機械狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷方法

1、機械狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷方法楊國安1 狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng)WME基于web的遠程在線工況監(jiān)測故障診斷系統(tǒng)和MFD302、303便攜式狀態(tài)監(jiān)測和智能維護系統(tǒng)，是楊國安教授經(jīng)過多年的探索，結(jié)合在故障診斷領(lǐng)域的研究成果，積多年現(xiàn)場經(jīng)驗，汲取同類產(chǎn)品優(yōu)點，自行設(shè)計并開發(fā)的在線及便攜式旋轉(zhuǎn)機械狀態(tài)監(jiān)測和故障自動診斷系統(tǒng)。其組態(tài)化設(shè)計，特點鮮明，運行平穩(wěn)。該系統(tǒng)不求功能多而全，只求簡捷、可靠，具有針對性。界面直觀明了，故障自動診斷，便于操作?；咀龅矫馀嘤?xùn)。任何事物均有其發(fā)展完善過程，狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷是一門實踐性非常強的學(xué)科，它的發(fā)展、完善離不開現(xiàn)場工作人員的參與和配合，懇望辛勞工作在現(xiàn)場第一線的操作人

2、員反饋信息、心得體會，以便我們共同進步，在此，我表示誠摯的謝意。2設(shè)備維修的發(fā)展 大家知道，當(dāng)前我國對設(shè)備的維護仍采用傳統(tǒng)的計劃、定期維修。而這種方式帶有很大盲目性，設(shè)備有無故障、故障類型、故障部位、故障程度難以準(zhǔn)確把握。另外，由于良好部位的反復(fù)拆卸，機械性能往往不理想，甚至低于檢修前。而且，沒有必要的超前維修，帶來人力、物力的巨大浪費。故障診斷儀器的廣泛應(yīng)用，使對機械設(shè)備的維護由計劃、定期維修走向狀態(tài)、預(yù)知維修變?yōu)楝F(xiàn)實，使機械設(shè)備的維護方式發(fā)生了根本性革命。狀態(tài)監(jiān)測避免了機械設(shè)備的突發(fā)故障，從而避免了被迫停機而影響生產(chǎn)；機械狀態(tài)分析為預(yù)知機械設(shè)備的維修期提供了可靠依據(jù)，即可做到測量表明有必要

3、時才進行維修。使我們能夠及時準(zhǔn)備維修部件，安排維修計劃，克服了定期維修帶來的不必要的經(jīng)濟損失和設(shè)備性能的下降；完善的診斷能力可為我們準(zhǔn)確指出故障類型和故障部位，避免了維修的盲目性，使檢修簡捷易行，大大縮短了維修工期；完善的設(shè)備管理軟件，又可使企業(yè)設(shè)備管理自動化。由此可見，狀態(tài)檢測給企業(yè)帶來的經(jīng)濟效益是十分顯著的。設(shè)備維修經(jīng)歷了三個階段：1事后維修事后維修是設(shè)備運行到失效再進行維護。其優(yōu)點是不需要安排計劃。對有些設(shè)備，更換比修理往往更便宜。缺點是意外停機引起生產(chǎn)損失。災(zāi)難性的設(shè)備事故。庫存?zhèn)浼顿Y多。引起設(shè)備的二次損壞。2定期維修定期維修是按預(yù)訂的時間間隔或檢修周期對設(shè)備作維修、調(diào)整和更換備件。

4、其優(yōu)點是機器壽命較長。減少意外停機。備件庫存較少。缺點是意外停機引起生產(chǎn)損失。過剩維修導(dǎo)致維修費用增加。過剩維修引起人為維修故障。3預(yù)知維修 預(yù)知維修是有計劃地對設(shè)備作檢查和測試，以確定其健康狀態(tài)。其優(yōu)點是減少非計劃停機損失。維修時間間隔可以延長。非必要維修減到最少。備件庫存最小。缺點是需要初始投資。需學(xué)習(xí)和培訓(xùn)。2機械振動簡介2.1什么叫振動？ 振動是世界上的物質(zhì)或物體的一種運動形式。廣義來說，振動就是物體（質(zhì)點）或某種狀態(tài)隨著時間往復(fù)變化的現(xiàn)象。2.2振動的分類 工程中有大量的振動問題需要研究、分析和處理，因此有必要簡單介紹振動力學(xué)中的振動分類方法，以便在振動故障類型、原因、分析和故障排除

5、方面提供考慮的基礎(chǔ)。 機械振動的研究和使用方面有多種分類方法，目前，大致有如下幾種分類： 1、按振動的規(guī)律分 簡諧振動。非簡諧振動和隨機振動。有時又將前兩者稱為周期振動，后者稱為非周期振動； 2、按產(chǎn)生振動的原因分 自由振動、受迫振動、自激振動和參變振動等； 3、按自由度分 單自由度系統(tǒng)振動、多自由度系統(tǒng)振動和彈性振動； 4、按振動位移特征分 角振動和直線振動； 5、按系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)分 線性振動和非線性振動。 在機器的故障診斷中，從應(yīng)用角度看，應(yīng)著重掌握按振動規(guī)律和產(chǎn)生原因這兩種分類。2.3簡諧振動 結(jié)構(gòu)振動時，描述它振動情況的物理量是隨時間變化的，可以表示為時間t的函數(shù)，如，等等。這種描述振動

6、的方法稱為時域描述，而函數(shù)，稱為時間歷程。簡諧運動是最簡單的周期運動，它是時間的單一正弦或余弦函數(shù)，它是振動故障診斷中最基本的概念之一。了解它的表示方法，特別是它的物理意義，對于掌握故障診斷技術(shù)十分重要。簡諧振動的數(shù)學(xué)表達式是 （1）式中：A-振幅； -角頻率（圓頻率）。如果振動時系統(tǒng)的物理量隨時間的變化為簡諧函數(shù)，稱此振動為簡諧振動。單自由度系統(tǒng)無阻尼自由振動時，它的位移等物理量就是簡諧函數(shù)。簡諧運動可視為一個繞原點做等速圓周運動的點在水平軸上的投影。如圖1所示，取水平軸為x軸，點P距原點的距離為A，連接OP兩點的直線OP由水平位置開始以等角速度繞O點轉(zhuǎn)動，在任一時刻t，點P的x坐標(biāo)(即OP

