第四章-机械故障的振动诊断技术(CUMT)

1第四章机械故障的振动诊断技术2机械设备的振动具有以下几个特点：

(1)任何机械设备在动态下都会或多或少地产生一定的振动，即振动存在的广泛性。

(2)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。这一特点使从振动信号中获取诊断信息变为可能，因此称为振动监测的有效性。

(3)随着信号分析技术的发展，人们还看到由不同类型、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。这些持征可表示为频率成分、幅值大小、相位差别、波形形状、能量分布状况等。这一特点使人们从振动信号中识别故障成为可能。因此称为振功的可识别性。

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（4）进一步的研究表明，振动信号性质、特征不仅与故障有关，而且还与系统的固有特性有关。具体表现为：①同一故障对不同的系统，由于系统固有特性不同，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，其振动的特征相同，但因故障激励传递通道的不同，将会对振动有较大影响。③同一故障在不同部位布置测点，由于传递通道的不同，其振动响应亦会有较大的差别。45678§4.3振动诊断的基础工作振动分析方法是一项非常复杂的技术手段，它涉及的内容非常广泛，包括机械振动、振动测试以及信号分析与处理等诸多方面，因此要求设备故障诊断人员有较高的理论水平和较强的实际操作能力。简易诊断，就是利用一些简单的测试仪器对所选定的机械设备进行粗略的诊断，以判断设备是否有故障，有时也能得出关于设备故障严重程度的信息。精密诊断则用于进一步探明其故障原因9简易诊断系统1便携式振动分析仪2声级计3温度计10精密诊断系统

以状态辨识为中心的信号智能处理系统，系统分为三大部分，即数据采集系统、状态识别系统和诊断输出系统。11一、确定诊断对象

必须经过充分的调查研究，根据企业自身的生产特点以及各种设备的组成情况，有重点地选定用作诊断对象的设备，优先选作诊断对象的设备应该是：①直接的生产设备，特别是连续作业和流程作业中的设备，如露天矿上的挖掘机和汽车、井下的采煤机和刮板运输机、皮带运输机等；②一旦发生故障或停机，会造成很大损失的设备；③故障发生后，会造成二次公害的设备；④维修周期长、维修费用高的设备，如发动机；12⑤价格昂贵的大型精密和成套设备；⑥没有备用机组的关键设备；⑦容易造成人身安全事故的设备；⑧故障发生频率较高的设备。此外，在确定诊断对象时，还应注意点面结合，在尽量多地覆盖设备种类的前提下，在每种设备中选定一至两个进行重点监则，以便取得关于该类设备的全部运行历程记录。

131、选定测量参数

对于机械设备的振动诊断而言，可测量的幅值参数有位移、速度和加速度三种。振动测量参数的选择应该考虑振动信号的频率构成和所关心的振动后果这两方面的因素。从信号频率角度来看，一般随着信号频率的提高，而依次选用位移、速度和加速度作为测量参数。因为对简谐振动而言，加速度a、速度v和位移s，三者之间存在如下的关系式二、诊断方案的确定

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对振动检测最重要的要求之一，就是能在足够宽的频率范围内测量所有主要频率分量的全部信息，包括不平衡、不对中、滚动体损坏、齿轮啮合、叶片共振、轴承元件径向共振、油膜涡动和油膜振荡等有关的频率成分，其频率范围往往远超过1kHz。表4-8按频带选定测量参数的指南测量参数位移速度加速度适用频带0—100Hz10—1000Hz>1000Hz15

很多典型的测试结果表明，在机器内部损坏还没有影响到机器的实际工作能力之前，高频分量就已包含了缺损的信息。为了预测机器是否损坏，高频信息是非常重要的。测量加速度值的变化及其频率分析常常成为设备故障诊断的重要手段。16

从振动的影响后果来看，应该根据不同的应用场合来选择相应的振动监测参数，如表4-9所示。

表4-9根据振动后果选择振动监测参数的指南17

选择测量参数的另一个含义是振动信号的统计特征量的选用。有效值反映了振动能量的大小及振动时间历程的全过程，峰值只反映瞬时值的大小，同平均值一样，不能全面地反映振动的真实特性。因此，在大多数情况下，评定机械设备的振动量级和诊断机械故障，主要采用速度和加速度的有效值，只在测量变形破坏时，才采用位移峰值。182、预估频率和振幅预估振动频率和幅值可采用下面几种方法。①根据积累的现场诊断经验，对设备常见故障的振动特征频率和振幅作一个基本估计。②根据设备的结构特点、性能参数和工作原理计算出某些可能发生的故障特征频率。③广泛搜集诊断知识，掌握一些常用设备的故障特征频率和相应的幅值大小。④利用便携式振动测量仪，在正式测量前对设备进行重点分块测试，找到一些振动烈度较大的部位，通过改变测量频段和测量参数进一步测量，也可以大致确定其敏感频段和幅值范围。193、选择监测点

测量点选择的正确与否，关系到能否对设备故障作出正确的诊断。一般情况下，测量点数量及方向的确定应考虑的总原则是：①能对设备振动状态作出全面的描述；②应是设备振动的敏感点；③应是离机械设备核心部位最近的关键点；④应是容易产生劣化现象的易损点。20对于一般的旋转机械，常见的振动测定方法有测轴振动和测轴承的振动两种。一般而言，对于非高速旋转体，以测定轴承的振动为多；而对于高速旋转体，则以测定轴的振动位移居多。这是因为高速时轴承振动的测定灵敏度有所下降。轴振动和轴承振动的特性之简单比较如表4-10所示。21比较项目

轴承振动

轴振动测量设备1．传感器安装、拆卸较方便；2．容易测定振动1.安装方法受到限制;2.测定振动时比轴承困难测量的特点测振灵敏度较低1.测振灵敏度高，2.可直接测出轴振动的位移量测量点的影响测振点容易确定，周围环境的影响小

