(完整版)7.典型机器故障振动特征分析(1)

1、典型机器故障振动特征分析（一）普迪美第一期培训班2004年10月典型机器故障 转子不平衡 轴线不对中 转子偏心 轴弯曲 机械松动 共振 轴承故障 流体引起的振动 齿轮故障 交流感应电动机 拍振问题叶 片 磨 损轴 承 故 障松 动不 平 衡不 对 中叶 片 磨 损轴 承 故 障松 动不 平 衡不 对 中振动特征分析振动特征分析振动故障分析诊断的任务振动故障分析诊断的任务：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。振动频谱中存在哪些频谱分量？每条频谱分量的幅值多大？这些频谱分量彼此之间存在什么关系？如果存在明显的高幅值的频谱分量，它的精

2、确的来源？它与机器的零部件对应关系如何？如果能测量相位，应该检查相位是否稳定？各测点信号之间的相位关系如何？典型机器故障振动特征分析（一） 转子不平衡 轴线不对中 偏心 轴弯曲 机械松动转子不平衡不平衡定义： 转子质量中心线与转轴中心线不重合时便产生不平衡 。力不平衡力偶不平衡动不平衡悬臂转子不平衡不平衡产生的原因不平衡振动特征q不平衡转子呈现如下特征：不平衡振动总是显示出不平衡部件转速频率的一倍频率的振动（但是1x转速频率的并不总是不平衡)。通常，这个1x转速频率的振动尖峰在频谱中占优势。当故障仅限于不平衡时，1x转速频率的振动尖峰的幅值通常大于或等于振动总量幅值的80(如果除了不平衡之外还

3、有其他故障，则可能仅为振动总量幅值的5到80)。振动幅值与质量中心离轴中心线的距离成正比。此外，当低于转子第一阶临界转速运转时，振动幅值将随转速的平方成比例变化。即：转速升高3倍，将导致不平衡振动增大9倍。质量不平衡产生一个均匀的旋转力，此力的方向连续变化，但是始终作用在径向方向上。因此，轴和支承轴承趋向于以某圆周轨道运动，然而由于轴承的垂直方向刚性比水平方向刚性强，所以通常振动响应是一定程度的椭圆轨迹。因此，水平方向振动通常略大于垂直方向振动，一般范围在2至3倍左右。当水平方向与垂直方向振动之比大于6比1时，通常说明是其他故障，尤其是共振。不平衡振动特征 5.当不平衡超过其他故障成为主要振动

4、原因时，则轴承上水平方向与垂直方向振动相位差约为90度（+/-30度），因此，如果存在1x转速频率较大的振动，但是，水平方向与垂直方向振动相位差为0度或接近180度，通常这说明是其他故障源，例如偏心。 6如果存在明显的不平衡，则内侧轴承与外侧轴承的水平方向振动的相位差应该接近垂真方向振动的相位差。即，不是比较同一轴承座上水平方向与垂直方向的相位差，而是比较内侧轴承与外侧轴承水平方向振动相位差与垂直方向振动相位差。 7当不平衡占优势时，径向方向(水平方向和垂直方向)振动通常比轴向方向振动大许多(除了悬臂转子之外，这将在后面章节中讨论)。 8不平衡转子通常在径向方向呈现稳定的、可重复的振动相位。

5、9共振有时可能受不平衡的影响较大。 10.不平衡对转子产生过大振动的影响可能很大。事实上，在有些刚度较低的轴承座上，不平衡的转子，尽管很小的残余不平衡量，也还会出现不平衡振动，但是，动平衡还是可明显减小松动引起的振动。但是，往往无法平衡有松动的转子。 力不平衡q力不平衡也称为“静不平衡”： 力不平衡就是质量中心线离开且平行于轴中心线的一种转子不平衡状态。可采用静平衡法修正之。q力不平衡的典型频谱及相位关系统：力不平衡特征q力不平衡特征概括如下：1以1x转速频率旋转的相同的不平衡力通常都差不多同时出现在内侧和外侧转子轴承座上(然而，根据每个方向的支承刚性，水平和垂直方向的响应可能略不同。2在纯的

6、力不平衡情况下，外侧水平方向振动相位等于同一轴上内侧水平方向振动相位。3同样，同一轴上外侧轴承的垂直方向振动相位也近似等于内侧轴承的垂直方向振动相位。4力不平衡只需在通过转子重心(cg)的单一平面内加一个反作用的重量便可修正之。5内侧和外侧轴承水平方向振动相位差应该大致等于内侧和外侧轴承垂直方向振动相位差。 力偶不平衡q 质量中心线轴线与轴几何中心线轴线相交于转子的重心处的一种不平衡状态。q 在转子的每一端彼此相差180度处，有两个质量相等的重点产生一力偶。明显的力偶不平衡可以引起转子严重的不稳定，使之前后摆动(像以转子重心(cg)处为支点的“跷跷板”)。 力偶不平衡特征1在纯的力偶不平衡中，

