第二章 設備故障的振動診斷技術

第二章

設備故障的振動診斷技術

第一節(jié)

信號概念及分類

第二節(jié)振動測量儀器及其應用

第三節(jié)旋轉機械的振動監(jiān)測與診斷學習目的

本章主要討論動態(tài)信號分析處理中的有關問題，重點介紹以快速傅里葉變換為基礎的各種分析技術。1、了解信號的概念、轉換、傳輸以及特征信號的選擇2、了解袖珍式振動表、頻譜分析儀、計算機輔助狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)等振動測量儀器及其應用3、掌握旋轉機械振動故障分析常用方法，了解旋轉機械典型故障特征辨識4、了解滾動軸承的故障診斷方法5、了解齒輪傳動裝置的動力特征6、了解其他常見故障及其頻率特征

第一節(jié)

信號概念及分類一、信號轉換與傳感器

1．動態(tài)范圍

2．靈敏度

3．動態(tài)特性

4．穩(wěn)定性

二、信號傳輸及干擾噪聲

三、信號的分類：確定性信號及非確定性信號

四、特征信號的選擇：信號的敏感性，在線（On-line）與實時性

三、信號的分類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)學關系式描述的信號，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)學關系式描述的信號，也無法預知其將來的幅值，又稱為隨機信號，如前一點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)生的振動就是隨機振動，它使乘客感到顛簸。三、信號的分類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，如各種壓電式、磁電式、電容式、電渦流式及霍爾效應等類型的傳感器；少數(shù)傳感器輸出的信號是離散的，如測量轉動的圓光柵，其輸出信號為脈沖，通過脈沖計數(shù)確定轉過的角度。現(xiàn)代電子計算機只能處理數(shù)字信號，使用模擬／數(shù)字(A／D)轉換器后才能處理模擬信號。

四、特征信號的選擇機器在運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。要選擇能實時采集的、且能敏感反映工況狀態(tài)變化的信息，蘊含這種信息的信號稱為特征信號。特征信號選擇要考慮的主要問題：信號的敏感性，在線（On-line）與實時性常用特征信號1、振動

振動是可能判斷下列動力狀態(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受的動態(tài)應力。此外，一般機器的異常，如聯(lián)軸節(jié)同軸度誤差和不適當?shù)拈g隙等經(jīng)常亦可從振動特征中顯示出來。2、溫度測量溫度常用于兩個目的。一個是用來測量和評價機器狀態(tài)或施加于某些如推力軸承等特定元件上的負載。二是作為一個保證輔助系統(tǒng)（例如冷卻器）工作正常以及確定熱動力性能和效率的特征信號。3、壓力

