机械设备典型故障的振动特性

1、机械设备典型故障的振动特性第1页，共31页，2022年，5月20日，3点19分，星期四振动故障分析和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？ 第2页，共31页，2022年，5月20日，3点19分，星期四3设 备 故 障 引 起 的 机 械 振 动齿轮啮合轴承故障不平衡幅值

2、时间幅值不平衡轴承故障齿轮啮合频率第3页，共31页，2022年，5月20日，3点19分，星期四 某石化厂压缩机组振动频谱分析第4页，共31页，2022年，5月20日，3点19分，星期四常 见 的 设 备 故 障转子不平衡偏心转子轴弯曲不对中松动转子与定子摩擦滑动轴承滚动轴承齿轮故障 力不平衡 力偶不平衡 动不平衡 悬臂转子不平衡 角不对中 平行不对中 轴承不对中 联轴节故障 结构框架/底座松动 轴承座松动 轴承等部件松动 齿轮磨损 齿轮偏心 齿轮不对中第5页，共31页，2022年，5月20日，3点19分，星期四质 量 不 平 衡A同频占主导，相位稳定。如果只有不平衡，1X幅值大于等于通频幅值的

3、80，且按转速平方增大。通常水平方向的幅值大于垂直方向的幅值，但通常不应超过两倍。同一设备的两个轴承处相位接近。水平方向和垂直方向的相位相差接近90度。典型的频谱 相位关系力 不 平 衡径向第6页，共31页，2022年，5月20日，3点19分，星期四质 量 不 平 衡B 典型的频谱 相 位 关 系力 偶 不 平 衡同频占主导，相位稳定。振幅按转速平方增大。需进行双平面动平衡。偶不平衡在机器两端支承处均产生振动，有时一侧比另一侧大较大的偶不平衡有时可产生较大的轴向振动。两支承径向同方向振动相位相差180。径向第7页，共31页，2022年，5月20日，3点19分，星期四质 量 不 平 衡C动不平衡

4、是前两种不平衡的合成结果。仍是同频占主导，相位稳定。 两支承处同方向振动相位差接近 典型的频谱 相 位 关 系动 不 平 衡径向第8页，共31页，2022年，5月20日，3点19分，星期四质 量 不 平 衡悬臂转子不平衡在轴向和径向都会引起较大1X振动。轴向相位稳定，而径向相位会有变化。悬臂式转子可产生较大的轴向振动，轴向振动有时甚至超过径向振动。两支承处轴向振动相位接近。往往是力不平衡和偶不平衡同时出现。 典型的频谱 相 位 关 系悬 臂 转 子 不 平 衡轴向和径向第9页，共31页，2022年，5月20日，3点19分，星期四 偏 心 转 子当旋转的皮带轮、齿轮、电机转子等有几何偏心时，会在

5、两个转子中心连线方向上产生较大的1X 振动；偏心泵除产生1X振动外，还由于流体不平衡会造成叶轮通过频率及倍频的振动。垂直与水平方向振动相位相差为0或180。采用平衡的办法只能消除单方向的振动。 典型的频谱 相 位 关 系风机电机径向风机电机第10页，共31页，2022年，5月20日，3点19分，星期四 轴 弯 曲振动特征类似动不平衡，振动以1X为主，如果弯曲靠近联轴节，也可产生2X振动。类似不对中、通常振幅稳定，如果2X与供电频率或其谐频接近，则可能产生波动。轴向振动可能较大，两支承处相位相差180。振动随转速增加迅速增加，过了临界转速也一样。 典型的频谱 相 位 关 系轴向第11页，共31页

6、，2022年，5月20日，3点19分，星期四不 对 中有资料表明现有企业在役设备3050存在不同程度的不对中，严重的不对中会造成设备部件的过早损坏，同时会造成能源的浪费。不对中既可产生径向振动,又会产生轴向振动；既会造成临近联轴节处支承的振动, 也会造成远离联轴节的自由端的振动。不对中易产生2X振动，严重的不对中有时会产生类似松动的高次谐波振动. 相位是判断不对中的最好判据。第12页，共31页，2022年，5月20日，3点19分，星期四 不对中A角不对中产生较大的轴向振动，频谱成分为1X和2X；还常见1X、2X 或3X 都占优势的情况。如果 2X或 3X超过 1X的 30到50，则可认为是存在

