機械振動與故障診斷基本知識講解

1、共44頁Strongwish內(nèi)部材料第 頁旋轉機械狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷講義深圳市創(chuàng)為實技術發(fā)展有限公司2005年8月目錄TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark6 第一章狀態(tài)監(jiān)測的基本知識4 HYPERLINK l bookmark8 一、有關的名詞和術語4 HYPERLINK l bookmark10 振動的基本參量：幅值、周期（頻率）和相位4 HYPERLINK l bookmark12 通頻振動、選頻振動、工頻振動6 HYPERLINK l bookmark14 徑向振動、水平振動、垂直振動、軸向振動6 HYPERLINK l bookmark16 同步振動、異

2、步振動7 HYPERLINK l bookmark18 諧波、次諧波、亞異步、超異步7 HYPERLINK l bookmark20 相對軸振動、絕對軸振動、軸承座振動7 HYPERLINK l bookmark22 自由振動、受迫振動、自激振動、隨機振動7 HYPERLINK l bookmark24 8.高點和重點8 HYPERLINK l bookmark26 剛度、阻尼和臨界阻尼8 HYPERLINK l bookmark28 共振、臨界轉速、固有頻率9 HYPERLINK l bookmark30 分數(shù)諧波共振、高次諧波共振和參數(shù)激振9 HYPERLINK l bookmark32

3、12.渦動、正進動和反進動9 HYPERLINK l bookmark34 13.同相振動和反相振動10 HYPERLINK l bookmark36 14.軸振型和節(jié)點10 HYPERLINK l bookmark38 15.轉子撓曲11 HYPERLINK l bookmark40 16.電氣偏差、機械偏差、晃度11 HYPERLINK l bookmark42 17.偏心和軸心位置11 HYPERLINK l bookmark44 18.間隙電壓、油膜壓力11 HYPERLINK l bookmark46 二、傳感器的基本知識12 HYPERLINK l bookmark48 1.振動傳

4、感器12 HYPERLINK l bookmark50 電渦流振動位移傳感器的工作原理13 HYPERLINK l bookmark52 電動力式振動速度傳感器的工作原理13 HYPERLINK l bookmark54 4壓電式加速度傳感器的工作原理14 HYPERLINK l bookmark56 第二章狀態(tài)監(jiān)測常用圖譜15 HYPERLINK l bookmark58 1波德圖15 HYPERLINK l bookmark60 2極坐標圖16 HYPERLINK l bookmark62 3頻譜瀑布圖16 HYPERLINK l bookmark64 4極聯(lián)圖17 HYPERLINK l

5、 bookmark66 5軸心位置圖186軸心軌跡圖18 HYPERLINK l bookmark70 7振動趨勢圖19 HYPERLINK l bookmark72 8波形頻譜圖20 HYPERLINK l bookmark74 第三章旋轉機械的故障診斷22 HYPERLINK l bookmark76 1.不平衡22 HYPERLINK l bookmark78 2.不對中23 HYPERLINK l bookmark80 3.軸彎曲和熱彎曲26 HYPERLINK l bookmark82 4.油膜渦動和油膜振蕩28 HYPERLINK l bookmark84 5.蒸汽激振30 HYP

6、ERLINK l bookmark86 6.機械松動33 HYPERLINK l bookmark88 7.轉子斷葉片與脫落33 HYPERLINK l bookmark90 8.摩擦38 HYPERLINK l bookmark92 9.軸裂紋4010.旋轉失速與喘振40 HYPERLINK l bookmark94 11.機械偏差和電氣偏差43第一章狀態(tài)監(jiān)測的基本知識一、有關的名詞和術語機械振動是指物體圍繞其平衡位置附近來回擺動并隨時間變化的一種運動。機械振動通常以其幅值、周期（頻率）和相位來描述，它們是描述振動的三個基本參量。以下介紹在振動測量和分析中經(jīng)常用到的有關名詞和術語。振動的基本

7、參量：幅值、周期（頻率）和相位幅值：表示物體動態(tài)運動或振動的幅度，它是機械振動強度的標志，也是機器振動嚴重程度的一個重要指標。機器運轉狀態(tài)的好壞絕大多數(shù)情況是根據(jù)振動幅值的大小來判別的。振幅的大小可以表示為峰一峰值（PP）、單峰值（0P）、有效值（RMS）或平均值（Average）。峰一峰值等于正峰和負峰之間的最大偏差值，峰值等于峰峰值的1/2。只有在純正弦波的情況下，均方根值才等于峰值的0.707倍，平均值等于峰值的0.637倍。而平均值在振動測量中一般則很少使用。它們之間的換算關系是：峰峰值=2X單峰值=2X21/2X有效值表述振動幅值的大小通常采用振動的位移、速度或加速度值為度量單位。一

8、般在振動測量中，除特別注明外，振動位移（D）以峰一峰值表示，單位一般是微米（口m）或密耳（mil）；振動速度（V）常用有效值表示，單位用毫米/秒（mm/s）或英寸/秒（IPS）。振動速度的有效值又稱為“振動烈度”有的行業(yè)的設備振動標準就是以“振動烈度”來作為基礎的。振動加速度（A）積分一次即為振動速度；而振動速度再積分一次就成了振動位移。即：V=2nfD；A=2nfV=（2nf）2D以上僅僅是對簡諧振動而言是正確的，因其頻率f值為一常數(shù)；而對于一個復雜振動或波形來說，由于其振動頻率f值的多重性而會帶來誤差。周期：物體完成一個完整的振動所需要的時間，以T。表示。單位一般是用“秒”來表示。例如一個

9、單擺，它的周期就是重錘從左運動到右，再從右運動回左邊起點所需要的時間。頻率：是指振動物體在單位時間（1秒）內(nèi)所產(chǎn)生振動的次數(shù)，即Hz,以f0表示。很顯然，f0=1/T0。對于旋轉機械的振動來說，存在下述令人感興趣的頻率：a）轉動軸的旋轉頻率；b）各種振動分量的頻率；c）機器自身和基礎或其它附著物的固有頻率。由于某些機器故障僅僅在某些特定的頻率下才產(chǎn)生振動，這種現(xiàn)象就有助于區(qū)別各種不同種類的機器故障。例如：不平衡故障的結果一定會導致工頻能量的異常升高。但是，反過來我們必須注意到，振動頻率和機器故障的關系并不是一一相對應的。也就是說，某一特定頻率的振動，可能和多種機器的故障有關聯(lián)。因此，我們不要企

