典型機(jī)械故障的振動(dòng)分析與診斷

1、典型機(jī)械故障的振動(dòng)分析及診斷 振動(dòng)的基本概念 慣性力 阻尼力 彈性力 干擾力表征振動(dòng)的三個(gè)要素：振動(dòng)幅值、頻率（周期）、相位 有阻尼的強(qiáng)迫振動(dòng)及其特性W/WoW/Wo現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備實(shí)際的振動(dòng)波形 振動(dòng)信號(hào)的采集與處理快速富里葉分析(FFT)原理用振動(dòng)分析方法監(jiān)測(cè)設(shè)備狀態(tài)分析方法幅值分析：振動(dòng)總值（振動(dòng)水平、列度）、變化趨勢(shì)、機(jī)械動(dòng)態(tài)特性頻譜分析：引起設(shè)備振動(dòng)原因的具體分析相位分析：設(shè)備振動(dòng)原因的進(jìn)一步確認(rèn)、共振（相頻特性）、動(dòng)平衡分析波形分析：振動(dòng)總值（峰值、峰峰值）、周期、拍節(jié)峰值能量譜分析：軸承、齒輪振動(dòng)分析的過程：?jiǎn)栐\ 監(jiān)測(cè) 診斷 措施問診：了解設(shè)備背景，列出可能引起振動(dòng)的原因 設(shè)備結(jié)構(gòu)（傳動(dòng)

2、鏈參數(shù)，如齒輪齒數(shù)、軸承型號(hào)、皮帶輪直徑 等）、設(shè)備的動(dòng)態(tài)特性等信息;設(shè)備運(yùn)行工況，過程參數(shù)：溫度、壓力、轉(zhuǎn)速、負(fù)荷設(shè)備維修檔案監(jiān)測(cè): 確定振動(dòng)監(jiān)測(cè)和分析方案 測(cè)試的工況（轉(zhuǎn)速、負(fù)荷）；測(cè)點(diǎn)位置；測(cè)試參數(shù)（振動(dòng)位移、速度、加速度）；絕對(duì)振動(dòng)、相對(duì)振動(dòng)測(cè)試振動(dòng)的方向（H/V/A）數(shù)據(jù)類型（幅值、頻譜、波形、相位）信號(hào)檢測(cè)類型：峰值、峰峰值、有效值振動(dòng)分析的過程：?jiǎn)栐\ 監(jiān)測(cè) 診斷 措施診斷：引起振動(dòng)的原因和部位 振動(dòng)幅值趨勢(shì)分析 振動(dòng)波形識(shí)別頻譜分析、峰值能量譜分析 頻響特性與相干分析瞬時(shí)頻率變化與相位分析措施：給出結(jié)論 繼續(xù)運(yùn)行；還能運(yùn)行多久?維修、檢查；部位?不同設(shè)備故障的振動(dòng)特點(diǎn)常 見 的

3、設(shè) 備 故 障不 平 衡偏 心 轉(zhuǎn) 子軸 彎 曲不 對(duì) 中松 動(dòng)轉(zhuǎn)子與定子摩擦滑 動(dòng) 軸 承滾 動(dòng) 軸 承齒 輪 故 障 力不平衡 力偶不平衡 動(dòng)不平衡 懸臂轉(zhuǎn)子不平衡 角不對(duì)中 平行不對(duì)中 軸承不對(duì)中 聯(lián)軸節(jié)故障 結(jié)構(gòu)框架/底座松動(dòng) 軸承座松動(dòng) 軸承等部件松動(dòng) 齒輪磨損 齒輪偏心 齒輪不對(duì)中質(zhì) 量 不 平 衡A同頻占主導(dǎo)，相位穩(wěn)定。如果只有不平衡，1X幅值大于等于通頻幅值的80，且按轉(zhuǎn)速平方增大。通常水平方向的幅值大于垂直方向的幅值，但通常不應(yīng)超過兩倍。同一設(shè)備的兩個(gè)軸承處相位接近。水平方向和垂直方向的相位相差接近90度。 典型的頻譜 相位關(guān)系力 不 平 衡質(zhì) 量 不 平 衡B 典型的頻譜