7、在x軸上的投影)為 （2）因為函數(shù)具有下列特性： （3）因為直線OP繞原點轉(zhuǎn)過弧度為一個周期T，故上式應(yīng)滿足條件： （4）則， （5）為簡諧運動的頻率。如果振動位移為簡諧運動，我們稱此振動為簡諧振動。如果直線OP不是由水平位置開始轉(zhuǎn)動，其初始位置與水平位置的夾角為則OP在x軸上的投影為圖1 簡諧振動曲線 （6）式中，稱為初角。由式(6)可得到簡諧振動的速度和加速度的表達式： （7） （8）可見，簡諧振動的速度、加速度與位移一樣，都是簡諧函數(shù)。三者的頻率相同，而速度、加速度的相位分別比位移超前和，幅值分別增大和倍。從式(6)和(8)可得： （9）這表明：簡諧振動的加速度大小與位移成正比，方向與位

8、移相反。這是簡諧振動的一個重要特點。必須指出，簡諧振動一定是周期振動，但是，周期振動不一定是簡諧振動。3 信號分析及處理基礎(chǔ)通常把可測量、記錄、處理的物理量泛稱為信號，它們一般是時間的函數(shù)。所謂動態(tài)信號是指要進行分析處理的信號隨時間有較大的變化，不是近似直流信號的那種隨時間緩慢變化的信號。主要討論動態(tài)信號分析處理中的有關(guān)問題，重點介紹以快速傅里葉變換為基礎(chǔ)的各種分折技術(shù)。3.1信號的分類信號按其隨時間變化的規(guī)律不同，可分為確定性信號和非確定性信號(隨機信號)，還可以進一步細(xì)分如圖2所示。可以用明確的數(shù)學(xué)關(guān)系式描述的信號稱為確定性信號，它可以分為周期信號、非周期信號、準(zhǔn)周期信號等。圖2信號的分類

9、23.2信號的時域分析所謂時域是指一個或多個信號其取值大小、相互關(guān)系等，可定義為很多不同的時間函數(shù)或參數(shù)這些時間函數(shù)或參數(shù)的集合稱為時域。時域分析指計算這些函數(shù)并進行分析。顯然對于確定性信號或隨機信號存在不同的定義及處理方法。隨機信號的定義及處理方法比較復(fù)雜，確定性信號的處理則與隨機信號中的各態(tài)歷經(jīng)過程的處理類似，所以以下敘述中以隨機信號的定義及處理方法為主確定性信號的處理可參見各態(tài)歷經(jīng)過程的處理。根據(jù)時間函數(shù)或參數(shù)的不同，時域進一步細(xì)分還可以分為幅值域、時差域、倒領(lǐng)域、復(fù)時域等3。3.2.1 幅值域?qū)颖居涗浀娜≈颠M行統(tǒng)計，稱為在幅值域內(nèi)對信號進行研究，在此幅值是廣義的幅值，即樣本記錄的一切

10、可能取值。在幅值域內(nèi)幾個最重要的基本概念是概率密度函數(shù)、概率分布函數(shù)、均值、均方值、方差、歪度（斜度）、峭度等。3.2.1.1 均值均值用以描述信號的穩(wěn)定分量，隨機過程的均值定義為 （10）3.2.1.2 均方值、均方根值均方值和均方根值用于描述信號的能量，隨機過程的均方值定義為 （11）均方根值定義為均方值的正平方根。均方值又稱為二階矩。 有效值是振動測量中用的最多的物理量，它定義為振動信號的均方根值。用它表征振動量級的優(yōu)點在于：既考慮了振動的時間歷程，同時又表征了機械振動能量的大小。在高頻時，雖然振幅很小，但是由于加速度是位移的倍，因此零部件的慣性力破壞常發(fā)生在高頻，故國際上近年來除了要求

11、測量儀器滿足振動標(biāo)準(zhǔn)烈度外，還要求滿足lKHz一10KHz乃至更高頻率的振動監(jiān)示和測量，正因為有效值有如此的優(yōu)越性，國際ISO2372標(biāo)準(zhǔn)中對振動烈度采用有效值來表征振動量級。3.2.1.3 方差、標(biāo)準(zhǔn)差方差和標(biāo)準(zhǔn)差用于描述信號的波動分量，隨機過程的方差定義為 （12）標(biāo)準(zhǔn)差是方差的正平方根。方差又稱為二階中心矩。3.2.1.4 歪度（斜度）歪度反映信號中大幅值成分的影響隨機過程的歪度定義為 （13）歪度又稱為三階矩。3.2.1.5 峭度峭度反映信號中大幅值成分的影響，隨機過程的峭度定義為 （14）3.2.2 時差域?qū)颖居涗浽诓煌瑫r刻取值的相關(guān)性進行統(tǒng)計，稱為在時差域內(nèi)對信號進行研究。在時差

12、域內(nèi)幾個最重要的基本概念是自相關(guān)函數(shù)、互相關(guān)函數(shù)、協(xié)方差函數(shù)等。3.2.2.1 自相關(guān)函數(shù)自相關(guān)函數(shù)是指用以描述信號自身的相似程度。對于某一個隨機過程，若和為其任意兩個隨機變量，其自相關(guān)函數(shù)定義為 （15）由于周期信號的自相關(guān)函數(shù)是周期函數(shù)，而白噪聲信號的自相關(guān)函數(shù)是函數(shù)所以進行自相關(guān)函數(shù)分析，可以發(fā)現(xiàn)淹沒在噪聲中的周期信號。3.2.2.2 互相關(guān)函數(shù)互相關(guān)函數(shù)是指用以描述兩個信號之間的相似程度或相關(guān)性對于某二個隨機過程和，其互相關(guān)函數(shù)定義為 （16）若互相關(guān)函數(shù)中出現(xiàn)峰值，則表示這兩個信號是相似的，其中一路信號在時間上滯后了峰值所在的時差值。若互相關(guān)函數(shù)中幾乎處處為零，則表示這兩個信號互不相

