机械设备故障诊断教材

目录

第一章设备状态监测和故障诊断技术综述

1设备状态监测和故障诊断作用和意义..............................（1）

2设备状态监测和故障诊断的定义...................................（2）

3设备维修方式的演变及发展趋势....................................（4）

4描述机械设备状态的参数及其测量方法............................（：7）

思考题（7）

第二章设备振动诊断的理论基础

1机械振动基本知识...............................................（8）

2振动幅值表■达方式...............................................（9）

3简谐振动的三要素................................................（11）

4振动检测中位移、速度和加速度参数的选择.........................（12）

思考题（14）

第三章设备故障基本分析方法

1信号的时域分析...................................................（15）

2信号的频域分析.................................................（15）

3趋势分析.........................................................（17）

4倒频谱分析.......................................................（20）

5共振解调.........................................................（21）

思考题（23）

第四章常见设备故障种类与典型频谱

1不平衡...........................................................（23）

2不对中...........................................................（25）

3机械松动.........................................................（27）

4轴承故障.........................................................（29）

5齿轮(37)

思考题(40)

第一章设备状态监测和故障诊断技术综述

1设备状态监测和故障诊断的作用和意义

设备状态监测和故障诊断技术产生、发展并广泛应用的驱动力来自三个方面

的因素。即：流程工业生产的现实需要、测试技术和仪器的发展完善和国家相关

的政策。

首先，设备状态监测和故障诊断技术的产生和发展是企业实际需要的结果，

主要是设备的安全性、维修成本的压力。20世纪60年代以来，随着电子技术和

计算机技术的快速发展，工业生产越来越现代化。设备和生产朝着大型化、高速

化、自动化、连续化、智能化、环保化等方向发展。一方面设备更加精密复杂，

许多故障很难靠人的感官发现，而且有些设备精密复杂，不允许随便解体检查；

另一方面设备突发性事故造成的损失越来越大；三是设备的维修成本占总的生产

成本越来越大。所以追求设备的高可靠性和最合理的维修方式是企业设备工程管

理的焦点。

从技术背景方面看，20世纪60年代是计算机技术、电子测量技术和信号处

理技术飞速发展的年代，FFT算法语言的出现，把信号处理分析技术从硬件到软

件，推向了全新的高度。此外可靠性工程、零部件失效机理的研究等，都为设备

状态监测和故障诊断技术的产生和发展创造了有利条件。20世纪70年代以后，

设备状态监测和故障诊断技术在发达国家得到了决速推广和发展，特别是美国、

英国、日本、德国等国家。

我国从80年代初期开始引进并应用设备诊断技术，20年来，此项技术在中国

各个行业得到了快速应用和发展，也受到我国政府的重视。李鹏总理在1986年

7月2日“第二次全国设备管理、维修工作座谈会”上指出，“应该从单纯的以

时间周期为基础的检修制度，逐步发展到以设备的实际技术状态为基础的检修制

度。……这就要求我们采用一系列先进的仪器来诊断设备状况，通过检查诊断来

