典型机械的振动监测与诊断

第三章典型机械的振动监测与诊断旋转机械发生振动的主要原因及其比率（以钢铁工业为例）第三章典型机械的振动监测与诊断§3.1转子系统的监测与诊断§3.2滚动轴承的监测与诊断§3.3齿轮(箱)的监测与诊断§3.1转子系统的监测与诊断一、转子系统的异常现象二、转子系统的简易诊断三、转子系统的精密诊断一、转子系统的异常现象

低频：不平衡、不对中（不同轴）、松动、润滑油起泡

中频：压力脉动、通过叶片时的振动

高频：空穴作用、流体噪声振动返回二、转子系统的简易诊断诊断对象（设备）的选定

测定参数选定

测定点的选定

测定周期的确定

判断标准的确定

简易诊断实例测定参数选定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、2X振幅、0.5X振幅、轴心位置等，时间顺序可以按前后各次采样、按小时、按天等。趋势分析利用瀑布图可以判断机器的临界转速、振动原因和阻尼大小瀑布图返回测定点的选定旋转机械振动分析征兆变化一般规律旋转机械振动分析征兆变化一般规律返回测定周期的确定与设备劣化速度有关：劣化缓慢--〉采用较长周期劣化变快--〉缩短测定周期劣化加剧--〉连续实时测定高速旋转机械：汽轮压缩机、汽轮机--〉每日测定一般旋转机械：水泵、风扇、鼓风机--〉每周测定返回判断标准的确定绝对判断标准：是根据对某类机械长期使用、观察、维修与测试后的经验总结，并由企业、行业协会或国家颁布，作为一标准供工程实践使用。

相对判断标准：是对机器的同一部位定期测定，并按时间先进行比较，以正常情况下的值为初始值，根据实测值与该值的比值来判断的方法。

类比判断标准：是指数台同样规格的机械在相同条件下运行时，通过各台机械的同一部位进行测定和互相比较来掌握其劣化程度的方法。

大型旋转机械振动标准以轴承振动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标准(双振峰)机械部离心鼓风机和压缩机振动标准标准转速(r/min)mm≤3000≤6500≤10000>10000-16000主轴轴承50≤40≤30≤20齿轮轴承

≤40≤40≤30IEC汽轮机振动标准标准（mm）转速(r/min)≤1000150030003600≥6000轴承上7550252112轴上(靠近轴承)150100504420汽轮机组轴振动最大位移限定值工业透平机轴振动最大位移限定值相对判断标准返回类比判断标准简易诊断实例返回简易诊断实例三、转子系统的精密诊断

不平衡

不对中

松动不平衡旋转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。不平衡的分类：固有不平衡转子弯曲：初始弯曲、热弯曲转子部件脱落联轴节精度不良DDDDDDDDb)a)联轴节精度不良引起的初始弯曲a)端面偏摆b)径向偏摆DDDDDDDD不平衡的类型静不平衡动不平衡静不平衡偶不平衡综合不平衡不平衡的特征：振动频率和转速频率一致，转速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；在临界转速附近，振幅出现峰值，且相位在临界转速前后相差近180°。不平衡振动的特征不平衡的波形特征：类似正弦波不平衡的频谱特征：转频能量占主要成分不平衡的特征1X不平衡故障的危害1、加大了设备振动水平；2、加大了设备轴承的负载；3、加速了设备轴承的磨损、失效。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。不平衡的故障诊断1X频率(水平)1X频率(水平)1X频率(垂直)1X频率(垂直)轴向很小轴向很小一台射流泵正常运转时在工频（1800r／min）处幅值最大，达1.5μm。3个月后再测量，同一处的最大峰值已是2.83μm，达到泵安全运行的报警值。拆机修理发现一异物缠绕在叶轮上，改变了质心。清除异物，工频处幅值仅为0.97μm，振幅明显减小，泵运行正常。返回

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。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。

DDDDDDDDDDDD平行不对中角度不对中组合不对中完全对中

角度不对中平行不对中转轴中心线在联轴器处相交。注意联轴器无位移，并且轴承的径向和轴向位移大。转轴中心线在轴承处相交。注意到联轴器径向位移大，轴承径向位移小，轴向位移大。角度不对中的特征:1、1Xrpm轴向振动大,可能在2X&3X有谐波.2、2Xrpm轴向可能和1X的轴向同样大或更大.3、径向振动在1X,2X和3X可能比轴向振幅小.4、径向振动取决于转轴中心线在何处与装配中心线相交。通过联轴器的轴向相位变化明显(>60°)。转轴中心线不相交。注意到轴承的径向和轴向位移大。转轴中心线不相交。注意到轴承的径向和轴向位移甚至更高。平行不对中的特征:

1、1Xrpm径向振动大,2X&3X处有谐波；2、2Xrpm轴向振幅可能和1x的一样大或更大；3、在1X、2X和3X的径向振动可能比轴向小；4、联轴器的径向相位变化明显(>60°)；联轴器的轴向相位变化明显(>60°)。不对中振动的特征不对中的特征频谱特征：存在较大的2X转频的频率分量波形特征：总体模样类似正弦波2X1X振动值变大轴承失效密封失效联轴节磨损效率降低能量损失过热不对中的危害减少生产损失延长设备的生产时间减少轴承和密封失效减少设备的振动减少联轴节的磨损降低维修成本良好的不对中不对中的故障诊断出现2X频率成分。轴心轨迹成香蕉形或8字形。振动有方向性。轴向振动一般较大。电机水泵POPIMOMI1X频率2X频率叶片通过频率返回

松动不是振动源而是放大器.这意味着当部件松动时,无论产生的力有多大，都会很容易使受影响的部件发生振动.但是，如果力很小或没有，可能只增大很少的振动量.为了明白这一点,假设一台理想的机器–没有任何机械故障，没有任何振动.现在松动固定地脚的螺钉，...什么也没发生因为没有力会把机器抬高离开基础.

松动许多位置会发生影响振动测量的松动:

轴承/转轴(轴承松动)轴承/支架(轴承松动)轴承的内部裂纹(轴承松动)相邻的加固表面(结构松动)基础面(结构松动)只在松动方向振幅很大（垂直的或水平的）结构松动特征:1X、2X径向振动大(经常2X较大)，也有可能有较小3X径向振动；可能只在松动方向振幅很大(垂直的或水平的)；很容易发现邻近表面上的背景振动；低速运动的研究是诊断此类状态的有效工具。轴承松动产生更多的方波，多于正弦波，并形成更多的谐波轴承松动的特征:1X的径向振动谐波大；当松动严重时，产生更多的方波，多于正弦波，并形成更多的谐波，甚至在极端情况下会产生半谐波(1.5，2.5，3.5等)。松动的故障诊断波形出现许多毛刺。谱图中噪声水平高。出现精确2X，3X…等成分，最高可达16X。松动结合面两边，振幅有明显差别。电机水泵POPI转速的精确倍频成分最高可出现16X成分噪声水平高一台电机地脚螺栓诊断的谱图。但更换地脚螺栓后，谱图上除工频处有一峰值，其它峰值均已消失。返回§3.2滚动轴承的监测与诊断一、滚动轴承发生的异常现象二、滚动轴承的振动诊断原理三、滚动轴承的诊断法一、滚动轴承发生的异常现象损伤的轴承表面疲劳剥落（点蚀）滚动体在滚道上由于反复承受载荷，工作到一定时间后，首先在接触表面一定深度处形成裂纹（该处的剪应力最大），然后逐渐发展到接触表面，使表层金属呈片状剥落下来，形成剥落凹坑，这种现象称为疲劳剥落。疲劳剥落使轴承在工作时发生冲击性振动。在正常工作条件下，疲劳剥落是轴承失效的主要原因。磨损或擦伤

滚动体与滚道之间的相对运动以及外界污物的侵入，是轴承工作面产生磨损的直接原因。润滑不良，装配不正确均会加剧磨损或擦伤。磨损量较大时，轴承游隙增大，不仅降低了轴承的运转精度，也会带来机器的振动和噪声，对于精密机械用的轴承，磨损量就成为限定轴承使用寿命的主要因素。锈蚀和电蚀