13、關(guān)。3.2.2.3 協(xié)方差函數(shù)略。3.2.3 平穩(wěn)隨機過程和非平穩(wěn)隨機過程當(dāng)隨機過程的所有統(tǒng)計量不隨時間變化時，稱為嚴(yán)格意義上的平穩(wěn)隨機過程，主要統(tǒng)計量如均值、均方值、方差或自相關(guān)函數(shù)、互相關(guān)函數(shù)不隨時間或所研究的時刻變化時，稱為廣義的平穩(wěn)隨機過程。反之則為非平穩(wěn)隨機過程。對于平穩(wěn)隨機過程，均值、均方值與方差等都是常數(shù)，自相關(guān)函數(shù)和互相關(guān)函數(shù)只是時間差的函數(shù)。3.2.4 各態(tài)歷經(jīng)（遍歷）過程為了計算隨機過程的統(tǒng)計量，需要知道的全部樣本函數(shù)或其概率密度函數(shù)實際上是很難做到的，工程中存在類平穩(wěn)隨機過程只對其某個樣本函數(shù)進行研究就能計算該隨機過程的各統(tǒng)計量這類隨機過程就稱為各態(tài)歷經(jīng)過程。確定性信號中

14、非周期信號的各統(tǒng)計量計算公式與各態(tài)歷經(jīng)過程完全相同，確定性信號與各態(tài)歷經(jīng)過程存在少數(shù)不同之處，如在幅值域內(nèi)可定義以下統(tǒng)汁量。3.2.4.1 峰值峰值在局部范圍內(nèi)為極大值(對應(yīng)于正峰值)或極小值(對應(yīng)于負(fù)峰值)，對于周期信號，峰值一定會重復(fù)出現(xiàn)，對于非周期信號峰值至少有一個，最大峰值描述信號的最大值。3.2.4.2 幅值幅值專用于描述正弦信號的峰值，由于各種周期或非周期信號可表示為無窮多個正弦信號分量之和，所以這些周期或非周期信號的峰值不與其某個正弦信號分量的幅值相等。廣義的幅值指信號某瞬間的取值。3.2.4.3 有效值有效值專用于描述正弦信號的均方根值，其大小為正弦信號幅值的，對于其他信號，均

15、方根值不是其峰值的。在正弦交流電路中，可用電壓有效值乘以電流有效值求出電路中的功率，見圖3。圖3 常見確定性信號的時域參數(shù)3.3信號的頻域分析所謂頻域是指將周期信號展開為傅里葉級數(shù)，研究其中每個正弦諧波信號的幅值和相位等；或者對非周期信號或各態(tài)歷經(jīng)隨機信號進行傅里葉變換變換后的信號是頻率的函數(shù)這些頻率的函數(shù)的集合稱為頻域。信號的頻譜分析是頻域分析的基礎(chǔ)，我們可以利用各種級數(shù)展開和積分變換將一個復(fù)雜信號分解為簡單信號的疊加。使用最普通的是傅里葉級數(shù)和傅里葉變換，它們是將復(fù)雜信號分解成一系列有限或無限多個正弦信號(簡諧分量)的疊加。因此，頻譜分析的實質(zhì)就是以這一系列的簡諧分量頻率作為自變量(頻譜圖

16、中的橫坐標(biāo))，簡諧分量的幅值、相位、功率等作為頻率的函數(shù)(頻譜圖中的縱坐標(biāo))，分析這些參數(shù)在不同頻率上的分布情況。3.3.1 周期信號的傅里葉分析在故障信號中，周期信號主要是由機器的自由振動、受迫振動和參變振動等產(chǎn)生的。對于周期信號，數(shù)學(xué)上早已證明，利用傅氏級數(shù)原理，可將周期函數(shù)分解成傅氏級數(shù)，即將信號分解成許多諧波分量 (17)式中： (18)其中： n=1,2, n=1,2,由上述公式，以頻率為橫坐標(biāo)，以振幅或相位為縱坐標(biāo)來表征頻域的振動特性，見圖4。圖4 它們是一個離散的頻譜，又稱線譜，其譜線間的距離為，各次諧振幅和諧波相位的全體稱為幅值頻譜和相位頻譜。 3.3.2 非周期信號頻譜傅立葉

17、變換在狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷中常常利用傅里葉變換這一有效工具來確定振動信號的頻率結(jié)構(gòu)。采用功率譜密度來分析平穩(wěn)隨機信號的概率結(jié)構(gòu)。頻域內(nèi)最重要的函數(shù)是自功率譜密度函數(shù)和互功率譜密度函數(shù)。也可以定義能量譜密度函數(shù)。所謂功率譜密度函數(shù)或能量譜密度函數(shù)是指其量綱為單位頻率上的功率或能量。3.3.2.1 自功率譜密度函數(shù)自功率譜密度函數(shù)用于表示信號能量的頻率結(jié)構(gòu)。自功率譜密度函數(shù)的定義為 （19）由此可見，功率譜具有功率的量綱，是幅值譜的平方，因此頻譜中主要成分突出，但沒有相位信息。3.3.2.2 互功率譜密度函數(shù)互功率譜密度函數(shù)用于表示兩個信號能量之間的頻率結(jié)構(gòu)關(guān)系互功率譜密度函數(shù)的定義為 （20）可以

18、證明相關(guān)函數(shù)與功率譜密度函數(shù)的關(guān)系是對傅里葉變換對的關(guān)系。3.3調(diào)制振動信號分析及頻譜 設(shè)備故障診斷中，特別是對齒輪箱、滾動軸承和電機等的診斷，經(jīng)常碰到調(diào)制信號。所謂調(diào)制信號，簡單地說就是一個簡諧振動的幅度或者角頻率的變化受到了另一個簡諧振動的影響。前一振動信號稱為“載頻信號”，后一信號稱為“調(diào)制信號”。只有對這類信號進行時域（橫坐標(biāo)為）和頻域（橫坐標(biāo)）分析后，才能獲得診斷結(jié)果。在實際診斷過程中，這些調(diào)制信號從時域波形圖上看，往往十分復(fù)雜，但基本原理仍可歸結(jié)為簡諧振動幅值和頻率（或相位）的調(diào)制原理，下面進行簡要討論。3.3.1 幅度調(diào)制幅度調(diào)制信號的方程是 （21）在齒輪箱診斷中，往往對應(yīng)為嚙

