设备状态监测与故障诊断基础

1、设备状态监测与故障诊断技术设备状态监测与故障诊断技术基基 础础 知知 识识郑州恩普特设备诊断工程有限公司设备故障诊断技术的含义设备故障诊断技术的含义在设备运行中或基本不拆卸全部设备的情况下，掌握设备的运行状态，判定产生故障的部位和原因，并预测预报未来状态的技术。是防止事故的有效措施，也是设备维修的重要依据。 振动是物体运动的一种形式，通常是指物体经过其平衡位置而往复变化的过程。 振动有时对人类是有害的，但有时人们可以利用振动来为我们服务。 只要是运转的机器，都或多或少地发生振动，因此，振动诊断在各种诊断方法中所占的比例最大，一般可达60%-70%。机械振动低频振动：f 1000 Hz 构成一个

2、确定性振动有3个基本要素，即振幅d、频率f 和相位。 当然，振幅不仅用位移，还可以用速度和加速度。要特别说明一个与振动有关的量就是速度有效值 ，也常被称为速度均方根值。这是一个经常用到的振动测量参数。目前许多振动标准都是采用 作为判别参数，因为它最能够反映振动的烈度。 幅值反映振动的强度，振幅的平方常与物质振动的能量成正比，振动诊断标准都是用振幅来表示的。 同样的振幅其频率越高，对机组损坏程度越大，因此不同转速的机组定义的振动标准值不同。 当频率和频率一定时，相位的大幅偏移就是故障（异常）的征兆。所谓振动信号处理，就是对振动波形进行加工处理，抽取与设备运行状态有关的特征，以便对设备状态实施有效

3、的判别。时域分析又包含有：波形图，自相关，互相关，轴心轨迹、轴心位置等。齿轮故障波形图具有明显的冲击特征频域分析又包含有：幅值谱, 功率谱, 倒频谱等。幅值谱分析是故障诊断的基本工具倒谱上的谱线是幅值谱中的周期性谱线族相域分析包含有：相位谱等另外，还有三维功率谱，细化谱等等 三维功率谱三维功率谱又叫三维谱阵、转速谱图、功率谱场、瀑布图等。是机器在起动或停车过程中，不同转速下功率谱图的迭加。纵坐标为纵坐标为机器的转速，自零升到额定转速（起动）、或从额定转速降到零（停车）；横坐标为横坐标为频率；竖坐标为竖坐标为振幅。三维功率谱是描述机器瞬态过程的有利工具。对机器振动做三维功率谱分析，可以了解机器通

4、过临界转速的振动情况，用来确定监测对象的固有频率判定是否存在不平衡等故障。 三维谱阵图是分析机组转子支撑系统动力学特性和非稳定区域监测的主要工具。所谓细化谱所谓细化谱，就是把一般频谱图上的某部分频段沿频率轴进行放大后所得到的频谱。采用细化谱分析的目的是为了提高图象的分辨率。从功能上看，细化谱的作用类似于机械制图中的“局部放大图”。一般的频谱图一般的频谱图其某其某频段的频段的现场测试诊断的实施步骤现场测试诊断的实施步骤 诊断步骤概括为准备工作、诊断实施和决策验诊断步骤概括为准备工作、诊断实施和决策验证等证等3个环节，具体分为个环节，具体分为6个步骤来介绍。个步骤来介绍。 一一. 了解被诊断的对象

5、了解被诊断的对象了解被诊断的对象是开展现场诊断的第一步。概括起来，对一台被列为诊断对象的设备要着重掌握4个方面的内容：设备的结构组成设备的结构组成 1）搞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（也叫做辅机，大多数采用电动机，也有用内燃机、汽轮机、水轮机）、工作机（也叫做主机）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。原动机（电动机）传动系统工作机（引风机）、电动机滚动轴承、引风机滚动轴承 2） 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，并在结构图上表明或另予说明。这些零件包括：轴承型式、滚动

6、轴承型号、齿轮的齿数，叶轮的叶片数、带轮直径、联轴器型式等。 二二. . 确定诊断方案确定诊断方案 在此基础上，接下来就要确定具体的诊断方案。诊断方案应包括以下几方面的内容。 1. 1. 选择测点选择测点 测点就是机器上被测量的部位，它是获取诊断信息的窗口。诊断方案正确与否关系到能否所需要的真实完整的设备状态信息，只有在对诊断对象充分了解的基础上才能根据诊断目的恰当地选择测点，具体要求如下： 有些设备的振动特征有明显的方向性，不同方向的振动信号也往往包含着不同的故障信息。即水平方向（H）、垂直方向（V）和轴线方向（A）。 水平垂直轴向一般来说水平振动幅值大于垂直方向幅值，当轴承盖松动时就会出现

7、垂直方向幅值大的现象，并伴随着高次频率成份。4. 4. 选择诊断仪器选择诊断仪器 测振仪器的选择除了重视质量和可靠性外，最主要的还要考虑两条： 1）仪器的频率范围要足够的宽，要求能记录下信号内所有重要的频率成分，一般来说要在10-10000Hz或更宽一些。对于预示故障来说，高频成分是一个重要信息，机械早期故障首先在高频中出现，待到低频段出现异常时，故障已经发生了。所以仪器的频率范围要能覆盖高频低频各个频段。 2）要考虑仪器的动态范围。要求测量仪器在一定的频率范围内能对所有可能出现的振动数值，从最高到最低均能保证一定的显示精度。这种能够保证一定精度的数值范围称为仪器的动态范围仪器的动态范围。对多

