《机械设备状态监测与故障诊断》PPT演示课件

1、机械设备状志益句机械设备状志益句机械设备状态监测与故障诊断课程简介课程介绍机械状态监测与故障诊断的理论基础知识和工程应用技术阐述典型机械故障类型、机理、特征及防治措施重点介绍旋转机械和往复机械的典型故障机理与诊断防治技术 通过机械设备故障诊断的典型事例了解机械设备状态监测与故障诊断技术的工程应用现状和理论技术进展课程内容涉及新兴科技学科和现代先进技术通过学习可以熟悉现代机械状态监测与故障诊断技术的 基本原理、实施技术和应用现状了解现代故障诊断技术的发展前景 具备机械状态监测与故障诊断的基本技能学习本课程应具备工程力学、电工电子学、工程流体力学和 化工过程流体机械等理论基础和工程技术了解机械学、

2、力学、电工电子学、计算机技术等方面的 理论基础知识和工程应用技术推荐学习机械振动、信号处理等工程技术知识机械设备状志益测与故障诊断机械设备状志益测与故障诊断机械设备状志益测与故障诊断4概论 1.1 1.2 1.3课程内容设备故障诊断的目的和意义设备故障的类型和状态监测技术设备故障状态的识别方法故障诊断的信号处理方法2.1信号处理基础知识2.2旋转机械常用的振动信号处理图形旋转机械故障诊断3.13.23.33.43.53.63.7转子不平衡故障诊断转子不对中故障诊断滑动轴承故障诊断转子摩擦故障诊断浮动环密封故障诊断叶片式机器中流体激振故障诊断高速旋转机械不稳定自激振动故障的分析方法往复式压缩机的

3、故障分析和管道振动4.1往复式压缩机的故障类型与故障原因4.2示功图及阀片运动规律的测量与故障分析4.3压缩机的气流压力脉动与管道振动参考教材盛兆响尹埼岭主编普通离等教育“十五”国家级规划教材设备故障诊断沈庆根 郑水英 主编设备状态监测昆 故障诊断技术及应用a ftft M III M 屮心机械设备状志益测与故障诊1 概述1.1设备故障诊断的目的和意义机械设备状志益测与故障诊断1 概述1.1设备故障诊断的目的和意义图1-1设备故障诊断的三部分内容和实施过程1 概述1.1设备故状态监测故障诊断改变调整预鹜参数停机延长零部件或结构参数监视控制整治使用整体更新1.1.1设备故障诊断的含义设备故障诊断

4、的含义 应用现代测 识别设备故障：设备丧失 诊 断：用测试分 诊断内容（三部分）一、信号采集（状态二、故障诊断：获取诊断三、诊断决策：根据:1.1.1设备故障诊断的含义和特性设备故障诊断的特性（1）多样性化工过程装置静设备：如换热器、传质容器、反应器、变换器、塔设备等 动设备：如旋转机器和往复机器等设备结构不同，工艺参数各异，制造安装差异 使用环境不同，产生各种故障如离心式、轴流式压缩机、烟气轮机：工艺气体粉料（催化剂），转子不平衡、振动、摩擦、磨损故障 高速旋转机器：轴承油膜不稳定，转子不对中高速高压旋转机器：流体激振，转子自激振动往复式压缩机： 管道振动故障，零件磨损、变形、断裂_高压容器

5、：裂纹扩展，内部腐蚀，密封泄漏1.1.1设备故障诊断的含义和特性2.设备故障诊断的特性（2）层次性设备故障现象（征兆）原因（症候、病症）深层次、多层次性止推轴承损坏迷宫密封破坏，气体轴向力增大转子振动轴承工作不稳定管道振动管道中流体产生压力脉动故障现象第一层次原因第二层次原因第三层次原因(3)(4)(5)图1-2故障的层次性多因素和相关性设备故障因相互关系产生多因素和相关性延时性故障形成，缺陷累积，状态劣化，量变转质变。故障过程延时性不确定性（模糊性）故障频度、表现形式、特征差异、机理复杂1.1.2设备故障诊断技术的应用与发展1.应用现代化企业生产水平和经济效益提高，发展规模化和高技术含量生产

6、装置大型化、高速高效化、自动化和连续化设备要求性能好，效率高，少故障。否则故障损失巨大如石油化工大型机组（离心、轴流压缩机，烟气轮机，汽轮机，风机和机泵） 单机、满负荷关键设备，故障停机导致停产损失惨重大型炼油装置，化肥装置，乙烯装置停产一天损失数百万电力部门300 MW发电机组停机一天少发电720万度损失数千万元 中国19771987年投产67个大化肥厂，机组故障停机两年损失相当一个大化肥厂全年产量（30万吨合成氨，48万吨尿素） 高技术大型化设备，故障重大灾难性事故，经济损失惨重，严重政治影响 美国三里岛核电站放射性物质外逸，前苏联切尔诺贝利核电站爆炸 印度博帕尔市农药厂异氰酸甲醋毒气泄漏

7、美国1986、2003年“挑战者”号和“哥伦比亚”号航天飞机失 中国1980年代200 MW汽轮发电机组事故机组剧烈振动，转子断7段，联轴节飞出厂房，机组彻底破坏 大化肥合成气压缩机强烈振动，振因复杂，停产2月损失亿元中国20世纪70年代开始应用彎1.1.2设备故障诊断技术的应用与发展2.发展19世纪：事后维修；20世纪初50年代：定期维修，孕育时期20世纪6070年代：设备状态维修。计算机技术、数据处理技术发展 20世纪80年代以后：诊断智能化。人工智能、专家系统、神经网络发展国内20世纪80年代初开始高校和科研单位学术交流、理论研究和实际应用大型企业建组织机构，技术应用发展，推动理论与方法

