。第19页/共129页对于单纯的旋转机械，每一个

12、不同的检测方向，对应着不同的故障特征水平方向工频大，一般对应不平衡故障；转子自身隐患与故障垂直方向工频大，一般对应松动故障；基础及部件松动刚性不足轴向振动大，一般对应不对中故障；安装隐患我们做设备故障诊断，不能单纯用谱图去对应故障关系，因为一个故障会对 应许多特征，他们不是一一对应关系，我们要综合分析，用不同的手段和方法去论证检测方向与故障关系第20页/共129页6）检测工况的选择 机器运行有不同工况，如轻载与重载、快速与慢速、空载与负载、启动与制动等。在不同的工况条件下机器的振动是不一样的，其振动测量结果也会不同。通常在给机器作定期状态监测与趋势分析时，我们一般选择机器的稳态工况、即机器在正

13、常运行时的工况为振动测量工况，若要给机器作故障诊断时，应在现场的条件许可下，我们一般选择能暴露机器故障的工况作为振动测量工况，因为这时记录下来包含有故障信息的振动信号，对以后的频谱分析会有帮助。第21页/共129页经验建议： 低速重载设备，建议在无载荷状态下进行数据采集与保存，这样能够让故障信息“自由释放”出来，特别是时域无量纲分析时，信息更加真实，对高速轻载设备，尽量保证分析数据是在工作状态下采集，这个时候的高频信息反映真实。针对可逆式轧机，我们应该选择无负荷，单方向连续转动时做数据采集。 第22页/共129页7）：检测仪器的选择 工欲善其事 ，必先利其器，对于刚刚接触设备状态监测与故障诊断

14、工作的人员来说，选择适合自己企业、工作性质和应用环境的仪器，这台仪器必须能为后续的工作提供正确的数据、正确的信息，然后才能提到正确的结论。这一步工作是后续工作的基础，基础牢固了，后续工作自然出色。第23页/共129页7）-1：检测仪器的选择 瞬态常指开/停车过程，也包括变负荷操作。一般来说，满足开、停车过程数据采集是至关重要的。要具备等时间或者等转速采样功能，在现场，仪器要具备“应变”能力不管需要什么形式的数据，都能够准确采集，这个要求并不是每一个仪器厂家都能够做到的，因此，许多商家 可以轻描淡写地介绍自己的系统具有稳态和瞬态数据采集的能力及其响应的分析方法，而回避数据采集的实现方式和具体的指

15、标。第24页/共129页7）-1：检测仪器的选择 要仪器厂家提供详细的技术指标，特别是开、停车过程数据采集的密度（多少组），波特图和极坐标图的分辨率（由多少点组成），1X矢量的获取方式，稳态下频谱的分辨率（多少线），这些可以帮助我们了解产品的内在质量，这也是满足正确故障诊断的基本要求第25页/共129页7）-2：检测仪器的选择 关键性能指标 谱线数-400、800、1600、3200、6400 采样点数-1024、2048、4096、8192 A/D转换位数12、16、18 频率范围是否能够柔性设置 数据精度-传感器的精度和仪器能力有关系 参数能够自由设置，从而满足各类设备数据采集与诊断的需要

16、第26页/共129页7）-3：检测仪器的选择 检测仪器配套的系统（软件）必须具备数据兼容性与开放性 系统必须同时具备分析及管理功能 分析方法、手段实用，针对性、目的性强 具备方便接入ERP、EAM等系统的能力第27页/共129页采样点数与频率分辨率的关系 采样点数的多少与要求多大的频率分辨率有关。当最高分析频率已经确定，要考虑诊断中频谱的频率分辨率是多少，然后由N采样点数=2.56M 线数=2.56 fm分析频率/f分辨率计算采样点数，并将采样点数设置为最接近计算值的2倍的n次幂。使用较多的有512、1024、2048、4096等。这样f = fs / 2.56M =2.56 fm/ N （1

17、/200、1/400、1/800、1/1600）fm。这就常说的200线、400线、800线等分辨率的意思。第28页/共129页实例 机器转速R=3000r/min=50Hz,欲分析8倍频以下振动信号，要求频率分辨率f=1Hz,则采样频率和采样点数设置如下： 最高分析频率fm=8R=850Hz=400Hz; 采样频率fs=2.56fm=2.56400Hz=1024Hz; 采样点数N=2.56fm/f=2.56400Hz/1Hz=1024, 谱线数M=N/2.56=1024/2.56=400（条）。 为了取得比较高的频率分辨率，在分析频率一定的前提下，采样点数和谱线数越高，频率的分辨率就越高，这

