故障诊断4-旋转机械的振动监测与诊断

1、04.1、旋转机械的振动及故障概论、旋转机械的振动及故障概论1) 1) 机械设备振动的特点：机械设备振动的特点： 4.1.1 4.1.1 旋转机械的振动及故障概论旋转机械的振动及故障概论 振动存在的广泛性；振动存在的广泛性；振动监测的有效性；振动监测的有效性；振动的可识别性；振动的可识别性；振动识别的复杂性。振动识别的复杂性。12) 2) 振动信号的系统特征振动信号的系统特征 故障振动特征不仅取决于故障，而且还受到系统故障振动特征不仅取决于故障，而且还受到系统特性的影响，从系统的观点来分析，有利于对问题进特性的影响，从系统的观点来分析，有利于对问题进性描述。性描述。系统输入输出关系表达为：系统

2、输入输出关系表达为：24.1.2 4.1.2 转子系统、转子振动和转子故障的分类转子系统、转子振动和转子故障的分类 按转子系统在坐标平面内发生的振动形式按转子系统在坐标平面内发生的振动形式分为如下三种：分为如下三种：横向振动横向振动-振动发生在包括转轴的横向平面内；振动发生在包括转轴的横向平面内；轴向振动轴向振动-振动发生在转轴的轴线方向上；振动发生在转轴的轴线方向上；扭转振动扭转振动-沿转轴轴线发生的扭振；沿转轴轴线发生的扭振；旋转机械故障所旋转机械故障所激发的振动多为激发的振动多为横向振动。横向振动。以临界转速为分界可把转子系统分为两种：以临界转速为分界可把转子系统分为两种：刚性转子系统刚

3、性转子系统-工作转速在（一阶）临界以下的工作转速在（一阶）临界以下的转子系统转子系统 ；柔性转子系统柔性转子系统-工作转速在（一阶）临界转速以工作转速在（一阶）临界转速以上的转子系统上的转子系统 。3 按转子类型及其振动性质不同，可将旋转按转子类型及其振动性质不同，可将旋转机械主要故障作以下分类，见下图：机械主要故障作以下分类，见下图：44.2、诊断信息的表达与分析、诊断信息的表达与分析4.2.1 4.2.1 波形分析法波形分析法 波形分析方法主要是通过观察振动波形的特波形分析方法主要是通过观察振动波形的特征来获取诊断信息。征来获取诊断信息。54.2.2 4.2.2 频谱分析法频谱分析法 频谱

4、图是用频谱分析法提取诊断信息的一种方法，频谱图是用频谱分析法提取诊断信息的一种方法，常采用常采用FFT来对采样序列进行计算。来对采样序列进行计算。61 1）幅值谱及相位谱）幅值谱及相位谱振动信号中主要由哪些频率成分及谐波分振动信号中主要由哪些频率成分及谐波分量所组成量所组成 ；组成的谐波分量中哪些频率成分的幅值最组成的谐波分量中哪些频率成分的幅值最为突出，这提示着和故障的某种关系。为突出，这提示着和故障的某种关系。72 2）阶比幅值谱）阶比幅值谱将频谱图中的频谱轴（横坐标）改用工作频率的倍将频谱图中的频谱轴（横坐标）改用工作频率的倍数来表示，而纵坐标仍表示幅值，称为阶比幅值谱。数来表示，而纵坐

5、标仍表示幅值，称为阶比幅值谱。83 3）( (自自) )功率谱功率谱信号自功率谱表示信号样本中所含能量沿频率轴的信号自功率谱表示信号样本中所含能量沿频率轴的分布状况。多用于随机信号分析中。分布状况。多用于随机信号分析中。94.2.3 4.2.3 轴心轨迹分析法轴心轨迹分析法 1 1）轴心轨迹的测量）轴心轨迹的测量采集两个相互垂直的方向上轴心相对于轴采集两个相互垂直的方向上轴心相对于轴承的位移信号承的位移信号 ，将信号放大并消除直流分，将信号放大并消除直流分量后即可在示波器上或量后即可在示波器上或x-yx-y绘图仪上合成为绘图仪上合成为轴心轨迹轴心轨迹 。102 2）轴心轨迹的分析方法）轴心轨迹

6、的分析方法u轴心轨迹的形状轴心轨迹的形状轴心轨迹的形状与机器的运行状态及发生故障的类型轴心轨迹的形状与机器的运行状态及发生故障的类型有密切关系，主要包括几种典型轴心轨迹图。有密切关系，主要包括几种典型轴心轨迹图。不平衡不平衡-不平衡引起的轴心轨迹理论上应为圆形，但由于轴不平衡引起的轴心轨迹理论上应为圆形，但由于轴承油膜刚度在承油膜刚度在x x、y y方向上的差别，以及其他一些因素的影响，方向上的差别，以及其他一些因素的影响，实际上是一个椭圆实际上是一个椭圆 。如下图为汽轮发电机过程中的基频分量的。如下图为汽轮发电机过程中的基频分量的仿真轴心轨迹图仿真轴心轨迹图 。11不对中不对中-不对中轴心轨