4、相位關(guān)系力 偶 不 平 衡同頻占主導(dǎo)，相位穩(wěn)定。振幅按轉(zhuǎn)速平方增大。需進(jìn)行雙平面動(dòng)平衡。偶不平衡在機(jī)器兩端支承處均產(chǎn)生振動(dòng)，有時(shí)一側(cè)比另一側(cè)大較大的偶不平衡有時(shí)可產(chǎn)生較大的軸向振動(dòng)。兩支承徑向同方向振動(dòng)相位相差180。質(zhì) 量 不 平 衡C動(dòng)不平衡是前兩種不平衡的合成結(jié)果。仍是同頻占主導(dǎo)，相位穩(wěn)定。 兩支承處同方向振動(dòng)相位差接近 典型的頻譜 相位關(guān)系動(dòng) 不 平 衡質(zhì) 量 不 平 衡懸臂轉(zhuǎn)子不平衡在軸向和徑向都會(huì)引起較大1X振動(dòng)。軸向相位穩(wěn)定，而徑向相位會(huì)有變化。懸臂式轉(zhuǎn)子可產(chǎn)生較大的軸向振動(dòng)，軸向振動(dòng)有時(shí)甚至超過徑向振動(dòng)。兩支承處軸向振動(dòng)相位接近。往往是力不平衡和力偶不平衡同時(shí)出現(xiàn) 典型的頻譜

5、相 位 關(guān) 系懸 臂 轉(zhuǎn) 子 不 平 衡 偏 心 轉(zhuǎn) 子當(dāng)旋轉(zhuǎn)的皮帶輪、齒輪、電機(jī)轉(zhuǎn)子等有幾何偏心時(shí)，會(huì)在兩個(gè)轉(zhuǎn)子中心連線方向上產(chǎn)生較大的1X振動(dòng)；偏心泵除產(chǎn)生1X振動(dòng)外，還由于流體不平衡會(huì)造成葉輪通過頻率及倍頻的振動(dòng)。垂直與水平方向振動(dòng)相位相差為0或180。采用平衡的辦法只能消除單方向的振動(dòng)。 典型的頻譜 相 位 關(guān) 系 軸 彎 曲振動(dòng)特征類似動(dòng)不平衡，振動(dòng)以1X為主，如果彎曲靠近聯(lián)軸節(jié)，也可產(chǎn)生2X振動(dòng)。類似不對(duì)中、通常振幅穩(wěn)定，如果2X與供電頻率或其諧頻接近，則可能產(chǎn)生波動(dòng)。軸向振動(dòng)可能較大，兩支承處相位相差180度。振動(dòng)隨轉(zhuǎn)速增加迅速增加，過了臨界轉(zhuǎn)速也一樣。 典型的頻譜 相位關(guān)系不

6、對(duì) 中有資料表明現(xiàn)有企業(yè)在役設(shè)備3050存在不同程度的不對(duì)中，嚴(yán)重的不對(duì)中會(huì)造成設(shè)備部件的過早損壞，同時(shí)會(huì)造成能源的浪費(fèi)。不對(duì)中既可產(chǎn)生徑向振動(dòng)，又會(huì)產(chǎn)生軸向振動(dòng)；既會(huì)造成臨近聯(lián)軸節(jié)處支承的振動(dòng)，也會(huì)造成遠(yuǎn)離聯(lián)軸節(jié)的自由端的振動(dòng)。不對(duì)中易產(chǎn)生2X振動(dòng)，嚴(yán)重的不對(duì)中有時(shí)會(huì)產(chǎn)生類似松動(dòng)的高次諧波振動(dòng)。 相位是判斷不對(duì)中的最好判據(jù)。 不對(duì)中A角不對(duì)中產(chǎn)生較大的軸向振動(dòng)，頻譜成分為1X和2X；還常見1X、2X或3X都占優(yōu)勢(shì)的情況。如果2X或3X超過1X的30到50，則可認(rèn)為是存在角不對(duì)中。聯(lián)軸節(jié)兩側(cè)軸向振動(dòng)相位相差180度。 典型的頻譜 相位關(guān)系角 不 對(duì) 中不對(duì)中 B 典型的頻譜 相 位 關(guān) 系平