18、样我们计算出来的理论转速与实际转速间的误差越小。 第29页/共129页频率分辨率f 、谱线数为M、采样点数N频率分辨率f与谱线数为M关系： 设最高分析频率为fm f= fm ， （1） M采样点数N与谱线数M有以下关系： N=2.56M =2.56 fm/f （2）或 f =2.56 fm/ N 又 fs=2.56fm f = fs/ N （3）计算公式与关系第30页/共129页 博士、教授大多数是学者，不是专家，专家和学者是两个完全不同的概念，专家只能出自现场，职责是解决实际问题，是将理论实践化；学者出自实验室，任务是学术研究，进行理论创新，将实践理论化。专家要求对具体对象特性非常熟悉，特别

19、是对象影响其正常运行的特性，更是要求掌握特别详细，学者要求将诸多特性归纳为共性，最后形成一套理论体系。现场技术人员整天和设备打交道，对设备最了解，因此解决问题的希望在于自己合理使用仪器/系统提供的信息，不能寄托在不了解设备的人身上。仪器/系统只能提供在常规条件下无法获取的设备信息，而不能提供完整的解决方案，虽然目前有辅助诊断系统，但当前要达到实用程度还有一定差距，如果过分夸大或者依赖仪器的能力，而忽视人的主观能动性，是不正确的故障诊断思路专家和学者的关系、作用第31页/共129页三、设备状态检测的实施 A：“定周期”B： “定人”C： “定部位”D： “定参数”E：设备状态评估第32页/共12

20、9页A：“定周期” 任何事物的变化过程都是由量变到质变的，设备的状态检测，贵在坚持，因此检测“周期”必须保证。在状态检测前期，我们应该适当把检测周期缩短，对比较关键、易发故障的设备，尽量保证一周2次，其监测过程大约一年。数据采集器应该采用带数据数据库管理功能，频谱记录分析软件的仪器。第33页/共129页B： “定人” 设备状态检测，一般都采用离线数据采集器，因此数据的真实性，在很大程度上也取决于检测人员的综合素质，从事该工作应该有比较强的责任心，因为离线检测仪器的传感器与被检测的设备是分离的，其位置发生改变，得到的数据会有很大区别，为了保证分析结果的可信度，数据检测应该由“专人”负责，即“定人

21、”。我们做过这样的实验，在加速度测量的时候，传感器位置改变5mm，其振动能量会相差很大第34页/共129页C： “定部位” 现在做设备诊断工作的同志，往往认为对一台设备检测部位越多越好，通过几年工作的积累，我认为在该工作刚刚起步阶段，这个观点是成立，但是当数据积累到一定时候，我们就可以找出最能反应该设备运行状态的参数与部位，从而合理的选择检测“部位”，能够“定部位”。为什么现在很多同志对在线监测失去信心，很大程度上是因为监测“部位”与监测“参数”选择不合理，造成分析可信度降低，投入了比较大的投资，没有预期的效果。第35页/共129页D:定参数（参数）频带设置原则上是应保证机器振动的所有特征频率

22、信号都能记录下来，请注意二点： 1、 必须通过计算，了解被测设备的特征频率，包括转频、倍 频，以及发生故障时的特征频率、叶频、齿轮啮合频率、滚动轴承固有频率等。 2、合理选择传感器和检测仪器，注意它们的频响范围是否与被测机器特征频率相匹配。 如：有时一台机器特征频率在1KHz以下低频段，但其滚动轴承或齿轮的故障信号又在1KHz的高频段。为了频谱分析时的需要，对这些测点频带可分两次设置。一次设在1KHz内。另一次设在5KHz，这样我们就可得到两次测试结果的频谱图，可以分别看出它在不同频带上的特征频率信号。第36页/共129页E：设备状态评估设备状态评估，是设备故障诊断的基础。 我们对设备进行定期

23、、定人、定部位检测，唯一的目的就是为了了解与掌握其运行状态正常、异常，有序的对设备进行维护处理。在现阶段，我们应该通过简单的趋势分析、瀑布图等手段，大力推进设备状态评估基础工作。设备状态监测所用的仪器比较简单便宜，易于掌握，对人员素质要求不高，适合车间基层一级来组织实施，能够实现全员性，从而带动整个行业水平的提高。趋势分析是量的变化，瀑布图反应的是谱图结构的变化，如果我们日常工作能够准确掌握，就能够避免突发性事故。第37页/共129页四、故障诊断 故障诊断不仅要检查设备是否正常还要对设备故障的原因，部位以及严重程度进行深入分析做出判断，故它又称为精密诊断。第38页/共129页如何保证故障诊断准