7、迹主要由二倍频、四倍频谐波分量由不对中轴心轨迹主要由二倍频、四倍频谐波分量由计算机仿真合成。下图为存在不同程度不对中缺陷时的轴心轨计算机仿真合成。下图为存在不同程度不对中缺陷时的轴心轨迹。随着不对中的增大，轨迹由椭圆变为迹。随着不对中的增大，轨迹由椭圆变为香蕉形香蕉形，最后，最后变为变为“8 8”字形字形。亚同步振动亚同步振动由于涡动频谱并非恰为转子旋转频率的一半以由于涡动频谱并非恰为转子旋转频率的一半以及内摩擦失稳等原因造成的。及内摩擦失稳等原因造成的。12 油膜涡动轴心轨迹再线显示油膜涡动轴心轨迹再线显示13 油膜涡动轴心轨迹提取油膜涡动轴心轨迹提取 14 油膜振荡轴心轨迹油膜振荡轴心轨迹

8、 15转子与静止部件的碰撞和摩擦转子与静止部件的碰撞和摩擦-图图a a、b b、c c、d d为转子与静止为转子与静止件产生不同程度的件产生不同程度的碰撞和摩擦碰撞和摩擦时的轴心轨迹。时的轴心轨迹。16u轴心轨迹的旋转方向轴心轨迹的旋转方向若轴的旋转方向与轴心轨迹旋转方向一致，称为若轴的旋转方向与轴心轨迹旋转方向一致，称为正向进动；反之，称为逆向进动。一般情况下为正向进动；反之，称为逆向进动。一般情况下为正向进动。转子和定子之间的干摩擦和某些具有正向进动。转子和定子之间的干摩擦和某些具有螺旋桨的旋转机械由于叶片的动力作用，则会产螺旋桨的旋转机械由于叶片的动力作用，则会产生逆向进动。生逆向进动。

9、 u轴心轨迹的稳定性轴心轨迹的稳定性一般情况下，轴心轨迹保持稳定。一旦发生形状一般情况下，轴心轨迹保持稳定。一旦发生形状大小的变化或轨迹紊乱，则提示着机器运行状态大小的变化或轨迹紊乱，则提示着机器运行状态已发生了变化或进入异常状态。已发生了变化或进入异常状态。 174.2.4 4.2.4 转速跟踪分析方法转速跟踪分析方法 设备诊断分析包括：稳态分析方法；转速跟踪分析法。设备诊断分析包括：稳态分析方法；转速跟踪分析法。 1 1）奈奎斯特）奈奎斯特( Nyquist)( Nyquist)图和波德图和波德(Bode(Bode）图）图奈奎瑟特图奈奎瑟特图是极坐标表示法，取振动信号是极坐标表示法，取振动

10、信号基频分量的幅值为极坐标的模，基准相位角基频分量的幅值为极坐标的模，基准相位角为幅角，构成极坐标平面上的一个点为幅角，构成极坐标平面上的一个点。波德图波德图是各转速下基频分量的幅值和基准是各转速下基频分量的幅值和基准相位角分别绘制在相位角分别绘制在转速转速- -幅值幅值和和转速转速- -相位相位两两个直角对数坐标系的图上个直角对数坐标系的图上。182 2）瀑布图和坎贝尔图）瀑布图和坎贝尔图瀑布图又称瀑阵图瀑布图又称瀑阵图是将振动信号的功率谱或是将振动信号的功率谱或幅值谱随着转速的变化叠置而成的三维谱图幅值谱随着转速的变化叠置而成的三维谱图。19坎贝尔图坎贝尔图是横坐标为转速，纵坐标为频率，斜

11、是横坐标为转速，纵坐标为频率，斜线为各倍频分量频率的阶次比线为各倍频分量频率的阶次比f f/ /f fr r。204.2.5 4.2.5 统计分析方法统计分析方法 统计分析方法是对振动信号中各频率分量的统计分析方法是对振动信号中各频率分量的综合影响用统计方法进行量化处理的一种方法。综合影响用统计方法进行量化处理的一种方法。 1 1）常用的诊断指标）常用的诊断指标振动峰峰值（振动峰峰值（值）值） ：常用的峰峰值：常用的峰峰值为振动位移和加速度的峰峰值为振动位移和加速度的峰峰值x xp-pp-p和和a ap-pp-p；21振动烈度（振动速度的均方根，或有效值）振动烈度（振动速度的均方根，或有效值）

12、v vrmsrms。 v vrmsrms是根据振动速度曲线的均方根值求是根据振动速度曲线的均方根值求出的；出的； 振动烈度振动烈度表征着振动的威力或破坏能力，故称振表征着振动的威力或破坏能力，故称振动烈度。它是一种比较敏感的诊断指标，广泛应用动烈度。它是一种比较敏感的诊断指标，广泛应用于各种测振标准中，特别在设备的简易诊断中应用于各种测振标准中，特别在设备的简易诊断中应用最为广泛。最为广泛。).(21212222112nnkkrmsvvvvv22无量纲指标。无量纲指标。波形指标峰值指标脉冲指标裕度指标xxKrmsrmspxxC xxIprpxxL TrdttxTx022/1)(1(均方根值均方