8、数机械来说，其振动水平通常是随频率变化的。 6. 6. 做好其它相关事项的准备做好其它相关事项的准备测量前的准备工作一定要仔细。为了防止测量失误，最好在正式测量前做一次模拟测试，以检验仪器是否正常，准备工作是否充分。比如检查仪器的电量是否充足，这看似小事，但也决不能疏忽，在现场常常发生因仪器无电而使诊断工作不得不终止的情况。各种记录表格也要准备好，真正做到“万事俱备”。 四四. . 实施状态判断实施状态判断 根据测量数据和信号分析所得到的特征信息，对设备的运行状态做出判断。首先，判断机器是否处于正常状态，然后对存在异常的设备做进一步的分析，指出故障的原因，部位和程度。 常见故障特征分析常见故障

9、特征分析 设备诊断实质上就是一种比较分类，在判断故障时，我们是将故障待检模式与故障样板模式相比较，把一个具体的故障（待检模式）归入到某种故障类型（样板模式）中去，如下图所示。任何一种机械故障，都具有自己的特征，故障特征是构成故障样板模式的基本要素。所以，对每种故障的表现形式要全面的了解和掌握，对一个故障与其它故障在表现形式上的相同点和区别要有清晰的认识，因为掌握各种常见故障的基本特征是判断设备故障的基础（先决条件）。输以其它方法故 障样板模式对 象待检模式比较判别故障标准设备（或零部件）类型部位程度故障诊断的基本方法一一. . 旋转机械故障诊断的特点旋转机械故障诊断的特点 旋转机械 指那些功能

10、是由旋转运动完成的机械。尤其指那些旋转速度较高的机械，如电动机、离心式压缩机、汽轮发电机、以及离心式鼓风机、离心式水泵、真空泵等，都属于旋转机械的范围。在对它们进行诊断时，必须注意它的以下几个特点。 故障特征频率与转频的三种关系故障特征频率与转频的三种关系 1 1） 同步振动同步振动 同步振动转子振动频率等于转子转速或倍频。强迫振动多表现为同步振动。转子不平衡属典型的同步振动，联轴器不对中一般也表现为同步振动。 2 2）亚同步振动）亚同步振动 亚异步振动其主要振动成分的频率低于转频，为转频的分数倍谐波。这多属自激振动，如滑动轴承的油膜振荡，涡轮机械的喘振等等。 3 3）超异步振动）超异步振动

11、超异步振动其主要振动成分的频率高于转频。如齿轮损坏时的啮合频率，叶轮叶片振动的通过频率即属此类。 注意：实际机组的振动往往是同时存在以上三种振动。注意：实际机组的振动往往是同时存在以上三种振动。获取旋转机械故障信号的主要途径获取旋转机械故障信号的主要途径： 1 1） 振动频率分析振动频率分析 旋转机械的每一种故障都各自的特征频率，在现场对其振动信号做频率分析是诊断旋转机械故障最有效的方法。 2 2）分析振幅的方向特征）分析振幅的方向特征 在有些情况下，旋转机械不同的故障类型在振动表现上有比较明显的方向特征。所以只要条件允许，对其测点进行振动测量时，都应该测量3个方向，因为不同的方向表现出不同的

12、故障特征。 3 3） 分析振幅随转速变化的关系分析振幅随转速变化的关系 旋转机械有相当一部分故障的振动幅值与转速变化有密切的关系，所以现场测量时，在必要的时候，要尽量创造条件，在改变转速的过程中测量机器的振幅值。表1 旋转机械故障的来源及主要原因故障来源主 要 原 因设计、制造1. 设计不当，动态特性不良，运行时发生强迫 振动或自激振动2. 结构不合理，有应力集中3. 工作转速接近或落入临界转速区4. 运行点接近或落入运行非稳定区5. 零部件加工制造不良，精度不够6. 零件材质不良，强度不够，有制造缺陷7. 转子动平衡不符合技术要求故障来源主 要 原 因安装、维修1.机器安装不当，零部件错位，

13、预负荷大2.轴系对中不良（对轴系热态对中考虑不够）3.机器几何参数（如配合间隙、过盈量及相对位置）调整位置不当4.管道压力大，机器在工作状态下改变了动态特性和安装精度5.转子长期放置不当，破坏了动平衡精度6.安装或维修工程破坏了机器原有的配合性质和精度运行操作1.机器在非设计状态下运行（如超转速、超负荷或低负荷运行），改变了机器工作特性2.润滑或冷却不良3.旋转体局部损坏或结垢4.工艺参数（如介质的温度、压力、流量、负荷等）不当，机器运行失稳5.启动、停机或升降速过程操作不当，暖机不够，热膨胀不均匀或在临界区停留时间长故障来源主 要 原 因机器恶劣1.长期运行，转子挠度增大2.旋转体局部损坏、

14、脱落或产生裂纹3.零、部件磨损、点蚀或腐蚀等4.配合面受力劣化，产生过盈不足或松动等，破坏了配合性质和精度5.机器基础沉降不均匀，机器壳体变形表2 转子质量偏心的振动特征12345678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 进动方向矢量区域1稳定径向稳定椭圆正进动不变表3 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零12345678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 进动方向矢量区域1突发性增大后稳定径向突变后稳定椭圆正进动突变后稳定表4

15、转子部件缺损的振动特征表5 转子部件缺损的敏感参数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振幅突然增加表6 转子质量偏心的故障原因故障来源1234设计、制造安装、维修运行、操作机器劣化主要原因结构不合理，制造误差大，材质不均匀，动平衡精度低转子上零件安装错位转子回转体结垢（例如压缩机流道内结垢）转子上零件配合松动故障来源1234设计、制造安装、维修运行、操作机器劣化主要原因结构不合理，制造误差大，材质不均匀转子有较大预负荷1.超速、超负荷运行2.零件局部损坏脱落转子受腐蚀疲劳，应力集中表7 转子部件缺损的故障原因123

