旋转机械的振动监测与诊断

旋转机械的振动监测与诊断6-1旋转机械的振动及故障概论旋转机械的核心----转轴组件，它包括：转子、轴、齿轮传动件、叶轮、联轴器；

滑动轴承、滚动轴承；

支座、定子、机座；

密封、密封装置。6-1-1转子系统、转子振动和转子故障间的关系1、机械设备振动特点

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----振动特性受系统、故障的影响（系统固有特性不同、故障激励传递通道不同、测点不同及其传递通道不同等）。2、系统、振动、故障间的关系6-1-2转子系统、转子振动和转子故障的分类1、振动分类横向振动----振动发生在包括转轴的横向xoy平面内，大多数故障所激发的振动为此类振动；轴向振动----振动发生在转轴轴线z方向上，某些故障如不对中将会激发轴向振动；扭转振动----沿转轴轴线发生的扭振，多盘转子的柔性轴将会产生扭振。2、系统分类----以临界转速分类⑴刚性转子系统----工作转速在一阶临界转速以下的系统。一阶临界转速：转子系统有多个自振频率，当转速逐渐增大到横向振动的一阶自振频率时，将发生一阶共振，所对应的转速称为一阶临界转速。判别依据：一般工作频率<100Hz的机械系统属于刚性转子系统，该系统一般采用滚动轴承。同步振动：工作频率=激振频率。强迫振动：对线性系统，在周期激振下的稳态响应⑵柔性转子系统----工作转速在一阶临界转速以上的系统判别依据：一般工作频率>100Hz的机械系统属于柔性转子系统。振动特点：振动频率（自激振动）<工作频率，并与一阶横向自振频率有关。自激振动：振动过程中，由于系统内部不断有能量输入而产生的共振现象，在设备诊断中又称为亚同步振动。

⑶两种系统振动特点比较3、故障分类6-2旋转机械故障诊断信息的表达和分析6-2-1波形分析法波形分析法是通过观察振动波形的特征来获取诊断信息。振动波形：振动位移、速度或加速度随时间变化的曲线。与同步振动有关的各种故障所激发的振动都属于周期函数，其基本成分是以基频（工作频率）成分为主及若干高次谐波函数再附加随机噪声所组成，如图6-4所示。6-2-2频谱分析法1、频谱分析的类型1)幅值谱与相位谱

振动信号的x(t)付氏变换：阶比幅值谱

（自）功率谱图----信号的自功率密度函数Sx(f)

Sx(f)表示信号样本中所含能量沿频率轴的分布情况，多用于以随机信号为主的信号分析中，其提供的信息与幅值谱基本相同

优点：能量集中的谱峰突出、能显示频带能量分布水平、用途广泛。

例：滚动轴承的功率谱图如图6-9所示,其中有三个能量集中敏感带，0~8Hz，24~30Hz，68~72Hz。2、频谱分析方法频谱的最基本信息：谱峰的高低和频率特征分析方法：谱图分段：<fr区、fr区、>fr区不同位置（水平、垂直）的频谱图对比不同地点的谱图差别6-2-3轴心轨迹分析法

轴心轨迹----转子轴心点相对于轴承座运动而形成的轨迹轴心轨迹的分析方法

轴心轨迹携带的诊断信息表现为：

轴心轨迹的形状

轴心轨迹的旋转方向

轴心轨迹的稳定性1）轴心轨迹的形状

轴心轨迹的形状与机器设备的运行状态及发生故障的类型有密切关系，以下是几种典型故障的轴心轨迹。

不平衡----轴心轨迹理论上为圆形，但由于轴承油膜刚度在x,y方向上的差别，以及其它因素的影响，实际上为一椭圆。图6-11为汽轮发电机启动过程中基频分量的仿真轴心轨迹图。椭圆长轴倾角的变化主要是受到启动过程中温度升高所致不对中亚同步振动2）轴心轨迹的旋转方向正向进动（轴转向与轴心轨迹转向一致）----例如：转子不平衡、不对中、油膜失稳产生的亚同步涡动、内摩擦激发的涡动等均为正向进动。绝大多数为正向进动。逆向进动（轴转向与轴心轨迹转向相反）----干摩擦等少数情况下发生3）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。则揭示机器设备运行状态已发生变化或进入异常。6-2-4转速跟踪分析方法----瞬态分析方法1、奈奎斯特（Nyquist）图和波德图(Bode)