24、确性 长期现场诊断实践表明，对机器设备实施振动诊断，必须遵循正确的诊断程序，才能使诊断工作有条不紊地进行，并取得良好的效果。反之，如果方法步骤不合理，或因考虑不周而造成某些环节上的缺漏，则将影响诊断工作的顺利进行，甚至中途遇挫，无果而终。 通观振动诊断的全过程，诊断步骤可概括为3个环节，即：准备工作、诊断实施、决策与验证。下面，我们围绕这3个方面的内容，归纳为6个步骤介绍。第39页/共129页1了解诊断对象 诊断的对象就是机器设备。在实施设备诊断之前，必须对它的各个方面有充分的认识了解，就像医生治病必须熟悉人体的构造一样。经验表明，诊断人员如果对设备没有足够充分的了解，甚至茫然无知，那么，即使

25、是信号分析专家也是无能为力的。所以了解诊断对象是开展现场诊断的第一步。 了解设备的主要手段是开展设备调查。在调查前应作出一张调查表，它由设备结构参数子表、设备运行参数子表、设备状况子表组成。 设备结构参数子表有下列项目： 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(大多数采用电动机，也有用内燃机、汽轮机、水轮机的，一般称辅机)、工作机(也称主机)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， 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，并在结构图上标明，或另予说明。这些零件包括：轴承型式、滚动轴承型

26、号、齿轮的齿数、叶轮的叶片数、带轮直径、联轴器型式等。第40页/共129页设备运行参数子表包括以下内容 各主要零部件的运动方式：旋转运动还是往复运动； 机器的运动特性：平稳运动还是冲击性运动； 转子运行速度：低速(6000rmin)；匀速还是变速； 机器平时正常运行时及振动测量时的工况参数值，如：排出压力、流量、转速、温度、电流、电压等。 载荷性质：均载、变载还是冲击负荷； 工作介质：有无尘埃、颗粒性杂质或腐蚀性气(液)体。 周围环境：有无严重的干扰(或污染)源存在，如强电磁场、振源、热源、粉尘等。第41页/共129页设备状况子表包括以下内容 设备基础型式及状况，搞清楚是刚性基础还是弹性基础。

27、 有关设备的主要设计参数，质量检验标准和性能指标，出厂检验记录，厂家 有关设备常见故障分析处理的资料(一般以表格形式列出)，以及投产日期，运行记录，事故分析记录，大修记录等 第42页/共129页（2）确定诊断方案 在对诊断对象全面了解的基础上，接着就要确定具体的诊断方案。诊断方案正确与否，关系到能否获得必要充分的诊断信息，必须慎重对待。一个比较完整的现场振动诊断方案应包括下列内容 第43页/共129页 . 选择测点 预估频率和振幅 确定测量参数 选择诊断仪器 选择与安装传感器 做好其他相关事项的准备第44页/共129页 3 进行振动测量与信号分析 4 实施状态判别 5 作出诊断决策 6 检查验

28、证 设备诊断的全过程并不是到作出结论就算结束了，最后还有重要的一步，必须检查验证诊断结论及处理决策的结果。诊断人员应当向用户了解设备拆机检修的详细情况及处理后的效果，如果有条件的话，最好亲临现场察看，检查诊断结论与实际情况是否符合第45页/共129页在设备故障诊断中，应用最多的技术是振动分析方法。其原因主要是：1在设备管理过程中，振动是设备的一项主要性能指标，振动强弱直接和故障相关，大型机组尤其如此，机组振动超标对安全生产和企业经济效益影响很大。2在诊断技术上振动监测相对易于实现，且振动信息量大，检测技术比较成熟、监测手段比较多，易于得到故障诊断结论。振动信号作为一种动态数据，对其进行信号处理

29、所得到的结论具有普遍适用的意义，其它许多与振动不同的物理现象都可按同样的方式加以描述和阐释。由于振动是一种普遍现象，振动理论内容十分丰富，因此受到人们普遍应用。选择振动检测的理由第46页/共129页振动形式的描述 机械设备总是不可避免地会产生振动，除特殊需要，过大的振动是有害的。为了说明振动的特点，采用了多种描述方式。 第47页/共129页x 振幅 (Amplitude) 偏离平衡位置的最大值，记作A。描述振动的规模。 圆频率 (Angular frequency) 描述振动的快慢，记作 ,单位为弧度/秒。 频率 f = /2 为每秒钟的振动次数，单位为次/秒(Hz)。 周期 T = 1/f

30、= 2/ 为每振动一次所需的时间，单位为秒。 初相角 (Initial phase) 描述振动在起始瞬间的状态，记作。简谐振动的三要素 第48页/共129页时域描述： 有两种表示方式，即振动波形和轴心运动轨迹。其中时域描述，可直观地了解振动随时间的变化情况，而轴心运动轨迹则反映转轴在轴承中的横向运动情况，能粗略地估量振动平稳与否及对称程度。大家注意，当我们要做轴心轨迹的时候，一定是建立在时域采集的基础上，后面我们讲到倒谱及共振解调也必须有时域的数据第49页/共129页xrms 有效值xp 峰值xav 平均绝对值 平均值无量纲时域参数 波形指标 (Shape factor) 波形与正弦波比较的偏

