狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷的基本圖譜

1、狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷的基本圖譜一、常規(guī)圖譜常規(guī)圖譜又稱穩(wěn)態(tài)圖譜，是在轉(zhuǎn)速相對穩(wěn)定、沒有大幅度變化情況下的有關(guān)圖譜，因此其不含開停車信息。1 .機(jī)組總貌圖 機(jī)組總貌圖顯示了機(jī)組的總貌，可了解機(jī)型、轉(zhuǎn)子支撐方式、軸承位置、運(yùn)行轉(zhuǎn)速等，主要是查看探頭的位置及位號。2 .單值棒圖 較為形象、直觀地顯示實時振動值，并可知低報、高報報警值及轉(zhuǎn)速。3 .多值棒圖 多值棒圖顯示實時通頻值及各主要振動分量的振動值，可大致了解機(jī)組運(yùn)行是否正常。正常運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下的 多值棒圖 通常是：一倍頻最大、且與通頻相差不大， 二倍頻小于一倍 頻的一半，0.5倍 頻微量或無，可選頻段很小，殘余量不大。其中：(1)通頻值？即總振動值，

2、為各頻率振動分量相互矢量迭加后的總和。(2) 一倍頻？為轉(zhuǎn)子實際運(yùn)行轉(zhuǎn)速n下的頻率f,又稱工頻、基頻、轉(zhuǎn)頻，f = n /60 Hz;轉(zhuǎn)子動不平衡及軸彎曲、軸承不良(偏心)、熱態(tài)對中不良、支承剛度異常、在臨界轉(zhuǎn)速區(qū)運(yùn)行、電機(jī)氣隙偏心等，都會引起一倍頻振動分量的增大，發(fā)生概率依次降低。(3)二倍頻？二倍工頻，轉(zhuǎn)子熱態(tài)不對中、裂紋、松動、水平方向上支承剛度過差等，都會引起二倍頻振動分量增大，絕大多數(shù)是軸系不對中。(4) 0.5倍頻？ 0.5倍工頻，又稱半頻，油膜渦動會引起該頻率段增大，軸承工作不良 也會引起該段頻率增大；旋轉(zhuǎn)失速、摩擦也都有可能。(5)可選頻段？由用戶根據(jù)機(jī)組常見故障自己定義的頻段

3、，一般可選擇(0.40 .6) 倍工頻或(0.30 .8)倍工頻，用來監(jiān)測是否發(fā)生亞異步振動，如油膜渦動、旋轉(zhuǎn)失速、密封流 體激振、進(jìn)汽(氣) 脈動、摩擦、松動等。主要是軸承因緊力、接觸、搖擺、油檔及油溫等 問題引起的油膜失穩(wěn)、摩擦、旋轉(zhuǎn)失速、 進(jìn)汽脈動。(6)殘余量？除上述頻率成分外，剩余頻率成分振動分量的總和，該部分振值高時，轉(zhuǎn)子有可能發(fā)生摩擦、 高頻氣流脈動等。4.波形圖波形圖顯示了振動位移與時間的關(guān)系，又稱幅值時域圖。波形圖顯示了振幅、周期(即頻率)、 相位，特別是波形的形狀和狀態(tài)。圖中： 振幅為正峰與負(fù)峰之間的位移量，比較各周期對應(yīng)的峰高，即可知振幅值是否穩(wěn)定；二個亮點之間為一個旋轉(zhuǎn)

4、周期，波形圖的周期數(shù)可以選取，想了解波形重復(fù)性時周期數(shù)選多一點，想了解波形細(xì)節(jié)時周期數(shù)選少一點； 亮點為振動的初相位、即零位，比較各周期對應(yīng)峰與零位的間隔，可以粗略了解振動相位 (發(fā)生的時間、位置)是否穩(wěn)定。波形圖既可以是通頻波形圖，即顯示通頻總振值與時間(周期)的關(guān)系；也可以是選頻波形圖，即一倍頻波形、二倍頻波形、0.5倍頻波形、等。波形圖也可以作為示波器對振動波形的形態(tài)和變化進(jìn)行實時監(jiān)測。由于從波形圖上不能直接得頻率及相位的精確數(shù)據(jù)，現(xiàn)在很少用它來確定振動參數(shù)。但是，其形象、具體的波形及其變化狀態(tài)，特別是波形在各周期下的重復(fù)性狀況，仍非常有助于對振動故障、尤其是干擾信號的分析、界定。例如：

