机械故障诊断-Ch-旋转机械的振动监测与诊断课件

Ch4旋转机械的振动监测与诊断机械故障诊断—Ch4旋转机械的振动监测与诊断§4-1旋转机械的振动及故障概述§4-2旋转机械振动的监测参数与分析方法§4-3旋转机械典型故障的机理与特征Ch4旋转机械的振动监测与诊断机械故障诊断—Ch4旋1一机械振动1旋转机械振动与故障之间的关系1º振动存在具有广泛性即任何机械设备在动态下都会或多或少地产生一定的振动。2º振动监测的有效性当设备发生异常或故障时，振动将会发生变化，一般表现为振幅加大。这就使人们可以从振动信号中获取诊断信息。3º振动的可识别性由不同类型、性质、原因和部位产生的故障所激发的振动将具有不同的特征，表现为频率成分、幅值大小、相位差别、波形形状、能量分布状况等，这一点使人们可以从振动信号中识别故障。机械故障诊断—§4-1旋转机械的振动及故障概述一机械振动机械故障诊断—§4-1旋转机械的振动及故障24º振动信号性质、特征不仅与故障有关，而且与机械系统的固有特性有关1’同一故障对不同的转子系统，其振动的幅值和相位可能相差很大；2’同一故障发生在不同部位，振动信号可能相差很大；3’同一故障在不同位置布置测点，所得的振动信号亦会有较大差别。在机械故障诊断中，振动信号够更迅速、更直接的反映机械设备的运行状态，据统计，70％以上的故障都是以振动形式表现出来。为了便于分析，因此首先介绍有关振动的一些概念。机械故障诊断—§4-1旋转机械的振动及故障概述4º振动信号性质、特征不仅与故障有关，而且与机械系统的32机械振动及其种类机械振动机械构件在其平衡位置附近所作的往复运动。1º按振动产生的原因分自由振动－给系统一定能量后，系统所产生的振动。若系统无阻尼，则维持等幅振动，反之，为衰减振动；受迫振动－系统在外界持续力作用下，被迫产生的振动（刚性转子系统）；自激振动－系统从本身运动中吸收能量转变成交变力维持的振动（柔性转子系统）；机械故障诊断—§4-1旋转机械的振动及故障概述2机械振动及其种类机械故障诊断—§4-1旋转机械的42º按振动规律分1’稳态振动1``周期振动 简谐振动、非简谐振动2``非周期振动（瞬态振动）2’随机振动3º按振动系统的自由度分单自由度、多自由度和无限自由度振动系统的振动机械故障诊断—§4-1旋转机械的振动及故障概述2º按振动规律分机械故障诊断—§4-1旋转机械的振动及53简谐振动及其性质简谐振动指随时间变化按正弦或余弦规律变化的周期性振动，是最基本的周期振动，简谐振动的运动规律可用谐波函数表示，即质点的运动规律为y=Asin(2πt/T+φ)＝Asin(2πft+φ)=Asin(ωt+φ)式中，y—质点位移；t—时间A—振动位移的最大值，称为振幅；f—振动频率；ω—振动角频率；T—振动周期，为频率f的倒数；φ—初始相位角。机械故障诊断—§4-1旋转机械的振动及故障概述3简谐振动及其性质机械故障诊断—§4-1旋转机械的振6简谐振动的速度和加速度分别为 v=dy/dt=ωAcos(2πft+φ) a=dv/dt=ω2Asin(2πft+φ)=ω2y可见，速度超前位移90º，而加速度超前位移180º。机械故障诊断—§4-1旋转机械的振动及故障概述机械故障诊断—§4-1旋转机械的振动及故障概述74周期振动及其性质波形按周期T不断重复的振动，称为周期振动。可以写作

y(t)=y(t+nT)周期振动包括不按正弦或余弦规律变化的一般周期性振动和准周期振动。旋转机械按固定的转速运动，同时由于随机干扰，也伴随着许多随机振动信息，所以，旋转机械的振动过程是一个以周期振动为主导的随机过程。根据函数的傅里叶级数展开定理，周期函数可以展开为傅里叶级数，即可知，任何周期振动都可以看作为简谐振动叠加而形成的。机械故障诊断—§4-1旋转机械的振动及故障概述4周期振动及其性质机械故障诊断—§4-1旋转机械的振动8可知，任何周期振动都可以看作为简谐振动叠加而形成的，进一步简化可写成y(t)=A0+A1sin(ωt+φ1)+A2sin(ωt+φ2)+•••+Ansin(ωt+φn)+•••式中第一项A0为均值或直流分量，第二项为基本振动或基波，第三项及以下总称为高次谐波振动。由于旋转机械振动时具有上述特性，故可用前面章节所介绍的频谱分析方法进行研究。机械故障诊断—§4-1旋转机械的振动及故障概述可知，任何周期振动都可以看作为简谐振动叠加而形9二转子振动与转子临界转速 根据转子系统在坐标平面内发生的振动形式，转子的振动可分为1º横向振动——振动发生在包括转轴在横向平面内；2º轴向振动——振动发生在转轴的轴线方向上；3º扭转振动——沿转轴轴线发生的扭振。 旋转机械大多数故障所激发的振动为横向振动，是主要的研究对象。机械故障诊断—§4-1旋转机械的振动及故障概述二转子振动与转子临界转速机械故障诊断—§4-1旋转10转子系统是多自由度振动系统，它具有多个横向固有频率。当转子的转速达到横向振动的固有频率附近时，将出现振动急剧增大的现象，有时甚至在工作转速下振动也比较强烈。此时的转速即为临界转速。机械故障诊断—§4-1旋转机械的振动及故障概述机械故障诊断—§4-1旋转机械的振动及故障概述11在无阻尼的情况下，转子的临界转速等于其横向固有频率，因此转子的临界转速个数与转子的自由度相等。对实际转子来说，理论上有无穷多个临界转速，但由于转子的转速限制，往往只能遇见数个临界转速。在有阻尼的情况下，转子的临界转速略高于其横向固有频率。根据转子的工作转速n与其第一阶临界转速ncrl间的关系，可划分刚性转子与挠性转子n<ncrl刚性转子n≥ncrl挠性转子机械故障诊断—§4-1旋转机械的振动及故障概述在无阻尼的情况下，转子的临界转速等于其横向固12§42旋转机械振动的监测参数与分析方法一旋转机械振动评定标准目前最常采用的是通频振幅来衡量机械运行状态的，根据所使用传感器的种类分为1º轴承振动评定，这可以利用接触式传感器(例如磁电式振动速度传感器或压电式振动加速度传感器)放置在轴承座上进行测量。2º轴振动值评定，这可利用非接触式传感器(例如电涡流式传感器)测量轴相对于机壳的振动值或轴的绝对振动值。机械故障诊断—§4-2旋转机械振动的监测参数与分析方法§42旋转机械振动的监测参数与分析方法机械故障诊断—13评定参数可用振动位移峰峰值和振动烈度（即均方根值，它代表了振动能量的大小）来表示。1以轴承振动位移峰峰值作评定标准★轴承的振动测定通常适用于非高速旋转机械；★轴承的振动测定的测点布置轴向和水平方向的振动测定宜在轴的中心高度处，垂直方向的振动测点则选择在轴线的上部垂线上。机械故障诊断—§4-2旋转机械振动的监测参数与分析方法评定参数可用振动位移峰峰值和振动烈度（即均方14表41为国际电工委员会IEC1969年推荐的汽轮发电机组振动标准；表42为原水电部规定的评定汽轮发电机组轴承的振动等级标准。机械故障诊断—§4-2旋转机械振动的监测参数与分析方法表41为国际电工委员会IEC1969年推荐的汽15二监测参数及分析方法2º振动监测的有效性二监测参数及分析方法1转子质量不平衡（固有不平衡）机械故障诊断—§4-3旋转机械典型故障的机理与特征假设轴承两端的泄油量为dQ，则在此时间内流径A侧和B侧的流量应相等。§4-1旋转机械的振动及故障概述★转子不平衡故障按故障机理分包括中心下降的措施，再开机测试井进行频谱15mm，电机的中心较高。自激振动－系统从本身运动中吸收能量转变成交变力维持的振动（柔性转子系统）；转子固有频率越高，产生油膜振荡的失稳转速也越高，系统失稳转速应在工作转速的125％以上。在正常工况下，转轴在油压、阻尼作用下在一定的位置上浮动。简谐振动指随时间变化按正弦或余弦规律变化的周期性振动，是最基本的周期振动，简谐振动的运动规律可用谐波函数表示，即质点的运动规律为表42为原水电部规定的评定汽轮发电机组轴承的振动等级标准。因此，可通过变负荷或一段时间的振动监测判断转子热弯曲故障。圆柱轴承制造简单，但抗振性最差，椭圆轴承、三油楔、多油楔轴承次之。轴心轨迹为双椭圆复合轨迹；诊断意见：渐变不平衡，转子流道结垢或局部腐蚀造成；可知，任何周期振动都可以看作为简谐振动叠加而形成的。表4-1IEC汽轮发电机组振动标准（峰－峰值，μm）转速（r/min）10001500180030003600600012000在轴承上测量7550422521126在轴上测量1501008450422512

