機(jī)械故障診斷學(xué)-第2章-振源分析ppt課件

1、中國(guó)石油大學(xué)北京中國(guó)石油大學(xué)北京 張來(lái)斌教授張來(lái)斌教授 梁梁 偉副教授偉副教授: : : 3326 10156270: 3326 10156270Office: Office: 研修大廈研修大廈725725第2章 振源分析v 一切的包含運(yùn)動(dòng)部件的機(jī)械，在正常的運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，都會(huì)產(chǎn)活力械力。而且，在當(dāng)機(jī)器的機(jī)械形狀由于，磨損、運(yùn)轉(zhuǎn)環(huán)境的變化和負(fù)載動(dòng)搖等緣由發(fā)生變化時(shí)，機(jī)械力同樣也會(huì)發(fā)生變化。正確了解機(jī)械動(dòng)力學(xué)，了解機(jī)械力會(huì)如何產(chǎn)生獨(dú)特的振動(dòng)頻率，是正確了解振源分析的關(guān)鍵。v 振動(dòng)不僅僅只是出現(xiàn)。而且具有數(shù)學(xué)表達(dá)式，具有物理意義，機(jī)器中每個(gè)部件的振動(dòng)，都具有數(shù)學(xué)表

2、達(dá)式或稱，力函數(shù)。這些部件的振動(dòng)，可以由FFT變換或頻域分析后的離散峰值表示。v 因機(jī)械運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的振動(dòng)，是一種力不平衡的結(jié)果。根據(jù)定義，理想形狀下，運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的產(chǎn)生力或作用于其上的一切的力應(yīng)處于平衡形狀。但實(shí)踐上，總存在一定的不平衡，一切機(jī)械都存在一定的振動(dòng)。v 本章討論常見的旋轉(zhuǎn)機(jī)械、往復(fù)式或線性運(yùn)動(dòng)機(jī)械的振源。2.1 旋轉(zhuǎn)機(jī)械振源分析v 旋轉(zhuǎn)機(jī)械具有一個(gè)或多個(gè)機(jī)械部件，隨軸的旋轉(zhuǎn)而運(yùn)動(dòng)。如：滾動(dòng)軸承、葉輪、以及其他回轉(zhuǎn)體。在平衡良好的機(jī)械中，一切回轉(zhuǎn)體都繞中心線旋轉(zhuǎn)，一切力都是平衡的。但是，工業(yè)實(shí)踐中，力不平衡非常普遍。力不平衡的緣由除了回轉(zhuǎn)體的不平衡引起，也會(huì)由于經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)機(jī)械的介質(zhì)流動(dòng)不

3、平穩(wěn)而產(chǎn)生。2.1.1 轉(zhuǎn)子不平衡v 機(jī)械不平衡形狀：回轉(zhuǎn)體在中心線兩邊的質(zhì)量分配不均勻。v 許多情況下，轉(zhuǎn)子動(dòng)不平衡是由于轉(zhuǎn)子向心力與離心力不平衡所引起。也可以由升舉力與重力不平衡所引起。v 從機(jī)械設(shè)計(jì)的角度分析，當(dāng)機(jī)械在正常運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)下任務(wù)，豎直向上的升舉力，必需抑制轉(zhuǎn)子本身重力，使得轉(zhuǎn)子恰好在軸承構(gòu)造的中心來(lái)旋轉(zhuǎn)。v 但是，由于重力和大氣壓力會(huì)隨著海拔高度的變化而存在差別，所以，在實(shí)踐的任務(wù)環(huán)境中，升舉力普通不會(huì)恰好補(bǔ)償向下的重力。當(dāng)設(shè)計(jì)的升舉力與實(shí)踐升舉力偏向較大時(shí)，轉(zhuǎn)子就不會(huì)恰好圍繞其實(shí)踐中心線旋轉(zhuǎn)。這個(gè)旋轉(zhuǎn)的偏移量就產(chǎn)生了不平衡力與可以丈量的振動(dòng)。2.1.2 流體不穩(wěn)定與運(yùn)轉(zhuǎn)工況影響