确定检修的项目1987年，国务院发布了《全民所有制工业交通企业设备管理

条例》，规定“企业应当积极采用先进的设备管理方法和维修技术，采用以设备

状态检测为基础的设备维修方法，不断提高设备管理和维修技术现代化水平”。

国家经贸委在《“九五”全国设备管理工作纲要》中明确指出，企业要“继续推

进设备管理现代化，广泛采用先进的设备管理方法和维修技术。建立价值形态与

实物形态相结合的设备管理信息系统。在采用设备状态监测、故障诊断等技术的

基础上，使设备维修方式逐步转向以状态维修为主的维修方式二显然，设备的

状态监测与故障诊断是现代化管理的技术基础。当前我国的设备维修体制，已开

始从早期的事后维修和长期的按计划维修体制，过渡到现代的、具有预知性的视

情维修（或称状态维修）阶段。

在企业推广设备状态监测和故障诊断技术，可以达到以下目的和作用：

（1）保障设备安全运行，防止突发事故；

（2）保证设备工作精度，提高产品质量；

（3）实施预防维修/按状态维修，节约维修费用；

（4）避免因设备事故造成的环境损坏和其他危害；

（5）给企业带来较大的间接经济效益。

企业开展设备状态监测和故障诊断的最终目的，是服从和服务于生产经营大

局，提高对设备状态、劣化趋势的认知和控制能力，提高设备的作业率，延长设

备的使用寿命，降低设备全寿命周期费用。

2设备状态监测和故障诊断的定义

设备状态监测和故障诊断是设备诊断中的两人过程，两者既有密切联系又有

区别。

不断获取设备在运行中或相对于静态条件下的状态信息，通过对这些信息的

分析和处理，并结合设备的历史状况，来定量地掌握设备的技术状态，预测设备

寿命，为设备运行和按状态维修提供技术基础。

设备状态信息的获得有很多种方法，其中振动监测和诊断技术是目前较普遍

采用的方法之一。机器内部发生异常时，一般都会伴随着出现异常振动、声音和

设备性能的变化。通过对机械振动信息的测量和分析，往往可以不停机或不解体

设备就可以对设备劣化的部位和故障的性质做出判断。由于振动测试的技术和仪

器都比较成熟，在企业中得到了广泛的应用，产生了大量的经济效益和社会效益。

2.1设备故障

故障是个非常广义的概念。简单地说，设备故障就是设备系统或其中的元件

/部件丧失了规定的功能。与故障意义相近的还有一个叫“失效”的概念。失效

通常指的是不可修复的对象；故障指的是可以修复的对象。

设备故障模式一从可靠性的观点看设备故障噗式有六种，如图1-1所示。模

式A是典型的浴盆曲线。模式B和模式F是“半”浴盆曲线，模式B设备投入

使用后故障率固定或是略增趋势而后进入磨耗期；模式F具有高的早期的故障

率，而后降到一个固定水平或是略增趋势。模式C设备显示出故障率随时间缓

慢增长而没有具体的耗损期。模式D表示开始时故障率低而后快速增长到一个

固定水平。模式E则表示故障率不随时间变化。民用航空业的研究表明，仅4%

的产品符合模式A,2%的符合B,5%的符合C,7%的符合D,14%的符合E,

并且不少于68%的符合模式F（其它的工业部门不一定与飞机的故障分布相同，

但随着设备的日趋复杂，越来越多的产品符合模式E和F）。

图1-1设备故障模式

这些发现证明了下列的观点是错误的，即：设备的可靠性与其运行时间之间

总是存在着某种联系，因此，翻修越频繁，设备越少出故障。实践也证明了上述

观点是不正确的。除非与设备运行时间有关的故障模式占主导地位，否则，定期

翻修或更换无助于改善复杂产品的可靠性。由设备各种故障模式可知，设备能否

可靠性地工作与设备工龄之间没有必然的联系。设备在服役期中，较少的时间内

处于故障高发期（早期故障和磨耗期故障），更多的时间是处于偶发故障期。

在不同的故障期，设备管理和检测诊断工作的重点有所不同。对早期故障，

可以通过运转试验、变更设计、改善安装来减少、消除。偶发故障率高是不正常

现象一一应深入研究.各种症状、追究剖析设备故障原因，制定相应对策和措施C

在设备磨耗期，应避免意外突发故障。要加强全员设备管理（TPM）,广泛应用

各种设备监测和诊断技术手段，了解掌握设备运行趋势，进行劣化倾向管理。

2.2设备故障诊断定义

指设备在运行中或者在基本不解体设备的情况下，对设备故障的性质、原因、

部位、程度等进行识别诊断，并提供维修维护措施。

设备故障诊断分为简易诊断和精密诊断两个层次。

简易诊断：即设备的“健康检查”。具体实施时，往往监测设备的某一个特

征量，根据量值的范围判断设备是正常还是异常。如果对设备进行定期或连续监

测，便可以得到一些有规律的东西，并借此进行预测/预报。简易诊断的作用是

