设备精密点检、振动诊断

精密点检知识讲座

设备状态监测与故障诊断技术

主讲人：朱白钦机动部

2011年7月

第一章设备诊断技术概述第二章振动测试知识第三章振动诊断的实施步骤第四章提高设备诊断效率和误诊防范第五章设备振动诊断标准第六章设备的常见振动故障及诊断内容提要精密点检：指用检测仪器、仪表，对设备进行综合性测试、检查，或在设备未解体情况下运用诊断技术、特殊仪器、工具或其他特殊方法测定设备的振动、温度、裂纹、变形、绝缘等状态量，并对测犁数量对照标准和历史记录进行分析、比较、判断定，以确定设备的技术奖况和劣化程度的一种检测方法什么是状态监测和故障诊断？在设备运行中或在基本不拆卸的情况下，通过各种手段，掌握设备运行状态，判定产生故障的部位和原因，并预测、预报设备未来的状态。是防止事故和计划外停机的有效手段。是设备维修的发展方向。状态监测和故障诊断的作用

监测与保护

监测机器工作状态。发现故障及时报警，并隔离故障。分析与诊断

判断故障性质、程度和部位。分析故障原因。处理与预防

给出消除故障的措施。防止发生同类故障状态监测和故障诊断的目的1、保证设备安全，防止突发故障；2、保证设备精度，提高产品质量；3、实施状态维修，节约维修费用；4、避免设备事故造成的环境污染；5、给企业带来大的经济效益。设备维修制度的发展事后维修，故障维修

(Breakdown)

设备坏了后才去修理。定期维修，预防维修

(Preventive)

定期地检查和大修。预测维修，视情维修

(Predictive)

周期的监测，必要时才去维修。状态监测和故障诊断的过程检测缩小故障范围状态判别搜集征兆定期检测故障定位原因分析维修决策趋势分析正常参数开始尚可正常不可异常监测和诊断的各种手段★振动：适用于旋转机械、往复机械、轴承、齿轮等。★温度（红外）：适用于工业炉窑、热力机械、电机、电器等。★声发射：适用于压力容器、往复机械、轴承、齿轮等。★油液（铁谱）：适用于齿轮箱、设备润滑系统、电力变压器等。★无损检测：采用物理化学方法，用于关键零部件的故障检测。★压力：适用于液压系统、流体机械、内燃机和液力耦合器等。★强度：适用于工程结构、起重机械、锻压机械等。★表面：适用于设备关键零部件表面检查和管道内孔检查等。★工况参数：适用于流程工业和生产线上的主要设备等。★电气：适用于电机、电器、输变电设备、电工仪表等。第二章振动测试知识1、机械振动简介1.1什么叫振动？振动是世界上的物质或物体的一种运动形式。广义来说，振动就是物体（质点）或某种状态随着时间往复变化的现象。1.2振动的分类

工程中有大量的振动问题需要研究、分析和处理，因此有必要简单介绍振动力学中的振动分类方法，以便在振动故障类型、原因、分析和故障排除方面提供考虑的基础。

机械振动的研究和使用方面有多种分类方法，目前，大致有如下几种分类：

1、按振动的规律分

简谐振动。非简谐振动和随机振动。有时又将前两者称为周期振动，后者称为非周期振动；

2、按产生振动的原因分

自由振动、受迫振动、自激振动和参变振动等；

3、按自由度分

单自由度系统振动、多自由度系统振动和弹性振动；

4、按振动位移特征分

角振动和直线振动；

5、按系统结构参数分

线性振动和非线性振动。

在机器的故障诊断中，从应用角度看，应着重掌握按振动规律和产生原因这两种分类。1.3振动的常用术语1.3.1、机械振动物体相对于平衡位置所作的的往复运动称为机械振动。简称振动振动用基本参数、即所谓的“振动三要素”—振幅、频率、相位加以描述1.3.2、涡动转动物体相对于平衡位置所作的旋转运动称为涡动。物体涡动时，是在绕着自身对称轴旋转（自转）的同时，对称轴又进一步在绕着某一平衡位置旋转（公转），所以涡动又称为进动。1.3.3.振幅（1）振幅振幅是物体动态运动或振动的幅度。振幅是振动强度和能量水平的标志，是评判机器运转状态优劣的主要指标（2）峰峰值、单峰值、有效值振幅的量值可以表示为峰峰值（pp）、单峰值（p）、有效值（rms）或平均值（ap）。（3）振动位移、振动速度、振动加速度振幅分别采用振动的位移、速度或加速度值加以描述、度量

