机械故障诊断学第9章

1第9章旋转机械的状态(zhuàngtài)监视与故障诊断机械故障诊断学概述(ɡàishù)

机械振动及其种类

转子系统振动故障诊断

齿轮箱故障诊断

滚动轴承的振动信号分析

状态监视系统示例精品资料2概述(ɡàishù)精品资料3机械振动及其种类(zhǒnglèi)机械振动是自然界、工程技术和日常生活中普遍存在的物理现象。各种机械在运动时，由于诸如旋转件的不平衡、负载的不均匀、结构(jiégòu)刚度的各向异性、间隙、润滑不良、支撑松动等因素，总是伴随着各式各样的振动。精品资料4振动测试的基本参数：幅值、频率和相位幅值幅值是振动强度大小的标志，它可以用不同的方法表示，如单峰值、有效值、平均值等；频率为周期的倒数。通过频谱分析可以确定主要频率成分及其幅值大小，从而可以寻找振源，采取措施；相位振动信号的相位信息十分重要，利用相位关系确定共振(gòngzhèn)点、振型测量、旋转件动平衡、有源振动控制、降噪等。精品资料5机械振动稳态振动能够用数学式明确表示的函数随机振动需用数理统计方法来描述周期振动振动以周期T重复出现非周期振动振动无固定的周期平稳随机振动振动统计特性对时间为常数非平稳随机振动振动统计特性随时间而变化精品资料6简谐振动(zhèndòng)位移(wèiyí)速度加速度精品资料7周期(zhōuqī)振动周期(zhōuqī)振动的定义：周期函数可以展开为傅里叶级数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。

精品资料8转子的临界(línjiè)转速旋转机械在启停升降速过程中，往往在某个(或某几个)转速下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。其振动原因往往是由于转子系统处于(chǔyú)临界转速附近产生共振。精品资料9在无阻尼(zǔní)的情况下，转子的临界转速等于其横向固有频率在有阻尼(zǔní)的情况下，转子的临界转速略高于其横向固有频率。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。精品资料刚性(ɡānɡxìnɡ)转子准刚性(ɡānɡxìnɡ)转子挠性转子第一(dìyī)阶临界转速精品资料11转子系统(xìtǒng)振动故障诊断旋转(xuánzhuǎn)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：轴承振动评定利用接触式传感器(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；精品资料12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。评定参数可用振动位移(wèiyí)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。精品资料13以轴承振动(zhèndòng)位移峰峰值作评定标准转速/rpm

标准/mm优良合格15003050703000203050水电部汽轮机组振动(zhèndòng)标准(双振峰)精品资料14机械部离心(líxīn)鼓风机和压缩机振动标准标准转速/mm≤3000≤6500≤10000>10000-16000主轴轴承50≤40≤30≤20齿轮轴承

≤40≤40≤30精品资料15IEC汽轮机振动(zhèndòng)标准标准转速/mm≤1000150030003600≥6000轴承上7550252112轴上(靠近轴承)150100504420精品资料16精品资料17精品资料18在制定上述振动标准时，假设：机组振动为单一频率的正弦波振动；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；轴承座在垂直、水平(shuǐpíng)方向上的刚度基本上相等，即认为是各向同性的。精品资料19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(pínlǜ)的振动合成的；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。精品资料20以轴承振动烈度作为(zuòwéi)评定标准振动(zhèndòng)烈度精品资料21ISO3945振动标准：适用于大于300kW，转速为600～12000r/min的大型(dàxíng)原动机和其它具有旋转质量的大型(dàxíng)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、涡轮泵和风扇等精品资料22精品资料23精品资料24草案(cǎoàn)精品资料25以轴振动的位移峰峰值作为评定(píngdìng)标准美国石油(shíyóu)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API617，其振动许可值为：式中A振动许可值（双振幅），单位：m;n机器转速，单位为r/min。精品资料26趋势(qūshì)监测精品资料27分频段(pínduàn)监测精品资料28精品资料29监测(jiāncè)参数及分析方法监测(jiāncè)参数动态参数振幅表示振动的严重程度，可用位移、速度或加速度表示振动烈度描述机器振动状态的一种特征量