锈蚀是由于空气中或外界的水分带入轴承中，或者机器在腐蚀性介质中工作，轴承密封不严，从而引起化学腐蚀。锈蚀产生的锈斑使轴承工作表面产生早期剥落，而端面生锈则会引起保持架磨损。电蚀主要是转子带电，在一定条件下，电流击穿油膜而形成电火花放电，使轴承工作表面形成密集的电流凹坑。断裂轴承零件的裂纹和断裂是最危险的一种损坏形式，这主要是由于轴承超负荷运行、金属材料有缺陷和热处理不良所引起的。转速过高，润滑不良，轴承在轴上压配过盈量太大以及过大的热应力会引起裂纹和断裂。故障形式故障现象故障原因磨粒磨损1.滚道表面无光泽润滑不良，轴承中有粗糙研磨物2.滚道表面有光亮带轴承中有细小研磨物3.滚动体磨损痕迹不规则研磨引起振动4.滚道、滚动体与保持架接触部位磨损润滑不良；有异物落入；生锈5.滚道与滚动体松动润滑不良，过滤不良，研磨颗粒进入，由磨损引起松动。疲劳剥落和点蚀1.整个滚道剥落过载，内圈膨胀或外圈收缩，使间隙过小，产生扩展型疲劳剥落2.向心轴承滚道一侧表面剥落轴承载荷过大，轴向力过大3.滚道圆周方向对称位置剥落轴承座孔不圆，内圈与轴颈配合处不圆，使内外圈呈椭圆形。4.滚道上斜向表面剥落轴承不对中，内、外圈安装不正，轴弯曲。5.滚道上出现与滚动体等距离的剥落如伴有光滑压痕，则是由于过载所致，或安装时承受较大冲击载荷，或过大的过盈量；如伴有粗糙压痕，则是微动磨损所致。6.滚动体表面剥落强力安装，过载或润滑不足，间隙过小，生锈。7.推力轴承滚道上有偏心分布的点蚀凹坑装配偏心或加载偏心故障形式故障现象故障原因裂纹和断裂1.内、外圈上有贯穿裂纹冲击载荷过大；配合太紧；装配不匀称；轴承座不圆；轴圆度误差大；热裂纹发展，旋转爬行；微动磨损和胶着现象的发展。2.内、外圈内表面有轴向裂纹发生旋转爬行或微动磨损3.内、外圈上有周向裂纹轴承座变形；装配不均匀；过载4.动圈（内圈或外圈）端面上有径向裂纹动圈运转期间与轴承座或轴肩发生碰撞或摩擦5.滚子轴承座圈上挡边断裂挡边上装配压力分布不均匀；装配时锤击力过大6.保持架开裂或断裂对向心轴承，可能原因有：润滑剂供给不充分；速度或惯性力过大；胶合；滚动体断裂和不对中等对推力轴承，可能原因有：座圈安装偏心或不正；有一列滚珠不承受载荷。7.滚动体裂纹负荷过大；过盈量大；疲劳剥落和胶着现象的发展。压痕1.滚道与滚动体相应位置上有光滑压痕静载荷过大；锤击组装力大或装配时承受冲击载荷；装配程序错误。2.滚道与滚动体相应位置上有粗糙压痕轴承静止时有振动；有金属粉末和异物落入。3.整个滚动体上有不规则压痕有研磨物或外来异物落入烧损滚道、滚动体、凸缘面变色、软化、熔化间隙过小，润滑不良，装配不良，速度太高。故障形式故障现象故障原因腐蚀1.滚道与滚动体相应位置上有局部腐蚀斑点或麻点静止时间较长，轴承内有湿气或酸液侵入2.轴承表面上有腐蚀斑点或麻点有腐蚀性介质侵入，表面未防护，润滑剂带水或带有酸性介质。电蚀1.滚珠磨损轨迹上均匀地分布着许多微小凹坑电流连续通过，发生电火花放电2.滚珠磨损轨迹上出现随机的或带状分布的微小凹坑电流间断通过，发生电火花放电胶合︵粘着︶1.保持架金属粘着在滚动体上滚动体滚动受阻；速度太高；润滑不良；惯性力大。2.内圈内孔或外圈圆柱面有粘着条痕与内、外圈相配合的圆柱面松动，产生旋转爬行。3.座圈端面有粘着条痕轴承两端与轴肩或端盖挡肩接触处发生旋转爬行。4.滚道和滚动体上有轴向粘着痕迹润滑不良，内、外圈在强力装配下相互脱位；带载装配；受载情况下内外圈之间有轴向位移；轴向推力过大。5.调心推力轴承球面滚道上有轴向粘着痕迹不适当的装配；润滑不良；在空载时轴承产生径向位移；与轴承毗邻零件存在加工误差6.滚道或滚动体上出现边缘条痕润滑不当；载荷小而速度高滚动轴承的损伤现象和检测方法

检测方法损伤现象振动和声音温度磨损颗粒轴承间隙油膜电阻剥落○×○××裂纹○×△××压痕○××××磨损○△○○○腐蚀○△○○○污斑○×○×○烧伤○○××○生锈△×○××可否在转动中测定可以可以不可以不可以可以*检测方法的适用性：○—有效；△—有可能性；×—不适用。

