第五章航空发动机振动检测与诊断

第五章航空发动机振动

监测与诊断航空发动机的主要激振源转子激振源转子不平衡（振动频率与转速相等）单圆盘转子临界转速：

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。原因往往是由于转子系统处于临界转速附近产生共振。转子的临界转速个数与转子的自由度相等。支承不对中（振动频率为转子转速两倍）航空发动机的主要激振源航空发动机的主要激振源气动激振力轴承激振源齿轮激振源转子系统常见故障机理分析转子系统、转子振动与转子故障的关系振动广泛存在。设备在动态下都会或多或少地产生一定的振动。振动监测具有有效性。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。振动具有可识别性。由不同类型、性质、原因和部位产生的故障所激发的振动具有不同的特征。振动识别具有复杂性。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。转子系统、转子振动和转子故障之间的分类转子振动分类

横向振动——发生在包括转轴的横向平面内（xoy）轴向振动——发生在转轴的轴线方向上（x轴）扭转振动——沿转轴轴线发生的扭振转子系统模型转子系统常见故障机理分析轴向振动横(径)向振动扭转振动转子系统分类刚性转子系统——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。柔性转子系统——工作转速在（一阶）临界以上的转子系统。例如一些大型高速（工作频率>100Hz）旋转机械均属于柔性转子系统。转子系统常见故障机理分析转子故障分类转子系统常见故障机理分析监测参数动态参数振幅：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：近年来国际上已统一使用振动烈度作为描述机器振动状态的特征量相位：动态特性、故障特性及转子的动平衡等具有重要意义转子系统常见故障机理分析静态参数轴心位置：在稳定情况下，轴承中心相对于转轴轴颈中心的位置轴向位置差胀：转子与静子之间轴向间隙的变化值对中度：轴系转子之间的连接对中程度温度：轴瓦温度反映轴承运行情况润滑油压：反映滑动轴承油膜的建立情况转子系统常见故障机理分析旋转机械振动故障分析常用方法时间波形法——通过观察振动波形的特征来获取诊断信息转子系统常见故障机理分析含有周期成分及随机噪声的振动波形经平滑处理后的振动波形转子系统常见故障机理分析径向点触摩擦时的振动波形

在正常的状态下，波形图应为较平滑的正弦波，且重复性好。（1）动不平衡时，在一个周期内为典型的正弦波，振幅加大；（2）对中不良时，在一个周期内为波峰翻倍，波形光滑、稳定、重复性好；（3）摩擦时，波峰多，波形毛糙、不稳定、或有削波；（4）自激振荡（油膜涡动，旋转脱离）时，波形杂乱、重复性差、波动性大。转子系统常见故障机理分析频谱分析法幅值谱及相位谱转子系统常见故障机理分析幅值谱正常运转状态下，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。

一倍频——转子不平衡、轴承工作不良、对中不良等均会引起一倍频增大，发生概率依次降低。二倍频——转子对中不良、轴弯曲、松动等，主要是对中不良。0.5倍频——油膜失稳；轴承工作不良（如间隙、接触、摇摆等）；旋转失速（喘振的先兆）的频率为(0.4~0.8)倍工频，也有可能。转子系统常见故障机理分析DDDD阶比幅值谱转子系统常见故障机理分析阶比幅值谱转子系统常见故障机理分析自功率谱图滚动轴承的功率谱图优点：它可以把能量集中的谱峰更加突出地表现出来。它不仅可以表现某些特征频率值的能量集中状况，而且可以研究某一段频带范围内能量分布的水平。它比幅值谱有更加广泛的用途。轴心轨迹图

轴心轨迹是指转子轴心点相对于轴承座运动而形成的轨迹。转子系统常见故障机理分析轴心轨迹的合成转子系统常见故障机理分析转子系统常见故障机理分析不平衡轴心轨迹的形状不对中油膜涡动转子系统常见故障机理分析转子系统常见故障机理分析转子与静止部件的碰撞和摩擦转子系统常见故障机理分析轴心轨迹的旋转方向若轴的旋转方向与轴心轨迹旋转方向一致，称为正向进动。反之，称为反向进动。当转子具有不平衡、不对中、油膜涡动等故障时表现为正向进动；当转子与定子发生摩擦时，表现为反向进动。轴心轨迹的稳定性

一般情况下，轴心轨迹保持稳定。一旦发生形状大小的变化或轨迹紊乱，则揭示机器运行状态已发生变化或进入异常。转轴随转速变化时的工频振动矢量图转速跟踪法奈奎斯特图分析法（极坐标图）转子系统常见故障机理分析波特图——振幅与频率，相位与频率的关系曲线010203040506070809001020304050振幅

