設(shè)備故障振動(dòng)診斷技術(shù)介紹及其應(yīng)用

1、設(shè)備故障振動(dòng)診斷技術(shù)介紹及其應(yīng)用學(xué)習(xí)目的 本章主要討論動(dòng)態(tài)信號分析處理中的有關(guān)問題，重點(diǎn)介紹以快速傅里葉變換為基礎(chǔ)的各種分析技術(shù)。 1、了解信號的概念、轉(zhuǎn)換、傳輸以及特征信號的選擇 2、了解袖珍式振動(dòng)表、頻譜分析儀、計(jì)算機(jī)輔助狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)等振動(dòng)測量儀器及其應(yīng)用 3、掌握旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)故障分析常用方法，了解旋轉(zhuǎn)機(jī)械典型故障特征辨識 4、了解滾動(dòng)軸承的故障診斷方法 5、了解齒輪傳動(dòng)裝置的動(dòng)力特征 6、了解其他常見故障及其頻率特征 第一節(jié) 信號概念及分類n一、信號轉(zhuǎn)換與傳感器 n1動(dòng)態(tài)范圍 n2靈敏度 n3動(dòng)態(tài)特性 n4穩(wěn)定性 n二、信號傳輸及干擾噪聲 n三、信號的分類：確定性信號及非確定性信號 n四

2、、特征信號的選擇 ：信號的敏感性，在線（On-line）與實(shí)時(shí)性 三、信號的分類n信號可分為確定性信號及非確定性信號，所謂確定性信號是指可用數(shù)學(xué)關(guān)系式描述的信號，它又可分為周期信號及非周期信號，正弦波、方波等是典型的周期信號，而階躍脈沖、半正弦脈沖等是典型的非周期信號。所謂非確定性信號是指不能用數(shù)學(xué)關(guān)系式描述的信號，也無法預(yù)知其將來的幅值，又稱為隨機(jī)信號，如前一點(diǎn)中提到的電噪聲信號，又如在不平坦的道路上行駛的汽車，車內(nèi)產(chǎn)生的振動(dòng)就是隨機(jī)振動(dòng)，它使乘客感到顛簸。三、信號的分類n信號還可按其取值情況分為模擬信號和數(shù)字信號。模擬信號一般都是連續(xù)的，而數(shù)字信號則是離散的。大多數(shù)傳感器輸出的信號是模擬的

3、，如各種壓電式、磁電式、電容式、電渦流式及霍爾效應(yīng)等類型的傳感器；少數(shù)傳感器輸出的信號是離散的，如測量轉(zhuǎn)動(dòng)的圓光柵，其輸出信號為脈沖，通過脈沖計(jì)數(shù)確定轉(zhuǎn)過的角度?，F(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)只能處理數(shù)字信號，使用模擬數(shù)字(AD)轉(zhuǎn)換器后才能處理模擬信號。 四、特征信號的選擇n機(jī)器在運(yùn)行中能提供的信息很多，但不是每一種信息都對工況監(jiān)測有積極的意義。要選擇能實(shí)時(shí)采集的、且能敏感反映工況狀態(tài)變化的信息，蘊(yùn)含這種信息的信號稱為特征信號。n特征信號選擇要考慮的主要問題：信號的敏感性，在線（On-line）與實(shí)時(shí)性常用特征信號1、振動(dòng) 振動(dòng)是可能判斷下列動(dòng)力狀態(tài)的最佳特征信號：平衡，軸承穩(wěn)定性和葉片、齒輪的齒等元件上所

4、受的動(dòng)態(tài)應(yīng)力。此外，一般機(jī)器的異常，如聯(lián)軸節(jié)同軸度誤差和不適當(dāng)?shù)拈g隙等經(jīng)常亦可從振動(dòng)特征中顯示出來。2、溫度 測量溫度常用于兩個(gè)目的。一個(gè)是用來測量和評價(jià)機(jī)器狀態(tài)或施加于某些如推力軸承等特定元件上的負(fù)載。二是作為一個(gè)保證輔助系統(tǒng)（例如冷卻器）工作正常以及確定熱動(dòng)力性能和效率的特征信號。3、壓力 壓力亦是一項(xiàng)很有價(jià)值的診斷輔助信號，因?yàn)閴毫ψ兓Ｊ枪收系恼髡祝鐑?nèi)部間隙的堵塞或變化，將影響推力負(fù)載。4、油的狀態(tài) 監(jiān)測油的狀態(tài)可以預(yù)警油里外部物質(zhì)的增多，例如通過對油中磨粒進(jìn)行觀察和分析，能比較準(zhǔn)確地判別故障的程度、部位、類型和原因。第二節(jié) 振動(dòng)測量儀器及其應(yīng)用n一、寬頻帶測量簡介 n二、早期故障