定义：起停车的每个转速瞬间，取振动信号的基频分量的幅值为极坐标的模，其基准相位角为幅角，而构成极坐标平面上的一个点，这些形成极坐标曲线称为奈奎斯特图。将各转速下的基频分量的幅值和基准相位角分别绘制在转速—幅值、转速—相位两个直角对数坐标系的图上，称为波德图。Nyquist图和Bode图用于系统动态参数（临界转速、阻尼等）性质和系统故障的预测。上述两图可用于区分不平衡对系统的影响。两种图形所携带的诊断信息基本相同，仅是表现形式不同，具体如下：图中描述了在整个转速变化范围内转子系统对不平衡激励的响应变化情况；根据图中的共振峰或最大向径可以确定转子的临界转速；根据共振峰的高度可以导出系统的阻尼值；根据低转速下的幅值和相位可以确定轴的弯曲程度。例如图6-16中170度处的12.7

m大小的慢滚动向量就是由弯轴引起的。2、瀑布图和坎贝尔（Compbell）图瀑布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.它可以显示各种谐波成分谱图随着转速变化的情况，如图6-18所示.

坎贝尔图如图6-19所示,其中横坐标为转速,纵坐标为频率,斜线为各倍频分量的阶次比(f/fr),而分量的振幅则用圆圈的大小来表示,它与瀑布图提供共同的信息,但不如瀑布图形象.瀑布图同坎贝尔图的共同缺点是没有提供相位信息.6-2-5统计分析方法----量化处理方法量化指标=诊断指标可直接从振动参数获取，也可从波形曲线或频谱图中获取。在简易诊断中可用于状态监测，在精密诊断中可组成特征向量进行模式识别1、振动峰峰值（p-p值）常用的峰-峰值为位移xp-p值和加速度的峰-峰ap-p值，它可以从一般的测振仪中读出。用于汽轮机、压缩机初步状态评判。3、无量纲指标4、根据功率谱图Sx(f)导出的一些诊断指标6-2-6诊断信息研究的新发展如何全面地从信号中提取诊断信息并以更直观醒目的形式进行表达是信号处理技术的主要任务之一。近年来在这方面取得了新方法为全息谱及全息瀑布图的分析方法。1、二维全息谱及其应用前述一些分析存在的不足：如谱分析法是幅值谱和相位谱分离，垂直方向和水平方向分别考虑，很难形成统一的、比较形象的图象。又如当振动比较复杂时，轴心轨迹虽然是两个方向的合成的结果，但也难反映振动的特点和故障的原因。二维全息谱：对转子的某一支承面的垂直、水平方向的振动信号作FFT后，可从幅值谱、相位谱中提取各主要频率分量的幅值和相位，然后做复合处理，可得各频率分量对应的振动轨迹，并将其按顺序排列在一长谱图上，得一张二维全息谱。

优点：反映了两个方向振动的信号幅值及它们之间的相位关系。2、三维全息谱3、全息瀑布图

将二维全息谱按转速的变化进行叠置，构成全息瀑布图，表示转子某一支承截面的振动信号各组成分量的幅值和相位跟踪转速变化的状况它将有效揭示转子起停过程中的振动特征，如图6-23所示6-3旋转机械的简易诊断方法简易诊断方法是采用一些便携式测振仪拾取信号，并直接由信号的某些参数或统计量构成诊断指标，根据对诊断指标的分析以判定设备的运行状态是正常或是异常。6-3-1振动信号的测定正确选泽测定方式和参数方式：在线、离线；参数：低频范围（10~100Hz）----位移（xp-p,xp,xrms等）中频范围（10~1000Hz）----速度（Vrms振动烈度等）高频范围（>1kHz）----加速度（arms,ap等）2、合理布置测点1)主要测点布置测轴承的振动（绝对值）：测量时采用速度或加速度传感器，要同时把测点布置在垂直Y、水平X和轴向Z三个方向上进行测定。对于监测引起同步振动的一些故障，如不平衡、不对中、松动等常采用这种布置。测轴位移（相对值）：测量时采用电涡流位移传感器。一般，测点布置在垂直（V）和水平（H）两个方向上，或450互成垂直的方向上。必要时也在轴向（A）布置测点。对于监测引起亚同步振动的一些故障，如半速涡动、油膜振荡以及旋转失速、喘振等常采用这种布置方式。2)辅助测点布置

