第五章航空發(fā)動機振動檢測與診斷

第五章航空發(fā)動機振動

監(jiān)測與診斷航空發(fā)動機的主要激振源轉(zhuǎn)子激振源轉(zhuǎn)子不平衡（振動頻率與轉(zhuǎn)速相等）單圓盤轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速：

旋轉(zhuǎn)機械在啟停升降速過程中，往往在某個(或某幾個)轉(zhuǎn)速下出現(xiàn)振動急劇增大的現(xiàn)象。原因往往是由于轉(zhuǎn)子系統(tǒng)處于臨界轉(zhuǎn)速附近產(chǎn)生共振。轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速個數(shù)與轉(zhuǎn)子的自由度相等。支承不對中（振動頻率為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速兩倍）航空發(fā)動機的主要激振源航空發(fā)動機的主要激振源氣動激振力軸承激振源齒輪激振源轉(zhuǎn)子系統(tǒng)常見故障機理分析轉(zhuǎn)子系統(tǒng)、轉(zhuǎn)子振動與轉(zhuǎn)子故障的關(guān)系振動廣泛存在。設(shè)備在動態(tài)下都會或多或少地產(chǎn)生一定的振動。振動監(jiān)測具有有效性。當(dāng)設(shè)備發(fā)生異?；蚬收蠒r，振動將會發(fā)生變化，一般表現(xiàn)為振幅加大。振動具有可識別性。由不同類型、性質(zhì)、原因和部位產(chǎn)生的故障所激發(fā)的振動具有不同的特征。振動識別具有復(fù)雜性。振動信號性質(zhì)、特征不僅與故障有關(guān)，而且還與系統(tǒng)的固有特性有關(guān)。轉(zhuǎn)子系統(tǒng)、轉(zhuǎn)子振動和轉(zhuǎn)子故障之間的分類轉(zhuǎn)子振動分類

橫向振動——發(fā)生在包括轉(zhuǎn)軸的橫向平面內(nèi)（xoy）軸向振動——發(fā)生在轉(zhuǎn)軸的軸線方向上（x軸）扭轉(zhuǎn)振動——沿轉(zhuǎn)軸軸線發(fā)生的扭振轉(zhuǎn)子系統(tǒng)模型轉(zhuǎn)子系統(tǒng)常見故障機理分析軸向振動橫(徑)向振動扭轉(zhuǎn)振動轉(zhuǎn)子系統(tǒng)分類剛性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)——工作轉(zhuǎn)速在（一階）臨界以下的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)。目前大多數(shù)低速（工作頻率<100Hz）機械均屬于剛性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)。柔性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)——工作轉(zhuǎn)速在（一階）臨界以上的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)。例如一些大型高速（工作頻率>100Hz）旋轉(zhuǎn)機械均屬于柔性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)。轉(zhuǎn)子系統(tǒng)常見故障機理分析轉(zhuǎn)子故障分類轉(zhuǎn)子系統(tǒng)常見故障機理分析監(jiān)測參數(shù)動態(tài)參數(shù)振幅：表示振動的嚴(yán)重程度，可用位移、速度或加速度表示振動烈度：近年來國際上已統(tǒng)一使用振動烈度作為描述機器振動狀態(tài)的特征量相位：動態(tài)特性、故障特性及轉(zhuǎn)子的動平衡等具有重要意義轉(zhuǎn)子系統(tǒng)常見故障機理分析靜態(tài)參數(shù)軸心位置：在穩(wěn)定情況下，軸承中心相對于轉(zhuǎn)軸軸頸中心的位置軸向位置差脹：轉(zhuǎn)子與靜子之間軸向間隙的變化值對中度：軸系轉(zhuǎn)子之間的連接對中程度溫度：軸瓦溫度反映軸承運行情況潤滑油壓：反映滑動軸承油膜的建立情況轉(zhuǎn)子系統(tǒng)常見故障機理分析旋轉(zhuǎn)機械振動故障分析常用方法時間波形法——通過觀察振動波形的特征來獲取診斷信息轉(zhuǎn)子系統(tǒng)常見故障機理分析含有周期成分及隨機噪聲的振動波形經(jīng)平滑處理后的振動波形轉(zhuǎn)子系統(tǒng)常見故障機理分析徑向點觸摩擦?xí)r的振動波形