8、研究 如数据采集，信号处理，故障特征、模式识别及人工智能等诊断涉及多项学科知识，推动边缘学科相互交叉、渗透和发展如故障机理研究推动转子动力学、结构动力学和模态分析技术的发展 故障诊断方法研究推动振动工程应用模式识别，模糊数学、人工智能等数学物理方法应用和发展 状态监测技术推动测试技术、信号分析处理技术和网络传输技术的发展 故障控制推动振动噪声控制理论研究与发展设备故障评判结合故障诊断技术与可靠性分析技术、失效分析技术机械设备状志益测与故障诊断1 概述1.1设备故障诊断的目的和意义机械设备状志益测与故障诊1 概述1.1设备故障诊断的目的和意义1.1.3设备故障诊断技术与维修方式的关系定期维修（计

9、划维修）：设备运行时间为基础，根据设备磨损和故障规律，事先制定计划 确定修理类别、间隔、内容及要求。分大修和项（目）修 适用掌握故障规律的流程工业生产设备、自动化生产线和连续运行设备 缺点：检修量大耗时耗费；要求精密机械，过多拆卸人为故障备品备件种类多，检修费用大技术发展和设备管理现代化，认识到采用一种预防性维修方式 即设备运行时进行状态监测，掌握技术状况对将形成或已形成故障分析诊断，判定设备劣化程度和部位 故障前制订预知性维修计划，确定设备修理内容和时间 即为基于状态监测为基础的维修，最经济合理方式，又称预知性维修预知性维修（状态监测维修）：测知设备状态参数，了解设备现状，判断故障类型、性质

10、和程度推测发展趋势，确定最佳维修时机，依据设备实际状态 以设备故障诊断为基础的先进维修方式优点：减少突发性事故；减少停机时间；延长检修周期 延长设备使用寿命；节约维修费用1.1.3设备故障诊断技术与维修方式的关系表1-2三种维修制度比较维修方式内容比较使用对象事后维修 （故障维修）设备出现故障或性能精度下降到 合格水平以下，无法继续使用时维修设备结构简单，修理容易，获得修 理配件，故障停机不对生产造成损失， 一般均设有备机定期维修 （计划维修）按磨损规律和故障概率得出维修 周期，根据计划定期维修。设备大修 解体检查，更换或修理零部件单机连续运行设备，掌握磨损规律 和故障概率。关键设备和零部件，

11、分析 计算使用周期，确保设备安全运行状态监测维修（预知性维修）根据设备运行状态监测信息，判 断设备故障程度和发展趋势，提出最 佳维修时间和部位单机连续运行大型机组和重大设备 停机损失巨大，不宜解体检查高精度设 备，故障引起公害设备。具备状态监测 与故障诊断条件工业发达国家经验90 %设备要求预知性维修10 %设备需要定期维修1.1.3设备故障诊断技术与维修方式的关系五体制(维修体制)：(主要为带号的三种维修体制) 事后维修 BM (Break-down Maintenance):故障(后)维修。适用于非重点或备用设备维修，传统维修方式 定期维修 TBM (Tim-Based Maintenan

12、ce):属预防维修，即计划维修根据设备规律，固定维修周期，确定维修内容，制定维修计划 适用主要生产设备，成本高，经济差，传统典型维修方式状态维修 CBM (Condition-Based Maintenance):属预防维修，即预知维修日常检查、状态监测、数据处理、故障分析、判别程度、计划维修 适用于重点或通用设备，经济合理，值得提倡的维修方式 改善维修 CM (Corrective Maintenance):改进结构，消除缺陷。值得提倡的维修方式视情维修 OM (On-condition Maintenance):属预防维修。定期检测，安全检查，发现问题，确定界限 适用于非重要零部件，认为有

13、必要才进行维修的维修方式机械设备状志益测与故障诊断 1 概述1.2设备故障的类型和状态监测技术机械设备状志益测与故障诊断 1 概述1.2设备故障的类型和状态监测技术机械设备状志益测与故障昼 1 概述1.2设备故障的类型和状态监测技术*1.2.1设备故障的类型及其可能原因结构损伤性故障：设备结构内外缺陷和损伤裂纹：能由于疲劳、腐蚀、应力集中和应力突变等原因引起 磨损：运动部件相对摩擦，摩擦副间缺润滑，颗粒物料对叶片冲刷等 腐蚀：化学反应现象。化学腐蚀，应力腐蚀、电化腐蚀 变形：设备外加负荷、不均匀热膨胀、管道力、物料冲击力流体激振力、惯性力、内应力和设备结构薄弱等原因 断裂：负荷过大，局部应力集

14、中，振动激烈，循环载荷下产生金属疲劳 剥落和烧伤：零件摩擦副润滑不良或断油，表面接触应力过大 运动状态劣化性故障:(1)机械位置不良：转子不平衡、转子不对中、轴承工作不稳定热态变形、零件松动(2)刚性不足：支承基础刚性、转子刚性(4)(5)摩擦：转子定子干摩擦、轴件内摩擦流体激振：压力脉动和声学共振；旋转失速、喘振、汽蚀 滑动轴承油膜振荡、浮环和迷宫密封中流体激振 非线性的谐波共振：零件松动、流体间隙激励、摩擦等1.2.2设备故障诊断的功能和环节功能检测评价设备运动、缺陷、磨损、劣化和故障状态确定设备故障性质、类型、程度、部位及发展趋势预测设备可靠性程度确定故障来源，提出整改措施环节信号采集传

15、感器（人体感觉器官）采集设备运行参数反映设备故障特性信号处理分析仪器加工处理采集信息，提取特征信息反映故障状态、性质、类型和程度故障诊断人的知识经验或诊断技术方法分析诊断故障原因确定故障类型和发生部位 JJI防治控制确定故障提出控制方案或预防治理措施机械设备状志益测与故障诊断 1 概述1.2设备故障的类型和状态监测技术图1-3旋转机械振动故障诊断的主要环节机械设备状志益测与故障诊断 1 概述1.2设备故障的类型和状态监测技术图1-3旋转机械振动故障诊断的主要环节1.2.2设 备 故 障 诊 断 的 功 能 和 环TO数据采集器磁带记录仪软件包记录仪信号调理箱&故障防治与控制）控制器功放打印机n

