淺析振動分析技術(shù)在旋轉(zhuǎn)機械設(shè)備故障診斷中的應用

1、淺析振動分析技術(shù)在旋轉(zhuǎn)機械設(shè)備故障診斷中的應用    作者：張在新康素坤張新     2009-8-25 【字體： 大 中 小】 自動滾屏（右鍵暫停） 一、前言 機械分為旋轉(zhuǎn)機械和往復機械兩種類型，它們在組成結(jié)構(gòu)、動力學特征以及工作原理等方面都有所不同，故障信號的表現(xiàn)形式也存在差異。旋轉(zhuǎn)機械是工業(yè)上應用最廣泛的機械。許多大型旋轉(zhuǎn)機械，如：離心泵、電動機、發(fā)動機、發(fā)電機、壓縮機、汽輪機、軋鋼機等，還是石化、電力、冶金、煤炭、核能等行業(yè)中的關(guān)鍵設(shè)備，對這些設(shè)備加強監(jiān)測，防止發(fā)生故障，具有十分重要的意義。本世紀以來，隨著

2、機械工業(yè)的迅速發(fā)展，現(xiàn)代機械工程中的機械設(shè)備朝著輕型化、大型化、重載化和高度自動化等方向發(fā)展。機械設(shè)備管理是一項嚴謹?shù)墓ぷ?，它需要對設(shè)備建立一個完善的科學管理體系，利用現(xiàn)代科學的監(jiān)測儀器、系統(tǒng)運行狀態(tài)參數(shù)，認知設(shè)備狀態(tài)。做到設(shè)備靜態(tài)、動態(tài)信息完整化、數(shù)字化，即有據(jù)可依，有數(shù)可查，實現(xiàn)科學的信息綜合處理。只要能夠正確識別設(shè)備的振動信息就可掌握設(shè)備的動態(tài)，把握設(shè)備的維修周期。機械故障診斷就是通過測量機器的信息，比如振動信號，判斷其運行狀態(tài)的一種現(xiàn)代化設(shè)備管理方法，振動現(xiàn)象與其運行狀態(tài)有著對應的關(guān)系。 二、旋轉(zhuǎn)機械故障診斷的特點 旋轉(zhuǎn)機械的核心部分是轉(zhuǎn)子組件，它是由轉(zhuǎn)軸及固定在其上的各類圓盤狀零件組

3、成。由于整個轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，所以對其制造、安裝、調(diào)試、維護管理都有很高的要求。如果其中某個零件出了問題，或在某個連接配合部位發(fā)生了異常的變動，就可能會引起機組的強烈振動。根據(jù)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在坐標平面內(nèi)發(fā)生的振動形式，轉(zhuǎn)子的振動可分為橫向振動（振動發(fā)生在包括轉(zhuǎn)軸在橫向平面內(nèi)）、軸向振動（振動發(fā)生在轉(zhuǎn)軸的軸線方向上）、扭轉(zhuǎn)振動（沿轉(zhuǎn)軸軸線發(fā)生的扭振），旋轉(zhuǎn)機械大多數(shù)故障所激發(fā)的振動為橫向振動，是主要的研究對象。旋轉(zhuǎn)機械的振動信號大多數(shù)是一些周期信號、準周期信號、或平穩(wěn)隨機信號。因此，分析振動頻率與轉(zhuǎn)頻的關(guān)系是診斷旋轉(zhuǎn)機械故障的一把鑰匙。 三、應用振動分析診斷旋轉(zhuǎn)機械設(shè)備故障 （一）轉(zhuǎn)子不平衡 轉(zhuǎn)子不平衡引

4、起的振動是旋轉(zhuǎn)機械的常見的多發(fā)故障。產(chǎn)生不平衡的原因：旋轉(zhuǎn)機械轉(zhuǎn)軸上所裝配的零部件，如果材質(zhì)不均勻（如鑄件中存在氣孔、砂眼，加工誤差）、裝配偏心以及在長期運行中產(chǎn)生不均勻磨損、腐蝕、變形，或者某些固定件松脫、各種附著物不均勻堆積等各種原因，都會導致零件發(fā)生質(zhì)心偏移而造成不平衡。不平衡包括靜不平衡和動不平衡。不平衡振動的頻率一般很明顯，主要表現(xiàn)不平衡轉(zhuǎn)子的故障頻率等于轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)頻率。除此之外，不平衡振動還會激起其他頻率成分例如分頻、倍頻等。影響不平衡振動的主要因素有三個，即轉(zhuǎn)子質(zhì)量、質(zhì)心到兩軸承連線的垂直距離（即偏心距）、轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角速度。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的離心力，這個離心力作用在支撐轉(zhuǎn)子的兩個軸