监测和保护，目的是两设备的状态做出迅速而有效的概括和评价。

精密诊断：是在简易诊断基础上更深层次的诊断，通常需要更多的信息。目

的是判断故障的性质（渐进性/突发性……）、原因（不平衡/不对中……）、部位

（电动机/风机……、轴承/齿轮……）、程度（一般故障/严重故障……）等，并

提供设备检修或治理决策。

设备简易诊断和精密诊断的区别和关系可以用图1-2表示。

图1-2设备简易诊断和精密诊断

3设备维修方式的演变及发展趋势

设备维修经历了由事后维修、定期维修、预防维修到按状态维修的进化。设

备点检和状态监测的实施，对维修方式的进化起到了巨大的促进作用。如今琉看

企业的信息化改造和信息技术的发展，设备点检监测和诊断工作已经/正在融入

设备维修管理系统、设备管理信息系统、企业资产管理系统（EAM）等，成为

设备基础管理最重要的信息。

定期维修仅适合与损耗性故障。按经验确定的定期维修，往往造成维修不足

或者是过剩维修。定期大修至少有3种不良后果：1）定期维修增加设备的总体

故障率。有许多事例，本来很稳定的设备，经过维修反而出现许多故障。因为对

于稳定的系统而言，维修就是一种干扰。特别是对于精密设备定期维修只能增加

故障率。2）定期大修浪费大量人力、物力。根据统计，大修中有40—50%的费

用被浪费了。因为有许多被维修设备完全处于良好状态。3）定期大修使设备的

寿命减少。对于精密设备，零部件很多，各种零部件的连接特别牢固，每次拆、

组、装都要损伤一些房部件，是零部件受到冲击，是设备整体寿命下降。

近年来，基于设备状态监测和故障诊断技术发展起来的设备按状态维修是维

修方式的革命。这种维修的特点是：不规定设备的修理周期，而是实时掌握、不

断积累设备的状态信息，预测设备的劣化趋势和剩余寿命，根据具体情况制定不

同的维修措施。这种维修方式的目标致力于：1）通过早期探测故障征兆，及时

消除隐患，从而减少非计划检修；2）根据机器状态确定检修内容，提前作好准

备，从而缩短停机检修时间；3）根据机器异常的原因和部位，指导检修，从而

防止过剩维修；4）通过改善机器性能，提高可靠性，从而延长设备使用寿命；5）

通过发现异常工艺参数，及时处理调整，从而优化运行操作等等。

设备维修策略主要有：1）预防维修（也称为定期维修，Preventive

maintenance/Time_basedmaintenance）、按状态维修（也称为预测维修，

Condition_basedmaintenance/Predictivemaintenance）和主动维修（也称为改善性

维修,或基于故障根源的维修，Proactivemaintcnancc/Corrcctivcmaintenance/Root

CauseAnalysismaintenance）o以上三种维修策略为主，构成了可靠性维修（RCM

或称之为RBM）的基区框架见表l-lo有效的常规检查及对于零部件磨损的监控

是十分必要的。某些情况下，配置备用机组也是必须的。对于流程生产关键生产

设备来说，事后维修是绝对不可取的。

表1-1设备可靠性维修基本框架

维修策略工作原理优点缺点

设备应具有较稳定的减少设备故障和事故，

平均故障间隔期，根据具有较好人力资源和物

预防维修过剩维修、欠维修

设备制造厂建议或使质资源计划，维修预算

用经验确定易且准

以设备状态监测、故障避免设备故障和事故，

需要各种监测诊断

诊断技术为基础，发现充分发挥设备效能，实

状态维修仪器和经过特殊培

随机性早期故障，预测施有针对性的维修，节

训的专业技术人员

故障发展省维修时间和维修费用

针对重复性故障，以故

根除设备故障或事故发对专业技术人员要

障根源分析为基础，改

主动维修生因素，提高设备运行求高，确认和排除

进/改善设计，改善生

的可靠性均存在一定难度

产/操作工艺等

4描述机械设备状态的参数及其测量方法

描述机械设备状态的参数很多，对于状态检测和故障诊断来说，主要有功能

参数、损伤参数、环境参数和开关量等，见表

表1-3描述机械设备状态的参数及其测量方法

状态参数分类描述测量方法

生产能力、能耗、工艺

功能参数输出功率、效率、能耗……

参数（电、磁）……

承载件裂纹及扩展参

数、接触运动副的磨损目测、光学、射线、超声、磁粉、渗透、

损伤参数

参数、腐蚀环境的腐蚀电涡流、尸发射...

参数……

感官、机械式测量、非电量测量、光学振

振动参数

动测量……

噪声参数感官（耳朵）、声强、声压、声功率...