10、圖將某一固定的振動頻率與某一特定的機器故障建立直接的聯(lián)系。在對旋轉機械進行振動分析與故障診斷時，振動的頻率是非常重要的參量，是分析振動原因的重要依據(jù)，它有助于我們對機器的故障進行判別，根據(jù)振動頻率可以初步查明振動的性質和來源。但是，它僅僅只是一種參量而已。為了得到正確的診斷結論，我們還必須對機器所有的參量進行估計和分析。振動頻率可采用赫茲（HZ）、周/分鐘（CPM）、轉/分鐘（RPM）等度量單位，或以相對于轉速頻率的倍數(shù)為度量單位，如一倍頻（IX）、二倍頻（2X）、半頻（0.5X）.，相位：是指旋轉機械測量中某一瞬間機器的選頻振動信號（如基頻）與軸上某一固定標志（如鍵相器）之間的相位差。相位可

11、用來描述某一特定時刻機器轉子的位置，一個好的相位測量系統(tǒng)能夠確定每一個傳感器所在的機器轉子上“高點”相對機器軸系上某一固定的標志點的位置。而平衡狀態(tài)的變化將會引起“高點”位置的變化，這種變化也會通過相位角的變化而表示出來。相位的度量單位為度（）,通常振動相位在0360范圍之間變化。振動的相位在振動分折中十分重要，它不僅反映了不平衡分量的相對位置，在動平衡中必不可少，而且在故障診斷中也能發(fā)揮重要作用。下面專門說一下振動位移、速度、加速度三者之間的相位關系。以單擺的簡諧振動為例：共44頁Strongwish內(nèi)部材料第 頁把一個單擺橫向來看，當重錘向上擺，通過起始點0時，其位移為零，而速度為正方向最

12、大，加速度為零；當重錘運動到上死點時，位移為正方向最大，此時速度為零，加速度為負方向最大；重錘向下回零時，位移為零，速度為負方向最大，加速度為零；當重錘運動到下死點時，位移為負方向最大，而此時速度為零，加速度為正方向最大。結論：振動速度相位超前振動位移90；振動加速度相位超前振動速度90；振動加速度相位超前振動位移180。相位如果沒有明確指明，其角度增加的方向總是與轉子的轉動方向相反。通頻振動、選頻振動、工頻振動通頻振動表示振動原始波形的振動幅值。選頻振動表示所選定的某一頻率正弦振動的幅值。工頻振動表示與所測機器轉子的旋轉頻率相同的正弦振動的幅值。對于工作轉速為6000r/min的機器，工頻振

13、動頻率是100HZ。工頻振動又叫基頻振動。徑向振動、水平振動、垂直振動、軸向振動徑向振動是指垂直于機器轉軸中心線方向的振功。徑向振動有時也稱為橫向振動。水平振動是指與水平方向一致的徑向振動。深圳市創(chuàng)為實技術發(fā)展有限公司培訓教材共44頁Strongwish內(nèi)部材料第 頁垂直振動是指與垂直方向一致的徑向振動。軸向振動是指與轉軸中心線同一方向的振動。同步振動、異步振動同步振動是指與轉速頻率成正比變化的振動頻率成分。一般情況（但不是全部情況）下，同步成分是旋轉頻率的整數(shù)倍或者整分數(shù)倍，不管轉速如何，它們總保持這一關系，如一倍頻（IX）,二倍頻（2X）,三倍頻（3X）,半頻（1/2X）,三分之一倍頻（1

14、/3X）等。異步振動是指與轉速頻率無關的振動頻率成份，也可稱為非同步運動。諧波、次諧波、亞異步、超異步一個復雜振動信號所含頻率等于旋轉頻率整數(shù)倍的信號分量，也稱諧波、超諧波或同步。一個復雜振動信號中所含頻率等于旋轉頻率分數(shù)倍的信號分量，也稱為次諧波或分數(shù)諧波。亞異步振動是指頻率低于旋轉頻率的非同步振動分量。超異步振動是指頻率高于旋轉頻率的非同步振動分量。相對軸振動、絕對軸振動、軸承座振動轉子的相對軸振動是指轉子軸頸相對于軸承座的振動，它一般是用非接觸式電渦流傳感器來測量。轉子的絕對軸振動是指轉子軸相對于大地的振動，它可用接觸式傳感器或用一個非接觸式電渦流傳感器和一個慣性傳感器組成的復合傳感器來

15、測量。兩個傳感器所測量的值進行矢量相加就可得到轉子軸相對于大地的振動。軸承座振動是指軸承座相對于大地的振動，它可用速度傳感器或加速度傳感器來測量。自由振動、受迫振動、自激振動、隨機振動自由振動一般是指力學體系在經(jīng)歷某一初始擾動（位置或速度的變化）后，不再受外界力的激勵和干擾的情形下所發(fā)生的振動。根據(jù)擾動的類型，力學體系以自身的一種或多種固有頻率發(fā)生自由振動。受迫振動是指在外來力函數(shù)的激勵下而產(chǎn)生的振動。通常，受迫振動按照激勵力的頻率振動。自激振動是指由振動體自身所激勵的振動。維持振動的交變力是由運動本身產(chǎn)生或控制的。自激振動通常有下述特點：振動頻率為亞異步或超異步，與轉子轉速不同步。自激振動的