31、移和歪斜。 峰值指标 (Peak factor) 波形是否有冲击。 脉冲指标 (Crest factor) 波形高度的指标。 歪度指标 (Skewness) 以平均值为中心，波形的对称性。 峭度指标 (Kurtosis) 波形的尖峭程度、有无冲击。rmspxxI avrmsxxSfxxCfp3rms13111xNxxNii)( 4rms14211xNxxNii)( x第50页/共129页振 动 的 时 域 波 形名 称 波 形 名 称 波 形 第51页/共129页0 x正峰值负峰值平均绝对值有效值平均值峰峰值振动的时域参数 简谐振动为例 x=Asin( t+/2) 峰值 xp=A; 峰峰值 x

32、p-p=2A 平均绝对值 xav=0.637A 有效值 xrms=0.707A 平均值第52页/共129页频域描述： 将振动幅值、相位、能量情况按频率排列，有利于分析故障原因。 第53页/共129页幅值描述： 现场主要采用峰值、峰峰值、有效值等概念来反映振动幅值的大小，其中又有位移、速度、加速度等不同振动量之分。位移峰峰值主要用来考核设备间隙的安全性。速度有效值用以反映振动能量的大小或破坏能力，是判断振动状态的主要指标。加速度峰值则和冲击相关联。 第54页/共129页振型： 即按轴向位置将同一方位的同频振幅相连获得的振型曲线，用以估算转子与固定部件之间的内部间隙并估算转轴的“节点”位置。 第5

33、5页/共129页瀑布图： 将频谱按采集时间的顺序排列而成，用以观测开停车振动成分的变化情况。第56页/共129页极坐标图（奈魁斯特图）及波德图： 描述振幅相位随转速变化过程以极坐标表示即极坐标图，以直角坐标表示即波德图。其作用和瀑布图类似，主要用以确认共振频率。第57页/共129页波德图和极坐标图 波德图(Bode Plot)和极坐标图(Polar Plot)两者所含信息相同，都表示基频振动的幅值和相位随机器转速的变化规律。第58页/共129页 三维频谱图是频谱的集合。 第三个坐标可以是转速、时间(日期)、其他工艺参数等。 本图第三坐标是转速，机器升速过程中发生了油膜涡动和油膜振荡。三维频谱图

34、 Cascade第59页/共129页全息谱图： 即将在空间相距 90 度的二同频率振动合成的轨迹按频率顺序排列得到的图形，用以全面了解设备振动情况，对故障诊断能起到很好作用 第60页/共129页 要做好设备诊断工作，我们非要做好设备诊断工作，我们非常有必要对常有必要对 频谱结构与故障特性之频谱结构与故障特性之间的关系有一个明确的界定：间的关系有一个明确的界定：频率谱图与故障类型第61页/共129页滑雪坡状谱线 特征: 波峰位于0 Hz附近,频谱曲线逐渐衰减 如果在频谱图上低频处出现高幅波峰，随着频率的增大其强度逐渐衰减，说明传感器可能出现了问题，或者是传感器在测量过程中受到了振动或其他瞬态的外

35、在干扰。这种瞬态的外在干扰可能是机械的（比如：传感器遭到碰撞，或剧烈的振动）、热力的（传感器被安放在一个很热或者相对较热的表面上）或者电子干扰。第62页/共129页滑雪坡状谱线 如果传感器“饱和”，会在其频谱上出现滑雪坡曲线和凸起的背景噪音。最典型的情况是存在高频振动源。第63页/共129页高强度的背景噪音 特征：频谱的底部上升 如果出现背景噪音整体升高，很有可能是由于齿轮严重磨损所引起的。如果噪音偏向于高频端，那么很可能是流动噪音以及气穴所致。 小的“峰丘”可能源于共振或间隔很小的边频带。高分辨率的测量或许可以分辨出振源是边频带还是共振。如果可以改变机器的转速，会发现其共振频率不变，而其它的

36、波峰则会发生移动。边频带将在一个主峰（例如1X, 2X, 100/120 Hz等）的两边成对称分布。第64页/共129页静态不平衡 特征:径向1X波峰（垂直或水平方向上） 如果机器失去平衡我们将得到频率等于转速的正弦时域波形，在转速频率（1X）处有一个高峰。 最简单的不平衡模型是将转动轴的重心简化到一个点。这种不平衡称为静态不平衡，因为即使是在旋转体不旋转的情况下也能够表现出来，如果将其放在没有摩擦的轴承中间，重心位置将自动回转到最低位置。 静态不平衡将会在旋转轴的两个承载轴承上产生一个1X频率的作用力，作用于两个轴承上的作用力的方向总是相同。从这两个轴承上采集到的振动信号同相。第65页/共1