19、合頻率，而，診斷對象不同，和所代表的物理含義不同。將上式展開可得 （22）由此式可知，經(jīng)調(diào)幅后的頻率，除了原有的角頻率之外，還有與的和頻和差頻，即(+)和(-)。它們是以為中心，以為間隔，幅度為AB/2的兩個邊帶，見圖5所示。圖5 調(diào)幅信號3.3.2 頻率調(diào)制頻率調(diào)制的時域和頻域的波形，如圖6所示。圖5 調(diào)頻信號如同幅度調(diào)制信號一樣，在齒輪箱或者其它部件的診斷中，載頻信號往往是嚙合頻率信號，而故障信號則是調(diào)制信號，不過此時的故障信號將會影響載頻信號的頻率，最簡單的頻率調(diào)制信號方程是： （23）式中 表示載頻信號 表示故障信號 展開上式后可得 (24) 式中 ： 瞬時幅值； ：峰值幅值； ：載波

20、角頻率； ：時間； ：以m為自變量的n階第一類貝賽爾函數(shù)， n0，1，2； m調(diào)制指數(shù)，m=載波頻率偏差除以調(diào)制頻率； ：故障信號的角頻率。 展開式還表明為載波分量；第二項有一階上邊帶和下邊帶；第三項有二階上邊帶和下邊帶分量。由此可見，每一個被調(diào)制信號由中心頻率信號加上調(diào)制信號的頻率所分開的邊帶信號所組成，其幅值正比于調(diào)制指數(shù)，而故障頻率（調(diào)制頻率）為邊帶頻率到中心頻率間的距離。所謂故障診斷，就是要找到或用一定方法確定距離大小以及幅值的高低。當(dāng)然，中心頻率的幅值大小，也不是一成不變的，它往往也代表某種故障信息（例如齒輪的磨損信息）。 值得指出的是，以上討論的正弦信號的調(diào)幅和調(diào)頻，在工程診斷中，

21、我們幾乎碰不到這種簡諧信號的調(diào)制情況，經(jīng)常碰到的是周期信號的調(diào)制現(xiàn)象。但一個周期信號，都可以分解成很多簡諧振動信號疊加，故正弦信號的調(diào)制概念是故障診斷的基本概念之一。4振動監(jiān)測參數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)4.1監(jiān)測參數(shù)及其選擇我們知道，通常用來描述振動響應(yīng)的三個參數(shù)是位移、速度和加速度。一般情況下，低頻時的振動強度由位移值度量；中頻時的振動強度由速度值度量；高頻時的振動強度由加速度值度量。對大多數(shù)機器來說，最佳參數(shù)是速度，這是許多標(biāo)準(zhǔn)(如VDI2056)采用該系數(shù)的原因之一。但是另外一些標(biāo)準(zhǔn)(如VDI2059)都采用相對位移參數(shù)進行測量，這在發(fā)電、石化工業(yè)的機組振動監(jiān)測中用的最多。對于軸承和齒輪部件的高頻振動監(jiān)

22、測來說，加速度卻是最合適的監(jiān)測參數(shù)。(VDI是德國工程師協(xié)會的簡稱)。表征振動的參量有加速度、速度和位移三個量，它們之間表現(xiàn)為微積分關(guān)系，對單一頻率分量：或 分別為振動加速度、速度、位移振幅。 可見，振動位移隨頻率的升高有極大的衰減，而振動加速度隨頻率的降低有極大的衰減，這就決定了檢測低頻故障需檢測振動位移的變化，而檢測高頻故障需檢測振動加速度的變化，而振動速度可說是二者的折中，這也是寬帶測量中，國際標(biāo)準(zhǔn)2372以振動速度作為參變量的原因。表征振動位移、速度、加速度波形參數(shù)常用的有峰值（峰-峰值）、有效值、平均值，以之表示振動的量級，見圖5，選定振動變量后，確定振動波形表征參量也是正確判定故障

23、的重要內(nèi)容。圖5峰值是指波形上與零線的最大偏移值，它在指示短時連續(xù)沖擊的能級上特別有價值，一般用于加速度測量。峰-峰值是指振動波形的最大偏移量，它反映機器的機構(gòu)強度，尤其它在低頻段，機構(gòu)的破壞直接與之有關(guān)，故它一般用于位移測量，尤其是在低速大型設(shè)備振動測量上。4.2振動量及其量級振動量的表示有絕對單位制與相對單位制。絕對單位制能夠客觀地評定振動的大小，一般用MKS制表示，即 位移的單位以m表示； 速度的單泣以ms表示； 加速度的單位以ms2表示。 如前所述，工程上位移單位常以微米()表承，速度單位以厘米秒()表示，加速度單位以重力加速度G(980cms2)來表示。相對單位制用“級”來表示，級又

24、分為算術(shù)級和幾何級兩種形式。算術(shù)級又稱為倍數(shù)織，用一倍、二倍、十倍、百倍等等表示。幾何級又稱為對數(shù)級，以分貝(dB)表示。機械設(shè)備的振動監(jiān)測技術(shù)通常多采用分貝，使數(shù)量級大大縮小，同時使計算過程簡化，使乘除關(guān)系變成加減運算。按ISORl683標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：振動力級 ，；振動位移級 ，；振動速度級 ，；振動加速度級 ，；4.3機械設(shè)備振動標(biāo)準(zhǔn)可以說所有的結(jié)構(gòu)物和機器在任何時候都在振動著。只要振動不影響機器的工作精度和機器的工作壽命，不產(chǎn)生過大的噪聲，或未對周圍環(huán)境產(chǎn)生過大的不良影響等，則此種振動是允許的。因此。為了衡量機器的運行質(zhì)量就需要制定一個標(biāo)準(zhǔn)來確定允許的振動烈度，即確定振動烈度的界限。機器的振