16、頻率以轉子的固有頻率為主。多數(shù)為徑向振動。振幅可能發(fā)生急劇上升，直到受非線性作用以極限圓為界。振幅的變化與轉速或負荷關系密切。失穩(wěn)狀態(tài)下的振動能量來源于系統(tǒng)本身。隨機振動是指當描述系統(tǒng)振動的狀態(tài)變量不能用確切的時間函數(shù)來表述，無法確定狀態(tài)變量在某瞬時的確切數(shù)值，其物理過程具有不可重復性和不可預知性時，也就是在任何時刻，其振動的大小不能正確預知的振動。8.高點和重點高點是指當轉軸和振動傳感器之間的距離最近時，轉軸上振動傳感器所對應的那一點任一時刻的角位置。也意味著當振動傳感器產(chǎn)生正的峰值振動信號時，轉軸表面振動傳感器對應點的位置。高點可能隨轉子的動力特性的變化（如轉速變化）而移動。重點是指在轉軸

17、上某一特定橫向位置處，不平衡矢量的角位置。重點一般不隨轉速變化。在一定的轉速下，重點和高點之間的夾角稱為機械滯后角。剛度、阻尼和臨界阻尼剛度是一種機械或液壓元件在負載作用下的彈性變化量。一般機械結構的剛度包括靜剛度和動剛度兩個部分，靜剛度決定于結構的材料和幾何尺寸，而動剛度既與靜剛度有關，也與連接剛度和共振狀態(tài)有關。阻尼是指振動系統(tǒng)中的能量轉換（從機械能轉換成另一種能量形式，一般是熱能），這種能量轉換抑制了每次振蕩的振幅值。當轉軸運動時，阻尼來自軸承中的油、密封等。臨界阻尼是指能夠保證系統(tǒng)回到平衡位置而不發(fā)生振蕩所要求的最小阻尼共振、臨界轉速、固有頻率共振是振幅和相位的變化響應狀態(tài)，由對某一特

18、殊頻率的作用力敏感的相應系統(tǒng)所引起。一個共振通常通過振幅的顯著增加和相應的相位移動來識別。在共振發(fā)生時，當激振頻率稍有變化（頻率上升或下降）時，其振動響應就會明顯地減小。每一個轉子，連同支持它的軸承組成的系統(tǒng)，都有若干階橫向振動的固有頻率，每一階固有頻率又有它所對應的振型。在一定的轉速下，某一階固有頻率可以被轉子上的不平衡力激起，這個與固有頻率一致的轉速就被稱為臨界轉速。當系統(tǒng)作自由振動時，其振動的頻率只與系統(tǒng)本身的質量（或轉動慣量）、剛度和阻尼有關。這個由系統(tǒng)的固有性質所決定的振動頻率，稱為系統(tǒng)的固有頻率。分數(shù)諧波共振、高次諧波共振和參數(shù)激振當以頻率f激振，因頻率f/n（n等于2及其以上的正

19、整數(shù)）接近于系統(tǒng)的固有頻率而引起的共振稱為分諧波共振。當以頻率f激振，因頻率nf（n等于2及其以上的正整數(shù)）接近于系統(tǒng)的固有頻率而引起的共振稱為高次諧波共振。參數(shù)激振是指由質量、彈性等因素隨時間周期變化的激振。由極不對稱的截面或由此引起的不同的抗彎強度可能產(chǎn)生參數(shù)振動。渦動、正進動和反進動轉軸的渦動（或稱為進動）常定義為轉軸的中心圍繞軸承的中心所作的轉動。正進動是指與轉軸轉動方向相同的渦動。反進動是指與轉軸轉動方向相反的渦動。同相振動和反相振動在一對稱轉子中，若兩端支持軸承在同一方向（垂直或水平）的振動相位角相同時，則稱這兩軸承的振動為同相振動。若兩端支持軸承在同一方向（垂直或水平）的振動相位

20、角相差180時，則稱這兩軸承的振動為反相振動。根據(jù)振動的同相分量和反相分量可初步判斷轉子的振型。14.軸振型和節(jié)點軸振型是在某一特定轉速下，作用力所引起的轉子合成偏離形狀，是轉子沿軸向的偏離的三維表示。節(jié)點是在所給定的振型中，軸上的最小偏離點。由于殘留不平衡狀態(tài)的改變，或其它力函數(shù)的改變，或者約束條件的改變（如軸承間隙的變化），節(jié)點都可能圖13振型和節(jié)點很容易地沿軸向改變它的位置。節(jié)點也常指軸上最小絕對位移點。節(jié)點兩邊的運動相角差180。15.轉子撓曲轉子撓曲是指轉子彈性彎曲值，現(xiàn)場習慣稱為撓度。轉子撓曲分為靜撓曲和動撓曲，靜撓曲是靜止狀態(tài)的轉子在自重或預載荷作用下產(chǎn)生的彈性彎曲值，沿轉子軸線

21、上不同的點，靜撓曲值不同；動撓曲是旋轉狀態(tài)的轉子在不平衡力矩和其它交變力作用下產(chǎn)生的彈性彎曲值，轉子動撓曲又分同步撓曲和異步撓曲兩種，這兩種撓曲將直接疊加到轉軸振動上。16.電氣偏差、機械偏差、晃度電氣偏差系非接觸式電渦流傳感器系統(tǒng)輸出信號誤差的來源之一，轉軸每轉一圈，該偏差就重復一次。傳感器輸出信號的變化并不是來自探頭所測間隙的改變（動態(tài)運動或位置的變化），而通常是來自于轉軸表面材料電導率的變化或轉軸表面上某些位置局部磁場的存在。（轉子磁化后，其頻譜特征為2X、4X、6X等比較高，且差不多高。）機械偏差也是電渦流傳感器系統(tǒng)輸出信號誤差的來源之一。傳感器所測間隙的變化，并不是由轉軸中心線位置變

22、化或轉軸動態(tài)運動所引起的，通常來源于轉軸的橢圓度、損壞、鍵標記、凹陷、劃痕、銹斑或由轉軸上的其它結構所引起的。轉軸的晃度，或稱為軸的徑向偏差，是電氣偏差和機械偏差的總和。在軸的振動標準中規(guī)定，其數(shù)值不能超過相當于許用振動位移的25%或6口m這兩者中的較大值。通常渦流傳感器在低轉速（約工作轉速的10左右）下測得的軸的振值基本就相當于轉軸的晃度值。大部分情況下，晃度與振動為同一方向，相反的情況很少。偏心和軸心位置在轉子平衡領域，偏心是指轉子質量中心偏離轉軸回轉中心的數(shù)值，此偏心是引起轉軸振動最主要的激振力；而在機組運行監(jiān)測中偏心是指軸頸中心偏離軸瓦中心的距離，也稱為偏心位置或軸心位置，通過對偏心的