测定场所对测定值的影响较大用途可监测机械的所有各种振动

能比轴承较为详细地监测振动，可用作精度较高的现场平衡22在测轴承的振动时，测量点应尽量靠近轴承的承载区；与被监测的转动部件最好只有一个界面，尽可能避免多层相隔，以减少振动信号在传递过程中因中间环节造成的能量衰减；测量点必须要有足够的刚度。在测轴振动时，常见的有测轴与轴承座的相对振动和测轴的绝对振动(很少采用)两种方法。从信号频段的角度来考虑，对于低频振动，应该在水平和垂直两个方向同时进行测量，必要时，还应在轴向进行测量；而对于高频振动，则一般只需在一个方向进行测量。这是因为低频信号的方向性较强，而高频信号对方向则不敏感的缘故。23

切记：测量点一经选定，就应进行标记，以保证在同一点进行测量。有研究结果表明，在测高频振动时，由于测量点的微小偏移(几个mm)，将会造成测量值的成倍离散(高达6倍)244、选择诊断仪器除了质量和可靠性之外，在选择测振仪器时还要考虑如下两方面。(1)仪器应有足够宽的频率范围要求记录的信号能覆盖所有重要的振动频率成分，一般范围是l0Hz～10kHz。高频成分是一个重要信息，机械早期故障信号首先在高频中出现，低频段信号反映出异常时，故障已经发生了。所以，仪器的频率范围应能覆盖整个高低频段。(2)仪器要有好的动态范围仪器记录能够保证的数值精度范围称为仪表的动态范围。要求测量仪器在一定的频率范围内能保证对所有可能出现的振动数值有一定的显示(或记录)精度。255、传感器的选择用于振动测量的位移、速度和加速度传感器，一般是根据所测量的参数类别来选用的：测量位移采用涡流式位移传感器；测量速度采用磁电式速度传感器；测量加速度采用压电式加速度传感器。266、确定测量周期1．定期检测即每隔一定的时间间隔对设备检测一次。2．随机点检专职设备检测维修人员一般不定期地对设备进行检测，设备操作人员或责任人则负责设备的日常检测工作，并作必要的记录。3．长期监测对于某些大型关键设备应进行在线监测，一旦测定值超过设定的槛值即进行报警，进而采取相应的保护措施。277、做好其他相关事项的准备应认真做好正式测量前的准备工作。为可靠地进行工作，最好在正式测量前做一次模拟测试，以检验仪器的状态和准备工作的充分程度。如检查仪器的电量是否充足，这是绝不能疏忽的“小事”，否则在现场会发生因仪器无电而迫使诊断工作中止的情况。还要准备好各种记录表格，做到“万事俱备”。28三、确定判断标准常用的判断标准有绝对判断标准、相对判断标准和类比判断标准三大类。

1．绝对判断标准将被测量值与事先设定的“标准状态槛值”相比较以判定设备运行状态的一类标准。

在应用绝对判断标准时，一定要注意它们的适用条件以及测定方法。29A表示状态良好，B为容许状态，C为可容忍状态，D为不允许状态。3031322．相对判断标准相对判断标准又称纵向比较标准，它连续地监侧某台机械设备的运行，取得其完整的运行历程记录，并将设备切始投入运行或维修后经适度的磨合而进入平稳运行状态时的被测量值作为原始基值，根据被测参量依运行时间的相对变化规律，对该台机械设备所处工况状态进行判断。因其监测的是该台设备从最初的完好运行到最后故障而失效的整个历程，因此，称之为纵向标淮。332．相对判断标准设备的整个运行工况被注意线和危险线分为良好运行区、故障运行区和连接两者的中间过渡区三个区域。其注意线和危险线的槛值设定，因机构种类及信号的频率范围而异。343．类比判断标准类比判断标准是把数台型号相同的整台机械设备或零部件在外载荷、转速以及环境因素等都相同的条件下的被测量值进行比较，依此区分这些同类设备或零部件所处的工况状态。

在以上三种标准中，应优先考虑使用绝对判断标准。

35§4-4旋转机械故障诊断技术

旋转机械是指那些主要功能是由旋转运动来完成的机械设备，尤指转速相对较高的机械。如汽轮机、燃气轮机、发电机、电动机、离心式压缩机、水轮机、航空发动机等。旋转机械正朝着大型、高速和自动化方向发展。36

转子系统是一种多自由度振动系统，它具有多个自振频率。当转子的转速达到横向振动的一阶自振频率时，将发生一阶共振。此时的转速称为(一阶)临界转速。37

上世纪20年代以前，人们普遍认为临界转速是不可逾越的界限。这主要是接近临界转速时将发生强烈的振动现象(共振)。随着高速机械的研究和发展，人们发现越过临界转速后，运行在两个临界转速之间时，机械会运行得更平稳些。特别是对于细长轴的转子效果更良好。这个发现为近代高速大型旋转式机械的设计提供了广阔天地。38

以临界转速为分界，现代人们把转子系统分为两种：

1)刚性转子系统——工作转速在(一阶)临界以下的转子系统。目前大多数低速（工作频率＜100Hz）机械均属于刚性转子系统。

2)柔性转子系统——工作转速在(一阶)临界转速以上的转子系统。例如，一些大型高速(工作频率＞100Hz)旋转机械，如汽轮机组、压缩机组均属于柔性转子系统。394.4.1旋转机械的常见故障一、转子不平衡二、轴系不对中三、机械松动四、自激振动五、油膜涡动与油膜振荡六、转子裂纹七、转子碰摩

