設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷

1、設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷答卷1 列舉滾動軸承故障特征頻率分析的方法。解法（1）滾動軸承的典型結(jié)構(gòu)如下圖所示，它由內(nèi)圈、外圈、滾動體和保持架四部分組成。內(nèi)圈、外圈分別與軸頸及軸承座裝配在一起。在大多數(shù)情況下外圈不動，而內(nèi)圈隨軸回轉(zhuǎn)。滾動體是滾動軸承的核心元件，它使相對運動表面間的華東摩擦變?yōu)闈L動摩擦。滾動體的形式有球形、圓柱形、錐柱形和鼓形等等。滾動體可在內(nèi)、外圈滾道上進行滾動。 滾動軸承的結(jié)構(gòu)圖其中：D軸承滾動體中心所在的圓的直徑；d滾動體的平均直徑；內(nèi)圈滾道的平均直徑；外圈滾道的平均直徑；滾動體受力方向與內(nèi)外滾道垂直線的夾角；Z滾珠或滾針的數(shù)目。為分析軸承各部分運動參數(shù)，先做如下假設(shè)：(l)滾

2、道與滾動體之間無相對滑動; (2)承受徑向、軸向載荷時各部分無變形;(3)內(nèi)圈滾道回轉(zhuǎn)頻率為;(4)外圈滾道回轉(zhuǎn)頻率為;(5)保持架回轉(zhuǎn)頻率為(即滾動體公轉(zhuǎn)頻率為)。參見圖，則滾動軸承工作時各點的轉(zhuǎn)動速度如下:內(nèi)滾道上一點的速度為:外滾道上一點的速度為:保持架上一點的速度為: 由此可得保持架的旋轉(zhuǎn)頻率(即滾動體的公轉(zhuǎn)頻率)為:單個滾動體在外滾道上的通過頻率，即保持架相對外圈的回轉(zhuǎn)頻率為:單個滾動體在內(nèi)滾道上的通過頻率，即保持架相對內(nèi)圈的回轉(zhuǎn)頻率為:從固定在保持架上的動坐標系來看，滾動體與內(nèi)圈作無滑動滾動，它的回轉(zhuǎn)頻率之比與成反比。由此可得滾動體相對于保持架的回轉(zhuǎn)頻率(即滾動體的自轉(zhuǎn)頻率，滾動體

3、通過內(nèi)滾道或外滾道的頻率):可得：根據(jù)滾動軸承的實際工作情況，定義滾動軸承內(nèi)、外圈的相對轉(zhuǎn)頻率為。一般情況下，滾動軸承外圈固定，內(nèi)圈轉(zhuǎn)動: ，。同時考慮到滾動軸承有Z個滾動體，滾動軸承的特征頻率如下:滾動體在外圈滾道上的通過頻率（即當(dāng)外圈有缺陷時滾動軸承的故障特征頻率）為:滾動體在內(nèi)圈滾道上的通過頻率（即當(dāng)內(nèi)圈有缺陷時滾動軸承的故障特征頻率）為: 滾動體在保持架上的通過頻率(即滾動體自轉(zhuǎn)頻率當(dāng)滾動體有缺陷時滾動軸承的故障特征頻率)為: 解法（2）假設(shè)：滾動體為純滾動V1V2dDfr 其中f1滾動體公轉(zhuǎn)頻率；fr內(nèi)圈滾道回轉(zhuǎn)頻率為；D軸承滾動體中心所在的圓的直徑（既其公轉(zhuǎn)直徑）；D滾動體直徑；V

4、1外圈固定時，滾動體圓心的瞬時速度；V2外圈固定時，滾動體與內(nèi)圈接觸點的瞬時速度；Z滾動體的數(shù)量；滾動體受力方向與內(nèi)外滾道垂直線的夾角；內(nèi)圈滾道的平均直徑根據(jù)瞬心原理由上圖得：2V1=V2 (1) V1=2f1*D/2 (2) V2= 2fr*(D-dcos)/2 (3)將(2),(3)代入(1)式，得： 2f1D=fr(D-dcos) (4)當(dāng)外圈有缺陷時： fo=f1z= fr(1-d/Dcos)z/2當(dāng)內(nèi)圈有缺陷時： fe=(fr-f1)z = fr(1+d/Dcos)z/2所以推得：當(dāng)外圈有缺陷時，滾動軸承的故障特征頻率：fe=fr(1+d/Dcos)z/2當(dāng)內(nèi)圈有缺陷時，滾動軸承的故

