旋转机械故障诊断基本理论讲义

1、旋转机械故障诊断研究 摘要：对设备的故障诊断，实际上自有工业生产以来就已存在。早期人们依据对设备的触摸，对声音、振动等状态特征的感受，凭借工人的经验，判断某些故障的存在，并提出修复的措施。随着信息处理技术的飞速发展，机械状态的诊断方法也得到了不断丰富，单一参数阈值比较的机器监测方法正开始向全息化、智能化监测方法过渡，监测手段也从依靠人的感官和简单仪器向精密电子仪器以及以计算机为核心的监测系统发展。 关键词：旋转机械 转子系统 故障机理及诊断 信号处理目录一、 旋转机械故障诊断的基本知识3（一）旋转机械故障诊断的意义及发展概况31、 旋转机械故障诊断的定义32、 旋转机械故障诊断的意义33、 旋

2、转机械故障诊断的发展概况3（二）转子振动的基本概念41、 机械振动42、 频率43、 振幅44、振动烈度55、相位和相位差56、 涡动和进动57、 临界转速68、 油膜涡动、油膜振荡6二、转子系统的故障机理及诊断14（一）转子不平衡的故障机理及诊断方法141、振动机理142、诊断方法14（二）转子不对中的故障机理及诊断方法151、振动机理152、诊断方法16（三）转子摩擦的故障机理及诊断方法171、转子与静止件径向摩擦的振动机理172、转子与静止件轴向摩擦的振动机理173、诊断方法17（四）转子油膜涡动和油膜振荡的故障机理及诊断方法181、振动机理182、油膜涡动的诊断方法183、油膜振荡的诊

3、断方法19（五）转子弯曲的故障机理及诊断方法191、振动机理202、诊断方法20（六）转子支承系统联接松动的故障机理及诊断方法201、振动机理202、诊断方法20（七）转轴具有横向裂纹的故障机理及诊断方法211、振动机理212、诊断方法21一、旋转机械故障诊断的基本知识（一）旋转机械故障诊断的意义及发展概况1、旋转机械故障诊断的定义通俗地说，对旋转机械故障的诊断类似于医生给患者治病，医生基于病理需要向患者询问病情、病史、切脉（听诊）以及量体温、验血相、测心电图等，根据获得的多种数据，进行综合分析才能得出诊断结果，提出治疗方案。机器在运行过程中出现故障也是不可避免的。人生了病需要求医就诊，机器出

4、了故障也要找“医生”诊断病因。在通过监测获取机器大量信息的基础上，基于机器的故障机理，从中提取故障特征，进行周密的分析，确定故障原因，作出符合实际的诊断结论，提出治理措施。故障是指机械设备丧失了原来所规定的性能或状态。通常把设备在运行中所发生的状态异常、缺陷、性能恶化、以及事故前期的状态统统称为故障，有时也把事故直接归为故障。而故障诊断则是根据状态监测所获得的信息，结合设备的工作原理、结构特点、运行参数、历史状况，对可能发生的故障进行分析、预报，对已经或正在发生的故障进行分析、判断，以确定故障的性质、类别、程度、部位及趋势，对维护设备的正常运行和合理检修提供正确的技术支持。2. 旋转机械故障诊

5、断的意义旋转机械故障诊断技术的由来及发展，与十分可观的故障损失以及设备维修费密切相关，而旋转机械故障诊断的意义则是有效地遏制了故障损失和设备维修费用。具体可归纳如下几个方面： 及时发现故障的早期征兆，以便采取相应的措施，避免、减缓、减少重大事故的发生； 一旦发生故障，能自动纪录下故障过程的完整信息，以便事后进行故障原因分析，避免再次发生同类事故； 通过对设备异常运行状态的分析，揭示故障的原因、程度、部位，为设备的在线调理、停机检修提供科学依据，延长运行周期，降低维修费用； 可充分地了解设备性能，为改进设计、制造与维修水平提供有力证据。3. 旋转机械故障诊断的发展概况旋转机械故障诊断技术和其它学