4、v 受因紊流或不平衡介質(zhì)流動(dòng)而引起的不平衡力的旋轉(zhuǎn)機(jī)械：泵、鼓風(fēng)機(jī)、緊縮機(jī)。v 這些機(jī)械在設(shè)計(jì)過(guò)程中，就必需思索氣體、或液體在回轉(zhuǎn)體內(nèi)部的動(dòng)態(tài)力。這些動(dòng)態(tài)力的合力與支撐系統(tǒng)如，軸承與軸承座的剛度，決議了振動(dòng)程度。轉(zhuǎn)子支撐剛度非常重要，由于，流體不穩(wěn)定產(chǎn)生的不平衡力可以是轉(zhuǎn)子部件旋轉(zhuǎn)偏離中心線，而支撐剛度可以抵消偏移。v 運(yùn)轉(zhuǎn)偏離機(jī)器的設(shè)計(jì)工況可以影響流量的穩(wěn)定性，能夠直接影響振動(dòng)幅值。例如，離心緊縮機(jī)在流體負(fù)載100%額定負(fù)載的工況下，振動(dòng)相對(duì)很低。但是，當(dāng)負(fù)載降低時(shí)，就徑向振動(dòng)會(huì)發(fā)生變化。當(dāng)負(fù)載降低為額定負(fù)載的50%時(shí)，即使緊縮機(jī)機(jī)械形狀不發(fā)生變化，振動(dòng)能量也將添加為400%。如何了解？另外

5、，徑向振動(dòng)變化，又會(huì)反過(guò)來(lái)約束管道入口或出口的流體，從而產(chǎn)生紊流。v 紊流或者不平衡介質(zhì)流動(dòng)如，空氣動(dòng)力學(xué)或水力不穩(wěn)定不會(huì)像由于負(fù)載改動(dòng)引起的振動(dòng)那樣，對(duì)整機(jī)振動(dòng)產(chǎn)生二次方的影響，但是也會(huì)添加振動(dòng)的總體能量?？梢杂锰卣髡駝?dòng)來(lái)量化機(jī)械內(nèi)不穩(wěn)定性。不平衡流體的特征振動(dòng)可以用旋轉(zhuǎn)部件葉片的經(jīng)過(guò)頻率來(lái)表示。另外，氣體或液體經(jīng)過(guò)機(jī)器時(shí)的隨機(jī)噪聲也會(huì)添加。2.2 往復(fù)式/線性運(yùn)動(dòng)機(jī)械v 本節(jié)討論往復(fù)式/線性運(yùn)動(dòng)機(jī)械中典型的振動(dòng)行為。v 2.2.1 機(jī)械描畫v 往復(fù)式機(jī)械在一個(gè)任務(wù)循環(huán)中，雙向往復(fù)運(yùn)動(dòng)；往復(fù)式緊縮機(jī)構(gòu)造表示圖 曲軸旋轉(zhuǎn)一周，活塞往復(fù)一次，氣缸內(nèi)相繼實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣、緊縮、排氣的過(guò)程，即完成一個(gè)任務(wù)循