相位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精品资料30静态参数轴心位置在稳定情况下，轴承中心相对(xiāngduì)于转轴轴颈中心的位置轴向位置是机器转子上止推环相对(xiāngduì)于止推轴承的位置差胀旋转机械中转子与定子之间轴向间隙的变化值精品资料31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温度轴瓦(zhóuwǎ)温度反映轴承运行情况；止推瓦反映轴承和静止部件的轴向间隙润滑油压反映滑动轴承油膜的建立情况精品资料32涡流(wōliú)传感器的安装精品资料33精品资料34精品资料35精品资料36精品资料37相对(xiāngduì)轴位移精品资料38相对(xiāngduì)轴膨胀精品资料39输入保护滤波正峰值保持负峰值保持峰峰叠加比较电路报警门限精密稳压源振动信号振动信号(xìnhào)峰峰值超限报警原理精品资料40间接测量——电机(diànjī)电流精品资料411-20均为齿轮，其中(qízhōng)5，6，17，18为涡轮涡杆，20为扇形齿轮，H为周转轮系系杆精品资料42精品资料43常用图形(túxíng)分析方法波特图振幅与频率，相位与频率的关系曲线010203040506070809001020304050振幅/mm频率/Hz01020304050607080903033027021015090相位角/度频率/Hz精品资料44从波特图中可以得到：转子系统在各个转速(zhuànsù)下的振幅和相位、转子系统在运行范围内的临界转速(zhuànsù)值、转子系统阻尼大小和共振放大系数、综合转子系统上几个测点可以确定转子系统的各阶振型。精品资料45极坐标图转轴随转速(zhuànsù)变化时的工频振动矢量图精品资料46轴心(zhóuxīn)位置图精品资料47轴心位置图是指转轴在没有径向振动情况下轴心相对于轴承中心的稳态位置。通过轴心位置图可判断轴颈是否处于正常位置、对中好坏、轴承标高是否正常、轴瓦(zhóuwǎ)有否变形等情况，从长时间轴心位置的趋势可观察出轴承的摩损等。精品资料48轴心(zhóuxīn)轨迹图李莎育图形(túxíng)-1.2-0.8-0.40.00.40.81.2-1.0-0.50.00.51.0-1.5-1.0-0.50.00.51.01.5-1.5-1.0-0.50.00.51.01.5精品资料49精品资料50油楔轨迹转向1X1X正常转向轨迹预载1X1X不正常精品资料51频谱图和瀑布(pùbù)图精品资料52精品资料53精品资料54利用瀑布图可以判断机器的临界(línjiè)转速、振动原因和阻尼大小精品资料55趋势(qūshì)分析趋势分析是把所测得的特征数据值和预报值按一定的时间顺序排列起来进行分析。这些特征数据可以是通频振动、1X振幅(zhènfú)、2X振幅(zhènfú)、0.5X振幅(zhènfú)、轴心位置等，时间顺序可以按前后各次采样、按小时、按天等，趋势分析在故障诊断中起着重要的作用。精品资料56精品资料57振动可接受(jiēshòu)区域xxxxxxxxx1x或2x幅值或相位矢量域旋转方向2709018001x或2x幅值或相位矢量域精品资料58转子系统主要(zhǔyào)故障及其诊断不平衡旋转(xuánzhuǎn)机械最常见的故障由于设计、制造、安装中转子材质不均匀、结构不对称、加工和装配误差等原因和由于机器运行时结垢、热弯曲、零部件脱落、电磁干扰力等原因而产生质量偏心。转子旋转时，质量不平衡将激起转子的振动。精品资料59特征(tèzhēng)振动频率和转速(zhuànsù)频率一致，转速(zhuànsù)频率的高次谐波幅值很低，时域波形接近正弦波；刚性转子不平衡产生的离心力与转速(zhuànsù)的平方成正比，而在轴承座测得的振动随转速(zhuànsù)增加而加大，但不一定与转速(zhuànsù)的平方成正比，这是由于轴承与转子之间的非线性所致；在临界转速(zhuànsù)附近，振幅出现峰值，且相位在临界转速(zhuànsù)前后相差近180°。精品资料60分类固有不平衡转子弯曲(wānqū)：初始弯曲(wānqū)、热弯曲(wānqū)转子部件脱落联轴节精度不良精品资料61DDDDDDDDb)a)联轴节精度不良引起的初始弯曲(wānqū)a)端面偏摆b)径向偏摆DDDDDDDD精品资料62转子(zhuànzǐ)不对中旋转机械一般是由多根转子所组成(zǔchénɡ)的多转子系统，转子间一般采用刚性或半挠性联节联接。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。精品资料63DDDDDDDDDDDD平行(píngxíng)不对中角度(jiǎodù)不对中组合不对中精品资料64特征(tèzhēng)改变轴承的支承负荷，使轴承的油膜压力(yālì)也随之改变，负荷减小的轴承可能会产生油膜失稳；最大振动往往在不对中联轴器两侧的轴承上，且振动值与转子的负荷有关，随负荷的增大而增高；平行不对中主要引起径向振动，振动频率为两倍旋转频率，同时也存在高倍频振动。精品资料65滑动轴承(huádònɡzhóuchénɡ)的半速涡动和油膜振荡轴在轴颈中作偏心(piānxīn)旋转时，形成一个进口断面大于出口断面的油楔，如果出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。精品资料66涡动频率(pínlǜ)约为精品资料67频率振幅振幅转速