23、監(jiān)測可以發(fā)現(xiàn)轉子承受的外加載荷和軸瓦工作狀態(tài)。間隙電壓、油膜壓力間隙電壓是指電渦流傳感器測量的直流電壓，其值反映了軸頸和探頭間的間隙。由此可給出轉子揚度、支承載荷、軸心位置等有關信息。油膜壓力反映了軸承支承油膜的厚度及穩(wěn)定性，該壓力能幫助診斷軸瓦穩(wěn)定性等方面的問題。二、傳感器的基本知識1.振動傳感器現(xiàn)場振動測試采用的傳感器一般有非接觸式電渦流傳感器、速度傳感器、加速度傳感器和復合傳感器（它是由一個非接觸傳感器和一個慣性傳感器組成）四種。每一種傳感器都有它們固有的頻響特性，其決定了各自的工作范圍。如果采用的傳感器在超出其線性頻響區(qū)域工作時，測量得到的讀數(shù)會產(chǎn)生較大的偏差。下表列出了振動測量中常用

24、的一些傳感器的性能和適用范圍及優(yōu)、缺點等。表11常用的振動傳感器及其性能和適應范圍傳感器種類頻響特性測量適用范圍優(yōu)點缺點電渦流傳感器05000HZ或010000Hz轉軸相對振動軸心軌跡軸承油膜厚度軸位移和脹差轉速和相位非接觸測量測量范圍寬靈敏度咼抗干擾能力強不受介質影響結構簡單對被測材料敏感存在機械偏差和電氣偏差的可能及影響安裝較復雜速度傳感器10500Hz或101000HZ軸承座的絕對振動不需電源，簡單方便靈敏度咼輸出信號大、輸出阻抗低，電氣性能穩(wěn)定性好，不受外部噪聲干擾動態(tài)范圍有限尺寸和重量大彈簧件易失效受高溫影響較大加速度傳感器0.210000HZ或更咼軸承座的絕對振動頻響范圍寬體積小、

25、重量輕靈敏度咼不易在咼溫環(huán)境下使用裝配困難、成品率低復合傳感器02000HZ轉軸絕對振動轉軸相對振動軸承座的絕對振動轉軸在軸承間隙內(nèi)的徑向位移非接觸測量無磨損牢固可靠對被測材料敏感安裝較復雜電渦流振動位移傳感器的工作原理12341.線圈2.框架3.框型甘套4支座5.電藐&祐頭金屈-9缽圖14電渦流傳感器結構圖圖15電渦流傳感器原理圖由前置放大器的高頻振蕩器向傳感器的頭部線圈供給一個高頻電流，線圈所產(chǎn)生的交變磁場在具有鐵磁性能的被測物體的表面就會產(chǎn)生電渦流，由該電渦流所產(chǎn)生的磁場在方向上與傳感器的磁場相反，因而對傳感器具有阻抗。當傳感器與被測物體的表面間隙較小的時候，電渦流也較強，阻抗較大，傳感

26、器最終的輸出電壓變??；當傳感器與被測物體的表面間隙變大的時候，電渦流會變?nèi)?，阻抗變小，傳感器最終的輸出電壓變大。渦流的強弱與間隙的大小成正比，因而，傳感器的輸出與振動位移成正比。電動力式振動速度傳感器的工作原理圖16振動速度傳感器的結構示意圖固定在殼體內(nèi)部的永久磁鐵，隨著外殼與振動物體一起振動，同時，由于內(nèi)部由彈簧固定著的線圈不能與磁鐵同步運動，磁鐵的磁力線被線圈以一定的速度切割，從而產(chǎn)生了電動勢輸出。而所輸出的電動勢的大小則與磁通量的大小和線圈參數(shù)（在此處均系常數(shù)）以及線圈切割磁力線的速度成正比，所以我們可以得到和磁鐵的運動速度成正比的輸出電動勢，即：傳感器的輸出電壓與被測物體的振動速度成正

27、比。4壓電式加速度傳感器的工作原理壓電式加速度傳感器是以某些晶體元件受力后會在其兩個表面產(chǎn)生不同電荷的壓電效應為轉換原理。壓電原理圖圖17壓電式加速度傳感器某些晶體，當沿著一定的方向受到外力的作用的時候，其內(nèi)部的晶格會發(fā)生變化，產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在晶體的兩個表面上便產(chǎn)生了符號相反的電荷；當外力去掉以后，就又恢復到原來的不帶電狀態(tài)；當作用力方向改變時，所產(chǎn)生的電荷的極性也隨之改變；晶體受力所產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比，而力的大小與物體的運動加速度大小成正比：F=ma,上述現(xiàn)象稱為正壓電效應。反之，如對晶體施加一交變電場，晶體本身將產(chǎn)生機械變形，這稱為逆壓電效應，亦稱電致伸縮效應（應用在電聲器

28、材如喇叭、超聲波探頭等）。壓電加速度計的頻響范圍極寬，最高可達幾十KHz,測量范圍特大，最大可達十幾萬個g,多用于高頻振動檢測中，如齒輪、滾動軸承等的接觸式測量中。一般需與電荷放大器配合使用，且電荷放大器前的連接電纜較易受到干擾?，F(xiàn)在，有些加速度傳感器（如PCB）把放大電路集成到傳感器內(nèi)，這樣一來，外界干擾的影響極小，可靠性也得到了大幅度的提高。第二章狀態(tài)監(jiān)測常用圖譜1波德圖波德圖是反映機器振動幅值、相位隨轉速變化的關系曲線，見圖21。圖形的橫坐標是轉速，縱坐標有兩個，一個是振幅的峰峰值，另一個是相位。從波德圖上我們可以得到以下信息：轉子系統(tǒng)在各種轉速下的振幅和相位；轉子系統(tǒng)的臨界轉速；.轉子