5、檢測與損壞指示 n三、頻率分析的基本系統(tǒng) n四、計(jì)算機(jī)輔助狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng) 圖2-1圖2-2第三節(jié) 旋轉(zhuǎn)機(jī)械的振動(dòng)監(jiān)測與診斷 n一、預(yù)備知識 n1.機(jī)械振動(dòng)及其種類 n2簡諧振動(dòng)及其性質(zhì)n3周期振動(dòng)及其性質(zhì) n4時(shí)域頻域分析 n5轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速 n 在機(jī)械故障的眾多診斷信息中，振動(dòng)信號能夠更迅速、更直接地反映機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，70以上的故障都是以振動(dòng)形式表現(xiàn)出來的。 第三節(jié) 旋轉(zhuǎn)機(jī)械的振動(dòng)監(jiān)測與診斷n二、監(jiān)測參數(shù)及分析方法 n1.監(jiān)測參數(shù)n(1)動(dòng)態(tài)參數(shù)n一、振幅 它表示振動(dòng)的嚴(yán)重程度，可用位移、速度或加速度表示。常見振動(dòng)傳感器的使用頻率范圍，見圖2-8。第三節(jié) 振動(dòng)診斷技術(shù)振動(dòng)幅值1、

6、均值TTxdttxT0)(1limx第三節(jié) 振動(dòng)診斷技術(shù)2、方差3、有效值2xrmsxTTrmsdttxTx02)(1limdttxTTxTx202)(1lim第三節(jié) 振動(dòng)診斷技術(shù)二、振動(dòng)烈度（即振動(dòng)速度的方均根值）三、相位 不同振源產(chǎn)生不同的振動(dòng)相位不同，對于兩個(gè)振源，相位相同可以使振幅疊加，產(chǎn)生嚴(yán)重后果；反之相位相反 可能一起振動(dòng)抵消，起到減振作用。 圖2-81.監(jiān)測參數(shù)n(2)靜態(tài)參數(shù)n軸心位置 在穩(wěn)定情況下，軸承中心相對于轉(zhuǎn)軸軸頸中心的位置 。n軸向位置 是機(jī)器轉(zhuǎn)子上止推環(huán)相對于止推軸承的位置。 n差脹 指旋轉(zhuǎn)機(jī)械中轉(zhuǎn)子與靜子之間軸向間隙的變化值。n對中度 指軸系轉(zhuǎn)子之間的連接對中程度

7、 。n溫度 n潤滑油壓 反映滑動(dòng)軸承油膜的建立情況。 補(bǔ)充 潤滑的基本知識一、潤滑的概念 潤滑為了減少摩擦和磨損對機(jī)械設(shè)備造成的危害，而人為的利用不同物質(zhì)具有不同的摩擦特性，選擇那些摩擦和磨損對設(shè)備危害較小物質(zhì)去替換那些對設(shè)備危害大的物質(zhì)，從而達(dá)到減少摩擦和磨損造成的各種危害的程度。補(bǔ)充 潤滑的基本知識二、潤滑的作用1、降低摩擦潤滑劑摩擦系數(shù)小，從而減少了摩擦阻力，節(jié)約能源消耗2、減少磨損潤滑劑在摩擦面間可以減少磨粒磨損、表面疲勞、粘著磨損等所造成的磨損。補(bǔ)充 潤滑的基本知識3、冷卻作用潤滑劑可以吸熱、傳熱和散熱，因而能夠降低摩擦熱造成的溫度上升。4、防銹作用潤滑劑的存在可以防止因空氣、水滴、