5、障特征頻率：fo=fr(1-d/Dcos)z/2由于滾動體與內(nèi)圈作無滑動滾動，它的回轉(zhuǎn)頻率之比與成反比。因此可得當(dāng)滾動體有缺陷時滾動軸承的故障特征頻率為: 通過上述2種解法的比較，我們可以看出，方法2（即瞬心解法）相對與方法1，具有算法簡單明了，更容易掌握。2 齒輪嚙合頻率產(chǎn)生的原因？答：嚙合頻率在齒輪傳動過程中，每個輪齒周期地進入和退出嚙合。以直齒圓柱齒輪為例，其嚙合區(qū)分為單齒嚙合區(qū)和雙齒嚙合區(qū)。在單齒嚙合區(qū)內(nèi)，全部載荷內(nèi)一對齒副承擔(dān)；當(dāng)一旦進入雙齒嚙合區(qū)，則載荷分別由兩對齒副按其嚙合剛度的大小分別承擔(dān)(嚙合剛度是指嚙合齒副在其嚙合點處抵抗撓曲變形和接觸變形的能力)。因此齒輪嚙合頻率產(chǎn)生的原

6、因主要有：在單、雙齒嚙合區(qū)的交變位置，每對齒副所承受的載荷將發(fā)生突變，這必將激發(fā)齒輪的振動；同時，在傳動過程中，每個輪齒的嚙合點均從齒根向齒頂(主動齒輪)或齒頂向齒根(從動齒輪)逐漸移動，出于嚙合點沿齒高方向不斷變化，各嚙合點處齒副的嚙合剛度也隨之變化、相當(dāng)于變剛度彈簧，這也是齒輪產(chǎn)生振動的一個原因； 此外，出于齒輪的受載變形，其基節(jié)發(fā)生變化，在輪齒進入嚙合和退出嚙合時將產(chǎn)生齒入沖擊和齒出沖擊，這更加劇了齒輪的振動。對于斜齒圓柱齒輪，產(chǎn)生振動的原因基本相同，但由于同時嚙合的齒數(shù)較多，傳動較平穩(wěn)所產(chǎn)生的嚙合振動的幅值相對較低。 齒輪嚙合產(chǎn)生的振動是以每齒嚙合為基本頻率進行的，該頻率稱為嚙合頻率。

7、其計算公式為 式中： 、主、從動齒輪的齒數(shù) 、 主、從動齒輪的轉(zhuǎn)速 當(dāng)齒輪的運行狀態(tài)劣化之后，對應(yīng)于嚙合頻率及其諧波的振動幅值會明顯增加，這為齒輪的故障診斷提供了有力的依據(jù)。3 找某一對象構(gòu)建一個設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷方案。轉(zhuǎn)軸的振動監(jiān)測與診斷轉(zhuǎn)軸組件是許多機器設(shè)備中的主要裝配單元，它所發(fā)生構(gòu)異常現(xiàn)象是各種各樣的，可以應(yīng)用多種監(jiān)測技術(shù)對其進行監(jiān)測與診斷，例如振動監(jiān)測，閃頻觀測，裂紋探測等。其中振動監(jiān)測可以測取較多的信息，故多用振動監(jiān)測法對轉(zhuǎn)軸組件進行監(jiān)測與診斷。轉(zhuǎn)軸的振動現(xiàn)象轉(zhuǎn)軸的振動可分為橫向振動、軸向振動和扭轉(zhuǎn)振動三類，共中橫向振動對機器運轉(zhuǎn)的影響最大，故成為振動監(jiān)測的主要對象。下表列出了