37、29页转子不平衡故障的诊断 波形为简谐波，少毛刺。 轴心轨迹为圆或椭圆。 1X频率为主。 轴向振动不大。 振幅随转速升高而增大。 过临界转速有共振峰。透平风机TOTI齿轮箱1X频率(水平)1X频率(水平)1X频率(铅垂)1X频率(铅垂)轴向很小轴向很小第66页/共129页偶不平衡 特征：径向1X波峰（垂直或水平方向上） 如果机器出现不平衡我们将得到频率等于旋转速度的正弦时域波形，频谱上在转速频率（1X）处会产生一个高峰。 一个旋转体如果存在偶不平衡，就有可能形成静态平衡（放置在无摩擦的轴承上旋转体看起来好象刚好平衡）。但当旋转体发生旋转的时候，就会在它的两个承载轴承上产生离心作用力，并且它们的

38、相位相反。第67页/共129页不平衡: 悬吊式机器 特性：轴向和径向上高强度1X波峰（垂直或水平方向上） 在外悬或悬臂式机器中，可以检测到在水平、垂直和轴向上的高幅1X振动。 我们能够检测到高幅1X振动是因为不平衡使轴发生弯曲，使得轴承座在轴向发生移动。常见的悬吊式旋转体有短联轴器泵、轴向排风的风扇和小型涡轮机。第68页/共129页不平衡：垂直安装的机器 特征：径向1X波峰（水平方向上） 当在径向（水平或切线方向）测量时，频谱又将显示出强一倍频（1X）波峰。 为了从泵的不平衡中分离出马达不平衡，可能需要将两者拆解开来，单独使马达旋转，检测其1X频谱。如果1X处的振幅依然很高，那么故障就出在马达

39、上，否则故障就出在泵上面 第69页/共129页偏心转子或齿轮 特征：径向1X波峰（水平和垂直方向上） 偏心发生在旋转体（齿轮、轴承、转子等）旋转中心和几何中心线相分离的情况下。 偏心的转子/轴承将产生高强度的径向1X分量，特别是在平行于转子/齿轮的方向上。这种现象非常常见，类似于不平衡的情况。第70页/共129页偏心槽轮 特征：径向1X波峰（垂直和水平方向上） 偏心发生在皮带轮（包括槽轮和滑轮）的旋转中心和它的几何中心线相分离的情况下。 偏心槽轮将在径向上产生高强度的1X分量，特别是在平行于皮带的方向上。这种现象非常常见，类似于不平衡的情况。 在皮带传动的机器上，在两个组件（如马达和风扇）上会

40、有高强度的1X振动，但是由于转速的变化，两个振动会在不同的频率处。 检测带传动机器是否偏心的方法是将皮带取掉后重新检查电动机的1X波峰。第71页/共129页转子不对中故障的诊断 出现2X频率成分。 轴心轨迹成香蕉形或8字形。 振动有方向性。 轴向振动一般较大。 本例中，出现叶片通过频率。电机水泵POPIMOMI1X频率2X频率叶片通过频率第72页/共129页不对中 频率：轴向1X波峰，径向2X波峰（垂直或水平方向上） 简而言之，不对中指的就是联接轴的中心线不重合。 如果不对中轴的中心线平行但不重合，就叫做平行不对中（或相离不对中）。 如果两条中心线相交于一点，就叫做轴线角度不对中。 大多数不对

41、中是平行不对中和轴线角度不对中的组合。在一般情况下，其诊断方法是：频谱上显示二倍转速频率（2X）处的振动为主导，并且1X处的振动水平在轴向以及垂直或水平方向上增大 第73页/共129页轴线角度不对中 特征：轴向1X波峰，轴向2X低幅波峰，径向1X低幅波峰 如果不对中的两个轴相交于一点但相互不平行，这样的不对中称为轴线角度不对中。 轴线角度不对中会在轴上产生一个弯曲作用，在频谱上显示为高强度的1X振动和在两端的轴承上的少量轴向2X振动。 还会有相当强的径向（水平和垂直方向上）1X和2X振动，但是这些振动都是同相的。 振动在轴向上相位差为180度，而径向上同相。 第74页/共129页平行不对中 特

42、征：径向2X波峰，径向1X低幅波峰（垂直或水平方向上） 如果不对中轴的中心线平行但不共线，这样的不对中称为平行不对中（或相离不对中）。 平行不对中在各个轴的联结端产生剪切应力和弯曲变形。 联轴器两端的轴承，会在径向（垂直和水平方向上）上产生高强度的1X和2X振动。在多数情况下，2X处的幅度要高于1X。 对于单纯的平行不对中，轴向上1X和2X处的振幅都很小。 沿联轴器检测到的振动在轴向和径向上异相，并且轴向上的相位差为180度。第75页/共129页弯曲轴 特征：轴向1X波峰 轴的弯曲会引起轴向高强度1X振动。如果在轴的中心附近出现弯曲，其主导波峰通常出现在1X处，如果是在靠近联轴器的地方则还会出