1.3.5.相位相位是在给定时刻振动部件被测点相对于固定参考点所处的角位置，单位是度［°］。1.3.4.频率频率f是物体每秒钟内振动循环的次数，单位是赫兹[Hz]。频率是振动特性的标志，是分析振动原因的重要依据（1）同相振动、反相振动当两个振动的相位相同、即相位差为0°（或360°）时，则称此两振动为同相振动。当两个振动的相位相反、即相位差为180°时，则称此两振动为反相振动。（2）相位的应用相位在振动领域有着许多重要的应用，主要用于比较不同振动运动之间的关系，比较不同部件的振动状况，比较激振力与响应之间的关系，确定不平衡量的方位，等等1.3.6.相对振动、绝对振动相对轴振动是指转子轴颈相对于轴承座的振动，即通常所说的转子的振动，一般用非接触式电涡流位移传感器来测量。绝对轴振动是指轴承座振动它可用磁电式速度传感器或压电式加速度传感器来测量1.3.7、径向振动、轴向振动、扭转振动转子的振动从空间活动度上分，有径向振动、轴向振动、扭转振动。径向振动是指转子在垂直于轴线方向上的涡动。轴向振动是指转子在轴线方向上的往复振动。扭转振动是指转子以轴线为转轴的扭转振动。简称扭转。1.3.8、刚性转子、挠性转子工作转速低于第一临界转速的转子称为刚性转子。工作转速高于第一临界转速的转子称为挠性转子。1.3.9、刚度使弹性体产生单位变形y所需的力F称为刚度k，k＝F/y。刚度反映了弹性体抵抗变形的能力。旋转机械转子的刚度包括静刚度和动刚度两个部分，静刚度决定于结构、材质、尺寸，而动刚度既与静刚度有关，也与支座刚度、连接刚度等有关1.3.10、临界转速临界转速就是转子轴承系统本身的固有频率。临界转速完全是由转子轴承系统本身的固有特性（刚度、质量等）所决定的，与外界条件（如不平衡力、介质负荷等）无关。1.3.11、谐波、次谐波在通频信号中，频率等于转速频率整数倍的分量称为转速频率的谐波，简称谐波。如一倍频（1X）、二倍频（2X）、三倍频（3X）…分量等。次谐波是指通频信号中所含频率等于转速频率整分数倍的分量，也称为分数谐波。如半频（0.5X）、三分之一倍频（1/3X）…分量等。1.3.12、同步振动、异步振动、亚异步振动、超异步振动同步振动是指频率成分与转速频率成正比的振动。一般情况（但不是全部情况）下，同步成分是转速频率的整数倍或者整分数倍，不管转速如何，它们总保持这一关系，如一倍频（1X），二倍频（2X），三倍频（3X）…，半频（0.5X）,三分之一倍频（1/3X）…等。由不平衡、不对中所引起的振动都是同步振动。异步振动是频率成分指与转速频率无整数倍或者整分数倍关系的振动，也可称为非同步运动。摩擦引起的振动既有同步振动又有异步振动。亚异步振动是指频率成分低于转速频率的异步振动。由油膜涡动、密封流体激振、旋转失速等所引起的振动都是亚异步振动。超异步振动是指频率成分高于转速频率的异步振动。由滚动轴承、齿轮缺陷所引起的振动都是超异步振动。1.3.13、动压轴承、静压轴承静压轴承是依靠润滑油在转子轴颈周围形成的静压力差与外载荷相平衡的原理进行工作的。不论轴是否旋转，轴颈始终浮在压力油中，工作时可以保证轴颈与轴承之间处于纯液体摩擦状态。动压轴承油膜压力是靠轴本身旋转产生的，因此供油系统简单，设计良好的动压轴承具有很长的使用寿命振幅A

(Amplitude)

偏离平衡位置的最大值。描述振动的规模。频率

f

(Frequency)

描述振动的快慢。单位为次/秒(Hz)或次/分(c/min)。周期

T=1/f

为每振动一次所需的时间，单位为秒。

圆频率

=2

f

为每秒钟转过的角度，单位为弧度/秒初相角

(Initialphase)

描述振动在起始瞬间的状态。2、简谐振动的三要素振动位移、速度、加速度之间的关系振动位移

(Displacement)速度

(Velocity)加速度

(Acceleration)

位移、速度、加速度都是同频率的简谐波。三者的幅值相应为A、A、A2。相位关系：加速度领先速度90º;速度领先位移90º。xvaxva正峰值负峰值平均绝对值有效值平均值峰峰值各幅值参数是常数，彼此间有确定关系峰值

xp=A;峰峰值

xp-p=2A平均绝对值

xav=0.637A有效值

xrms=0.707A平均值简谐振动的幅值参数复杂振动的幅值参数各幅值参数随时间变化，彼此间无明确定关系正峰值负峰值峰峰值xrms如何选择测量参数？测量参数选择原则