在正常的狀態(tài)下，波形圖應(yīng)為較平滑的正弦波，且重復(fù)性好。（1）動不平衡時，在一個周期內(nèi)為典型的正弦波，振幅加大；（2）對中不良時，在一個周期內(nèi)為波峰翻倍，波形光滑、穩(wěn)定、重復(fù)性好；（3）摩擦?xí)r，波峰多，波形毛糙、不穩(wěn)定、或有削波；（4）自激振蕩（油膜渦動，旋轉(zhuǎn)脫離）時，波形雜亂、重復(fù)性差、波動性大。轉(zhuǎn)子系統(tǒng)常見故障機理分析頻譜分析法幅值譜及相位譜轉(zhuǎn)子系統(tǒng)常見故障機理分析幅值譜正常運轉(zhuǎn)狀態(tài)下，一倍頻最大，二倍頻次之、約小于一倍頻的一半，三倍頻、四倍頻…x倍頻逐步參差遞減，低頻（即小于一倍頻的成份）微量。

一倍頻——轉(zhuǎn)子不平衡、軸承工作不良、對中不良等均會引起一倍頻增大，發(fā)生概率依次降低。二倍頻——轉(zhuǎn)子對中不良、軸彎曲、松動等，主要是對中不良。0.5倍頻——油膜失穩(wěn)；軸承工作不良（如間隙、接觸、搖擺等）；旋轉(zhuǎn)失速（喘振的先兆）的頻率為(0.4~0.8)倍工頻，也有可能。轉(zhuǎn)子系統(tǒng)常見故障機理分析DDDD階比幅值譜轉(zhuǎn)子系統(tǒng)常見故障機理分析階比幅值譜轉(zhuǎn)子系統(tǒng)常見故障機理分析自功率譜圖滾動軸承的功率譜圖優(yōu)點：它可以把能量集中的譜峰更加突出地表現(xiàn)出來。它不僅可以表現(xiàn)某些特征頻率值的能量集中狀況，而且可以研究某一段頻帶范圍內(nèi)能量分布的水平。它比幅值譜有更加廣泛的用途。軸心軌跡圖

軸心軌跡是指轉(zhuǎn)子軸心點相對于軸承座運動而形成的軌跡。轉(zhuǎn)子系統(tǒng)常見故障機理分析軸心軌跡的合成轉(zhuǎn)子系統(tǒng)常見故障機理分析轉(zhuǎn)子系統(tǒng)常見故障機理分析不平衡軸心軌跡的形狀不對中油膜渦動轉(zhuǎn)子系統(tǒng)常見故障機理分析轉(zhuǎn)子系統(tǒng)常見故障機理分析轉(zhuǎn)子與靜止部件的碰撞和摩擦轉(zhuǎn)子系統(tǒng)常見故障機理分析軸心軌跡的旋轉(zhuǎn)方向若軸的旋轉(zhuǎn)方向與軸心軌跡旋轉(zhuǎn)方向一致，稱為正向進動。反之，稱為反向進動。當(dāng)轉(zhuǎn)子具有不平衡、不對中、油膜渦動等故障時表現(xiàn)為正向進動；當(dāng)轉(zhuǎn)子與定子發(fā)生摩擦?xí)r，表現(xiàn)為反向進動。軸心軌跡的穩(wěn)定性

