第二章 设备故障的振动诊断技术

第二章

设备故障的振动诊断技术

第一节

信号概念及分类

第二节振动测量仪器及其应用

第三节旋转机械的振动监测与诊断学习目的

本章主要讨论动态信号分析处理中的有关问题，重点介绍以快速傅里叶变换为基础的各种分析技术。1、了解信号的概念、转换、传输以及特征信号的选择2、了解袖珍式振动表、频谱分析仪、计算机辅助状态监测系统等振动测量仪器及其应用3、掌握旋转机械振动故障分析常用方法，了解旋转机械典型故障特征辨识4、了解滚动轴承的故障诊断方法5、了解齿轮传动装置的动力特征6、了解其他常见故障及其频率特征

第一节

信号概念及分类一、信号转换与传感器

1．动态范围

2．灵敏度

3．动态特性

4．稳定性

二、信号传输及干扰噪声

三、信号的分类：确定性信号及非确定性信号

四、特征信号的选择：信号的敏感性，在线（On-line）与实时性

三、信号的分类信号可分为确定性信号及非确定性信号，所谓确定性信号是指可用数学关系式描述的信号，它又可分为周期信号及非周期信号，正弦波、方波等是典型的周期信号，而阶跃脉冲、半正弦脉冲等是典型的非周期信号。所谓非确定性信号是指不能用数学关系式描述的信号，也无法预知其将来的幅值，又称为随机信号，如前一点中提到的电噪声信号，又如在不平坦的道路上行驶的汽车，车内产生的振动就是随机振动，它使乘客感到颠簸。三、信号的分类信号还可按其取值情况分为模拟信号和数字信号。模拟信号一般都是连续的，而数字信号则是离散的。大多数传感器输出的信号是模拟的，如各种压电式、磁电式、电容式、电涡流式及霍尔效应等类型的传感器；少数传感器输出的信号是离散的，如测量转动的圆光栅，其输出信号为脉冲，通过脉冲计数确定转过的角度。现代电子计算机只能处理数字信号，使用模拟／数字(A／D)转换器后才能处理模拟信号。

四、特征信号的选择机器在运行中能提供的信息很多，但不是每一种信息都对工况监测有积极的意义。要选择能实时采集的、且能敏感反映工况状态变化的信息，蕴含这种信息的信号称为特征信号。特征信号选择要考虑的主要问题：信号的敏感性，在线（On-line）与实时性常用特征信号1、振动

振动是可能判断下列动力状态的最佳特征信号：平衡，轴承稳定性和叶片、齿轮的齿等元件上所受的动态应力。此外，一般机器的异常，如联轴节同轴度误差和不适当的间隙等经常亦可从振动特征中显示出来。2、温度测量温度常用于两个目的。一个是用来测量和评价机器状态或施加于某些如推力轴承等特定元件上的负载。二是作为一个保证辅助系统（例如冷却器）工作正常以及确定热动力性能和效率的特征信号。3、压力