6、環(huán)。底座底座曲軸曲軸連桿連桿活塞活塞氣閥氣閥往復(fù)式緊縮機(jī)的根本構(gòu)造曲軸十字頭導(dǎo)軌大頭瓦連桿曲軸箱十字頭銷十字頭主軸承 小頭瓦往復(fù)式緊縮機(jī)的根本構(gòu)造排氣閥進(jìn)氣閥填料活塞桿活塞刮油環(huán)光滑系統(tǒng)缺點(diǎn)油壓忽然降低油壓逐漸降低光滑油溫度過(guò)高光滑油耗費(fèi)量過(guò)大冷卻系統(tǒng)缺點(diǎn)排氣溫度過(guò)高冷卻效果差氣缸內(nèi)有水壓力異常排氣壓力過(guò)高、過(guò)低進(jìn)排氣閥漏氣壓力分配失調(diào)異常聲響和過(guò)熱運(yùn)動(dòng)部件異常聲響任務(wù)摩擦過(guò)熱空壓機(jī)過(guò)熱平安閥缺點(diǎn)不能適時(shí)開啟閥芯密封不嚴(yán)平安閥開啟但壓力繼續(xù)升高主要零、部件損壞活塞環(huán)磨損過(guò)快連桿與連桿螺栓損壞活塞咬死和損壞常見缺點(diǎn)往復(fù)式緊縮機(jī)關(guān)鍵部件的常見缺點(diǎn)方式往復(fù)式緊縮機(jī)關(guān)鍵部件的常見缺點(diǎn)方式 v 線性任務(wù)

7、機(jī)械在一個(gè)任務(wù)循環(huán)中，單向直線運(yùn)動(dòng)。v 幾乎沒有機(jī)械是純粹往復(fù)運(yùn)動(dòng)的。大多數(shù)既包括旋轉(zhuǎn)，又包括往復(fù)線性運(yùn)動(dòng)，以完成既定任務(wù)。例如，往復(fù)式緊縮機(jī)，既包括用機(jī)軸曲軸旋轉(zhuǎn)，以將動(dòng)力傳送給一個(gè)或多個(gè)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的活塞，活塞在汽缸中直線運(yùn)動(dòng)，以緊縮介質(zhì)做功。2.2.2 振源分析v 振動(dòng)譜是旋轉(zhuǎn)與線性運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生力的合成。v 但是，此類機(jī)械所產(chǎn)生的間隔或頻率分量并不一定結(jié)合某一個(gè)完好的軸循環(huán)。在2沖程往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)中，活塞完成1個(gè)任務(wù)循環(huán)，曲軸完成360的任務(wù)循環(huán)；4沖程發(fā)動(dòng)機(jī)中，曲軸必需完成2個(gè)完好的循環(huán)，即旋轉(zhuǎn)720，一切活塞完成1個(gè)完好的任務(wù)循環(huán)。v 任務(wù)原理決議了往復(fù)機(jī)械不平衡力要明顯高于旋轉(zhuǎn)機(jī)械，例如，往

8、復(fù)式緊縮機(jī)驅(qū)動(dòng)每個(gè)活塞從氣缸的最遠(yuǎn)端到最近端，再前往到最遠(yuǎn)端。每次方向改動(dòng)都會(huì)引起機(jī)器振動(dòng)能量的忽然添加。每次活塞反轉(zhuǎn)方向，頻譜中都會(huì)出現(xiàn)瞬間峰值。v 線性運(yùn)動(dòng)的機(jī)械所產(chǎn)生的振動(dòng)分量與往復(fù)式機(jī)械類似，最大的不同就是不具有往復(fù)式機(jī)械方向改動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的瞬時(shí)沖擊?；诠逃刑匦苑治龅木o縮機(jī)減振研討松動(dòng)松動(dòng)2下的四階模態(tài)位移云圖下的四階模態(tài)位移云圖松動(dòng)松動(dòng)2下的十階模態(tài)位移云圖下的十階模態(tài)位移云圖松動(dòng)松動(dòng)1下的二階模態(tài)位移云圖下的二階模態(tài)位移云圖松動(dòng)松動(dòng)1下的六階模態(tài)位移云圖下的六階模態(tài)位移云圖建議：定期檢建議：定期檢查地腳螺栓能查地腳螺栓能否松動(dòng)，并定否松動(dòng)，并定期進(jìn)展加固。期進(jìn)展加固。 地腳螺栓出現(xiàn)松