表4-2原水电部规定的汽轮发电机组振动标准（峰－峰值，μm）转速（r/min）优良合格1500305070

3000203050

机械故障诊断—§4-2旋转机械振动的监测参数与分析方法二监测参数及分析方法表4-1IEC汽轮发电机组振动16由表可见，转速低，允许的振动值大；转速高，允许的振动值小。这是因为对于同样的振动值，高速机组比低速机组更易出现故障。机械故障诊断—§4-2旋转机械振动的监测参数与分析方法机械故障诊断—§4-2旋转机械振动的监测参数与分析方法17以轴承振动位移峰峰值作评定标准的假设条件1º机组振动为单一频率的正弦波振动；2º轴承振动和转子振动基本上有一固定的比值，因此可利用轴承振动代表转子振动；3º轴承座在垂直、水平方向上的刚度基本上相等，即认为是各向同性的。机械故障诊断—§4-2旋转机械振动的监测参数与分析方法机械故障诊断—§4-2旋转机械振动的监测参数与分析方法182以轴承振动烈度作为评定标准实际证明上述假设与事实不尽相符◆所测得的振动多数是由数种频率的振动合成；◆轴承组水平刚度明显低于垂直刚度；◆转子振动和轴承座振动的比值，可以是2～50倍，它和轴承型式，间隙、轴承座刚度、油膜特性等有关，且同类机组亦不尽相同；因此，为了较全面的反映机组的振动情况，必须制定其它的振动标准。机械故障诊断—§4-2旋转机械振动的监测参数与分析方法2以轴承振动烈度作为评定标准机械故障诊断—§4-2旋转机械19国际标准化组织IS03945给出了用振动烈度评定功率大于300kW，转速为600～12000r/rain的大型原动机和其它具有旋转质量的大型机器，例如电动机和发电机、蒸汽轮机和燃气轮机、涡轮压缩机、涡轮泵和风扇等的振动特性的国际标准，见表43。机械故障诊断—§4-2旋转机械振动的监测参数与分析方法机械故障诊断—§4-2旋转机械振动的监测参数与分析方法20表4-3IS03945关于功率大于300KW、转速为600~12000转/分大型旋转机械的振动烈度的评定等级

振动烈度（mm/s）分贝（db）刚性支承挠性支承0.46-0.7193-97良好良好0.71-1.1297-101良好良好1.12-1.8101-105良好良好1.8-2.8105-109满意良好2.8-4.6109-113满意满意4.6-7.1113-117不满意满意7.1-11.2117-121不满意不满意11.2-18121-12不允许不满意18-28125-129不允许不允许28-45129-139不允许不允许机械故障诊断—§4-2旋转机械振动的监测参数与分析方法表4-3IS03945关于功率大于300KW、振动烈21表中的支承情况分为刚性和挠性两种，刚性支承是指机器—支架系统的第一阶固有频率高于主激振频率。振动烈度的计算如下机械故障诊断—§4-2旋转机械振动的监测参数与分析方法表中的支承情况分为刚性和挠性两种，刚性支承是指223以轴振动的位移峰峰值作为评定标准★轴的振动位移测定通常适用于高速旋转机械；★测点布置通常在轴承处装设非接触型位移计，测取位移计与轴表面的间隙。对于径向振动，一般在水平、垂直方向上进行测量，也可错开某一角度进行测量。机械故障诊断—§4-2旋转机械振动的监测参数与分析方法3以轴振动的位移峰峰值作为评定标准机械故障诊断—§4-23★测点布置机械故障诊断—§4-2旋转机械振动的监测参数与分析方法★测点布置机械故障诊断—§4-2旋转机械振动的监测参数与分24机械故障诊断—§4-2旋转机械振动的监测参数与分析方法直接测量转轴的振动值以判断转子的振动特性将能更确切地反映振动的实质。在轴承座上测量机组的振动虽然较为方便，然而机组转子的振动要通过油膜传到轴承座，所测得的振动幅值受油膜刚度和轴承刚度的影响。机械故障诊断—§4-2旋转机械振动的监测参数与分析方法25表41所列出的IEC推荐的振动标准中包含有轴振动的标准。美国石油学会给出了功率不超过1000kW的中小型涡轮机械轴振动的振动标准APl617，其振动许可值为 式中A——振动许可值（双振幅），单位为μm；n——机器的转速，单位为r/min。

ISO/DIS79110-2《旋转机器轴振动的测量与评定─第二部分：大型汽轮发电机组应用指南》于1987年制订，它规定了50MW以上汽轮发电机组轴振动的限值，见表4-4和表4-5，分别适用于轴的相对振动与轴的绝对振动。