13、根值TdttxTx0)(1(样本的绝样本的绝对平均值对平均值23功率谱图导出的诊断指标功率谱图导出的诊断指标谱图均方值谱图重心峰值指标谱图方差NkkNkkxxMS122124NkkNkkkxxxC12122NkkNkkkxxxR1211)2(412112212NkkNkxkNkkNkkxxxxxVMSMS，C C及及R R用于描绘谱图主峰位置的变化，而用于描绘谱图主峰位置的变化，而V V则用于描则用于描述谱图能量分布的分散程度。实践表明，计算上述诊断述谱图能量分布的分散程度。实践表明，计算上述诊断指标比计算功率谱快且比较敏感。指标比计算功率谱快且比较敏感。244.3、旋转机械故障的简易诊断方法

14、、旋转机械故障的简易诊断方法 简易法是通过便携测振仪拾取信号，并直接由简易法是通过便携测振仪拾取信号，并直接由信号的某些参数或统计量构成诊断指标。信号的某些参数或统计量构成诊断指标。 4.3.1 4.3.1 振动信号的测定振动信号的测定 1 1）正确地选择测定方式和测定参数）正确地选择测定方式和测定参数A低频范围低频范围(10100Hz): 位移参数（位移参数（xp-p，xp，xrms 等）；等）； A中频范围中频范围(101000Hz): 速度参数（速度参数（xrms 等）；等）； A高频范围高频范围(1k Hz): 加速度参数（加速度参数（arms ，ap-p等）；等）； 252 2）合理

15、地布置测点）合理地布置测点A主要测点布置：主要测点布置：反映振动特征最敏感的部位反映振动特征最敏感的部位即轴承部位即轴承部位 ； A辅助测点的布置：辅助测点的布置：可布置在机壳、箱体、基可布置在机壳、箱体、基础等部位（参看课本础等部位（参看课本p83） ； A测定振动时的注意事项：测定振动时的注意事项：应遵循如下原则，应遵循如下原则，即每次测量要在同一测点进行，否则会因传递即每次测量要在同一测点进行，否则会因传递通道不同造成结果误差；其次，保证工况相同；通道不同造成结果误差；其次，保证工况相同；测量的参数相同；使用的仪器和测量方法相同。测量的参数相同；使用的仪器和测量方法相同。263 3）选择

16、合适的测定周期）选择合适的测定周期A高速旋转机械（压缩机、透平机）：高速旋转机械（压缩机、透平机）：每月测定每月测定 ； A一般旋转机械（风机、水泵、机床等）：一般旋转机械（风机、水泵、机床等）：每月测定每月测定 ； 测点方向选择测点方向选择:低频振动一般都要从径向水平、径向垂径向水平、径向垂直和轴向直和轴向三个方向来评定振动状况，这是因为载荷的影响和故障的变化，造成测点的三个方向的振动不一样，总有一个或两个方向反应敏感。274.3.2 4.3.2 简易诊断方法原理简易诊断方法原理 1 1）统计分析法和劣化趋势图）统计分析法和劣化趋势图位移峰峰值位移峰峰值xp-p及振动烈度及振动烈度vrms用

17、得最多。用得最多。 按规定的周期，将测定的数据（统计量）按时间顺序排按规定的周期，将测定的数据（统计量）按时间顺序排列即可获得劣势趋势图，并可识别和预测设备的状态。列即可获得劣势趋势图，并可识别和预测设备的状态。282 2）简易诊断判别标准的制定）简易诊断判别标准的制定绿区：正常使用，状态良好；绿区：正常使用，状态良好；黄区：过渡状态，注意维护；黄区：过渡状态，注意维护；红区：严重危险，随时停机。红区：严重危险，随时停机。A设备劣化曲线。设备劣化曲线。 29A绝对标准绝对标准 将测定的数据或统计量直接与标准阈值相比较以判将测定的数据或统计量直接与标准阈值相比较以判断设备所处的状态。断设备所处的

18、状态。A相对标准相对标准 相对标准是以正常状态的测定值为初值，以当前相对标准是以正常状态的测定值为初值，以当前实测数据达到初值的倍数为阈值来判断设备当前实测数据达到初值的倍数为阈值来判断设备当前所处的状态。所处的状态。 相对标准中初值的确定极为重要，一般至少要取六相对标准中初值的确定极为重要，一般至少要取六个有效数据进行平均后作为初值。个有效数据进行平均后作为初值。30A类比标准类比标准 对同规格型号、同运行工况的若干设备，在缺乏对同规格型号、同运行工况的若干设备，在缺乏必要的标准时可采用类比标准进行状态判别。必要的标准时可采用类比标准进行状态判别。 类比标准：对数台设备的同一部位进行测定，并