一般情況下，軸心軌跡保持穩(wěn)定。一旦發(fā)生形狀大小的變化或軌跡紊亂，則揭示機器運行狀態(tài)已發(fā)生變化或進入異常。轉(zhuǎn)軸隨轉(zhuǎn)速變化時的工頻振動矢量圖轉(zhuǎn)速跟蹤法奈奎斯特圖分析法（極坐標(biāo)圖）轉(zhuǎn)子系統(tǒng)常見故障機理分析波特圖——振幅與頻率，相位與頻率的關(guān)系曲線010203040506070809001020304050振幅

/m

m頻率/Hz01020304050607080903033027021015090相位角/度頻率/Hz從波特圖中可以得到：轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在各個轉(zhuǎn)速下的振幅和相位、轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在運行范圍內(nèi)的臨界轉(zhuǎn)速值、轉(zhuǎn)子系統(tǒng)阻尼大小和共振放大系數(shù)、綜合轉(zhuǎn)子系統(tǒng)上幾個測點可以確定轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的各階振型。轉(zhuǎn)子系統(tǒng)常見故障機理分析利用瀑布圖可以判斷機器的臨界轉(zhuǎn)速、振動原因和阻尼大小。瀑布圖轉(zhuǎn)子系統(tǒng)常見故障機理分析轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動故障機理及特征分析轉(zhuǎn)子不平衡原因轉(zhuǎn)子系統(tǒng)質(zhì)量偏心（制造誤差、裝配誤差、材質(zhì)不均……）；轉(zhuǎn)子部件出現(xiàn)缺損（腐蝕、摩擦、局部破損等）。轉(zhuǎn)子系統(tǒng)常見故障機理分析特征時域特征呈現(xiàn)為類似簡諧振動的波形；由于其他振動信號源（松動、不動中、軸承磨損、噪聲）的影響，實際的信號不會是標(biāo)準(zhǔn)的正弦波。轉(zhuǎn)子系統(tǒng)常見故障機理分析頻譜特征工頻的1倍頻能量較大。轉(zhuǎn)子系統(tǒng)常見故障機理分析軸心軌跡軸在各個方向上剛度有差別，轉(zhuǎn)子軸心軌跡通常為橢圓。同步采集H方向V方向轉(zhuǎn)子系統(tǒng)常見故障機理分析例：某大型離心式壓縮機組蒸汽透平經(jīng)檢修更換轉(zhuǎn)子后，機組啟動時發(fā)生強烈振動。壓縮機兩端軸承處徑向振幅達到報警值，機器不能正常運行。壓縮機振動特征轉(zhuǎn)子系統(tǒng)常見故障機理分析振動特征分析時域波形為正弦波頻域中能量集中于1倍頻，有突出的峰值，高次諧波分量較小軸心軌跡為橢圓診斷意見：強烈振動的原因是轉(zhuǎn)子不平衡轉(zhuǎn)子系統(tǒng)常見故障機理分析分類固有不平衡轉(zhuǎn)子彎曲轉(zhuǎn)子熱彎曲轉(zhuǎn)子部件脫落聯(lián)軸節(jié)精度不良轉(zhuǎn)子系統(tǒng)常見故障機理分析聯(lián)軸節(jié)精度不良引起的初始彎曲a）端面偏擺b）徑向偏擺34大型機組通常由多個轉(zhuǎn)子組成，各轉(zhuǎn)子之間用聯(lián)軸器聯(lián)接構(gòu)成軸系，傳遞運動和轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)子系統(tǒng)常見故障機理分析轉(zhuǎn)子不對中分類轉(zhuǎn)子系統(tǒng)常見故障機理分析正確對中e=0,=0平行不對中