25、動烈度定義為：在機器表面的重要位置上(例如：軸承、安裝點處等)沿垂向、縱向、橫向三個方向上所測得的振動速度的最大有效值。測點的布置如圖8。對于振動速度為的簡諧振動，其振動速度有效值用下式計算 (25)若機器的振動系由幾個不同頻率的簡諧振動復(fù)合而成，則振動速度的有效值可由下式求得。在國際標(biāo)準(zhǔn)ISO2372中規(guī)定了轉(zhuǎn)速為10200的機器在101000Hz的頻率范圍內(nèi)機械振動強烈度的范圍，它將振動速度有效值從0.11 (人體剛有振動的感覺)到71的范圍內(nèi)分為15個量級，相鄰兩個烈度量級的比約為1：1.6，即相差4dB。這是由于對于大多數(shù)機器的振動來說4dB之差意味著振動響應(yīng)有了較大的變化。有了振動烈

26、度量級的劃分就可以用它表示機器的運行質(zhì)量。為了便于實用，將機器運行質(zhì)量分成四個等級：A級機械設(shè)備正常運轉(zhuǎn)時的振級，此時稱機器的運行狀態(tài)“良好”。B級已超過正常運轉(zhuǎn)時的振級，但對機器的工作量尚無顯著的影響，此種運行狀態(tài)是“容許”的。C級機器的振動已達相當(dāng)劇烈的程度，致使機器只能勉強維持工作，此時機器的運行狀態(tài)稱為“可容忍”的。D級機器的振動級已大到使機器不能運轉(zhuǎn)、工作，此種機器的振級是“不允許”的。顯然，不同的機械設(shè)備由于工作要求、結(jié)構(gòu)特點、動力特性、功率容量、尺寸大小以及安裝條件等方面的區(qū)分，其對應(yīng)于各等級運行狀態(tài)的振動烈度范圍必然是各不相同的。所以對各種機械設(shè)備是不能用同一標(biāo)準(zhǔn)來衡量的，但也

27、不可能對每種機械設(shè)備專門制定一個標(biāo)準(zhǔn)。為了便于實用，ISO2372將常用的機械設(shè)備分為六大類，令每一類的機械設(shè)備用同一標(biāo)準(zhǔn)來衡量其運行質(zhì)量。機械設(shè)備分類情況如下：圖6 柴油機振動測點布置圖第一類：在其正常工作條件下與整機連接成一整體的發(fā)動機和機器的零件(如15kw以下的發(fā)電機)。 第二類：設(shè)有專用基礎(chǔ)的中等尺寸的機器(如1575kw的發(fā)電機)及剛性固定在專用基礎(chǔ)上的發(fā)動機和機器(300kw以下)。 第三類：安裝在測振方向上相對較硬的、剛性的和重的基礎(chǔ)上的具有旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的大型原動機和其它大型機器。 第四類：安裝在測振方向上相對較軟的基礎(chǔ)上具有旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的大型原動機和其它大型機器(如透乎發(fā)電機)。 第

28、五類：安裝在測振方向相對較硬的基礎(chǔ)上具有不平衡慣性力的往復(fù)式機器和機械驅(qū)動系統(tǒng)。第六類；安裝在測振方向相對較軟的基礎(chǔ)上具有不平衡慣性力的往復(fù)式機器和機械驅(qū)動系統(tǒng)等。通過大量的實驗得到了前四類機械設(shè)備的運行質(zhì)量與振動烈度量級的對應(yīng)關(guān)系，如表1。至于第五類、第六類的機械設(shè)備，特別是往復(fù)式發(fā)動機由于結(jié)構(gòu)不同，其振動特性變比很大，往往允許有較強烈的振動(如)而不影響其運行質(zhì)量。而安裝在彈性基礎(chǔ)上的機器受到隔振作用，由安裝點傳到周圍物體的作用力是很小的，在這種情況下機器的振動將大于安裝在剛體基礎(chǔ)上的振動，如高轉(zhuǎn)速的電機上測得的振動速度有效值可達50或更大。在上述情況下用振動絕對量級來衡量機器的運行質(zhì)量顯

29、然是不恰當(dāng)?shù)模壕褪菍τ诘谝恢恋谒念悪C器，由于實際情況是千變?nèi)f化的，表中所示的機器運行質(zhì)量與振動烈度的關(guān)系也只能作為參考。實踐表明：比較可靠準(zhǔn)確的辦法是用振動烈度的相對變化來表示機器的運行質(zhì)量?？梢钥紤]以機器“良好”運行狀態(tài)的量級為參考值，在此基礎(chǔ)上若增大2.5倍(8dB)，表明機器的運行狀態(tài)已有重要變化，此時機器雖尚能進行工作，實際上已處于不正常狀態(tài)，若從參考狀態(tài)的基礎(chǔ)上增大10倍(20dB)，就說明該機器已需進行修理；再繼續(xù)增大，機器就將處于不允許狀態(tài)。上述振動烈度相對變化與機器運行質(zhì)量間的關(guān)系常用于以振動信號進行故障診斷時的判據(jù)。表2 幾種常用機械設(shè)備的振動標(biāo)準(zhǔn)注：振動烈度以分貝表示時，選

30、為參考值，即振動速度有效值為此值時為零分貝。有關(guān)振動與沖擊標(biāo)準(zhǔn)化的國際組織是國際標(biāo)準(zhǔn)公組織(ISO)。振動與沖擊的國際標(biāo)準(zhǔn)的制定工作由其下屬的“機械振動與沖擊技術(shù)委員會”(TCl08)領(lǐng)導(dǎo)。TC108成立于1963年，下分四個分委員會(SCl一SC4)，有若干個工作組(WG)在進行標(biāo)準(zhǔn)制訂和修訂等工作。一個標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)生一般要經(jīng)過建立草案(ISODP)、標(biāo)準(zhǔn)草案(ISODIS)和國際標(biāo)準(zhǔn)三個階段，以后根據(jù)生產(chǎn)和技術(shù)的發(fā)展還要不斷加以修訂和補充。到1988年底TC108已公布了國際標(biāo)推34個，現(xiàn)以其編號為序?qū)⒚Q列舉如下：ISO 1925一198l 平衡名詞術(shù)語。ISO 1940/1一1986 機械