6、科一样，也是有其发展过程的。在二战以前对机器振动问题的解决，主要靠技术人员的经验和技巧。利用原始的检测手段，例如用小锤敲击或用细长导体抵在机器的某部位，以耳朵听到的声音来判断机器工作是否正常。五十年代末，电涡流传感器逐步广泛用于旋转机械的振动检测上。这不仅为振动监测提供了可靠的手段，也为转子动力学，轴承等学科的理论研究提供了先进的测试手段。六十年代至七十年代振动监测仪逐渐运用在旋转机械上，同时在这个期间内，数字电路、电子计算机技术发展很快。当计算机进入信号处理与分析领域时，测试技术便出现了一个新的分支“信号数字处理分析技术”。这种技术提供了对各种物质运动分析与识别信息。七十年代末，八十年代初，

7、旋转机械的状态监测与故障诊断系统在许多发达国家开始研制，并把实验室的研究结果推向工业部门应用。我国状态监测与故障诊断技术起源于上世纪七十年代末。那时，建国后首批从西方工业发达国家成套引进的13套大化肥装置，以及随后不久引进的大化纤、大乙烯等装置正处于建成后的试车、开车阶段，由于某些机组事故频发，促进了高校及科研单位对这项技术的理论研究和实际应用。国外某些大公司的监测与诊断部门也同时开展了一些服务与交流，客观上起到了一定的推动作用。二、转子振动的基本概念旋转机械的功能实现主要靠转子旋转来完成的，故转子是其核心的部件。旋转机械发生故障时伴随着异常的振动和噪声，我们对其振动信号进行分析可以有效提取机

8、器故障特征信息。因此，了解和掌握旋转机械转子振动基本概念，是监测机组运行状态和提高诊断故障的准确度的核心基础。1. 机械振动物体或质点相对于平衡位置所作的往复运动叫机械振动，简称振动。例如，机器箱体的颤动、管线的抖动、叶片的摆动等都属于机械振动。振动用基本参数、即所谓“振动三要素” 振幅、频率、相位加以描述。描述振动的三种物理量有：位移、速度、加速度。2. 频率振动物体单位时间内的振动循环次数称为频率f，单位是赫兹 Hz。频率是振动特性的标志，是分析振动原因的重要依据。对旋转机械来说，转子每旋转一周就是完成了一个振动过程，为一个周期，或者说振动循环变化了一次。因此转速n、角速度都可以看作频率，

9、称为旋转频率、转速频率、圆频率，或n、f不分，都直接简称为频率，它们之间的换算关系为：f = n/60，2f2n/600.1n，其中转速n的单位为转/分钟r/min，角速度的单位为弧度/秒rad/s。如果振动频率为机器实际运行转速频率的一倍、二倍、三倍、0.5倍、0.43倍、时，则称为一倍频（习惯上又称为1X，或1×）、二倍频（2X、2×）、三倍频（3X、3×）、0.5倍频（0.5X、0.5×）、0.43倍频（0.43X、0.43×）、等。其中，一倍频，即实际运行转速频率又称为工频、基频、转频，0.5倍频又称为半频。例如，某机器的实际运行转速n

10、为6000 r/min，那么，转速频率n/606000/60100Hz，其工频为100Hz，二倍频为200Hz，半频为50Hz。3. 振幅振幅是物体动态运动或振动的幅度。振幅是振动强度和能量水平的标志，是评判机器运转状态优劣的主要指标。振幅的量值可以表示为峰峰值（pp）、单峰值（p）、有效值（rms）或平均值（ap）。峰峰值是整个振动历程的最大值，即正峰与负峰之间的差值；单峰值是正峰或负峰的最大值；有效值即均方根值。图1 振幅各量值示意图只有在纯正弦波(如简谐振动)的情况下，单峰值等于峰峰值的1/2，有效值等于单峰值的0.707倍，平均值等于单峰值的0.637倍；平均值在振动测量中很少使用。它

11、们之间的换算关系是：峰峰值2×单峰值2×21/2×有效值。此换算关系并无多大的实用价值，只是说明振幅在表示为峰峰值、峰值、有效值时，数值不同、相差很大。振动位移具体地反映了间隙的大小，振动速度反映了能量的大小，振动加速度反映了冲击力的大小。在实际应用中，大型旋转机械的振动用振动位移的峰峰值m表示，用装在轴承上的非接触式电涡流位移传感器来测量转子轴颈的振动；一般转动设备的振动用振动速度的有效值mm/s表示，用手持式或装在设备壳体上靠近轴承处的磁电式速度传感器或压电式加速度传感器（如今主要是加速度传感器）来测量；齿轮和滚动轴承的振动用振动加速度的单峰值g表示，用加速度