8、水蒸氣、腐蝕性氣體及液體、氧化物引起的銹蝕。補(bǔ)充 潤滑的基本知識5、傳遞動(dòng)力在許多情況下潤滑劑具有傳遞動(dòng)力的功能，如液壓傳動(dòng)。6、密封作用潤滑劑對某些外露零部件形成密封，防止水分雜質(zhì)浸入。補(bǔ)充 潤滑的基本知識7、減震作用在受到?jīng)_擊載荷時(shí)，可以吸收沖擊能，如汽車減震器等。8、清潔作用通過潤滑劑的循環(huán)可以帶走雜質(zhì)，經(jīng)過濾器濾掉。補(bǔ)充 潤滑的基本知識三、潤滑的分類1、無潤滑2、邊界潤滑3、流體潤滑4、半流體潤滑和半干潤滑補(bǔ)充 潤滑的基本知識1、無潤滑摩擦系數(shù)NFFf/補(bǔ)充 潤滑的基本知識2、邊界潤滑 摩擦表面上僅存在一層很薄的油膜。油膜靠靜電引力和分子吸引牢固的吸附在金屬表面上。補(bǔ)充 潤滑的基本知識

9、3、流體潤滑 當(dāng)摩擦面間的潤滑膜厚度大到足以將兩個(gè)表面的輪廓峰完全隔開時(shí)，相對摩擦的兩個(gè)表面被完全分隔開來。摩擦在流體內(nèi)部的分子間進(jìn)行。補(bǔ)充 潤滑的基本知識4、半流體潤滑和半干潤滑 液體潤滑的油膜部分遭到破壞時(shí)，油膜破壞的部位就會(huì)出現(xiàn)摩擦表面的直接接觸，處于干摩擦或者邊界潤滑狀態(tài)。若此時(shí)流體潤滑占主要地位，則稱為半流體潤滑，若油膜大部分遭到破壞則稱為半干潤滑。二、監(jiān)測參數(shù)及分析方法n2.旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)故障分析常用方法 n（1）波特圖（Bode plot）是機(jī)器振幅與轉(zhuǎn)速頻率，相位與轉(zhuǎn)速頻率的關(guān)系曲線，如圖2-9所示。 n（2）極坐標(biāo)圖 是把上述幅頻特性和相頻特性曲線綜合在極坐標(biāo)上表示出來，如圖2

10、-10所示。 n（3)軸心位置圖 借助于相互垂直的兩個(gè)電渦流傳感器，監(jiān)測直流間隙電壓，即可得到轉(zhuǎn)子軸頸中心的徑向位置。如圖2-11所示。 n（4)軸心軌跡圖 渦動(dòng)運(yùn)動(dòng)的軌跡稱之為軸心軌跡如圖2-14所示。 。 n（5)頻譜圖 振動(dòng)信號絕大多數(shù)是由多種激勵(lì)信號合成的復(fù)雜信號，按照傅里葉分析原理，這種復(fù)雜信號可以分解為一系列諧波分量（即頻率成分），每一諧波分量又含有幅值和相位特征量。各個(gè)諧波分量以頻率軸為坐標(biāo)，按頻率高低排列起來的譜圖，就叫頻譜圖。各諧波分量分別以幅值或相位特征量來表示，分別稱為幅值頻譜（簡稱幅值譜）和相位頻譜（注意與波特圖的區(qū)別）。 圖2-9圖2-10圖2-11圖2-12n為了便

11、于識別各頻率成分（包括基頻、倍頻及分?jǐn)?shù)倍頻等）與故障的聯(lián)系，常將頻譜圖的頻率軸（橫坐標(biāo)）改用工作頻率的倍數(shù)來表示，而縱坐標(biāo)仍表示幅值。這種譜圖稱為階比幅值譜。圖2-13為圖2-12的階比幅值譜。兩圖形狀相似僅在橫軸方向比例有所改變，因此兩者提供的診斷信息量相同。 三、旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)評定標(biāo)準(zhǔn)n1軸承振動(dòng)評定，這可以利用接觸式傳感器（例如磁電式振動(dòng)速度傳感器或壓電式振動(dòng)加速度傳感器）放置在軸承座上進(jìn)行測量。n 2軸振動(dòng)值評定，這可利用非接觸式傳感器（例如電渦流式傳感器）測量軸相對于機(jī)殼的振動(dòng)值或軸的絕對振動(dòng)值。n 評定參數(shù)可用振動(dòng)位移峰峰值和振動(dòng)烈度（它代表了振動(dòng)能量的大?。﹣肀硎尽?n由上述兩表可

