第三講監(jiān)測與診斷技術基

監(jiān)測與診斷技術基礎管理體制狀態(tài)監(jiān)測的基本知識故障診斷的常用圖譜管理體制監(jiān)測與診斷工作是一個系統(tǒng)工程首先要有設備其次要有懂專業(yè)的技術人員更重要的是還必須有系統(tǒng)完善的管理體制設備故障診斷的技術基礎設備診斷技術是依靠傳感技術和在線檢測技術進行分析處理，機械故障診斷實質是利用運行中各個零部件的二次效應，由現(xiàn)象對本質進行診斷。常見故障模式有磨損、腐蝕、老化、結構失效、系統(tǒng)失效、電氣系統(tǒng)失靈、失控、接觸不良、污染等。診斷故障最常用、最成熟的方法是對相應故障的征兆的分析。將人工智能

的理論和方法用于故障診斷是故障診斷的一條全新途徑。設備故障診斷的技術基礎振動診斷是目前所有故障診斷技術中應用最廣泛最成功的診斷方法。振動診斷的時域分析方法包括直接觀察法、概率分析法、示性指標法、時域同步平均法及相關函數(shù)診斷法。在旋轉機械振動監(jiān)測和故障診斷中，對波形復雜的振動信號，常常采用其峰一峰值；振動頻譜中包含機器零部件的機械狀態(tài)信息，振動診斷的任務從某種意義上講，就是讀譜圖，把頻譜上的每個頻譜分量與監(jiān)測的機器的零部件對照聯(lián)系，給每條頻譜以物理解釋。設備故障診斷的技術基礎

振動的理論基礎在這里所提及的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷，均是指基于振動測量與分析方面的技術事實上狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷是一門綜合性極強、涉及面非常廣泛、學科交叉滲透十分豐富的技術.除了應用振動分析方法之外，還可采用油液分析、紅外熱像、超聲探傷以及溫度、壓力分析等多種不同技術

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。1.振動的基本參量：幅值、周期（頻率）和相位a．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－峰值（P－P）、單峰值（0－P）、有效值（RMS）或平均值（Average）。峰－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。b．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。c．頻率：是指振動物體在單位時間（1秒）內所產(chǎn)生振動的次數(shù)，即Hz，以f表示。很顯然，f＝1／T。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。d．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0°～360°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：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，工頻振動頻率是100HZ。工頻振動又叫基頻振動

3.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。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。4.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（1X），二倍頻（2X），三倍頻（3X）……，半頻（1/2X）,三分之一倍頻（1/3X）……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。5.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。其振動的大小不能正確預知的振動。6.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。

7.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。9.剛度、阻尼和臨界阻尼

9.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。10.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。11.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。12.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。13.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°。圖1－3振型和節(jié)點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6μm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。17.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)。18.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。傳感器的基本知識

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的一些傳感器的性能和適用范圍及優(yōu)、缺點等。傳感器種類頻響特性電渦流傳感器0～5000HZ或0～10000Hz速度傳感器10～500Hz或10～1000HZ加速度傳感器0.2～10000HZ或更高復合傳感器0～2000HZ電渦流傳感器采用的是感應電渦流原理,當帶有高頻電流的線圈靠近被測金屬時,線圈上的高頻電流所產(chǎn)生的高頻電磁場便在金屬表面上產(chǎn)生感應電流,電磁學上稱之為電渦流。電渦流效應與被測金屬間的距離及電導率、磁導率、幾何尺寸、電流頻率等參數(shù)有關。通過電路可將被