5、承上，方向垂直于軸承中心。在診斷不平衡故障時，首先必須分析信號和頻率成分，是否有突出的轉(zhuǎn)頻，其次看振動的方向特征，必要時再分析振幅隨轉(zhuǎn)速的變化情況，或測量相位。 （二）轉(zhuǎn)子不對中 轉(zhuǎn)子不對中也是旋轉(zhuǎn)機械常見故障之一，主要包括轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)子之間的連接不對中，主要反映在聯(lián)軸器的對中性上；轉(zhuǎn)子軸頸與兩端軸承不對中。對滑動軸承來說，這種情況產(chǎn)生的主要原因與軸承是否形成良好的油膜有直接關(guān)系。對滾動軸承來講，主要是因為兩端軸承座孔不同軸、軸承元件損壞、外圈配合松動，兩端支座變形等（對電動機而言是前后端蓋），都會引起不對中。轉(zhuǎn)子不對中將產(chǎn)生一種附加彎矩，給軸承增加一種附加荷，致使軸承上的負荷重新分配，形成附加激

6、勵引起機組強烈拆動等后果。不對中主要激發(fā)二倍轉(zhuǎn)頻或多倍轉(zhuǎn)頻振動。振動大小與不對中形式有一定關(guān)系，一般表現(xiàn)為軸向振動比較大。不對中引起的振動其振幅值與機器的負荷有一定的關(guān)系，一般隨著負荷的增加而成正比的增加，然而對轉(zhuǎn)速的變化影響不大。 （三）機械松動 機械松動也是旋轉(zhuǎn)機械比較常見的故障，松動有兩種情況，一種是地腳螺栓連接松動。它帶來的后果是引起整個機器松動。另一種情況是零件之間正常的配合關(guān)系被破壞造成配合間隙超差而引起的松動，比如滾動與軸承的內(nèi)圈與轉(zhuǎn)軸或外圈與軸承座孔之間的配合，因喪失了配合精度而造成松動。由松動引起的振動具有一定的非線性，其振動信號的頻率成分相當復雜，除了基頻（等于轉(zhuǎn)頻）以外，

7、還產(chǎn)生高頻次諧波和分頻振動，頻譜結(jié)構(gòu)成梳狀，有時還表現(xiàn)出一些方向特征很明顯，主要在垂直方向很強烈。 （四）摩擦 摩擦故障形式有多種多樣。如轉(zhuǎn)子與密封件的摩擦，轉(zhuǎn)子與隔板之間的摩擦，電動機轉(zhuǎn)子與定子的摩擦，葉輪、齒輪、風扇與機殼或護罩的摩擦、滾動軸承外圈與軸承孔、以及轉(zhuǎn)軸與軸承內(nèi)圈或轉(zhuǎn)軸與其他零件因配合松動而引發(fā)的摩擦。摩擦一般引起非線性振動，頻帶范圍較寬，除了一倍基頻外還有二倍基頻、三倍基頻等高次諧波，以及1/2、1/3等低次諧波。在某些情況下還會激起系統(tǒng)的固有頻率。摩擦振動的時域波形上常常表現(xiàn)為削波狀態(tài)，“截頭余弦”形狀的時域波形常被視為摩擦故障的重要標志。 （五）滾動軸承引起的故障振動 滾

8、動軸承的振動頻率成分非常豐富，每一個元件都有各自的故障特征頻率。根據(jù)頻帶不同，在軸承故障診斷中可利用的固有振動有三種：軸承外圈一階徑向固有振動，其頻帶在（18）kHz范圍內(nèi)；軸承其它元件的固有振動，其頻帶在（20一60）kHz范圍內(nèi)；加速度傳感器的一階固有頻率。磨損后軸承與正常軸承的振動相比，兩者都是無規(guī)則的，振幅的概率密度大體均為正態(tài)分布，頻譜亦無明顯差別，只是振動有效值和峰值比正常時大。一般說來特征頻率的計算非常復雜，在現(xiàn)場不便進行，但在診斷時通過頻率分析不但可以發(fā)現(xiàn)故障，而且可以確定發(fā)生故障的元件。 四、結(jié)束語 在進行旋轉(zhuǎn)機械的故障診斷時，往往故障與征兆之間不完全是一一對應的關(guān)系，有時各種故障同時發(fā)生，使故障 診斷起來更加復雜。隨著狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)不斷的發(fā)展，故障診斷已成為一種新的工程技術(shù)。正確掌握振動標準也是一項重要的工作，除