43、现2X波峰。 轴向垂直和水平方向的测量通常也能得到1X和2X波峰，这儿最关键的就是轴向测量。 相位测量对于诊断轴的弯曲故障是非常有用的。在轴向上测得的两端在1X处的相位，其相位差为180度。 第76页/共129页偏翘轴承 特征：轴向1X、2X和3X波峰 轴承偏翘，属于是不对中的一种，会产生明显的轴向振动。波峰通常位于1X、2X和3X处。 对悬吊式的泵或风扇进行检测的时候，如果出现了很强的轴向振动，就很可能会与不对中或不平衡相混淆。但是在2X和3X处的波峰则说明轴承发生偏翘的可能性要高于不平稳。第77页/共129页转子系统松动故障的诊断 波形出现许多毛刺。 谱图中噪声水平高。 出现精确2X，3X

44、等成分，最高可达16X。 松动结合面两边，振幅有明显差别。电机水泵POPI转速的精确倍频成分最高可出现16X成分噪声水平高第78页/共129页松动 特征：旋转松动：1X谐波结构松动：水平方向上的1X波峰轴承座松动：垂直方向上的1X、2X和3X波峰 旋转松动是由于旋转体（如轴承）的转动部件和固定部件间隙过大所引起的，而非旋转松动是介于两个静止部件间的松动，比如支撑和基础之间，或轴承座和机器之间。 结构松动或机器与基础之间连接松动将会增大刚性最小处的1X振动。这通常发生在水平方向上，同时还取决于机器的具体情况。第79页/共129页旋转松动 特征：径向1X谐波（严重时出现0.5X谐波） 轴颈（轴套）

45、和滚动轴承（轴承松动）间如果出现过量余隙，则会产生1X谐波，有时甚至能扩展到10X。 过大的滑动轴承游隙可能会产生后面所示的0.5X谐波。它们通常被称为半阶分量或次谐波。产生的主要原因是摩擦或严重的冲击作用，有时甚至会产生1/3阶的谐波。第80页/共129页结构松动 特征：结构松动：水平方向上1X波峰 机器和它的基础之间出现松动，在刚性比较弱的地方就会出现1X振动，这通常发生在水平方向上，但有时也要根据实际情况确定。 如果松动严重，往往会产生低阶1X谐波。很难分辨是不平衡、基础松动或者是柔性化，特别是在垂直安装的机器上。 如果水平方向1X振动比垂直方向上的1X振动振幅大的多，很可能就是松动所致

46、。如果水平方向1X振动比垂直方向上的1X振动振幅小或相等，那么其出现不平衡的可能性就比较大。基础松动或基础柔性化是紧固连接件的螺栓松动、腐蚀或裂纹所致。注意：如果机器安装基础的弹性比较强，其水平轴向的振动要强的多。 在这种情况下，相位可以作为辅助识别的手段，机器和基础在垂直方向的振动相位差为180度。 第81页/共129页轴承座松动 特征：径向1X、2X和3X波峰 频谱有上显示1X，2X和3X处有振动分量，但通常没有其它谐波，在严重的情况下还会有0.5X的的波峰。 相位也被用来辅助识别这种故障。轴承和基础间有180度的相位差。第82页/共129页转子摩擦 特征：径向1X谐波（严重时有0.5X谐

47、波） 摩擦表现出和旋转松动相似的特征：1X谐波和0.5X谐波。摩擦还会引起一个或多个共振（在这里所举的例子中出现在4X处）。第83页/共129页滑动轴承游隙 特征：1X谐波 当滑动轴承存在游隙问题的时候，频谱图特征和旋转松动很相似。在1X处将出现强的谐波，多数情况下，垂直轴向上的振动要高于水平方向。 在更严重的情况下，频谱中还会出现半阶甚至1/3阶的谐波。第84页/共129页油膜涡动 特征：径向0.380.48X波峰 发生油膜涡动时，会在0.38X0.48X之间出现高强度振动。波峰从来不在刚好0.5X处出现，而是在稍低的频率出现。 涡动是由于过大的间隙和轻微的径向载荷，使得形成油膜，使轴颈在轴