29、系統(tǒng)的共振放大系數(shù)(Q=Amax/)；般小型機組Q在35甚至更小，而大型機組在57；超過上述數(shù)值，很可能是不安全的；轉子的振型；系統(tǒng)的阻尼大小；轉子上機械偏差和電氣偏差的大??；轉子是否發(fā)生了熱彎曲。由這些數(shù)據(jù)可以獲得有關轉子的動平衡狀況和振動體的剛度、阻尼特性等動態(tài)數(shù)據(jù)。圖21波德圖2極坐標圖極坐標圖是把振幅和相位隨轉速變化的關系用極坐標的形式表示出來，見圖22。圖中用一旋轉矢量的點代表轉子的軸心，該點在各個轉速下所處位置的極半徑就代表了軸的徑向振幅，該點在極坐標上的角度就是此時振動的相位角。這種極坐標表示方法在作用上與波德圖相同，但它比波德圖更為直觀。振幅轉速曲線在極坐標圖中是呈環(huán)狀出現(xiàn)的，

30、臨界轉速處在環(huán)狀振幅最大處，且此時從弧段上標記的轉速應該顯示出變化率為最大。用電渦流傳感器測試軸的振動時，在極坐標圖中可以很容易得到軸的原始晃度矢量，即與低轉速所對應的矢量。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也很容易做到，為此，只要將極坐標系的坐標原點平移到與需要扣除的原始晃度矢量相對應的轉速點，原圖的曲線形狀保持不變。這樣，原曲線在新坐標系中的坐標即是扣除原始晃度后的振動響應。3頻譜瀑布圖用某一測點在啟停機（或正常運行中）時連續(xù)測得的一組頻譜圖按時間順序組成的三維譜圖就是頻譜瀑布圖，見圖23。圖中Z軸是時間軸相同階次頻率的譜線集和Z軸是平行的。從圖中可以清楚地看出各種頻率的振

31、幅隨時間是如何變化的。0679:3E:1208:31:01二759三5012003倍頻LIX00B:45:3827B003:39:0121011卿09:33:391旳9CQ-31:51176114634DQ12D01ZQO08:44:02121100.41.0513H9OE：:38:07105600:35:22O0:2B:14單位微耒09：43：15DQ:41:CEZ519232109:30:13匸09:23:50F圖23頻譜瀑布圖4極聯(lián)圖極聯(lián)圖是在啟停機轉速連續(xù)變化時，不同轉速下得到的頻譜圖依次組成的三維譜圖。它的Z軸是轉速，工頻和各個倍頻及分頻的軸線在圖中是都以0點為原點相外發(fā)射的傾斜的直

32、線。在分析振動與轉速有關的故障時是很直觀的。該圖常用來了解各轉速下振動頻譜變化情況，可以確定轉子臨界轉速及其振動幅值、半速渦動或油膜振蕩的發(fā)生和發(fā)展過程等。圖24極聯(lián)圖5軸心位置圖軸心位置圖用來顯示軸頸中心相對于軸承中心位置。這種圖形提供了轉子在軸承中穩(wěn)態(tài)位置變化的觀測方法，用以判別軸頸是否處于正常位置。當軸心位置超出一定范圍時，說明軸承處于不正常的工作狀態(tài)，從中可以判斷轉子的對中好壞、軸承的標高是否正常，軸瓦是否磨損或變形等等。如果軸心位置上移，則預示著轉子不穩(wěn)定的開始。通過對軸頸中心位置變化的監(jiān)測和分析，可以預測到某些故障的來臨，為故障的防治提供早期預報。一般來說軸心位置的偏位角應該在20

33、50之間。6軸心軌跡一般是指轉子上的軸心一點相對于軸承座在其與軸線垂直的平面內(nèi)的運動軌跡。通常，轉子振動信號中除了包含由不平衡引起的基頻振動分量之外，還存在由于油膜渦動、油膜振蕩、氣體激振、摩擦、不對中、嚙合等等原因引起的分數(shù)諧波振動、亞異步振動、高次諧波振動等等各種復雜的振動分量，使得軸心軌跡的形狀表現(xiàn)出各種不同的特征，其形狀變得十分復雜，有時甚至是非常地混亂。7振動趨勢圖在機組運行時，可利用趨勢圖來顯示、記錄機器的通頻振動、各頻率分量的圖27振動趨勢圖這種圖形以不同長度的時間為橫坐標，以振幅、相位或其它參數(shù)為縱坐標。在分析機組振動隨時間、負荷、軸位移或其它工藝參數(shù)的變化時，這種圖給出的曲線

34、十分直觀，對于運行管理人員來說，用它來監(jiān)視機組的運行狀況是非常有用的。8波形頻譜圖在對振動信號進行分析時，在時域波形圖上可以得到一些相關的信息，如振幅、周期（即頻率）、相位和波形的形狀及其變化。這些數(shù)據(jù)有助于對振動起因的分析及振動機理的研究。但由于從波形圖上不能直接得到我們所需要的精確數(shù)據(jù)，現(xiàn)在已經(jīng)很少有人用它來確定振動參數(shù)。但它可以在實時監(jiān)測中作為示波器用來觀察振動的形態(tài)和變化。我們知道，對于一個復雜的非諧和的周期性的振動信號，可以用傅立葉級數(shù)展開的方法得到一系列的頻率成分。對振動波形進行FFT處理則得到振動的頻譜分布，即頻譜圖，該圖反映了振動的頻率結構。圖29頻譜分析的示意圖第三章旋轉機械

35、的故障診斷1.不平衡不平衡是各種旋轉機械中最普遍存在的故障。引起轉子不平衡的原因是多方面的，如轉子的結構設計不合理、機械加工質量偏差、裝配誤差、材質不均勻、動平衡精度差；運行中聯(lián)軸器相對位置的改變；轉子部件缺損，如：運行中由于腐蝕、磨損、介質不均勻結垢、脫落；轉子受疲勞應力作用造成轉子的零部件（如葉輪、葉片、圍帶、拉筋等）局部損壞、脫落，產(chǎn)生碎塊飛出等。不平衡轉子的振動信號，其時間波形和頻譜圖一般具有如下典型特征：原始時域波形的形狀接近一個純正弦波；.振動信號的頻譜圖中，諧波能量主要是集中在轉子的工作頻率（IX）上，即基頻振動成分所占的比例很大，而其它倍頻成分所占的比例相對較??；.在升降速過程

