機械故障診斷學-第2章-振源分析ppt課件

1、中國石油大學北京中國石油大學北京 張來斌教授張來斌教授 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 一切的包含運動部件的機械，在正常的運轉過程中，都會產活力械力。而且，在當機器的機械形狀由于，磨損、運轉環(huán)境的變化和負載動搖等緣由發(fā)生變化時，機械力同樣也會發(fā)生變化。正確了解機械動力學，了解機械力會如何產生獨特的振動頻率，是正確了解振源分析的關鍵。v 振動不僅僅只是出現(xiàn)。而且具有數(shù)學表達式，具有物理意義，機器中每個部件的振動，都具有數(shù)學表

2、達式或稱，力函數(shù)。這些部件的振動，可以由FFT變換或頻域分析后的離散峰值表示。v 因機械運動而產生的振動，是一種力不平衡的結果。根據(jù)定義，理想形狀下，運動系統(tǒng)的產生力或作用于其上的一切的力應處于平衡形狀。但實踐上，總存在一定的不平衡，一切機械都存在一定的振動。v 本章討論常見的旋轉機械、往復式或線性運動機械的振源。2.1 旋轉機械振源分析v 旋轉機械具有一個或多個機械部件，隨軸的旋轉而運動。如：滾動軸承、葉輪、以及其他回轉體。在平衡良好的機械中，一切回轉體都繞中心線旋轉，一切力都是平衡的。但是，工業(yè)實踐中，力不平衡非常普遍。力不平衡的緣由除了回轉體的不平衡引起，也會由于經過旋轉機械的介質流動不

3、平穩(wěn)而產生。2.1.1 轉子不平衡v 機械不平衡形狀：回轉體在中心線兩邊的質量分配不均勻。v 許多情況下，轉子動不平衡是由于轉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 從機械設計的角度分析，當機械在正常運轉參數(shù)下任務，豎直向上的升舉力，必需抑制轉子本身重力，使得轉子恰好在軸承構造的中心來旋轉。v 但是，由于重力和大氣壓力會隨著海拔高度的變化而存在差別，所以，在實踐的任務環(huán)境中，升舉力普通不會恰好補償向下的重力。當設計的升舉力與實踐升舉力偏向較大時，轉子就不會恰好圍繞其實踐中心線旋轉。這個旋轉的偏移量就產生了不平衡力與可以丈量的振動。2.1.2 流體不穩(wěn)定與運轉工況影響

4、v 受因紊流或不平衡介質流動而引起的不平衡力的旋轉機械：泵、鼓風機、緊縮機。v 這些機械在設計過程中，就必需思索氣體、或液體在回轉體內部的動態(tài)力。這些動態(tài)力的合力與支撐系統(tǒng)如，軸承與軸承座的剛度，決議了振動程度。轉子支撐剛度非常重要，由于，流體不穩(wěn)定產生的不平衡力可以是轉子部件旋轉偏離中心線，而支撐剛度可以抵消偏移。v 運轉偏離機器的設計工況可以影響流量的穩(wěn)定性，能夠直接影響振動幅值。例如，離心緊縮機在流體負載100%額定負載的工況下，振動相對很低。但是，當負載降低時，就徑向振動會發(fā)生變化。當負載降低為額定負載的50%時，即使緊縮機機械形狀不發(fā)生變化，振動能量也將添加為400%。如何了解？另外

5、，徑向振動變化，又會反過來約束管道入口或出口的流體，從而產生紊流。v 紊流或者不平衡介質流動如，空氣動力學或水力不穩(wěn)定不會像由于負載改動引起的振動那樣，對整機振動產生二次方的影響，但是也會添加振動的總體能量?？梢杂锰卣髡駝觼砹炕瘷C械內不穩(wěn)定性。不平衡流體的特征振動可以用旋轉部件葉片的經過頻率來表示。另外，氣體或液體經過機器時的隨機噪聲也會添加。2.2 往復式/線性運動機械v 本節(jié)討論往復式/線性運動機械中典型的振動行為。v 2.2.1 機械描畫v 往復式機械在一個任務循環(huán)中，雙向往復運動；往復式緊縮機構造表示圖 曲軸旋轉一周，活塞往復一次，氣缸內相繼實現(xiàn)進氣、緊縮、排氣的過程，即完成一個任務循