5、(1)正常運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下的 波形圖，因工頻為主，所以為 近似的正弦波，如上圖；(2)動不平衡時，為近似的 等幅正弦波，見下圖；(3) 對中不良時，波峰翻倍，波形光滑、穩(wěn)定、 重復(fù)性好，見下圖；(4)摩擦?xí)r，波峰多，波形毛糙、不穩(wěn)定，或有削波，見下圖；(5)自激振蕩時，波形雜亂、重復(fù)性差、波動性大；(6) 嚴(yán)重油膜渦動 時，因接近半頻， 振幅大小間隔，反而有點規(guī)律，見下圖；瞬態(tài)振動時，波形為若干周期的連續(xù)衰減；沖擊振動時，通頻波形上出現(xiàn)小于一個周期的突起后又衰減的波形；虛假信號干擾 時，波形瞬間急劇變化，甚至呈直線狀，見下圖。動不平衡時，為近似的等幅正弦波不對中時，波峰翻倍，波形穩(wěn)定、重復(fù)性好二倍頻

6、在通頻的一個周期內(nèi) 變化二次,對中不良時，通頻波形圖肯定要受到二倍頻正弦波的影響, 迭加后的波形自然是波峰翻倍。在上圖中，由于工頻本身較低，只有16 P m從而使略微偏高的二倍頻(18 P m)顯得較高；止匕外，由于還存在一些不太大的高次諧波，所以波形不夠光滑；各頻率成分的幅值較為出現(xiàn)小于一個急劇變化，甚至穩(wěn)定，波形的重復(fù)性好。總體上看，機(jī)組存在對中不良，但程度并不嚴(yán)重。 主要為動不平衡、并存在摩擦的波形頻譜圖油做郵借蝴凝!時時波形頻譜圖。波形主要為較典型的正弦波，幅值很大 ，為122.5 P m ; 此外，還存在波峰'多、波成毛糙以及單邊(正峰)削波現(xiàn)象。根據(jù)煙機(jī)運(yùn)行以及催化劑在氣封

7、處期的突起后又衰減的波形。特點，該煙機(jī)主要存在著因催化劑在轉(zhuǎn)子輪盤上粘結(jié)而形成的動不平衡, 堆積而捌粗幽蜀溺娜I;部摩擦舜間 直線狀嚴(yán)重油膜渦動時的波形頻譜圖油膜渦動嚴(yán)重時，接近于半頻的波形必然會對通頻波形產(chǎn)生重要影響。半頻的波形是正弦波、周期為通頻的二倍，在半頻的正峰、負(fù)峰分別間隔影響下，迭加后形成了周期內(nèi)振幅正、負(fù)值懸殊大、各周期振幅大小間隔的通頻波形，一個周期振幅大，另一個周期振幅小。5 .頻譜圖頻譜圖顯示了各振動分量的頻率及其振幅值。橫坐標(biāo)可選擇“階比”或“頻率”。各種頻率所對應(yīng)的故障可參照前面在多值棒圖中的介紹。正常運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下的 頻譜圖通常是：一倍頻最大，二倍頻次之、約小于一倍頻的一

8、半，三倍頻、四倍頻乂倍頻逐步參差 遞減，低頻（即小于一倍頻的成份） 微量或無，其它頻率成 分基本上不存在?？搭l譜圖不能就圖論圖，因為大多數(shù)情況下總是一倍頻最大， 一定要與歷史及正常運(yùn)轉(zhuǎn) 下的頻譜圖相比 較，查找哪些頻率成份發(fā)生了增大變化， 增大的倍率有多大，是否出現(xiàn)新的 異常頻率成分，各分量的能量水 平大不大，等等。該頻譜圖中各頻率分量的能量水平實際上很小，工頻也相對較小。6 .軸心軌跡圖軸心軌跡圖顯示了轉(zhuǎn)子軸心相對于軸承座渦動時的運(yùn)動軌跡。正常的軸心軌跡應(yīng)該是一個較為穩(wěn)定的、長短軸相差不大的橢圓。不對中時，軸心軌跡為月牙狀、香蕉狀，嚴(yán)重時為8字形；發(fā)生摩擦?xí)r，會出現(xiàn)多處 鋸齒狀尖角或小環(huán)；軸