7、行不 對(duì) 中平行不對(duì)中的振動(dòng)特性類似角不對(duì)中，但徑向振動(dòng)較大。頻譜中2X較大，常常超過1X，這與聯(lián)軸節(jié)結(jié)構(gòu)類型有關(guān)。角不對(duì)中和平行不對(duì)中嚴(yán)重時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較多諧波的高諧次（4X8X）振動(dòng)。聯(lián)軸節(jié)兩側(cè)相位相差也是180度。不對(duì)中 C軸承不對(duì)中或卡死將產(chǎn)生1X, 2X軸向振動(dòng)，如果測(cè)試一側(cè)軸承座的四等分點(diǎn)的振動(dòng)相位，對(duì)應(yīng)兩點(diǎn)的相位相差180度。通過找對(duì)中無法消除振動(dòng)，只有卸下軸承重新安裝。 典型的頻譜 相位關(guān)系軸 承 不 對(duì) 中不對(duì)中 D如果聯(lián)軸節(jié)的短節(jié)過長(zhǎng)或過短，通常會(huì)產(chǎn)生明顯的3X振動(dòng)。齒型聯(lián)軸節(jié)卡死會(huì)引起軸向和徑向振動(dòng)，通常軸向大于徑向，頻譜以1X為主，兼有其它諧頻，也有出現(xiàn)4X為主的實(shí)例。振動(dòng)

8、隨負(fù)荷而變，1X明顯。松動(dòng)的聯(lián)軸節(jié)將引起嚙合頻率及葉片通過頻率的振動(dòng)，其周圍分布1X旁瓣。聯(lián) 軸 節(jié) 故 障 對(duì) 中 不 良 設(shè) 備 的 軸 心 軌 跡機(jī) 械 松 動(dòng)松動(dòng)本身不是純粹 的故障，不會(huì)直接 產(chǎn)生振動(dòng)，但它可 放大故障的作用。A 結(jié) 構(gòu) 框 架 或 底 座 松 動(dòng)B 軸 承 座 松 動(dòng)C 軸 承 等部 件 配 合松 動(dòng)A. 結(jié) 構(gòu) 框 架/ 底 座 松 動(dòng)振動(dòng)特征: 類似不平衡或不對(duì)中，頻譜主要以1X為主。振動(dòng)具有局部性，只表現(xiàn)在松動(dòng)的轉(zhuǎn)子上。同軸承徑向振動(dòng)垂直，水平方向相位差0或180度。底板連接處相鄰結(jié)合面的振動(dòng)相位相差180度。如果軸承緊固是在軸向，也會(huì)引起類似不對(duì)中的軸向振動(dòng)

9、。 包括如下幾方面的故障 支腳、底板、水泥底座松動(dòng)/強(qiáng)度不夠； 框架或底板變形；緊固螺絲松動(dòng)。B. 由于結(jié)構(gòu)/ 軸承座晃動(dòng)或開裂引起的松動(dòng)振動(dòng)特征:主要以2X為特征(主要是徑向2X超過1X的50%)幅值有時(shí)不穩(wěn)定振動(dòng)只有伴隨其它故障如不平衡或不對(duì)中時(shí)才有表現(xiàn)，此時(shí)要消除平衡或?qū)χ袑⒑芾щy。在間隙達(dá)到出現(xiàn)碰撞前，振動(dòng)主要是1X和2X；出現(xiàn)碰撞后，振動(dòng)將出現(xiàn)大量諧頻。 包括如下幾方面的故障 結(jié)構(gòu)或軸承座開裂 支承件長(zhǎng)度不同引起的晃動(dòng) 部件間隙出現(xiàn)少量偏差時(shí)(尚無碰撞) 緊固螺絲松動(dòng)。C. 軸承在軸承座內(nèi)松動(dòng)或部件配合松動(dòng)振動(dòng)特征:常常出現(xiàn)大量的高次諧頻，有時(shí)10X，甚至20X，松動(dòng)嚴(yán)重時(shí)還會(huì)出現(xiàn)半

10、頻及諧頻 (0.5X, 1.5X.) 成分。半頻及諧頻往往隨不平衡或不對(duì)中等故障出現(xiàn)。振動(dòng)具有方向性和局部性。振動(dòng)幅值變化較大，相位有時(shí)也不穩(wěn)定。包括如下幾方面的故障軸承在軸承座內(nèi)松動(dòng)軸承內(nèi)圈間隙大軸承保持架在軸承蓋內(nèi)松動(dòng)軸承松動(dòng)或與軸有相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn) 子 摩 擦轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中與定子的摩擦?xí)斐蓢?yán)重的設(shè)備故障在摩擦過程中, 轉(zhuǎn)子剛度發(fā)生改變從而改變轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的固有頻率, 可能造成系統(tǒng)共振。往往會(huì)激起亞諧波振動(dòng)(1/2X, 1/3X.), 嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)大量的諧頻(1/2X, 1.5X, 2.5X.)，并伴隨有噪音。軸徑和滑動(dòng)軸承鎢金干摩電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子與定子接觸葉輪與擴(kuò)壓器口接觸汽輪機(jī)葉片與靜葉嚴(yán) 重 摩