wc1wc12a)频率振幅振幅转速

b)

wc12wc1频率振幅振幅转速

c)

wc1wc12不同载荷下的油膜振荡特点轻载(qīnɡzǎi)转子中载转子重载转子精品资料68消除油膜振荡的措施有：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；选择(xuǎnzé)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；精品资料69增加外阻尼；增加轴承(zhóuchéng)比压，改变进油温度或粘度。如切短轴承(zhóuchéng)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是通过将轴瓦长度从430mm缩减到320mm以及将原30号油改用20号油来解决的;减小轴承(zhóuchéng)间隙；改变进油压力。精品资料70动静(dòngjing)摩擦由于转子弯曲、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固定件接触碰撞(pènɡzhuànɡ)而引起的异常振动。摩擦分全圆径环形摩擦和局部摩擦两种。精品资料71特征(tèzhēng)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，并伴随有异常噪声，可根据振动频谱和声谱进行判别；振动随时间而变。在转速、负荷工况一定，由于(yóuyú)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；精品资料72接触摩擦开始瞬间会引起严重相位跳动(大于10°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(fùjiā)的环。摩擦时，轴心轨迹总是反向进动，即与转轴旋转方向相反，由于摩擦还可能出现自激振动，自激的涡动频率为转子一阶固有频率，但涡动方向与转子旋转方向相反。精品资料73

齿轮箱故障诊断齿轮(chǐlún)常见故障及机理齿断裂(duànliè)疲劳断裂(duànliè)或过负荷断裂(duànliè)。最常见的是疲劳断裂(duànliè)，通常先从受力侧齿根产生龟裂、逐渐向齿端发展而致折断。过负荷断裂(duànliè)是由于机械系统速度的急剧变化、轴系共振、轴承破损、轴弯曲等原因，使齿轮产生不正常的一端接触，载荷集中到齿面一端而引起的。精品资料74齿磨损由于金属(jīnshǔ)微粒、污物、尘埃和沙粒等进入齿轮而导致材料磨损、齿面局部熔焊随之又撕裂的现象。齿面疲劳由于齿面接触应力超过材料允许的疲劳极限。表面层先是产生细微裂纹，然后是小块剥落，直至(zhízhì)严重时整个齿断裂。