19、对类比标准：对数台设备的同一部位进行测定，并对测定值进行相互比较，而判定某台设备是否发生异常。测定值进行相互比较，而判定某台设备是否发生异常。 类比标准只能用于结构及工况比较简单的小型机械类比标准只能用于结构及工况比较简单的小型机械上（如水泵）。对于大型高速的旋转机械，其可比的条上（如水泵）。对于大型高速的旋转机械，其可比的条件相差很大，不宜采用类比标准。件相差很大，不宜采用类比标准。方法优先顺序：方法优先顺序：绝对标准绝对标准 相对标准相对标准 类比标准类比标准31简易诊断案例：简易诊断案例：1）设备简图及测点布置：）设备简图及测点布置：各测点均配各测点均配置涡流式位置涡流式位移传感器移传感

20、器2）故障简况：）故障简况： T1 T1 发现中压气缸进口端测点发现中压气缸进口端测点4 4表头显示轴振动优表头显示轴振动优19um19um增至增至65um65um，超过预设报警值，超过预设报警值38um38um，跳车停机。为避，跳车停机。为避免贸然停机，采用免贸然停机，采用Vm-63Vm-63便携式振动计进行监测。便携式振动计进行监测。323）监测方法：）监测方法： 振动计用于监测轴承的绝对振动。测量中以中压缸振动计用于监测轴承的绝对振动。测量中以中压缸的进口端的进口端3 3，测定餐位为，测定餐位为vrmsvrms及及xp-pxp-p，并分别测试垂直，并分别测试垂直（V)V)和水平（和水平（

21、H H）两个方向的数据。）两个方向的数据。 根据监测趋势图，测点振动数据基本保持稳定，而根据监测趋势图，测点振动数据基本保持稳定，而未超出给定的阈值。未超出给定的阈值。4）趋势图分析：）趋势图分析： 大修检查结果：中压缸止推轴承推力盘磨损，副推大修检查结果：中压缸止推轴承推力盘磨损，副推力瓦基破裂，因而引起振动。此外，发现转子与隔板摩力瓦基破裂，因而引起振动。此外，发现转子与隔板摩擦造成转子失衡而加剧了振动。擦造成转子失衡而加剧了振动。334.4、精密诊断方法与典型故障分析、精密诊断方法与典型故障分析4.4.1 4.4.1 精密诊断方法原理精密诊断方法原理 故障诊断需要通过诊断信息所提供的振动

22、特征与典型故故障诊断需要通过诊断信息所提供的振动特征与典型故障的振动特征相互联系才能对故障的类型、性质和产生障的振动特征相互联系才能对故障的类型、性质和产生的部位和原因进行识别，为诊断决策提供依据。的部位和原因进行识别，为诊断决策提供依据。 34精密诊断方法的核心问题是振动特征的模式识别，通过精密诊断方法的核心问题是振动特征的模式识别，通过从诊断信息中提取若干（从诊断信息中提取若干（n个）诊断指标（统计量）构成个）诊断指标（统计量）构成一个一个n维向量，即特征向量。维向量，即特征向量。 模式识别基本原理：模式识别基本原理： 模式识别模式识别把待检模式把待检模式XtXt与与k k种典型故障模式种

23、典型故障模式X Xi i（i i=1=1，2 2，, ,k k) )进行比较、分类的方法。进行比较、分类的方法。35模式识别方法分类：模式识别方法分类：A直接观察法；直接观察法； 把待检模式的典型特征与典型模式的特征进行直观的比把待检模式的典型特征与典型模式的特征进行直观的比较、分析后进行分类，以确定故障的类型、性质、原因和部较、分析后进行分类，以确定故障的类型、性质、原因和部位等。位等。A计算机辅助诊断法；计算机辅助诊断法； 模式识别理论基础模式识别理论基础聚类分析法聚类分析法；以计算机为基础的新；以计算机为基础的新方法主要有：方法主要有：时序诊断法；模糊诊断法；灰色系统诊断法时序诊断法；模

24、糊诊断法；灰色系统诊断法等，等，主要用于解决模式边界不太清晰的问题。主要用于解决模式边界不太清晰的问题。A计算机自动识别法。计算机自动识别法。 计算机自动识别法又称故障诊断专家系统，通过将专家计算机自动识别法又称故障诊断专家系统，通过将专家知识和各种故障诊断信息掌握在知识库中，由计算机自动识知识和各种故障诊断信息掌握在知识库中，由计算机自动识别。别。36374.4.2 4.4.2 旋转机械的典型故障分析旋转机械的典型故障分析 典型故障的振动特征是旋转机械故障模式识别的必要典型故障的振动特征是旋转机械故障模式识别的必要条件。条件。 1 1）转子不平衡（失衡）及原因）转子不平衡（失衡）及原因A材料

25、和结构问题；材料和结构问题；A安装问题；安装问题；A配合松动；配合松动；A轴弯曲或轴变形（受热不匀，水平存放过久等轴弯曲或轴变形（受热不匀，水平存放过久等) ；A运行过程中旋转零件磨损、腐蚀、剥落或介质沉积运行过程中旋转零件磨损、腐蚀、剥落或介质沉积不匀不匀 ；A旋转零件的断裂。旋转零件的断裂。38转子不平衡的振动分析转子不平衡的振动分析设转子旋转的角速度为设转子旋转的角速度为，则有，则有：60/2 n因不平衡产生的离心力为：因不平衡产生的离心力为：2MeF 39离心力在离心力在x，y轴上的分量分别为：轴上的分量分别为：tMetFtFtMetFtFyxsinsin)(coscos)(22所以，

