故障诊断旋转机械的振动监测与诊断

故障诊断旋转机械的振动监测与诊断第1页，课件共76页，创作于2023年2月2教学内容第四章旋转机械的振动监测与诊断4.1旋转机械的振动及故障概论4.2诊断信息的表达与分析4.3简易诊断方法4.4精密诊断原理及典型故障分析4.5现场平衡技术第2页，课件共76页，创作于2023年2月3教学内容

重点与难点

旋转机械故障诊断原理；旋转机械振动诊断信息的表达与分析；

学习目标

了解现场故障系统的控制技术；掌握旋转机械故障诊断分析方法；故障控制技术。第3页，课件共76页，创作于2023年2月4旋转机械的振动及故障概论4.1、旋转机械的振动及故障概论1)机械设备振动的特点：

4.1.1旋转机械的振动及故障概论

振动存在的广泛性；振动监测的有效性；振动的可识别性；振动识别的复杂性。第4页，课件共76页，创作于2023年2月52)振动信号的系统特征

故障振动特征不仅取决于故障，而且还受到系统特性的影响，从系统的观点来分析，有利于对问题进性描述。系统输入输出关系表达为：旋转机械的振动及故障概论第5页，课件共76页，创作于2023年2月64.1.2转子系统、转子振动和转子故障的分类

按转子系统在坐标平面内发生的振动形式分为如下三种：横向振动---振动发生在包括转轴的横向平面内；轴向振动---振动发生在转轴的轴线方向上；扭转振动---沿转轴轴线发生的扭振；旋转机械故障所激发的振动多为横向振动。以临界转速为分界可把转子系统分为两种：刚性转子系统---工作转速在（一阶）临界以下的转子系统；柔性转子系统---工作转速在（一阶）临界转速以上的转子系统。旋转机械的振动及故障概论第6页，课件共76页，创作于2023年2月7

按转子类型及其振动性质不同，可将旋转机械主要故障作以下分类，见下图：：旋转机械的振动及故障概论第7页，课件共76页，创作于2023年2月84.2、诊断信息的表达与分析4.2.1波形分析法

波形分析方法主要是通过观察振动波形的特征来获取诊断信息。诊断信息的表达与分析第8页，课件共76页，创作于2023年2月94.2.2频谱分析法

频谱图是用频谱分析法提取诊断信息的一种方法，常采用FFT来对采样序列进行计算。诊断信息的表达与分析截头余弦第9页，课件共76页，创作于2023年2月101）幅值谱及相位谱振动信号中主要由哪些频率成分及谐波分量所组成；组成的谐波分量中哪些频率成分的幅值最为突出，这提示着和故障的某种关系。诊断信息的表达与分析第10页，课件共76页，创作于2023年2月112）阶比幅值谱将频谱图中的频谱轴（横坐标）改用工作频率的倍数来表示，而纵坐标仍表示幅值，称为阶比幅值谱。诊断信息的表达与分析第11页，课件共76页，创作于2023年2月123）(自)功率谱信号自功率谱表示信号样本中所含能量沿频率轴的分布状况。多用于随机信号分析中。诊断信息的表达与分析第12页，课件共76页，创作于2023年2月13诊断信息的表达与分析第13页，课件共76页，创作于2023年2月144.2.3轴心轨迹分析法

1）轴心轨迹的测量采集两个相互垂直的方向上轴心相对于轴承的位移信号，将信号放大并消除直流分量后即可在示波器上或x-y绘图仪上合成为轴心轨迹。诊断信息的表达与分析第14页，课件共76页，创作于2023年2月152）轴心轨迹的分析方法轴心轨迹的形状轴心轨迹的形状与机器的运行状态及发生故障的类型有密切关系，主要包括几种典型轴心轨迹图。不平衡--不平衡引起的轴心轨迹理论上应为圆形，但由于轴承油膜刚度在x、y方向上的差别，以及其他一些因素的影响，实际上是一个椭圆。如下图为汽轮发电机过程中的基频分量的仿真轴心轨迹图。诊断信息的表达与分析第15页，课件共76页，创作于2023年2月16诊断信息的表达与分析第16页，课件共76页，创作于2023年2月17不对中--不对中轴心轨迹主要由二倍频、四倍频谐波分量由计算机仿真合成。下图为存在不同程度不对中缺陷时的轴心轨迹。随着不对中的增大，轨迹由椭圆变为香蕉形，最后变为“8”字形。亚同步振动—由于涡动频谱并非恰为转子旋转频率的一半以及内摩擦失稳等原因造成的。诊断信息的表达与分析第17页，课件共76页，创作于2023年2月18油膜涡动轴心轨迹在线显示诊断信息的表达与分析第18页，课件共76页，创作于2023年2月19油膜涡动轴心轨迹提取