齿面塑性变形如压碎、趋皱

精品资料75失效原因失效比重（%）齿轮箱缺陷设计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（联轴器、电动机等）缺陷17齿轮箱失效原因(yuányīn)及失效比重精品资料76失效零件失效比重（%）齿轮60轴承19轴10箱体7紧固件3油封1齿轮箱的失效零件(línɡjiàn)及失效比重精品资料77在生产条件下很难直接检测某一个齿轮的故障信号，一般是在轴承、箱体有关部位测量。当齿轮旋转时，无论齿轮发生了异常与否，齿的啮合都会发生冲击啮合振动，其振动波形(bōxínɡ)表现出振幅受到调制的特点，甚至既调幅又调频。精品资料78齿轮故障在频域中的表现如下：当齿轮均匀磨损时，啮合频率及其谐波分量保持不变，但幅值大小改变，高次谐波幅值增大较多；调幅现象：由于齿面载荷波动(bōdòng)对幅值的影响造成的，调幅的一个原因是齿轮偏心，此时的调制频率为齿轮的回转频率。当在齿轮上有一个齿存在局部缺陷时，相当于齿轮的振动受到一个短脉冲的调制，脉冲的长度等于齿的啮合周期；精品资料79t0y载波t0x调制信号t0xm调幅波xm(t)=x(t)y(t)=x(t)cos2f0t精品资料80精品资料81调频现象(xiànxiàng)：齿面压力波动、齿轮偏心、齿轮转速不均匀，不仅产生调幅现象(xiànxiàng)，也会引起频率调制，其结果是在谱上得到一个调幅与调频综合形成的边频带。若x(t)=Acos2fst，则：f=f0+f=f0+Kx(t)精品资料82t0y载波t0x调制信号t0xm调频波精品资料83……f0f0-f0fsfs调频(diàopín)波的频谱精品资料84附加脉冲：附加脉冲是回转频率的低次谐波。平衡不良、对中不良和机械松动等，均是回转频率的低次谐波振源，但不一定与齿轮缺陷直接有关。附加脉冲的影响一般在啮合频率以下；隐含谱线：产生的原因为加工(jiāgōng)误差使齿轮存在周期性缺陷精品资料85失衡失衡导致轴系的质量分布不均匀。当轴转动时，偏心质量使转轴产生横向强迫振动的周期(zhōuqī)激振力，激振力的频率就等于轴的转动频率，并随着转速的升高而增大。当转速等于轴系的固有频率时，轴系发生共振，此时的转速为临界转速。弯曲变形发生弯曲变形时，轴系横向振动的刚度是时间的周期(zhōuqī)函数，周期(zhōuqī)就是轴转动一转所需的时间。因此，由其引起的轴的横向振动不仅有以轴的转动频率为频率的基频振动，而且有二阶及高阶的简谐振动分量齿轮箱中轴的故障(gùzhàng)及机理精品资料86扭转变形安装有齿轮的轴的扭转振动将导致产生轴向振动和横向振动：由动力或负载变化引起的扭转振动导致轴作强迫振动，振幅及频率仅取决于动力或负载的变化，与转速(zhuànsù)无关；若由齿轮的齿面损伤引起扭转振动，不仅产生与轴的转速(zhuànsù)有关的强迫振动，而且产生与系统扭转振动固有频率的自由振动。疲劳断裂转轴上出现横向裂纹时，轴的刚度随着轴的转动而周期性地变化，变化的周期就是轴的转动周期。精品资料87部件失效类型振动频率振幅特征振动方向其它转子失衡fr随fr增大fr=fn有峰值径向受悬臂式载荷时有轴向振动轴弯曲fr,2fr及nfr随fr增大径向最大截面扁平2fr随fr增大径向联轴器对中不良fr,2fr及nfr变化不定轴向较大齿轮联轴节振动特征与齿轮相同，但fr=fn时有峰值配合松fr/n,fr或nfr变化不定径向不良fr变化不定径向齿轮箱不同(bùtónɡ)部件故障的振动特征精品资料88齿轮箱不同部件故障(gùzhàng)的振动特征（续）径向变化不定钢球剥落径向变化不定外圈剥落轴承高频振动10~60KHz不易传给其它部位径向变化不定内圈剥落滚动轴承径向随fr增大断齿数fr断齿磨损严重时出现高阶振动，fr的振动能量明显增大径向随fr增大损伤齿数fr齿面损伤齿轮其它振动方向振幅特征振动频率失效类型部件Z：轴承钢球数；d：钢球直径；D：轴承平均直径；：轴承接触角精品资料89部件失效类型振动频率振幅特征振动方向其它滑动轴承润滑不良fr变化不定径向油膜涡动(0.42~0.48)fr突变径向油膜振荡fn突变径向基础翘曲不平fr,2fr及nfr随fr增大轴向较大

刚性不好fr随fr增大而减小径向齿轮箱不同部件故障(gùzhàng)的振动特征（续）精品资料90齿轮振动(zhèndòng)特征频率的计算转动(zhuàndòng)频率啮合频率定轴转动齿轮：精品资料91有固定(gùdìng)齿圈的行星轮系：-任一参考齿轮的齿数-参考齿轮的转数；-转臂的回转(huízhuǎn)速度，当与参考齿轮转向相反时取正号，否则取负号。精品资料92齿轮箱振动(zhèndòng)信号分析倒谱：边频带(píndài)分析精品资料93包络(bāoluò)解调精品资料94a)整流检波解调d)c)f)b)e)精品资料95精品资料96包络解调(jiědiào)：希尔伯特变换复解析(jiěxī)信号：要求z(t)的频谱等于x(t)的单边谱（只包含正频率部分）。精品资料97Hilbert变换(biànhuàn)包络(bāoluò)信号：精品资料98采样(cǎiyànɡ)频率5000Hz，点数1000精品资料99时频分析(fēnxī)：小波变换精品资料100时域平均：提取微弱(wēiruò)信号精品资料101滚动轴承的振动(zhèndòng)信号分析滚动轴承的故障(gùzhàng)机理磨损由于滚道和滚动体的相对运动和尘埃异物引起表面磨损，润滑不良会加剧磨损，结果使轴承游隙增大，表面粗糙度增加，降低了轴承运转精度，因而也降低了机器的运动精度，表现为振动水平及噪声的增大；精品资料102表面损伤损伤故障产生的冲击振动从性质上可分为两类：轴承元件工作表面损伤点在运行中反复撞击与之相接触的其它元件表面而产生的低频振动成分，其频率与转速和轴承的几何尺寸有关，这一频率称为故障特征频率；由于损伤冲击作用(zuòyòng)而诱发的轴