典型机械的振动监测与诊断.ppt

1、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

2、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

3、、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,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,IEC汽轮机振动标准,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

4、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,b),联轴节精度不良引起的初始弯曲a) 端面偏摆 b) 径向偏摆,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

5、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

6、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（1800rmin）处幅值最大，达1.5m。3个月后再测量，同一处的最大峰值已是2.83m，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0.97m，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。,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,

7、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、1X rpm轴向振动大, 可能在 2X & 3X有谐波. 2、2X rpm 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、1X rpm径向振动大

8、, 2X & 3X处有谐波； 2、2X rpm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,2X,1X,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

9、大。,1X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、

10、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。,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

11、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

12、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

13、纹和断裂。,滚动轴承的损伤现象和检测方法,*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

14、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（1kHz20kHz）：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,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

15、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：nfifc（或f）；滚动体：nfbfc n为正整数（n1，2，3，）,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,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

16、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),0500Hz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

17、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。,齿轮箱失效原因及失效比重,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

18、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）。,xm(t)=x(t)y(t)=x(t)cos2f0t,调幅振动的频谱图,调频振动： 齿轮转速波动（齿形

19、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,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。,齿

20、轮箱,上辊,下辊,输入轴,倒谱：边频带分析,齿轮箱不同部件故障的振动特征,齿轮箱不同部件故障的振动特征（续）,齿轮箱不同部件故障的振动特征（续）,返回,三、齿轮的诊断法,诊断对象的选定 转速100rpm；直齿、斜齿、人字齿、锥齿,测定参数选定速度（与转频、啮合频率有关）；加速度（与固有频率有关）,测定点的选定,测定周期的确定,判断标准的确定,诊断实例,一台齿数为11的齿轮泵，转速为900rmin（15Hz），啮合频率为165Hz。从图中可看出，出现多个啮合频率的高次谐波，并伴有以工频为带宽的边带。检修发现齿面已点蚀，并存在偏心。,机械设备误诊断,误诊误治问题是医学界和设备诊断工程界共同关心的问

21、题。设备误诊断主要原因有两个： 1、设备故障机理的认识尚待深入、诊断技术人员的技业务水平待提高、诊断仪器、诊断方法和手段限制等。 2、在诊断实践中误诊断的主要原因是诊断思维方法的问题。,例如：1倍转频振动增大有多种原因1）转子动平衡差（不均匀磨损、不均匀积灰、转子部件脱落）；2）轴系同轴度变差（角度不对中、平行不对中）；3）联轴器问题（制造、安装偏差；联轴器磨损、不配套的螺母/螺栓）；4）转子永久弯曲；5）转子温度梯度影响；6）转子存在裂纹使转子挠度变大；7）滑动轴承间隙变大；8）轴承压盖松动；9）电机、风机等底座龟裂；10）润滑油温度改变引起的失稳；11）转子或轴承刚性变化； 12）电磁异常； 13）齿轮机构中齿轮的累积制造误差；14）涡轮机中叶片的不均匀腐蚀、烧伤、锈蚀等；15）,第三章 典型机械的振动监测与诊断（完）,