36、中，當轉速低于臨界轉速時，振幅隨轉速的增加而上升。當轉速越過臨界轉速之后，振幅隨轉速的增加反而減小，并趨向于一個較小的穩(wěn)定值。當轉速等于或接近臨界轉速時，轉子將會產(chǎn)生共振，此時的振幅具有最大峰值；.當工作轉速一定時，振動的相位穩(wěn)定；轉子的軸心軌跡圖呈橢圓形；.轉子的渦動特征為同步正進動；.純靜不平衡時支承轉子的兩個軸承同一方向的振動相位相同，而純力偶不平衡時支承轉子的兩個軸承振動呈反相，即相位差180。但實際轉子一般既存在一定的靜不平衡，又存在一定的力偶不平衡（即存在動不平衡），此時支承轉子的兩個軸承同一方向振動相位差在0180之間變化；.在外伸轉子不平衡情況下可能會產(chǎn)生很大的軸向振動。在轉子

37、外伸端不平衡時，支承轉子的兩軸承的軸向振動相位相同；.因介質不均勻結垢時，工頻幅值和相位是緩慢變化的。2.不對中轉子不對中通常是指相鄰兩轉子的軸心線與軸承中心線的傾斜或偏移程度。轉子不對中可分為聯(lián)軸器不對中和軸承不對中。聯(lián)軸器不對中又可分為平行不對中、偏角不對中和平行偏角不對中三種情況。平行不對中時振動頻率為轉子工頻的兩倍。偏角不對中使聯(lián)軸器附加一個彎矩，以力圖減小兩個軸中心線的偏角。軸每旋轉一周，彎矩作用方向就交變一次，因此，偏角不對中增加了轉子的軸向力，使轉子在軸向產(chǎn)生工頻振動。平行偏角不對中是以上兩種情況的綜合，使轉子發(fā)生徑向和軸向振動。軸承不對中實際上反映的是軸承座標高和軸中心位置的偏

38、差。軸承不對中使軸系的載荷重新分配。負荷較大的軸承可能會出現(xiàn)高次諧波振動，負荷較輕的軸承容易失穩(wěn)，同時還使軸系的臨界轉速發(fā)生改變。因此，不對中故障的特征是：轉子徑向振動出現(xiàn)二倍頻，以一倍頻和二倍頻分量為主，軸系不對中越嚴重，二倍頻所占的比例就越大，多數(shù)情況甚至出現(xiàn)二倍頻能量超過一倍頻能量；振動信號的原始時域波形呈畸變的正弦波；聯(lián)軸器兩側相鄰兩個軸承的油膜壓力呈反方向變化，一個油膜壓力變大，另一個則變?。宦?lián)軸器不對中時軸向振動較大，振動頻率為一倍頻，振動幅值和相位穩(wěn)定；聯(lián)軸器兩側的軸向振動基本上是呈現(xiàn)出180反相的；典型的軸心軌跡為月牙形、香蕉形，嚴重對中不良時的軸心軌跡可能出現(xiàn)“8”字形；渦動

39、方向為同步正進動；圖32aXXX汽輪機轉子對中不良的波形頻譜圖1&1210Zrl0122052圧琨機前:圖32bXXX壓氣機有對中不良傾向的軸心軌跡圖1C自1&021Z296611軸冊跡VII4511/圖32c呈香蕉形的軸心軌跡圖軸心泌T赳心吃T0123&51143圖32d呈“8”字形的軸心軌跡振動對負荷變化敏感。當負荷改變時，由聯(lián)軸器傳遞的扭矩立即發(fā)生改變，如果聯(lián)軸器不對中，則轉子的振動狀態(tài)也立即發(fā)生變化。一般振動幅值隨著負荷的增加而升高；軸承不對中包括偏角不對中和標高變化兩種情況，軸承不對中時徑向振動較大，有可能出現(xiàn)高次諧波，振動不穩(wěn)定。由于軸承座的熱膨脹不均勻而引起軸承的不對中，使轉子的

40、振動也要發(fā)生變化。但由于熱傳導的慣性，振動的變化在時間上要比負荷的改變滯后一段時間。3.軸彎曲和熱彎曲軸彎曲是指轉子的中心線處于不直狀態(tài)。轉子彎曲分為永久性彎曲和臨時性彎曲兩種類型。轉子永久性彎曲是指轉子的軸呈永久性的弓形，它是由于轉子結構不合理、制造誤差大、材質不均勻、轉子長期存放不當而發(fā)生永久性的彎曲變形，或是熱態(tài)停車時未及時盤車或盤車不當、轉子的熱穩(wěn)定性差、長期運行后軸的自然彎曲加大等原因所造成。轉子臨時性彎曲是指轉子上有較大預負荷、開機運行時的暖機操作不當、升速過快、轉軸熱變形不均勻等原因造成。轉子永久性彎曲與臨時性彎曲是兩種不同的故障，但其故障的機理是相同的。轉子不論發(fā)生永久性彎曲還

41、是臨時性彎曲，都會產(chǎn)生與質量偏心情況相類似的旋轉矢量激振力。軸彎曲時通常都會產(chǎn)生很大的徑向振動和軸向振動，如果彎曲位于轉軸中央附近，支承轉子的兩個軸承上的軸向振動主要呈IX分量，如果彎曲位于聯(lián)軸器附近或懸臂式支撐轉子的外伸端產(chǎn)生彎曲時，則可能產(chǎn)生較大的2X振動分量。此外，軸彎曲時一般會在一階臨界轉速下產(chǎn)生較大的徑向振動。熱彎曲是指轉子受熱后（如啟機中或加負荷時）使轉子產(chǎn)生了附加的不平衡力（即熱不平衡），從而導致了轉子發(fā)生彎曲的現(xiàn)象。熱不平衡的機理是轉子橫截面存在某種不對稱因素（材質不對稱、溫度不對稱、內(nèi)摩擦力不對稱等）、或溫度場不均勻，可能在轉子上產(chǎn)生彎矩，造成轉子彎曲。轉子熱彎曲引起的振動主