16、现场监测趋势w口 OOOOO2.环 节诊断。=-1 结论 =EE 智能诊断系统）15机械设备状志益测与故障诊断机械设备状志益测与故障诊断机械设备状志益测与故障诊断 1 概述1.2设备故障的类型和状态监测技术1.2.3状态监测的技术和方法振动信号监测诊断技术：振动主要故障原因，信号包含状态信息，转换电信号便于处理分析 声信号监测诊断技术：噪声诊断、超声波诊断和声发射诊断技术温度信号监测诊断技术：温度直接测量技术、热红外分析技术润滑油的分析诊断技术：油品理化性能分析技术、油样含磨损金属颗粒铁谱分析技术和光谱分析技术其他无损检测诊断技术：超声波检测技术、射线照相检测技术、表面缺陷的检测技术 包括磁粉

17、探伤、表面渗透、电涡流检测光学显微镜分析以及光纤内窥镜和光学成像技术1 概述1.3设备故障状态的识别方法1.3.1信息比较诊断法采集存储振动幅值、频率、相位、转速、位移、模态、温度、压力 流量等参数信息，建立数据库，趋势分析比较等1.3.2参数变化诊断法改变操作参数，测量分析参数变化信号特征结合参数门槛值（闭值），观察机器故障有关因素1.3.3模拟试验诊断法模拟试验，研究未知或不确定的故障机理和特征，解答故障原因提出故障特征参数及参数间定量关系等注意模型与对象相似条件1.3.4函数诊断法故障征兆和原因间存在函数关系，计算设备运行参数 预测或识别设备故障1.3.5故障树分析诊断法（Fault T

18、ree Analysis，FTA法）以系统不希望故障状态出发（顶事件）按照逻辑关系总体到部件逐级细化，推理分析故障原因 确定故障最初原因、影响程度和发生概率（底事件）1 概述1.3设备故障状态的识别方法1.3.6模糊诊断法确定故障原因和征兆论域、确定两论域中元素隶属度建立模糊关系矩阵、模糊综合评判1.3.7神经网络诊断法基本组成、网络拓扑结构、故障诊断应用人工神经网络基本组成：神经元、神经元间连接、神经网络结构 神经网络诊断方法：自学习功能、结合模糊诊断1.3.8结论设备故障诊断技术成功条件(1)足够有用的信息诊断决策依据(2)多方面诊断知识设备工作原理、结构特点、故障机理结构动力学、转子动力

19、学和流体力学知识测试技术和信号分析处理方法2.确定性信号I11期信号I（非周-信号j非确定注信号|平稳随机信号非平稳随机信号2.1.11.（各态历经信号；非各态历经信号j准周期信号一般非周期信号：i简谐信号复杂周期信号2故障诊断的信号处理方法1机械设备状志益测与故障断:2.1信号处理基础知识信号的定义和分类信号的定义信号：表征客观事物状态或行为信息的载体（物理）能量变化过程，（数学）函数或图形，变量随时间或空间变化 信号的分类（动态信号）动态信号1机械设备状志监测与故障断20机械设备状志监测与故障断202 故障诊断的信号处理方法 2.1信号处理基础知识2.1.12.(1)信号的定义和分类信号的

20、分类确定性信号与非确定性信号确定性信号：数学关系式、图或表描述反之为非确定性信号或随机信号 连续信号和离散信号连续时间信号：任意时刻存在给出确定函数值阶跃、锯齿、图2-1连续时间信号矩形脉冲、截断信号等xoo(d)截断信号(C)矩形脉冲能量信号和功率信号时限与频限信号信号x(0 =直流分量XD(t) +交流分量XA(t)O(a)信号分解为直流分量和交流分量矩形窄脉冲之和 阶跃函数叠加等2.1.21.(1)2)脉冲分量信号x(t)=多脉冲分量之和信号的时域分析 时域分解 直流分量和交流分量直流分量：t o(b)信号分解为趋势项和交流分量1图2-3信号分解为直流、交流分量之和x(/W)02故障诊断

21、的信号处理方法1机械设备状志益测与故障断:LzzzS2.1信号处理基础知识(稳态分量) 信号平均值 交流分量： 可能包含 信号频率相位信息或 随机噪声2故障诊断的信号处理方法1机械设备状志益测与故障断2.1信号处理基础知识实部：t时刻倡号幅值戈(b)信号的复数表示法虚部：t时刻信号相位2.1.21.(3)复平面旋转矢量 实部： t时刻信号幅值 虚部：t时刻信号相位A戈増戶_(4)正交函数分量信号x用正交函数集Xi(t) (i = 1, 2,，n)表示信号的时域分析 时域分解 实部分量和虚部分量简谐信号 复函数表达式：x(t)(a)信号的实数表示法图2-6信号的实数和复数表示法及其对应关系机械设

22、备状志监测与故障断2 故障诊断的信号处理方法2.1信号处理基础知识机械设备状志监测与故障断2 故障诊断的信号处理方法2.1信号处理基础知识2.1.22.(1)(3)信号的时域分析信号的时域统计均值集合平均值或数学期望值，信号直流分量(J. - Ex(t) = Jjm x(t)dt均方值Ex2a)o平均功率x2(t),平方根称有效值或均方根值信号幅值量纲，反映确定性信号强度的时域参数oo 丁 JO方差2。信号对/)相对均值偏离度，反映信号分散程度称均方差或标准差=E(x(O - E_)2 = O) -T oo / vO均方值2、方差2、均值方a2关系：/2机械设备状志监测与故障断2 故障诊断的信

23、号处理方法2.1信号处理基础知识00机械设备状志监测与故障断2 故障诊断的信号处理方法2.1信号处理基础知识002.1.23. (1)信号的时域分析时域相关分析相关概念相关：客观事物变化量之间相依关系相关系数两随机变量X和3d司线性相关程度，范围一 lpxyl(2)相关函数两随机变量x(t)与y(t)间时差r，相关函数Rxy :x(t)y(t-T)dt互相关函数：或RyX(T )；自相关函数 Kr)或/)WWV)20W时间，s(C)200100EE.8(6)頻域内的幅值谱机械设备状志益测与故障2 故障诊断的信号处理方法2.1信号处理基础知识6.机械设备状志益测与故障2 故障诊断的信号处理方法2