壓力亦是一項很有價值的診斷輔助信號，因為壓力變化常是故障的征兆，例如內(nèi)部間隙的堵塞或變化，將影響推力負載。4、油的狀態(tài)監(jiān)測油的狀態(tài)可以預警油里外部物質(zhì)的增多，例如通過對油中磨粒進行觀察和分析，能比較準確地判別故障的程度、部位、類型和原因。第二節(jié)振動測量量儀器及及其應用用一、寬頻頻帶測量量簡介二、早期期故障檢檢測與損損壞指示示三、頻率率分析的的基本系系統(tǒng)四、計算算機輔助助狀態(tài)監(jiān)監(jiān)測系統(tǒng)統(tǒng)圖2-1圖2-2第三節(jié)旋旋轉轉機械的的振動監(jiān)監(jiān)測與診診斷一、預備備知識1.機械械振動及及其種類類2．簡諧諧振動及及其性質(zhì)質(zhì)3．周期期振動及及其性質(zhì)質(zhì)4．時域――頻域分分析5．轉子子的臨界界轉速在機械故故障的眾眾多診斷斷信息中中，振動動信號能能夠更迅迅速、更更直接地地反映機機械設備備的運行行狀態(tài)，，據(jù)統(tǒng)計計，70％以上上的故障都都是以振動動形式表現(xiàn)現(xiàn)出來的。第三節(jié)旋旋轉機械械的振動監(jiān)監(jiān)測與診斷斷二、監(jiān)測參參數(shù)及分析析方法1.監(jiān)測參參數(shù)(1)動態(tài)態(tài)參數(shù)一、振幅它它表示示振動的嚴嚴重程度，，可用位移移、速度或或加速度表表示。常見見振動傳感感器的使用用頻率范圍圍，見圖2-8。第三節(jié)振振動診斷技技術振動幅值1、均值第三節(jié)振振動診斷技技術2、方差3、有效值第三節(jié)振振動診斷技技術二、振動烈度（即振動速速度的方均均根值）三、相位不同振源產(chǎn)產(chǎn)生不同的的振動相位位不同，對對于兩個振振源，相位位相同可以以使振幅疊疊加，產(chǎn)生生嚴重后果果；反之相相位相反可可能一起起振動抵消消，起到減減振作用。。圖2-81.監(jiān)測參參數(shù)(2)靜態(tài)態(tài)參數(shù)①軸心位置置在穩(wěn)穩(wěn)定情況下下，軸承中中心相對于于轉軸軸頸頸中心的位位置。②軸向位置置是機機器轉子上上止推環(huán)相相對于止推推軸承的位位置。③差脹指指旋轉機機械中轉子子與靜子之之間軸向間間隙的變化化值。④對中度指指軸系系轉子之間間的連接對對中程度。。⑤溫度⑥潤滑油壓壓反映映滑動軸承承油膜的建建立情況。。補充潤滑滑的基本知知識一、潤滑的的概念潤滑為了減減少摩擦和和磨損對機機械設備造造成的危害害，而人為為的利用不不同物質(zhì)具具有不同的的摩擦特性性，選擇那那些摩擦和和磨損對設設備危害較較小物質(zhì)去去替換那些些對設備危危害大的物物質(zhì)，從而而達到減少少摩擦和磨磨損造成的的各種危害害的程度。。補充潤滑滑的基本知知識二、潤滑的的作用1、降低摩擦擦潤滑劑摩擦擦系數(shù)小，，從而減少少了摩擦阻阻力，節(jié)約能源消消耗2、減少磨損損潤滑劑在摩摩擦面間可可以減少磨磨粒磨損、、表面疲勞、粘著著磨損等所所造成的磨磨損。補充潤滑滑的基本知知識3、冷卻作用用潤滑劑可以以吸熱、傳傳熱和散熱熱，因而能能夠降低摩擦熱熱造成的溫溫度上升。。4、防銹作用用潤滑劑的存存在可以防防止因空氣氣、水滴、、水蒸氣、腐蝕蝕性氣體及及液體、氧氧化物引起起的銹蝕。補充潤滑滑的基本知知識5、傳遞動力力在許多情況況下潤滑劑劑具有傳遞遞動力的功功能，如液壓壓傳動。6、密封作用用潤滑劑對某某些外露零零部件形成成密封，防防止水分雜質(zhì)浸入入。補充潤滑滑的基本知知識7、減震作用用在受到?jīng)_擊擊載荷時，，可以吸收收沖擊能，，如汽車減震器器等。8、清潔作用用通過潤滑劑劑的循環(huán)可可以帶走雜雜質(zhì)，經(jīng)過過濾器濾掉。