机械故障诊断—§4-2旋转机械振动的监测参数与分析方法表41所列出的IEC推荐的振动标准中包含有轴振26表4-4汽轮机发电机组轴相对振动的限值（位移峰－峰值，单位μm）级段转速（r/min）1500180030003600A100908075B200185165150C300290260240表4-5汽轮机发电机组轴绝对振动的限值（位移峰－峰值，单位μm）级段转速（r/min）1500180030003600A12011010090B240220200180C385350300290机械故障诊断—§4-2旋转机械振动的监测参数与分析方法表4-4汽轮机发电机组轴相对振动的限值（位移峰－峰值，27二监测参数及分析方法1监测参数测量参数依其变化快慢可分为动态参数和静态参数两种。1º动态参数1’振幅它表示振动的严重程度，可用位移、速度或加速度表示。2’振动烈度近年来国际上已统一使用振动烈度作为描述机器振动状态的特征量。3’相位它对于确定旋转机械的动态特性、故障特性及转子的动平衡等具有重要意义。机械故障诊断—§4-2旋转机械振动的监测参数与分析方法二监测参数及分析方法机械故障诊断—§4-2旋转机械振动的监281转子不对中故障诊断转子不平衡时的时域波形旋转机械一般是由多根转子所组成的多转子系统，转子间一般采用刚性或半挠性联轴节联接。处理措施由于机组振动值非常高，表明内部动静件摩擦比较严重，为安全期间，决定停机拆检。★转子不平衡按发生不平衡的过程分如下三类部颁标准规定，工作转速3000r/min的汽轮机组轴承三个方向(垂直、水平、轴向)振动的最大幅值不得超过50µm。机械故障诊断—§4-1旋转机械的振动及故障概述当轴向位置过小时，易造成动静摩擦，产生不良后果。这就可以避免传递途径的影响，其8号测点的位移及速度频谱图如图。同时在波形图上会发生单边波峰“削波”现象，如图所示。转速为600~12000转/分大型旋转机械的振动烈度的评定等级由于温度分布的变化，轴承座的热膨胀不均匀而引起轴承不对中，使转子的振动也要发生变化．但由于热传导的惯性，振动的变化在时间上要比负荷的改变滞后一段时间。式中A——振动许可值（双振幅），单位为μm；6裂纹引起刚度不对称，使转子动平衡发生困难，往往多次试重也达不到所要求的平衡精度。转子在轴向与静止件接触而引起的摩擦，称为轴向摩擦；机械故障诊断—§4-2旋转机械振动的监测参数与分析方法右图为轻摩擦转子的瀑布图与轴心轨迹。3º扭转振动——沿转轴轴线发生的扭振。中超差甚大，在垂直方向两轴中心偏移达在无阻尼的情况下，转子的临界转速等于其横向固有频率，因此转子的临界转速个数与转子的自由度相等。实际上，各转子轴线之间往往既有径向位移又有角度位移。2º静态参数1’轴心位置在稳定情况下，轴承中心相对于转轴轴颈中心的位置。在正常工况下，转轴在油压、阻尼作用下在一定的位置上浮动。在异常情况下，由于偏心太大，会发生轴承磨损的故障。2’轴向位置是机器转子上止推环相对于止推轴承的位置。当轴向位置过小时，易造成动静摩擦，产生不良后果。机械故障诊断—§4-2旋转机械振动的监测参数与分析方法1转子不对中故障诊断2º静态参数机械故障诊断—§4-2293’差胀指旋转机械中转子与静子之间轴向间隙的变化值。它对机组安全启动具有十分重要的意义。4’对中度指轴系转子之间的连接对中程度，它与各轴承之间的相对位置有关，不对中故障是旋转机械的常见故障之一。5’温度轴瓦温度反映轴承运行情况。6’润滑油压反映滑动轴承油膜的建立情况。机械故障诊断—§4-2旋转机械振动的监测参数与分析方法3’差胀机械故障诊断—§4-2旋转机械振动的监测参数与302旋转机械振动故障分析常用方法旋转机械振动信号常用的分析方法除第2、3章介绍的一般方法外，针对旋转机械的特点，常用图形分析方法有时域波形图、波特图、极坐标图、瀑布图、轴心位置图、轴心轨迹图、频谱图、相位分析、趋势分析等。机械故障诊断—§4-2旋转机械振动的监测参数与分析方法2旋转机械振动故障分析常用方法机械故障诊断—§4-2旋31§43旋转机械典型故障的机理与特征转轴系统（转轴组件包括转子、轴承、支座及相关密封装置等或转子系统）是旋转式机械的主要组成部分，旋转式机械的故障绝大多数是由于转子系统的故障引起的，而转子系统的故障又主要是由振动引起的。因此在本节我们先介绍转子系统的典型故障及其特征。机械故障诊断—§4-3旋转机械典型故障的机理与特征§43旋转机械典型故障的机理与特征机械故障诊断—§432一转子不平衡不平衡是旋转机械最常见的故障（约占故障的20%）。引起转子不平衡的原因有结构设计不合理，制造和安装误差，材质不均匀，受热不均匀，运行中转子的腐蚀、磨损、结垢、零部件的松动和脱落等。机械故障诊断—§4-3旋转机械典型故障的机理与特征一转子不平衡机械故障诊断—§4-3旋转机械33★不平衡振动的特征转子的质量不平衡所产生的离心力始终作用在转子上，它相对于转子是静止的，其振动频率就是转子的转速频率，也称为工频(即工作频率)，在频谱分析时，首先要找的就是工频成分。其特征有1º对于刚性转子，不平衡产生的离心力与转速的平方成正比，而在轴承座测得的振动随转速增加而加大，但不一定与转速的平方成正比，这是由于轴承与转子之间的非线性所致。2º对于柔性转子，在临界转速附近，振幅会出现一个峰值，且相位在临界转速前后相差近180º。3º振动频率和转速频率一致，转速频率的高次谐波幅值很低，在时域上波形接近于一个正弦波。机械故障诊断—§4-3旋转机械典型故障的机理与特征★不平衡振动的特征机械故障诊断—§4-3旋转机械典34刚性转子与柔性转子的时域动态特征。机械故障诊断—§4-3旋转机械典型故障的机理与特征主要特征刚性转子与柔性转子的时域动态特征。机械故障诊35不平衡故障的时域波形与频谱结构。机械故障诊断—§4-3旋转机械典型故障的机理与特征转子不平衡时的时域波形转子不平衡谱图不平衡故障的时域波形与频谱结构。机械故障诊断36★转子不平衡故障按故障机理分包括 转子质量不平衡转子初始弯曲转子热态不平衡转子部件脱落、断裂转子部件结垢联轴器不平衡等。不同原因引起的转子不平衡故障规律相近，但又各有特点。机械故障诊断—§4-3旋转机械典型故障的机理与特征★转子不平衡故障按故障机理分包括机械故障诊断—§4-3371转子质量不平衡（固有不平衡）所有不平衡都可归结为转子的质量偏心，为此，首先分析带有偏心质量的多圆盘转子的振动情况，如图所示。机械故障诊断—§4-3旋转机械典型故障的机理与特征1转子质量不平衡（固有不平衡）机械故障诊断—§4-338根据分析可知，转子不平衡的振动特征是1º各圆盘的中心轨迹是圆或椭圆；2º各圆盘的稳态振动是一个与转速同频的强迫振动，振动幅值随转速按振动理论中的共振曲线规律变化，在临界转速处达到最大值。因此转子不平衡故障的突出表现为一倍频振动幅值大．3º表示各圆盘中心位移的复数向量相角是不同的，因此轴线弯曲成空间曲线，并以转子转速绕oz轴转动，如下图所示。机械故障诊断—§4-3旋转机械典型故障的机理与特征根据分析可知，转子不平衡的振动特征是机械故障39在无阻尼的情况下，转子的临界转速等于其横向固有频率，因此转子的临界转速个数与转子的自由度相等。表42为原水电部规定的评定汽轮发电机组轴承的振动等级标准。用振动信号处理技术来诊断旋转机械的转子的不对中的故障是可行的；因此，油膜涡动又称为半速涡动，是一种自激振动。这时可能会出现二倍转速频率的振动，频谱图上有明显的二次谐波谱值。可推导得油膜涡动的频率为Ω=0.根据二倍频和三倍频幅值大的特点，对实际转子来说，理论上有无穷多个临界转速，但由于转子的转速限制，往往只能遇见数个临界转速。机械故障诊断—§4-2旋转机械振动的监测参数与分析方法实际上，由于轴承两侧有泄油用以带走轴承工作量产生的热量等原因，实际产生涡动的频率约为1各阶临界转速较正常时要小，尤其在裂纹严重时。可知，任何周期振动都可以看作为简谐振动叠加而形成的。当轴颈中心处于平衡状态不同原因引起的转子不平衡故障规律相近，但又各有特点。某压缩机组配置为汽轮机+齿轮箱+压缩机。自由振动－给系统一定能量后，系统所产生的振动。3º扭转振动——沿转轴轴线发生的扭振。联轴器不对中时轴向振动较大，振动频率为一倍频，振动幅值和相位稳定；2转子初始弯曲人们习惯上将转子的初始弯曲与质量初始不平衡同等看待，实际上是有区别的。所谓质量不平衡是指各横截面的质心连线与其几何中心连线存在偏差，而转子弯曲是指各横哉面的几何中心连线与旋转轴线不重合，二者都会使转于产生偏心质量，从而使转子产生不平衡振动。初弯转子具有与质量不平衡转子相似的振动特征，所不同的初弯转子在转速较低时振动较明显，趋于初弯值。在汽轮发电机组中，通常是在盘车时和盘车后测量晃动度的大小来判断转子是否存在初始弯曲。弯曲严重时，必须进行校正；当转子弯曲不严重时可以用平衡方法加以校正。机械故障诊断—§4-3旋转机械典型故障的机理与特征在无阻尼的情况下，转子的临界转速等于其横向固有频率，因此转子403转子热弯曲在机组的启动和停机过程中，由于热交换速度的差异，使转子横截面产生不均匀的温度分布，使转子发生瞬时热弯曲，产生较大的弯曲。热弯曲引起的振动一般与负荷有关，改变负荷，振动相应地发生变化，但在时间上较负荷的变化滞后。随着盘车或机组的稳态运行，整机温度趋于均匀，振动会逐渐减小。产生原因1)由于转子与静子(如密封处)发生间歇性局部接触，产生摩擦热引起的转子临时性弯曲；2)转子不均匀受热或冷却引起转子的临时性弯曲。其特点是转子的振动随时间、负荷的变化而在大小和相位上均有改变。因此，可通过变负荷或一段时间的振动监测判断转子热弯曲故障。防止热弯曲一方面要减小使转子不均匀受热的影响因素，如启停机时充分暖机，保证机组均匀膨胀；另一方面应注意装配间隙，各部件要有相近的线膨胀系数机械故障诊断—§4-3旋转机械典型故障的机理与特征3转子热弯曲机械故障诊断—§4-3旋转机械典型414转子部件结垢如果工作介质的质量不合格，随着时间的推移，将在转子的动叶和静叶表面产生尘垢，使转子原有的平衡遭到破坏，振动增大。由于结垢需要相当长的时间，所以振动是随着年月逐渐增大的．并且由于通流条件变差，轴向推力增加，轴向位移增大，机组级间压力逐渐增大，效率逐渐下降。机械故障诊断—§4-3旋转机械典型故障的机理与特征4转子部件结垢机械故障诊断—§4-3旋转机械典型425联轴节不平衡由于制造、安装的偏差或者动平衡时未考虑联轴节的影响，可能使联轴节产生不平衡。联轴节不平衡具有质量不平衡相似的振动特征，通常是联轴节两侧轴承的振动较大，相位基本相同；联轴节精度不良在对中时产生的端面偏摆和径向偏摆，相当于给转子施加一个初始不平衡量，使转子振动增大。这时可能会出现二倍转速频率的振动，频谱图上有明显的二次谐波谱值。机械故障诊断—§4-3旋转机械典型故障的机理与特征5联轴节不平衡机械故障诊断—§4-3旋转机械典43★转子不平衡按发生不平衡的过程分如下三类原始不平衡制造误差、装配误差、材质不均等造成；渐变性不平衡转子上不均匀结垢，粉尘的不均匀沉积等造成，表现为振值随着运行时间的延长而增大；突发性不平衡零件脱落或叶轮流道有异物附着等造成，表现为振值突然增大后稳定在一定水平上。机械故障诊断—§4-3旋转机械典型故障的机理与特征★转子不平衡按发生不平衡的过程分如下三类机械故障诊断—§444机械故障诊断—§4-3旋转机械典型故障的机理与特征