压力亦是一项很有价值的诊断辅助信号，因为压力变化常是故障的征兆，例如内部间隙的堵塞或变化，将影响推力负载。4、油的状态监测油的状态可以预警油里外部物质的增多，例如通过对油中磨粒进行观察和分析，能比较准确地判别故障的程度、部位、类型和原因。第二节振动测量量仪器及及其应用用一、宽频频带测量量简介二、早期期故障检检测与损损坏指示示三、频率率分析的的基本系系统四、计算算机辅助助状态监监测系统统图2-1图2-2第三节旋旋转转机械的的振动监监测与诊诊断一、预备备知识1.机械械振动及及其种类类2．简谐谐振动及及其性质质3．周期期振动及及其性质质4．时域――频域分分析5．转子子的临界界转速在机械故故障的众众多诊断断信息中中，振动动信号能能够更迅迅速、更更直接地地反映机机械设备备的运行行状态，，据统计计，70％以上上的故障都都是以振动动形式表现现出来的。第三节旋旋转机械械的振动监监测与诊断断二、监测参参数及分析析方法1.监测参参数(1)动态态参数一、振幅它它表示示振动的严严重程度，，可用位移移、速度或或加速度表表示。常见见振动传感感器的使用用频率范围围，见图2-8。第三节振振动诊断技技术振动幅值1、均值第三节振振动诊断技技术2、方差3、有效值第三节振振动诊断技技术二、振动烈度（即振动速速度的方均均根值）三、相位不同振源产产生不同的的振动相位位不同，对对于两个振振源，相位位相同可以以使振幅叠叠加，产生生严重后果果；反之相相位相反可可能一起起振动抵消消，起到减减振作用。。图2-81.监测参参数(2)静态态参数①轴心位置置在稳稳定情况下下，轴承中中心相对于于转轴轴颈颈中心的位位置。②轴向位置置是机机器转子上上止推环相相对于止推推轴承的位位置。③差胀指指旋转机机械中转子子与静子之之间轴向间间隙的变化化值。④对中度指指轴系系转子之间间的连接对对中程度。。⑤温度⑥润滑油压压反映映滑动轴承承油膜的建建立情况。。补充润滑滑的基本知知识一、润滑的的概念润滑为了减减少摩擦和和磨损对机机械设备造造成的危害害，而人为为的利用不不同物质具具有不同的的摩擦特性性，选择那那些摩擦和和磨损对设设备危害较较小物质去去替换那些些对设备危危害大的物物质，从而而达到减少少摩擦和磨磨损造成的的各种危害害的程度。。补充润滑滑的基本知知识二、润滑的的作用1、降低摩擦擦润滑剂摩擦擦系数小，，从而减少少了摩擦阻阻力，节约能源消消耗2、减少磨损损润滑剂在摩摩擦面间可可以减少磨磨粒磨损、、表面疲劳、粘着着磨损等所所造成的磨磨损。补充润滑滑的基本知知识3、冷却作用用润滑剂可以以吸热、传传热和散热热，因而能能够降低摩擦热热造成的温温度上升。。4、防锈作用用润滑剂的存存在可以防防止因空气气、水滴、、水蒸气、腐蚀蚀性气体及及液体、氧氧化物引起起的锈蚀。补充润滑滑的基本知知识5、传递动力力在许多情况况下润滑剂剂具有传递递动力的功功能，如液压压传动。6、密封作用用润滑剂对某某些外露零零部件形成成密封，防防止水分杂质浸入入。补充润滑滑的基本知知识7、减震作用用在受到冲击击载荷时，，可以吸收收冲击能，，如汽车减震器器等。8、清洁作用用通过润滑剂剂的循环可可以带走杂杂质，经过过滤器滤掉。补充润滑滑的基本知知识三、润滑的的分类1、无润滑2、边界润滑滑3、流体润滑滑4、半流体润润滑和半干干润滑补充润滑滑的基本知知识1、无润滑摩擦系数补充润滑滑的基本知知识2、边界润滑滑摩擦表面上上仅存在一一层很薄的的油膜。油油膜靠静电电引力和分分子吸引牢牢固的吸附附在金属表表面上。补充润滑滑的基本知知识3、流体润滑滑当摩擦面间间的润滑膜膜厚度大到到足以将两两个表面的的轮廓峰完完全隔开时时，相对摩摩擦的两个个表面被完完全分隔开开来。摩擦擦在流体内内部的分子子间进行。。补充润滑滑的基本知知识4、半流体润润滑和半干干润滑液体润滑的的油膜部分分遭到破坏坏时，油膜膜破坏的部部位就会出出现摩擦表表面的直接接接触，处处于干摩擦擦或者边界界润滑状态态。若此时时流体润滑滑占主要地地位，则称称为半流体体润滑，若若油膜大部部分遭到破破坏则称为为半干润滑滑。二、监测参参数及分析析方法2.旋转机机械振动故故障分析常常用方法（1）波特特图（Bodeplot）是机器振幅幅与转速频频率，相位位与转速频频率的关系系曲线，如如图2-9所示。（2）极坐坐标图是是把上述述幅频特性性和相频特特性曲线综综合在极坐坐标上表示示出来，如如图2-10所示。（3)轴心心位置图借借助于于相互垂直直的两个电电涡流传感感器，监测测直流间隙隙电压，即即可得到转转子轴颈中中心的径向向位置。如如图2-11所示。（4)轴心心轨迹图涡涡动运运动的轨迹迹称之为轴轴心轨迹如如图2-14所示。。。（5)频谱谱图振振动信号绝绝大多数是是由多种激激励信号合合成的复杂杂信号，按按照傅里叶叶分析原理理，这种复复杂信号可可以分解为为一系列谐谐波分量（（即频率成成分），每每一谐波分分量又含有有幅值和相相位特征量量。