補充潤滑滑的基本知知識三、潤滑的的分類1、無潤滑2、邊界潤滑滑3、流體潤滑滑4、半流體潤潤滑和半干干潤滑補充潤滑滑的基本知知識1、無潤滑摩擦系數(shù)補充潤滑滑的基本知知識2、邊界潤滑滑摩擦表面上上僅存在一一層很薄的的油膜。油油膜靠靜電電引力和分分子吸引牢牢固的吸附附在金屬表表面上。補充潤滑滑的基本知知識3、流體潤滑滑當摩擦面間間的潤滑膜膜厚度大到到足以將兩兩個表面的的輪廓峰完完全隔開時時，相對摩摩擦的兩個個表面被完完全分隔開開來。摩擦擦在流體內(nèi)內(nèi)部的分子子間進行。。補充潤滑滑的基本知知識4、半流體潤潤滑和半干干潤滑液體潤滑的的油膜部分分遭到破壞壞時，油膜膜破壞的部部位就會出出現(xiàn)摩擦表表面的直接接接觸，處處于干摩擦擦或者邊界界潤滑狀態(tài)態(tài)。若此時時流體潤滑滑占主要地地位，則稱稱為半流體體潤滑，若若油膜大部部分遭到破破壞則稱為為半干潤滑滑。二、監(jiān)測參參數(shù)及分析析方法2.旋轉機機械振動故故障分析常常用方法（1）波特特圖（Bodeplot）是機器振幅幅與轉速頻頻率，相位位與轉速頻頻率的關系系曲線，如如圖2-9所示。（2）極坐坐標圖是是把上述述幅頻特性性和相頻特特性曲線綜綜合在極坐坐標上表示示出來，如如圖2-10所示。（3)軸心心位置圖借借助于于相互垂直直的兩個電電渦流傳感感器，監(jiān)測測直流間隙隙電壓，即即可得到轉轉子軸頸中中心的徑向向位置。如如圖2-11所示。（4)軸心心軌跡圖渦渦動運運動的軌跡跡稱之為軸軸心軌跡如如圖2-14所示。。。（5)頻譜譜圖振振動信號絕絕大多數(shù)是是由多種激激勵信號合合成的復雜雜信號，按按照傅里葉葉分析原理理，這種復復雜信號可可以分解為為一系列諧諧波分量（（即頻率成成分），每每一諧波分分量又含有有幅值和相相位特征量量。各個諧諧波分量以以頻率軸為為坐標，按按頻率高低低排列起來來的譜圖，，就叫頻譜譜圖。各諧諧波分量分分別以幅值值或相位特特征量來表表示，分別別稱為幅值值頻譜（簡簡稱幅值譜）和相位頻頻譜（注意意與波特圖圖的區(qū)別））。圖2-9圖2-10圖2-11圖2-12為了便于識識別各頻率率成分（包包括基頻、、倍頻及分分數(shù)倍頻等等）與故障障的聯(lián)系，，常將頻譜譜圖的頻率率軸（橫坐坐標）改用用工作頻率率的倍數(shù)來來表示，而而縱坐標仍仍表示幅值值。這種譜譜圖稱為階階比幅值譜譜。圖2-13為圖圖2-12的階比幅值譜譜。兩圖形狀狀相似僅在在橫軸方向向比例有所所改變，因因此兩者提提供的診斷斷信息量相相同。三、旋轉機機械振動評評定標準1．軸承振振動評定，，這可以利利用接觸式式傳感器（（例如磁電電式振動速速度傳感器器或壓電式式振動加速速度傳感器器）放置在在軸承座上上進行測量量。2．軸振動動值評定，，這可利用用非接觸式式傳感器（（例如電渦渦流式傳感感器）測量量軸相對于于機殼的振振動值或軸軸的絕對振振動值。評定參數(shù)可可用振動位位移峰峰值值和振動烈烈度（它代代表了振動動能量的大大小）來表表示。由上述兩表表可以看出出，轉速低，允允許的振動動值大；轉轉速高，允允許的振動動值小。第三節(jié)旋旋轉機械械的振動監(jiān)監(jiān)測與診斷斷四、旋轉機機械典型故故障辨識1.不平衡衡振動（1）不平平衡振動的的特征轉轉子的質(zhì)質(zhì)量不平衡衡所產(chǎn)生的的離心力始始終作用在在轉子上，，它相對于于轉子是靜靜止的，其其振動頻率率就是轉子子的轉速頻頻率，也稱稱為工頻（（即工作頻頻率），在在頻率分析析時，首先先要找的就就是工頻成成分。其特特征（參見見圖2-14）有:圖2-141)對于剛剛性轉子，，不平衡產(chǎn)產(chǎn)生的離心心力與轉速速的平方成成正比，而而在軸承座座測得的振振動隨轉速速增加而加加大，但不不一定與轉轉速的平方方成正比，，這是由于于軸承與轉轉子之間的的振動耦合合的非線性性所致。2)在臨界界轉速附近近，振幅幅會出現(xiàn)一一個峰值，，且相位位在臨界轉轉速前后相相差近180°。3）振動頻頻率和轉速速頻率一致致，轉速頻頻率的高次次諧波幅值值很低，在在時域上波波形接近于于一個正弦弦波。