31、振動剛體轉(zhuǎn)子平衡品質(zhì)要求第一部分：許可殘余不平衡的確定。ISO 2017一1982 振動與沖擊隔離器確定特性要求的導(dǎo)則。ISO 2041一1975 振動與沖擊名詞術(shù)語。ISO 2371一1974 現(xiàn)場平衡設(shè)備說明與評定。ISO 2372一1974 轉(zhuǎn)速為10到200rs機器的機械振動規(guī)定評價標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)。ISO 2373一1987 軸心高為80到400mm旋轉(zhuǎn)電機的機械振動振動烈度的測量與評定。ISO 2954一1975 旋轉(zhuǎn)與往復(fù)式機器的機械振動振動烈度測量儀的要求。ISO 3945一1985 轉(zhuǎn)速為10到200rs大型旋轉(zhuǎn)機器的機械振動現(xiàn)場振動烈度的測量與評定。ISO 5343一1983 評

32、定撓性轉(zhuǎn)子平衡的準(zhǔn)則。ISO 5344一1980 產(chǎn)生振動的電動力試驗設(shè)備描述設(shè)備特性的方法。ISO 5347/0一1987 振動與沖擊傳感器的校準(zhǔn)方法。第0部分；基本概念。ISO 5348一1987 機械振動與沖擊加速度計的機械安裝。ISO 5406一1980 撓性轉(zhuǎn)于的機械平衡。我國從1987年起成為ISO成員國。對于國際標(biāo)準(zhǔn)，我國的技術(shù)政策是認(rèn)真研究、區(qū)別對待、積極采用。在國家標(biāo)準(zhǔn)總局的歸口下已建立了全國機械振動與沖擊標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(辦公機構(gòu)在河南鄭州機械研究所)，委員會在下列諸方面正進行工作，如制訂和完善我國的振動與沖擊國家標(biāo)準(zhǔn)，開展與ISOTCl08的對口技術(shù)工作，有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的宣傳、

33、技術(shù)咨詢與服務(wù)工作等。目前，我國巳正式通過的振動與沖擊國家標(biāo)準(zhǔn)有下列10個，還有一批標(biāo)準(zhǔn)正在制訂或?qū)徟?。GB 22981980 機械振動。沖擊名詞術(shù)語。GB 28071981 電機振動測定方法。GB 42011984 通用臥式平衡機校驗法。GB 6075一1985 制訂機器振動標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)。GB 6444一1986平衡詞匯。GB 65571986 撓性轉(zhuǎn)子的機械平衡。GB 6558一1986 撓性轉(zhuǎn)子平衡的評定準(zhǔn)則。GB 722l1987 現(xiàn)場平衡設(shè)備的說明和評價。GB 8540一1987 振動與沖擊隔離器，確定特性要求導(dǎo)則。GB 10084一1988 振動、沖擊數(shù)據(jù)分析和表示方法。4.4 為

34、什么以振動速度參數(shù)作為診斷標(biāo)準(zhǔn)開始時，專家們已經(jīng)知道振動能量的大小是危害機器的主要因素，而表示這個能量大小的應(yīng)是寬頻帶內(nèi)的振動速度有效值，但是在20年前，當(dāng)時的測量技術(shù)不能滿足振動理論提出的要求，六十年代的診斷標(biāo)準(zhǔn)大多為振幅標(biāo)準(zhǔn)，典型代表是1968年國際電工委員會（IEC）對轉(zhuǎn)速不同的汽輪機、電機等所作的診斷標(biāo)準(zhǔn)。見表3：表3 （良好標(biāo)準(zhǔn)）轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)/分）100015001800300036007600軸承座0.0750.0500.0450.0250.0210.012標(biāo)準(zhǔn)中軸承座的振幅應(yīng)取轉(zhuǎn)子的各軸承座三個測點中最大的振幅值。同時，可以通過這個標(biāo)準(zhǔn)說明，振幅標(biāo)準(zhǔn)值是隨轉(zhuǎn)速變化而變化的，轉(zhuǎn)速越高，

35、標(biāo)準(zhǔn)值越低，因此現(xiàn)在通常不采用測量位移來判斷設(shè)備的好壞，而振動的速度有效值是與設(shè)備的轉(zhuǎn)速無關(guān)的，它確能反映設(shè)備的最大破壞能量。可以看出，雖然轉(zhuǎn)速越高，允許振幅越小，但是，振動速度的有效值Vrms是不變的，換句話說，無論轉(zhuǎn)速高低，準(zhǔn)則是一個，或者說，只允許某種振動能量，這種振動能量大小，是用振動速度的平方表征的。圖7 振動的振幅標(biāo)準(zhǔn)在以往的旋轉(zhuǎn)機械振動測量中，多采用機械式百分表來測量位移峰-峰值，用以判斷機器振動大小，進而確定好壞。我們說，這種測試方式是極不合理的。原因有三：第一，這種機械式百分表動態(tài)響應(yīng)很差，不能測量動態(tài)量；第二，測量軸承座的振幅是一種相對測量；第三，機器的振動是周期和非周期振