24、.1信号处理基础知识6.2.1.3信号的频域分析非周期信号的傅里叶变换非周期信号不能用傅里叶级数展开采用傅里叶变换，时域40与傅里叶变换AT)构成变换偶周期信号的傅里叶变换离散傅里叶变换和快速傅里叶变换离散傅里叶变换 DFT (Discrete Fourier Transform)特点：DFT算法计算量太大。采样点N = 1000计算约需200万次快速傅里叶变换 FFT (Fast Fourier Transform):5.1965年库利J.W.Cooley、图基J.W.TYikey提出，信号分析新时代 采样点N = 1000的离散信号，FFT算法计算仅约需1.5万次 随机信号的功率谱密度自功

25、率谱密度Sx(co)功率谱密度Sx(co )与自相关函数也(r)是傅里叶变换偶对 通过自相关函数傅里叶变换可得到功率谱密度函数 互功率谱密度与互相关函数Rxy(r)构成傅里叶变换偶对相干函数与频率响应函数机械设备状志益测与故障2 故障诊断的信号处理方法2.1信号处理基础知识机械设备状志益测与故障2 故障诊断的信号处理方法2.1信号处理基础知识2.1.3信号的频域分析总结：（1）.信号可在时间域x（t）或频谱域X（f）展开，x和X（f）为同函数不同表达形式（2）. xW和X（/）的自变量（横坐标）参数不同时间参数G T；频率参数，/，co = 2nf9判断时域函数或频域函数（3）.幅频谱和相位谱

26、物理意义不同，注意区别（4）.离散频谱和连续频谱分别对应周期函数和非周期函数也有更复杂的函数（离散性和连续性结合）（5）.应用复变（复指数）函数简化频谱表达式将幅值谱（实变量）和相位谱（虚变量）结合（6）.离散频谱由不同谐波成分组成其中前几阶低频频谱或数值较大频谱，反映频谱的特性（特征）（7）.工程上常用频谱分析仪直接测取频谱或采集数据FFT （快速傅里叶变换）标准程序计算，无需自编计算程序（8）.频谱分析和数学描述为状态检测、信号处理和故障诊断的重要基础分析方法峰谱值、频率窗口、拟合曲线、谐波分析、统计分析机械设备状志益测与故障诊断2 故障诊断的信号处理方法2.2旋转机械常用的振动信号处理图

27、形机械设备状志益测与故障诊断2 故障诊断的信号处理方法2.2旋转机械常用的振动信号处理图形q 1% A, nUr* x/_ q /t|l tTTI ， 、+机械设备状志益，测与故障诊 2故障诊断的fe号处理方法J2.2旋转机械常用的振动信号处理图形2.2.1振动监测的基本参数（1）振幅表示振动严重程度（烈度）位移、速度或加速度表示指示值：峰值（单边峰值和峰峰值）、有效值（均方根值）和平均值 位移有效值代表振动系统势能含量速度有效值代表振动系统动能含量加速度有效值代表振动系统功率谱密度含量（2）频率探寻外来激励力来源，判断正常工作状态旋转机械振动频率常用转速倍数或分数表示1倍（Id转速频率指振动

28、频率与机器转速相同2倍（2x）转速频率指振动频率为机器转速二倍，依此类推（3）相位 判断振动时各部件之间相对运动方位M以及激励力与响应的时间和空间关系常用（Mi）表示，单位“度”或“弧度”2.2.2轴心轨迹轴颈中心相对于轴承座在轴线垂直平面内的运动轨迹平面曲线轴心轨迹图：由h J方向位移振动信号合成的李莎茹图形作用：直观反映转轴运动状况，形象描述转子运动状态获取诊断信息有效手段，旋转机械故障诊断重要工具测量：将两个传感器互成90 安装在转轴同截面上 两传感器位移信号经放大 分别输入双踪示波器X轴和J轴作用：确定转子系统临界转速 空间振型和某些故障类型2.2.2轴心轨迹0 080.06鑿0 04

29、0.020.00转速 I57.8rad/s-0.04 -0.02 0.00 0.02 0.04 (a) x/mm转速 5O3 2rad/s0.080.06I.0040.020.00 匕 -0.0404-0.02 0.00 0 02 0 04 (f)x/mm图中：(a)(c)(d)-0.02 0.000.02 0.04-0.04 -0.02 0.00 0.02 0 04(d)x/mm(e)x/mm图2-12某转子轴颈轴心轨迹随转速升髙发生油膜振荡的情况和(b)转速低，不对中和非线性油膜力影响，轴心轨迹图不规则状 临界转速附近，不平衡力引起基频振动，轴心轨迹近似圆編和(e)转速高(503.2607

30、.9rad/s) 油膜涡动，轴心轨迹内八字形 转速升高(626.2 rad/s)，系统油膜振荡，轴心轨迹复杂机械设备状志益测与故障诊断2 故障诊断的信号处理方法2.2旋转机械常用的振动信号处理图形E(a轻微不对中X向/gm4.U “切，-1 * -4 T -r 1 !# I:事III图2-13发生不对中故障时的轴心轨迹(a)轻度碰摩图2-14发生碰摩故障时的轴心轨迹332.2.2轴心轨迹 图中： 不对中故障 轴心轨迹香蕉形 或外八字形 频谱二倍频或 四倍频较大 图中：转子碰摩故障碰撞轻重程度不同轴心轨迹圆形轮廓线内1至多个小圈套支承刚度不对称转子：不平衡力作用轴心轨迹椭圆形39 -126-13

31、-13-26-39-52-39 -26 -1301326(b)中度不对中 1向/|imq 1% A, nUr* x/_ q /t|l tTTI ， 、+机械设备状志益，测与故障诊 2故障诊断的fe号处理方法J2.2旋转机械常用的振动信号处理图形2.2.3转子振型转子轴线各点振动位移连成的空间曲线作用：确定转子振动节点位置，了解轴承油膜阻尼大小和转子系统基本特性 挠性转子动平衡测量：转子轴线垂直截面布置传感器，得到各截面轴心轨迹根据基准信号确定各轨迹主向量，各点主向量连成空间振型曲线 振型平面曲线：转子系统无阻尼，且转子各不平衡量有相同相位或只有一个主不平衡量；否则为空间曲线图中：转子两个支点刚