7、转子是静平衡的。但是力偶不平衡的转子还是会产生1x转速频率的明显的振动。2力偶不平衡在外侧轴承座和内侧轴承座上产生1x转速频率的大的振动，可能一个轴承座上振动略大于另一外轴承座上的振动。3明显的力偶不平衡有时可能产生大的轴向振动。4内侧和外侧轴承座上水平方向振动相位差将近似为180度，因为两端的摇动运动彼此方向相反。5同样地，外侧和内侧轴承座垂直方向相位差约为180度。6如果故障是力偶不平衡（不是不对中)，则同一轴承的水平和垂直方向的相位差应该彼此相差90度。动不平衡q动不平衡定义为：质量中心线与轴几何中心线轴线既不平行也不相交的不平衡状态。q动不平衡基本上是力不平衡和力偶不平衡两者的组合。它

8、至少需要在垂直于轴中心线轴线的两个平面上才能修正平衡。动不平衡特征 1动不平衡产生1x转速频率较大的振动，但是，在外侧轴承座上的振动幅值与在内侧轴承座上的振动幅值略不相同。假定没有其他明显的故障的话，它们仍然在相同的幅值量级或者小于3比1的比例。2与力不平衡和力偶不平衡一样，当动不平衡为主时，振动相位还是稳定的和可重复的。3虽然外侧轴承与内侧轴承之间的水平方向振动相位差可能是0度至180度的任一角度，这个相位差还是近似等于垂直方向振动相位差。动不平衡至少需要两个平衡面才能修正之。4.不管力不平衡或力偶不平衡谁占优势轴承1和2处水平方向振动相位差应该近似等于这两个轴承处垂直方向振动相位差（如果水

9、平方向振动相位差约150度，表示大的力偶不平衡，则垂直方向振动相位差也约为150度）。悬臂转子不平衡q被驱动转子位于轴承1和2的外侧(如果转子位于两个轴承之间，称这种转子为简支转子)。 悬臂转子不平衡特征 1悬臂转子可产生1x转速频率的轴向力，引起轴向振动，这种轴向振动等于或者大于径向振动幅值。2悬臂转子往往除了产生力不平衡之外，还产生大的力偶不平衡，这两种不平衡必须都要修正之。3对于单纯悬臂转子不平衡，在轴承1处的轴向方向振动相位将近似等于轴承2处的轴向方向振动相位(士30度)。这里的振动相位差还是取决于与其他的诸如不对中。共振等故障相比较，不平衡故障占优势的程度。4通常，首先处理力不平衡分

10、量，然后再处理剩下的相位差接近180度的力偶不平衡分量，最终修正悬臂转子的不平衡。因此力偶分量需要在两个平面内彼此相差约180度处加修正重量来修正之。轴线不对中q不对中的问题是引入大的振动导致昂贵的机器部件的过早损坏和增大对能耗的要求。不对中现在也许是轴承故障的主要原因。q 不对中问题的种类：不对中的危害及特征1由于不对中造成机器零部件损坏 不对中会引起联轴器损坏，还会损坏其他机器部件。如会对轴承施加过大的力，而引起轴承过早损坏。同样会起引起包括齿轮，皮带，皮带轮，叶片等其它机器零部件有害的影响。2引起对自由端(或外侧)的作用 由于不对中从联轴器引入的力可能足够强大，其作用不仅是在最靠近联轴器

11、的轴承上，同样也作用在机器的自由端或外侧端。3引起2x转速频率振动 不对中经常会产生大于正常值的2x转速频率振动，它不仅作用在轴向方向，还作用在径向方向。2x转速频率分量是最好的不对中指示4引起轴向方向振动 不对中也许是大的轴向方向振动的最常见的原因，当然还有若干其它来源也可产生轴向方向振动，它们包括：不对中的危害及特征可产生轴向方向振动原因： a弯曲的轴： b处于共振回转的轴； c. 卡住在轴上的不对中的轴承(见第四章，第三节)； d. 轴向方向某些机器零部件共振； e. 推力轴承磨损； f. 磨损的螺旋齿轮或斜齿轮； g. 装滑动轴承的电动机相对于其磁力中心摆动； h. 联轴器的零部件不对