9、動(dòng)的位置其振動(dòng)加劇。 振動(dòng)的根本知識(shí)振動(dòng)的根本知識(shí) 1 時(shí)域診斷法時(shí)域診斷法 2 頻域診斷法頻域診斷法 3 倒頻域診斷法倒頻域診斷法 4 幅值域診斷法幅值域診斷法 5 相關(guān)域診斷法相關(guān)域診斷法 6第四章第四章 振動(dòng)診斷的主要方法振動(dòng)診斷的主要方法機(jī)械振動(dòng)機(jī)械振動(dòng): :是指物體在平衡位置附近的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。是指物體在平衡位置附近的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。 實(shí)踐的振動(dòng)系統(tǒng)是復(fù)雜多樣的實(shí)踐的振動(dòng)系統(tǒng)是復(fù)雜多樣的, ,研討時(shí)必需建立其力學(xué)模型研討時(shí)必需建立其力學(xué)模型, ,以便利用數(shù)學(xué)工具進(jìn)展分析以便利用數(shù)學(xué)工具進(jìn)展分析, ,找出根本規(guī)律。常用的力學(xué)模型找出根本規(guī)律。常用的力學(xué)模型稱為質(zhì)量稱為質(zhì)量彈簧系統(tǒng)。彈簧系統(tǒng)。 振

10、動(dòng)的根本知識(shí)振動(dòng)的根本知識(shí) 1振動(dòng)三要素振動(dòng)三要素 振動(dòng)幅值振動(dòng)幅值A(chǔ) A 振動(dòng)周期振動(dòng)周期T/T/頻率頻率f f 振動(dòng)相位振動(dòng)相位 振動(dòng)的根本知識(shí)振動(dòng)的根本知識(shí) 1時(shí)間時(shí)間一個(gè)周期一個(gè)周期位移位移( (峰值峰值) )相位角相位角振動(dòng)最高點(diǎn)振動(dòng)最高點(diǎn)軸鍵相軸鍵相幅值幅值1 1、振動(dòng)波形的表達(dá)、振動(dòng)波形的表達(dá)x(t)=Ax(t)=A* *sin(2ft+)sin(2ft+)A-A-振幅，大小振幅，大小f-f-頻率，快慢頻率，快慢2 2、振動(dòng)的位移、速度、加速度目的、振動(dòng)的位移、速度、加速度目的位移：位移： x(t) x(t)速度：速度： v(t)=dx(t)/dt=fAcos(2ft+) v(t

11、)=dx(t)/dt=fAcos(2ft+)加速度：加速度：a(t)=dv(t)/dt=-f2Asin(2ft+)a(t)=dv(t)/dt=-f2Asin(2ft+) 三者間頻率三者間頻率 f f 不變，最大幅值呈不變，最大幅值呈 f f 倍遞增倍遞增 位移位移xmax=A xmax=A 速度速度 vmax=fA vmax=fA 加速度加速度 amax=f2Aamax=f2A 振動(dòng)的根本知識(shí)振動(dòng)的根本知識(shí) 13 3、位移、速度、加速度的選擇原那么、位移、速度、加速度的選擇原那么: : 受傳感器構(gòu)造及頻響特征影響，丈量對(duì)象為：受傳感器構(gòu)造及頻響特征影響，丈量對(duì)象為： 低頻振動(dòng)：低頻振動(dòng)：f10

12、0Hzf100Hz，位移，電渦流傳感器，位移，電渦流傳感器 中頻振動(dòng)：中頻振動(dòng)：f500Hzf500Hz，速度，動(dòng)圈式傳感器，速度，動(dòng)圈式傳感器 高頻振動(dòng)：高頻振動(dòng)：f20KHzf x(f) - S(f), x(t)- x(f) - S(f),功率譜功率譜是求頻譜的主要方法是求頻譜的主要方法2)Blackman-Tukey2)Blackman-Tukey法法 相關(guān)分析相關(guān)分析 fft fft x(t)- R(t) - S(f) x(t)- R(t) - S(f) - (fft)-(fft)-頻域乘頻域乘-(log)-(log)-頻域和頻域和-(fft-1)-(fft-1)-倒譜倒譜 倒頻域診斷