48、承内做低于0.5倍转速的振动。第85页/共129页共振 特征：频谱中通常只在一个方向有“峰丘”出现 共振是激振频率达到机器的固有频率时发生的一种现象。固有频率是指一个结构在外部驱动力作用下发生振动的频率。 在单个轴方向上，在“峰丘”上存在一个高幅的波峰。例如，泵的叶片通过频率在6X的波峰，只在水平方向上出现振动加剧。 如果增加（或者减少）激振频率使共振现象不再发生，振幅会明显减小。 第86页/共129页滚动轴承 特征：在次同步频率出现波峰（带有谐波） 滚动轴承故障遵循典型模式，轴承会发出高频的尖叫声。现在主要的诊断工具有HFD、峰值能量、SEE等。解调（包络线检测）和“峰值”也可以用来诊断轴承

49、故障。 随着故障的发展，在频谱上的显示也会随之发生变化。在不同步频率（如3.9X、6.45X等）处将出现波峰，并通常伴有谐波以及1X或保持架频率的边频带。 有四个重要的激振频率：球过内圈频率（BPI），球过外圈频率（BPO），保持架频率（FT）和球旋转频率（BS）。 激振频率的四个参数：球直径、球数、节径和接触角第87页/共129页泵/风扇 叶片通过频率 特征：叶片通过频率处的波峰 所有的泵、风扇和压缩机通常在其叶片通过频率处都有波峰出现。叶片通过频率等于叶片数乘以轴的转速。 如果叶片间的间隙和固定式扩散器没有保持相等，其波峰也会增大。它也可能是由于流道阻塞引起。 泵叶片通过频率=叶片数x R

50、PM 风扇叶片通过频率=叶片数x RPM第88页/共129页紊流 特征：502000 CPM的随机振动 紊流是由于通过风扇/送风机的空气速度或压力变化引起的。 这种情况下会产生低频的随机振动，其频率范围通常是在502000 CPM之间。第89页/共129页气穴现象 特征：高频“噪音” 气穴通常产生随机的高频振动或 “噪音”。通常可以在频谱上观察到 “峰丘”出现。 气穴现象通常是由于抽吸压力不足（如吸入口压力过低）引起的。它的声音听起来就好像是泵里面有砂砾一样。第90页/共129页齿轮啮合 特征：径向100/120 Hz处的波峰 通常会在轴的转速频率和齿轮啮合频率处出现波峰，但是幅值不高。可能会

51、出现2X波峰，并且在齿轮啮合频率附近有轴转速频率的边频带。 对于直齿轮主要的振动是在径向，斜齿轮主要的振动是在轴向。 啮合频率=齿数x轴的转速 输出转速=输入转速x主动轮齿数/被动轮齿数第91页/共129页齿轮啮合 时域波形分析对于变速箱时是很有用的，因为在时域波形中你可以看到每个齿啮合对应的脉冲。通常你可以通过研究时域波形得到齿数。根据故障的特征，齿轮每旋转一转就可以看到一个脉冲，而脉冲的幅值有大有小。第92页/共129页齿轮齿磨损 特征：齿轮啮合频率附近的1X边频带 当齿轮的齿开始发生磨损的时候，会发生两件事情，第一件是齿轮啮合频率处边频带的幅值升高，而边频带的振幅决定于齿轮的转速。 第二

52、件事情是将出现齿轮固有频率的振动，固有频率振动也会有边频带产生，并且它有很宽的基频。 齿轮啮合频率=齿数x轴的转速 输出速度=输入速度x主动轮齿数/被动轮齿数第93页/共129页齿轮齿负载 特征：齿轮啮合频率处高强度波峰 齿轮啮合频率处振幅的大小决定于带动这个齿轮的轴的对中程度和齿轮上的载荷。齿轮啮合频率处的有波峰并不一定意味着存在故障。第94页/共129页齿轮啮合侧隙 特征：啮合频率附近的1X边频带 齿轮啮合侧隙会在啮合频率附近产生轴转速频率边频带，当存在这个问题的时候，齿轮啮合侧隙波峰和齿轮的固有频率波峰将随着载荷的增加而减弱。 齿轮反抗频率=齿数x轴的转速 输出速度=输入速度x主动轮齿数

53、/被动轮齿数第95页/共129页轮齿破裂或折断 特征：径向高强度的1X波峰齿轮固有频率啮合频率处的1X边频带 轮齿发生破裂或折断会在齿轮的旋转频率处将产生高强度振动，导致齿轮共振。在齿轮的旋转频率处会产生边频带。 然而，最好的方法是观察破裂或折断的轮齿的时域波形，如果齿轮有12个齿，那其中一个齿的波形就会和其他不同。脉冲的时间间隔等于齿轮的旋转周期（齿上一固定点重复啮合的时间差）。第96页/共129页轮齿破裂或折断第97页/共129页联轴器故障 特征：1X和2X波峰 如果联轴器没有准确对中，例如法兰盘端面不平行，在振动频谱上显示出与轴线角度不对中类似的显示。联轴器故障是很常见的问题，通常在径向