12、以看出，轉(zhuǎn)速低，允許的振動(dòng)值大；轉(zhuǎn)速高，允許的振動(dòng)值小。 第三節(jié) 旋轉(zhuǎn)機(jī)械的振動(dòng)監(jiān)測與診斷n四、旋轉(zhuǎn)機(jī)械典型故障辨識n 1.不平衡振動(dòng) n （1）不平衡振動(dòng)的特征 轉(zhuǎn)子的質(zhì)量不平衡所產(chǎn)生的離心力始終作用在轉(zhuǎn)子上，它相對于轉(zhuǎn)子是靜止的，其振動(dòng)頻率就是轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速頻率，也稱為工頻（即工作頻率），在頻率分析時(shí)，首先要找的就是工頻成分。其特征（參見圖2-14）有: 圖2-14n1)對于剛性轉(zhuǎn)子，不平衡產(chǎn)生的離心力與轉(zhuǎn)速的平方成正比，而在軸承座測得的振動(dòng)隨轉(zhuǎn)速增加而加大，但不一定與轉(zhuǎn)速的平方成正比，這是由于軸承與轉(zhuǎn)子之間的振動(dòng)耦合的非線性所致。n2)在臨界轉(zhuǎn)速附近， 振幅會(huì)出現(xiàn)一個(gè)峰值， 且相位在臨界轉(zhuǎn)速

13、前后相差近180。n3）振動(dòng)頻率和轉(zhuǎn)速頻率一致，轉(zhuǎn)速頻率的高次諧波幅值很低，在時(shí)域上波形接近于一個(gè)正弦波。 n（2）固有不平衡 由于各轉(zhuǎn)子殘余不平衡的累積、材質(zhì)不良、安裝不當(dāng)?shù)仍?，即使機(jī)組在制造過程中已對各個(gè)轉(zhuǎn)子作了動(dòng)平衡，但是連接起來的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)還是存在固有不平衡。為消除質(zhì)量不平衡產(chǎn)生的振動(dòng)，應(yīng)在平衡機(jī)或現(xiàn)場作靜平衡和動(dòng)平衡試驗(yàn)，加以校正。 n（3)轉(zhuǎn)子彎曲 轉(zhuǎn)子彎曲有初始彎曲與熱彎曲之分。n 轉(zhuǎn)子的初始彎曲是由于加工不良、殘余應(yīng)力或碰撞等原因引起的，它將引起轉(zhuǎn)子系統(tǒng)工頻振動(dòng)，通過振動(dòng)測量并不能把它與轉(zhuǎn)子的質(zhì)量不平衡區(qū)分開來。而應(yīng)在低速轉(zhuǎn)動(dòng)下檢查轉(zhuǎn)子各部位的徑向跳動(dòng)量予以判斷。當(dāng)轉(zhuǎn)子彎曲不嚴(yán)

14、重時(shí)也可以用平衡方法加以校正；當(dāng)彎曲嚴(yán)重時(shí)，必須進(jìn)行校正或更換。 n轉(zhuǎn)子熱彎曲是：1）由于轉(zhuǎn)子與靜子（如密封處）發(fā)生間歇性局部接觸，產(chǎn)生摩擦熱引起的轉(zhuǎn)子臨時(shí)性彎曲；2）轉(zhuǎn)子不均勻受熱或冷卻引起轉(zhuǎn)子的臨時(shí)性彎曲。其特點(diǎn)是轉(zhuǎn)子的振動(dòng)隨時(shí)間、負(fù)荷的變化而在大小和相位上均有改變。因此，可通過變負(fù)荷或一段時(shí)間的振動(dòng)監(jiān)測判斷轉(zhuǎn)子熱彎曲故障。防止熱彎曲一方面要減小使轉(zhuǎn)子不均勻受熱的影響因素，如啟停機(jī)時(shí)充分暖機(jī)，保證機(jī)組均勻膨脹；另一方面應(yīng)注意裝配間隙，各部件要有相近的線（膨）脹系數(shù)。 n（4)轉(zhuǎn)子部件脫落 當(dāng)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子上部件突然脫落時(shí)，使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生階躍性的不平衡變化，其表現(xiàn)形式也是每轉(zhuǎn)一次的振動(dòng)成分，使機(jī)組振動(dòng)