32、性支承，一阶振型两节点，二阶振型三节点一阶振型图2-15转子的振型 （b）二阶振型2.2.4轴颈涡动中心位置滑动轴承轴颈中心在激扰力作用下环绕涡动运动的中心点位置 随转速和载荷变动，轴承稳定性有关，“滑动轴承故障诊断”内容 作用：旋转机械故障分析重要内容，说明转轴正常位置提供轴与轴承磨损或不正常预载荷，轴承静电侵蚀等信息测量：两个互成90非接触式位移传感器，x-r记录仪绘制曲线180270902)425OC5OG(b)转子启动阶段的轴颈涡动中心位置变化图 图2-16轴颈涡动中心位置的测定图中：转速升高轴颈涡动中心升高系统临界转速20002500 r/min左右- 轴颈振幅大，中心位置高或过临界

33、转速至3000 r/min -振幅和中心位置下降 X机械设备状志益测与故障诊断2 故障诊断的信号处理方法2.2旋转机械常用的振动信号处理图形2.2.5 波特图（Bode plots）描述转子振幅和相位随转速变化关系曲线 纵坐标为振幅和相位，横坐标为转子转速或转速频率 测量：测转子或轴承座振动信号（轴位移或壳体振动速度） 同步跟踪数字向量滤波，获得转速同频的基频分量（含幅值和相位） 随转速升降变化过程绘图作用：转子系统基本性能。各转速下振幅和相位、临界转速、阻尼大小， 柔性转子动平衡质量；升降速过程中其他部件（基础、静子等）共振 动静摩擦或热弯曲等动态放大系数：共振峰值与工作转速时振幅之比，评价

34、轴承系统阻尼特性接受范围3.08.0图中：系统通过临界转速时幅值响应有明显共振峰 相位变化近180 动态放大系数约5 （转速 12000 r/min） 说明系统具有适度偏弱阻尼o 1 -Lfrr7,A.A. ckr* XA q tTTI ， 、+机械设备状志益，测与故障诊 2故障诊断的fe号处理方法J2.2旋转机械常用的振动信号处理图形090-相位滞后1 度I2.2.5波特图(Bode plots)(振幅和相位随过程变化曲线)-270-180-IE- 一O5278u52.6o52机械设备状志益测与故障诊断2 故障诊断的信号处理方法2.2旋转机械常用的振动信号处理图形30机械设备状志益测与故障诊

35、断2 故障诊断的信号处理方法2.2旋转机械常用的振动信号处理图形30作用:优点:270300r/min75uni330()um7000r/min0人I150转子旋传方向1209060图2-18某转子启动阶段的径向振动极坐标图S XM r/mmOOOOr/mm2.2.6极坐标图（奈奎斯特图）转子振幅与相位随转速变化关系的极坐标形式旋转矢量端点为转子轴心，矢量极半径为径向振幅，矢量角度为相位角 极坐标图和波特图反映同样的信息，表现形式不同复杂多平面转子现场动平衡仪器需极坐标图表示 判别临界转速，轨迹距离最长点，两侧圆弧弧长对转速变化率最大对应矢量位置（幅值和相位）求转子动平衡不平衡质量方位同时观察

36、转子轴向几个截面的空间振型清楚观察弯曲轴转动时幅值和转轴本身振动幅值辨别转子以外元件（管道、联轴节、机壳和基础）振动谐振作用出现干扰小圆圈图中:转子一阶临界转速3750 r/min振动峰值110 gm机械设备状志益测与故障诊断2 故障诊断的信号处理方法2.2旋转机械常用的振动信号处理图形一台压缩机转子起动阶段径向振动三坐标图髙压机油膜振荡的三坐标图2.2.7三维坐标图“级联图”或“瀑布图”。转子不同转速下频谱图按转速大小顺序排列图 横坐标为频率，纵坐标为幅值，平面垂直轴向为转速常用转子故障分析图形作用：全频带幅值描述，观察转子振动各种频率成分随转速变化过程 观测临界转速位置、系统阻尼大小、自激

37、振动转速或失稳转速图中：低转速时振动工频分量为主。转速3400 r/min左右工频分量出现峰值系统临界转速，峰值不高，说明系统具有阻尼转速升至5400 r/min 出现半频振动分量 随转速増加而増加 表明系统失稳趋势 转速到约6000 r/min 低频分量频率不变 幅值随转速増加 自激振动特征 结合轴颈轴心轨迹分析 确认系统油膜振荡o 1 -Lfrr7,A.A. ckr* XA q tTTI 、+机械设备状志益，测与故障诊 2故障诊断的fe号处理方法J2.2旋转机械常用的振动信号处理图形2.2.7三维坐标图（三维谱阵图、瀑布图、级联图，转子升降速过程频谱图）60Hz电频率2 10 0 oooo

38、 oooo o 19-.4.3-2.1. .SS/JOI0. 5 X當娶5 I ,ssurE/J ooi XB?S02.44.37.29.012频率2.2.8阶比谱分析）阶比谱（Order Ratio Spectrum）频谱图上横坐标为无量纲阶比值/人 频率值除以某参考频率值fr （常取转速频率）阶比值为整数值Cfi/fr= n，n =1, 2, 3, fi即为fr的高次谐波作用：旋转机械升降速过程振动信号分析（特征频率与转速频率比例关系） 抑制转速无关的频率成分和随机噪声清晰辨别转速有关故障特征频率图中：转速3600 r/min和2600 r/min时阶比谱基本相同.42.42o 1-l-f

39、rr7,A.A. ckr* |M-| a tTTIj 机械设备状志益，测与故障诊 2故障诊断的fe号处理方法J2.2旋转机械常用的振动信号处理图形2.2.9全息谱技术多传感器水平和垂直信号合成 系列轴心轨迹图含信号幅值、频率、相位值1 一维全自港二+平坐标上表示转子振动各频率分量的轴心轨迹图 横坐标为转子振动阶比 （即频率）三维全息谱*面I同阶比成分振动轨迹相位关系以及转子振型节点图 作用：挠性转子动平衡提高转子平衡精度全息瀑布图转子升降速时各转速下二维全息谱的叠置图作用：有效揭示大型回转机械 启动停车过程振动特性XX2X3XX 频率图2-21二维全息谱的一般形式图2-23某氮气压缩机组转子的