各个谐谐波分量以以频率轴为为坐标，按按频率高低低排列起来来的谱图，，就叫频谱谱图。各谐谐波分量分分别以幅值值或相位特特征量来表表示，分别别称为幅值值频谱（简简称幅值谱）和相位频频谱（注意意与波特图图的区别））。图2-9图2-10图2-11图2-12为了便于识识别各频率率成分（包包括基频、、倍频及分分数倍频等等）与故障障的联系，，常将频谱谱图的频率率轴（横坐坐标）改用用工作频率率的倍数来来表示，而而纵坐标仍仍表示幅值值。这种谱谱图称为阶阶比幅值谱谱。图2-13为图图2-12的阶比幅值谱谱。两图形状状相似仅在在横轴方向向比例有所所改变，因因此两者提提供的诊断断信息量相相同。三、旋转机机械振动评评定标准1．轴承振振动评定，，这可以利利用接触式式传感器（（例如磁电电式振动速速度传感器器或压电式式振动加速速度传感器器）放置在在轴承座上上进行测量量。2．轴振动动值评定，，这可利用用非接触式式传感器（（例如电涡涡流式传感感器）测量量轴相对于于机壳的振振动值或轴轴的绝对振振动值。评定参数可可用振动位位移峰峰值值和振动烈烈度（它代代表了振动动能量的大大小）来表表示。由上述两表表可以看出出，转速低，允允许的振动动值大；转转速高，允允许的振动动值小。第三节旋旋转机械械的振动监监测与诊断断四、旋转机机械典型故故障辨识1.不平衡衡振动（1）不平平衡振动的的特征转转子的质质量不平衡衡所产生的的离心力始始终作用在在转子上，，它相对于于转子是静静止的，其其振动频率率就是转子子的转速频频率，也称称为工频（（即工作频频率），在在频率分析析时，首先先要找的就就是工频成成分。其特特征（参见见图2-14）有:图2-141)对于刚刚性转子，，不平衡产产生的离心心力与转速速的平方成成正比，而而在轴承座座测得的振振动随转速速增加而加加大，但不不一定与转转速的平方方成正比，，这是由于于轴承与转转子之间的的振动耦合合的非线性性所致。2)在临界界转速附近近，振幅幅会出现一一个峰值，，且相位位在临界转转速前后相相差近180°。3）振动频频率和转速速频率一致致，转速频频率的高次次谐波幅值值很低，在在时域上波波形接近于于一个正弦弦波。（2）固有有不平衡由由于各各转子残余余不平衡的的累积、材材质不良、、安装不当当等原因，即使机组组在制造过过程中已对对各个转子子作了动平平衡，但是是连接起来来的转子系系统还是存存在固有不不平衡。为为消除质量不平衡衡产生的振振动，应在在平衡机或或现场作静静平衡和动动平衡试验验，加以校校正。（3)转子子弯曲转转子弯曲曲有初始弯曲与热弯曲之分。转子的初始始弯曲是由由于加工不不良、残余余应力或碰碰撞等原因引起的，它它将引起转转子系统工工频振动，，通过振动动测量并不不能把它与与转子的质质量不平衡衡区分开来来。而应在在低速转动动下检查转转子各部位位的径向跳跳动量予以以判断。当转子弯弯曲不严重重时也可以以用平衡方方法加以校校正；当弯弯曲严重时时，必须进进行校正或更换换。转子热弯曲曲是：1））由于转子子与静子（（如密封处处）发生间间歇性局部部接触，产产生摩擦热热引起的转转子临时性性弯曲；2）转子不不均匀受热热或冷却引引起转子的的临时性弯弯曲。其特点是转子的振振动随时间间、负荷的的变化而在在大小和相相位上均有有改变。因因此，可通通过变负荷荷或一段时时间的振动动监测判断转子热弯曲曲故障。防止热弯曲一方方面要减小小使转子不不均匀受热热的影响因因素，如启启停机时充充分暖机，，保证机组组均匀膨胀胀；另一方方面应注意意装配间隙隙，各部件件要有相近近的线（膨膨）胀系数数。（4)转子子部件脱落落当旋旋转转子上上部件突然然脱落时，，使转子产生阶跃性性的不平衡衡变化，其表表现形式也也是每转一一次的振动动成分，使使机组振动动加剧。但但由于转子子部件脱落落不平衡矢矢量与原始转子子不平衡矢矢量的叠加加，使合成的不不平衡矢量量在大小、、相位和位位置三方面面均与原始始转子不平平衡矢量发发生了变化化，因此，可通通过测量相相位进一步步诊断。（5)联轴轴器精度不不良第三节旋旋转机械械的振动监监测与诊断断四、旋转机机械典型故故障辨识2．转子不对对中分类：见图2-16转子不对中故故障的主要特特征（参见图2-17）有：图2-16图2-17转子不对中故故障的主要特特征有：(1)改变轴承的支支承负荷，使使轴承的油膜膜压力也随之之改变，负荷荷减少，轴承承可能会产生生油膜失稳。。(2)最大振动往往往在不对中联联轴器两侧的的轴承上，且且振动值与转转子的负荷有有关，随负荷荷的增大而增增高。(3)平行不对中主主要引起径向向振动，振动动频率为旋转转频率的2倍，同时也存存在多倍频振振动。3.