8、轉(zhuǎn)軸發(fā)生的振動現(xiàn)象及其特征，圖表示了鋼鐵工業(yè)現(xiàn)場實際發(fā)生的各種振動現(xiàn)象之間的百分比。雖然這種百分比因產(chǎn)業(yè)、企業(yè)的不同而有很大的差異，但從圖中可以看出，轉(zhuǎn)軸發(fā)生的振動多由不平衡、不對中所引起，而且多數(shù)為低頻振動。當(dāng)然也可以見到高頻振動的異常。因此，對轉(zhuǎn)軸的監(jiān)測需要在盡可能寬的頻率范圍進行。 旋轉(zhuǎn)機械的異?，F(xiàn)象實例發(fā)生頻率主要異?，F(xiàn)象振動現(xiàn)象的特征低頻不平衡由于旋轉(zhuǎn)體軸心周圍的質(zhì)量分布不均，振頻一般與旋轉(zhuǎn)頻率相同不同軸（不對中等）當(dāng)兩根旋轉(zhuǎn)軸用聯(lián)軸器聯(lián)接有偏移時，振頻一般為旋轉(zhuǎn)頻率或高頻松動因基礎(chǔ)螺栓松動和磨損而發(fā)生，一般發(fā)生旋轉(zhuǎn)頻率的高次波成分潤滑油起泡（振動）在滑動軸承作強制潤滑的旋轉(zhuǎn)體中產(chǎn)生

9、，軸承的力學(xué)特性為振動的起因，振頻為軸的固有頻率中頻壓力脈動發(fā)生在水泵、風(fēng)機的壓力發(fā)生機構(gòu)和葉輪中，每當(dāng)流體通過渦旋殼體時發(fā)生壓力變化通過葉片時的振動多發(fā)生在軸流式或離心式壓縮機上，渦輪運轉(zhuǎn)時在動靜葉片間因葉輪和擴散器的干擾、貳噴嘴與葉輪的干擾而發(fā)生的振動高頻空穴作用在流體機械中，由于局部壓力下降而產(chǎn)生氣泡，到達高壓部分時氣泡破壞，一般即發(fā)生隨機的高頻振動和噪聲流體噪聲振動在流體機構(gòu)中，由于壓力發(fā)生機構(gòu)和密封件的異常等而發(fā)生的一種渦流，會產(chǎn)生隨機的高頻振動和噪聲診斷程序一般的診斷過程是，先采用便攜式測振儀器作簡易診斷；當(dāng)簡易診斷法判斷出存在異常時，然后實行精密診斷，以探求其故障原因。圖1是對轉(zhuǎn)

10、軸進行精密診斷時使用的測量和分析方法的簡要程序，由圖可以看出，進行精密診斷需要經(jīng)歷下列幾個步驟：(1) 了解異常發(fā)生的形態(tài)并審核簡易診斷的結(jié)果；(2) 確定測量方法，收集測試數(shù)據(jù)并進行正確分析；(3) 對故障做出綜合判斷。精密診斷需要從多方面對異?，F(xiàn)象進行分析，一般采用詢問診斷的方法來進行定性分析。例如，異?，F(xiàn)象是驟然發(fā)生的還是緩慢發(fā)生的？是重復(fù)發(fā)生過的現(xiàn)象還是比較穩(wěn)定的異?，F(xiàn)電？操作工人和簡易診斷人員對異?，F(xiàn)象的認識如何？對簡易診斷的結(jié)果需要再次審核，以便根據(jù)趨向管理數(shù)據(jù)確認發(fā)生異常的領(lǐng)域。還有，為了正確解釋所發(fā)生的異?，F(xiàn)象，需要熟悉對象設(shè)備的設(shè)計性能。a) 硬件流程 項 目 內(nèi) 容 方 法

11、事前調(diào)查機械的規(guī)格和性能，口頭詢問異常的發(fā)生形態(tài)機械圖紙趨向管理卡事前調(diào)查 對簡易診斷結(jié)果再次審核簡易診斷設(shè)備便攜式振動計事前調(diào)查機械的規(guī)格和性能，口頭詢問異常的發(fā)生形態(tài)確定測定方法加速度計，速度計，位移計根據(jù)上述確認結(jié)果選用測定傳感器根據(jù)上述確認結(jié)果確定測定部位，測定振動并予以記錄振動測定數(shù)據(jù)記錄器精密診斷設(shè)備信號處理濾波器，包絡(luò)線按照發(fā)生的現(xiàn)象正確進行信號處理 項 目 內(nèi) 容 方 法示波器直觀圖像同時觀察振動及旋轉(zhuǎn)指示器，記錄波形的特征參數(shù) 分 析 波形觀察對振動的頻率或次數(shù)進行分析FFT分析實時分析頻域分析按振動頻率的成分的相位及相位值的時間變化進行分析相位計FFT分析相位域分析分析發(fā)生