（2）固有有不平衡由由于各各轉子殘余余不平衡的的累積、材材質(zhì)不良、、安裝不當當?shù)仍?，即使機組組在制造過過程中已對對各個轉子子作了動平平衡，但是是連接起來來的轉子系系統(tǒng)還是存存在固有不不平衡。為為消除質(zhì)量不平衡衡產(chǎn)生的振振動，應在在平衡機或或現(xiàn)場作靜靜平衡和動動平衡試驗驗，加以校校正。（3)轉子子彎曲轉轉子彎曲曲有初始彎曲與熱彎曲之分。轉子的初始始彎曲是由由于加工不不良、殘余余應力或碰碰撞等原因引起的，它它將引起轉轉子系統(tǒng)工工頻振動，，通過振動動測量并不不能把它與與轉子的質(zhì)質(zhì)量不平衡衡區(qū)分開來來。而應在在低速轉動動下檢查轉轉子各部位位的徑向跳跳動量予以以判斷。當轉子彎彎曲不嚴重重時也可以以用平衡方方法加以校校正；當彎彎曲嚴重時時，必須進進行校正或更換換。轉子熱彎曲曲是：1））由于轉子子與靜子（（如密封處處）發(fā)生間間歇性局部部接觸，產(chǎn)產(chǎn)生摩擦熱熱引起的轉轉子臨時性性彎曲；2）轉子不不均勻受熱熱或冷卻引引起轉子的的臨時性彎彎曲。其特點是轉子的振振動隨時間間、負荷的的變化而在在大小和相相位上均有有改變。因因此，可通通過變負荷荷或一段時時間的振動動監(jiān)測判斷轉子熱彎曲曲故障。防止熱彎曲一方方面要減小小使轉子不不均勻受熱熱的影響因因素，如啟啟停機時充充分暖機，，保證機組組均勻膨脹脹；另一方方面應注意意裝配間隙隙，各部件件要有相近近的線（膨膨）脹系數(shù)數(shù)。（4)轉子子部件脫落落當旋旋轉轉子上上部件突然然脫落時，，使轉子產(chǎn)生階躍性性的不平衡衡變化，其表表現(xiàn)形式也也是每轉一一次的振動動成分，使使機組振動動加劇。但但由于轉子子部件脫落落不平衡矢矢量與原始轉子子不平衡矢矢量的疊加加，使合成的不不平衡矢量量在大小、、相位和位位置三方面面均與原始始轉子不平平衡矢量發(fā)發(fā)生了變化化，因此，可通通過測量相相位進一步步診斷。（5)聯(lián)軸軸器精度不不良第三節(jié)旋旋轉機械械的振動監(jiān)監(jiān)測與診斷斷四、旋轉機機械典型故故障辨識2．轉子不對對中分類：見圖2-16轉子不對中故故障的主要特特征（參見圖2-17）有：圖2-16圖2-17轉子不對中故故障的主要特特征有：(1)改變軸承的支支承負荷，使使軸承的油膜膜壓力也隨之之改變，負荷荷減少，軸承承可能會產(chǎn)生生油膜失穩(wěn)。。(2)最大振動往往往在不對中聯(lián)聯(lián)軸器兩側的的軸承上，且且振動值與轉轉子的負荷有有關，隨負荷荷的增大而增增高。(3)平行不對中主主要引起徑向向振動，振動動頻率為旋轉轉頻率的2倍，同時也存存在多倍頻振振動。3.動靜摩擦在旋轉機械中中，由于轉子子彎曲、轉子子不對中引起起軸心嚴重變變形，間隙不不足和非旋轉轉部件彎曲變變形等原因引引起轉子與固固定件接觸碰碰撞而引起的的異常振動時時有發(fā)生。摩摩擦分全圓徑環(huán)形摩摩擦和局部摩擦兩種，其特征征（參見圖2-18和圖2-19）有：第三節(jié)旋旋轉機械的振振動監(jiān)測與診診斷五、滾動軸承承故障診斷滾動軸承是機機械設備中最常見也是最最易損壞的零零件之一。滾動軸承有有很多損壞形式，常見的有磨損失效、疲疲勞失效、腐腐蝕失效、斷斷裂失效、壓壓痕失效和膠膠合失效。當它出現(xiàn)隨隨機性的機械械故障時，所所產(chǎn)生的振幅幅相應增加，，如圖2-20。1.滾動軸承承的振動機理理（1）軸承剛剛度變化引起起的振動（2）由滾動動軸承運動副副引起的振動動（3）滾動軸軸承元件的固固有頻率（4）滾動軸軸承故障所產(chǎn)產(chǎn)生的振動（（圖2-21）（5）與滾動動軸承安裝有有關的振動（（圖2-22、圖2-23）圖2-20圖2-21五、滾動軸承承故障診斷2．