诊断信息的表达与分析第19页，课件共76页，创作于2023年2月20油膜振荡轴心轨迹

诊断信息的表达与分析第20页，课件共76页，创作于2023年2月21转子与静止部件的碰撞和摩擦--图a、b、c、d为转子与静止件产生不同程度的碰撞和摩擦时的轴心轨迹。诊断信息的表达与分析第21页，课件共76页，创作于2023年2月22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，称为逆向进动。一般情况下为正向进动。转子和定子之间的干摩擦和某些具有螺旋桨的旋转机械由于叶片的动力作用，则会产生逆向进动。

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，则提示着机器运行状态已发生了变化或进入异常状态。

诊断信息的表达与分析第22页，课件共76页，创作于2023年2月23小结本讲小结掌握故障分析的系统分析方法；掌握故障的分类及其形成原因；掌握频谱分析方法和轴心轨迹分析方法。掌握故障信息的表达与分析方法；第23页，课件共76页，创作于2023年2月244.2.4转速跟踪分析方法

转速跟踪分析方法设备诊断分析包括：稳态分析方法；转速跟踪分析法。

1）奈奎斯特(Nyquist)图和波德(Bode）图奈奎瑟特图是极坐标表示法，取振动信号基频分量的幅值为极坐标的模，基准相位角为幅角，构成极坐标平面上的一个点。波德图是各转速下基频分量的幅值和基准相位角分别绘制在转速-幅值和转速-相位两个直角对数坐标系的图上。第24页，课件共76页，创作于2023年2月252）瀑布图和坎贝尔图瀑布图又称瀑阵图是将振动信号的功率谱或幅值谱随着转速的变化叠置而成的三维谱图。转速跟踪分析方法第25页，课件共76页，创作于2023年2月26坎贝尔图是横坐标为转速，纵坐标为频率，斜线为各倍频分量频率的阶次比f/fr。转速跟踪分析方法第26页，课件共76页，创作于2023年2月274.2.5统计分析方法

统计分析方法是对振动信号中各频率分量的综合影响用统计方法进行量化处理的一种方法。

1）常用的诊断指标振动峰－峰值（Ρ－Ρ值）：常用的峰－峰值为振动位移和加速度的峰－峰值xp-p和ap-p；统计分析方法第27页，课件共76页，创作于2023年2月28振动烈度（振动速度的均方根，或有效值）vrms。vrms是根据振动速度曲线的均方根值求出的；

振动烈度表征着振动的威力或破坏能力，故称振动烈度。它是一种比较敏感的诊断指标，广泛应用于各种测振标准中，特别在设备的简易诊断中应用最为广泛。统计分析方法第28页，课件共76页，创作于2023年2月29无量纲指标。波形指标峰值指标脉冲指标裕度指标均方根值样本的绝对平均值统计分析方法第29页，课件共76页，创作于2023年2月30功率谱图导出的诊断指标谱图均方值谱图重心峰值指标谱图方差MS，C及R用于描绘谱图主峰位置的变化，而V则用于描述谱图能量分布的分散程度。实践表明，计算上述诊断指标比计算功率谱快且比较敏感。统计分析方法第30页，课件共76页，创作于2023年2月314.3、旋转机械故障的简易诊断方法

简易法是通过便携测振仪拾取信号，并直接由信号的某些参数或统计量构成诊断指标。

4.3.1振动信号的测定

1）正确地选择测定方式和测定参数低频范围(10~100Hz):位移参数（xp-p，xp，xrms

等）；

中频范围(10~1000Hz):速度参数（xrms

等）；

高频范围(>1kHz):加速度参数（arms

，ap-p等）；

简易诊断方法第31页，课件共76页，创作于2023年2月322）合理地布置测点主要测点布置：反映振动特征最敏感的部位即轴承部位；

辅助测点的布置：可布置在机壳、箱体、基础等部位（参看课本p83）；

测定振动时的注意事项：应遵循如下原则，即每次测量要在同一测点进行，否则会因传递通道不同造成结果误差；其次，保证工况相同；测量的参数相同；使用的仪器和测量方法相同。简易诊断方法第32页，课件共76页，创作于2023年2月333）选择合适的测定周期高速旋转机械（压缩机、透平机）：每月测定；