环境参数温度参数热电偶、热电阻、红外、光纤检测……

油污染参数污染度、磁性磨屑、铁谱、光谱……

排气成分参数CO浓度、HC浓度、Nox浓度……

开关量、继电器动作信

开关参数记录

号等

思考题：

1.设备诊断技术的全称是什么？其含义？

2.何为故障？何为失效？

3.设备维修管理包含哪些维修方式？

4.简述设备维修方式的演变及发展趋势。

5.设备维修管理诊断技术的意义？

6.“浴盆曲线”对设备诊断有什么实际意义？

第二章设备振动诊断的理论基础

1机械振动基本知识

1.1振动的分类

振动就是物体围绕平衡位置做往复运动。从振动力学的观点来看，振动有以

下四类：

1）自由振动

即系统只受初始激励产生的主振动，这是一种理想的振动，它忽略了系统阻

尼的影响。系统一次获得必须的能量输入，振动的特点由系统的固有特性决定。

2）受迫振动

在持续不断的周期力激励下系统的振动，当设备存在不平衡、不对中、不同

心、摩擦、过大间隙等故障时，常造成这种振动。

3）自激振动

指系统在受到初始激励后，将持续作用的能源转换成周期作用的能源，从而

维持或发展系统的振动。例如钟摆、电铃铃锤振动、乐器、呼吸、心跳以及油膜

涡动、喘振、机翼颤振密封产生的气动力引起的振动等等。

4）参变振动

由于系统的物理参数（刚度为主）发生变化引起的振动。例如主刚度不相等

的弹性轴转动时，转子挠度将周期变化。还有齿轮齿接触刚度的变化、滚动轴承

滚珠与滚道的接触刚度的变化引起的振动等。

因机械故障而产生的振动，多属于受迫振动和自激振动。

1.2振动信号分类

周期信号一一可用确定的时间函数来表达。如：简谐振动的位移3号

x«）=Asina。从此式可见，确定了任何瞬时t的振动位移值。

非周期信号一这里主要指瞬态信号，一般将持续时间短，有明显的开端和

结束的信号称为瞬态信号。如碰撞，爆炸等形成的激振力信号。

随机信号一一无法用确定的时间函数来表达，不能预测它未来任何瞬时值，

只能用概率统计方法进行分析。

1.3振动信号的时域波形

实际上，常常是几个信号叠加在一起。因此，我们需要熟悉了解它们的特点,

把我们认为有用的信号提取出来。（相关分析，频谱分析……）

2振动幅值表示方法

2.1常用振动幅值表示方法

Xp—是指信号可能出现的最大瞬态幅值。在测试之前，一般都应对Xp或

Xp-p有足够的估力。以便确定测试系统的动态范围。使之不致产生削波现象，

真实的反映被测信号的最大值。

Xrms——般振动测试都是用有效值来描述。其主要原因是在于有效值与

振动的能量有直接关系。如位移的Xrms代表了振动系统的势能含量；速度的

Xrms代表了振动系统的动能含量。用以反映振动能量的大小或破坏能力，是判

断振动状态的主要指标；加速度的Xrms代表了振动系统的功率谱密度的含量。

Xav-平均绝对值这里是指振动信号通过检波而获得的平均值。其数学表

达式为：

Xav=y£|x(t)||dt

峰值：x7=x（?）1Mz=A

峰一峰值：xf=2x（。1Mx=2A

有效值：无加=J"J：乂。）山=左

2.2时域无量纲诊断征兆参数

i）波形指标（Shapefactor）----波形与正弦波比较的偏移和歪斜。

Y

S-rms

2）峰值指标（Peakfactor）----波形是否有冲击。

rms

3）歪度指标（Skewness）——以平均值为中心，波形的对称性。

Xn

4)峭度指标(Kurtosis)一一波形的尖峭程度、有无冲击。

N

Arms

人7772s

xrms------有效值Xp-----峰值

Xav——平均绝对值X——平均值

波峰因数其定义为：峰值与有效值之比。它是一个无量纲参数，它用于诊断

滚动轴承的优点是它不受滚动轴承几何尺寸、转速和载荷的影响，也不受传感器

灵敏度的影响。该参数适合于滚动轴承和齿轮箱的早期诊断。设备无故障时，该

值为3左右；随故障的出现和发展，该值逐步增大，可达到10〜15;当故障发

展到一定程度，它又逐步变小，并接近于3。

齿轮轴承故障的峭度检测也有类似的规律。

波峰因数适合点蚀类故障的诊断。

监测波峰因数随时间的变化趋势，一般经验认为，滚动轴承正常时，波峰因

数大约为3〜5；轴承出现损伤并发展时，波峰因数明显增大，超过3〜5,并可

能达到10〜15；故障严重时，波峰因数再次回到3〜5。

峭度诊断

峭度定义为归一化的四阶中心矩。它也是一个无量纲参数，它用于诊断滚动

轴承的优点是它不受滚动轴承几何尺寸、转速和载荷的影响，也不受传感器灵敏

度的影响。

峭度也是适合点蚀类故障的诊断。监测峭度随时间的变化趋势，一般经脸认

为，滚动轴承正常时，峭度大约为3；轴承出现损伤并发展时，峭度明显增大，

甚至可达到几十；故障严重时，峭度再次回落到3附近。

3简谐振动的三要素

使用振幅、频率、相位三个物理量可以唯一地描述振动，因此，它们被称为

简谐振动的三要素。其中振幅可以用位移振幅、速度振幅和加速度振幅3个物理

量表示。它们之间由简单的微积分运算相互联系起来。

A：振幅

而初始相位

频率：f,角频率：①=2/rf

周期：r=yf

4振动检测中位移、速度和加速度参数的选择

一般认为，对振动频率在l()Hz以下，位移量较大的低频振动，选择位移为

检测量。另外对于某些高速旋转的机器的振动，旋转精度要求较高时，也用位移

来衡量。对于多数机器来说，都用速度来评价其振动强度。经验表明在覆盖

10Hz〜1000Hz的频带上，速度测量完整地表示了机器振动的严重程度。而加速

度测量的适用范围可以达到10000Hz以上，对于宽频带测量、高频振动和存在

冲击振动的场合都测量加速度。当齿轮、滚动轴承、轴瓦等出现剥落、磨损等缺

陷时，往往首先在高频段出现故障信息，只有当故障比较明显时，才能在低频段

反映出来，因此，通过检测加速度，可以有效发现设备早期缺陷。检测实践中，

往往对位移、速度和加速度进行联合测量。

频率

图2-1位移、速度和加速度参数的选择

图2-1描述的是同一部机器的同一工况用三种传感器测量的幅频图，三者均

可用于机器状况的监测。但是速度计给出一个近似水平的谱，它所需的动态范围

小，因此，针对这一实际测量，速度计被称为“最佳参数二而对用位移计、加

速度计测量，为了描述所有分量的变化，必须采用大得多的动态范围。

4.1位移、速度和加速度的工程单位

根据IS01000,位移、速度和加速度的工程单位见表2・1。

表2-1振幅的丁程单位

振幅参数工程单位

位移m,mm,um

速度m/s,cm/s,mm/s(或ms-\mms'1)