12、传感器来测量。4 振动烈度振动烈度是振动标准中的通用术语，是描述一台机器振动状态的特征量。在我国及国际振动标准中，几乎都规定振动烈度的度量值为振动速度的有效值。因此，可以认为振动烈度就是振动速度的有效值。所以，在对一般转动设备进行振动监测时，应测量振动速度的有效值（并要求在靠近轴承位置处的水平、垂直、轴向三个方向上进行测量，取最大值），因为只有振动烈度才有振动标准可以参照（大机组不完全如此），评定机器运转状态的优劣时才能做到有据可依。5. 相位和相位差相位是振动在时间先后关系上或空间位置关系上相互差异的标志（例如同一部件不同位置处的振动或不同部件之间的振动），单位是度°。相位在判断振

13、动故障的类型中有着非常重要的作用，在动平衡技术中更是必不可少。把转子旋转一圈的时间看成是360°，两个振动之间的相位差就是转过此角度的时间差。通过角度不仅表示空间、而且表示时间，这便是相位的奥妙之处。 相位差是两个振动的相位之差。在实际应用中，通常只讲相位差。通过相位（差），可以很具体地想象到两个振动矢量在时间和空间上的相互关系： 谁先谁后相位小的在先、称超前，相位大的在后、称滞后，因为相位小的先到达第一个正峰、即最大振动点处； 相差的时间t t相位差×周期/360相位差/(工频×360)，实际中很少算，主要是由相位差（角度）的大小想象两者间隔时间的长短； 空间位

14、置相位差就是空间方向差夹角的角度。相位差表面上看是一个角度，实际上是反映了两个振动在时间先后关系上或空间位置关系上，是否存在差异、存在什么差异、存在多大差异。在分析振动原因和判断振动故障类型时，往往更关注相位差，而不是相位。6. 涡动和进动转动物体相对于平衡位置所作的圆周运动称为涡动。物体涡动时，是在绕着自身对称轴旋转（自转）的同时，对称轴又进一步在绕着某一平衡位置旋转（公转），所以涡动又称为进动。例如，水中的漩涡、玩具陀螺、转子的运动等都属于涡动。图2 转子涡动示意图旋转机械转子的实际运动状态是，在以角速度（即转速n）绕着自身轴线ACB旋转（自转）的同时，整个轴线又以角速度绕着两轴承中心连线

15、AOB在做圆周运动（公转）。转子实际上是做旋转状的涡动，并不是往复状的机械振动。由于这种涡动在径向上所测得的振幅、频率、相位在数值上与机械振动相同，因此可以沿用机械振动的许多成熟的理论、方法，所以旋转机械转子的涡动通常仍然称作振动。但是，在研究旋转机械转子的振动时，应该时刻牢记转子的振动实际上是涡动的这一基本特点。正进动是指涡动方向与转子旋转方向相同的涡动。反进动是指涡动方向与转子旋转方向相反的涡动。因为转子的实际振动是涡动，其涡动轨迹通常为不规整的椭圆，因此需要配置两个相互垂直的探头才能较为准确地测出转子真实的振动。7. 临界转速 临界转速就是转子轴承系统本身的固有频率；临界转速完全是由转子

16、轴承系统本身的固有特性所决定的，与外界条件（如不平衡力、介质负荷等）无关。固有特性即结构特性，主要有转子的质量、材质、轴径、长度、轴上集中质量的大小及分布，支座跨度以及支座的刚度、阻尼、质量，联轴器的刚度、阻尼、质量等。另外，临界转速有计算值（转子无阻尼、或仅考虑了轴承阻尼的自振频率）和现场实际值（转子有阻尼时的共振频率），由于转子阻尼相对很小、以及近来计算机和计算方法水平的提高，如今此二值已相差很小。与物体的固有频率一样，临界转速也有若干阶，如一阶（第一临界转速）、二阶（第二临界转速）、三阶、n阶。8. 油膜涡动、油膜振荡油膜涡动和油膜振荡是由径向滑动轴承油膜力学特性引起的自激振动。如果轴颈