常用的振动测量参数有加速度、速度和位移，一般按照下列原则选用：1、低频振动小于10Hz（转速小于600r/min）采用位移，单位为微米（μm）。2、中频振动10～1000Hz（转速600～60000r/min）采用速度（振动烈度），单位为毫米/秒（mm/s）。

3、高频振动大于1000Hz采用加速度，单位为米/秒平方（m/s2）。常用的幅值参数及其单位

位移峰峰值。单位为微米（m）

速度

有效值。单位为毫米/秒（mm/s）

加速度

峰值。单位为米/秒平方（m/s2）3、常用的传感器1、磁电速度传感器2、压电加速度传感器3、涡流位移传感器磁电式速度传感器①工作原理传感器内部惯性质量块下有一线圈，当传感器与被测物体一起振动时，惯性质量块相对于外壳运动，亦即在永久磁铁的磁路缝隙中按同样的规律运动。根据电磁感应的原理，线圈上将产生与相对运行速度成正比的电动势，当传感器结构一定时，测得电动势即可测得振动速度值。②传感器系统组成磁电式速度传感器无需供电，可直接输出至测量仪器或系统采集单元。③使用范围通用设备的振动烈度检测巡检仪器配套使用磁电速度传感器接收形式：惯性式变换形式：磁电效应典型频率范围：10Hz~1000Hz典型线性范围：0~2mm典型灵敏度：20mV/mm/s

测量非转动部件的绝对振动的速度。不适于测量瞬态振动和很快的变速过程。输出阻抗低，抗干扰能力强。传感器质量较大，对小型对象有影响。典型的磁电速度传感器

压电式加速度传感器

工作原理压电加速度传感器中的主要换能部件是压电晶体，当压电晶体承受机械应力作用时，在其表面出现极性相反的等量电荷，其电荷大小与受力大小成正比。受力的大小等于惯性质量与加速度的乘积，在惯性质量一定的情况下，电荷大小与基座振动加速度成正比。压电加速度传感器按照压电晶体在传感器中的受力方式分为压缩式和剪切式两类。

传感器系统组成一般加速度传感器要配合电荷放大器使用，内装电荷放大器的ICP加速度传感器应配合指定规格的恒流源使用。

使用范围滚动轴承振动检测齿轮振动检测普通测振仪配套使用压电加速度传感器接收形式：惯性式变换形式：压电效应典型频率范围：0.2Hz~10kHz线性范围和灵敏度随各种不同型号可在很大范围内变化。测量非转动部件的绝对振动的加速度。适应高频振动和瞬态振动的测量。传感器质量小，可测很高振级。现场测量要注意电磁场、声场和接地回路的干扰。典型的压电加速度传感器晶体片晶体片质量块预紧环出线口底座出线口三角剪切型中心压缩型预压簧片三角柱压电传感器的安装频率电涡流传感器

工作原理传感器探头内部线圈有高频电流通过时，产生高频电磁场。此交变磁场通过附件的金属导体（被测轴径）时，在其表层内产生感应电流，即电涡流。电涡流产生的交变磁场方向与探头线圈原磁场方向相反，这两个磁场互相叠加改变了线圈的阻抗，当传感器的结构确定后，线圈阻抗成为距离的单值函数。因此电涡流传感器是一种位移传感器。电涡流传感器系统组成整套传感器系统由探头、延伸电缆和前置器三部分组成。探头直径有8mm、11mm、25mm和50mm等规格，一般直径越大，灵敏度越低，测量范围越大。进行传感器系统部件更换时，延伸电缆和前置器必须与原系统中的规格指标一致。使用范围径向振动和轴心轨迹测量轴向位置和轴向振动等涡流位移传感器接收形式：相对式变换形式：电涡流典型频率范围：0~20kHz典型线性范围：0~2mm典型灵敏度：8.0V/mm(对象为钢)

不接触测量，特别适合测量转轴和其他小型对象的相对位移。有零频率响应，可测静态位移和轴承油膜厚度。灵敏度与被测对象的电导率和导磁率有关。涡流位移传感器

及其前置器涡流传感器的工作原理输出电压u

正比于间隙d且于测量对象的材质有关涡流位移传感器的特性传感器与转轴之间的间隙前置器输出电压（直流伏）轴承振动的测点布置轴振动的测点布置轴承振动与轴振动的比较第三章振动诊断的实施步骤实践表明，对机器设备实施振动诊断，必须遵循正确的诊断程序，才能使诊断工作有条不絮地进行，并取得良好的效果。诊断步骤概括为3个环节，6个步骤进行。