对于原始不平衡、渐变不平衡和突发不平衡，由于共同点较多，也可以从振动趋势不同来区别：原始不平衡：运行初期的振动就处于较高水平。渐变不平衡：先低后高。突发不平衡：突然升高，然后稳定。机械故障诊断—§4-3旋转机械典型故障的机理与特征456转子不平衡的诊断实例压缩机组低压缸转子，经大修后开车振动值正常，但有增大的趋势。其时域波形为正弦波，分析其频谱，以一倍频为主，分析其矢量域图，相位有一个缓慢的变化。诊断意见：渐变不平衡，转子流道结垢或局部腐蚀造成；处理措施：渐变不平衡短期内不会恶化，待大修时处理；生产验证：一轴套内侧拆卸转子时看不到部分)发生局部严重腐蚀，导致转子不平衡质量逐渐加大。压缩机的渐变不平衡振动特征机械故障诊断—§4-3旋转机械典型故障的机理与特征6转子不平衡的诊断实例压缩机组低压缸转子46二转子不对中旋转机械一般是由多根转子所组成的多转子系统，转子间一般采用刚性或半挠性联轴节联接。转子不对中通常是指相邻两转子的轴心线与轴承中心线的倾斜或偏移程度。由于制造、安装及运行中支承轴架不均匀膨胀、管道力作用、机壳膨胀、地基不均匀下沉等多种原因影响，造成转子不对中故障，从而引起机组的振动。转子不对中可分为联轴器不对中和轴承不对中，联轴器不对中又可分为平行不对中、偏角不对中和平行偏角不对中三种情况。机械故障诊断—§4-3旋转机械典型故障的机理与特征二转子不对中机械故障诊断—§4-3旋转机械典471平行不对中当转子轴线之间存在径向位移时，联轴器的中间齿套与半联轴器组成移动副，不能相对转动，但中间齿套却与半联袖器产生滑动而作平面圆周运动，即中间齿套的中心是沿着以径向位移Δy为直径作圆周运动，且转动为转子转动角速度的两倍，因此当转子高速运转时，就会产生很大的离心力，激励转子产生径向振动，其振动频率为转子工频的两倍。机械故障诊断—§4-3旋转机械典型故障的机理与特征1平行不对中机械故障诊断—§4-3旋转机械典型482角度不对中当转子轴线之间存在偏角位移时，从动转子与主动转子的角速度是不同的。从动转子每转动一周其转速变化两次。偏角不对中使联轴器附加一个弯矩，弯矩的作用是力图减小两轴中心线的偏角。轴旋转一周，弯矩作用方向交变一次，因此，角度不对中增加了转子的轴向力，使转子在轴向产生工频振动。机械故障诊断—§4-3旋转机械典型故障的机理与特征2角度不对中机械故障诊断—§4-3旋转机械典型49角度不对中引起的轴向振动机械故障诊断—§4-3旋转机械典型故障的机理与特征角度不对中引起的轴向振动机械故障诊断—§4-3503组合不对中实际上，各转子轴线之间往往既有径向位移又有角度位移。因此当转子运转时，就有一个两倍频的附加径向力作用于等近联轴器的轴承上，有一个同频的附加轴向力作用于止推轴承上，从而激励转子发生径向和轴向振动。机械故障诊断—§4-3旋转机械典型故障的机理与特征3组合不对中机械故障诊断—§4-3旋转机械典型故障514轴承不对中轴承不对中实际上反映的是轴承坐标高和左右位置的偏差。由于结构上的原因，轴承在水平方向和垂直方向上具有不同的刚度和阻尼，不对中的存在加大了这种差别。虽然油膜既有弹性又有阻尼，能够在一定程度上弥补不对中的影响，但当不对中过大时，会使轴承的工作条件改变，使转子产生附加的力和力矩，甚至使转子失稳和产生碰摩。轴承不对中使轴颈中心的平衡位置发生变化，使轴系的载荷重新分配。负荷大的轴承油膜呈现非线性，在一定条件下出现高次谐波振动，负荷较轻的轴承易引起油膜涡动进而导致油膜振荡，支承负荷的变化还使轴系的临界转速和振型发生改变。机械故障诊断—§4-3旋转机械典型故障的机理与特征4轴承不对中机械故障诊断—§4-3旋转机械525不对中故障的特征