42、要以基頻分量為主，一般其具有如下特點：振動與轉子的熱狀態(tài)有關，當機組冷態(tài)運行時（空載）振動較小，但隨著負荷的增加，振動明顯增大；一旦振動增大后快速降負荷或停機振動并不立即較小，而是有一定的時間滯后；機組快速停機惰走通過一階臨界轉速時的振動較啟動過程中的相應值增大很多；轉子發(fā)生熱彎曲后停機惰走時在低轉速下轉子的工頻振動幅值比在開車時相同轉速下的振動值要大很多，而且在相同轉速下，其工頻振動的相位也可能不重合。圖33aXXX汽輪機高壓缸轉子熱彎曲的波德圖1502400600B0Q100014OC180S0D225-12001800200C3600)180360(Dlaoo20M圖33bXXX汽輪機中

43、壓缸轉子熱彎曲的波德圖油膜渦動和油膜振蕩油膜渦動和油膜振蕩是滑動軸承中由于油膜的動力學特性而引起的一種自激振動。油膜渦動一般是由于過大的軸承磨損或間隙，不合適的軸承設計，潤滑油參數(shù)的改變等因素引起的。根據(jù)振動頻譜很容易識別油膜渦動，其出現(xiàn)時的振動頻率接近轉速頻率的一半，隨著轉速的提高，油膜渦動的故障特征頻率與轉速頻率之比也保持在一個定值上始終不變，常稱為半速渦動。圖34c油膜渦動使軸承損壞的照片油膜渦動和油膜振蕩是兩個不同的概念，它們之間既有區(qū)別，又有著密切的聯(lián)系。當機器出現(xiàn)油膜渦動，而且油膜渦動頻率等于系統(tǒng)的固有頻率時就會發(fā)生油膜振蕩。油膜振蕩只有在機器運行轉速大于二倍轉子臨界轉速的情況下才

44、可能發(fā)生。當轉速升至二倍臨界轉速時，渦動頻率非常接近轉子臨界轉速，因此產(chǎn)生共振而引起很大的振動。通常一旦發(fā)生油膜振蕩，無論轉速繼續(xù)升至多少，渦動頻率將總保持為轉子一階臨界轉速頻率。轉子發(fā)生油膜振蕩時一般具有以下特征：時間波形發(fā)生畸變，表現(xiàn)為不規(guī)則的周期信號，通常是在工頻的波形上面疊加了幅值很大的低頻信號；.在頻譜圖中，轉子的固有頻率3。處的頻率分量的幅值最為突出；油膜振蕩發(fā)生在工作轉速大于二倍一階臨界轉速的時候，在這之后，即使工作轉速繼續(xù)升高，其振蕩的特征頻率基本不變；油膜振蕩的發(fā)生和消失具有突然性，并帶有慣性效應，也就是說，升速時產(chǎn)生油膜振蕩的轉速要高于降速時油膜振蕩消失的轉速；油膜振蕩時，

45、轉子的渦動方向與轉子轉動的方向相同，為正進動；油膜振蕩劇烈時，隨著油膜的破壞，振蕩停止，油膜恢復后，振蕩又再次發(fā)生。如此持續(xù)下去，軸頸與軸承會不斷碰摩，產(chǎn)生撞擊聲，軸承內(nèi)的油膜壓力有較大的波動；油膜振蕩時，其軸心軌跡呈不規(guī)則的發(fā)散狀態(tài)，若發(fā)生碰摩，則軸心軌跡呈花瓣狀；軸承載荷越小或偏心率越小，就越容易發(fā)生油膜振蕩；油膜振蕩時，轉子兩端軸承振動相位基本相同。5.蒸汽激振蒸汽激振產(chǎn)生的原因通常有兩個。一是由于調節(jié)閥開啟順序的原因高壓蒸汽產(chǎn)生了一個向上抬起轉子的力，從而減少了軸承比壓，因而使軸承失穩(wěn)。二是由于葉頂徑向間隙不均勻，產(chǎn)生切向分力，以及端部軸封內(nèi)氣體流動時所產(chǎn)生的切向分力，使轉子產(chǎn)生了自激

46、振動。蒸汽激振一般發(fā)生在大功率汽輪機的高壓轉子上，當發(fā)生蒸汽振蕩時，振動的主要特點是振動對負荷非常敏感，而且振動的頻率與轉子一階臨界轉速頻率相吻合。在絕大多數(shù)情況下（蒸汽激振不太嚴重）振動頻率以半頻分量為主。在發(fā)生蒸汽振蕩時，有時改變軸承設計是沒有用的，只有改進汽封通流部分的設計、調整安裝間隙、較大幅度地降低負荷或改變主蒸汽進汽調節(jié)汽閥的開啟順序等才能解決問題。圖35aXXX汽輪機蒸汽激振發(fā)生前后的通頻振動趨勢圖圖35bXXX汽輪機蒸汽激振發(fā)生前后的工頻振動趨勢圖視趨勢圖金按適道廣按煙圖35cXXX汽輪機蒸汽激振發(fā)生前后的0.4X0.6X選頻振動趨勢圖圖35dXXX汽輪機蒸汽激振發(fā)生時振動信號

47、的頻譜圖圖35eXXX汽輪機蒸汽激振發(fā)生時的軸心軌跡圖6.機械松動通常有三種類型的機械松動。第一種類型的松動是指機器的底座、臺板和基礎存在結構松動，或水泥灌漿不實以及結構或基礎的變形，此類松動表現(xiàn)出振動頻譜為IX分量。第二種類型的松動主要是由于機器底座固定螺栓的松動或軸承座出現(xiàn)裂紋引起。其振動頻譜除包含1X分量外，還存在相當大的2X分量，有時還激發(fā)出1/2X和3X振動分量。第三種類型的松動是由于部件間不合適的配合引起的，由于松動部件對來自轉子動態(tài)力的非線性響應,因而其產(chǎn)生許多振動諧波分量，如1X,2X,nX,有時亦產(chǎn)生精確的1/2X或1/3X等等的分數(shù)諧波分量，這時的松動通常是軸承蓋里軸承瓦枕