40、基频振动三维全息谱Gi/ 雲145540100200300400500600700800图2-24全息瀑布图/Hz轴承产生动载荷弓I起机器振动巍不平衡原因：旋转体质量沿旋转中心线不均匀分布3.1.1转子不平衡概念带薄圆盘刚性转子 两轴承支承跨度I 转子质量m 质心M距旋转中心O偏心距e 旋转角速度历假定转子系统无阻尼转子产生离心力F = me co2 =2測、21/AVJ(0A -F2 & | 一 2 图3-1转子不平衡产生的离心力(N)900G e g圆盘质量10 kg,偏心距0.2 mm,转速6000 r/min,离心力、2,八八八、2= 10 x2x104x 2兀 x 6000、60 j

41、 离心力在轴承上每转变化一次，引起转子轴承系统振动60= 789 (N)60转子几种不平衡状态3.1.2临界转速对不平衡振动的影响（1）临界转速的动力特性临界转速现象：不平衡离心力引起共振现象，临界转速时转子很大弯曲变形 弓状回旋运动（“涡动”或“进动”），转子质量中心远离轴承中心 离心力大増，转子更大变形，离心力放大，机器剧烈振动 临界转速：一阶临界转速ntTl，多阶临界转速（阶数O设计要求：工作转速避开临界转速/V般规定：工作转速n 阶临界转速nCri，n 一阶临界转速 crl，1.4 fieri W （l阶）转子运动力学模型：最简单两端刚性轴承对称支承转子轴中点圆盘质量w，刚度系数h动挠

42、度频率.Hz(b)图32.5-20联轴节对中前后的频谱比较(a)对中前的速度频谱；(b对中后的速度频谱不平衡和不对中联合作用，轴向测明显轴向振动，典型不对中故障1机械设备状态监测与故障诊断3 旋转机械故障诊断3.3滑动轴承故障诊断1机械设备状态监测与故障诊断3 旋转机械故障诊断3.3滑动轴承故障诊断机械设备状志益测与故障诊断3 旋转机械故障诊断3.3滑动轴承故障诊断滑动轴承作用：转子负荷支承作用转子运动提供刚度和阻尼控制转子稳定运转3.3.1滑动轴承工作原理静压轴承：依靠润滑油在转子轴颈周围形成静压力差与外载荷相平衡轴旋转与否始终浮在压力油中旋转精度高、摩擦阻力小、承载能力强 良好速度适应性和

43、抗振性等制造工艺高，需复杂供油装置应用高精度机床上动压轴承：油膜压力由轴旋转产生供油系统简单，使用寿命长旋转机器广泛采用径向轴承和止推轴承（轴向力）3.3.1滑动轴承工作原理流体动压轴承原理：润滑油膜楔形间隙流体动压力作用轴停滞时沉在轴承内底部轴旋转时依靠摩擦力作用沿轴承内表面往上爬行E图3-33圆柱轴承内油膜压力分布 图3-34轴承承载能力系数与 h偏位角偏心距最小油膜厚度偏心率、宽径比关系hmin = Ce=C(le)到达摩擦力和转子重量平衡位置油膜收敛油楔动压力作用抬起轴颈轴承承载能力系数So低速重载转子Sol 高速轻载转子50一阶自振频率或其两倍时.摩擦产生的振幅将达到极大值轻摩擦和敢

44、摩擦转子的三坐标图和轴心轨迹图参见图3-64敢摩擦转子为反向进动发生摩擦转子的波形有明显的“削波”现象浮环密封卡住(0. 430. 48)cu浮环密封卡住在本质上如同一个阓柱轴承作用.使滑动轴承的抗振性能下降浮环密封卡住等于该转子增加了一个轴承.提商了转子一阶自振频率.因此振动 频率往往高于转子计算的一阶临界转速频率浮动环卡涩的多数情况，是环在油膜力作用下时而浮动，时而不动，反映在转子上的振幅出现忽高忽低地变动浮动环与轴颈摩擦时，转子振动又具有摩擦故障的特征密封效果下降，出现密封气泄漏现象叶轮和扩 压器旋转失速叶轮旋转失速为 (0.5 0.8) on 扩 压器旋转失速为 (0. 1 0. 25

45、)w旋转失速发生在进气量小于设计气量情况下.在叶轮或扩压器流道内产生气流 旋涡团，其形成机理见3. 6.2节旋转失速产生气流的压力脉动.在机器和管线内形成明显的压力不匀度，引发 机体和管线振动。振动强度与压比、气体分子量大小有关，压比越岛.气体分子量越 大，振动烈度越大发生旋转失速后，流最变化对压力影响很小表3-5油膜振荡与其他半频振动区别(2)油膜振荡的特征及其诊断2油膜振荡的机理及其故障诊断3.3.3高速滑动轴承不稳定故障的特征和防治措施3.3.33(1)X高速滑动轴承不稳定故障的特征和防治措施 油膜不稳定的防治措施 避开油膜共振区域避免转子工作转速柚心轨迹明接近两倍一阶临界转速3.3.3

46、高速滑动轴承不稳定故障的特征和防治措施3油膜不稳定的防治措施（2）増加轴承比压轴瓦单位面积承受载荷。増加轴承比压，承载能力系数So提高，偏重载形式 般轴承比压1.01.5 MPa,高速轻载轴承0.31.0 MPa 増加比压值等于增大轴颈的偏心率，提高油膜稳定性 重载转子比轻载转子稳定，因为重载转子偏心率大重心低像海洋中一艘航空母舰，由于载重量大水线下舰体深，波浪中非常稳定对已经油膜失稳转子，増加轴承比压，提高承载能力系数常用办法：车肖lj缩短轴承宽度轴承下瓦环向槽或沟槽，减小瓦块接触面积，改善油楔内油压分布减小下瓦接触角，下瓦开泄油槽，増加轴颈偏心率减小上瓦油槽宽度或设置油坝，提高上瓦油压改变