转子径向振动出现二倍频。径向振动除以旋转频率一倍频外，主要以二倍频分量和四倍频为主，不对中越严重，二倍频所占比例越大；相邻两轴承的油膜压力反方向变化，一个油膜压力变大，另一个则变小；典型的轴心轨迹为香蕉形，正进动；联轴器不对中时轴向振动较大，振动频率为一倍频，振动幅值和相位稳定；轴承不对中时径向振动较大，有可能出现高次谐波，振动不稳定；振动对负荷变化敏感。当负荷改变时，由联轴器传递的扭矩立即发生改变，如果联轴器不对中，则转子的振动状态也立即发生变化。由于温度分布的变化，轴承座的热膨胀不均匀而引起轴承不对中，使转子的振动也要发生变化．但由于热传导的惯性，振动的变化在时间上要比负荷的改变滞后一段时间。机械故障诊断—§4-3旋转机械典型故障的机理与特征5不对中故障的特征机械故障诊断—§4-3旋转536诊断实例故障表现运行时，透平和压缩机低压缸运行正常，而高压缸振动较大(在允许范围)；机械故障诊断—§4-3旋转机械典型故障的机理与特征1周后，振动突然加剧，测点4和5的径向振动增大，其中5点的振动值增加2倍，测点6的轴向振动加大，透平和低压缸的振动无异常；又运行2周后，5点的值又增加1倍，超过允许值。6诊断实例机械故障诊断—§4-3旋转机械典型故障54诊断意见压缩机高低压缸之间转子对中不良，联轴器发生故障，须紧急停车检修。机械故障诊断—§4-3旋转机械典型故障的机理与特征高压缸主要振动特征为：高低压缸之间的联轴器两端振动较大；测点5的振动波形畸变为基频和2倍频的叠加波，且2次谐波具有较大峰值；轴心轨迹为双椭圆复合轨迹；轴向振动较大。诊断意见压缩机高低压缸之间转子对中不良，联轴55生产验证对机组联轴器局部解体发现，两缸之间的联轴器固定法兰与内齿套的连接螺栓已断三根。复查转子对中情况，发现对中严重超差，不对中量大于设计要求16倍；根据诊断意见，重新对中找正高压缸转子，并更换符合要求的连接螺栓，重新启动后，机组运行正常。机械故障诊断—§4-3旋转机械典型故障的机理与特征生产验证对机组联轴器局部解体发现，两缸之间56三滑动轴承的油膜涡动和油膜振荡高速工作的柔性转子如压缩机、汽轮机、高速风机等旋转机械，其轴在流体动压滑动轴承（油膜轴承）作偏心旋转时，形成一个进口断面大于出口断面的油楔，如果进口处的油液流速不马上下降，则轴颈从油楔中间隙大的地方带入的油量大于从间隙小的地方带出的油量。由于液体的不可压缩性，多余的油就推动轴颈前进，形成与轴旋转方向相同的涡动运动，涡动速度即为油楔本身的前进速度。机械故障诊断—§4-3旋转机械典型故障的机理与特征三滑动轴承的油膜涡动和油膜振荡机械故障诊断—§4-57轴颈半速涡动的形成可用右图来说明。当轴颈中心处于平衡状态的某一偏心位置，转轴以角速度ω在旋转，同时又以角速度Ω绕轴承几何中心旋转。根据流体润滑理论，油膜靠近轴颈处的速度等于轴颈圆周速度，靠近轴瓦处的油层速度为零，中间油层的速度假定是按直线分布的。因此，通过间隙的任何断面的平均油膜速度应为轴颈转速的一半。假设轴承两端的泄油量为dQ，则在此时间内流径A侧和B侧的流量应相等。可推导得油膜涡动的频率为Ω=0.5ω。机械故障诊断—§4-3旋转机械典型故障的机理与特征轴颈半速涡动的形成可用机械故障诊断—§4-358实际上，由于轴承两侧有泄油用以带走轴承工作量产生的热量等原因，实际产生涡动的频率约为Ω=(0.42～0.48)ω因此，油膜涡动又称为半速涡动，是一种自激振动。机械故障诊断—§4-3旋转机械典型故障的机理与特征实际上，由于轴承两侧有泄油用以带走轴承工作量59转轴的转速在失稳转速以前转动是平稳的。当达到失稳转速后即发生半速涡动。随着转速升高、涡动角速度也将随之增加，但总保持着约等于转动速度之半的比例关系，半速涡动一般并不剧烈。当转轴转速升到比第一阶临界转速的2倍稍高以后，由于此时半速涡动的涡动速度与转轴的第一阶临界转速相重合即产生共振，表现为强烈的振动现象，称为油膜振荡。油膜振荡一旦发生之后，就将始终保持约等于转子一阶临界转速的涡动频率，而不再随转速的升高而升高。机械故障诊断—§4-3旋转机械典型故障的机理与特征转轴的转速在失稳转速以前转动是平稳的。当达到60机械故障诊断—§4-3旋转机械典型故障的机理与特征机械故障诊断—§4-3旋转机械典型故障的机理与特征61油膜振荡的特征主要有1油膜振荡在一阶临界转速的二倍以上时发生。一旦发生振荡，振幅急剧变大，即使再提高转速，振幅也不会下降。2油膜共振时，轴颈中心的涡动频率为转子一阶固有频率，即使转速再升高，其频率基本不变。3油膜振荡具有突然性和惯性效应，升速时产生油膜振荡的转速和降速时油膜振荡消失时的转速不同。4油膜振荡时轴心涡动的方向和转子旋转方向相同，轴心轨迹呈花瓣形，正进动。5油膜振荡时，转子的挠曲呈一阶振型。6油膜振荡剧烈时，随着油膜的破坏，振荡停止，油膜恢复后，振荡再次发生，这样持续下去，轴颈与轴承不断碰摩，产生撞击声，轴瓦内油膜压力有较大波动。机械故障诊断—§4-3旋转机械典型故障的机理与特征油膜振荡的特征主要有机械故障诊断—§4-362消除油膜振荡的措施有1增加转子系统的刚度。转子固有频率越高，产生油膜振荡的失稳转速也越高，系统失稳转速应在工作转速的125％以上。2选择合适的轴承形式和轴承参数。圆柱轴承制造简单，但抗振性最差，椭圆轴承、三油楔、多油楔轴承次之。可倾瓦轴承最好。3增加外阻尼；4增加轴承比压，改变进油温度或粘度，如切短轴承长度，在下瓦中部开环形槽等，国产300MW汽轮发电机组的油膜振荡墨是通过将轴瓦长度从430mm缩减到320mm以及将LAN46油改用DAN32油来解决的。5减小轴承间隙。6改变进油压力。7改善转子的平衡状态，限制振幅放大因子；8消除转子不对中故障，限制低次谐波分量；9消除动静间隙不均匀，限制非线性激振力。机械故障诊断—§4-3旋转机械典型故障的机理与特征消除油膜振荡的措施有机械故障诊断—§4-363