滾動軸承振振動信號的拾拾取滾動軸承故障障的振動識別別必須以軸承承本身的真實實振動信號為為依據(jù)。由于于軸承異常所所引起的振動動受軸的旋轉轉速度、軸承承損傷部分的的形狀以及軸軸承和外殼振振動系統(tǒng)的傳傳遞特征所左左右。因而，，在測取軸承承振動信號時時，無論測哪哪個方向的振振動信號，傳感器都必須須安置在軸承承載荷區(qū)的中中心。同時，要注注意信號傳遞遞通道的影響響，即必須考考慮金屬結構構傳遞振動信信號的通道性性質(zhì)。由于傳傳感器都放在在軸承座外面面，為了消除除傳遞通道的的非線性影響響，應保證在在軸承與傳感感器之間直接接傳遞的途徑徑，盡量保證證沒有水套、、填料及螺栓栓連接一類的的中間介質(zhì)。。傳遞通道中中的中間界面面越多，對信信號的歪曲越越大。最好只有一個個軸承座圈和和軸孔間的界界面。3．滾動軸承的的振動故障診診斷（1）概率密度函函數(shù)法(2)諧振信號接收收法（3）頻譜分析法法1)基頻識別2)諧頻識別3)倒頻譜法（4）包絡法(5）沖擊脈沖法法五、滾動軸承承故障診斷4．滾動軸承承的其他監(jiān)診診斷方法（1）接觸電電阻法（2）光纖監(jiān)監(jiān)測技術六、齒輪箱故故障診斷1．齒輪的常常見故障2．齒輪傳動動裝置的動力力特征3．其他故障障及其頻率特特征9、靜夜夜四無無鄰，，荒居居舊業(yè)業(yè)貧。。。1月-231月-23Sunday,January1,202310、雨中黃葉葉樹，燈下下白頭人。。。13:06:0913:06:0913:061/1/20231:06:09PM11、以我我獨沈沈久，，愧君君相見見頻。。。1月-2313:06:0913:06Jan-2301-Jan-2312、故故人人江江海海別別，，幾幾度度隔隔山山川川。。。。13:06:0913:06:0913:06Sunday,January1,202313、乍見翻疑夢夢，相悲各問問年。。1月-231月-2313:06:0913:06:09January1,202314、他鄉(xiāng)鄉(xiāng)生白白發(fā)，，舊國國見青青山。。。01一一月月20231:06:09下下午13:06:091月-2315、比不了得得就不比，，得不到的的就不要。。。。一月231:06下下午1月-2313:06January1,202316、行動出出成果，，工作出出財富。。。2023/1/113:06:0913:06:0901January202317、做前，能夠夠環(huán)視四周；；做時，你只只能或者最好好沿著以腳為為起點的射線線向前。。1:06:09下午1:06下下午13:06:091月-239、沒有失敗敗，只有暫暫時停止成成功！。1月-231月-23Sunday,January1,202310、很多事情努努力了未必有有結果，但是是不努力卻什什么改變也沒沒有。。13:06:0913:06:0913:061/1/20231:06:09PM11、成功就是是日復一日日那一點點點小小努力力的積累。。。1月-2313:06:0913:06Jan-2301-Jan-2312、世間成成事，不不求其絕絕對圓滿滿，留一一份不足足，可得得無限完完美。。。13:06:0913:06:0913:06Sunday,January1,202313、不不知知香香積積寺寺，，數(shù)數(shù)里里入入云云峰峰。。。。1月月-231月-2313:06:0913:06:09January1,202314、意志堅強的的人能把世界界放在手中像像泥塊一樣任任意揉捏。01一月月20231:06:09下下午13:06:091月-2315、楚塞三湘接接，荊門九派派通。。。一月231:06下下午1月-2313:06January1,202316、少年十五二二十時，步行行奪得胡馬騎騎。。2023/1/113:06:0913:06:0901January202317、空山新雨后后，天氣晚來來秋。。1:06:09下午1:06下下午13:06:091月-239、楊楊柳柳散散和和風風，，青青