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式緊縮機的根本構造曲軸十字頭導軌大頭瓦連桿曲軸箱十字頭銷十字頭主軸承 小頭瓦往復式緊縮機的根本構造排氣閥進氣閥填料活塞桿活塞刮油環(huán)光滑系統(tǒng)缺點油壓忽然降低油壓逐漸降低光滑油溫度過高光滑油耗費量過大冷卻系統(tǒng)缺點排氣溫度過高冷卻效果差氣缸內有水壓力異常排氣壓力過高、過低進排氣閥漏氣壓力分配失調異常聲響和過熱運動部件異常聲響任務摩擦過熱空壓機過熱平安閥缺點不能適時開啟閥芯密封不嚴平安閥開啟但壓力繼續(xù)升高主要零、部件損壞活塞環(huán)磨損過快連桿與連桿螺栓損壞活塞咬死和損壞常見缺點往復式緊縮機關鍵部件的常見缺點方式往復式緊縮機關鍵部件的常見缺點方式 v 線性任務

7、機械在一個任務循環(huán)中，單向直線運動。v 幾乎沒有機械是純粹往復運動的。大多數(shù)既包括旋轉，又包括往復線性運動，以完成既定任務。例如，往復式緊縮機，既包括用機軸曲軸旋轉，以將動力傳送給一個或多個往復運動的活塞，活塞在汽缸中直線運動，以緊縮介質做功。2.2.2 振源分析v 振動譜是旋轉與線性運動產生力的合成。v 但是，此類機械所產生的間隔或頻率分量并不一定結合某一個完好的軸循環(huán)。在2沖程往復式發(fā)動機中，活塞完成1個任務循環(huán)，曲軸完成360的任務循環(huán)；4沖程發(fā)動機中，曲軸必需完成2個完好的循環(huán)，即旋轉720，一切活塞完成1個完好的任務循環(huán)。v 任務原理決議了往復機械不平衡力要明顯高于旋轉機械，例如，往

8、復式緊縮機驅動每個活塞從氣缸的最遠端到最近端，再前往到最遠端。每次方向改動都會引起機器振動能量的忽然添加。每次活塞反轉方向，頻譜中都會出現(xiàn)瞬間峰值。v 線性運動的機械所產生的振動分量與往復式機械類似，最大的不同就是不具有往復式機械方向改動時產生的瞬時沖擊?；诠逃刑匦苑治龅木o縮機減振研討松動松動2下的四階模態(tài)位移云圖下的四階模態(tài)位移云圖松動松動2下的十階模態(tài)位移云圖下的十階模態(tài)位移云圖松動松動1下的二階模態(tài)位移云圖下的二階模態(tài)位移云圖松動松動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，并定否松動，并定期進展加固。期進展加固。 地腳螺栓出現(xiàn)松

9、動的位置其振動加劇。 振動的根本知識振動的根本知識 1 時域診斷法時域診斷法 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 相關域診斷法相關域診斷法 6第四章第四章 振動診斷的主要方法振動診斷的主要方法機械振動機械振動: :是指物體在平衡位置附近的往復運動。是指物體在平衡位置附近的往復運動。 實踐的振動系統(tǒng)是復雜多樣的實踐的振動系統(tǒng)是復雜多樣的, ,研討時必需建立其力學模型研討時必需建立其力學模型, ,以便利用數(shù)學工具進展分析以便利用數(shù)學工具進展分析, ,找出根本規(guī)律。常用的力學模型找出根本規(guī)律。常用的力學模型稱為質量稱為質量彈簧系統(tǒng)。彈簧系統(tǒng)。 振

10、動的根本知識振動的根本知識 1振動三要素振動三要素 振動幅值振動幅值A A 振動周期振動周期T/T/頻率頻率f f 振動相位振動相位 振動的根本知識振動的根本知識 1時間時間一個周期一個周期位移位移( (峰值峰值) )相位角相位角振動最高點振動最高點軸鍵相軸鍵相幅值幅值1 1、振動波形的表達、振動波形的表達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、振動的位移、速度、加速度目的、振動的位移、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 振動的根本知識振動的根本知識 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: : 受傳感器構造及頻響特征影響，丈量對象為：受傳感器構造及頻響特征影響，丈量對象為： 低頻振動：低頻振動：f10