36、動同時存在的寬帶振動，即使用百分表能讀出數(shù)值，這個數(shù)值不一定是機器轉(zhuǎn)速下對應(yīng)的規(guī)定振幅。對設(shè)備監(jiān)護者，隨時測知設(shè)備的運行狀態(tài)是十分重要的，而要判定設(shè)備狀態(tài)就要有相應(yīng)的振動烈度判據(jù)。目前，最常采用的是ISO-2372標(biāo)準(zhǔn)，它以振動速度有效值在101000Hz頻帶內(nèi)的變化為狀態(tài)判定參量。以設(shè)備功率作為分類依據(jù)，標(biāo)準(zhǔn)如表4。表4旋轉(zhuǎn)機械振動診斷的國際標(biāo)準(zhǔn)（ISO2372）注：(1)I類為小型電機(小于15kw的電動機等；類為中型機器(1575kw的電動機等)；類為 大型原動機(硬基礎(chǔ))；類為大型原動機(彈性基礎(chǔ))。 (2)A、B、C、D為振動級別。A級好，B級滿意，C級不滿意，D級不允許。 測量速度

37、rms值應(yīng)在軸承殼的三個正交方向上。 需要指出的是，振動測量是在機器部件表面進行，因此，測量值還取決于測量處的機械導(dǎo)納。因此，選取正確的測點位置是十分重要的，不正確的位置往往導(dǎo)致錯誤的判斷結(jié)果。另外，此標(biāo)準(zhǔn)在實際應(yīng)用中不必生硬搬套，可根據(jù)設(shè)備實際情況和經(jīng)驗參考此標(biāo)準(zhǔn)建立自己的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。為了克服測點機械導(dǎo)納的影響，可靠的辦法是通過集中相對變化取得狀態(tài)信息，即用確定的參考“基線”或級值和允許系統(tǒng)的一定的變化來獲得：應(yīng)特別指出的是，相對標(biāo)準(zhǔn)的建立應(yīng)采用同一廠家儀器系列，在其基礎(chǔ)上建立其企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，否則標(biāo)準(zhǔn)無意義。5旋轉(zhuǎn)機械故障診斷5.1 旋轉(zhuǎn)機械常見故障及其特點5.1.1 旋轉(zhuǎn)軸的振動分類5.1.1.

38、1 強迫振動強迫振動又稱同步振動，它是由外界持續(xù)周期性激振力作用而引起的振動。強迫振動從外界不斷地獲得能量來補償阻尼所消耗的能量，使系統(tǒng)始終保持持續(xù)的等幅振動。該振功反過來并不影響擾動力。產(chǎn)生強迫振動的主要原因有轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡、聯(lián)軸器不對中、轉(zhuǎn)子與靜子摩擦、機械部件松動、轉(zhuǎn)子部件或軸承破損等。強迫振動的特點在于強迫振動的頻率總是等于擾動力的頻率。例如，由于轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡而引起的強迫振動，其頻率恒等于轉(zhuǎn)速頻率。5.1.1.2自激振動機器在運行過程中，由于機械內(nèi)部運動本身所產(chǎn)生的交變力而引起的振動叫自激振動。其特點是一旦振動停止，交變力也自然消失，自激振動的頻率就是機械的固有頻率(或臨界頻率)，與

39、外來激勵的頻率無關(guān)。旋轉(zhuǎn)機械中常見的自激振動有：油膜渦動和油膜振蕩。它主要由轉(zhuǎn)子內(nèi)阻、動靜部件間的干摩擦等引起。與強迫振動相比，自激振動出現(xiàn)比較突然，振動強度比較嚴(yán)重短時間內(nèi)就會對機器造成嚴(yán)重破壞。5.1.1.3非定常強迫振動非定常強迫振動是由外來擾動力而引起的一種強迫振動。其特點是與擾動力具有相同的頻率振動本身反過來會影響擾動力的大小與相位；振動的幅值和相位都是變化的。比如轉(zhuǎn)子軸上某一部位出現(xiàn)不均勻的熱變形，就相當(dāng)于給轉(zhuǎn)子增加了不平衡質(zhì)量，它將會使振動的幅值和相位都發(fā)生變化。反過來，振動幅值和相位的變化又影響不均勻熱變形的大小與部位，從而使強迫振動連續(xù)不斷地發(fā)生變化。 5.1.2 旋轉(zhuǎn)機械常

40、見故障及其特點5.1.2.1不平衡 轉(zhuǎn)子不平衡是旋轉(zhuǎn)機械的常見故障之一。轉(zhuǎn)子不平衡引起的振動有以下特點： (1) 振幅隨轉(zhuǎn)速的上升而增加； (2) 振動的頻率與轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)頻率相同； (3) 振動方向以徑向為主；(4) 振動相位常保持一定角度。當(dāng)不平衡重量只存在于一個平面內(nèi)時，這種不平衡稱為靜不平衡：而當(dāng)在多個平面內(nèi)有不平衡情況時，就是動不平衡。 泵、風(fēng)機、電動機使用一段時間后，由于磨擦、積灰等原因，使轉(zhuǎn)子質(zhì)心改變，出現(xiàn)不平衡（電動機由于潤滑脂過量也會引起不平衡）。不平衡的特點是：(1) 振動頻率單一，振動方向以徑向為主。在工頻（亦稱轉(zhuǎn)頻）（1X ）處有一最大峰值，（轉(zhuǎn)子若為懸臂支承，將有軸向分

41、量）；(2) 在一階臨界轉(zhuǎn)速內(nèi)振幅隨轉(zhuǎn)速的升高而增大；(3) 譜圖中一般不含工頻（1X）的高次諧波（2X、3X ）。5.1.2.2不同軸及軸彎曲所謂旋轉(zhuǎn)的不同軸，是指用聯(lián)軸節(jié)連接起來的兩根軸的中心線有偏移。存在不同軸時，容易發(fā)生軸向振動，使轉(zhuǎn)子發(fā)生暫時或永久變形，使軸承和聯(lián)軸節(jié)工作情況惡化、機械壽命縮短等：不同軸較輕時，其頻率成分為旋轉(zhuǎn)基本頻率：不同軸嚴(yán)重時，會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)基本頻率的高次成分。造成不同軸的主要原因有制造精度差、安裝不良、熱變形不均勻、聯(lián)軸節(jié)松動、地基下沉等。對于不平衡引起的振動，振幅的增大與轉(zhuǎn)速的平方成比例；對于不同軸引起的振動，振幅大體為一常數(shù)，與轉(zhuǎn)速的變化無關(guān)。雖然人們普遍認(rèn)為