加速度m/s2(或ms-2)

2

工程中，测量加速度时，常使用g做单位，lg=9.81m/s0

4.2振动量单位及单位变换

1）绝对单位制---位移m；速度m/s；加速度m/stg=9.81m/s2（工程上）。

通常用来描述振动响应的三个参数是位移、速度、加速度。一般情况下，低频时

的振动强度由位移值度量，中频时的振动强度常由速度值度量；高频时则由加速

度值度量。

2）单位变换

虽说位移、速度、加速度这三者之间通过微积分电路进行切换以显示你所需

要的参数。但是在传感器选择时，应力图使最重要的参数能以最直接、最合理的

方式测出。

因此，我们应该根据对振动现象、振动性质的了解以及对干扰的估计，在位

移、速度和加速度三个参数之间正确选定某一个传感器。

通过地基传来的干扰常具有宽广的频带，但占主导地位的是低频干扰，齿

轮、轴承和测量装置的噪声则主要是高频干扰。

测量电路中的积分网络可以显著地抑制高频干扰。但却使低频干扰得到增

强。

而微分网络则反之。

在发电、石化工业的机组振动监测中，主要月于不平衡和不对中的监测。用

位移参数进行测量，这时可略去大部分高频小振幅的频率分量。相反来自轴承滚

动部件的高频振动监测来说，加速度却是最合适的监测参数。

3）相对单位（dB）与绝对单位制比较

相对单位制的特点：扩大了动态范围；简化计算

振动量表不有：

(1)、绝对单位制一一能客观地评定振动大小(位移、速度、加速度)