48、的松動、過大的軸承間隙、或者轉軸上的葉輪存在松動。這種松動的振動相位很不穩(wěn)定，變化范圍很大。松動時的振動具有方向性。在松動方向上，由于約束力的下降，將引起振動幅度加大。7.轉子斷葉片與脫落轉子斷葉片、零部件或垢層脫落的故障機理與動平衡故障是相同的。其特征如下：振動的通頻振幅在瞬間突然升高；振動的特征頻率為轉子的工作頻率；工頻振動的相位也會發(fā)生突變。圖36aXXX空壓機透平斷葉片的通頻振動趨勢圖圖36bXXX空壓機透平斷葉片的工頻振動趨勢圖卜罰r陽出光掠點數(shù)5L3法世幅1S33倍髓E0感率倍q泣1感率廂1S乙=圖36cXXX空壓機透平斷葉片時振動信號的頻譜圖圖36dXXX空壓機透平斷葉片時的軸心

49、軌跡變化圖圖36eXXX空壓機透平斷葉片的現(xiàn)場照片1TVI-11031ivi-i忡aB.iBVST1砌密?n-niCHiA別.hISE2006-03-lft1533:90mos-io-fiaIS38:04EBE&同15-JS.J0sn15Sk特1530b：罵sa&d誦15.35373i好誦I5-I40m序J51B.ilrfsss圖36fXXX空壓機3段葉輪破裂的通頻振動趨勢圖1圖36gXXX空壓機3段葉輪破裂的現(xiàn)場照片II-仃B27TBfiU1K147B3329B110Z4圖36hXXX煉廠主風機斷葉片的波形頻譜圖1UM-SO-：l圖36iXXX煉廠主風機斷葉片的軸心軌跡圖圖36jXXX煉廠主

50、風機斷葉片的現(xiàn)場照片8.摩擦當旋轉機械的旋轉部件和固定部件接觸時，就會發(fā)生動、靜部分的徑向摩擦或軸向碰摩。這是一個嚴重的故障，它可能會導致機器整個損壞。在摩擦產(chǎn)生時通常分為兩種情況：第一種是部分摩擦，此時轉子僅偶然接觸靜止部分，同時維持接觸僅在轉子進動整周期的一個分數(shù)部分，這通常對于機器的整體來說，它的破壞性和危險性相對比較小；第二種，特別是對于機器的破壞性效果和危險性來說就是更為嚴重的情況了，這就是整周的環(huán)狀摩擦，有時候也稱為“全摩擦”或“干摩擦”，它們大都在密封中產(chǎn)生。在整周環(huán)狀摩擦發(fā)生時，轉子維持與密封的接觸是連續(xù)的，產(chǎn)生在接觸處的摩擦力能夠導致轉子進動方向的劇烈改變，從原本是向前的正進

51、動變成向后的反進動。摩擦一般會產(chǎn)生更多的次諧波振動分量，此外，轉子摩擦可能產(chǎn)生一系列的分數(shù)諧波振動分量（12X，13X，1/4X,1/5X,，1/nX）,轉子摩擦可能也會激起許多高頻振動分量；這可能會在原本正常的頻譜圖上面疊加一個粉紅色的噪聲信號。摩擦的危害性很大，即使轉軸和軸瓦短時間摩擦也會造成嚴重后果。有的大型機組在轉子和靜子發(fā)生徑向部分摩擦時,振動頻譜主要是基頻分量，但也有2X、3X、4X等高次諧波分量，其中2X分量較大。摩擦時振動急劇增大，而且相位也會發(fā)生變化，相位變化是逆轉動方向。摩擦后若轉子發(fā)生熱彎曲，則降速時轉子通過臨界轉速時振動也急劇放大。n-I-JQ5A.n-iiKB圖37a

52、摩擦發(fā)生前的軸心軌跡（正進動）Will卜-rr-i-ns圖37b摩擦發(fā)生時的軸心軌跡（反進動）-30一旨i12B30當轉子發(fā)生動靜摩擦后，降轉速或降負荷振動并不立即減小，反而有所增大。只有當轉速或負荷降低到某一數(shù)值后，振動才緩慢減小，即振動變化存在著一定的滯后。9.軸裂紋轉子裂紋產(chǎn)生的原因多是疲勞損傷。旋轉機械的轉子如果設計不當（包括選材不當或結構不合理）或者加工方法不妥，或者是運行時間超長的老舊機組，由于應力腐蝕、疲勞、蠕變等，會在轉子原本存在誘發(fā)點的位置產(chǎn)生微裂紋，再加上由于較大而且變化的扭矩和徑向載荷的持續(xù)作用，微裂紋逐漸擴展，最終發(fā)展成為宏觀裂紋。原始的誘發(fā)點通常出現(xiàn)在應力高而且材料有

53、缺陷的地方，如軸上應力集中點、加工時留下的刀痕、劃傷處、材質存在微小缺陷（如夾渣等）的部位等。在轉子出現(xiàn)裂紋的初期，其擴展的速度比較慢，徑向振動的幅值增長也比較小。但裂紋的擴展速度會隨著裂紋深度的加深而加速，相應的會出現(xiàn)振幅迅速增大的現(xiàn)象。尤其是二倍頻幅值的迅速上升和其相位的變化往往可以提供裂紋的診斷信息，因此可以利用二倍頻幅值和相位的變化趨勢來診斷轉子裂紋。轉子出現(xiàn)裂紋后的一般特征：.各階臨界轉速較正常時要小，尤其是當裂紋趨于嚴重時更明顯；.由于裂紋造成轉子的剛度變化而且不對稱，使轉子形成多個共振轉速；.在恒定轉速下，IX、2X、3X等各階倍頻分量的幅值及其相位不穩(wěn)定，而且尤其以二倍頻分量最為突出；.由于裂紋轉子的剛度不對稱，使得對轉子進行動平衡變得困難。10.旋轉失速與喘振旋轉失速是壓縮機中最常見的一種不穩(wěn)定現(xiàn)象。當壓