e0,=0角度不對中

e=0,0組合不對中

e0,0不對中的振動機理轉(zhuǎn)子系統(tǒng)常見故障機理分析齒式聯(lián)軸器對中良好：內(nèi)外齒套之間只有傳遞轉(zhuǎn)矩的周向力。對中超差：內(nèi)齒套發(fā)生相對傾斜，在傳遞運動和轉(zhuǎn)矩時，將會產(chǎn)生附加的徑向力和軸向力，引發(fā)相應(yīng)的振動。這就是不對中故障振動的原因。不對中的危害增加機器的振動轉(zhuǎn)子系統(tǒng)常見故障機理分析過度的聯(lián)軸器損壞轉(zhuǎn)子系統(tǒng)常見故障機理分析增加密封件的磨損轉(zhuǎn)子系統(tǒng)常見故障機理分析增加軸承的磨損轉(zhuǎn)子系統(tǒng)常見故障機理分析過高的能源消耗轉(zhuǎn)子系統(tǒng)常見故障機理分析特征振動的形態(tài)特征：平行不對中主要引起轉(zhuǎn)子的徑向振動，角度不對中除了引起徑向振動外還引起軸向振動。振動的頻率特征：徑向振動頻率為兩倍或四倍旋轉(zhuǎn)頻率，同時也存在高倍頻振動。主要看二倍頻。轉(zhuǎn)子系統(tǒng)常見故障機理分析不對中軸心軌跡轉(zhuǎn)子系統(tǒng)常見故障機理分析振動的軸心軌跡渦動頻率約為：油膜渦動及油膜振蕩轉(zhuǎn)子系統(tǒng)常見故障機理分析Ω油膜振蕩：轉(zhuǎn)子的渦動頻率和轉(zhuǎn)子的固有頻率接近時發(fā)生的自激振蕩。油膜振蕩軸心軌跡轉(zhuǎn)子系統(tǒng)常見故障機理分析特征油膜振蕩是自激產(chǎn)生的；發(fā)生油膜振蕩之前一般會有油膜渦動現(xiàn)象，軸頸中心的渦動頻率為轉(zhuǎn)子一階固有頻率。油膜振蕩發(fā)生后，振幅急劇增大，繼續(xù)提高轉(zhuǎn)速，振幅也不會下降。轉(zhuǎn)子系統(tǒng)常見故障機理分析轉(zhuǎn)靜碰摩基座或裝配松動轉(zhuǎn)子系統(tǒng)常見故障機理分析轉(zhuǎn)子與靜止部件的碰撞和摩擦齒輪故障的常見形式彎曲疲勞與斷齒齒面接觸疲勞齒面磨損齒面膠合和擦傷齒輪常見故障與診斷齒輪故障的原因制造誤差齒輪制造誤差主要有偏心、齒距偏差和齒形誤差等。偏心指齒輪的幾何中心和旋轉(zhuǎn)中心不重合，齒距偏差指齒輪的實際齒距與公稱齒距有較大誤差，齒形誤差指漸開線齒廓有誤差。齒輪常見故障與診斷齒輪常見故障與診斷裝配不良由于裝配技術(shù)和裝配方法等原因，通常會造成“一端接觸”和齒輪軸的直線性偏差(不同軸、不對中)等異?，F(xiàn)象。這會造成輪齒負(fù)荷不勻，個別齒負(fù)荷過重引起早期磨損，嚴(yán)重時甚至引起斷裂等。潤滑不良對于高速重載齒輪，潤滑不良會導(dǎo)致齒面局部過熱，造成色變、膠合等故障。超載對于工作負(fù)荷不平穩(wěn)的齒輪驅(qū)動裝置，經(jīng)常會出現(xiàn)過載現(xiàn)象，如果沒有適當(dāng)?shù)谋Ｗo措施，就會造成輪齒過載斷裂，或者長期過載導(dǎo)致大量輪齒根部疲勞裂紋、斷裂。操作失誤操作失誤通常包括缺油、超載、長期超速等，都會造成齒輪損傷、損壞。齒輪常見故障與診斷齒輪振動機理齒輪振動特征頻率的計算齒輪和軸的轉(zhuǎn)動頻率fr諧頻齒輪常見故障與診斷式中，n為齒輪及軸的轉(zhuǎn)速（r/min）。齒輪的嚙合頻率fc齒輪的固有頻率齒輪常見故障與診斷式中，fr1——主動輪的旋轉(zhuǎn)頻率(Hz)；z1——主動輪的齒數(shù)；