40一、转子不平衡旋转机械的转动部分通常称转子。转子不平衡是各种旋转机械中普遍存在的问题，最常见的故障之一。据统计资料表明，各类旋转机械由于不平衡而失效的约占30％。41421．引起转子不平衡的原因(1)由于结构设计不合理而造成的几何尺寸不同心；(2)制造、安装误差；(3)转子材质不均匀，或受热不均匀；(4)转子初始弯曲；(5)工作介质中的固体杂质在转子上不均匀沉积；(6)转子在使用过程中被腐蚀、磨损；(7)转子上零部件松动、脱落。432．转子不平衡可能导致的后果

转子不平衡可能会导致下列不良后果：

(1)造成转子的反复弯曲和内应力交变，从而引起转子疲劳，甚至引起转子断裂；

(2)使机器在运转过程中产生过度振动和噪声，从而会加速轴承等零件的磨损，降低机器的寿命和效率；

(3)转子的振动会通过轴承、机座等传递到基础和建筑物上，从而导致工作环境恶化。443．不平衡故障的振动特性不平衡故障的振动特性项目性质振动方向以径向为主振动频率以旋转频率为主要频率成分相位与旋转标记经常保持一定角度（同步）振幅随着转速的升高，振幅增长得很快；转速降低时，振幅可趋近于零（共振范围除外）45

具有不平衡质量的转子的振动信号，其频谱的典型曲线如图4.4-3所示，且一般具有如下特征：(1)振动信号的原始时间波形为正弦波；(2)振动信号的频谱图中，其基频成分占的比例很大，而其他倍频成分等所占的比例相对很小。(3)在升降速的过程中，当(即转速小于临界转速时)，振幅随的增加而上升，两轴承的受力方向基本相同，而在之后，振幅随的增大反而会减小，并逐渐趋于一个较小的定值。46不平衡转子的振动信号频谱图

4748二、轴系不对中1．轴系不对中的三种形式轴系不对中包括联轴器不对中和轴承不对中两种情况，联轴器不对中通常又具有下列三种形式，(1)位置不对中，此时转子轴心线径向平行位移。(2)角度不对中，此时两转子轴心线相互交叉，或称偏角位移。(3)位置角度综合不对中，此时两转子轴心线相互交错位移。49轴系不对中的三种形式(a)位置不对中(b)角度不对中(c)位置角度不对中502．轴系不对中的主要特征

轴系不对中的典型径向振动信号时间波形及频谱示于图4.4-6。并且主要具有如下特征：(1)振动信号的原始时间波形为畸变的正弦波。(2)径向振动信号的频谱图中，以一倍频和二倍频分量为主，轴系不对中越严重，其二倍频分量所占的比例就越大，多数情况超过一倍频分量。(3)轴向振动的频谱成分中，以一倍频幅值较大。(4)联轴器两侧的轴向振动基本上是180°反相的。(5)典型的轴心轨迹为香蕉形，正进动。(6)振动对负荷的变化比较敏感，一般振动幅值随负荷的增加而升高。51

轴系不对中的振动信号时间波形及频谱图5253三、机械松动

松动现象是由螺栓紧固不牢引起的，或由于基础松动、过大的轴承间隙等引起的。松动会使转子发生严重振动。其通常的特征是在旋转频率的一系列谐频上出现较大的振幅。5455四、自激振动

自激振动的产生不是由于机械受到外来周期性持续激振力，而是由于机械内部运动本身所产生的交变力。一旦振动停止，交变力自然消失；在自激振动情况下，振动无特殊方向性，振动频率是机械的固有频率，与转速或外来激励的频率无关；相位会发生变化，在某一转速下振动形态也会发生变化。旋转机械常见的自激振动有涡动、振荡(油漠振荡、密封振荡、摩擦振荡等)、韵振、参数失稳等。5657五、油膜涡动与油膜振荡油膜轴承按其工作原理可分为静压轴承与动压轴承两类。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。动压轴承油膜压力是靠轴本身旋转产生的，58油膜涡动与油膜振荡是滑动轴承中由于油膜动力学特性而引起的一种自激振动，它主要发生在偏心率很小的高速轻载滑动轴承中。59根据上面分析可知，所谓涡动是指转子的轴颈在作自旋转运动的同时，还环绕轴颈某一平衡轴心作公转运动。通常，如果主要是由于油膜合力的激励作用而引起的涡动，则涡动方向与转子旋转方向一致，因此有时也称为“正进动”。关于涡动的频率：油膜涡动速度（频率）等于转子旋转速度（频率）的一半，故油膜涡动往往也称为“半速涡动”。60实际上，涡动频率一般总是小于旋转频率之半，根据有关资料介绍，油膜涡动的实际频率与旋转频率的关系大约是：油膜涡动一经产生后就不会消失，并且随着工作转速的升高，其涡动频率也会不断增加，频谱图中半频成分的振幅也不断加大。此时的轴心轨迹和频谱图分别示于图4.4-10和图4.4-11。61油膜涡动时的轴心轨迹油膜涡动时的频谱图62随着转子转速的继续升高，当转子转速达到第一阶临界转速的2倍时，其涡动频率将与转子的一阶临界转速“汇合”而产生共振，此时振幅会突然猛增，出现强烈振动；并且，轴心轨迹也会突然发生变化，成为扩散的杂乱无章的曲线，如图4.4-12所示。振动信号的频谱图中的半频成分幅值达到甚至超过基频成分的幅值，如图4.4-13所示。若再进一步升高转子转速，涡动频率保持不变，且始终等于转子的固有频率(即一阶临界转速)。这种现象就称为油膜振荡。由于油膜振荡是油膜涡动与转子共振两者共同作用、相互促进的结果，因而有时也称为共振振荡。63图4.4-12油膜振荡时的轴心轨迹图4.4-13油膜振荡时的频谱图64转子发生油膜振荡时一般具有以下特征：(1)时间波形发生畸变，表现为不规则的周期信号，通常是在工频的波形上面叠加了比例很大的低频信号。(2)频谱图中转子固有频率ω0处的频率分量的幅值最为突出。(3)油膜振荡是发生在工作转速大于二倍一阶临界转速时，之后，即使工作转速继续升高，其振荡频率基本不变。(4)油膜振荡的发生和消失具有突然性，并带有惯性效应，也就是说，升速时产生油膜振荡的转速高于降速时振荡消失的转速。