17、受到的涡动力小于油膜阻尼力，则轴心涡动所形成的轴心轨迹是收敛的，涡动会减小；如果涡动力等于油膜阻尼力，则轴心轨迹不再扩大并成为封闭图形，涡动是稳定的；如果涡动力超过阻尼力，则轴心轨迹是发散的，涡动是不稳定的。涡动的转向与转子旋转方向相同时，为正进动；反之，为反进动。理论推算表明，油膜涡动的旋转频率等于转子旋转频率的一半，即/2，因此油膜涡动理论上又称为半速涡动。实际中，油膜涡动的振动频率约为0.420.48转速频率，即（0.420.48）。伴随着转子旋转频率（即转速n）的不断上升，油膜涡动的涡动频率也不断上升，当转速n上升到转子第一临界转速nk1的二倍附近时，也就是说当油膜涡动的频率等于转子轴

18、承系统的固有频率时，即k1时，转子轴承系统将发生强烈的共振，这就是所说的油膜振荡。油膜振荡发生后，即使转速继续上升，但涡动频率却不再按涡动比（/）不变的规律上升，仍为k1，也就是紧紧地咬住转子的固有频率第一临界转速不再改变。油膜涡动及油膜振荡是一种自激振动，也就是说，维持振动的能量是由转子轴承系统（含润滑油）在自身旋转中产生的，它可以不断地提供极大的能量，足以引起转子轴承系统零部件的损坏。所以，油膜振荡具有严重性、突发性、有时会发出间断吼叫声等特点。二、转子系统的故障机理及诊断旋转机械的主要功能是由旋转动作完成的，转子是其最主要的部件。旋转机械发生故障的重要特征是机器伴有异常的振动和噪声，其振

19、动信号从幅值域、频率域和时间域实时地反映了机器故障信息。因此，了解和掌握旋转机械在故障状态下的振动机理，对于监测机器的运行状态和提高诊断故障的准确度具有重要的理论意义和实际工程应用价值。一、转子不平衡的故障机理及诊断方法1. 振动机理转子不平衡是指受材料质量、加工、装配以及运行中多种因素的影响，其质量中心和旋转中心线之间存在一定量的偏心距，使得转子在工作时形成周期性的离心力干扰，在轴承上产生动载荷，从而引起机器振动的现象。因此，把产生离心力的原因旋转体质量沿旋转中心线的不平均分布叫做不平衡，由此引起的机器振动或运行时产生的其他问题称为不平衡故障。 事实上一个平衡良好的转子也做不到“绝对平衡”的

20、，总是存在微量的不平衡，因此在转子振动信号的频谱上总会出现转速频率成分（或称工频），但不发生不平衡振动。只有当不平衡量超过一定值后，离心力才会引起机器明显的振动。2. 诊断方法表1 转子质量偏心的振动特征1234567特征频率常伴频率振动稳定性振动方向相位特征轴心轨迹进动方向1×稳定径向稳定椭圆正进动表2 转子质量偏心的敏感参数123456振动随转速变化振动随负荷变化振动随油温变化振动随流量变化振动随压力变化其它识别方法明显不明显不变不变不变低速时振幅趋于零表3 转子部件缺损的振动特征1234567特征频率常伴频率振动稳定性振动方向相位特征轴心轨迹进动方向1×突发性增大后稳

21、定径向突变后稳定椭圆正进动表4 转子缺损部件的敏感参数133456振动随转速变化振动随负荷变化振动随油温变化振动随流量变化振动随压力变化其它识别方法明显不明显不变不变不变振幅突然增加二、转子不对中的故障机理及诊断方法机组各转子之间由联轴器联接构成轴系，传递运动和转矩。由于机器的安装误差，承载后的变形以及机器基础的沉降不均等，造成机器工作状态是各转子轴线之间产生轴线平行位移、轴线角度位移或综合位移等对中变化误差，统称为转子不对中。图21 安装误差造成转子不对中的三种情形转子系统机械故障的60%是由不对中引起的。具有不对中故障的转子系统在其运转过程中将产生一系列有害于设备的动态效应，如引起机器联轴