一般旋转机械（风机、水泵、机床等）：每月测定；

测点方向选择:低频振动一般都要从径向水平、径向垂直和轴向三个方向来评定振动状况，这是因为载荷的影响和故障的变化，造成测点的三个方向的振动不一样，总有一个或两个方向反应敏感。简易诊断方法第33页，课件共76页，创作于2023年2月344.3.2简易诊断方法原理

1）统计分析法和劣化趋势图位移峰－峰值Xp-p及振动烈度Vrms用得最多。

按规定的周期，将测定的数据（统计量）按时间顺序排列即可获得劣势趋势图，并可识别和预测设备的状态。简易诊断方法第34页，课件共76页，创作于2023年2月352）简易诊断判别标准的制定绿区：正常使用，状态良好；黄区：过渡状态，注意维护；红区：严重危险，随时停机。设备劣化曲线。

简易诊断方法第35页，课件共76页，创作于2023年2月36绝对标准

将测定的数据或统计量直接与标准阈值相比较以判断设备所处的状态。简易诊断方法相对标准

相对标准是以正常状态的测定值为初值，以当前实测数据达到初值的倍数为阈值来判断设备当前所处的状态。

相对标准中初值的确定极为重要，一般至少要取六个有效数据进行平均后作为初值。第36页，课件共76页，创作于2023年2月37类比标准

对同规格型号、同运行工况的若干设备，在缺乏必要的标准时可采用类比标准进行状态判别。

类比标准：对数台设备的同一部位进行测定，并对测定值进行相互比较，而判定某台设备是否发生异常。

类比标准只能用于结构及工况比较简单的小型机械上（如水泵）。对于大型高速的旋转机械，其可比的条件相差很大，不宜采用类比标准。方法优先顺序：绝对标准>相对标准>类比标准简易诊断方法第37页，课件共76页，创作于2023年2月38简易诊断案例：1）设备简图及测点布置：各测点均配置涡流式位移传感器2）故障简况：T1发现中压气缸进口端测点4表头显示轴振动由19um增至65um，超过预设报警值38um，跳车停机。为避免贸然停机，采用Vm-63便携式振动计进行监测。简易诊断方法第38页，课件共76页，创作于2023年2月393）监测方法：

振动计用于监测轴承的绝对振动。测量中以中压缸的进口端3，测定餐位为Vrms及Xp-p，并分别测试垂直（V)和水平（H）两个方向的数据。

根据监测趋势图，测点振动数据基本保持稳定，而未超出给定的阈值。4）趋势图分析：

大修检查结果：中压缸止推轴承推力盘磨损，副推力瓦基破裂，因而引起振动。此外，发现转子与隔板摩擦造成转子失衡而加剧了振动。简易诊断方法第39页，课件共76页，创作于2023年2月40本讲小结掌握转速跟踪分析方法原理；掌握转速跟踪法诊断信息的表达；掌握旋转机械故障的简易诊断方法。掌握了解全息谱的表达原理；小结第40页，课件共76页，创作于2023年2月414.4、精密诊断方法与典型故障分析4.4.1精密诊断方法原理

故障诊断需要通过诊断信息所提供的振动特征与典型故障的振动特征相互联系才能对故障的类型、性质和产生的部位和原因进行识别，为诊断决策提供依据。

精密诊断方法与典型故障第41页，课件共76页，创作于2023年2月42精密诊断方法的核心问题是振动特征的模式识别，通过从诊断信息中提取若干（n个）诊断指标（统计量）构成一个n维向量，即特征向量。

模式识别基本原理：

模式识别把待检模式Xt与k种典型故障模式Xi（i=1，2，…,k)进行比较、分类的方法。精密诊断方法与典型故障第42页，课件共76页，创作于2023年2月43模式识别方法分类：直接观察法；

把待检模式的典型特征与典型模式的特征进行直观的比较、分析后进行分类，以确定故障的类型、性质、原因和部位等。计算机辅助诊断法；

模式识别理论基础—聚类分析法；以计算机为基础的新方法主要有：时序诊断法；模糊诊断法；灰色系统诊断法等，主要用于解决模式边界不太清晰的问题。计算机自动识别法。

计算机自动识别法又称故障诊断专家系统，通过将专家知识和各种故障诊断信息掌握在知识库中，由计算机自动识别。精密诊断方法与典型故障第43页，课件共76页，创作于2023年2月44精密诊断方法与典型故障第44页，课件共76页，创作于2023年2月45精密诊断方法与典型故障典型分析仪器：第45页，课件共76页，创作于2023年2月46精密诊断方法与典型故障第46页，课件共76页，创作于2023年2月474.4.2旋转机械的典型故障分析