9、承間隙或剛度差異過大時，為一個很扁的橢圓； 可傾瓦瓦塊安裝 間隙相互偏差較大時，會出現(xiàn)明顯的 凹凸?fàn)?。不對中時，軸心軌跡為月牙狀、香蕉狀、8字形某煙機(jī)因催化劑在氣封底部堆積造成局部碰摩時前軸承（重載瓦）的軸心軌跡如果軸心軌跡的形狀及大小的 重復(fù)性好，則表明轉(zhuǎn)子的渦動是 穩(wěn)定的；否則，就是不穩(wěn) 定的。轉(zhuǎn)子發(fā) 生亞異步自激振動時，其軸心軌跡往往很不穩(wěn)定，不僅形狀及大小時刻在發(fā)生較大的變化，而且還會出現(xiàn)大圈套小圈的情況。某汽靶機(jī)軸承發(fā)主毓輕的油渦動時的軸心軌跡圈軸心軌跡圖有原始、提純、平均、一倍頻、二倍 頻、0.5倍頻等多種軸心軌跡，主要看提純、一倍頻、 二倍頻的軸心軌跡 圖。這是因為轉(zhuǎn)子振動信號中

10、不 可避免地包含了噪聲、電磁信號干擾等超高次諧波 分量，使得軸心軌跡的形狀變得十分復(fù)雜，有時甚電磁干擾等超高次諧波信至是非常地混亂。而提純的軸心軌 跡排除了噪聲和號的影響，突出了工頻、0.5倍頻、二倍頻等主要因素，便于清晰地看到問題的本質(zhì)；一倍頻軸心軌跡可以看出軸承的間隙及剛度是否存在問題，因為不平衡量引起的工頻振動是一個弓狀回轉(zhuǎn)渦動，工頻的軸心軌跡就應(yīng)該是一個圓或長短軸相差不大的橢圓，而如果軸承間隙或剛度存在方向上的較大差異，那么工頻的軸心軌跡就會變成一個很扁、很扁的橢圓，從而把同為工頻的不平衡故障和軸承間隙或剛度差異過大很簡便地區(qū)別開來；二倍頻軸心軌跡則可以看出嚴(yán)重不對中時的影響方向等。通

11、過軸心軌跡 圖，還可以 判斷轉(zhuǎn)子的渦動是 正進(jìn)動、還是反進(jìn)動。通過振動后勢圖可以看到異常振動的起始時間、 終I上時間*持續(xù)時間，特別是工頻、7.振動趨勢圖嶗啾糕竄崛與時間的爆線監(jiān)測的優(yōu)勢。此外'還可以調(diào)看探頭間隙電壓的趨勢'從而例如，由上圖中可見，同一軸承處二個測點的工頻振幅值及相位一直在同起同落、能上能下地變化，變化過程是由許多小的變化所組成，其中既有漸變（較均勻結(jié)垢）、又有小的突變（突然掉落一塊），但總體上是緩慢的漸變，振幅值能回落到靠近原正常振動值附近,因此是較典型的轉(zhuǎn)子結(jié)垢。F面是某發(fā)電汽輪機(jī)高壓轉(zhuǎn)子1#、2#軸承的一倍頻振動趨勢圖及探頭間隙電壓趨勢圖振動趨勢圖上看，1