16、45678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矢量区域12稳定径向、轴向稳定椭圆正进动矢量起始点大，随运行继续增大表8 转子弓形弯曲的振动特征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1.机器开始升速运行时，在低速阶段振动幅值就较大2.刚性转子两端相位差180表9 转子弓形弯曲的敏感参数12345678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矢量区域1稳定径向、轴向稳定椭圆 正进动升速时矢量逐渐增大，稳定运行后矢量减小表10 转子临时性弯曲的振动特征表11 转子临时性弯曲的敏

17、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升速过程振幅大，往往不能正常启动故障来源1234设计、制造安装、维修运行、操作机器劣化主要原因结构不合理，制造误差大，材质不均匀1.转子长期存放不当，发生永久弯曲变形2.轴承安装错位，转子有较大预负荷高速、高温机器，停车后未及时盘车转子热稳定性差，长期运行后自然弯曲表12 转子弓形弯曲的故障原因故障来源1234设计、制造安装、维修运行、操作机器劣化主要原因结构不合理，制造误差大，材质不均匀转子有较大预负荷升速过快，加载太大转子稳定性差表13 转子临时性弯曲的故障原因1234

18、5678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 进动方向矢量区域21、3稳定径向、轴向较稳定双环椭圆正进动不变表14 转子不对中的振动特征表15 转子不对中的敏感参数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明显有影响有影响有影响1.转子轴向振动较大2.联轴器相邻轴承处振动较大3.随机器负荷增加，振动增大4.对环境温度变化敏感故障来源1234设计、制造安装、维修运行、操作机器劣化主要原因对机器热膨胀量考虑不够，给定的安装对中技术要求不准1.安装精度未达到技术要求2.对热态时转子不对中变化量考虑不够1.超负荷运行2.机组

19、保温不良，轴系各转子热变形不同1.机器基础或机座沉降不均匀 ，时不对中超差2.环境温度变化大，机器热变形不同表16 转子不对中的故障原因表17 油膜轴承故障的主要原因 轴承故障 主 要 原 因巴氏合金松脱 轴瓦表面巴氏合金与基体金属结合不牢 轴瓦磨损1.转子对中不良2.轴承安装缺陷，两半轴瓦错位，单边接触3.润滑不良，供油不足4.油膜振荡或转子失稳时，由于异常振动的大振幅造成严重磨损 疲劳损坏（疲劳裂纹）1.轴承过载，轴瓦局部应力集中2.润滑不良，承载区油膜破裂3.轴承间隙不适当4.轴承配合松动，过盈不足5.转子异常振动，在轴承上产生交变载荷 腐 蚀 润滑剂的化学作用 气 蚀1.转子涡动速度高

20、，发生异常振动2.润滑油粘度下降或油中混有客气和水分等，使轴承内的油液在低压区产生微小汽泡，在高压区被挤破而形成压力冲击波冲击轴承表面，产生疲劳裂纹或金属剥落表18 油膜涡动的振动特征12345678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 矢量区域 1较稳定径向稳定双环椭圆正进动改变21123456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，保持表19 油膜涡动的敏感参数故障来源1234设计、制造安装、维修运行、操作机器劣化主要原因轴承设计或制造不符合技术要求1.轴承间隙不当2.轴

21、承壳体配合过盈不足3.轴瓦参数不当1.润滑油不良2.油温或油压不当轴承磨损，疲劳损坏，腐蚀及气蚀等表20 油膜涡动的故障原因21表21 油膜振荡的振动特征12345678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 进动方向矢量区域 （0.430.48)组合频率不稳定径向 不稳定（突变）扩散不规则正进动改变表22 油膜振荡的敏感参数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振动发生后，升高转速，振动不变不明显明显不变不变1.工作角频率等于或高于 时突然发生2.振动强烈，有低沉吼叫声3.振荡发生前发生油膜涡动4.异常振动有非线性

22、特征n221故障来源1234设计、制造安装、维修运行、操作机器劣化主要原因轴承设计或制造不符合技术要求1.轴承间隙不当2.轴承壳体配合过盈不足3.轴瓦参数不当1.润滑油不良2.油温或油压不当轴承磨损，疲劳损坏，腐蚀及气蚀等表23 油膜振荡的故障原因表24 旋转失速的振动特征12345678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 矢量区域 及 的成对次谐波组合频率振幅大幅度波动径向、轴向不稳定杂乱正进动突变s）（s表25 旋转失速的敏感参数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很明显不变很明显变化1.机器出口

23、压力波动大2.机器入口气体压力及流量波动表26 旋转失速的故障原因故障来源1234设计、制造安装、维修运行、操作机器劣化主要原因机器的各级流道设计不匹配1.入口滤清器堵塞2.叶轮流道或气流流道堵塞机器的工作介质流量调整不当，工艺参数不匹配机器气体入口或流道有异物堵塞表27 区别旋转失速与油膜振荡的主要方法区别内容 旋转失速 油膜振荡振动特征频率与工作转速的关系振动特征频率随转子工作转速而变油膜振荡发生后，振荡特征频率不随工作转速变化振动特征频率与机器进口流量的关系振动强烈程度随流量改变而变化振动强烈程度不随流量变化压力脉动频率的特点压力脉动频率与工作流速频率相等压力脉动频率与转子固有频率接近表