26、在所以，在x，y方向的激振力基本相同，相角相差方向的激振力基本相同，相角相差90。因此，任选一方向研究即可。因此，任选一方向研究即可。振动微分方程式表示为：振动微分方程式表示为：tMeKyyCyMsin2 归一化后得：归一化后得：teyyynnsin22 40其中：其中：NMC2为阻尼系数；为阻尼系数；MKn称为转子系统自振频率（固有频率）。称为转子系统自振频率（固有频率）。方程的通解为：方程的通解为：)sin(1sin)(2tYtDetyntn暂态解暂态解稳态解稳态解41系统响应为：系统响应为：2222221)(nnneeHY212)(nnarctg幅频响应函数：幅频响应函数：相频响应函数：

27、相频响应函数：42说说 明：明：1）幅频和相频函数均受阻尼因数）幅频和相频函数均受阻尼因数的影响。阻尼值越大共振峰的影响。阻尼值越大共振峰值越低，当值越低，当=0.7时，共振峰消失。时，共振峰消失。2）当临界转速时，相角）当临界转速时，相角与阻尼无关且与阻尼无关且 =/2。当转子超越临。当转子超越临界转速运行时与低临界转速时相比，其相角趋于相反。界转速运行时与低临界转速时相比，其相角趋于相反。43转子不平衡的振动分析转子不平衡的振动分析A频率特征频率特征 振动的激振频率为单一的旋转频率（即振动的激振频率为单一的旋转频率（即工作频率），而无其他倍频成分；工作频率），而无其他倍频成分；A相位特征相

28、位特征 在工作频率下相位稳定；在工作频率下相位稳定；A转速跟踪动态特征转速跟踪动态特征 在单自由度模型情况下，转子启在单自由度模型情况下，转子启动时，振幅随转速之增大而增大。临界转速出现峰值，动时，振幅随转速之增大而增大。临界转速出现峰值，超过临界转速，振幅趋于定值，即偏心值；超过临界转速，振幅趋于定值，即偏心值；44精密振动的注意事项精密振动的注意事项A注意刚性转子和柔性转子的区别注意刚性转子和柔性转子的区别 ；A注意转子不平衡与基础共振的区别注意转子不平衡与基础共振的区别 ；A采用涡流式位移传感器时，区别轴弯曲及轴颈椭采用涡流式位移传感器时，区别轴弯曲及轴颈椭圆度对振幅的影响圆度对振幅的影

29、响 ；2 2）转子不对中）转子不对中 转子不对中指转子中心与轴承中心不对中，转子不对中指转子中心与轴承中心不对中，或多转子系统中各转子的轴线不对中。或多转子系统中各转子的轴线不对中。45转子不对中的类型及不对中的危害转子不对中的类型及不对中的危害A导致滚动轴承滚动体载荷的不均而产生振动噪声、过度磨损或导致滚动轴承滚动体载荷的不均而产生振动噪声、过度磨损或轴承卡死轴承卡死 ；A滑动轴承油膜动压失稳而导致半速涡动和油膜振荡滑动轴承油膜动压失稳而导致半速涡动和油膜振荡 ；A严重的不对中直接导致油膜破裂而烧损轴瓦严重的不对中直接导致油膜破裂而烧损轴瓦 ；A机床不对中引起颈项及轴向的振动降低加工精度。机

30、床不对中引起颈项及轴向的振动降低加工精度。46产生不对中原因的分析产生不对中原因的分析产生转子不对中的原因主要有以下几方面产生转子不对中的原因主要有以下几方面A转子及支座安装不良转子及支座安装不良 ；A轴承支座由不均匀膨胀引起变形轴承支座由不均匀膨胀引起变形 ；A地基下沉地基下沉 ；由不对中引起的转子振动特征由不对中引起的转子振动特征A振动形态的特征振动形态的特征 平行不对中平行不对中颈向振动，角度不对中颈向振动，角度不对中径径向和轴向振动向和轴向振动；综合不对中。；综合不对中。A振动频率的特征振动频率的特征 刚性联轴器及齿轮联轴器，径向激振频率刚性联轴器及齿轮联轴器，径向激振频率以基频及二倍

31、和四倍频率为主，尚伴有高次倍频。以基频及二倍和四倍频率为主，尚伴有高次倍频。A转速跟踪幅值动态变化特征转速跟踪幅值动态变化特征 不对中振动幅值对转速的变化不对中振动幅值对转速的变化不敏感，因此影响不太明显。不敏感，因此影响不太明显。47不对中的诊断方法不对中的诊断方法A简易诊断可以以轴向振动为标志进行判断简易诊断可以以轴向振动为标志进行判断 ；A精密诊断时主要以分析精密诊断时主要以分析FFT谱或功率谱中二倍频或四倍频谱或功率谱中二倍频或四倍频成分来判定不对中成分来判定不对中 ；A为区别与其他故障与不对中二倍频故障特征，可采用全息为区别与其他故障与不对中二倍频故障特征，可采用全息谱方法。谱方法。