/m

m频率/Hz01020304050607080903033027021015090相位角/度频率/Hz从波特图中可以得到：转子系统在各个转速下的振幅和相位、转子系统在运行范围内的临界转速值、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。转子系统常见故障机理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。瀑布图转子系统常见故障机理分析转子系统振动故障机理及特征分析转子不平衡原因转子系统质量偏心（制造误差、装配误差、材质不均……）；转子部件出现缺损（腐蚀、摩擦、局部破损等）。转子系统常见故障机理分析特征时域特征呈现为类似简谐振动的波形；由于其他振动信号源（松动、不动中、轴承磨损、噪声）的影响，实际的信号不会是标准的正弦波。转子系统常见故障机理分析频谱特征工频的1倍频能量较大。转子系统常见故障机理分析轴心轨迹轴在各个方向上刚度有差别，转子轴心轨迹通常为椭圆。同步采集H方向V方向转子系统常见故障机理分析例：某大型离心式压缩机组蒸汽透平经检修更换转子后，机组启动时发生强烈振动。压缩机两端轴承处径向振幅达到报警值，机器不能正常运行。压缩机振动特征转子系统常见故障机理分析振动特征分析时域波形为正弦波频域中能量集中于1倍频，有突出的峰值，高次谐波分量较小轴心轨迹为椭圆诊断意见：强烈振动的原因是转子不平衡转子系统常见故障机理分析分类固有不平衡转子弯曲转子热弯曲转子部件脱落联轴节精度不良转子系统常见故障机理分析联轴节精度不良引起的初始弯曲a）端面偏摆b）径向偏摆34大型机组通常由多个转子组成，各转子之间用联轴器联接构成轴系，传递运动和转矩。转子系统常见故障机理分析转子不对中分类转子系统常见故障机理分析正确对中e=0,=0平行不对中

e0,=0角度不对中

e=0,0组合不对中

e0,0不对中的振动机理转子系统常见故障机理分析齿式联轴器对中良好：内外齿套之间只有传递转矩的周向力。对中超差：内齿套发生相对倾斜，在传递运动和转矩时，将会产生附加的径向力和轴向力，引发相应的振动。这就是不对中故障振动的原因。不对中的危害增加机器的振动转子系统常见故障机理分析过度的联轴器损坏转子系统常见故障机理分析增加密封件的磨损转子系统常见故障机理分析增加轴承的磨损转子系统常见故障机理分析过高的能源消耗转子系统常见故障机理分析特征振动的形态特征：平行不对中主要引起转子的径向振动，角度不对中除了引起径向振动外还引起轴向振动。振动的频率特征：径向振动频率为两倍或四倍旋转频率，同时也存在高倍频振动。主要看二倍频。转子系统常见故障机理分析不对中轴心轨迹转子系统常见故障机理分析振动的轴心轨迹涡动频率约为：油膜涡动及油膜振荡转子系统常见故障机理分析Ω油膜振荡：转子的涡动频率和转子的固有频率接近时发生的自激振荡。油膜振荡轴心轨迹转子系统常见故障机理分析特征油膜振荡是自激产生的；发生油膜振荡之前一般会有油膜涡动现象，轴颈中心的涡动频率为转子一阶固有频率。油膜振荡发生后，振幅急剧增大，继续提高转速，振幅也不会下降。转子系统常见故障机理分析转静碰摩基座或装配松动转子系统常见故障机理分析转子与静止部件的碰撞和摩擦齿轮故障的常见形式弯曲疲劳与断齿齿面接触疲劳齿面磨损齿面胶合和擦伤齿轮常见故障与诊断齿轮故障的原因制造误差齿轮制造误差主要有偏心、齿距偏差和齿形误差等。偏心指齿轮的几何中心和旋转中心不重合，齿距偏差指齿轮的实际齿距与公称齿距有较大误差，齿形误差指渐开线齿廓有误差。齿轮常见故障与诊断齿轮常见故障与诊断装配不良由于装配技术和装配方法等原因，通常会造成“一端接触”和齿轮轴的直线性偏差(不同轴、不对中)等异常现象。这会造成轮齿负荷不匀，个别齿负荷过重引起早期磨损，严重时甚至引起断裂等。润滑不良对于高速重载齿轮，润滑不良会导致齿面局部过热，造成色变、胶合等故障。超载对于工作负荷不平稳的齿轮驱动装置，经常会出现过载现象，如果没有适当的保护措施，就会造成轮齿过载断裂，或者长期过载导致大量轮齿根部疲劳裂纹、断裂。操作失误操作失误通常包括缺油、超载、长期超速等，都会造成齿轮损伤、损坏。齿轮常见故障与诊断齿轮振动机理齿轮振动特征频率的计算齿轮和轴的转动频率fr谐频齿轮常见故障与诊断式中，n为齿轮及轴的转速（r/min）。齿轮的啮合频率fc齿轮的固有频率齿轮常见故障与诊断式中，fr1——主动轮的旋转频率(Hz)；z1——主动轮的齿数；

fr2——从动轮的旋转频率(Hz)z2——从动轮的齿数。边频带在齿轮箱的振动频谱中，啮合频率或其高阶谐频附近存在着一些等间距的频率成分，称为边频带。边频带由幅值调制和频率调制形成。频率调制及其边频幅值调制及其边频齿轮常见故障与诊断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而造成的。比如齿轮的偏心、加工误差、齿轮故障……在齿轮信号中，啮合频率成分通常是载波成分，齿轮轴旋转频率成分通常是调制波成分。齿轮常见故障与诊断调幅后的信号：x1(t)=A(1+ecos2πfrt)Xsin(2πfct+φ)旋转振动信号：a(t)=A(1+ecos2πfrt)啮合振动信号：x