24、28 喘振的振动特征12345678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 矢量区域超低频（0.520Hz）1不稳定径向不稳定紊乱正进动突变表29 喘振的敏感参数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改变改变改变明显改变 明显改变1.振动剧烈2.出口压力和进口流量波动大3.噪声大，低沉吼叫，声音异常表30 喘振的故障原因故障来源1234设计、制造安装、维修运行、操作机器劣化主要原因设计制造不当，实际流量小于喘振流量，压缩机工作点离防喘线太近1.入口滤清器堵塞2.叶轮流道或气流流道堵塞1.压缩机的实际运行流量小于喘

25、振流量2.压缩机出口压力低于管网压力3.气源不足，进气压力太低，进气温度或气体相对分子质量变化大，转速变化太快及升压速度过快、过猛1.管道阻力增大2.管网阻力增加3.管路逆止阀失灵等表31 转子与静止件径向摩擦的振动特征12345678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矢量区域高次谐波、低次谐波及其组合频率1不稳 径向1.连续摩擦：反向位移、跳动、突变2.局部摩擦：反向位移1.连续摩擦：扩散2.局部摩擦：紊乱1.连续摩擦：反进动2.局部摩擦：正进动突变表32 转子与静止件径向摩擦的敏感参数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

26、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表33 转子与静止件径向摩擦的故障原因故障来源1234设计、制造安装、维修运行、操作机器劣化主要原因转子与静止件（如为轴承、密封、隔板等）的间隙不当1.转子与定子偏心2.转子对中不良3.转子动挠度大1.机器运行时热膨胀严重不均匀2.转子位移基础或壳体变形大表34 转子系统出现各次谐波的可能性振动频率（040）（4050）（50100）不规则出现的可能性（）40401010 表35 转子过盈配合件过盈不足的振动特征12345678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矢量区域 1（次谐波）1不稳径向杂乱不稳定正进动改变表3

27、6 转子过盈配合件过盈不足的敏感参数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有变化有变化不变不变不变1）转子失稳涡动频率2）振动大小与转子不平衡量成正比nt表37 转子过盈配合件过盈不足的故障原因故障来源1234设计、制造安装、维修运行、操作机械劣化主要原因转轴与旋转体配合面过盈不足1）转子多次拆卸，破坏了转轴与旋转体原有的配合性质2）组装方法不当超转速、超负荷运行配合件蠕变表38 转子支承系统联接松动的振动特征12345678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矢量区域基频及分数谐波2，3不稳定。工作转速达到某阈值

28、时，振幅突然增大或减小松动方向振动大不稳定紊乱正进动变动表39 转子支承系统联接松动的敏感参数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很敏感敏感不变不变不变非线性振动特征表40 转子支承系统联接松动的故障原因故障来源1234设计、制造安装、维修运行、操作机械劣化主要原因配合尺寸加工误差大，改变了设计所要求的配合性质支承系统配合间隙过大或紧固不良、防松动措施不当超负荷运行支承系统配合性质改变，机壳或基础变形，螺栓松动表41 密封和间隙动力失稳的振动特征12345678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矢量区域小于（1/

29、2）的次谐波1、（1/n)及n不稳定强烈振动径向不稳定紊乱并扩散正进动突变表42 密封和间隙动力失稳的故障原因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在某阈值矢稳很敏感明显改变不变有影响1）分数谐波及组合频率2）工作转速达到某阈值时突然振动剧烈表43 密封和间隙动力失稳的故障原因故障来源1234设计、制造安装、维修运行、操作机械劣化主要原因制造误差造成密封或叶轮在内腔的间隙不均匀转子或密封安装不当，造成密封或叶轮在内腔的间隙不均匀操作不当，转子升降速过快，升降压过猛，超负荷运行转轴弯曲或轴承磨损产生偏隙表44 转轴具有横向裂纹的振动特征 1

30、 2 3 4 5 6 7 8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 矢量区域半临界点的22、3等高频谱波不稳定径向、轴向不规则变化双椭圆或不规则正进动改变表45 转轴具有横向裂纹的敏感参数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 变化不规则变化不变不变不变非线性振动。过半临界点2谐波有共振峰值表46 转轴具有横向裂纹的故障原因故 障来 源1234设计、制造安装、维修运行、操作机器劣化主 要 原 因材质不良、应力集中检修时未能发现潜在裂纹及其频繁启动，升速、升压过猛，转子长期受交变力轴产生疲劳裂纹转子不平衡产生的原

31、因及频率特征转子不平衡产生的原因及频率特征旋转机械常见故障的振动诊断及实例旋转机械常见故障的振动诊断及实例转子不平衡转子不平衡不平衡不平衡类类 型型不平衡不平衡频频 谱谱实例实例1： 某公司有一台电动机，额定转速某公司有一台电动机，额定转速3000r/min，运行中发现振动异常，测取轴承部位的振动信号作频运行中发现振动异常，测取轴承部位的振动信号作频谱分析，其谱图如右下图所示。以电动机转频谱分析，其谱图如右下图所示。以电动机转频（50Hz）最为突出，判断电动机转子存在不平衡。最为突出，判断电动机转子存在不平衡。在作动平衡测试时，转子不平衡量达在作动平衡测试时，转子不平衡量达5000g.cm，远

32、远远超过标准允许值远超过标准允许值。经动平衡处理后，振经动平衡处理后，振动状态达到正常。动状态达到正常。 这个实例，故障典型，过程完整。它的价值在于印这个实例，故障典型，过程完整。它的价值在于印证了不平衡故障的一个最重要特征，激振频率等于转证了不平衡故障的一个最重要特征，激振频率等于转频，又通过动平衡测试处理进一步验证了诊断结论的频，又通过动平衡测试处理进一步验证了诊断结论的正确性。正确性。转子不平衡转子不平衡不平衡故障的典型频谱特征是工频分量占主导地位实例实例2： 某卷烟厂的锅炉引风机，型号某卷烟厂的锅炉引风机，型号Y2805-4型，型，转速转速1480r/min，功率功率75kW，结构简图