(2)、相对单位制一一用“级”表示

常用几何级，又称对数级，以分贝(dB)表示

r

dB=201g—

分贝是一个级值相对于参考级值的比率，因此它是无量纲

单位变换：

位移O速度O加速度

比值与分贝的关系

比值(x/xo)23.161031.61003161000

分贝(dB)36102030405060

思考题：

1.振动幅值有哪几种表示方式？常用单位？

2.时域中无量纲诊断征兆参数有哪些？

3.峭度指标的含义？在故障诊断中有何应用？

4.描述振动的三要素？

5.在振动检测中，如何在位移、速度、加速度三个参数中选择其一？

6.设备振动测点的选择？如何标注？

7.振动监测周期如何确定？

第三章设备故障基本分析方法

1信号的时域分析方法

信号波形是某种物理量随时间变化的关系。信号在时域内的变换或分析称为

时域分析。如信号波形的最大值、最小值、平均值、有效值等。

为了正确判断设备的状况及诊断其故障，必须了解和设备状态有关的各种物

理量随时间变化的规律。常用的物理量有振动量;位移、速度、加速度）、温度、

压力、转速等等。因此，信号的时域分析是最基本的、最常用的分析方法。也是

其它分析方法的基础。

时域分析最重要的特点是信号的时间顺序，即数据产生的先后顺序、时域

分析主要包括时基波形分析、自相关分析和互相关分析等。

优点：包含的信息量大。能直观看到波形是随机的或是周期的、简单的、或是

复杂的；有无明显的脉冲和冲击；是否不对称和失真；以及波形切头和

变扁等。

缺点：不易看出所包含的信息与故障的关系。（通常用于故障的初步识别）

064128192256320384448512

不平衡

不对中

RADIAL等

I旗溯i

图3-1转子碰磨的时域，频域图形

2信号的频域分析方法

频谱分析是设备故障诊断中用得最广泛的信号处理方法之一。频谱分析的基

础是频谱分析方法。使用最普遍的变换是傅氏变换，它将复杂信号分解为有限或

无限个频率的简谐分量。动态信号的诸频率成分的幅值、相位、功率、能量与频

率的关系表达出来就是频谱。频谱图形有离散谱与连续谱之分。

频域分析还能研究系统的传递特性，系统输入与输出的关系等。

r・

图3-2信号的时域和频域图形

名称波形频谱名称波形频谱

原始谱（标准）

良好运行状态下的机器振动频谱图

=IJ3X轴承故障齿轮故障

2

一阶转频峰值比正常值高。这表明转

一阶振动信号振幅增大动体每转一周产生一次振动信号。一

I般由不平衡或不对中引起

3

一阶振动信口更大一阶转频峰值比正常值高。轴承故障频

’『'率显现。这表明一阶转频引起轴承损伤。

I轴承故障频率显现

图3・3频谱分析技术

3趋势分析

所谓趋势分析，即对机器的重要部位的振动量级（幅值或能量）进行定期的

巡检或在线监测，然后对某一个或几个频率分量做出“级值.时间”趋势曲线。

进一步将该曲线沿着时间轴外推，可得出什么时叵机器的运行状态达到危险的极

限或做出机器寿命的估算，以便决定什么时间停机及什么时间检修。

3.1通频值趋势分析

图3-4中所示，是某一频率分量的“级值-时间”趋势示意图。该图比较直

观地揭示了机器运行状态的变化情况。如测量的时间间隔越短，则对趋势变化显

示得越详细，越容易发现隙藏的问题。

趋势分析的基础是对设备的振动监测，以及正确地设定振动的标准。振动监

测常用的有振动的电平值（峰值或有效值）监测；转速振平图监测（在升速或降

速时振平值随转速变化的曲线）；响应谱监测（响应的振幅谱或功率谱）。

在各种趋势分析方法中，振动时域信号的峰峰值是最常用、最方便的指标，

用比较简单的硬件可以实现对峰峰值的连续在线监测。一旦超限，立即将超限前

存储的数据调出来供分析之用，做到不丢失重要的信息。这是生产上最受欢迎的

做法。

峰峰值可以用位移、速度或加速度传感器采集。振动信号可以是基座的或

者轴颈相对于轴承的。前者所采集的是基座或轴承座处的绝对振动，后者是轴颈

相对轴承的相对振动。由于回转机械的振动状态十分复杂，从频谱上看，包含着

多个不同频率、幅值和相位的分量；振动对不同的零部件造成的后果也各异：有

的由于疲劳或动载荷超载使结构断裂。轴承、齿轮、连轴节一类零件会磨损、胶

合或表面疲劳，动静部件之间的摩擦故障会造成机器的功能丧失和破坏；因此，

仅用峰峰值作为判据并不十分可靠。由于结构设计的差异也很大，运行环境和各

类回转机械的功能差异很大，要想确定一个绝对的限值，超出这一限值某种机器

必然损坏，而低于这一限值必然能保证长期安全运行，是不可能的。只能说，这

样的限值可以增加长期安全运行的可能性，同时最大限度地减少非计划事故停车

的次数。

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1.000

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危险值

0.025

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图3-4通频值趋势分析法

3.2频谱趋势分析

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根警线

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频率阶次

图3-5频谱趋势分析

图3-7从瀑布图中获得进一步信息

图3-8峰值和有效值趋势瀑布图

4倒频谱分析

倒频谱分析也称二次频谱分析，是近代信号处理科学中的一项新技术，是检

测复杂谱图中周期分量的有用工具。在机械振动中故障监测和诊断以及排除回报

(反射波)影响等方面均得到广泛的应用。

倒频谱定义一对数功率谱的频谱。

Cp(q)=|FlogSx(f)|2

式中：CP(q)一一倒频谱；

Sx(f)——信号的自谱；(信号的自功率谱密度函数)