32、483 3）基座或装配松动）基座或装配松动 基座或装配松动常和转子不平衡相伴生，表现基座或装配松动常和转子不平衡相伴生，表现为非线性的振动特征。其振动形式以径向垂直振动为非线性的振动特征。其振动形式以径向垂直振动为主。从谱分析中可以发现其激振频率除基频为主。从谱分析中可以发现其激振频率除基频 f fr r 外，还存在高次谐波成分外，还存在高次谐波成分 3 3f fr r 、5 5f fr r、7 7f fr r 及及分数谐波成分（分数谐波成分（0.30.50.30.5）f fr r 等。当增速时振幅等。当增速时振幅变化有跳跃现象，即突然增大或减小变化有跳跃现象，即突然增大或减小 。如下图所。如

33、下图所示：示：494 4）油膜涡动及油膜振荡）油膜涡动及油膜振荡油膜失稳故障机理：油膜失稳故障机理：载荷与油膜动压平衡与失衡的动态作用。载荷与油膜动压平衡与失衡的动态作用。50油膜涡动特点：油膜涡动特点：涡动理论速度为：涡动理论速度为：= =/2/2，实际涡动速度为：，实际涡动速度为： =(0.42-0.48=(0.42-0.48），-半速涡动半速涡动当转子转速达到当转子转速达到2 2倍临界转速时（倍临界转速时（=2=2c c），），将发生涡动共振将发生涡动共振涡动频率与旋转频率无关涡动频率与旋转频率无关。涡流轨迹呈螺旋线发散；由于偏心距增加，涡流轨迹呈螺旋线发散；由于偏心距增加，使油膜刚度进

34、入非线性区导致涡流轨迹形成极使油膜刚度进入非线性区导致涡流轨迹形成极限环限环。稳定涡动时轴心轨迹为封闭的稳定涡动时轴心轨迹为封闭的8 8字形；当油字形；当油膜振荡时其涡动频率与转速无关而等于转子的膜振荡时其涡动频率与转速无关而等于转子的一阶自振频率一阶自振频率。515 5）旋转失速和喘振）旋转失速和喘振故障发生的机理：故障发生的机理：流体机械，由于工艺参数调整不当引起；是由流体机械，由于工艺参数调整不当引起；是由于涡流堵塞叶片通道而产生的气流脉冲振动。于涡流堵塞叶片通道而产生的气流脉冲振动。 特点：特点：涡流堵塞气团是逐渐发展和传播的，其方涡流堵塞气团是逐渐发展和传播的，其方向与叶轮旋转方向相

35、反。向与叶轮旋转方向相反。 类型：类型：渐变型和突发型。当突发型旋转失速进一渐变型和突发型。当突发型旋转失速进一步发展时，整个出口管道为涡流所堵塞，造成出口步发展时，整个出口管道为涡流所堵塞，造成出口压力突然下降，同时管道内气流向压缩机倒流。由压力突然下降，同时管道内气流向压缩机倒流。由此所引起的管网的巨大脉动冲击和强烈振动所发出此所引起的管网的巨大脉动冲击和强烈振动所发出的低频噪声，称为喘振。的低频噪声，称为喘振。52 特征：特征：旋转失速的频率约为旋转失速的频率约为0.50.8fr；而喘振频；而喘振频率一般与旋转频率无关，而与网管的容积有关，一率一般与旋转频率无关，而与网管的容积有关，一般

36、均低于般均低于1Hz。53一、轴弯曲分析案例一、轴弯曲分析案例某公司一台200MW汽轮发电机组，型号为C145N200130535535，型式为超高压、中间再热单抽冷凝式。1982年11月投产，1994年首次大修，至高压转子发生弯轴故障前，已运行近6年，共进行过7次小修。在长期的运行中，该机高压转子振动一直保持在较好范围，轴承振动小于10m，轴振动小于100m。1998年在一次热态起动时#2、#3轴、#1、和#2轴承振动出现短时突增，被迫打闸；再次冲车后并网运行。并网后，#2轴和#1、#2轴承振动虽然仍处于良好范围，但其振动有明显增大趋势，经连续观察运行近一月，也未能恢复至以前运行时的振动水平

37、。为此，结合该机历史振动数据、停机前后振动数据及运行参数进行诊断分析。54图 振动历史历程曲线1停机前1#轴承振动1m，热态启动后，为6m曲线2停机前2#轴承振动6m，热态启动后，为1618m曲线3停机前3#轴承振动80m，热态启动后，为120140m(1) 振动趋势历史数据振动趋势历史数据55在长期运行中，该机l#2#轴承振动分别为2m及400m400m），），运行人员采取紧急打闸措施停机。运行人员采取紧急打闸措施停机。(2) 停机前后数据停机前后数据575：05转子静止投盘车，大轴挠度值增大为120m，盘车电流32A。6：40再次起动，快速冲车至3000 rmin定速，然后并入电网。从热态