65(5)油膜振荡时，转子的涡动方向与转子转动的方向相同，为正进动。(6)油膜振荡剧烈时，随着油膜的破坏，振荡停止，油膜恢复后，振荡又再次发生。如此持续下去，轴颈与轴承会不断碰摩，产生撞击声，轴瓦内油膜压力有较大波动。(7)油膜振荡时，其轴心轨迹呈不规则的发散曲线，若发生碰摩，则轴心轨迹呈花瓣形状。(8)轴承载荷越小或偏心率越小，越容易发生油膜振荡。66六、转子裂纹1．转子裂纹三种形态(1)闭裂纹。转子旋转时，裂纹始终呈闭合状态。(2)开裂纹。当转子旋转时，裂纹始终呈张开状态。(3)开闭裂纹。随转子的旋转运动，裂纹呈开、闭交替状态，并且一般转子每转一周，裂纹就会相应张开、闭合各一次。67目前比较有效的方法是测量分析开停车过程中的振幅变化速度。当转子上存在开裂纹时，转子的刚度会变得各向不同性。于是，使转子的振动具有非线性性质，频谱中除一倍频分量外，还有二倍、三倍、五倍等高倍频分量。随着裂纹的扩展，转子的刚度会进一步降低，一倍频分量以及二倍、三倍、五倍等各阶倍频分量的幅值也会随之增大。682．转子裂纹的监测与诊断分为三个方面

(1)开停车时振幅随转速变化的规律(2)裂纹深度对振幅的影响(3)裂纹的扩展速度图裂纹转子超谐波共振频谱图693．转子出现裂纹后的一般特征(1)各阶临界转速较正常时要小，尤其是当裂纹趋于严重时。(2)由于裂纹造成的转子刚度变化且不对称，使转子形成多个共振转速。(3)裂纹转子的振动响应，其一倍频分量的分散度较无裂纹时要大。(4)恒定转速下，一倍、二倍、三倍频等各阶分量的幅值及其相位不稳定，且尤以二倍频分量为突出。(5)由于裂纹转子的刚度不对称性，使对转子进行动平衡发生困难。70七、转子碰摩

转速波动不稳定振动、非线形冲击影响热变形714.4.2振动信号的测试与分析721．振动监测的基本参数(1)动态参数：①振幅：振幅表示旋转机械故障严重程度(烈度)的一个重要指标。通过对振幅的监测，可以判断机器是否平稳运转。振幅一般以峰一峰位移值表示。②频率：旋转机械的振动频率一般用转速的倍(分)数表示：1倍(1x)转速频率：振动频率与机器转速相同。2倍(2x)转速频率：振动频率为机器转速的二倍。1/2倍(1/2x)转速频率：振动频率为机器转速的1/2。73③相角：相角测量是描述转子在某一瞬间所在位置的一种方法。精确的相角测量在转子平衡中及分折机器故障是非常重要的。④振动形式：振动形式分时基形式和轴心轨迹两种。时基形式是振动信号经变换器输入到示波器，并以时基模式显示在荧光屏上。⑤振型：振型是转轴在一定转速下沿径向的一种变形。通过振型监测可以估算转子与固定部件之间的内部间隙。74（2）静态参数①偏心位置：转轴空载时，将在设计位置浮动，当加有一定负荷，就会出现偏心。偏心位置是轴承磨损、重负荷状态（如不对中)的一种指示。②轴向位置(轴位移)：轴向位置是止推环对止推轴承的相对位置测量值。通过轴向位置监测可以避免转子与定子之间产生轴向摩擦。③挠度：是转轴在静态时弯曲的度量。752．振动信号的测试在转子监测和诊断工作中，一般要求测试转子径向振动和轴向振动。轴向振动根据实际需要有时安装一个探头（电涡流位移传感器），有时安装三个探头，以便能得到某一横截面上振动的全部信息。对于径向振动，为了计算方便，两径向探头的方向应相互垂直。763．振动信号分析振动信号分析是识别故障性质，寻找故障源的关键手段。为了能比较全面地了解转子振动状态的变化，一般应从以下几个方面分析和观察转子振动信号：77(1)研究和获得转子正常运行状态下的振动参数。(2)对当前转子振动信号进行频谱分析、相位分析、轴心轨迹和时域波形的观察、统计分析等。(3)对每个探头的振动状况进行联合分析。(4)进行趋势分析。(5)对于一些特殊情况，为了进一步说明问题和得到更多的有用信息，还须作进一步试验。784.4.3其它故障信息来源除了从振动信号中获得转子的故障信息外，还可以从噪声信号，声发射信号、红外分析、油液分析等辅助信号中获得转子的故障信息；从众多信号的综合分析中，就可以对转子故障作出准确判断。794.4.4振动监测中虚假信号的判别1．转子制造不良可能造成假信号2．探头松动造成的假信号