q-----倒频率；具有时间量纲，单位为s或ms。

在工程上，还常月Ca(q)一一幅值倒频谙

Ca(q)=|FlogSx(f)|

Ca(q)=F-l{logX(t)}——复倒频谱］

频星

图3-9齿轮箱振动的频谱与倒频谱

图3-9为一齿轮箱振动的频谱与倒频谱。频谱图中(高频段)的A、B、C

分别为齿轮啮合频率的基频与二、三次倍频，但调制在啮合频率及谐频处的边带

不清晰；倒频谱图中85Hz的信号明显，故判断故障源主要在转频为85Hz的轴

及该轴上的出轮。

5共振解调

5.1调制与解调

调制是工程测试信号在传输过程中常用的一种调理方法，主要是为了解决微

弱缓变信号的放大问题。

从放大处理来看，直流放大有零漂和极间耦合等问题。为此，往往把缓变信

号先变为频率适当的交流信号，然后利用交流放大器放大。最后，在恢复为原来

的直流缓变信号。像这样一种变换过程，称为调制与解调。

调制信号一一传感器输出的缓变电信号。

载波一一载送缓变信号的正弦高频振荡。

调制波一一缓变的信号控制，改变高频振荡的某个参数（幅值、频率、相位）,

使它随着被测信号作有规律的变化（以利于实现信号的放大与传输），输出的波

形称为调制波。调制波分为：调幅波（AM）、调频波（FM）、调相波（PM）。

我波IT.波lifflfflft

图3-10信号的调制类型

5.2共振解调

共振解调技术主要是根据设备产生故障时会产生周期性的脉冲激励，由于脉

冲激励是宽带信号，与设备与传感器的固有频率产生共振，在频谱中表现为一谱

峰群，对此谱峰群进行解调，不仅能有效的识别b设备的早期故障，且根据故障

特征频率能精确地诊断出到底是哪个元件发生了故障。

共拓解调

包络计菖II报告生成I

尸

1T,T

111

c.解调波形d.解调波的频港（f.=>

图3-12共振解调法原理的图解

当齿轮轮齿表面有了损伤时，在啮合过程中就要产生冲击振动。冲击振动具

有正常振动冲击所不含的高频分量。本方法就是利用高频谐振器将其中等于谐振

器谐振频率的高频成分放大（从图3・12可见），同时也就剔除了所有其他的频率

成分。每受到一次冲击，谐振器就发生一次共振，直到其能量衰减完为止。将此

高频衰减波用包络检波器进行解调，就得到一组只有故障冲击发生时才有的指数

曲线脉冲。然后对它进行简单的频谱分析，得到一组基频与其高阶谐频的谱线，

其中基频谱线频率就是故障冲击的重复频率，根据解调波的频谱找出齿轮或轴承

的故障。

第四章常见设备故障种类与典型频谱

本章对于各种常见故障，分别简述其故障原因，给出频谱和波形特征，并指

出与其他故障的区分，最后提供一些典型的实例，以供参考。

1不平衡

不平衡有多种情况，有力不平衡、偶不平衡和动不平衡等。

力不平衡诊断

当转子质量中心偏离转动中心时出现不平衡。造成不平衡的原因通常是：装

配不适当、转子上有附加物生成、转子质量磨损、转子破裂或丢失部件。

1）振动波形接近正弦波；

2）轴心轨迹近似圆形；

3）振动以径向为主，一般水平方向幅值大于垂直方向的幅值；

4）振动大小与转速平方成正比；

5）振动频率以IX转频振动为主；

6）振动相位稳定，两个轴承处相位接近。同一轴承水平方向和垂直方向的

相位相差接近90度。

偶不平衡诊断

1）振动波形接近正弦波；

2）轴心轨迹近似圆形；

3）在两个轴承处均产生较大的振动，不平衡严重时，还会产生较大的轴向

振动；

4）振动大小与转速平方成正比；

5）振动频率以IX转频振动为主，有时也有2X,3X等谱线；

6）振动相位稳定，两个轴承处相位相差180度。

动不平衡诊断

1）振动波形接近正弦波；

2）轴心轨迹近似圆形；

3）振动以径向为主；

4）振动大小与转速平方成正比；

5）振动频率以IX转频振动为主；

6）振动相位稳定，两个轴承处相位接近。

悬臂转子的不平衡诊断

1）振动波形接近正弦波；

2）在轴向和径向均出现较大振动；

3）振动频率以IX转频振动为主；

4）轴向相位稳定，两支承处轴向振动相位接近，而径向相位会有变化.

1XRADIAL

1XAXIAL

&RADIAL

图4/转子不平衡的典型频谱

从图4-1转子不平衡的典型频谱中可见：

1）力不平衡相位稳定，在一阶临界转速下，失衡引起的振幅与速度的平方

成正比。较高是1XRPM下的频谱。同一设备的两个轴承处相位接近。水平方向

和垂直方向的相位相差:90度。

2）力耦不平衡——在同一转动轴上有180°相位差。通常为IxRPM频谱，

随速度平方的增加而变化，可以引起轴向及径向的较大振动。校正时需要在至少

2个水平面上放置平衡物。

3）动不平衡一一是前两种不平衡的合成结果。仍以IxRPM频谱占主导，

相位稳定。两支承处同方向振动相位差接近。

4）转子不平衡一一在轴向和径向都会引起较大IxRPM振动。轴向相位稳

定，而径向相位会有变化。往往是力不平衡和力耦不平衡同时出现。

BRL-1UK引NE(DHJUING11?tRN)