38、启动数据知：在起动过程中，机组1#、2#轴承及2#、3#轴振动异常增大，紧急打闸停机后，电动盘车时杌组大轴挠度值增加较大，盘车电流略有增加。5) 5) 热态起动运行后的振动数据热态起动运行后的振动数据自再次起动并网后，机组高压转子轴和轴承振动均未能恢复历史振动水平，尽管#1、#2轴承振动均小于20m，仍处于优秀振动标准范围内，但与历史数据比较均有所增大。尤其是#2轴的振动增大显著。从频率成分来看，主要是一倍频成分增加，其余频率的振动成分无变化。6) 6) 运行近一月后，停机时临界振动数据运行近一月后，停机时临界振动数据4月30日，该机因电网调峰转为备用停机。在机组停机惰走降速过程中，2#轴和l

39、#、2#轴承临界振动值比历史数据有成倍的增加，其振动成分是1倍频。(2) 停机前后数据停机前后数据58 综合数据及起动前后运行参数分析，可得出下列分析结论结论： 1) 探头所在处的转子跳动值从30m增加至120m，比起动前增大了4倍，反映出高压转子挠曲程度加剧，提示可能已产生转子弯曲。2) 从振动频率以及振值随转速变化的情况来看。其症状和转子失衡极为相似。但停机前运行一直很正常，只是在机组停车后再次起动中振动异常，且在并网后一直维持较大振值，缺乏造成转子失衡的理由或转子零部件飞脱的因素，故可排除转子失衡的可能。3) 综合二次起动及并网运行一个月后停机惰走振动情况，表明机组在第一次起动时即存在较

40、大的热弯曲，而停车后间隔l.5h再次起动，盘车时间不足，极易造成转子永久性弯曲。(3) 数据分析数据分析59 在第一次热态起动时，高压转子的轴及轴承振动急剧增加(转速刚达1600rmin时，轴振动即已超满量程值，即至少已大于400m，表明在第一次起动时，转子存在较大的热弯曲，而停车而停车1.5h1.5h后再次起动，盘车后再次起动，盘车时间严重不足，极易造成转子永久性弯曲时间严重不足，极易造成转子永久性弯曲。 机组起动并网连续运行近一月，其振动一直处于稳定状态。#1、#2轴承和#2轴振幅在热态起动后比历史数据有明显的增大。并且振幅增大的主振幅增大的主要原因是一倍频振幅增大要原因是一倍频振幅增大。

41、工频振幅的增大反映出转子弯曲程度的增大，振幅的稳定反映出弯曲量的大小基本恒定。查起动后运行近一月的频谱图，除一倍频振动和#2轴处的少量二倍频振动成分外，无其它振动频率成分。少量二倍频振动成分的产生，则分析认为是高压转子弯曲后与中压转子的对中性变差所造成的。中、低压转子各轴承及各轴的振动与历史数据相比基本无变化，反映出故障的发生部位主要是在高压转子。(3) 数据分析数据分析60尽管该机高压转子振动仍在良好范围以内，但从各种参数的综合分析来看，均表明高压转子上已发生了转子弯曲故障。而无论是转子弯曲引起机组过临界振动过大或是存在围带损伤等事故隐患，均对该机组安全运行构成极大的威胁。因此，诊断分析的结

42、论是诊断分析的结论是：该机立即进行提前大修，解体查明故障并予以消除。解体大修检查情况解体大修检查情况： 5月4日，该机提前转入大修。经揭缸解体检查证实，高压转子前汽封在距调速级180mm处弯曲0.08mm，中压转子在19级处弯曲0.055mm，高压汽封、围带、隔板汽封和中压汽封、隔板汽封及围带均有不同程度的摩擦损伤，其中中压19级近半圈围带前缘已磨坏，为此高压转子采取直轴、中压转子采取低速动平衡处理，同时对损伤的围带也进行了相应的处理，经大修处理后高压转子振动重新恢复到优秀标准内。(4)诊断结论诊断结论61二、不对中分析案例二、不对中分析案例例例1 1：主风机对中不当造成的故障：主风机对中不当

43、造成的故障某冶炼厂一台新上的烟机一主风机组于1997年5月中旬投用。机组配置及测点如图所示。 首先，该机组在不带负荷的情况下试运了3天，振动约50m，5月20日2：05开始带负荷运行，各测点振值均有所上升，尤其是2#测点的振动由原来的55m上升至70m以上，运行至16：54机组发生突发性强振，现场的本特利监测仪表指示振动满量程，同时机组由于润滑油压低而联锁停机。停机后，惰走的时间很短，大约只l2min，停车后盘不动车。电动机增速箱风机烟机654321图 机组配置及测点图62机组事故停机前振动特点特点如下：1) 20日16：54之前，各测点的通频振值基本稳定，其中烟机2#轴承的振动大于其余各测点