12、中；因此，当出现大的轴向方向振动时，不要很快草帅地得出故障就是不对中的结论。而是，应该特别分析振动相位信息，然后分析振动频谱。不对中的危害及特征5引较高次谐波 不对中还可能引起大量的高次谐波，使振动频谱呈现为像松动或间隙过大的故障。关键的区别特征仍然是轴向方向2x转速频率的大的幅值的振动。 6相位是不对中的最佳指示 虽然同样存在1x转速频率与2x转速频率的振动，但不对中时的相位特点是：联轴器两侧的相位差接近180度(40到50度)，不对中程度愈严重，愈接近这个180度相位差。同样，诸如不平衡，偏心距，共振等其他故障不明显时，愈接近这个180度相位差。 在比较同一转子的水平方向相位差与垂直方向相

13、位差时，约百分之九十的不对中机器将表现垂直方向相位差与水平方向相位差之间的差值接近18o度。例如，如果外侧轴承与内侧轴承之间水平方向相位差约为30度，大多数不对中转子的垂直方向相位差为约210度。不平衡的转子不会表现这种相位差特性，因为不平衡的转子，水平方向出现的相位差非常接近垂直方向相位差。不对中的危害及特征在不对中的响应中，相位特性可概括为如下： a也许不对中故障的最佳指示是对联轴器两侧的振动相位的评定。这里，检查主动轴及其联轴器的一半如何相对于被动轴及其联轴器的一半反作用。当联轴器两侧的相位差接近180度(40到50度)时，常常说明是不对中，尤其是当不对中程度愈严重时，愈接近这个180度

14、相位差。同样，诸如不平衡，偏心距，共振等其他故障不明显时，愈接近这个180度相位差。这里，重要的是不仅要测量振动的频谱，还应该在可以达到的每个轴承座的水平，垂直和轴向方向测量相位。 b.在研究转子(恰如电动机，泵，风机等) 其中之一的轴承座相位差时，有明显不对中的径向方向相位差或是0度或是180度(30度)。这与不平衡不同，不平衡故障中这种相位差可能接近90度(即水平和垂直方向相位差可能为70度)。这里的关键是不对中的相位差接近0度或180度。 c.在比较同一转子联轴器两端的轴承座上水平方向相位差与垂直方向相位差时，约百分之九十的不对中机器，将表现垂直方向与水平方向之间的相位差接近18o度。例

15、如，如果外侧轴承与内侧轴承之间水平方向相位差约为30度，大多数不对中转子的垂直方向相位差为约210度。不平衡的转子不会表现这种相位差特性，因为不平衡的转子，水平方向出现的相位差非常接近垂直方向相位差。不对中的危害及特征 7其他故障源的影响 当与不对中同时存在诸如不平衡，弯曲的轴，共振等其他故障时，不仅会影响振动频谱，还会影响相位特性。例如，如果存在不平衡和不对中故障，可能会表现出大幅值的1x转速频率和2x转速频率的振动，加上径向相位差根据每种故障的严重程度可能或不能接近150度到180度，这种情况下，联轴器两侧的轴向方向相位差仍将接近180度。 概括说来，如果机器有大的1x转速频率和2x转速频

16、率振动，总是应该测量相位数据，因为相位将是不对中还是有类似症兆的其他不同故障源差别的关键指示。诸如大的轴向方向振动和谐波振动也是很好的不对中症兆，如果振动大，不要简单认为是不对中故障，而应该仔细分析振动相位信息后再作决定，例如，如果相位指示是不对中，但是轴向方向振动不指示是不对中，则应该依据相位数据作决定。角向不对中 1角向不对中主要产生大的轴向方向振动，尤其是1x和2x转速频率。 2. 然而，假定存在大的振动前提下，振动是轴向方向2x转速频率或3x转速频率，其幅值约是1x转数频率幅值的30到50时，说明是角向不对中。 3如下图所示，联轴器两侧的轴向方向相位变化约为180度，是最好的检测角向不

17、对中的指示。如果一侧的每个轴承都向一个方向移动，另一侧的轴承向相反方向移动，则是角向不对中的可能性较大。 平行不对中 1. 平行不对中主要影响径向振动，而角向不对中主要影响轴向振动。 2. 象角向不对中故障那样，平行不对中使联轴器两侧的相位差也接近180度，但是这是在径向方向上(水平的或垂直方向)。 3振动频谱中2x转速频率幅值超过1x转速频率幅值约50时，常常说明是径向不对中，但是2x转速频率值相对于1x转速频率幅值的高度常取决于联轴器的类型和结构。2x转速频率幅值接近1x转速频率幅值是常见的，尤其是平行不对中严重时。 4当角向不对中或平行不对中变得严重时，每种不对中都产生一组谐波，谐波的范