12、振動的沖擊程度等概率密度分析峰值區(qū)分析振幅域分析根據(jù)轉(zhuǎn)速振量曲線的振動形態(tài)（他激）（自激）分析軸的旋轉(zhuǎn)振擺李薩如圖形振動形態(tài)分析時域分析根據(jù)規(guī)定的檢查卡片和詢問結(jié)果做出判斷詢問診斷結(jié)果檢查卡片機械性能綜合判斷 b) 診斷流程 圖 （1）旋轉(zhuǎn)機械的精密診斷流程 進行振動測量的方法已如前述。對收集到的振動致?lián)?，需要正確分析。值得注意的是：過去一提振動分析，很容易認為就是振動頻率分析。但只作一項分機是不夠的，因為只從某個角度可能觀察不到全面的異?，F(xiàn)象，從而不能做出正確的判斷。因此，對于振動需要從頻率、相位、振幅、時間等各領(lǐng)域進行分析，最大限度地測定異常振動的各種性質(zhì)。圖2是按圖1實施的主要分析內(nèi)容和

13、典型實問。 綜合判斷是根據(jù)分析的結(jié)果對故障原因做出推斷。通常使用的方法如下：預(yù)先娃備好按異常機理分別表示其振動性質(zhì)的檢查卡片，將這些卡片同分析所得的結(jié)果進行對照；另一方面，由診斷人員根據(jù)口頭提問的結(jié)果和經(jīng)驗來做出判斷。 近來逐漸采用如下的方法：按各種異常機理分別預(yù)先確定其劣化指標的標準值，再根據(jù)異常現(xiàn)象購振動分析結(jié)果計算出各項劣化指標，將此值與預(yù)先定出的標樁值對比，從而可自行推斷出異常的原因。這種方法的優(yōu)點是，能使從做出分析結(jié)果到確定診斷結(jié)果的流程充分定量化，今后也可作為自動診斷方法加以運用。 (三)轉(zhuǎn)軸振動原因的識別 引起轉(zhuǎn)軸振動的原因是各種各樣的，預(yù)防的措施和修復(fù)的方法也因之而異。所以，查

14、明振動原因才能對癥下藥，藥到病除。 轉(zhuǎn)軸的振動又可分為強迫振動和自激振動兩種，表1說明了強迫振動和自激振動的特點及性質(zhì)。 轉(zhuǎn)軸的振動一般有兩類激振原因：一類是由缺陷(包括磨損)引起的，另一類是由結(jié)構(gòu)引起的。 主要分析方法概 要舉 例1 頻率分析 檢查發(fā)生振動的頻率振幅 頻率 不平衡成分 不同軸成分 壓力脈動成分相位分析 檢查所發(fā)生的振動和旋轉(zhuǎn)指示器的同步性相位 不變化（同步）強迫振動 變化的（不同步）自激振動，其他振動振動形態(tài)分析改變轉(zhuǎn)速并檢查振幅的變化 轉(zhuǎn) 速振幅 強迫振動 共振 電子引起的振動概率密度分析檢查所發(fā)生的振幅概率 流體噪聲振動 沖擊振動 圖 2 主要分析方法概要 表 1 強迫振

15、動和自激振動的比較 內(nèi) 容強 迫 振 動自 激 振 動頻率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系振動頻率與旋轉(zhuǎn)頻率相同或者為其倍或倍（為正整數(shù)）頻率與轉(zhuǎn)速無關(guān)，大體固定振幅與轉(zhuǎn)速的關(guān)系在某一固定轉(zhuǎn)速下振幅出現(xiàn)了峰值，多以危險速度及其倍表示在某轉(zhuǎn)速下振幅突然增大，隨后即使增大或減小轉(zhuǎn)速，振幅也不減小減振器的效果可使峰值減小，對于出現(xiàn)峰值的轉(zhuǎn)速無影響如加減振器，則造成振幅加大的轉(zhuǎn)速提高，加大后振幅值不變異常原因振幅的大小隨異常程度而變，異常大則大，小則變小授幅值一定，它與異常程度無關(guān)發(fā)生的頻率為旋轉(zhuǎn)頻率或為其、倍，成為自然振動頻率旋轉(zhuǎn)軸的自然振動頻率防止方法 使運行轉(zhuǎn)速在危險速度的范圍以外 盡可能減小強制外力 必須在危險轉(zhuǎn)