7、角不对中。联轴节两侧轴向振动相位相差180. 典型的频谱相位关系角 不 对 中轴向第13页，共31页，2022年，5月20日，3点19分，星期四不对中 B 典型的频谱相位关系平 行不 对 中平行不对中的振动特性类似角不对中，但径向振动较大。频谱中2X较大，常常超过1X，这与联轴节结构类型有关。角不对中和平行不对中严重时，会产生较多谐波的高谐次（4X8X）振动。联轴节两侧相位相差也是180。径向第14页，共31页，2022年，5月20日，3点19分，星期四不对中 C轴承不对中或卡死将产生1X, 2X轴向振动，如果测试一侧轴承座的四等分点的振动相位，对应两点的相位相差180。通过找对中无法消除振动

8、，只有卸下轴承中心安装。 典型的频谱相位关系轴 承 不 对 中轴向第15页，共31页，2022年，5月20日，3点19分，星期四不对中 D如果联轴节的短节过长或过短，通常会产生明显的3X振动。齿型联轴节卡死会引起轴向和径向振动, 通常轴向大于径向, 频谱以1X 为主, 兼有其它谐频，也有出现4X 为主的实例.振动随负荷而变，1X明显。松动的联轴节将引起啮合频率及叶片通过频率的振动, 其周围分布1X 旁瓣。联 轴 节 故 障 第16页，共31页，2022年，5月20日，3点19分，星期四对 中 不 良 设 备 的 轴 心 轨 迹第17页，共31页，2022年，5月20日，3点19分，星期四机 械

9、 松 动松动本身不是纯粹 的故障, 不会直接 产生振动，但它可 放大故障的作用。A 结 构 框 架 或 底 座 松 动B 轴 承 座 松 动C 轴 承 等部 件 配 合松 动径向A型基础底板机器底脚混凝土基础径向B型C型第18页，共31页，2022年，5月20日，3点19分，星期四A. 结构框架/底座松动振动特征: 类似不平衡或不对中, 频谱主要以1X 为主。振动具有局部性, 只表现在松动的转子上。同轴承径向振动垂直, 水平方向相位差0 或180。底板连接处相邻结合面的振动相位相差180。如果轴承紧固是在轴向, 也会引起类似不对中的轴向振动. 包括如下几方面的故障 支脚、底板、水泥底座松动/强

10、度不够； 框架或底板变形；紧固螺丝松动。径向A型基础底板机器底脚混凝土基础第19页，共31页，2022年，5月20日，3点19分，星期四B. 由于结构/轴承座晃动或开裂引起的松动振 动 特 征:主要以2X 为特征(主要是径向2X 超过1X 的50%)幅值有时不稳定振动只有伴随其它故障如不平衡或不对中时才有表现, 此时要消除平衡或对中将很困难.在间隙达到出现碰撞前, 振动主要是1X 和2X；出现碰撞后, 振动将出现大量谐频。 包括如下几方面的故 障 结构或轴承座开裂 支承件长度不同引起的晃动 部件间隙出现少量偏差时(尚无碰撞) 紧固螺丝松动。径向B型第20页，共31页，2022年，5月20日，3

11、点19分，星期四C. 轴承在轴承座内松动或部件配合松动振动特征:常常出现大量的高次谐频, 有时10X，甚至20X，松动严重时还会出现半频及谐频 (0.5X, 1.5X.)成分。半频及谐频往往随不平衡或不对中等故障出现。振动具有方向性和局部性。振动幅值变化较大，相位有时也不稳定。 包括如下几方面的故障 轴承在轴承座内松动 轴承内圈间隙大 轴承保持架在轴承盖内松动 轴承松动或与轴有相对转动C型第21页，共31页，2022年，5月20日，3点19分，星期四转子摩擦转子在转动过程中与定子的摩擦会造成严重的设备故障在摩擦过程中, 转子刚度发生改变从而改变转子系统的固有频率, 可能造成系统共振。往往会激起