3个环节为准备工作、诊断实施、决策与验证。6个步骤如下:6个步骤一、了解诊断对象。

1、设备的结构组成；

2、机器的工作原理和运行特性；

3、机器工作条件；

4、设备基础形式及状况；

5、主要技术档案资料。二、确定诊断方案

1、选择测点

2、预估频率和振幅

3、确定测量参数

4、选择诊断仪器

5、选择与安装传感器

6、做好其他相关事项的准备传感器如何安装？磁座使用方便而性能适中，是最常用的方法怎样选择测量点？在状态监测工作中，应尽量在三个方向上进行测量，至少在工作的初期应该如此。低频振动常常具有方向性（如不平衡在水平方向上，不同轴在轴向上，松动在垂直方向上比较容易发生）。三、进行振动测量与信号分析

1、测量系统选择

2、振动测量与信号分析

3、数据记录整理

四、实施状态判别根据测量数据和信号分析所得到的信息，对设备状态作出判断。五、作出诊断决策通过测量分析、状态识别等程序，弄清设备的实际状态，为处理决策创造条件。六、检查验收第四章提高设备诊断效率和误诊防范一、熟悉诊断对象是防止误诊的前提

1、不了解设备结构而误布置测点或布置不合理；

2、不了解设备的工作原理而误用诊断手段；

3、把频率分析与设备特点分析结合起来，防止单独采用频率分析而造成误诊；

4、不了解设备零件的结构参数时，容易造成漏诊或胡判。

5、分析设备传动机构特点，防止误判故障部位。二、真实充分地获取足够数量的诊断信息是防止误诊的关键1、振动信号失真的因素和防范。2、信息不充分造成误诊及其防范。3、防止测量数据失误的几项措施。三、准确识别机械图像，正确应用标准，是防止误诊的重要环节1、用孤立的眼光看待机械图像，缺乏逻辑分析，往往是造成误诊的重要原因。2、坚持标准，灵活运用标准，是防止误判的重要条件。四、防止采用单一方法判断造成误诊在故障诊断时，采用多种诊断手段，避免诊断错误或失误。第五章设备振动诊断标准

一、国际标准化组织标准：1.ISO7919-1~5非往复式机器的机械振动----在旋转轴上的测量和评价第一部分总则(GB/T11348.1-89)

第二部分陆地安装的大型汽轮发电机组(GB/T11348.2-1997)

第三部分耦合的工业机器(GB/T11348.3)

第四部分燃气轮机组(GB/T11348.4)

第五部分水力发电厂和泵站机组2.ISO10816-1~6机械振动----在非旋转部件上测量和评价机器振动第一部分总则第二部分陆地安装的功率超过50MW的大型汽轮发电机组第三部分额定功率大于15KW额定转速在12015000转/分在现场测量的工业机器第四部分不包括航空器类的燃气轮机组第五部分水力发电厂和泵站机组第六部分额定功率超过100KW的往复式机器3.ISO5348(GB/T14412-93)机械振动与冲击----振动加速度计的机械固定4.ISO2954(GB/T13824-92)旋转式和往复式机器的机械振动----对测量振动烈度仪器的要求5.ISO5347(GB/T13823.1-93)振动与冲击传感器的校准方法基本概念6.ISO1952/1(GBGB/T6444-1995)机械振动----平衡术语7.ISO1940/1(GB9239-88)刚性转子平衡品质许用不平衡的确定8.ISO5343(GB6558-86)柔性转子平衡的评定准则9.ISO2372(GB6075-85)工作转速在10200赫兹的机器的机械振动----规定评定标准的基础10.ISO3945(GB11347-89)工作转速在10200赫兹的机器的机械振动----现场振动烈度的测量和评定11.ISO10817-1旋转轴振动测量系统--第一部分：测量径向方向相对振动信号和绝对振动信号12.ISO10817-2Rotatingshaftvibrationmeasurementsystems-Part2:Signalprocessing旋转轴振动测量系统第二部分：信号处理ISO2372和ISO3945机械振动标准