33、见图。结构简图见图。、引风机轴承测点电机测点测点方位H20.01526Hz4.62.52.4V5.53.41.04.5A3.72.41.6锅炉引风机振动速度有效值（mm/s rms）H H、V V、A A分别代表水平、垂直和轴向分别代表水平、垂直和轴向测点水平方向频谱转子不对中转子不对中联轴器不对中轴承不对中带轮不对中平行不对中角度不对中实例：实例： 某厂一台离心压缩机，结构如图所示。电动机某厂一台离心压缩机，结构如图所示。电动机转速转速15001500r/minr/min（转频为转频为2525HzHz）。）。该机自更换减该机自更换减速机后振动增大，速机后振动增大，A A点水平方向振动烈度值为

34、点水平方向振动烈度值为6.366.36mm/smm/s，位移位移D=150mD=150m，超出正常水平。超出正常水平。 明显的2X特征重新对中后2X基本消失地脚松动引起振动的方向特征及频率结构机械松动机械松动实例实例 某发电厂某发电厂1 1发电机组，结构如图。发电机组，结构如图。 1-汽轮机 2-减速机3-发电机 4-励磁机后轴承 前轴承汽轮机前后轴承振动值 um PPum PPH8530V156A2828摩擦摩擦高次谐波及其分数倍谐波是摩擦的主要频谱特征实例实例1 1： 某科研单位在双盘转子试验台上作振动试验。当转速某科研单位在双盘转子试验台上作振动试验。当转速升到升到1200012000r

35、/minr/min时，转子开始发生油膜振荡，振动值时，转子开始发生油膜振荡，振动值突然升高。其时在突然升高。其时在68687272HzHz频率处出现高幅值，并可频率处出现高幅值，并可以看到转轴与保护架内孔因发生强烈摩擦而发出强烈火以看到转轴与保护架内孔因发生强烈摩擦而发出强烈火花。这时振动信号的主要频率成分及其位移幅值时域波花。这时振动信号的主要频率成分及其位移幅值时域波形和频谱如图所示，各频率所对应的幅值见表。形和频谱如图所示，各频率所对应的幅值见表。 从波形图上可以看到，近似正弦波形在波峰处被从波形图上可以看到，近似正弦波形在波峰处被“截截断断”，呈典型的，呈典型的“截头状截头状”。在复杂

36、的频率结构中，由。在复杂的频率结构中，由于转子强烈摩擦而激起的转子多阶自振频率和转速倍频于转子强烈摩擦而激起的转子多阶自振频率和转速倍频占据着主导作用。这是一个感官观察（目视摩擦火花）占据着主导作用。这是一个感官观察（目视摩擦火花）与信号分析统一的典型的摩擦实例，对我们理解摩擦的与信号分析统一的典型的摩擦实例，对我们理解摩擦的本质特征很有参考价值。本质特征很有参考价值。12345678910频率3672108109145181217253289362幅值875112018224314533219213813196倍频关系1阶自振频率2阶自振频率转频3阶自振频率4阶自振频率2倍转频各特征频率幅值

37、及其倍频关系实例实例2 2： 某厂一台某厂一台3 3WW1B11B1型高压水泵的电动机，型高压水泵的电动机，转速转速14851485r/minr/min，泵轴转速泵轴转速225225r/minr/min，水水泵的轴承为滑动轴承，设备运行中发现水泵泵的轴承为滑动轴承，设备运行中发现水泵轴承的垂直方向（轴承的垂直方向（V V）振动强烈。其振动信振动强烈。其振动信号的时域波形、频谱如图所示。号的时域波形、频谱如图所示。 水泵轴承垂直方向的振动波形成单边水泵轴承垂直方向的振动波形成单边“截截头头”状，频谱结构主要是转频及其高次谐波，状，频谱结构主要是转频及其高次谐波，都呈典型的摩擦特征。后经检查发现，

38、该轴都呈典型的摩擦特征。后经检查发现，该轴承由于润滑油路堵塞而形成干摩擦。如此可承由于润滑油路堵塞而形成干摩擦。如此可见，频率分析结合波形观察，是诊断摩擦故见，频率分析结合波形观察，是诊断摩擦故障的有效方法。障的有效方法。波形出现“削顶”丰富的高次谐波 实例实例 某化肥厂的二氧化碳压缩机组，从某化肥厂的二氧化碳压缩机组，从19871987年年开始振动渐增，至开始振动渐增，至9 9月月4 4日高压缸振动突然升日高压缸振动突然升到报警值而被迫停车。到报警值而被迫停车。 机组运行过程中，在故障发生的前后，均机组运行过程中，在故障发生的前后，均对高压缸转子的径向振动作了频谱分析，谱图对高压缸转子的径向

39、振动作了频谱分析，谱图如图所示。故障发生前，振动信号中只有转频如图所示。故障发生前，振动信号中只有转频（f fr r）成分，故障发生时，谱图中除转频外，成分，故障发生时，谱图中除转频外，还有明显的半倍频成分。还有明显的半倍频成分。 油膜振荡油膜振荡故障发生前故障发生后注意0.5X的出现 实例 某冶炼厂一台用于余热发电的小型汽轮发电机组，汽轮机转速5550r/min（转频92.5Hz），发电机转速1500r/min（转频25Hz）。减速器小齿轮（主动齿轮）齿数z1=27，大齿轮（被动齿 轮 ） 齿 数 z2= 1 0 0 ， 齿 轮 啮 合 频 率 fm2497.5Hz，机组结构简图如图所示。综