804.4.5旋转机械故障诊断方法幅值谱诊断法幅值谱诊断法就是利用振动信号的幅值与频率的对应关系，来对转子的故障进行诊断。得到幅值谱以后，下一步工作就是如何进行分析。①首先，我们要大致看一下频谱中都有哪些频率分量，每个分量的大小各是多少。②那些幅值较小，但增长很快的分量常常预示着故障的症兆，应引起重视。③特别需要注意的是，哪些在原来谱图上不存在的或比较微弱的频率分量的突然出现，可能会在比较短的时间内破坏机器的正常工作，更应引起我们的重视。81为了发现和诊断故障，还要对幅值谱在一段时间以来的变化情况进行分析比较。分析比较可以从以下几个方面进行：(1)某个谱峰的变化情况是单调增大、单调减小，还是波动而无固定趋势；(2)哪些波峰是同步变化，哪些波峰不发生变化；(3)谱图上是否有新的频率分量出现；(4)转子同一部位各测点(如轴承座水平、垂直方向)振动方向，或相近部位各测点振动之间幅值谱上的相互关系及变化快慢。82§4-5齿轮故障诊断4.5.1概述齿轮及其运行状态的正常与否直接关系到整台机器甚至整套机组的工作状况。据有关资料统计，齿轮故障占旋转机械故障的10.3％。在机器运行过程中，由于正常磨损与疲劳、设计不当、制造或装配精度差、维护保养不善以及操作失误等原因，均有可能导致齿轮故障的产生。83故障原因故障比例（％）齿轮缺陷设计1240装配9制造8材料7修理4运行缺陷维护2443操作19相邻部件（连轴器、电动机等）缺陷17表4.5-1齿轮传动故障原因及所占比重84故障零部件故障比例（％）齿轮60轴承19轴10箱体7紧固件3油封1齿轮箱中各类零件损坏的百分比85针对齿轮的故障诊断方法大体上可分为两大类：(1)通过齿轮运转过程中所产生的振动、噪声等动态信号，运用信号处理方法来完成故障分析、诊断。(2)根据摩擦磨损理论，通过润滑油液分析来达到故障诊断的目的。如果把齿轮故障诊断与滚动轴承故障诊断作一对比即可发现，开展齿轮故障诊断的困难在于其振动信号在传递中所经环节比较多，包括齿轮、轴、轴承、轴承座等，因而高频信号成分(20kHz以上)在传递过程中基本上都损失掉了。

864.5.2齿轮的常见故障从总体上讲，齿轮故障可划分为两大类：一类是由制造和装配等原因造成的，如齿轮误差、齿轮与内孔不同心、各部分轴线不对中、不平衡等；另一类则是齿轮由于长期运行而形成的，通常轮齿的表面承受的载荷很大，两啮合轮齿之间既有相对滚动，又有相对滑动，而且相对滑动的摩擦力在齿轮节点两侧的方向相反，从而出现了力的脉动，于是，在长期运行中将导致齿轮表面发生点蚀、疲劳剥落、磨损、塑性流动、胶合以及齿根裂纹，甚至断齿等故障。8788啮合振动

在齿轮传动过程中，每个轮齿周期地进入和退出啮合。对于直齿圆柱齿轮，其啮合区分为单齿啮合区和双齿啮合区，在单齿啮合区内，全部载荷由一对齿副承担；当一旦进入双齿啮合区，则载荷分别由两对齿副按其啮合刚度的大小分别承担。显然，在单、双齿啮合区的交变位置，每对齿副所承受的载荷将发生突变，这必将激发齿轮的振动；同时，在传动过程中，每个轮齿的啮合点均从齿根向齿顶(主动齿轮)或从齿顶向齿根(从动齿轮)逐渐移动，由于啮合点沿齿高方向不断变化，各啮合点处齿副的啮合刚度也随之改变，相当于变刚度弹簧，这也是齿轮产生振动的一个原因；此外，由于轮齿的受载变形，其基节发生变化，在轮齿进入啮合和退出啮合时，特产生啮入冲击和啮出冲击，这更加剧了齿轮的振动。综上所述，在齿轮啮合过程中，由于单、双齿啮合区的交替变换、轮齿啮合刚度的周期性变化、以及啮入啮出冲击，即使齿轮系统制造得绝对准确，也会产生振动，这种振动称为啮合振动。89齿轮故障类型断齿点蚀划痕磨损其他所占百分比（％）413110108表4.5-3齿轮常见故障的发生比例1．弯曲疲劳与断齿轮齿折断902．齿面接触疲劳与点蚀当齿面剪应力超过了齿轮材料的剪切疲劳极限，或者说齿面上脉动循环变化的接触应力超过齿面的接触疲劳极限时，齿面将会出现疲劳裂纹。随着裂纹的扩展，最终使齿面出现小块金属剥落，在齿面上形成小坑，称为点蚀。当点蚀进一步扩大，连成一片时，就会形成齿面上大块的金属剥落。这就是所谓的接触疲劳剥落。913．齿面磨损4．齿面胶合和划痕齿面点蚀齿面磨损齿面胶合924.5.3齿轮的振动一、齿轮振动分析若以一对齿轮作为研究对象，若忽略齿面上摩擦力的影响，则其力学模型如图所示，其振动方程为93Mr为齿轮副的等效质量，E1为齿轮受载后的平均静弹性变形；E2(t)为齿轮的误差和异常造成的两个齿轮间的相对位移(亦称故障函数)。94

齿轮振源来自两部分；一部分为，它与齿轮的误差和故障无关，称为常规啮合振动，是齿轮在无异常的理想情况下亦存在振动；另一部分为，它取决于齿轮的啮合刚度K(t)和故障函数95K(t)的变化可由两点来说明：一是随着啮合点位置的变化，参加啮合的单一轮齿的刚度发生了变化；二是随参加啮合的齿数在变化。每当一个轮齿开始进入啮合到下一个轮齿进入啮合，齿轮的啮合刚度就变化一次。变化曲线如图4.5-2所示。图4.5-2啮合刚度变化曲线直齿啮合斜齿啮合96若齿轮副主动轮转速为n1，齿数为Z1，从动轮相应为n2，Z2，则齿轮啮合刚度的变化频率(啮合频率)及它们的谐频为97