旋转机械振动标准

电机振动标准ISO2372和DIN45665电机振动标准汽轮机及汽轮发电机振动标准

离心鼓风机和压缩机标准

对于没有合适参考标准时，采用类比法和相对法确定设备标准。第六章设备的常见振动故障及诊断一、振动诊断的常用图谱1、波形图波形图显示了振动位移与时间的关系，又称幅值时域图。波形图既可以是通频波形图，即显示通频振动位移（总振值）与时间(周期)的关系，也可以是一倍频波形图、二倍频波形图、0.5倍频波形图、…、等。通常，主要是看通频波形图。（一倍频、二倍频、0.5倍频的波形图在轴心轨迹图可以看到。）2、频谱图频谱图显示了各振动分量的频率及其振幅值。正常运转状态下的频谱图通常是：一倍频最大，二倍频次之、约小于一倍频的一半，三倍频、四倍频…x倍频逐步参差递减，低频（即小于一倍频的成份）微量。各种振动的频谱图名称波形频谱名称波形频谱3、轴心轨迹图轴心轨迹图显示了转子轴心相对于轴承座涡动时的运动轨迹，正常运转状态下的转子轴心轨迹应该是一个较为稳定的椭圆形。对中不良时，为月牙状、香蕉状，严重时为8字形4、振动趋势图振动趋势图显示了振幅及相位与时间的关系。通过振动趋势图可以看到异常振动的起始时间、终止时间、持续时间。通过振动趋势图，还可以更加清晰地看到工频、二倍频、0.5倍频等主要频率成份的幅值随时间变化的形态。5、波德图波德图显示了转子振幅和相位随转速变化的关系曲线。从波德图上可以得到以下信息：①转子系统在各种转速下的振幅和相位；②转子系统的临界转速；③转子系统的动态放大系数Q(Q=临界转速下的峰峰值∕操作转速下的峰峰值)，动态放大系数过大，很可能是不安全的；④转子的振型；⑤系统阻尼的大小；⑥转子是否发生热弯曲；由以上这些信息可以获得有关转子轴承系统的刚度、阻尼特性以及转子的动平衡状况。二、常见振动故障及诊断1、转子不平衡故障2、转子不对中故障3、设备松动故障4、滚动轴承和滑动轴承故障5、齿轮故障6、电气故障诊断转动机械常见故障的频率特征强迫振动类故障自激振动类故障R:

转动频率转子不平衡故障的频谱波形为简谐波，少毛刺。轴心轨迹为圆或椭圆。1X频率为主。轴向振动不大。振幅随转速升高而增大。过临界转速有共振峰。透平风机TOTI齿轮箱1X频率(水平)1X频率(水平)1X频率(铅垂)1X频率(铅垂)轴向很小轴向很小转子不平衡的类型转子不对中故障的频谱出现2X频率成分。轴心轨迹成香蕉形或8字形。轴向振动一般较大。本例中，出现叶片通过频率。电机水泵POPIMOMI1X频率2X频率叶片通过频率转子不对中的类型正确对中e=0,

=0平行不对中e0,=0角度不对中e=0,0综合不对中e0,0不同联轴节的情况联轴节类型不对中形式振动特征刚性联轴节平行不对中有2X成分角度不对中轴向振动1X成分大

轴向振动大，有2X及高次谐波齿式联轴节径向振动可能有2X、3X、4X…

联轴节两侧振动的相位常相反膜片联轴节有nX

成分（n为螺钉数）松动故障引起的间入谐量未松动时的频谱松动时的频谱

出现0.5X，1.5X，2.5X，3.5X...等频率成分松动结合面两边振动差别大50353815101218402558松动！松动！不松动不松动D

—节圆直径d—滚珠直径

—接触角z—滚珠数R—轴的转速频率滚动轴承故障的特征频率dD外环故障频率内环故障频率滚珠故障频率保持架碰外环保持架碰内环滚动轴承故障的频谱轴承每一种零件有其特殊的故障频率。随着故障发展，它的幅值增加，并有谐波；谐波两边产生边频。还可用如共振解调、倒频谱等诊断方法。电机离心泵PIPO1X2X频率故障基本频率6.71X基本频率的四个谐波带滚动轴承的机械的频谱特点不平衡不对中松动滚动轴承故障频率05101520253035404550×RFrequencyinorder3.53.02.52.01.51.00.50Velocityinmm/spk带滑动轴承的机械的频谱特点不对中松动引起的谐波不平衡油膜涡动、碰摩0246810121416FrequencyinorderDisplacementinmpktopk12.510.07.55.02.50齿轮故障的频谱齿轮啮合频率

GMF

齿数齿轮转速频率齿轮啮合频率两边有边频，间距为1X。随着齿轮故障发展，边频越来越丰富，幅值增加。可用倒频谱作进一步分析。OUBSISOL齿轮箱上辊下辊输入轴啮合频率GMF上边频下边频2X趋势分析法的理论根据监视机器的劣化过程预测机器的失效时间正常使用期耗损期磨合期故障率时间“浴盆曲线”停机日期