12、#軸承的IX、1Y振動值及相位多次同時發(fā)生較大變化，另一端的2Y也同時變化，似乎是真的發(fā)生了振動，然而相位反復(fù)變化后終回到原值又令人生疑。但再看間隙電壓趨勢圖，IX、1Y、2Y的間隙電壓都在對應(yīng)的同一時間也發(fā)生了較大的變化，根據(jù)探頭特性，在振動值變化50 ym時，間隙電壓變化不應(yīng)超過0.2V,而實際都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過（約為0.5-3V），另外2X早已從10V變成了 5V而處于失靈狀態(tài)。止匕外，其它各種頻率成分也都在倍頻、0.5倍頻等主要頻率的 幅值隨不間斷時間的 變化形態(tài)，這一點是頻譜圖、波形圖、軸同一時間發(fā)生了變化。因此可以認(rèn)為，這可能是測振系統(tǒng)受到干擾而產(chǎn)生的假象某汽輪機(jī)測點IX、1Y、2X、2Y

13、 一倍頻振動趨勢圖某汽輪機(jī)測點IX、1Y、2X、2Y間隙電壓趨勢圖下面二張圖是某煙機(jī)斷葉片時的振動趨勢圖，上面是通頻趨勢圖，下面是工頻趨勢圖。從圖中可以看到，該煙機(jī)于2005年8月3日上午9時39分12秒振動值突然增大，兩端軸承4個測點的振動值由正常運(yùn)轉(zhuǎn)下的1530Am同時劇烈上升到197222 P m此變化過程是一個極為明顯的突變過程。通過調(diào)看工頻、二倍頻、0.5倍頻、可選頻段趨勢圖，發(fā)現(xiàn)工頻振動值的變化相對最大，特別是工頻的相位也在同一時刻發(fā)生了突變，因此是典型的斷葉片。另外，還可以看到，在三分鐘內(nèi)又發(fā)生了不很明顯的二次、三次振幅和相位變化過程，即斷葉片在掉落過程中又引起了其它葉片損傷、斷

14、裂、掉落的二次擴(kuò)大過程。某煙機(jī)斷葉片時的通頻振動趨勢圖某煙機(jī)斷葉片時的工頻振動趨勢圖下面二張圖是某空壓機(jī)透平斷葉片的工頻趨勢圖和波形頻譜圖。由圖可見，此空壓機(jī)透平于2004年9月27日中午12時18分9秒振動值突然增大，二個軸承四個測點的工頻振值同時由30 m左右急劇突變上升到6090Am左右，相位也同時發(fā)生了突變，顯然是發(fā)生了突發(fā)性不平衡，即斷葉片故障。波形圖清晰地記錄了這一時刻的突變過程，頻譜圖上豐富、活躍的低頻成分佐證了斷葉片過程中的碰摩。然而與上一例的不同之處是，在隨后的24小時中并未發(fā)生振幅和相位的二次變化，即二次擴(kuò)大故障。因此，故障的程度比上一例要輕。某空壓機(jī)透平斷葉片的工頻振動趨

15、勢圖某空壓機(jī)透平斷葉片時的波形頻譜圖8 .過程振動趨勢圖過程振動趨勢圖顯示了機(jī)組的過程參數(shù)以及振動值與時間的關(guān)系。過程參數(shù)為工作介質(zhì)的進(jìn)出口壓力、溫度、流量以及油溫、油壓、瓦溫、軸位移、轉(zhuǎn)速、等等。將過程參數(shù)與振動值都放在同一的時間坐標(biāo)上對故障診斷是非常有幫助的。上圖是汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子軸位移與振動值的趨勢圖。圖中顯示，在軸位移發(fā)生變化的同時，進(jìn)汽側(cè)軸承兩振動值同時發(fā)生變化，而排汽側(cè)軸承振動值無變化，因此可以判斷這是進(jìn)汽側(cè)調(diào) 節(jié)汽門動作而引起的正常變化。9 .極坐標(biāo)圖極坐標(biāo)圖為各振動分量的幅值及相位隨時間變化的統(tǒng)計結(jié)果，亦稱可接受區(qū)域圖 散布集中、相位穩(wěn)定時，好；散布區(qū)域增大、相位改變時，應(yīng)引起重視。