40、合故障综合故障 机组于1998年1月初检修后，在试运行过程中振动一直不正常，到1月23日汽轮机测点轴承温度持续上升，操作工告急。为查明原因，对其进行了振动测量分析。 汽轮机测点、轴承部位的振动值见表47。其中测点垂直方向（V）的振动最大，且呈上升趋势。采用振通904数据采集器对该点作振动信号分析，水平（H）垂直（V）和轴向（A）三个方向的频谱图如图所示，其幅值参数为速度峰值。在三个方向的频谱图上都存在90Hz（近似于转频92.5Hz）振动和50Hz分频振动以及大量高次谐波，其中垂直方向振动最为强烈。频谱结构显示测点轴承振动信号存在严重的非线性问题。根据这些情况判断测点轴承轴瓦存在松动，并由松动

41、而引起摩擦，处于松动与摩擦并存状态。 41.907.49水平方向轴向频谱垂直方向 1998年1月26日拆机检查，发现测点轴承下轴瓦表面巴氏合金局部龟裂脱落，有摩擦烧伤痕迹所示。分析产生这种情况的原因在于轴瓦没有正确定位，运行中与瓦座之间发生相对摩擦，引起轴承发热，致使巴氏合金在高温高压下碎裂，由此又进一步加大了摩擦，使振动日益增大。 在处理故障时，更换了轴瓦，重新调整了轴承间隙，紧固了各联结部位，刮研了轴瓦接触表面使之保持良好的接触。机组于2月18日投入运行，3月4日进行了复测，测点轴承的振动值垂直方向的速度有效值较处理前降低了3倍，位移峰峰值降低了近4倍。其频谱结构如图所示。 这时，转频分量

42、（90Hz）大为减弱，低频分量（50Hz）已经消失，高次谐波成分减少，且幅值显著降低。水平方向垂直方向轴向 这是一个比较典型的实例，类似这样的情况在现场诊断中经常会碰到。机器上有些配合件的松动故障往往与摩擦故障联系在一起，它们之间存在着因果关系。由于配合件松动，机器在运行中常引起零件的相对移动而产生摩擦，所以在频谱上常出现类似两种故障频率的复杂情况。在这里松动是原发故障，摩擦属引发故障。掌握了其中的规律，对我们作现场故障分析很有助益。1. 滚动轴承信号的频率结构 滚动轴承主要振动频率有：（1）通过频率 当滚动轴承元件出现局部损伤时（如图中轴承的内外圈或滚动体出现疲劳剥落坑），机器在运行中就会产

43、生相应的振动频率，称为故障特征频率，又叫轴承通过频率。 各元件的通过频率分别计算如下： 滚动轴承故障的振动诊断及实例滚动轴承故障的振动诊断及实例 1）内圈通过频率( )，即内圈上的某一损伤点与滚动体接触过程中产生的频率： （44） 2）外圈通过频率( )，即外圈上的某一损伤点与滚动体接触过程中产生的频率： （45）3）滚动体通过频率( )，即滚动体上某一损伤点与内圈或外圈接触过程中产生的频率： （46）滚动轴承故障的振动诊断及实例滚动轴承故障的振动诊断及实例 if1(1cos)2irdffD0f01(1cos)2rdffDbf2211 () cos2brDdffdD4）保持架通过频率（ ）：

44、式中 滚动轴承内圈的回转频率（Hz）， n/60, n为内圈的转速； 滚动体直径（mm）； 轴承节径（mm）； 滚动体个数； 压力角（又称接触角，有时用 表示）。以上这些参数值，可以在有关设计手册或轴承手册中查到。滚动轴承故障的振动诊断及实例滚动轴承故障的振动诊断及实例cf1(1cos)2crdffDrfrfdDz滚动轴承各结构参数所表示的意义参看图。 上述公式中的计算符号适用于轴承外圈固定内圈转动的情况。如果轴承内圈固定，外圈转动，那么计算公式中的加减符号要改变，即“”变“”，“”变“”。不过这种内圈固定的情况很少见。 滚动轴承故障的振动诊断及实例滚动轴承故障的振动诊断及实例（2）几种滚动轴

45、承通过频率的简化近似计算 在现场，有时因为轴承参数掌握不全，不便作频率计算。或者为了节省时间，希望尽快得出分析结果，为此，我们这里推荐几个简化近似计算公式： 1) 内圈通过频率（Hz）简化计算式： 2) 外圈通过频率（Hz）简化计算式： 3) 保持架通过频率（Hz）简化计算式： 采用简化计算所带来的误差很小，约3，作一般分析还是能满足要求的。 滚动轴承故障的振动诊断滚动轴承故障的振动诊断0.6irff z00.4rff z0.4crff 实例实例1 1 一台单级并流式鼓风机，由30KW电动机减速后拖动，电动机转速1480r/min,风机转速900r/min。两个叶轮叶片均为60片，同样大小的两

46、个叶轮分别装在两根轴上，中间用联轴器链接，每轴由两个滚动轴承支承，风机结构如图所示。 该机组自1986年1月30日以后，测点的振动加速度从0.07g逐渐上升，至6月19日达到0.68g，几乎达到正常值的10倍。为查明原因，对测点的振动信号进行频谱分析。轴承的几何尺寸如下： 轴承型号：210； 滚动体直径：d12.7mm； 轴承节径：D70mm； 滚动体个数：z10； 压力角：00。轴承的特征频率计算： 鼓风机转速频率： n/60=900/60=15(Hz)； 轴承内圈通过频率： 轴承外圈通过频率： 滚动体通过频率：rf01(1cos )2112.715 (1cos0 ) 1027088.6()