动静摩擦在旋转机械中中，由于转子子弯曲、转子子不对中引起起轴心严重变变形，间隙不不足和非旋转转部件弯曲变变形等原因引引起转子与固固定件接触碰碰撞而引起的的异常振动时时有发生。摩摩擦分全圆径环形摩摩擦和局部摩擦两种，其特征征（参见图2-18和图2-19）有：第三节旋旋转机械的振振动监测与诊诊断五、滚动轴承承故障诊断滚动轴承是机机械设备中最常见也是最最易损坏的零零件之一。滚动轴承有有很多损坏形式，常见的有磨损失效、疲疲劳失效、腐腐蚀失效、断断裂失效、压压痕失效和胶胶合失效。当它出现随随机性的机械械故障时，所所产生的振幅幅相应增加，，如图2-20。1.滚动轴承承的振动机理理（1）轴承刚刚度变化引起起的振动（2）由滚动动轴承运动副副引起的振动动（3）滚动轴轴承元件的固固有频率（4）滚动轴轴承故障所产产生的振动（（图2-21）（5）与滚动动轴承安装有有关的振动（（图2-22、图2-23）图2-20图2-21五、滚动轴承承故障诊断2．滚动轴承振振动信号的拾拾取滚动轴承故障障的振动识别别必须以轴承承本身的真实实振动信号为为依据。由于于轴承异常所所引起的振动动受轴的旋转转速度、轴承承损伤部分的的形状以及轴轴承和外壳振振动系统的传传递特征所左左右。因而，，在测取轴承承振动信号时时，无论测哪哪个方向的振振动信号，传感器都必须须安置在轴承承载荷区的中中心。同时，要注注意信号传递递通道的影响响，即必须考考虑金属结构构传递振动信信号的通道性性质。由于传传感器都放在在轴承座外面面，为了消除除传递通道的的非线性影响响，应保证在在轴承与传感感器之间直接接传递的途径径，尽量保证证没有水套、、填料及螺栓栓连接一类的的中间介质。。传递通道中中的中间界面面越多，对信信号的歪曲越越大。最好只有一个个轴承座圈和和轴孔间的界界面。3．滚动轴承的的振动故障诊诊断（1）概率密度函函数法(2)谐振信号接收收法（3）频谱分析法法1)基频识别2)谐频识别3)倒频谱法（4）包络法(5）冲击脉冲法法五、滚动轴承承故障诊断4．滚动轴承承的其他监诊诊断方法（1）接触电电阻法（2）光纤监监测技术六、齿轮箱故故障诊断1．齿轮的常常见故障2．齿轮传动动装置的动力力特征3．其他故障障及其频率特特征9、静夜夜四无无邻，，荒居居旧业业贫。。。1月-231月-23Sunday,January1,202310、雨中黄叶叶树，灯下下白头人。。。13:06:0913:06:0913:061/1/20231:06:09PM11、以我我独沈沈久，，愧君君相见见频。。。1月-2313:06:0913:06Jan-2301-Jan-2312、故故人人江江海海别别，，几几度度隔隔山山川川。。。。13:06:0913:06:0913:06Sunday,January1,202313、乍见翻疑梦梦，相悲各问问年。。1月-231月-2313:06:0913:06:09January1,202314、他乡乡生白白发，，旧国国见青青山。。。01一一月月20231:06:09下下午13:06:091月-2315、比不了得得就不比，，得不到的的就不要。。。。一月231:06下下午1月-2313:06January1,202316、行动出出成果，，工作出出财富。。。2023/1/113:06:0913:06:0901January202317、做前，能够够环视四周；；做时，你只只能或者最好好沿着以脚为为起点的射线线向前。。1:06:09下午1:06下下午13:06:091月-239、没有失败败，只有暂暂时停止成成功！。1月-231月-23Sunday,January1,202310、很多事情努努力了未必有有结果，但是是不努力却什什么改变也没没有。。13:06:0913:06:0913:061/1/20231:06:09PM11、成功就是是日复一日日那一点点点小小努力力的积累。。。1月-2313:06:0913:06Jan-2301-Jan-2312、世间成成事，不不求其绝绝对圆满满，留一一份不足足，可得得无限完完美。。。13:06:0913:06:0913:06Sunday,January1,202313、不不知知香香积积寺寺，，数数里里入入云云峰峰。。。。1月月-231月-2313:06:0913:06:09January1,202314、意志坚强的的人能把世界界放在手中像像泥块一样任任意揉捏。01一月月20231:06:09下下午13:06:091月-2315、楚塞三湘接接，荆门九派派通。。。一月231:06下下午1月-2313:06January1,202316、少年十五二二十时，步行行夺得胡马骑骑。。2023/1/113:06:0913:06:0901January202317、空山新雨后后，天气晚来来秋。。1:06:09下午1:06下下午13:06:091月-239、杨杨柳柳散散和和风风，，青青