11、擦輕 微 摩 擦軸與汽封摩擦聯(lián)軸器罩摩軸皮帶摩擦皮帶罩葉片摩擦外罩 典型的摩擦波形 潤(rùn) 滑 油 不 足 引 起 的 頻 譜滾 動(dòng) 軸 承有資料顯示僅有1020的軸承達(dá)到或接近設(shè)計(jì)壽命. 其余部分因?yàn)槿缦赂鞣N原因達(dá)不到設(shè)計(jì)壽命: 潤(rùn)滑不當(dāng), 使用錯(cuò)誤的潤(rùn)滑劑；潤(rùn)滑劑或軸承內(nèi)混入贓物或雜質(zhì)；運(yùn)輸或存放不當(dāng)；選型不當(dāng)、安裝錯(cuò)誤等. 振動(dòng)監(jiān)測(cè)的最終目的是通過跟蹤軸承狀態(tài)了解何時(shí)需要更換軸承.位移：不易用于軸承的監(jiān)測(cè)。加速度：可早期發(fā)現(xiàn)軸承的故障征兆，應(yīng)與速度聯(lián)用。使用包絡(luò)技術(shù)或gSE監(jiān) 測(cè) 參 數(shù) 的 選 擇第一階段： 軸承故障出現(xiàn)在超聲段20 60KHz, 它們可用gSE、高頻(HFD)g來測(cè)量、評(píng)

12、定。例如：某軸承在第一階段的尖峰能量值為0.25gSE(實(shí)測(cè)數(shù)值與測(cè)試位置和機(jī)械轉(zhuǎn)速有關(guān))。第二階段： 輕微的軸承故障開始“敲擊”出軸承元件的固有頻率段，一般在5002KHz范圍內(nèi)；本階段后期表現(xiàn)為，在固有頻率附近出現(xiàn)邊頻（例：0.25gSE 0.5gSE ）滾 動(dòng) 軸 承 故 障 譜 特 征 (1)第三階段： 軸承出現(xiàn)磨損故障頻率和諧波出現(xiàn)； 磨損發(fā)展時(shí)出現(xiàn)更多故障頻率諧波，并且邊帶數(shù)目增多，振動(dòng)尖峰能量值繼續(xù)增大。第四階段： 這一階段甚至影響1X分量，并引起其它倍頻分量2X、3X等的增大。軸承故障頻率和固有頻率開始“消失” 被隨機(jī)振動(dòng)或噪音代替，高頻量和尖峰能量值很大。滾 動(dòng) 軸 承 故 障 譜 特 征 (2)滾 動(dòng) 軸 承 故 障 頻 譜滾 動(dòng) 軸 承 故 障 前 后gSE 譜滑 動(dòng) 軸 承滑動(dòng)軸承摩擦后期通常出現(xiàn)一系列倍頻成分（多達(dá)10X20X）。老的滑動(dòng)軸承往往產(chǎn)生垂直方向比水平方向振幅更大的振動(dòng)。間隙過大的滑動(dòng)軸承可能會(huì)導(dǎo)致不平衡、不對(duì)中等引起的振動(dòng)更大。摩擦/間隙過大的頻譜油膜振蕩松動(dòng)，1/2X, 1/3X等成分，隨負(fù)荷變化較大烏金脫落，1/2X及諧頻，幅值小于松動(dòng)譜瓦塊損壞，1/3X渦動(dòng)，調(diào)油溫有效滑 動(dòng) 軸 承 損 壞 及 松 動(dòng) 頻 譜齒 輪 故 障 (1)正常的頻譜出現(xiàn)所有轉(zhuǎn)軸的1X和嚙合頻率(GMF)。齒輪嚙合頻率的兩側(cè)有轉(zhuǎn)速邊帶，其峰值