18、围包括4次到5次谐波。这种情况下，严重不对中的振动频谱可能呈现为机械松动的振动频谱样子。轴承不对中q 当滑动轴承或滚动承轴不对中或者卡死在轴上时，可引起较大的振动和异常负载。通过找对中无法消除振动，只有卸下轴承重新安装。q不对中轴承的特征： 1卡住的轴承通常产生明显的轴向振动，它可能不仅影响1x转速频率振动，同时也影响2x转速频率振动。 2.如果在如下图所示，在彼此间隔90度的4个点上，测量轴向方向相位，如果上下或左右的相位差约为180度，则说明是轴承卡死中轴上。排粉风机不对中实例送风机不对中实例送风机不对中实例磨煤机不对中实例磨煤机不对中实例偏心的转子： 就是轴的几何中心线与转子的中心不重合

19、的转子。这就导致了在旋转的中心线的一侧比另一侧更大的重量，从而引起轴以不规则的轨迹的摆动。 这是固有的不稳定的问题，是潜在的故障源，或振动源。有时虽然可通过动平衡平衡掉”部分偏心距的影响，但是更多的摆动运动仍然保留。如果该转子偏心距较大的话，甚至不可能对转子进行很好的动平衡。现在强调愈来愈高的旋转速度，因此使消除偏心距非常重要。转子偏心 a. 该图表示一台电动机驱动一台风机的皮带轮，皮带轮存在偏心问题，在这种情况下，最大的振动常出现在皮带拉伸方向，振动频率为偏心的皮带轮的1x转速的频率。偏心的皮带轮是皮带传动中不希望存在的振动的主要原因之一。目前经常用动平衡方法来修正皮带轮的偏心距引起的振动问

20、题。 偏心的皮带轮振动特征 b在偏心的齿轮中，最大的振动将出现在两个齿轮中心连线方向和偏心的齿轮的1x转速频率。其振动特征信号类似于这个齿轮的不平衡，但是它不是不平衡。如果齿轮的偏心距明显，当齿轮的齿与匹配的齿一起被迫进入和退出啮合时对齿轮的齿产生非常高的动态载荷。 可对具有lx转速频率较大振动的齿轮进行相位分析，以确定是不平衡还是偏心距引起的振动。偏心的齿轮不仅促使产生1x转速频率的大振动而且还产生高幅值的齿轮啮合频率及其谐波，在啮合频率两侧伴有高于正常幅值的边带频率，边带频率为偏心齿轮的转速频率。有时，这些边带频率将为偏心的齿轮的2x转速频率。这些边带将调制齿轮啮合频率本身的幅值。偏心的齿

21、轮振动特征 c. 偏心的电动机转子在转子与定子之间产生旋转变化的气隙（注意与偏心的定子的区别）。 其振动问题包括：在2x电源频率(7200转分(美国60赫兹，我国为50赫兹)处的振动、及其与最靠近的转速谐波振动之间所形成的拍频振动、以及产生在2x电源频率两侧的极通过频率(fp)边带。拍振，对于3580转分电动机，将在2x转速频率与2x电源频率之间产生拍振，而对于1780转分电动机，它将在4x转速频率与7200转分之间产生拍振，偏心的电动机转子还将在2x电源频率两侧产生极通过频率边带(这里，极通过频率fp等于极数目与滑差频率的乘积)。最后，偏心的电动机转子运动本身将引起定子极与偏心转子之间的磁场

22、的振动，因此包括转子与定子之间的1x转速频率的振动。 偏心的电动机转子振动特征 d偏心的泵叶轮可以在旋转的叶轮与静止的扩压器叶片之间产生不相等的液压力扰动。这不仅产生泵转速的大的振动，而且还产生叶片通过频率及其谐波频率(叶片通过频率等于叶片数目与转速的乘积），这是由于偏心的叶轮产生的”液压不平衡“造成的。 偏心的泵叶轮呈现的特征偏心转子的相位特征 偏心的转子可能引起一个径向方向比其它径向方向明显大的振动(由于这个原因，导致撞击轴承，有时还产生松动)。 可以采取相位分析作为有效的工具来确定1x转速频率大的振动究竟是偏心矩引起的，还是其他的诸如不平衡等1x转速频率振动源引起的。 比较水平方向和垂直