15、加劇。但由于轉(zhuǎn)子部件脫落不平衡矢量與原始轉(zhuǎn)子不平衡矢量的疊加，使合成的不平衡矢量在大小、相位和位置三方面均與原始轉(zhuǎn)子不平衡矢量發(fā)生了變化，因此，可通過測量相位進(jìn)一步診斷。n（5)聯(lián)軸器精度不良 第三節(jié) 旋轉(zhuǎn)機(jī)械的振動(dòng)監(jiān)測與診斷n四、旋轉(zhuǎn)機(jī)械典型故障辨識n2轉(zhuǎn)子不對中 n分類：見圖2-16n轉(zhuǎn)子不對中故障的主要特征（參見圖2-17）有：圖2-16 圖2-17n轉(zhuǎn)子不對中故障的主要特征有：n(1)改變軸承的支承負(fù)荷，使軸承的油膜壓力也隨之改變，負(fù)荷減少，軸承可能會(huì)產(chǎn)生油膜失穩(wěn)。n(2)最大振動(dòng)往往在不對中聯(lián)軸器兩側(cè)的軸承上，且振動(dòng)值與轉(zhuǎn)子的負(fù)荷有關(guān)，隨負(fù)荷的增大而增高。n(3)平行不對中主要引起徑

16、向振動(dòng)，振動(dòng)頻率為旋轉(zhuǎn)頻率的2倍，同時(shí)也存在多倍頻振動(dòng)。3.動(dòng)靜摩擦 n 在旋轉(zhuǎn)機(jī)械中，由于轉(zhuǎn)子彎曲、轉(zhuǎn)子不對中引起軸心嚴(yán)重變形，間隙不足和非旋轉(zhuǎn)部件彎曲變形等原因引起轉(zhuǎn)子與固定件接觸碰撞而引起的異常振動(dòng)時(shí)有發(fā)生。摩擦分全圓徑環(huán)形摩擦和局部摩擦兩種，其特征（參見圖2-18和圖2-19）有： 第三節(jié) 旋轉(zhuǎn)機(jī)械的振動(dòng)監(jiān)測與診斷n五、滾動(dòng)軸承故障診斷 n 滾動(dòng)軸承是機(jī)械設(shè)備中最常見也是最易損壞的零件之一。滾動(dòng)軸承有很多損壞形式，常見的有磨損失效、疲勞失效、腐蝕失效、斷裂失效、壓痕失效和膠合失效。當(dāng)它出現(xiàn)隨機(jī)性的機(jī)械故障時(shí)，所產(chǎn)生的振幅相應(yīng)增加，如圖2-20。 n1.滾動(dòng)軸承的振動(dòng)機(jī)理n（1）軸承剛度

17、變化引起的振動(dòng) n（2）由滾動(dòng)軸承運(yùn)動(dòng)副引起的振動(dòng) n（3）滾動(dòng)軸承元件的固有頻率 n（4）滾動(dòng)軸承故障所產(chǎn)生的振動(dòng)（圖2-21） n（5）與滾動(dòng)軸承安裝有關(guān)的振動(dòng) （圖2-22、圖2-23）圖2-20圖2-21五、滾動(dòng)軸承故障診斷n2滾動(dòng)軸承振動(dòng)信號的拾取n 滾動(dòng)軸承故障的振動(dòng)識別必須以軸承本身的真實(shí)振動(dòng)信號為依據(jù)。由于軸承異常所引起的振動(dòng)受軸的旋轉(zhuǎn)速度、軸承損傷部分的形狀以及軸承和外殼振動(dòng)系統(tǒng)的傳遞特征所左右。因而，在測取軸承振動(dòng)信號時(shí)，無論測哪個(gè)方向的振動(dòng)信號，傳感器都必須安置在軸承載荷區(qū)的中心。同時(shí)，要注意信號傳遞通道的影響，即必須考慮金屬結(jié)構(gòu)傳遞振動(dòng)信號的通道性質(zhì)。由于傳感器都放在軸承座外面，為了消除傳遞通道的非線性影響，應(yīng)