诊断实例某压缩机组配置为汽轮机+齿轮箱+压缩机。压缩机工作转速7500r/min，转子第一临界转速2960r/min。1986年7月，气压机在运行过程中轴振动突然报警，Bently7200系列指示仪表达满量程。轴振动值和轴承座振动值明显增大，为确保安全，决定停机检查。揭盖检查，零部件无明显损坏，测量转子对中数据、前后轴承的间隙、瓦背紧力和转子弯曲度，各项数据均符合要求。对转子进行低速动平衡后重新安装投用，振动状况不但未得到改善，反而比停车前更差。机械故障诊断—§4-3旋转机械典型故障的机理与特征诊断实例机械故障诊断—§4-3旋转64

气压机前端轴振动值达到185μm，其中47Hz幅值为181μm，125Hz幅值为42μm，如下图(a)所示；气压机后端轴振动值达到115μm，其中47Hz幅值为84μm，125Hz幅值为18μm，如下图(b)所示

轴心轨迹为畸形椭圆，气压机前后轴承座水平方向振动剧烈，分别达到39μm、29μm。机械故障诊断—§4-3旋转机械典型故障的机理与特征气压机前端轴振动值达到185μm，其中4765为进行故障识别，又进行一次升速试验，记录振动与转速变化关系，得气压机升速过程三维谱图如下机械故障诊断—§4-3旋转机械典型故障的机理与特征为进行故障识别，又进行一次升速试验，记录振66

前后轴承振动谱图均发现47Hz低频峰值存在，观察三维谱图发现4260r/min时出现半速涡动，随着转速的上升，涡动频率和振幅不断增加，当涡动频率达到47Hz时不再随转速而上升，转速提高到7500r/min工作转速时，振动频率仍为47Hz，但振幅非常大，低频分量为179μm，而工频分量只为40μm。机械故障诊断—§4-3旋转机械典型故障的机理与特征诊断意见：对转子—支承系统进行核算，发现转子第一临界转速为2820r/min（47Hz）。据此进一步分析发现，其振动特征及变化规律与典型的高速轻载转子的油膜振荡故障现象完全吻合。由于油膜振荡故障危害非常大，可能在短时间内造成机组损坏，所以必须立即停机检修处理。前后轴承振动谱图均发现47Hz低频峰值存67机械故障诊断—§4-3旋转机械典型故障的机理与特征

停机解体检查发现，轴瓦巴氏合金表面发黑，上瓦有磨损并伴有大量小气孔，前轴承巴氏合金有部分脱落。更换新的可倾瓦轴承后，再次启动机组，47Hz的低频分量不再出现，油膜振荡故障消失。机械故障诊断—§4-3旋转机械典型故障的机理与特征68四动静摩擦在旋转机械中，由于转子弯曲、转子不对中引起轴心严重变形，间隙不足和非旋转部件弯曲变形等原因引起转子与静止件接触碰撞而引起的异常振动时有发生。转子外缘与静止件接触而引起的摩擦，称为径向摩擦；转子在轴向与静止件接触而引起的摩擦，称为轴向摩擦；摩擦分全圆径环形摩擦和局部摩擦两种；早期、中期和晚期碰摩等。机械故障诊断—§4-3旋转机械典型故障的机理与特征四动静摩擦机械故障诊断—§4-3旋转机械典型故障69动静摩擦的故障特征有1振动频带宽，既有与转速频率相关的低频部分，也有与固有频率相关的高次谐波分量和分数倍频分量，并伴随有异常噪声，可根据振动频谱和声谱进行判别。2振动随时间而变。在转速、负荷工况一定，由于接触局部发热而引起振动矢量的变化，其相位变化与旋转方向相反。3接触摩擦开始瞬间会引起严重相位跳动(大于100°相位变化)。局部摩擦时，无论是同步还是异步其轨迹均带有附加的环。机械故障诊断—§4-3旋转机械典型故障的机理与特征动静摩擦的故障特征有机械故障诊断—§4-370局部动静摩擦的故障特征当转子在涡动时与静止件发生接触瞬间，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。转子横向自由振动与强迫的旋转运动、涡动运动叠加在一起，就会产生一些特有的、复杂的振动响应频率。振动频率中包含不平衡引起的转速频率，同时摩擦振动是非线性振动，所以还包含有2×、3×等一些高次谐波。除此之外，还会引起低次谐波振动，在频谱图上出现低次谐波成分1×/n，重摩擦时n=2，轻摩擦时n=2、3、4…。低次谐波的范围还取决于转子的不平衡状态、阻尼、外载荷大小、摩擦副的几何形状以及材料特性等因素，在阻尼很高的转子系统中也可能不出现低次谐波振动。机械故障诊断—§4-3旋转机械典型故障的机理与特征局部动静摩擦的故障特征机械故障诊断—§4-3旋转机71右图为轻摩擦转子的瀑布图与轴心轨迹。除了出现2×、3×的高次谐波，还出现了1×/2、1×/3、1×/4、1×/5的低次谐波成分。机械故障诊断—§4-3旋转机械典型故障的机理与特征右图为轻摩擦转子的瀑布图与轴心轨迹。除了出现72右图为重摩擦转子的瀑布图与轴心轨迹。仅出现1×/2的低次谐波和2×、3×的高次谐波。此外其轴心轨迹总是向左方倾斜，且低次谐波垂直和水平方向上相位差180°。机械故障诊断—§4-3旋转机械典型故障的机理与特征右图为重摩擦转子的瀑布图与轴心轨迹。仅出现173动静件摩擦接触弧增大时（全圆径环形摩擦）的故障特征当离心压缩机发生喘振、油膜振荡故障时，轴颈与轴瓦发生大面积干摩擦或发生全周的摩擦，由于转子与静止件之间具有很大的摩擦力，转子处于完全失稳状态。此时很高的摩擦力可使转子由正向涡动变为反向涡动。同时在波形图上会发生单边波峰“削波”现象，如图所示。同时将在频谱上出现涡动频率Ώ与旋转频率的和频与差频，即会产生nΏ±mω的频率成分(n、m为正整数)，如图所示。另外由于转子振动进入了非线性区，因而在频谱上还会出现幅值较高的高次谐波。机械故障诊断—§4-3旋转机械典型故障的机理与特征动静件摩擦接触弧增大时（全圆径环形摩擦）的故障特征机械故障诊74轴向摩擦的故障特征理论研究和试验表明，转子与静止件发生轴向摩擦时，转子的振动特征几乎与正常状态一致，没有明显的异常特征，所以诊断轴向摩擦时，不能用波形、轴心轨迹和频谱的方法，要应用系统阻尼变化及局部温度升高作为识别特征。机械故障诊断—§4-3旋转机械典型故障的机理与特征轴向摩擦的故障特征机械故障诊断—§4-3旋转机械典型75诊断实例某大型透平压缩机组，在开车启动过程中发生异常振动，导致无法升速。其振动波形有削波现象；频谱图中有丰富的次谐波及高频谐波；轴心轨迹的涡动方向为反向涡动。机械故障诊断—§4-3旋转机械典型故障的机理与特征诊断实例机械故障诊断—§4-3旋转机械典型故障的机理76诊断意见根据摩擦故障的机理及振动特征可知，机组在升速过程中发生了严重摩擦故障。处理措施由于机组振动值非常高，表明内部动静件摩擦比较严重，为安全期间，决定停机拆检。生产验证停机解体检修发现，机组转子弯曲，动平衡精度严重超差，在升速过程中因振动大造成转子与密封之间摩擦。不仅密封损坏，而且转子严重偏磨。机械故障诊断—§4-3旋转机械典型故障的机理与特征诊断意见根据摩擦故障的机理及振动特征可知，机组在升速过程中发77五转轴裂纹导致转轴裂纹最重要的原因是高周疲劳、低周疲劳、蠕变和应力腐蚀开裂，此外也与转子工作环境中含有腐蚀性化学物质等有关，而大的扭转和径向载荷，加上复杂的转子运动，造成了恶劣的机械应力状态，最终也将导致轴裂纹的产生。机械故障诊断—§4-3旋转机械典型故障的机理与特征五转轴裂纹机械故障诊断—§4-3旋转机械典型故障78裂纹故障的特征1各阶临界转速较正常时要小，尤其在裂纹严重时。2由于裂纹造成刚度变化且不对称，转子的共振转速扩展为一个区。3裂纹转子轴系在强迫响应时，一次分量的分散度比无裂纹时大。4转速超过临界转速后，一般各高阶谐波振幅较未超过时小。5恒定转速下，各阶谐波幅值1x，2x和3x及其相位不稳定，且尤以2X突出；6裂纹引起刚度不对称，使转子动平衡发生困难，往往多次试重也达不到所要求的平衡精度。机械故障诊断—§4-3旋转机械典型故障的机理与特征裂纹故障的特征机械故障诊断—§4-379六诊断实例