47、油楔形式，圆柱轴承降低顶隙，増加侧隙变为椭圆形轴承，提高轴颈稳定性机械设备状志益测与故障诊断3 旋转机械故障诊断3.3滑动轴承故障诊断机械设备状志益测与故障诊断3 旋转机械故障诊断3.3滑动轴承故障诊断机械设备状志益测与故障诊断3 旋转机械故障诊断3.3滑动轴承故障诊断图3-46轴瓦对轴颈的预负荷作用图3-47多油楔、多油叶轴承的形式3.3.3高速滑动轴承不稳定故障的特征和防治措施油膜不稳定的防治措施减小轴承间隙轴承间隙减小，相对増大轴承偏心率，提高发生油膜振荡转速 控制轴瓦预负荷预负荷正值表示轴瓦内表面曲率半径大于轴承内圆半径増大偏心距和油楔收敛程度增加油楔力(c)三油叶轴承油(a)肺圆轴承

48、(b)错位轴承油油35 I油(d)不对称三油楔轴承(e)三油楔轴承 或 0. 5W浮动环起附加圆柱轴承作用，产生油膜涡动频率，该频率髙于转 子计算的一阶自振频率浮动环与转轴之间的间隙小于轴承间隙，浮动环一旦卡住，容易 发生转轴与浮动环摩擦.转子上出现具有摩擦特征的故障频率发生卡涩的浮动环，在油膜力作用下时而浮动，时而不动，反映 在转子上的振幅时髙时低地变动密封效果下降，产生大量髙压气体泄漏对于柔性较好的转子（工作转速远髙于一阶临界转速），浮动环 卡死，可能使得振动频率落入转子的一阶自振频率范围之内，引发转 子强烈的亚异步共振（详见3. 7节）防转销钉折断，浮动环转动0. 5om1Xw及其倍频成

49、分转子振动加大.振幅忽髙忽低浮动环随转子产生随机性转动，转子上附加浮动环离心力，引起 不平衡振动。转子与浮动环摩擦.引起摩擦振动轴心轨迹紊乱，波形不光滑转子振动的工频成分相位角不稳定.随机变化密封效果下降，产生大量髙压气体泄漏3.5.2故障诊断实例大化肥厂合成气压缩机 高压缸浮动环卡涩频谱图振幅最高频率83 Hz 与转速频率172.9 Hz (10375 r/min)之比0.48轴心轨迹紊乱类似轴承油膜 不稳定故障检查发现：图3-75转子振动时的频谱图、波形和轴心轨迹图 (a)波形图；(b轴心轨迹图；(c)频谱图与密封油压差波动浮动环工作不稳定压力波动轴承回油管大量工艺气体高压气密封不良进入润

50、滑系统 诊断浮动环卡涩高压缸密封参比气机械设备状志益测与故障诊断 3旋转机械故障诊断3.6叶片式机器中流体激振故障诊断89机械设备状志益测与故障诊断 3旋转机械故障诊断3.6叶片式机器中流体激振故障诊断893.6.1非接触式密封中的流体激振故障离心泵多用环形密封，汽轮机和离心压缩机均用迷宫密封(梳齿形密封)，/(b)端面形离心泵常用密封结构(a)平直形涡轮机、离心压缩机常用密封结构 图3-80各种非接触式密封结构(0交错梳齿形机械设备状志益测与故障诊断 3旋转机械故障诊断3.6叶片式机器中流体激振故障诊断机械设备状志益测与故障诊断 3旋转机械故障诊断3.6叶片式机器中流体激振故障诊断(b)作用

51、在转子上的激振力(a密封腔内气流压力变化图3-81密封腔间隙变化形成激振力的机理A向透视XX3.6.1非接触式密封中的流体激振故障1非接触式密封中流体激振的机理 Alford流动模型；气隙不平衡力矩模型螺旋形流动模型；三维流动模型A喷射流部分中心流部分90图3-85三维流动模型3.6.1非接触式密封中的流体激振故障2迷宫密封气流激振的研究密封偏心周向压力，最高压力点位置，转子涡动切向力 密封进出口压力差，密封激励力，密封结构尺寸，密封流体刚度 转子轴承系统结构动力特性(转子挠性、轴承结构、油膜刚度、流体激振力、内外摩擦等)3迷宫密封气流激振的故障特征密封流体激振产生振动频率，低于工作转速频率亚

52、异步振动 振动情况与转速、压力、负荷有密切关系高压汽轮机气隙振荡与喷嘴方向和进气阀开启度有关4迷宫密封气流激振的防治措施导入反预旋气流腔内开孔导入平衡气 腔内周向设置纵向阻挡片平直形翻机械设备状志益测与故障昼 3旋转机械故障诊断3.6叶片式机器中流体激振故障诊断机械设备状志益测与故障昼 3旋转机械故障诊断3.6叶片式机器中流体激振故障诊断3.6.1非接触式密封中的流体激振故障5故障诊断实例美国宇宙飞船主发动机高压燃料涡轮泵密封流体激振额定功率56 MW,质量340 kg,压力40 MPa,设计转速2550037500 r/min 旋转机械最高功率密度机器，结构先进、高速高功率密度涡轮机械典范

53、转子三闭式叶轮，二级轴流式涡轮驱动，轴承液氢冷却，轴向力平衡盘平衡临界转速计算忽略两级间密封刚度影响以及泵壳挠性影响稳定性分析考虑密封影响，但忽视壳体挠性作用试验转速1750020000 r/min以上，泵壳明显振动振动频率150165 Hz与转子一阶自振频率一致转速上升振幅增大，发生严重轴承损坏和密封摩擦拆检发现涡轮侧轴承全损坏，泵不能超22000 r/min转速操作改进泵级间密封结构，锯齿形密封改为台阶形平密封类似静压轴承作用，提高转子刚度，増加阻尼，改善稳定性泵亚异步不稳定振动现象消失，顺利达到工作转速 3旋转机械故障诊断3.6叶片式机器中流体激振故障诊断 3旋转机械故障诊断3.6叶片式