16、10 .軸心位置圖軸心位置圖顯示了轉(zhuǎn)子軸心相對于軸承中心的穩(wěn)態(tài)（即忽略振動）位置。通過軸心位置圖可以看出偏位角、偏心距、最小油膜的厚度，從而判斷轉(zhuǎn)子運(yùn)行是否平穩(wěn)。一般來說，大機(jī)組轉(zhuǎn)子軸心位置的偏位角應(yīng)該在20 ? 50之間，最小油膜厚度大約為30? 200 P m如果偏位角過大，表明軸心位置上移，預(yù)示著轉(zhuǎn)子很容易發(fā)生不穩(wěn)定渦動；如果最小油膜厚度變薄，則表明油溫或瓦塊溫度明顯增高，并可能出現(xiàn)磨損。11 .全息譜圖全息譜圖是將在空間相距90°的二個同頻率振動合成的軸心軌跡，按頻率順序排列所得到的圖形。全息譜圖全面反映了在同一測量截面上轉(zhuǎn)子各主要振動分量（如一倍頻、二倍頻、）的振幅、頻率、

17、相位信息，對區(qū)分同一種故障特征頻率的不同類型的故障往往能起到很好的作用。而三維全息譜圖則可便捷地判斷轉(zhuǎn)子的振型。例如，故障特征頻率同為工頻，不平衡的一倍頻軸心軌跡是一個長、短軸相差不大的規(guī)整橢圓；而軸承偏心類故障的一倍頻軌跡則是一個很扁的橢圓。因為，如果轉(zhuǎn)子在徑向上的約束、即軸承的間隙及剛度各向同性，那么轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一圈， 由不平衡量引起的轉(zhuǎn)子渦動軌跡只能是一個圓；然而，如果軸承的間隙或剛度在徑向上存在著較大的差異，那么轉(zhuǎn)子在渦動到間隙最大、剛度最差之處時必然會產(chǎn)生相對很大的位移，工頻軌跡則形成一個長、短軸相差很大的橢圓。再例如，故障特征頻率都是二倍頻，軸系不對中故障的二倍頻軸心軌跡往往是一個穩(wěn)定

18、的、極扁的橢圓；而轉(zhuǎn)子橫向裂紋故障的二倍頻軌跡則是一個較規(guī)整的橢圓；轉(zhuǎn)子部件松動故障的二倍頻軌跡極不穩(wěn)定、波動大。二、啟停機(jī)圖譜啟停機(jī)圖譜又稱瞬態(tài)圖譜，僅用于分析啟停機(jī)過程中的狀況。1 .轉(zhuǎn)速時間圖轉(zhuǎn)速時間圖顯示了開停機(jī)過程中，轉(zhuǎn)速隨時間變化的關(guān)系。某電機(jī)驅(qū)動的煙機(jī)開車時間圖某汽輪機(jī)驅(qū)動的氣壓機(jī)開車時間圖可以看到；開始升速不規(guī)范；調(diào)速系統(tǒng)有一定的缺陷并造成轉(zhuǎn)速波動。2 .波德圖波德圖顯示了轉(zhuǎn)子振幅和相位隨轉(zhuǎn)速變化的關(guān)系曲線。波德圖是十分有用的分析圖譜，從波德圖上可以得到以下信息：轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在各種轉(zhuǎn)速下的振幅和相位； 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速； 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的 動態(tài)放大系數(shù)Q （Q土界轉(zhuǎn)速下的峰峰值/操作轉(zhuǎn)

19、速下的峰峰值），動態(tài)放大系數(shù)原可接受范圍是38,但伴隨著設(shè)計與制造水平的提高，如今動態(tài)放大系數(shù)越來 越小，新出廠的機(jī)器多數(shù)在3.55以下，小于2.5的也屢見不鮮（API標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定小于2.5時為臨界阻尼狀態(tài)） 動態(tài)放大系數(shù)過大，很可能是不安全的;轉(zhuǎn)子的振型；系統(tǒng)阻尼的大?。晦D(zhuǎn)子是否發(fā)生熱彎曲； 轉(zhuǎn)子上 機(jī)械偏差和電氣偏差的大小 。由以上這些信息可以獲得有關(guān)轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)的剛度、阻尼特 性以及轉(zhuǎn)子的動平衡狀況。例如，對上圖而言：轉(zhuǎn)子在臨界轉(zhuǎn)速下一倍頻的最大振動值及相位為137 P m/232 ,操作轉(zhuǎn)速下的振動值及相位為37 P m/288° ; 轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速為1622 r/min