12、0Hzf100Hz，位移，電渦流傳感器，位移，電渦流傳感器 中頻振動：中頻振動：f500Hzf500Hz，速度，動圈式傳感器，速度，動圈式傳感器 高頻振動：高頻振動：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 相關分析相關分析 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)先進展先進展FFTFFT變換，使時域的卷積等于頻域相乘：變換，使時域的卷積等于頻域相乘： y(f)=x(f)h(f) y(f)=x(f)h(f)2)2)取對數(shù)，使積變?yōu)楹停喝?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)進展頻譜反變換：進展頻譜反變換： 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)類自相關倒譜：類自相關倒譜： 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、倒頻譜運用、倒頻譜運用: : Gx Gx為信號，頻率較高；為信號，頻率較高；GhGh為系統(tǒng)函數(shù)，頻率較低，兩者進展了卷為系統(tǒng)函數(shù)，頻率較低，兩者進展了卷積混疊，如圖積混疊，如圖(a)(a)。 進展倒譜分析后，倒頻率為進展倒譜分析后，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、橫坐標為橫坐標為“幅值，縱坐標為幅值，縱坐標為“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的個數(shù)；的個數(shù)；N N 一切幅值的個數(shù)一切幅值的個數(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)曲線的外形進展診斷。根據(jù)概率密度函數(shù)曲線的外形進展診斷。 當設備發(fā)生缺點時，振動加劇，大幅值的數(shù)目增多，其比例值增大，當設備發(fā)生缺點時，振動加劇，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?、胖。矮、胖?幅值域診斷法幅值域診斷法 53 3、幅值域診斷法的運用、幅值域診斷法的運用: : 正常與缺點軸承的概率密度函數(shù)曲線正常與缺點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、自相關公式、自相關公式: : ( )R 用于求解周期信號。 是延遲的時間 ，將信號x(t)平移過一段間距，得x(t)或x(t-)，再相乘、求和。 01( )( ) ()TxRx t x tdtT時延域時延域( (相關相關) )診斷法診斷法 6自相關分析法，主要是對信號自相關分析法，主要是對信號 的自相關函數(shù)的自相關函數(shù) 進展求解，并經過進展求解，并經過 對信號中的周期成分進展分析，從而

17、找出缺點振源。對信號中的周期成分進展分析，從而找出缺點振源。( )x t( )R( )R2 2、自相關求解、自相關求解: :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) 相關系數(shù)相關系數(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)當當k=0k=0時，值為最大。時，值為最大。(2)(2)對于周期信號，當延時至周期一半時，將出現(xiàn)最大負值。對于周期信號，當延時至周期一半時，將出現(xiàn)最大負值。101( )( ) ()

19、,0,.,1NkxiR kx i x ikkNNk 時延域時延域( (相關相關) )診斷法診斷法 63 3、自相關診斷原理、自相關診斷原理: : (1) (1) 當當x(t)x(t)為隨機信號時，為隨機信號時，x(t)x(t)與與x(tx(t ) )的乘積有正有負，求和后的乘積有正有負，求和后R()R()值較小，并逐漸衰減。值較小，并逐漸衰減。隨機信號隨機信號隨機信號的相關函數(shù)隨機信號的相關函數(shù)時延域時延域( (相關相關) )診斷法診斷法 6 (2) (2) 當當x(t)x(t)為周期信號時，為周期信號時，x(t)x(t)與與x(tx(t ) )的乘積之和正負性穩(wěn)定的乘積之和正負性穩(wěn)定，R()R()值呈周期性變化。值呈周期性變化。 主要對周期性的缺點信號進展檢測。主要對周期性的缺點信號進展檢測。周期信號周期信號周期信號的相關函數(shù)周期信號的相關函數(shù)4 4、自相關診斷運用：、自相關診斷運用： 正常變速