42、機械振動主要是不平衡所致，但就旋轉(zhuǎn)機械而言，70-75的振動是不對中引起的。不對中有兩種：平行不對中和角度不對中。平行不對中徑向振動比較突出，角度不對中軸向振動更突出、兩者在機器端部或聯(lián)軸器兩邊都有180的相位差。不對中振動的特點：1在2X處有大的能量分布；2隨著不對中程度的增加，產(chǎn)生很大的軸向振動分量； 3在聯(lián)軸器的兩邊振動的相位關(guān)系是18030；4在2X處的幅值大于1X處的50時意味不對中程度已加劇。圖10-1是一臺水泵的譜圖，圖中2X處也有峰值，但較小，這與不對中的特點1相符，估計已存在某種程度的不對中。一周后再測量，該處幅值已明顯增大并超過1X處的幅值（圖10-2），說明不對中已比較嚴(yán)

43、重。檢查發(fā)現(xiàn)不對中量達0.254mm。找正后譜圖（圖10-3）2x處的幅值已明顯變小，機組運行相當(dāng)平穩(wěn)。但要說明兩點：第一，兩次測量結(jié)果，1X處的幅值無明顯變化，而2X處幅值變化很大，這正是不對中故障的典型頻譜特征。第二，在2X附近有兩個譜峰，一個在7100rmin處，為水泵的二倍軸頻譜；另一個在7200rmin處，它是電機定子繞組中電氣故障引起的。圖10-1圖10-2 圖10-35.1.2.3 松動松動現(xiàn)象是由螺栓緊固不牢引起的，或由于基礎(chǔ)松動、過大的軸承間隙等引起的。松動會使轉(zhuǎn)子發(fā)生嚴(yán)重振動。松動引起的振動特征如下：(1) 振動方向常表現(xiàn)為上下方向的振動；(2) 振動頻率除旋轉(zhuǎn)基本頻率fr

44、外，可發(fā)生高次諧波(2fr，3fr，)成分，也會發(fā)生（1/2fr，1/3fr，）分?jǐn)?shù)諧波和共振；(3) 振動相位無變化；(4) 振動形態(tài)使轉(zhuǎn)速增減、位移突然變大或減小。 即使裝配再好的機器運行一段時間后也會產(chǎn)生松動。引起松動的常見原因是：螺母松動、螺栓斷裂、軸徑磨損、甚至裝配了不合格零件。 具有松動故障的典型頻譜特征是以工頻為基頻的各次諧波，并在譜圖中?？吹?0X。國外有人認(rèn)為，若3X處峰值最大，是軸和軸承間有松動，若4X處有峰值，表明軸承本身松動。圖11-1是一臺電機地腳螺栓診斷的譜圖。但更換地腳螺栓后，譜圖上除工頻處有一峰值，其它峰值均已消失（圖11-2）。圖11-1 圖11-2圖12是一

45、臺用于空氣過濾的真空泵的頻譜圖。圖中出現(xiàn)多個高次諧波，有的已超過0.088mms。由于該泵已使用3個月，并且是多級推進器，因此懷疑是其中有一級推進器松動。拆開檢修發(fā)現(xiàn)是過濾器中的一個袋子被吸到泵里，纏繞在推進器上，使推進器失衡。同時，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子在軸承內(nèi)來回跳動，產(chǎn)生運轉(zhuǎn)速度的高次諧波，表現(xiàn)出松脫的頻譜特征。由此看出，一種故障現(xiàn)象往往是幾種故障共同作用的結(jié)果。圖125.1.2.4自激振功自激振動的產(chǎn)生不是由于機械受到外來周期性持續(xù)激振力，而是由于機械內(nèi)部運動本身所產(chǎn)生交變力。一旦振動停止。交變力自然消失。在自激振動情況下。振動無特殊方向性；振動頻率是機械的固有頻率或臨界頻率，與轉(zhuǎn)速或外來激勵的頻率

46、無關(guān)；相位會發(fā)生變化，在某一轉(zhuǎn)速下振動形態(tài)也會發(fā)生變化、旋轉(zhuǎn)機械常見的自激振動有渦動、振蕩（油膜振蕩、密封振蕩、摩擦振蕩等)、韻振、參數(shù)失穩(wěn)等。與強迫振動相比，自激振動出現(xiàn)比較突然，振動強度比較嚴(yán)重。短時間內(nèi)就會對機械造成嚴(yán)重破壞。5.1.2.5 油膜渦動和油膜振蕩油膜渦動是一種在某突然開始的轉(zhuǎn)速下，在軸承中發(fā)生的一種流體力不穩(wěn)定現(xiàn)象。其特點是振動頻率約為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動頻率的一半，故又稱為半速渦動；隨著轉(zhuǎn)于轉(zhuǎn)速的上升，油膜渦動頻率也隨之上升；當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速上升到臨界轉(zhuǎn)速二倍以上時，渦動頻率不再上升，而始終為臨界轉(zhuǎn)速頻率，并出現(xiàn)強烈振動，這就是油膜振蕩。油膜振蕩的原因是油膜渦動與轉(zhuǎn)子共振二者相互作用的結(jié)果，因而也稱為共振振蕩。根據(jù)線性化理論，一旦這種振動出現(xiàn)，就會產(chǎn)生相當(dāng)大的共振振幅，增加轉(zhuǎn)子中心與軸承中心的偏離程度，容易導(dǎo)致轉(zhuǎn)于疲勞破壞。圖13為圓柱軸承油膜渦動和油膜振蕩的幅頻特性曲線。其中圖13中(a)，(b)，(c)分別為軸承在輕載、中載、重載下的振幅A、頻率f的特性曲線，nk是轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速。5.1.3齒輪缺陷用振動頻譜來分析齒輪傳動存在的問題看起來很簡單，但要解釋它們卻很困難，要發(fā)現(xiàn)早期的齒輪缺陷尤其困難。其主要原因是傳感器的安裝受到限制和多振源產(chǎn)生一個復(fù)雜的頻譜。在傳動中，一般存在