表面损伤其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；由于损伤冲击作用而诱发的轴承系统的高频固有振动成分，如轴承内、外圈的径向弯曲固有振动，滚动体的固有振动，或者是测振传感器的固有振动。特点：频率成分丰富，频带很宽。

低频带(1kHz以下)：主要包含有轴承故障特征频率和加工装配误差引起的振动特征频率。这一频带易受机械中其它零件及结构的影响，并且在故障初期反映损伤类故障冲击的特征频率成分信息的能量很小，信噪比较低。返回

中高频带（1kHz～20kHz）：包含有轴承元件表面损伤引起的轴承外圈的固有振动频率等。通过分析这一频带内的振动信号，可以较好地诊断出轴承的损伤类故障。如果测量用的传感器谐振频率较高，那么由于轴承损伤引起的冲击在高频带（20kHz以上），对此频带分析也可以诊断出轴承的故障。二、滚动轴承的振动诊断原理假设：1、轴承的各部件都为刚性体2、轴承内圈、外圈、滚动体之间没有间隙3、滚动体在滚道内只转动不滑动D—节圆直径d—滚珠直径—接触角z—滚珠数n—轴的转速dD滚动轴承故障的特征（接触或间隔）频率1、外圈存在缺陷时，周期为外圈间隔频率的倒数1/fo；2、内圈存在缺陷时，周期为内圈间隔频率的倒数1/fi，并出现了对fi的幅值调制，调制频率为滚动体的公转频率（即保持架旋转频率）fc或转速频率f；3、滚动体存在缺陷时，周期为滚动体间隔频率的倒数1/fb，调制频率为fc。滚动轴承的特征频率：外圈：nfo；内圈：nfi±fc（或f）；滚动体：nfb±fcn为正整数（n＝1，2，3，…）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。还可用非频率域的诊断方法，如共振解调。轴承的故障诊断不平衡不对中松动滚动轴承故障频率刚返回三、滚动轴承的诊断法诊断对象的选定（转速>100rpm的轴承）测定参数选定（速度、加速度）测定点的选定测定周期的确定判断标准的确定诊断实例滚动轴承发生剥落故障时概率密度函数曲线会“变胖”a)时域波形，采样频率25.6KHz离心泵，故障特征：轴承滚动体表面点蚀

诊断实例b)幅频谱图c)0～500Hz频段解调后幅频谱图转子工频滚动体接触频率返回§3.3齿轮的监测与诊断一、齿轮发生的异常现象二、齿轮的振动诊断原理三、齿轮的诊断法一、齿轮发生的异常现象齿断裂（折断）

疲劳断裂或过负荷断裂。最常见的是疲劳断裂，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。

齿磨损

由于金属微粒、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，直至严重时整个齿断裂。

齿面塑性变形

如压碎、应变硬化、起皱、隆起。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齿轮箱失效原因及失效比重失效零件失效比重（%）齿轮60轴承19轴10箱体7紧固件3油封1齿轮箱的失效零件及失效比重返回二、齿轮的振动诊断原理齿轮振动特征频率的计算转动频率啮合频率定轴转动齿轮：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，其振动波形表现出振幅受到调制的特点，甚至既调幅又调频。

齿轮均匀磨损（齿隙增大）：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；

调幅振动：由于齿面载荷波动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、点蚀、剥落时，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；齿轮故障在频域中的特征：频率成分：除了原有的啮合频率fm之外，在其两侧还增加了一对边频：啮合频率与旋转频率的和频（fm

+fr）与差频（fm-fr）。t0y载波t0x调制信号t0xm调幅波xm(t)=x(t)y(t)=x(t)cos2f0tf0fmfr调幅振动的频谱图

调频振动：齿轮转速波动（齿形误差、周节误差、偏心），会引起频率调制。频率成分：除了原有的啮合频率fm之外，在其两侧还增加了两组边频带群：啮合频率与旋转频率的和频（fm

+nfr）与差频（fm-nfr）。调频振动的频谱图t0y载波t0x调制信号t0xm调频波…f0fmfr

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：产生的原因为加工误差使齿轮存在周期性缺陷。齿轮故障的诊断齿轮啮合频率fm等于齿数乘以齿轮转动频率fr。齿轮啮合频率两边有边频，间距为1X转动频率fr。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fm上边频带下边频带2X倒谱：边频带分析齿轮箱不同部件故障的振动特征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fr2fr

nfr随fr增大径向最大截面