转子不对中故障诊断机械故障诊断—§4-3旋转机械典型故障的机理与特征六诊断实例转子不对中故障诊断机械故障诊断—§4801转子不对中故障诊断某压缩机组由一台直流电动机驱动增速箱然后带动压缩机工作，整台机组安装在同一基础上，如右图所示所示。电动机和增速箱输入端转速为l500r/min；增速箱输出端和压缩机转速为7758r/min。机械故障诊断—§4-3旋转机械典型故障的机理与特征1转子不对中故障诊断机械故障诊断—§4-3旋转机81

现场测试结果发现3号测点的位移、速度峰－蜂值均超过允许值。从如图(a)所示3号测点位移频谱图与图(b)所示的速度频谱图看，25Hz与50Hz均为电机和增速箱输入端轴的旋转频率与旋转频率的倍频，不易看出故障原因，为此对测点的结构进行了分析。机械故障诊断—§4-3旋转机械典型故障的机理与特征现场测试结果发现3号测点的位移、速度峰－蜂值821º测点分析3号测点置于齿轮箱顶盖上，由于箱盖不是直接压在轴承盖上，而且箱盖的刚度不很大，必须考虑传递途径的影响。通常可以采用倒频谱分析，分离其影响。但是由于设备条件，故采用调整测点方法，将测点布置在轴承座基座的8号测点位置。这就可以避免传递途径的影响，其8号测点的位移及速度频谱图如图。机械故障诊断—§4-3旋转机械典型故障的机理与特征1º测点分析机械故障诊断—§4-3旋转机械典型故障83

由图可见，50Hz的幅值与前面比较大大增加，甚至超过工频25Hz的幅值，是二倍频。同时发现三倍频75Hz的幅值也较大。由此说明该轴承处应存在异常现象。机械故障诊断—§4-3旋转机械典型故障的机理与特征由图可见，50Hz的幅值与前面比较大大增加，842º诊断根据二倍频和三倍频幅值大的特点，考虑到齿轮箱前轴承端处有一联轴节，故诊断为电机和齿轮箱的联轴节对中不良。停机后对该联轴节进行测量发现：对中超差甚大，在垂直方向两轴中心偏移达0.15mm，电机的中心较高。采取使电机中心下降的措施，再开机测试井进行频谱分析。结果发现3号测点的位移振幅减为0.006mm(原为0.15mm)，速度峰值为3mm/s(原为9mm/s)。其它各测点处的振幅也平均降低了25％。8号测点对中后的位移和速度的频谱图如图7－19(a)和图7－19(b)所示，由图可见，二倍频和三倍频成分已基本消失。机械故障诊断—§4-3旋转机械典型故障的机理与特征2º诊断机械故障诊断—§4-3旋转机械典型故障的机853º结论用振动信号处理技术来诊断旋转机械的转子的不对中的故障是可行的；选择测点时，要考虑传递途径的影响。机械故障诊断—§4-3旋转机械典型故障的机理与特征3º结论机械故障诊断—§4-3旋转机械典型故障862转子弯曲故障诊断1º振动与测试分析整个机组转子支承系统如图所示。1、2、3、4四个转子分别为高压、低压、发电机、励磁机转子。部颁标准规定，工作转速3000r/min的汽轮机组轴承三个方向(垂直、水平、轴向)振动的最大幅值不得超过50µm。振动测试是在3000r/min工作转速下进行的，测点布置在7、8号轴的轴承盖上，每点测三个方向上的振动。机械故障诊断—§4-3旋转机械典型故障的机理与特征2转子弯曲故障诊断机械故障诊断—§4-3旋转机872转子弯曲故障诊断1º振动与测试分析整个机组转子支承系统如图所示。1、2、3、4四个转子分别为高压、低压、发电机、励磁机转子。部颁标准规定，工作转速3000r/min的汽轮机组轴承三个方向(垂直、水平、轴向)振动的最大幅值不得超过50µm。振动测试是在3000r/min工作转速下进行的，测点布置在7、8号轴的轴承盖上，每点测三个方向上的振动。机械故障诊断—§4-3旋转机械典型故障的机理与特征2转子弯曲故障诊断机械故障诊断—§4-3旋转机88Ch4旋转机械的振动监测与诊断机械故障诊断—Ch4旋转机械的振动监测与诊断§4-1旋转机械的振动及故障概述§4-2旋转机械振动的监测参数与分析方法§4-3旋转机械典型故障的机理与特征Ch4旋转机械的振动监测与诊断机械故障诊断—Ch4旋89一机械振动1旋转机械振动与故障之间的关系1º振动存在具有广泛性即任何机械设备在动态下都会或多或少地产生一定的振动。2º振动监测的有效性当设备发生异常或故障时，振动将会发生变化，一般表现为振幅加大。这就使人们可以从振动信号中获取诊断信息。3º振动的可识别性由不同类型、性质、原因和部位产生的故障所激发的振动将具有不同的特征，表现为频率成分、幅值大小、相位差别、波形形状、能量分布状况等，这一点使人们可以从振动信号中识别故障。机械故障诊断—§4-1旋转机械的振动及故障概述一机械振动机械故障诊断—§4-1旋转机械的振动及故障904º振动信号性质、特征不仅与故障有关，而且与机械系统的固有特性有关1’同一故障对不同的转子系统，其振动的幅值和相位可能相差很大；2’同一故障发生在不同部位，振动信号可能相差很大；3’同一故障在不同位置布置测点，所得的振动信号亦会有较大差别。在机械故障诊断中，振动信号够更迅速、更直接的反映机械设备的运行状态，据统计，70％以上的故障都是以振动形式表现出来。为了便于分析，因此首先介绍有关振动的一些概念。机械故障诊断—§4-1旋转机械的振动及故障概述4º振动信号性质、特征不仅与故障有关，而且与机械系统的912机械振动及其种类机械振动机械构件在其平衡位置附近所作的往复运动。1º按振动产生的原因分自由振动－给系统一定能量后，系统所产生的振动。若系统无阻尼，则维持等幅振动，反之，为衰减振动；受迫振动－系统在外界持续力作用下，被迫产生的振动（刚性转子系统）；自激振动－系统从本身运动中吸收能量转变成交变力维持的振动（柔性转子系统）；机械故障诊断—§4-1旋转机械的振动及故障概述2机械振动及其种类机械故障诊断—§4-1旋转机械的922º按振动规律分1’稳态振动1``周期振动 简谐振动、非简谐振动2``非周期振动（瞬态振动）2’随机振动3º按振动系统的自由度分单自由度、多自由度和无限自由度振动系统的振动机械故障诊断—§4-1旋转机械的振动及故障概述2º按振动规律分机械故障诊断—§4-1旋转机械的振动及933简谐振动及其性质简谐振动指随时间变化按正弦或余弦规律变化的周期性振动，是最基本的周期振动，简谐振动的运动规律可用谐波函数表示，即质点的运动规律为y=Asin(2πt/T+φ)＝Asin(2πft+φ)=Asin(ωt+φ)式中，y—质点位移；t—时间A—振动位移的最大值，称为振幅；f—振动频率；ω—振动角频率；T—振动周期，为频率f的倒数；φ—初始相位角。机械故障诊断—§4-1旋转机械的振动及故障概述3简谐振动及其性质机械故障诊断—§4-1旋转机械的振94简谐振动的速度和加速度分别为 v=dy/dt=ωAcos(2πft+φ) a=dv/dt=ω2Asin(2πft+φ)=ω2y可见，速度超前位移90º，而加速度超前位移180º。机械故障诊断—§4-1旋转机械的振动及故障概述机械故障诊断—§4-1旋转机械的振动及故障概述954周期振动及其性质波形按周期T不断重复的振动，称为周期振动。可以写作