典型故障的振动特征是旋转机械故障模式识别的必要条件。

1）转子不平衡（失衡）及原因材料和结构问题；安装问题；配合松动；轴弯曲或轴变形（受热不匀，水平存放过久等)；运行过程中旋转零件磨损、腐蚀、剥落或介质沉积不匀；旋转零件的断裂。精密诊断方法与典型故障第47页，课件共76页，创作于2023年2月48精密诊断方法与典型故障转子不平衡的振动分析设转子旋转的角速度为ω，则有：因不平衡产生的离心力为：第48页，课件共76页，创作于2023年2月49精密诊断方法与典型故障离心力在x，y轴上的分量分别为：所以，在x，y方向的激振力基本相同，相角相差90。。因此，任选一方向研究即可。振动微分方程式表示为：归一化后得：第49页，课件共76页，创作于2023年2月50精密诊断方法与典型故障其中：为阻尼系数；称为转子系统自振频率（固有频率）。方程的通解为：暂态解稳态解第50页，课件共76页，创作于2023年2月51精密诊断方法与典型故障系统响应为：幅频响应函数：相频响应函数：第51页，课件共76页，创作于2023年2月52精密诊断方法与典型故障说明：1）幅频和相频函数均受阻尼因数ξ的影响。阻尼值越大共振峰值越低，当ξ=0.7时，共振峰消失。2）当临界转速时，相角ψ与阻尼无关且ψ

=π/2。当转子超越临界转速运行时与低临界转速时相比，其相角趋于相反。第52页，课件共76页，创作于2023年2月53转子不平衡的振动分析频率特征振动的激振频率为单一的旋转频率（即工作频率），而无其它倍频成分；相位特征在工作频率下相位稳定；转速跟踪动态特征在单自由度模型情况下，转子启动时，振幅随转速之增大而增大。临界转速出现峰值，超过临界转速，振幅趋于定值，即偏心值；精密诊断方法与典型故障第53页，课件共76页，创作于2023年2月54精密振动的注意事项注意刚性转子和柔性转子的区别；注意转子不平衡与基础共振的区别；采用涡流式位移传感器时，区别轴弯曲及轴颈椭圆度对振幅的影响；2）转子不对中

转子不对中指转子中心与轴承中心不对中，或多转子系统中各转子的轴线不对中。精密诊断方法与典型故障第54页，课件共76页，创作于2023年2月55转子不对中的类型及不对中的危害导致滚动轴承滚动体载荷的不均而产生振动噪声、过度磨损或轴承卡死；滑动轴承油膜动压失稳而导致半速涡动和油膜振荡；严重的不对中直接导致油膜破裂而烧损轴瓦；机床不对中引起径向及轴向的振动降低加工精度。精密诊断方法与典型故障第55页，课件共76页，创作于2023年2月56产生不对中原因的分析产生转子不对中的原因主要有以下几方面转子及支座安装不良；轴承支座由不均匀膨胀引起变形；地基下沉；由不对中引起的转子振动特征振动形态的特征平行不对中—径向振动，角度不对中—径向和轴向振动；综合不对中（实际）。振动频率的特征刚性联轴器及齿轮联轴器，径向激振频率以基频及二倍和四倍频率为主，尚伴有高次倍频。转速跟踪幅值动态变化特征不对中振动幅值对转速的变化不敏感，因此影响不太明显。精密诊断方法与典型故障第56页，课件共76页，创作于2023年2月57不对中的诊断方法简易诊断可以以轴向振动为标志进行判断；精密诊断时主要以分析FFT谱或功率谱中二倍频或四倍频成分来判定不对中；为区别与其他故障与不对中二倍频故障特征，可采用全息谱方法。精密诊断方法与典型故障第57页，课件共76页，创作于2023年2月583）基座或装配松动

基座或装配松动常和转子不平衡相伴生，表现为非线性的振动特征。其振动形式以径向垂直振动为主。从谱分析中可以发现其激振频率除基频fr

外，还存在高次谐波成分3×fr

、5×fr、7×fr

及分数谐波成分（0.3~0.5）×fr

等。当增速时振幅变化有跳跃现象，即突然增大或减小。如下图所示：精密诊断方法与典型故障第58页，课件共76页，创作于2023年2月594）油膜涡动及油膜振荡油膜失稳故障机理：载荷与油膜动压平衡与失衡的动态作用。精密诊断方法与典型故障第59页，课件共76页，创作于2023年2月60油膜涡动特点：涡动理论速度为：Ω=ω/2，实际涡动速度为：Ω=(0.42-0.48）ω，--半速涡动当转子转速达到2倍临界转速时（ω=2ωc），将发生涡动共振—涡动频率与旋转频率无关。涡流轨迹呈螺旋线发散；由于偏心距增加，使油膜刚度进入非线性区导致涡流轨迹形成极限环。稳定涡动时轴心轨迹为封闭的8字形；当油膜振荡时其涡动频率与转速无关而等于转子的一阶自振频率。精密诊断方法与典型故障第60页，课件共76页，创作于2023年2月615）旋转失速和喘振故障发生的机理：流体机械，由于工艺参数调整不当引起；是由于涡流堵塞叶片通道而产生的气流脉冲振动。