(t)=Xsin(2πfct+φ)调幅信号及频谱齿轮常见故障与诊断齿轮存在局部缺陷时，形成的边频带数量多且均匀。齿轮存在分布缺陷时，形成的边频带比较高而且窄。而且齿轮上的缺陷分布越均匀，频谱上的边频带就越高、越集中。齿轮缺陷分布对边频带的影响齿轮常见故障与诊断频率调制齿轮齿距不均匀时，或者齿轮转速不均匀。频率调制及其边带齿轮常见故障与诊断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。附加脉冲示意图齿轮常见故障与诊断载荷对隐含谱线分量和啮合分量的影响(a)轻载（b）满载齿轮常见故障与诊断隐含谱线隐含谱线是功率谱上的一种频率分量，产生的原因是由于加工过程中带来的周期性缺陷。轴承振动频谱细化技术齿轮常见故障与诊断齿轮故障诊断常用信号分析处理方法频率细化分析技术fLfH原始频谱移频滤波重采样+反移频齿轮常见故障与诊断频谱细化过程齿轮常见故障与诊断倒频谱分析定义功率谱对数傅里叶逆变换应用分离信息通道对信号的影响h(t)输入x(t)输出y(t)时域关系：频域关系：倒频谱：齿轮常见故障与诊断齿轮常见故障与诊断故障信息在功率谱和倒频谱中明显性比较齿轮常见故障与诊断对于同时有多对齿轮啮合的齿轮箱振动频谱图，由于每对齿轮啮合都将产生边频带，几个边频带交叉分布在一起，无法看清频谱结构，还需要进一步做倒频谱分析。

齿轮常见故障与诊断用倒频谱诊断齿轮故障用倒频谱分析齿轮箱振动信号中的边频带1-啮合频率；2，3-高次谐波；A1～A5…周期为11.8ms谐波；B1～B3…-周期为20ms谐波11.8正常齿轮的时域特征与频域特征

(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。

正常齿轮的低频振动波形齿轮常见故障与诊断(2)频域特征正常齿轮的信号反映在功率上，有啮合频率及其谐波分量，即有nfc（n＝1,2,…），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mfr（m＝1，2，…）。正常齿轮的频谱齿轮常见故障与诊断故障齿轮的时域特征与频域特征均匀磨损(a)高频振动(b)低频振动均匀磨损时的频谱齿轮常见故障与诊断齿轮偏心齿轮偏心的频谱齿轮常见故障与诊断偏心齿轮的振动时域波形齿轮不同轴指由于齿轮和轴装配不当造成的齿轮和轴不同轴。不同轴故障会使齿轮产生局部接触，导致部分轮齿承受较大的负荷。不同轴齿轮的频谱齿轮常见故障与诊断不同轴齿轮波形齿轮局部异常齿轮的局部异常

1-齿根部有裂纹；2-局部齿面磨损；3-局部齿形误差；4-断齿局部异常齿轮的振动波形局部异常的齿轮频谱齿轮常见故障与诊断齿距误差指一个齿轮的各个齿距不相等，存在有误差。齿距误差是由齿形误差造成的。有齿距误差齿轮的振动波形有齿距误差齿轮的频谱齿轮常见故障与诊断不平衡齿轮齿轮的不平衡是指齿轮的质心和回转中心不重合，从而导致齿轮副的不稳定运行和振动。不平衡齿轮的振动波形不平衡齿轮的频谱

齿轮常见故障与诊断外圈内圈滚动体保持架滚动轴承的故障机理与诊断技术滚动轴承尺寸的选择2疲劳剥落滚动轴承故障的主要形式与原因滚动轴承的故障机理与诊断技术磨损塑性变形滚动轴承尺寸的选择2胶合断裂保持架损坏锈蚀滚动轴承的故障机理与诊断技术与轴承的结构有关的振动

——无论轴承正常与否，都会产生振动与轴承滚动表面状况有关的振动

——反映了轴承的损坏状况滚动轴承的故障机理与诊断技术正常轴承的振动信号特征轴承结构特点引起的振动

滚动轴承的故障机理与诊断技术（a）（b）滚动轴承的承载刚度和滚子位置的关