23、方向的相位，通常相位差约0度或180度，因为偏心距产生的力都是非常定向的，不像在不平衡故障占优势的情况中那样，水平和垂直方向的相位差为90度。轴弯曲 轴弯曲可在机器中产生过大的振动，根据弯曲的程度和位置不同，产生的振动大小不同。与偏心的轴一样，其作用有时可用动平衡减轻。然而，往往不能用动平衡减轻弯曲轴的摆动，如果轴有明显的弯曲，不可能达到轴的满意的动平衡。分析人员有时利用各种方法，有时包括热处理来成功地消除弯曲。然而这些情况下，必须很注意不要引入残余应力，因为残余应力以后会导致轴损坏。 轴弯曲振动特征 1弯曲的轴引起大的轴向振动。如果弯曲部位接近轴的中心，通常占优势的振动为1x转速频率的振动，

24、如果弯曲接近联轴器，将产生高于通常值的2x转速频率振动分量。2. 通常同一转子的两个轴承之间的轴向方向振动相位变化接近180度，这与弯曲的程度有关(见图3.1)。此外，如果在同一轴承不同点的轴向方向作若干测量，通常会发现在轴承的左边和右边，上边和下边测量的相位之间发生接近180度的相位差。3. 1x转速频率和2x转速频率的幅值通常是稳定的，如果存在大的电磁场振动的话，它将引起2x电源频率与2x转速频率分量的拍振。弯曲轴的振动频谱和相位响应 轴弯曲振动特征 4图中所示的轴承座的4个点处的轴向方向的相位测量。如果轴弯曲通过或者非常接近轴承时，轴承座本身将产生扭转振动，它将导致这个轴承座轴向方向完全

25、不同的相位读数，如图a所示。图b表示一根真的平直轴产生的轴向方向振动相位。 5当旋转轴中部存在较大的跳动时，它呈现为不平衡。当联轴器处出现跳动时，它呈现为不对中。图3.2a弯曲的轴引起的扭转振动 图3.2b轴向相位测量显示轴向振动 机械松动a 结 构 框 架 或 底 座 松 动b. 由于结构/轴承座晃动或开裂引起的松动c 轴承等部件配合松动机械松动的一般特征q机械松动不是振动的原因，但机械松动可加剧振动状态。因此，机械松动使机器的振动比只存在如不对中或不平衡时的振动更大。q其他故障的解决常将消除一部分由于存在松动而增加的振动幅度。然而，完全消除松动的影响是不可能的。如果只存在小量的不对中或不平

26、衡故障，由于机械松动的存在，也可能引起较大的振动。q因为做到非常高精度的对中或动平衡是不可能的。所以，在这种情况下，首先必须是解决松动的问题。如果剩余的振动仍然很大，这时再解决诸如对中和动平衡问题，此时解决此类问题要比消除松动问题之前要容易得多。a. a. 结构框架/底座松动这种类型的松动包括如下故障： a结构松动或机器底脚，基础平板和混凝土基础弱 (刚性差)； b变形或破碎的砂浆； c框架或基础变形(软底脚); d地脚螺栓松动。 a. a. 结构框架/底座松动的特征 1a型机械松动的振动频谱占优势的是1x转速频率，这与不平衡或偏心转子状态相同。要进一步比较各方向之间的相对幅值，仔细观察相位特

27、性，松动故障的相位特性与不平衡等故障有根本区别。 2大的振动往往很肯定只是一个转子(即只是驱动转子或被驱动转子或齿轮箱)。这与不平衡或不对中不一样。 3a型机械松动产生两种不同的相位特性： a比较每个轴承座的水平和垂直方向相位时，发现振动非常定向，同时相位差或为0度或为180度，(相位差为o度或180度意味着振动运动同时上下或同时从一侧向另一侧)。在简单不平衡故障中通常不会发生这种现象，在不平衡故障中通常水平和垂直方向相位差约90度(+-30度)。 b当出现这样的第一种相位特性时(水平和垂直方向相位差为0度或为180度)，分析人员不应该把测量只放在轴承座上，而应向下移到机器的底脚上，基础平板上，混凝土和周围地板上。这里，振动幅值和相位测量的比较表明在每个位置处1x转速频率的振动幅值和相位十分相同。如果振动幅值和相位存在很大差别，这就说明是相对运动。利用出现这种大的相位变化，我们可以确定存在故障的位置。b.b.由于结构/轴承座晃动或开裂引起的松动q这种类型的松动包括如下故障： a结构裂纹或轴承座裂纹； b支承脚高度不同引起的摇动运动； c .轴承座固定螺栓松