传动误差是指一对齿轮副或齿轮传动链，在传递恒定的扭矩时，输出轴的实际角位置与理想的、没有误差的变形时输出轴角位置的差值。98

二、齿轮振动信号中的调幅、调频现象1．幅值调制幅值调制是由于齿面载荷波动对振动幅值的影响造成的。若为啮合振动载波信号，为齿轮轴的旋转调制信号，则调幅后的振动信号为99调制后的信号，除原来的啮合频率分量外，增加了一对分量和它们以fg为中心，以fr为间距对称分布于fg两侧，所以称为边频带，见图4.5-3。一般情况下，齿轮的激振函数为其中基本上不随故障变化，而一项恰好反映了由故障而产生的幅值调制。100图4.5-3齿轮边频带频谱的形成101在频谱上形成若干组围绕啮合载波频率及其倍频成分两侧的边频族，两个边频与载频的间距等于调制频率，见图4.5-4。在实际的齿轮信号中，由于系统传递特性及频率调制的影响，频谱中的边频成分不会如此规则和对称，但其总体分布趋势主要还是取决于调幅函数的变化．102图4.5-4齿轮缺陷分布对边频带的影响1032．频率调制

对于齿轮来说任何导致产生幅值调制的因素也同时会导致频率调制，两种调制总是同时存在的。对于质量较小的齿轮副，频率调制现象尤为突出。对于齿轮振动信号而言，频率调制的根源在于齿轮啮合刚度函数由于齿轮加工误差和故障的影响而产生了相位变化，如图所示。104

这种相位变化会由于齿轮运转而具有周期性。在齿轮信号频率调制中，载波函数和调制函数均为一般周期函数，均包含基频及其各阶倍频成分。其结果是在各阶啮合频率两侧形成一系列边频带。边频的间隔为齿轮轴的旋转频率。1053.幅值调制与频率调制的共同点

1)载波频率相等(为啮合频率)；2)边带频率间隔相等(为齿轮轴转频)；3)边带对称分布于载波频率两侧。对于实际的齿轮系统，调幅现象和调频现象总是同时存在的，因此，实际频谱上的边频成分为两种调制单独作用时所产生的边频成分的叠加。106三、齿轮振动中的其它成分

1．附加脉冲齿轮平衡不良、对中不良、零部件机械松动等缺陷都会引起附加脉冲。它们均是旋转频率低次谐波的振源，而不一定与齿轮本身缺陷直接有关。

2．隐含成分隐含成分，也称隐含谱线或鬼线(GhostComponent)，是齿轮振动信号功率谱图上的一个频率成分，其产生的原因是：当齿轮加工机床分度齿轮的误差较大时，由分度蜗轮、蜗杆及齿轮误差直接带给被加工齿轮的周期性缺陷，所以隐含成分一般只见于新齿轮的振动信号功率谱中。1073.轴承信号及交叉调制即使在测量齿轮振动信号时，其测点位置往往也是选择在轴承座上面的，因此所测得的信号当中当然会包含轴承振动的信号成分。1084.5.4齿轮的简易诊断方法

齿轮的简易诊断，主要是通过振动与噪声分析法进行的，包括声音诊断法、振动诊断法以及冲击脉冲法(SPM)等。进行齿轮简易诊断的目的，是迅速判别齿轮是处于正常工作状态还是异常工作状态，对处于异常工作状态的齿轮进行精密诊断分析或采取其它措施。一、振平诊断法振平诊断法是利用齿轮的振动强度来判别齿轮是否处于正常工作状态的诊断方法。根据判定指标和标准不同，又可以分为两种方法，即绝对值判定法和相对值判定法。1091．绝对值判定法利用在齿轮箱同一测点部位测得的振幅值直接作为评价运行状态的指标，采用这种判定标准进行判定称为绝对值判定法。用绝对值判定法进行齿轮状态识别，必须制定相应的绝对值判定标准，以使不同的振动强度对应不同的工作的工作状态。制定齿轮绝对值判定标准的依据为：1)对异常振动现象的理论研究;2)根据实验对振动现象所做的分析;3)对测得数据的统计评价;4)参考国内外的有关文献和标准。110图4.5-6按振动位移诊断的判定标准例子111图4.5-7按振动速度诊断齿轮异常的判定标准例子1122．相对值判定法在实际中，对于尚未制定出绝对值判定标准的齿轮，可以充分使用现场测量的统计资料，制定适当的相对判定标准，采用这种标准进行判定称为相对值判定法。相对判定标准要求，将在齿轮箱同一部位测点在不同时刻测得的振幅与正常状态下的振幅相比较，当测量值和正常值相比达到一定程度时，判定为某一状态。113二、判定参数法判定参数法是利用齿轮振动的速度信号或加速度信号来计算出某一特征量，根据其大小来判定齿轮所处工作状态的方法。衡量设备振平值最直接的方法是计算信号的均方根值，它能反映出设备的振动水平。表4.5-4为一个用无量纲参数诊断齿轮故障的实例，新齿轮经过运行产生了疲劳剥落故障，振动信号有明显的冲击脉冲，除波形参数以外，各参数指标均有明显上升。114齿轮类型裕度指标峭度指标脉冲指标峰值指标波形指标新齿轮4.4132.6593.5362.8671.233坏齿轮7.2464.3356.1224.7971.276表4.5-4齿轮振动信号无量纲参数诊断实例115

三、简易诊断的实施方法

在简易诊断中，利用振动加速度测定的从1～10kHz频率是机械的局部共振频率，除齿轮以外，水泵、轴承、电动机等也会发生同样频率的振动，尤其是使用滚动轴承时易发生误诊。正确区分这些零部件间的差异，是简易诊断的关键。116a)b)c)