44、的振动。20日16；54前后，机组振值突然增大，主要表现为联轴器两侧轴承,即2#、3#轴承振值显著增大，如表所示。表 强振前后各轴承振动比较 注意：2#轴承与3#轴承变化最大，约3倍，说明最接近故障点。2) 20日1431之前，各测点的振动均以转子工频、二倍频为主，同时存在较小的3、4、5、6等高次谐波分量，2#测点的合成轴心轨迹很不稳定，有时呈香蕉形，有时呈“8”字形，图6-5是其中一个时刻的时域波形和合成轴心轨迹(1、2)。 部位部位1#轴承轴承2#轴承轴承3#轴承轴承4#轴承轴承强振前振值强振前振值26762820强振时振值强振时振值502327322例例1：主风机对中不当造成的故障：主

45、风机对中不当造成的故障63图6-5 2#测点的合成轴心轨迹图(1、2)3) 20日14：31时，机组振动状态发生显著变化。从时域波形上看，机组振动发生跳变，其中2#、3#轴承的振动由大变小（如，烟机后H方向由65.8m降至26.3m，如图6-6所示），而1#与4#的振动则由小变大（如烟机前V方向由14.6m升至43.8m，如图6-7所示），说明此时各轴承的载荷分配发生了显著的变化，很有可能是由于联轴器的工作状况改变所致。同时，2#轴承V方向出现很大的0.5成分，并超过工频幅值，H方向除有很大的0.5成分外，还存在突出的78Hz成分及其它一些非整数倍频率分量，如图68所示。烟机前78Hz成分也非

46、常突出。这说明此时机组动静碰摩加剧。例例1：主风机对中不当造成的故障：主风机对中不当造成的故障64频谱图及故障现象频谱图及故障现象4) 机组运行至20日16：54前后，机组振值突然急剧上升，烟机后V方向和H方向的振值分别由45m、71m上升至153m和232m，其中工频幅值工频幅值上升最多。且占据绝对优势（V方向和H方向工频幅值分别为120rn和215m），同时0.5及高次谐波幅值也有不同程度的上升。这说明，此时烟机转子已出现严重的转子不平衡现象转子不平衡现象。5) 开机以来，风机轴向振动轴向振动一直较大，一般均在80m以上，烟机的轴向振动也在3050m之间。20日16：54达最大值115m，

47、其频谱以1为主，轴向振动如此之大，这也是很不正常的。不对中故障不对中故障的特征之一就是引发1X倍频的轴向窜动。图68 2#轴承振动频谱图65综上所述，可得出如下结论结论：1) 机组投用以来，风机与烟机间存在明显不对中不对中现象，且联轴器工作状况不稳定。2) 20日14：31左右，一联轴器工作状况发生突变，呈咬死状态，烟机气封与轴套碰摩碰摩加剧。其直接原因是对中不直接原因是对中不良良，或联轴器制造缺陷。3) 20日16：54，由于烟机气封与轴套发展为不稳定的全周摩擦，产生大量热量，引起气封齿与轴套熔化气封齿与轴套熔化，导致导致烟机转子突然严重突然严重失衡失衡，振值严重超标。因此分析认为造成本次事

48、故的主要原因是机组对正曲线主要原因是机组对正曲线确定不当。确定不当。例例1：主风机对中不当造成的故障：主风机对中不当造成的故障66事故后解体情况发现：事故后解体情况发现： 1) 烟机前瓦(1#测点)瓦温探头导线破裂； 2) 付推力瓦有磨损，但主推力瓦正常； 3) 二级叶轮轮盘装配槽部位法兰过热，有熔化痕迹及裂纹； 4) 气封套熔化、严重磨损，熔渣达数公斤之多； 5) 上气封体拆不下来； 6) 烟机主风机联轴节咬死，烟机侧有损伤。 机组修复后，在8月底烟机进行单机试运时，经测量发现烟机轴承箱中分面向上膨胀0.80mm，远高于设计给出的膨胀量0.37mm。而冷态下当时现场找正时烟机比风机反而高0.

49、396mm，实际风机出口端轴承箱中分面仅上胀0.50mm，故热态下烟机比风机高了：0.800.3960.50=0.696mm，从而导致了机组在严重不同轴的情况下运行，加重下联轴器的咬合负荷，引起联轴器相互咬死，烟机发生剧振。例例1：主风机对中不当造成的故障：主风机对中不当造成的故障67例例2 2：不对中故障的诊断：不对中故障的诊断图 机组简图和测点布置2000年4月上旬某厂催化主风机检修后，开机运行，电动机轴承温度和振值都较正常(振值为9m)。但是，半小时后电动机联轴器端轴承温度持续增加，振值从原9m一直升到53m53m，已经超出电动机制造厂出厂标准。2000年4月17日和18日对该机组进行了全面的测试。鉴于故障的发生位置主要在电动机侧，所以测试主要集中在电动机侧电动机侧。68测点频谱图测点频谱图 图a测点2#垂直方向频谱图图c 测点2#水平方向频谱图图b 测点3#垂直方向频谱图图d测点3#水平方向频谱图图a