13、法倒頻域診斷法 43 3 、倒頻譜的變換步驟、倒頻譜的變換步驟: : 1)1)先進(jìn)展先進(jìn)展FFTFFT變換，使時(shí)域的卷積等于頻域相乘：變換，使時(shí)域的卷積等于頻域相乘： y(f)=x(f)h(f) y(f)=x(f)h(f)2)2)取對(duì)數(shù)，使積變?yōu)楹停喝?duì)數(shù)，使積變?yōu)楹停?Log(y(f)=log(x(f)+log(h(f) Log(y(f)=log(x(f)+log(h(f)3)3)進(jìn)展頻譜反變換：進(jìn)展頻譜反變換： C(q)=f-1(log(y(f) C(q)=f-1(log(y(f)4 4 、倒頻譜的種類、倒頻譜的種類: : 功率倒譜：功率倒譜： Cq=f(log(S(f) Cq=f(log

14、(S(f)幅值倒譜：幅值倒譜： Cq=f(log(x(f) Cq=f(log(x(f)類自相關(guān)倒譜：類自相關(guān)倒譜： Cq=f-1(log(S(f) Cq=f-1(log(S(f) 倒頻域診斷法倒頻域診斷法 45 5、倒頻譜運(yùn)用、倒頻譜運(yùn)用: : Gx Gx為信號(hào)，頻率較高；為信號(hào)，頻率較高；GhGh為系統(tǒng)函數(shù)，頻率較低，兩者進(jìn)展了卷為系統(tǒng)函數(shù)，頻率較低，兩者進(jìn)展了卷積混疊，如圖積混疊，如圖(a)(a)。 進(jìn)展倒譜分析后，倒頻率為進(jìn)展倒譜分析后，倒頻率為q2,q1 q2,q1 ，較為明顯，較為明顯, ,如圖如圖(b) (b) 。 倒頻域診斷法倒頻域診斷法 41 1、幅值域公式、幅值域公式: :

15、橫坐標(biāo)為橫坐標(biāo)為“幅值，縱坐標(biāo)為幅值，縱坐標(biāo)為“概率密度值。概率密度值。 幅值域函數(shù)也稱為幅值域函數(shù)也稱為“概率密度函數(shù)，反響了各種幅值在總體數(shù)據(jù)中概率密度函數(shù)，反響了各種幅值在總體數(shù)據(jù)中的分布情況。的分布情況。()()iin xp xN n(xi)xi n(xi)xi的個(gè)數(shù)；的個(gè)數(shù)；N N 一切幅值的個(gè)數(shù)一切幅值的個(gè)數(shù)2 2、幅值域診斷法原理、幅值域診斷法原理: : 根據(jù)概率密度函數(shù)曲線的外形進(jìn)展診斷。根據(jù)概率密度函數(shù)曲線的外形進(jìn)展診斷。 當(dāng)設(shè)備發(fā)生缺點(diǎn)時(shí)，振動(dòng)加劇，大幅值的數(shù)目增多，其比例值增大，當(dāng)設(shè)備發(fā)生缺點(diǎn)時(shí)，振動(dòng)加劇，大幅值的數(shù)目增多，其比例值增大，曲線外形由曲線外形由“尖、瘦變?yōu)榧?/p>

16、、瘦變?yōu)椤鞍⑴?。矮、胖?幅值域診斷法幅值域診斷法 53 3、幅值域診斷法的運(yùn)用、幅值域診斷法的運(yùn)用: : 正常與缺點(diǎn)軸承的概率密度函數(shù)曲線正常與缺點(diǎn)軸承的概率密度函數(shù)曲線 幅值域診斷法幅值域診斷法 51 1、自相關(guān)公式、自相關(guān)公式: : ( )R 用于求解周期信號(hào)。 是延遲的時(shí)間 ，將信號(hào)x(t)平移過(guò)一段間距，得x(t)或x(t-)，再相乘、求和。 01( )( ) ()TxRx t x tdtT時(shí)延域時(shí)延域( (相關(guān)相關(guān)) )診斷法診斷法 6自相關(guān)分析法，主要是對(duì)信號(hào)自相關(guān)分析法，主要是對(duì)信號(hào) 的自相關(guān)函數(shù)的自相關(guān)函數(shù) 進(jìn)展求解，并經(jīng)過(guò)進(jìn)展求解，并經(jīng)過(guò) 對(duì)信號(hào)中的周期成分進(jìn)展分析，從而