图4.5-9用类比判定法作出的诊断图4.5-8齿轮箱示意图G1、G2-齿轮；①、②、③、④-滚动轴承1174.5.5齿轮的精密诊断法

一、齿轮故障的时域特征与频域特征1．正常齿轮的时域特征与频域特征正常齿轮是指没有先天和后天缺陷的齿轮，其振动主要是由于齿轮自身的刚度等引起的。(1)时域特征正常齿轮由于刚度的影响，其波形为周期性的衰减波形。其低频信号具有近似正弦波的啮合波形，如图4.5-10所示。图4.5-10正常齿轮的低频振动波形118（2）频域特征正常齿轮的信号反映在频谱上，有啮合频率及其谐波分量，即且以啮合频率成分为主，其高次谐波依次减小；同时，在低频处有齿轮轴旋转频率及其高次谐波，其频谱如图4.5-11所示。图4.5-11正常齿轮的频谱fg2fg3fg4fgfr1192．均匀磨损齿轮的时域特征与频域特征均匀磨损齿轮是指由于齿轮的材料、润滑等方面的缺陷或者长期在高载荷下工作所造成的发生在大部分齿面上的磨损。(1)时域特征齿轮发生均匀磨损时，导致齿侧间隙增大，其正弦波式的啮合波形就遭到破坏，图4.5-12和图4.5-13是齿轮发生磨损后引起的高频及低频振动。图4.5-12磨损齿轮的高频振动120图4.5-13磨损齿轮的低频振动(2)频域特征均匀磨损时，啮合频率及其谐波分量保持不变，但其幅值大小改变，而且高次谐波幅值相对增大较多。分析时，至少要分析三个以上谐波的幅值变化，才能从谱上检测出这种磨损。图4.5-14所示反映了磨损后齿轮的啮合频率及其谐波值的变化趋势。121图4.5-14均匀磨损时的频谱122另外，随着磨损的加剧，还有可能产生的分数谐波，有时在升降速时还会出现如图4.5-15所示的呈现非线性振动特点的跳跃现象。图4.5-15振幅跳跃现象1233．齿轮不同轴的时域特征与频域特征齿轮不同轴故障指由于齿轮和轴装配不当造成的齿轮和轴不同轴。不同轴齿轮会使齿轮产生局部接触，从而承受较大的负荷。(1)时域特征当齿轮出现不同轴或不对中时，其振动的时域信号具有明显的调幅现象。图4.5-16是其低频振动信号。图4.5-16不同轴齿轮波形124(2)频域特征具有不同轴的齿轮，由于其振幅调制作用，会在频谱上产生以各阶啮合频率为中心，以故障齿轮的旋转频率为间隔的一阶边频，即，同时，故障齿轮的旋转特征频率在谱上有一定反映。图4.5-17为典型的具有不同轴故障的特征频谱。图4.5-17不同轴齿轮的频谱1254．齿轮偏心时的时域特征与频域特征齿轮偏心是指齿轮的中心与旋转轴的中心不重合。这种故障往往是由于加工造成的。(1)时域特征当齿轮有偏心时，其振动波形由于偏心的影响被调制，产生调幅振动，图4.5-18为齿轮有偏心时的振动波形。图4.5-18偏心齿轮的振动时域波形126(2)频域特征齿轮有偏心时，将在两个方面有所反映，一是由于齿轮的几何偏心所引起的，以齿轮的旋转频率为特征的附加脉冲幅值增大；二是齿轮偏心会引起以齿轮一转为周期的载荷波动，从而导致调幅现象，这时的调制频率为齿轮的回转频率，只是它比所调制的啮合频率要小得多。图4.5-19为具有偏心的齿轮的典型频谱特征。127图4.5-19齿轮偏心的频谱1285．局部异常齿轮的时域特征与频域特征齿轮的局部异常含义很广，包括齿根部有较大裂纹、局部齿面磨损、轮齿折断、局部齿形误差等，图4.5-20表示了各种异常的情况。(1)时域特征局部异常齿轮的振动波形是典型的以齿轮旋转频率为频率的冲击脉冲，如图4.5-21所示。129图4.5-20齿轮的局部异常1-齿根部有裂纹2-局部齿面磨损

3-局部齿形误差4-缺陷造成齿折断130图4.5-21局部异常齿轮的振动波形Tr131(2)频域特征具有局部异常的齿轮，由于裂纹、折断或齿形误差的影响，将以旋转频率为主要频域特征，即，如图4.5-22所示。图4.5-22局部异常的齿轮频谱1326．具有齿距误差齿轮的时域特征与频域特征齿距误差是指一个齿轮的各个齿距有误差。齿距误差是由齿形误差造成的。(1)时域特征具有齿距误差的齿轮，其振动波形理论上应具有调频特性，但由于齿距误差在整个齿轮上以谐波形式呈现，故在低频下观察时也具有明显的调幅特征，如图4.5-23所示。图4.5-23有齿距误差齿轮的振动波形133(2)频域特征有齿距误差的齿轮，由于齿距的误差影响到齿轮旋转角度的变化，反映在频率域，就包含了旋转频率的各次谐波、各阶啮合频率，以及以故障齿轮的旋转频率为间隔的边频带等，图4.5-24是具有齿距误差的齿轮的频谱特征。图4.5-24有齿距误差齿轮的频谱1347．不平衡齿轮的时域特征与频域特征齿轮的不平衡是指齿轮体的质量中心和回转中心不一致，从而造成齿轮副的不稳定运行。(1)时域特征具有不平衡质量的齿轮，在不平衡力的激励下，产生以调幅为主、调频为辅的振动，其振动波形如图4.5-25所示。图4.5-25不平衡齿轮的振动波形135(2)频域特征由于转轴上的联轴器或齿轮自身的不平衡产生的振动，将在啮合频率及其谐波两侧产生的边频族；同时，受不平衡力的激励，齿轮轴的旋转频率及其谐波的能量也有相应的增加，如图4.5-26图4.5-26不平衡齿轮的频谱136测点①②③④VAVAVAVA振动值5.57.815.413.69.58.312.314.8