22、器偏转、轴承早期损坏、油膜失稳和轴的挠曲变形等，导致机器发生异常振动，危害极大。1. 振动机理转子不对中的轴系，不仅改变了转子轴颈与轴承的相互位置和轴承的工作状态，同时也降低了轴系的固有频率。如图所示，轴系由于转子不对中，使转子受力及支承所受的附加力是转子发生异常振动和轴承早期损坏的重要原因。图22 转子不对中示意图联轴器的结构种类较多，大型高速旋转机械常用齿式联轴器，中、小型设备多用固定式刚性联轴器，现以刚性联轴器为例说明转子不对中的故障机理。刚性联轴器联接的转子对中不良时，由于强制联接所产生的力矩，不仅使转子发生弯曲变形，而且随转子轴线平行位移或轴线角度位移的状态不同，其变形和受力情况也不

23、一样，如图所示。图23 转子不对中的两种变形情况用刚性联轴器联接的转子不对中时，转子往往是既有轴线平行位移，又有轴线角度位移的综合状态，转子所受的力既有径向交变力，又有轴向交变力。弯曲变形的转子由于转轴内阻现象以及转轴表面与旋转体内表面之间的摩擦而产生的相对滑动，使转子产生自激旋转振动，而且当主动转子按一定转速旋转时，从动转子的转速会产生周期变动，每转动一周变动两次，因而其振动频率为转子转动频率的两倍。2. 诊断方法表5 转子不对中的振动特征1234567特征频率常伴频率振动稳定性振动方向相位特征轴心轨迹进动方向2×1×、3×稳定径向、轴向较稳定双环椭圆正进动表6

24、 转子不对中的敏感参数133456振动随转速变化振动随负荷变化振动随油温变化振动随流量变化振动随压力变化其它识别方法明显明显有影响有影响有影响转子轴向振动较大；联轴器相邻轴承处振动较大；随机器负荷增加，振动增大；对环境温度变化敏感三、转子摩擦的故障机理及诊断方法在高速旋转机械中，为了提高机器效率，往往把密封间隙、轴承间隙做得较小，以减少气体和润滑油的泄露。但是，小间隙除了会引起流体动力激振之外，还会发生转子与静止部件的摩擦。轻者发生密封件的摩擦损伤，重者发生转子与静止件的摩擦碰撞，引起严重的机器损伤事故。此外轴承中也会发生干摩擦或半干摩擦，这种摩擦有时是不明显的，并不发生事故，机器未停机拆检之

25、前找不出异常振动原因。因此，必须了解转子与静止件摩擦激振的故障特征，以便及时做出诊断，防止重大事故发生。1. 转子与静止件径向摩擦的振动机理图24 转子与静止件径向摩擦示意图转子与静止件发生径向接触瞬间，转子刚度增大;被静止件反弹后脱离接触，转子刚度减小，并且发生横向自由振动。因此，转子刚度在接触与非接触两者之间变化，会产生一些特有的、复杂的振动响应频率。摩擦振动是非线性振动，局部摩擦引起的振动频率中包含有2X、3X···一些高次谐波及分数谐波振动(即次谐波振动)。在频谱图上出现(1/n) X的次谐波成分(n=2, 3, 4，···)

26、，重度摩擦时n=2，轻度摩擦时n=2, 3, 4,···。次谐波的范围取决于转子的不平衡状态，在足够高阻尼的转子系统中也可能完全不出现次谐波振动。2. 转子与静止件轴向摩擦的振动机理轴向摩擦时，转子的振动响应几乎与正常状况一致，没有明显的异常特征，所以诊断轴向摩擦时，不能用波形、轨迹和频谱去识别。干摩擦具有阻尼的特性，干摩擦正比于转子与静止件间的干摩擦因数和轴向力。干摩擦阻尼远较正摩擦阻尼大，由轴向干摩擦引起的系统阻尼的增加是显著的，因此系统阻尼的变化可作为诊断轴向摩擦的识别特征。3. 诊断方法表7 转子与静止件径向摩擦的振动特征1234567特征频率常伴频率振动