54、机器中流体激振故障诊断机械设备状志益测与故障诊断3.6.1非接触式密封中的流体激振故障(a锯齿形)5故障诊断实例美国宇宙飞船主发动机 高压燃料涡轮泵密封流体激振泵壳振型3-89转子和泵壳无阻尼的一阶振型轴1冬!台阶形流体/福 流体(C)平直形图3-90三种密封结构机械设备状志益句 3旋转机械故障诊断3.6叶片式机器中流体激振故障诊断机械设备状志益句 3旋转机械故障诊断3.6叶片式机器中流体激振故障诊断机械设备状志益测与故障诊断 3旋转机械故障诊断3.6叶片式机器中流体激振故障诊断3.6.2叶片式机器中的气流不稳定故障离心式、轴流式风机、压缩机，设计工况范围窄、结构设计不合理 操作点远离设计工况

55、点以及操作失误等因素产生不稳定流动 引起流道和管道内气流压力脉动，导致机器和管道强烈振动 或零部件与管道疲劳破坏，产生严重故障1旋转失速机理：离心式或轴流式压缩机操作工况变动气量减小一定程度 气流冲叶片凸面（工作面）凹面（非工作面）附近形成气流旋涡 流道有效流通面积减小- 各流道气流分配不均匀-气流旋涡差别 如某流道（2）气流旋涡较多气量减少多余气转邻近流道（1和3） 气流折向前流道1时冲叶片凹面-冲去气流旋涡，流道气流畅通 气流折向后流道3时冲叶片凸面-凹面气流旋涡增加 堵塞流道有效流通面积迫使流道气流折向邻近流道连续发展旋涡组成气流堵塞团（失速团或区）沿叶轮旋转反向各流道轮流出现失速区传播

56、速度 叶轮旋转速度图3-92旋转失速的形成叶轮外看失速区叶轮转向转动3.6.2叶片式机器中的气流不稳定故障1旋转失速旋转失速区中气流减速压力脉动具有周期性受迫振动振动频率与叶栅固有频率重合，引起结构共振，导致零部件损坏 基本特征：渐进型和突变型破坏叶轮压力轴对称性，引起压力脉动，发生机器和管道振动振动基本频率0.50.8倍转速频率范围机器流量基本稳定振动强度比喘振小，但比不稳定进口涡流大，不同其他机械振动 防治措施：设计稳定工况范围宽，各级压比分配合理部分气体回流、提高进气温度，増体积流量，变气流冲角，减气流旋涡多级轴流式压缩机启动阶段采用中间抽气方法增大前几级气量，防止前几级旋转失速具有惯性

57、和滞后效应，一旦发生旋转失速工作转速下难通过气量调节消除，须使机器降速消除2不稳定的进口涡流主要进口导叶控制风机出现。减负荷进口导叶角度关小气流预旋作用强烈，发展成不稳定进口旋涡区3 旋转机械故障诊断机械设备状志监测与故障断963 旋转机械故障诊断机械设备状志监测与故障断963.6叶片式机器中流体激振故障诊断3.6.2叶片式机器中的气流不稳定故障3喘振 （1）喘振机理旋转脱离当压闱机汍最城少至某们时，叶道进门正 冲角很大.a使叶打廿工怍曲上的气汝边界fe!严 承分离，并沿叶道y张开来，ra中的叶遇所水. 造成叶进有效通道大为域小，从而使质来要流过 叶堪的气流相$多地汍向其他叶道.从而改进了 其

58、他叶道.依次芡孃.造a脱离区朗叶轮旋转的 反闷以转动。由实验可知w 系统阻尼力， 激振力 2. e2/e.0.7(4)710)一一阀片自由关闭曲线119 阀片典型运动轨迹气阀无推力关闭角久、关闭角久和开启角外气阀结构。阀片开启高度，阀座通道数、多环窄通道气阀弹簧力。变刚性弹簧阀片边倒角阀片制造工艺气体油水含量气阀故障诊断方法的研究气阀主要故障：阀片损坏、弹簧折断和气阀漏气监测诊断方法：阀盖测取振动或信号阀室测取阀片运动规律气缸P-V示功图吸排气脉动压力和温度变化4.1.2压缩机主要零部件的机械故障2活塞杆断裂重大事故25%，对称平衡型氮氢压缩机事故率51.5%原因：应力集中严重；表面粗糙度；材

59、质和热处理螺纹松动或预紧力；严重超载；杆跳动量；气体腐蚀 3连杆螺栓断裂原因：拧得紧松。开口销断；螺栓疲劳断裂；材质、热处理和装配 应力过大；部件故障；螺栓残余变形 4曲轴断裂原因：基础沉降；超载或紧急停机；气缸轴线变化轴瓦装配不良；严重应力集中；设计因素5活塞卡住、咬住或撞裂原因： 润滑油质量；冷却水供应；气缸带液；气缸间隙气缸掉硬物；活塞材质质量 4往复式压缩机的故障分析和管道振动机械设备状态监测与故璧 4.1往复式压缩机的故障类型与故障原因4.1.3压缩机故障振动1曲柄连杆机构的运动惯性力惯性力（旋转和往复惯性力）、气体力和摩擦力表4-8几种型式压缩机的不平衡往复惯性力的大小和方位列数结

60、构型式不平衡往复惯性力阶惯性力二阶惯性力2M0最大值：2m,ru）2X位罝：a = 0、90、180、2702通大值:y2m,roi2位置:=1353153贸02002wmtr(u2121 4往复式压缩机的故障分析和管道振动II机械设备状态监测与故障诊断4.1往复式压缩机的故障类型与故障原因 4往复式压缩机的故障分析和管道振动II机械设备状态监测与故障诊断4.1往复式压缩机的故障类型与故障原因4.1.3压缩机故障振动2压缩机故障振动和不正常声音(1)故障振动机械振动吸排气流压力脉动弓I起管路振动 气缸振动：底座、螺栓、磨损、间隙、敲击、气缸带液机体振动:惯性力平衡、加工、安装、连接、对中 间隙