例：某厂一台设备减速器，大修后运行振动值很大，对其进行了振动诊断。减速器结构见图4.5-33。电动机为可调速电动机，工作转速500r／min，功率970kW，小齿轮齿数50，大齿轮齿数148。当电动机转速调至150r/min时，减速器振动值Vrms见下表。电动机转速为150r/min时，对测点②垂直方向(V)作频率分析，低速轴转速为51r/min，转频为0.85Hz，谱图见图4.5-34。137

图4.5-33轧机传动系统

1-电动机；2-减速机①～④-测点图4.5-34测点②振动频谱138从频谱图上看，啮合频率(fg＝0.85×148＝125.8Hz)点谱线并不突出，却在213Hz频率点出现峰值。进一步对213Hz附近的频段作细化谱分析，谱图如图4.5-35所示。发现213Hz点两旁的边频间隔为0.85Hz，恰好是低速轴转频。图4.5-35测点②振动细化谱139在该转速下，又对测点①和测点②垂直方向的振动信号做时域波形分析，其波形图分别见图4.5-36(a)、(b)。图4.5-36时域波形分析(a)测点①时域波形；(b)测点②时域波形140为了进一步查明原因，把电动机转速调至500r/min，对测点②垂直方向做频谱分析，其频谱图见图4.5-37，其213Hz频率峰值依然存在，它不随转速而变化。此时，该频率的边频谱线的间隔为2.8Hz，等于低速轴转频。由此可以判断213Hz是齿轮的固有频率。图4.5-37电机500r／min时②点频谱141§4.6轴承的故障诊断对滚动轴承进行故障诊断与工况监测可以采用：振动诊断、油样分析技术、光导纤维探测以及接触电阻法等。滚动轴承的结构：内圈、外圈、滚动体和保持架1424.6.1滚动轴承常见的异常现象由于使用条件和工作环境的不同，滚动轴承会发生磨损、压痕、点蚀、裂纹、表面剥落、破损、胶合、烧损、电蚀、锈蚀以及变色等多种异常现象，造成上述异常现象产生的主要原因有：(1)落入异物造成的损伤这是滚动轴承最常见的损伤形式。当砂粒和氧化皮等异物落入轴承内部时，会造成磨损和压痕。所谓压痕，就是异物在旋转体和滚道之间被碾轧，使接触部分因发生塑性变形而出现的凹痕。143(2)润滑不良造成的损伤当润滑剂不足或润滑剂和润滑方法与使用条件不相适应时，滚动轴承会在很短的时间内损伤。(3)内外环倾斜造成的损伤(4)保持架受载引起的损伤(5)异常推力载荷引起的损伤(6)装配不良造成的损伤(7)微小振动的影响(8)电蚀1444.6.2滚动轴承故障的振动诊断根据所监测频带的不同，可将滚动轴承故障的振动诊断划分为低频诊断和高频诊断，其中低频诊断主要是针对轴承中各元件缺陷的旋转特征频率进行的；而高频诊断则着眼于滚动轴承因存在缺陷时所激发的各元件的固有频率振动。1、低频段的旋转特征频率假定：①滚道与滚动体之间为纯滚动接触；②轴承中各元件均无受力变形；③每个滚动体直径相同，且均匀分布在内外滚道之间。145146147148由无受力变形的假定条件可得

为计算各元件的故障特征频率，首先得计算出滚动体的公转角速度和自转角速度。为此，令ωr为外滚道(内环)的旋转角速度，ωa为内滚道的旋转角速度，ωc为滚动体质心的公转角速度，ωs为滚动体的自转角速度。则由内滚道与滚动体在A点无滑动接触的假定条件可得149由外滚道与滚动体在B点无滑动接触的假定条件可得150联立以上两式，可解得151将两式代入，则上两式可写为152①滚动体缺陷的旋转特征频率当滚动体上有且只有一个缺陷并刚好处于图4.6-1(b)中所示的X-X截面上时，由于此缺陷的存在，滚动体每自转一周，将对内外滚道各冲击一次，且随着缺陷的加重，冲击程度也越明显。由于此冲击频率与滚动体的一个缺陷相对应，因而称之为滚动体缺陷的特征频率，用fb表示，其值为153当轴承的外环静止不动，即fa＝0时，有为习惯起可在式右边加上绝对值符号，因而又有154当内环静止而外环运动，即fr＝0时，有当轴承的外环静止不动，即fa＝0时，有155p128156②内滚道(外环)缺陷的旋转特征频率当内滚道上有一个缺陷时，由于此缺陷的存在，在内滚道相对滚动体质心旋转一周的过程中，将与每个滚动体各发生一次冲击碰撞，因而内滚道缺陷的旋转特征频率(用fi表示)为157当外环静止，即fa=0时，有当内环静止，即fr＝0时，有158③外滚道(内环)缺陷的旋转特征频率当外滚道上有一个缺陷时，由于此缺陷的存在，在外滚道相对滚动体质心旋转一周的过程中将与每个滚动体各发生一次冲击碰撞，因而外滚道缺陷的旋转特征频率(用fo表示)为159当内环静止，即fr＝0时，有

当外环静止，即fa＝0时，160

这些特征频率分别为滚动体缺陷、内滚道缺陷和外滚道缺陷的基频。实际应用中，根据故障严重程度，在频谱图中还可能出现各自的二次、三次或高次谐频。有时，上述频率还会受到轴的旋转频率或滚动体公转频率的调制。161

(2)高频段的固有振动频率滚动轴承中的各元件因受到冲击而作自由振动时是以各