17、找出缺點(diǎn)振源。對(duì)信號(hào)中的周期成分進(jìn)展分析，從而找出缺點(diǎn)振源。( )x t( )R( )R2 2、自相關(guān)求解、自相關(guān)求解: :1)1)間接法間接法(Blackman-Tukey(Blackman-Tukey法法) )： fft fft-1 fft fft-1 x(t) S(f)R(t) x(t) S(f)R(t) 相關(guān)系數(shù)相關(guān)系數(shù) 2)2)直接法：直接法：k ik i0 x(0)x(0)+x(1)x(1)+ x(N-1)x(N-1) 0,N-10 x(0)x(0)+x(1)x(1)+ x(N-1)x(N-1) 0,N-11 x(0)x(1)+x(1)x(2)+x(N-2)x(N-1) 0,N-2

18、1 x(0)x(1)+x(1)x(2)+x(N-2)x(N-1) 0,N-22 x(0)x(2)+x(1)x(3)+x(N-3)x(N-1) 0,N-32 x(0)x(2)+x(1)x(3)+x(N-3)x(N-1) 0,N-3N-2 x(0)x(N-2)+x(1)x(N-1) 0,1N-2 x(0)x(N-2)+x(1)x(N-1) 0,1N-1 x(0)x(N-1) 0N-1 x(0)x(N-1) 0(1)(1)當(dāng)當(dāng)k=0k=0時(shí)，值為最大。時(shí)，值為最大。(2)(2)對(duì)于周期信號(hào)，當(dāng)延時(shí)至周期一半時(shí)，將出現(xiàn)最大負(fù)值。對(duì)于周期信號(hào)，當(dāng)延時(shí)至周期一半時(shí)，將出現(xiàn)最大負(fù)值。101( )( ) ()

19、,0,.,1NkxiR kx i x ikkNNk 時(shí)延域時(shí)延域( (相關(guān)相關(guān)) )診斷法診斷法 63 3、自相關(guān)診斷原理、自相關(guān)診斷原理: : (1) (1) 當(dāng)當(dāng)x(t)x(t)為隨機(jī)信號(hào)時(shí)，為隨機(jī)信號(hào)時(shí)，x(t)x(t)與與x(tx(t ) )的乘積有正有負(fù)，求和后的乘積有正有負(fù)，求和后R()R()值較小，并逐漸衰減。值較小，并逐漸衰減。隨機(jī)信號(hào)隨機(jī)信號(hào)隨機(jī)信號(hào)的相關(guān)函數(shù)隨機(jī)信號(hào)的相關(guān)函數(shù)時(shí)延域時(shí)延域( (相關(guān)相關(guān)) )診斷法診斷法 6 (2) (2) 當(dāng)當(dāng)x(t)x(t)為周期信號(hào)時(shí)，為周期信號(hào)時(shí)，x(t)x(t)與與x(tx(t ) )的乘積之和正負(fù)性穩(wěn)定的乘積之和正負(fù)性穩(wěn)定，R()R()值呈周期性變化。值呈周期性變化。 主要對(duì)周期性的缺點(diǎn)信號(hào)進(jìn)展檢測(cè)。主要對(duì)周期性的缺點(diǎn)信號(hào)進(jìn)展檢測(cè)。周期信號(hào)周期信號(hào)周期信號(hào)的相關(guān)函數(shù)周期信號(hào)的相關(guān)函數(shù)4 4、自相關(guān)診斷運(yùn)用：、自相關(guān)診斷運(yùn)用： 正常變速