27、稳定性振动方向相位特征轴心轨迹进动方向高次谐波、低次谐波及其组合谐波1×不稳径向连续摩擦时:反向位移、跳动、突变；局部摩擦时:反向位移连续摩擦时:扩散；局部摩擦时:紊乱连续摩擦时:反进动； 局部摩擦时:正进动表8 转子与静止件径向摩擦的敏感系数133456振动随转速变化振动随负荷变化振动随油温变化振动随流量变化振动随压力变化其它识别方法不明显不明显不变不变不变时域波形严重削波四、转子油膜涡动和油膜振荡的故障机理及诊断方法油膜涡动和油膜振荡是由滑动轴承力学特性引起的自激振动。1. 振动机理以圆柱滑动轴承为例，由于交叉刚度系数不等于零，油膜弹性力有使轴颈失稳的因素。在不同的工作转速下，轴

28、颈中心位置如图所示，其位置还随载荷大小而变，轨迹近似为一个半圆弧，称为平衡半圆，即轴承中轴颈中心的位置并不是沿着载荷作用方向移动，其位置与工作转速及载荷大小有关。图25 轴颈中心轨迹图滑动轴承工作状态对于受载荷条件一定的滑动轴承，当轴颈转速不太高时，即使受到一个偶然的外部干扰力的作用，轴颈仍能回到平衡位置。轴颈转速升高达到一定数值后，一旦受外部干扰力作用，轴颈便不能回到初始位置，而沿一近似椭圆的封闭轨迹涡动，或者沿某一极不规则的扩散曲线振荡，这就形成了轴承的失稳状态。2. 油膜涡动的诊断方法表9 油膜涡动的振动特征1234567特征频率常伴频率振动稳定性振动方向相位特征轴心轨迹进动方向0.5&

29、#215;1×较稳定径向稳定双环椭圆正进动表10 油膜涡动的敏感参数133456振动随转速变化振动随负荷变化振动随油温变化振动随流量变化振动随压力变化其它识别方法明显不明显明显不变不变涡动频率随工作角频率升降，保持0.5×3. 油膜振荡的诊断方法表11 油膜振荡的振动特征1234567特征频率常伴频率振动稳定性振动方向相位特征轴心轨迹进动方向0.5×组合不稳定径向不稳定（突变）扩散不规则正进动表12 油膜振荡的敏感参数133456振动随转速变化振动随负荷变化振动随油温变化振动随流量变化振动随压力变化其它识别方法振动发生后，升高转速，振动不变不明显明显不变不变工作角

30、频率时突然发生；振动强烈，有低沉吼叫声；振荡发生前发生油膜涡动；异常振动有非线性特征五、转子弯曲的故障机理及诊断方法转子弯曲包括转子弓形弯曲和临时性弯曲两种故障。转子弓形弯曲是指转子轴呈弓形，它是由于转轴结构不合理、制造误差大、材质不均匀、转子长期存放不当等，发生永久弯曲变形或是由于热态停机时未及时盘车、热稳定性差、长期运行后转轴自然弯曲加大等原因造成的。转子临时性弯曲是指转子的转轴有较大预负荷、开机运行时暖机不足、升速过快、加载太大、转轴热变形不均匀等原因造成的。转子弓形弯曲和临时性弯曲是两种不同的故障，但其故障机理相同。1. 振动机理旋转轴弯曲时，由于弯曲所产生的力和转子不平衡所产生的力相

31、位不同，两者之间相互作用有所抵消，转轴的振幅将在某个速度下减小。当弯曲的作用小于不平衡时，振幅的减小发生在临界转速以下:当弯曲的作用大于不平衡时，振幅的减小就发生在临界转速以上。转子无论发生弓形弯曲还是临时性弯曲，它都要产生与质量偏心类似的旋转矢量激振力.同时在轴向发生与角频率相等的振动。这两种故障的机理与转子质量偏心相同。2. 诊断方法转子弓形弯曲和转子临时性弯曲的故障诊断，与转子质量偏心的诊断方法基本相同。其不同之处是，具有转子弓形弯曲故障的机器，开机启动时振动就较大；而转子临时性弯曲的机器，是随着开机升速过程振幅增大到某一值后振幅有所减小；转子质量偏心的机器是低速时振幅趋于零。六、转子支承系统联接松动的故障机理及诊断方法轴承松动是指机