47、irdffzDHz001(1cos)2115 (1cos0 ) 1061.3()2rdffzDdHzD2222011 () cos217012.715 1 () cos 0 212.77040.6()brDdffdDHz测点的时域波形和高低两个频段的频谱。 高频低频波形 在图a所显示的高频段加速度的频谱图上，出现1kHz以上的频率成分1350Hz和2450Hz，行成小段高频峰群，这是轴承元件的固有频率。图b是低频段的频谱，图中清晰地显示出转速频率（15Hz），外圈通过频率（61Hz），内圈通过频率（88Hz）及外圈通过频率的2次、3次谐波（122Hz和183Hz），图c是加速度时域波形，图上显

48、示出间隔为5.46ms的波峰，其频率亦为183Hz（10005.46183Hz），即为外圈通过频率的三次谐波，与频谱图显示的频率相印证（见图438b），据两个频段分析所得到的频率信息，判断轴承外圈存在有故障，如滚道剥落、裂纹或其它伤痕。同时估计内圈也有一些问题。实例实例2 某单位有一台变频机组，主轴转速2996r/min(轴频50Hz)，设备结构如图所示，通过计算，机器上端轴承各特征频率分别为：内圈 390Hz，外圈 260Hz，滚动体 117Hz，保持架 20Hz。if0fbfcf1主轴 2轴承 3轴承座4冷却管 5密封 在一个月的时间内，变频机运行不正常。对A出的速度信号作频率分析。频谱图

49、中20Hz的频率峰值最突出，呈保持架的特征频率。此处还有转速频率及分数倍低次谐波，说明有非线性问题存在，频谱结构如图所示。 从时域波形图上可见，其振动波形上下不对称，下边呈“截头”状，上边尖锐突出，呈摩擦特征，见图441。拆机检查时见，轴承座孔有滑动摩擦痕迹，孔径呈不均匀磨损，保持架破裂。经查明，引起故障的原因，主要是在于安装不良，对中性不好所致。 实例实例1 1 某厂一台轧机减速器，1994年4月大修，投入运行后振动很大，对其进行简易振动诊断。减速器结构如图。电动机为可调速电动机，工作转速500r/min，功率970kw，小齿轮齿数50，大轮齿数148。 齿轮机构故障的振动诊断齿轮机构故障的

50、振动诊断 当电动机转速调至150r/min时，减速器振动值Vrms见表411。 从测值看，测点（2）、（4）（低速轴轴承）的振动值均大于高速轴。测点 VAVAVAVA6.57.814.4 12.69.58.313.311.8rmsV电动机转速为150r/min时减速器振动值（单位：mm/s）注：V为垂向；A为轴向 电动机转速为150r/min时，对测点（2）垂直方向（V）作频率分析，其时低速轴转速为51r/min，转频为0.85Hz，谱图如图456所示。 频谱图上没有出现啮合频率fm （fm0.85148125.8Hz），却出现了213Hz这个突出的峰值。然后对213Hz附近的频段作细化谱分析

51、，谱图如图所示。这时发现，213Hz的两旁的边频间隔为0.85Hz，恰好是低速轴转频。 测点垂直方向频谱测点垂直方向细化频谱 与此同时，在该转速下，对测点（1）（2）垂直方向的振动信号作时域波形分析，其波形图分别如图a、b所示。 从时域波形图上可以看出，高速轴（测点（1）振动波形属常规振动（见图458a），低速轴（测点（2）的时域波形有明显的冲击信号（见图458b），其脉冲间隔为1176ms，相当频率值0.85Hz（100011760.85Hz）, 即为低速轴转频。 为了进一步查明原因，把电动机转速调至500r/min，对测点（2）垂直方向作频谱分析，其频谱图如图。其实，213Hz频率依然存在

52、，它不随转速而变化。此时，该频率的边频谱线的间隔为2.5Hz，等于低速轴转频。 可以推测，213Hz这个不随转速而改变的频率是齿轮的固有频率。机器运行中，由于齿轮啮合的强烈冲击（见图458b）激发了齿轮以固有频率振动。 根据所获得的信息，可以推断齿轮存在严重故障（如轮齿变形等），而且主要振源在大齿轮上。 在检修处理时拆开减速器检查，发现两个齿轮的轮齿表面的錾锉痕迹很显眼，凹凸不平，这样粗糙的齿面在轮齿啮合时必然产生严重冲击。另外，大齿轮有5个轮齿的齿顶边缘因长期挤撞而呈台阶突起，高达56mm，齿轮在运转时必然出现大齿轮的轮齿顶撞小齿轮的轮齿根部，齿轮在这种恶劣的状态下运行，激起齿轮固有频率是理

53、所当然的。强劲的固有频率分量湮没了齿轮啮合频率的分量，所以在谱图中没有出现啮合频率分量的谱线。 后来经过了解，该机在大修时，由于没有新齿轮备件更换，只得用一对使用过的旧齿轮稍加修理后代用，所以造成这种被动的局面。 本例从振动幅值的变化，分析了故障频率特征，并对时域波形进行观察，然后通过改变转速测量，查明了故障原因，最后揭盖检查得到了验证，诊断过程完整，思路清晰，是一个很典型的现场实例。 实例实例2 2 某厂一台小型汽轮发电机组，在汽轮机与发电机之间用减速箱减速。汽轮机转速5550r/min，发电机转速1500r/min，小齿轮齿数27，大齿轮齿数100。齿轮啮合频率为2497.5Hz。 在一次