16、速的范圍內(nèi)運轉(zhuǎn)時，利用減震器減小危險速度下的振幅 將運行轉(zhuǎn)速限定在發(fā)生自激振動的轉(zhuǎn)速以下 減少不穩(wěn)定的主要因素 安裝減震器使發(fā)生自激振動的轉(zhuǎn)速提高為了便于識別轉(zhuǎn)軸的振動原因，下面對典型異?，F(xiàn)象的特點作些說明。1不平衡 在旋轉(zhuǎn)機械中，由于不平衡造成的振動最多。例如轉(zhuǎn)軸上安裝的齒輪，如果它上面存在材質(zhì)缺陷，或者裝配孔中心偏移，或者輻板上孔的位置不是均勻分布，或者輪齒發(fā)生偏磨損，都會產(chǎn)生不平衡量，其離心力導(dǎo)致轉(zhuǎn)軸振動。表2中列出了不平衡引起的振動的特點。 由不平衡所引起的振動，它的最大特點是發(fā)生與旋轉(zhuǎn)同步的基本振動，此外，偏心振動也是引起不平衡類似的振動的主要原因。 表 2 不平衡振動的特點參 數(shù)性

17、 質(zhì)振動方向 以徑向為主，因軸承的結(jié)構(gòu)容易產(chǎn)生水平方向的振動 懸伸式機械的軸向振幅和徑向相同發(fā)生的頻率 與旋轉(zhuǎn)頻率一致相位變化 經(jīng)常保持一定角度（與旋轉(zhuǎn)標記同步）振擺 旋轉(zhuǎn)方向振動形態(tài) 旋轉(zhuǎn)降低的同時位移量趨近于零（共振范圍除外） 2不同軸所謂轉(zhuǎn)軸的不同軸，是指用聯(lián)軸節(jié)連結(jié)越來的兩根軸的中心線有偏移，從而引起振動現(xiàn)象。存在不同軸時，除了橫向振動，還容易發(fā)生軸向掀動。不同軸不嚴重時，其頻率成分為旋轉(zhuǎn)基本頻率。如果不同軸嚴重，則產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)基本頻率的高次成分。這樣，從頻率方面容易誤認為不平衡，因為不平衡引起的振動，振幅的增大同轉(zhuǎn)速的平方成比例，而不同軸引起的振動，振幅大體一定，與轉(zhuǎn)速沒有什么關(guān)系。表3

18、列出了不同軸振動的特點。表 3 不同軸振動的特點項目性 質(zhì)振動方向易發(fā)生軸向振動，如發(fā)生的軸向振動在徑向振動的50%以上，則存在不同軸發(fā)生頻率 在普通的聯(lián)接軸上以為主體，如激烈時則發(fā)生相位的變化 經(jīng)常保持一定角度（與旋轉(zhuǎn)標記同步）振動形態(tài) 與轉(zhuǎn)速降低無關(guān)，位移量或者一定，或者增加，不趨近于零3松動松動現(xiàn)象是螺栓緊固不牢引起的。出現(xiàn)這種現(xiàn)象時，其特點是發(fā)生垂直方向的振動，也就是在松功的情況下，除了不平衡和不同軸引起的強制力外，還必須考慮重力的影響。松動現(xiàn)象具有非線性彈簧的特性，所以，在這種情況下，除了旋轉(zhuǎn)的基本振動外，還會發(fā)生高次成分，其振動特征列于表4。表 4 松動引起的振動的特點項目性 質(zhì)振動方向雖無特別容易出現(xiàn)的方向，但容易變?yōu)樯舷路较虻恼駝又饕l率 除基本頻率外，可發(fā)生高次諧波（、）成分，也會發(fā)生、等分數(shù)級諧和共振相位變化 無變化（同步）振動形態(tài) 如使轉(zhuǎn)速增減，位移會突然增大或減?。ㄌS現(xiàn)象）4自激振動 作為自激振動的例子，