54、上产生1X和2X的高强度波峰。第98页/共129页联轴器磨损会产生不对中和松动的所有特征。第99页/共129页皮带共振 特征：径向高强度的1X波峰 如果皮带的固有频率和主动槽轮或被动槽轮的转速吻合，带的共振会引起很高的振幅。皮带的固有频率可以通过改变皮带的长度或皮带的张紧力来进行调整。第100页/共129页不对中松动引起的谐波不平衡油膜涡动、碰摩0 2 4 6 8 10 12 14FREQUENCY IN ORDER带滑动轴承的机械的频谱特点第101页/共129页不平衡不对中松动滚动轴承故障频率带滚动轴承的机械的频谱特点第102页/共129页滚动轴承故障的诊断滚动轴承故障的诊断1：轴承每一种零

55、件有其特殊的故障频率。2：随着故障发展，它的幅值增加，并有谐波；谐波两边产生边频。3：还可用非频率域的诊断方法，如共振解调 第103页/共129页齿轮故障的诊断齿轮故障的诊断1：齿轮啮合频率GMF等于齿数乘以齿轮转速频率。2：齿轮啮合频率两边有边频，间距为1X。3：随着齿轮故障发展，边频越来越丰富，幅值增加。4：可用倒频谱作进一步分析。 第104页/共129页啮合频率GMF上边频下边频2X齿轮频谱特点第105页/共129页精密诊断的方法精密诊断的方法 频谱分析法频谱分析法 每种故障有其对应的特征频率。据此确定机器的故障性质和严重程度。趋势分析法、频谱趋势分析法趋势分析法、频谱趋势分析法振动的通

56、频幅值或特征频率幅值，随故障的发展而增大。据此判定机器的健康状态，并推测其寿命。第106页/共129页故障名称 频率特征 转动特征 故障名称 频率特征 转动特征 不平衡 1R 同步正进动 油膜涡动 (0.40.49)R 正进动 热弯曲 1R 同步正进动 油膜振荡 等于低阶固有频率 正进动 不对中 2R 正进动 气隙振荡 等于低阶固有频率 正进动 磁拉力 不平衡 2NR N 为磁极对数 正进动 内腔积液 失稳前 0.5R 失稳后为低阶固有频率 正进动 松 动 1R, 2R 等 也有 1.5R, 2.5R 等 转子内阻 失稳前 0.5R 失稳后为低阶固有频率 正进动 齿轮故障 啮合频率等于 齿数R

57、 ， 边带频率 径向摩擦 失稳前小于低阶固有频率 失稳后等于低阶固有频率 反进动 滚动轴承 外环故障 内环故障 滚珠故障 轴向摩擦 失稳前小于低阶固有频率 失稳后等于低阶固有频率 强迫振动类故障强迫振动类故障 自激振动类故障自激振动类故障 转动机械常见故障的频率特征第107页/共129页 振动强度 ISO2372 范围速度有效值（MM/S ）级级级级0.28 0.28 AAAA0.450.450.71 0.71 1.12 1.12 B1.80 1.80 B2.80 2.80 CB4.50 4.50 CB7.10 7.10 DC11.2 11.2 DC18.0 18.0 D28.0 28.0 D

58、45.0 45.0 71.0 71.0 使用说明：A：优 B：良 C：警戒 D：危险 级 ： 小 型 机 械 （ 如15KW以下电机）级：中型机械（如1575KW电机和300KW以下机械）级：大型机械（安装在刚性基础上）级：大型机械（安装在柔性基础上）设备评定标准第108页/共129页诊断实例第109页/共129页B30#检测报告（一）测点信息测点路径：大型厂设备部机械专检站302500326(B线精轧机)22600101630#辊箱采样时间：2003-05-19 13:32:21运行转速：5600转 / 分采样频率：12800赫兹第110页/共129页时域波形 指标名称指标值指标名称指标值均

59、值0.33最大值145.80最小值-151.40方根幅值27.21平均幅值33.13均方幅值43.51波形指标1.31峰值指标3.26脉冲指标4.28裕度指标5.21峭度指标3.64歪度指标-0.02第111页/共129页幅值谱峰值序号12345678频率(Hz)3143.83300.03881.33456.32093.84193.84037.52987.5幅值(m/s2)23.53323.05822.47417.10613.36913.14611.7858.641第112页/共129页 瀑布图 从谱图结构上可以看到156.3Hz调制信号，故障特征就是存在该频率的零部件，可以判断是轴承故障！望及时处理！ 第113页/共129页B30#检测报告 （二）测量信息所属部门：设备部机械专检站设备编号：302500326(B线精轧机)测点编号：22600101630#辊箱采样时间：2003-05-22 13:18:48测量值：217.90 m/s2第114页/共129页幅值谱图 第11