54、年终检修前，采用便携式仪器对其进行了振动测量，其中变速器小齿轮轴承测点水平方向的振动值见表，加速度峰值显得特别突出。参数名称 加速度峰值（Ap/(mm/s2) ） 速度有效值（Vrms/(mm/s) ） 位移峰峰值（Dp-p/m）测值217.62.8217.96汽轮发电机组减速器小齿轮轴承水平方向振值 为查明情况，在现场利用便携式仪器对其振动信号作频谱分析，其频谱如图所示。 谱图上出现了三个特征频率2500Hz，5000Hz和7500Hz，分别为齿轮的啮合频率及其2次，3次谐波，其中以2次谐波的速度峰值较为突出，其他两个分量都很弱小。这表明减速器齿轮存在早期故障迹象。后来在揭盖检查时，未发现明

55、显的齿轮缺陷，因为齿轮状态这种细微的变化用肉眼是很难察觉的。 实例实例3 3 某有色金属加工厂的一台3W1B1型高压水泵，通过减速器把电动机与水泵的曲轴连接起来。电动机转速1485r/min，减速器小齿轮齿数z1为24齿，大齿轮齿数z2为155齿，其结构简图如图。 该机在检修前进行了振动测量分析，发现减速器小齿轮轴承测点、振动值较大，见表。 测点HVAHVAA7.06.621.510.713.721.5机组检修前加速度有效值m/s*s 对测点、水平方向的振动信号作频谱分析，频谱结构分别如图a和图b。检修前检修后 两测点振动信号的频率结构基本一致，主要频率有齿轮啮合频率fm（fm14856024

56、594Hz）及其2倍 频 （ 2 fm= 5 9 4 2 = 1 1 8 8 H z ） 和 3 倍 频（3fm=5943=1782Hz），且2、2次谐波分量幅值较大，同时啮合频率及其倍频两旁还有较多的边频成分以及低次谐波。边频间距为24.4Hz，与小齿轮的转频24.75Hz基本一致，边频成分分布比较几种，呈分布故障特征。据此，判断小齿轮存在较为严重的磨损故障。在揭盖检查时，得到了验证，实际情况与分析结论基本一致。修理时更换了小齿轮，振动值下降到正常水平。 检修后的频谱图分别如图b。其时啮合频率的谐波分量大为减弱或消失，边频已不复存在，说明齿轮的运行状况有所改善。 本例的特点在于，齿轮故障的频

57、率特征很明显，随着故障的排除，故障特征频率发生了很大的变化，有的消失，有的减弱。这再一次证明利用频率分析诊断齿轮故障是很有成效的。本例的另一个特点是将故障处理前后的振动值及其频率特征作对比分析，这是故障诊断中应当坚持的基本原则，值得借鉴。 实例实例1 1 某钢铁厂化铁炉除尘风机，型号D28，电动机功率800Kw，转速750 rpm ，结构简图如下。 简易振动故障类型识别方法简易振动故障类型识别方法主频率识别法主频率识别法 机组1992年8月中修后运行了一段时间振动逐渐增大，到1993年1月，测点水平方向同振动值达到15.15mm/s。当时在现场作了频谱分析，谱图如图所示。 测点最大峰值频率为1

58、2.65Hz，与转频基本一致。此外还有弱小的2倍频分量及少量微弱的高次谐波。 由于测点靠近风机叶轮，1倍频分量又占绝对优势且又是水平方向振动最大，根据这些情况，判断风机叶轮存在较严重的不平衡。在拆机检查过程中发现，叶轮周边存在严重的不均匀磨蚀，破坏了转子平衡。根据设备管理部门反映，由于通风系统的除尘装置停用3个多月，气流中铁砂含量剧增，加快了叶轮的磨损，而且叶片上不均匀地粘附着大量的粉尘杂质，蜗壳下步积满了炉灰，更加剧了叶轮的不平衡损坏。在检修时更换了叶轮，清除了蜗壳内积存的粉尘，恢复使用了除尘装置，此后，风机运行正常。 实例实例2 2 某发电厂4号机组2循环泵，1994年11月对轴承的振动信

59、号作频谱分析，谱图上出现了滚动轴承的故障特征频率206Hz和239Hz，但信号比较弱小，处于早期故障。到1995年2月振动变得严重起来，其时对轴承从高低两个频段作了振动频率分析，谱图如图。在低频段的谱图中，轴承的故障特征频率显得十分突出（见图a），而在高频段在25KHz的范围内出现了峰值逐渐增大的频谱峰群，显示了故障轴承的固有频率特征。因此可以肯定轴承已存在较为严重的故障。 低频段频谱高频段频谱 2泵在检修时更换了轴承，其时振动频谱发生了显著的变化。谱图上，低频段谱峰消失，高频段的强劲峰群也减缩成低矮的“丘陵”状了。对滚动轴承来说，这种高频峰群与低频特征一样都是滚动轴承存在故障的标志，这是它区

60、别于其他故障的地方。所以从频率领域识别故障类型时必须具体对象具体分析。低频段高频段实例实例 某单位从国外引进一台离心压缩机，汽轮机额定工作转速10920rpm，功率4850kW，结构简图如图。 简易振动故障类型识别方法简易振动故障类型识别方法共变法共变法汽轮机压缩机低压缸压缩机高压缸 这台机组运行半年之后振动逐步增大，在70的负荷下，位移振幅达到75m，其中测点的垂直振动最大。为了查明故障原因，在保持机组负荷不变的条件下，改变汽轮机的转速，分别对3种转速下的振动信号作频谱分析，频率结构如图所示。 汽机转速7500r/min汽机转速9975r/min汽机转速10800r/min 实例实例 某矿一