y(t)=y(t+nT)周期振动包括不按正弦或余弦规律变化的一般周期性振动和准周期振动。旋转机械按固定的转速运动，同时由于随机干扰，也伴随着许多随机振动信息，所以，旋转机械的振动过程是一个以周期振动为主导的随机过程。根据函数的傅里叶级数展开定理，周期函数可以展开为傅里叶级数，即可知，任何周期振动都可以看作为简谐振动叠加而形成的。机械故障诊断—§4-1旋转机械的振动及故障概述4周期振动及其性质机械故障诊断—§4-1旋转机械的振动96可知，任何周期振动都可以看作为简谐振动叠加而形成的，进一步简化可写成y(t)=A0+A1sin(ωt+φ1)+A2sin(ωt+φ2)+•••+Ansin(ωt+φn)+•••式中第一项A0为均值或直流分量，第二项为基本振动或基波，第三项及以下总称为高次谐波振动。由于旋转机械振动时具有上述特性，故可用前面章节所介绍的频谱分析方法进行研究。机械故障诊断—§4-1旋转机械的振动及故障概述可知，任何周期振动都可以看作为简谐振动叠加而形97二转子振动与转子临界转速 根据转子系统在坐标平面内发生的振动形式，转子的振动可分为1º横向振动——振动发生在包括转轴在横向平面内；2º轴向振动——振动发生在转轴的轴线方向上；3º扭转振动——沿转轴轴线发生的扭振。 旋转机械大多数故障所激发的振动为横向振动，是主要的研究对象。机械故障诊断—§4-1旋转机械的振动及故障概述二转子振动与转子临界转速机械故障诊断—§4-1旋转98转子系统是多自由度振动系统，它具有多个横向固有频率。当转子的转速达到横向振动的固有频率附近时，将出现振动急剧增大的现象，有时甚至在工作转速下振动也比较强烈。此时的转速即为临界转速。机械故障诊断—§4-1旋转机械的振动及故障概述机械故障诊断—§4-1旋转机械的振动及故障概述99在无阻尼的情况下，转子的临界转速等于其横向固有频率，因此转子的临界转速个数与转子的自由度相等。对实际转子来说，理论上有无穷多个临界转速，但由于转子的转速限制，往往只能遇见数个临界转速。在有阻尼的情况下，转子的临界转速略高于其横向固有频率。根据转子的工作转速n与其第一阶临界转速ncrl间的关系，可划分刚性转子与挠性转子n<ncrl刚性转子n≥ncrl挠性转子机械故障诊断—§4-1旋转机械的振动及故障概述在无阻尼的情况下，转子的临界转速等于其横向固100§42旋转机械振动的监测参数与分析方法一旋转机械振动评定标准目前最常采用的是通频振幅来衡量机械运行状态的，根据所使用传感器的种类分为1º轴承振动评定，这可以利用接触式传感器(例如磁电式振动速度传感器或压电式振动加速度传感器)放置在轴承座上进行测量。2º轴振动值评定，这可利用非接触式传感器(例如电涡流式传感器)测量轴相对于机壳的振动值或轴的绝对振动值。机械故障诊断—§4-2旋转机械振动的监测参数与分析方法§42旋转机械振动的监测参数与分析方法机械故障诊断—101评定参数可用振动位移峰峰值和振动烈度（即均方根值，它代表了振动能量的大小）来表示。1以轴承振动位移峰峰值作评定标准★轴承的振动测定通常适用于非高速旋转机械；★轴承的振动测定的测点布置轴向和水平方向的振动测定宜在轴的中心高度处，垂直方向的振动测点则选择在轴线的上部垂线上。机械故障诊断—§4-2旋转机械振动的监测参数与分析方法评定参数可用振动位移峰峰值和振动烈度（即均方102表41为国际电工委员会IEC1969年推荐的汽轮发电机组振动标准；表42为原水电部规定的评定汽轮发电机组轴承的振动等级标准。机械故障诊断—§4-2旋转机械振动的监测参数与分析方法表41为国际电工委员会IEC1969年推荐的汽103二监测参数及分析方法2º振动监测的有效性二监测参数及分析方法1转子质量不平衡（固有不平衡）机械故障诊断—§4-3旋转机械典型故障的机理与特征假设轴承两端的泄油量为dQ，则在此时间内流径A侧和B侧的流量应相等。§4-1旋转机械的振动及故障概述★转子不平衡故障按故障机理分包括中心下降的措施，再开机测试井进行频谱15mm，电机的中心较高。自激振动－系统从本身运动中吸收能量转变成交变力维持的振动（柔性转子系统）；转子固有频率越高，产生油膜振荡的失稳转速也越高，系统失稳转速应在工作转速的125％以上。在正常工况下，转轴在油压、阻尼作用下在一定的位置上浮动。简谐振动指随时间变化按正弦或余弦规律变化的周期性振动，是最基本的周期振动，简谐振动的运动规律可用谐波函数表示，即质点的运动规律为表42为原水电部规定的评定汽轮发电机组轴承的振动等级标准。因此，可通过变负荷或一段时间的振动监测判断转子热弯曲故障。圆柱轴承制造简单，但抗振性最差，椭圆轴承、三油楔、多油楔轴承次之。轴心轨迹为双椭圆复合轨迹；诊断意见：渐变不平衡，转子流道结垢或局部腐蚀造成；可知，任何周期振动都可以看作为简谐振动叠加而形成的。表4-1IEC汽轮发电机组振动标准（峰－峰值，μm）转速（r/min）10001500180030003600600012000在轴承上测量7550422521126在轴上测量1501008450422512

表4-2原水电部规定的汽轮发电机组振动标准（峰－峰值，μm）转速（r/min）优良合格1500305070

3000203050

机械故障诊断—§4-2旋转机械振动的监测参数与分析方法二监测参数及分析方法表4-1IEC汽轮发电机组振动104由表可见，转速低，允许的振动值大；转速高，允许的振动值小。这是因为对于同样的振动值，高速机组比低速机组更易出现故障。机械故障诊断—§4-2旋转机械振动的监测参数与分析方法机械故障诊断—§4-2旋转机械振动的监测参数与分析方法105以轴承振动位移峰峰值作评定标准的假设条件1º机组振动为单一频率的正弦波振动；2º轴承振动和转子振动基本上有一固定的比值，因此可利用轴承振动代表转子振动；3º轴承座在垂直、水平方向上的刚度基本上相等，即认为是各向同性的。机械故障诊断—§4-2旋转机械振动的监测参数与分析方法机械故障诊断—§4-2旋转机械振动