SPECTRAFROMMULTIPLEMEASUREMENTPOINTS

1111

轴向很小

1TURBINE-TIfi

L....12-N0U-8714:24

速-----IX频率（铅垂）TURBINE-TIU

J

声PLOT1■•一.12-NM-8714：21

，加SPAN

/0.30-IX频率（水平）

值TURBINE-TIH

u・~・・-一12-HW-8714：2fl

1央寸破J

0.轴向很小

TURBINE-TOA

L…12-NM-8714：25

r—一ix频率（铅垂）TURBINE-TOU

J12-N0U-8714：29

频率（水平）

~—IXTURBINE-TOH

12-NM-8714：36

02468101214

频率阶次

图4-2转子不平衡故障的诊断

2不对中

资料表明，30%〜50%的设备存在不对中问题。不对中既可产生径向振动，

又会产生轴向振动；既会造成临近联轴节处支承的振动，也会造成远离联轴节的

自由端的振动。不对中易产生2X振动，严重的不对中有时会产生类似松动的高

次谐波振动。相位是判断不对中的重要判据之一。不对中也有多种情况，有平行

不对中、角度不对中和平行与角度不对中等。

平行不对中诊断

1）平行不对中产生较大的轴向振动，但径向振动也较大；

2）振动频率以IX和2X转频振动为主，2X转频振动往往超过IX；

3）不对中严重时，也会产生高阶谐波振动；

4）联轴器两侧相位相差（）度。

角度不对中诊断

1）角不对中产生较大的轴向振动；

2）振动频率以IX和2X转频振动为主；但往往存在3X以上转频振动；

3）如果2X或3X转频振动超过IX的3（）%到50%,则可认为是存在角不对中；

4）联轴器两侧轴向振动相位相差18（）度。

平行与角度不对中诊断

1）产生较大的轴向振动，但径向振动也较大；

2）振动频率以IX和2X转频振动为主；但往往存在高次谐波振动;

3）联轴器两侧轴向振动相位相差在0到180度之间。

转轴弯曲

1）振动特征类似动不平衡和不对中；

2）振动以IX转频为主，也会产生2X转频振动。

3）振动随转速增加很快；

4）通常振幅稳定，轴向振动可能较大，两支承处相位相差18（）度。

图4-3转子不对中的典型频谱

图4-4角度不对中的典型频谱

图4-5平行度不对中的典型频谱

1X

图4-6转轴弯曲的典型频谱

ALUN-LIKOILPUMPNUMBER2

FROMMULTIPLEMEASUREMEKIPOINTS

LUBEPMP2-MIU

26-OCT-871Q：43

LUBEPMP2-MIH

26-OCT-8710：42

LUSEFMP2-MOA

26-OCT-8710：41

UW£PNP3-NOU

26-OCT-8710：40

UBEPMP

26-OCT-8710：39

036512151821242730

频率阶次

图4-7转子不对中故障的诊断

3机械松动

松动既可能导致机器的其它故障也可能因其它故障所引起，机械部件的磨损

变形、轴系的不对中、不平衡等与松动相互影响。因松动引发的振动多为中低频

振动，一般在1000Hz以下，振动频率通常为转频或转频的分数谐波及高次谐波,

但有时也可能在中高频段有特征表示。常见部件松动时振动频率见表4-1。

表4-1机械松动及特征

松动类型松动部位振动频率形态描述

转频，高次谐波，分数

轴承盖、支座

谐波

振动具有方向性，

非旋转件松动基础螺栓转频，高次谐波

振动幅值稳定。

轴瓦合金松动、间转频，高次谐波，分数

隙大谐波

联轴器磨损、松动转频，高次谐波

振动具有方向性，

转频，高次谐波（有时

测点位置K同，振

滚动轴承配合松动也有分数谐波），轴承特

旋转件松动幅值不同。运行时

征频率

稳定，暂态过程振

转频，高次谐波；

转子部件配松动幅变化。

转子或支承的固有频率

RADIAL

0

图4-8(A)结构框架或底座松动

图4-8(B)轴承座松动

图4-8(C)轴承等部件配合松动

压缩机轴承振动未松动时的有效值频谱

加

速

度

有

效

值

O

♦

步而生(Hz)

图4-9轴承部件松动时的频谱

4轴承故障

4.1滚动轴承

滚动轴承的早期故障是滚子和滚道剥落、凹痕、破裂、腐蚀和杂物嵌入。产

生原因包括搬运粗心、安装不当、不对中、轴承倾斜、轴承选用不正确、润滑不

足或密封失效、负载不合适以及制造缺陷。

图4-10滚动轴承频谱

I）径向振动在轴承故障特征频率（见下面说明部分）及其低倍频处有峰。

若有多个同类故障（内滚道、外滚道、滚子……）,则在故障特征频率的低倍频

处有较大的峰。

2）内滚道故障特征频率处有边带，边带间隔为1XRPM。

3）滚动体故障特征频率处有边带，边带间隔为保持架故障特征频率。

4）在加速度频谱的中高频区域若有峰群突然生出（图4-17）,表明有疲劳故

障。

5）径向振动时域波形有重复冲击迹象（有轴向负载时，轴向振动波形与径

向相同），或者其波峰系数（见说明部分）大于5,表明故障产生了高频冲击现

象。

保持架旋转部件

转频

图4-11滚动轴承故障频率阶次图

外环故障频谱

频谱图（径向）

图4-12滚动轴承故障［外环）

转频

频谱

图4-13滚动轴承故障：外环和不平衡

图4/4滚动轴承故障：内环（带径向负载）

有时可能出现旋转

部件频率奇次倍频

频谱图

图4-15滚动轴承故障转动部件〔带有径