对于结构比较复杂的大型旋转机械，还必要根据具体情况增加辅助测点来全面反映所有的诊断信息。如压缩机的增速箱或网管系统的振动、风机机壳的振动、基础的共振等，一般可布置在机壳、箱体、基础等部位。

3)注意事项

为了保证所测数据的可比性，在测定数据时应遵循以下原则：每次测量要在同一测点、每次测量机器工况相同、每次测量所使用的仪器、传感器及测量方法相同3、选定合适的测定周期测定周期为每次采集信号的间隔时间，它与机械的类型及故障发展的速度有关。例如对于高速旋转机械的与亚同步振动有关的故障应保持较短的测定周期，而一般低速旋转机械或与磨损有关的故障，则采用较长的测定周期，但一发现故障进程较快时，就应缩短测定周期。高速旋转机械（压缩机、透平机等）每周测定；一般旋转机械（风机、水泵、机床）每月测定。6-3-2简易诊断方法原理2、简易诊断判别标准的制定绝对标准----将测定值与标准值比较来判断设备状态。绝对标准有国际ISO标准德国VDI2056标准英国BS4175标准中国风机专业标准（JB/TQ334-87、JB/TQ433-85等）加拿大CAD/MS/NVSH107标准相对标准----将正常值作为初值，实测值为初值的倍数作为阀值判断。

类比标准----同类型测试值比较，倍数为阀值。各类标准优先顺序----绝对标准>相对标准>类比标准6-3-3简易诊断方法举例----压缩机的简易诊断

2、故障简况1989年12月发现中压缸进口端测点4的表头显示的轴振动逐渐由19

m增至65

m，已超过本机预设计报警值38

m，而跳车停机。恢复生产后，轴振动继续上升至93

m，12月底达满量程127

m。操作人员感到极大威胁，但又不能贸然决定停机（停机每日损失70万元）。因此决定采用Vm-63便携式振动计，用简易诊断方法监测运行状态是否继续恶化，以便进一步采取对策3、监测方法振动计主要用于测量轴承的绝对振动，单因测点4的轴承位于机壳筒体内部，与筒体之间还有一环形空腔，不能直接测试轴承振动，因此改用中压缸进口端作为测点，来代替测点4，测定参数为Vrms及xp-p，并分别测试垂直（V）和水平（H）两个方向的数据4、趋势图分析图6-26为1989年12月底至1991年6月监测数据Vrms及xp-p值的劣势趋势图。参照ISO-2372标准及本机的结构特点，将危险阀值定为Vrms=3mm/s及xp-p=10

m，根据Bently5000表头数据表明，中压缸肯定处于异常状态。但由监测趋势图发现，测点的振动数据基本保持稳定，而未超出给定的域值。因此直到1991年8月大修时才停机检查，为国家节约了大量的财富。5、检修结果及故障原因分析1991年8月大修拆机检查结果为中压缸止推轴承推力盘磨损，副推力瓦基环碎裂，因而引起振动。此外还发现转子与隔板摩擦造成转子失衡而加剧了振动。6-4旋转机械故障的精密诊断原理及典型故障分析6-4-1旋转机械的精密诊断原理1、两种诊断原理比较2、模式识别方法原理3、模式识别方法----其理论基础是聚类分析法直接观察法（经验法）：将待检模式的特征与典型模式的特征进行直观比较、分析后进行分类。计算机辅助诊断法：有时序诊断法、模糊诊断法、灰色系统诊断法等，解决模式边界不太清晰问题。

计算机自动识别法：又称诊断专家系统。由专家知识、各种故障全部诊断信息组成知识库，通过计算机自动识别和诊断的方法。6-4-2旋转机械的典型故障分析1、转子不平衡（失稳）转子不平衡原因分析：材质不均、安装不良、配合松动、轴变形、零件磨损、断裂等。转子不平衡振动分析：如图6-29所示单盘转子系统，由于质心与旋转中心不重合而产生不平衡3)转子不平衡振动特征

频率特征：激振频率单一=旋转频率相位特征：工作频率下相位稳定

转速跟踪动态特征：单自由度，振幅随

增加而增加，当

/

n≌1（临界转速）时出现共振峰；多自由度，超过临界转速（在一阶和二阶共振峰之间）时振幅逐渐减小而趋向于一定值，既偏心值，它与转速及阻尼水平有关。注意事项刚性转子与柔性转子的区别：刚性转子的额定转速在临界转速以下运行，故振幅随转速增大而增大；柔性转子的额定转速在临界转速以上运行，故振幅