20、 左右；轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)的動態(tài)放大系數(shù)Q=137/ 37=3.7;轉(zhuǎn)子的振型為一階振型； 轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)具有較適度的阻尼（振幅及相位在通過臨界轉(zhuǎn)速區(qū)時變化較緩慢，放大系數(shù)也不過大）； 轉(zhuǎn)子上機(jī)械偏差和電氣偏差很小，幾乎為零。下圖則存在較大的機(jī)械偏差和電氣偏差。在開車初期的慢轉(zhuǎn)速下（圖中為350 r/min ）,振動值就達(dá)到50 ym以上，另外還存在干擾信號（圖中若干處直線狀線條）。下圖則顯示了在汽輪機(jī)新安裝或檢修后開車過程中可能出現(xiàn)的轉(zhuǎn)子熱彎曲現(xiàn)象。啟動時，（工頻）振動值幾乎為零。升速過程中，振動值很小，基本為13ym,最大不超過8ym相位隨轉(zhuǎn)速變化，都顯正常。問題是在遠(yuǎn)離臨界轉(zhuǎn)速（約為3700 r

21、/min 左右）的2000 r/min 下暖機(jī)跑合時，振動值用30分種由2 J m 3 ym逐步上升到60 P m 75 y m同時相位也發(fā) 生了變化。 在轉(zhuǎn)速穩(wěn)定不變的情況下，工頻的幅值及相位發(fā)生變化，表明轉(zhuǎn)子的平衡狀態(tài)發(fā) 生了變化；由于是緩慢變化，表明很可能是發(fā)生了轉(zhuǎn)子因熱膨脹受阻或受熱不均勻而產(chǎn)生的熱彎曲。停車過程中（在降到600r/min后，又有一次升速到1000 r/min ,并再次發(fā)生熱 彎曲的現(xiàn)象），隨轉(zhuǎn)速降低，振動值降低、但相位 基本不變（其中一次變化為再次熱彎曲），進(jìn)一步驗證了為熱彎曲。停車后，振動值（分別為12.5 y m 25.6 y項 和相位都回不到原來值，表明已形成了

22、永久性彎曲。3 .奈奎斯特圖奈奎斯特（Nyquist ）圖把開停機(jī)過程中振幅與相位隨轉(zhuǎn)速變化關(guān)系用極坐標(biāo)的形式表示出來，又稱極坐標(biāo)圖奈奎斯特圖用一旋轉(zhuǎn)矢量的點代表轉(zhuǎn)子的軸心,該點在各轉(zhuǎn)速下所處位置的極半徑就是這種極坐標(biāo)表示方法在作轉(zhuǎn)子的徑向振幅，該點在極坐標(biāo)上的角度就是此時振動的相位角 用上與波德圖相同，但比波德圖更為直觀。通過最大振幅，可以看見轉(zhuǎn)子的實際臨界轉(zhuǎn)速;通過有無小圈，可以看到轉(zhuǎn)子以外的元件振動，如管道、聯(lián)軸節(jié)、機(jī)殼、基礎(chǔ)等對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的諧振作用通過奈奎斯特圖，很容易得到轉(zhuǎn)子的原始晃度,即機(jī)械偏差和電氣偏差的總和O從帶有原始晃度的圖形要得到扣除原始晃度后的振動曲線很容易做到,只要將極坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點平移到與需要扣除的原始晃度矢量相對應(yīng)的轉(zhuǎn)速點,原圖的曲線形狀保持不變。 這樣，原曲線在新坐標(biāo)系中的坐標(biāo)即是扣除原始晃度后的振動響應(yīng)。通過奈奎斯特圖，還可以很容易得到轉(zhuǎn)子的慢轉(zhuǎn)矢量,也