12、亚谐波振动(1/2X, 1/3X.), 严重时出现大量的谐频(1/2X, 1.5X, 2.5X.)， 并伴随有噪音。轴径和滑动轴承钨金干摩电动机转子与定子接触叶轮与扩压器口接触汽轮机叶片与静叶严 重 摩 擦轻 微 摩 擦轴与汽封摩擦联轴器罩摩轴皮带摩擦皮带罩叶片摩擦外罩 典型的摩擦波形径向共振第22页，共31页，2022年，5月20日，3点19分，星期四滚 动 轴 承有资料显示仅有10 20的轴承达到或接近设计寿命. 其余部分因为如下各种原因达不到设计寿命.润滑不当, 使用错误的润滑剂；润滑剂或轴承内混入赃物或杂质；运输或存放不当；选型不当、安装错误等. 振动监测的最终目的是通过跟踪轴承状态了

13、解何时需要更换轴承.位移, 不易用于轴承的监测。加速度, 可早期发现轴承的故障征兆, 应与速度联用。使用包络技术监测参数的选择第23页，共31页，2022年，5月20日，3点19分，星期四第一阶段：轴承故障出现在超声段20K 60 KHz,它们可用高频(HFD)g 来测量、评定。例如：某轴承在第一阶段的尖峰能量值为0.25gSE(实测数值与测试位置和机械转速有关)。第二阶段：轻微的轴承故障开始“敲击” 出轴承元件的固有频率段，一般在5002KHz 范围内；本阶段后期表现为在固有频率附近出现边频（例：0.25gSE-0.5gSE）滚 动 轴 承 故 障 谱 特 征 (1)A区域B区域C区域D区域

14、轴承故障频率区域轴承零部件共振频率区域第一阶段第二阶段轴承共振频率振动尖峰能量第24页，共31页，2022年，5月20日，3点19分，星期四第三阶段：轴承出现磨损 故障频率和谐波出现；磨损发展时出现更多故障频率谐波，并且边带数目增多，振动尖峰能量值继续增大。第四阶段：这一阶段甚至影响1X分量，并引起其它倍频分量2X、3X等的增大。轴承故障频率和固有频率开始“消失”被随机振动或噪音代替，高频量和尖峰能量值很大。滚 动 轴 承 故 障 谱 特 征 (2)A区域B区域C区域D区域轴承故障频率区域轴承零部件共振频率区域振动尖峰能量边带频率第三阶段轴承共振频率第四阶段随机高频振动gSE首先减小然后明显增

15、大第25页，共31页，2022年，5月20日，3点19分，星期四滚 动 轴 承 故 障 频 谱第26页，共31页，2022年，5月20日，3点19分，星期四滚动轴承故障前后包络谱第27页，共31页，2022年，5月20日，3点19分，星期四滑 动 轴 承滑动轴承摩擦后期通常出现一系列倍频成分（多达10X20X）。老的滑动轴承往往产生垂直方向比水平方向振幅更大的振动。间隙过大的滑动轴承可能会导致不平衡、不对中引起的振动更大摩擦/间隙过大的频谱油膜振荡松动，1/2X, 1/3X 等成分，随负荷变化较大乌金脱落，1/2X及谐频，幅值小于松动谱瓦块损坏，1/3X涡动，调油温有效径向径向第28页，共31页，2022年，5月20日，3点19分，星期四滑 动 轴 承 损 坏 及 松 动 频 谱第29页，共31页，2022年，5月20日，3点19分，星期四齿 轮 故 障 (1)正常的频谱出现所有转轴的1X 和啮合频率(GMF)。齿轮啮合频率的两侧有转速边带，其峰值较小。齿磨损：齿轮固有频率出现，且有磨损齿轮所在轴的转速边带磨损明显时，啮合频率附近也会出现较高峰值的边带。正常齿轮的频谱