特点：涡流堵塞气团是逐渐发展和传播的，其方向与叶轮旋转方向相反。

类型：渐变型和突发型。当突发型旋转失速进一步发展时，整个出口管道为涡流所堵塞，造成出口压力突然下降，同时管道内气流向压缩机倒流。由此所引起的管网的巨大脉动冲击和强烈振动所发出的低频噪声，称为喘振。精密诊断方法与典型故障第61页，课件共76页，创作于2023年2月62

特征：旋转失速的频率约为0.5~0.8fr；而喘振频率一般与旋转频率无关，而与网管的容积有关，一般均低于1Hz。精密诊断方法与典型故障第62页，课件共76页，创作于2023年2月63小结本讲小结掌握旋转机械的精密诊断原理；掌握旋转机械的典型故障及其分析方法；第63页，课件共76页，创作于2023年2月644.5现场平衡技术据统计，旋转机械的振动问题有30％以上都是由于转子不平衡所引起。对于线性系统而言，失衡引起的振动，其频率等于转子的旋转频率。而当系统具有非线性时，失衡将引起以转子旋转频率为基频，以及带有一系列高阶谐波成分的振动第64页，课件共76页，创作于2023年2月654.5现场平衡技术实际不平衡转子校正质量：人为地在转子的某一平面上加上或减去一些质量，这些质量我们称为校正质量。第65页，课件共76页，创作于2023年2月664.5现场平衡技术刚性转子的单面动平衡刚性转子的现场动平衡方法主要分为单面动平衡和双面动平衡。单面动平衡是针对转子静不平衡的一种平衡方法，适用于盘状旋转体或者转子的横向宽度b与转子直径D之比(b/D)≤0.2的场合。第66页，课件共76页，创作于2023年2月674.5现场平衡技术刚性转子的单面动平衡平衡的一般方法步骤如下：①测量原始不平衡振动的振幅和相位Ф1。不平衡振动相位的测量需要一个基准相位，要在转子上做一个基准相位标记，可以用传感器测量，生成一个每转一圈一个脉冲的键相信号。②在圆盘的某一位置加一确定的试验质量Mt(其质量和相位已知)。设由Mt引起的振动由表示，由原始不平衡和试验质量引起的振动合成由表示。③在同样的转速下测量振幅和相位Ф2；方法同步骤①。④检验剩余不平衡量。重新按步骤①的方法检验剩余不平衡量是否达到要求。第67页，课件共76页，创作于2023年2月684.5现场平衡技术我们需要得出Vu/Vw的比值以及角度Фb

第68页，课件共76页，创作于2023年2月694.5现场平衡技术刚性转子的单面动平衡举例离心式鼓风机的简单结构示意图：风机叶轮直径约600mm，质量约90kg。用18.5kw的异步电动机驱动，工作转速为1470r/min.第69页，课件共76页，创作于2023年2月704.5现场平衡技术刚性转子的单面动平衡举例风机叶轮的宽度相对于叶轮的直径很小，可以认为是圆盘状转子，所以我们采用单平面平衡机叶轮内侧背板作为校正平面1，因为这个平面靠近重心平面。采用焊接方法把平衡配重加到这个平面上。用具有磁力座的振动传感器直接吸附在电机上靠近风机的一侧作为不平衡振动测量平面A。测量方向选择水平方向，因为垂直方向的支撑刚度比水平方向高，所以垂直振动较小。第70页，课件共76页，创作于2023年2月714.5现场平衡技术刚性转子的单面动平衡举例①安装测试仪器反光胶片粘在电机风扇轮断面上②测量风机原始不平衡振动平衡转速:1470r/min；测点A的振动：40.5um(P-P)∠354°③在风机1平面上加试验配重(简称试重)检修孔R=300mm，试验质量为Mt:65.7g∠15④试验运转平衡转速：1470r/min测点A的振动：156um(P-P)∠305°第71页，课件共76页，创作于2023年2月724.5现场平衡技术刚性转子的单面动平衡举例⑤计算校正质量（作图法）①将测量的原始不平衡振动的数据40.5um(p-