fr2——從動輪的旋轉(zhuǎn)頻率(Hz)z2——從動輪的齒數(shù)。邊頻帶在齒輪箱的振動頻譜中，嚙合頻率或其高階諧頻附近存在著一些等間距的頻率成分，稱為邊頻帶。邊頻帶由幅值調(diào)制和頻率調(diào)制形成。頻率調(diào)制及其邊頻幅值調(diào)制及其邊頻齒輪常見故障與診斷幅值調(diào)制幅值調(diào)制是由于齒面載荷波動對振動幅值的影響而造成的。比如齒輪的偏心、加工誤差、齒輪故障……在齒輪信號中，嚙合頻率成分通常是載波成分，齒輪軸旋轉(zhuǎn)頻率成分通常是調(diào)制波成分。齒輪常見故障與診斷調(diào)幅后的信號：x1(t)=A(1+ecos2πfrt)Xsin(2πfct+φ)旋轉(zhuǎn)振動信號：a(t)=A(1+ecos2πfrt)嚙合振動信號：x

(t)=Xsin(2πfct+φ)調(diào)幅信號及頻譜齒輪常見故障與診斷齒輪存在局部缺陷時，形成的邊頻帶數(shù)量多且均勻。齒輪存在分布缺陷時，形成的邊頻帶比較高而且窄。而且齒輪上的缺陷分布越均勻，頻譜上的邊頻帶就越高、越集中。齒輪缺陷分布對邊頻帶的影響齒輪常見故障與診斷頻率調(diào)制齒輪齒距不均勻時，或者齒輪轉(zhuǎn)速不均勻。頻率調(diào)制及其邊帶齒輪常見故障與診斷附加脈沖附加脈沖是回轉(zhuǎn)頻率的低次諧波。平衡不良、對中不良和機械松動等，均是回轉(zhuǎn)頻率的低次諧波振源，但不一定與齒輪缺陷直接有關(guān)。附加脈沖的影響一般在嚙合頻率以下。附加脈沖示意圖齒輪常見故障與診斷載荷對隱含譜線分量和嚙合分量的影響(a)輕載（b）滿載齒輪常見故障與診斷隱含譜線隱含譜線是功率譜上的一種頻率分量，產(chǎn)生的原因是由于加工過程中帶來的周期性缺陷。軸承振動頻譜細(xì)化技術(shù)齒輪常見故障與診斷齒輪故障診斷常用信號分析處理方法頻率細(xì)化分析技術(shù)fLfH原始頻譜移頻濾波重采樣+反移頻齒輪常見故障與診斷頻譜細(xì)化過程齒輪常見故障與診斷倒頻譜分析定義功率譜對數(shù)傅里葉逆變換應(yīng)用分離信息通道對信號的影響h(t)輸入x(t)輸出y(t)時域關(guān)系：頻域關(guān)系：倒頻譜：齒輪常見故障與診斷齒輪常見故障與診斷故障信息在功率譜和倒頻譜中明顯性比較齒輪常見故障與診斷對于同時有多對齒輪嚙合的齒輪箱振動頻譜圖，由于每對齒輪嚙合都將產(chǎn)生邊頻帶，幾個邊頻帶交叉分布在一起，無法看清頻譜結(jié)構(gòu)，還需要進一步做倒頻譜分析。

齒輪常見故障與診斷用倒頻譜診斷齒輪故障用倒頻譜分析齒輪箱振動信號中的邊頻帶1-嚙合頻率；2，3-高次諧波；A1～A5…周期為11.8ms諧波；B1～B3…-周期為20ms諧波11.8正常齒輪的時域特征與頻域特征

(1)時域特征

正常齒輪由于剛度的影響，其波形為周期性的衰減波形。其低頻信號具有近似正弦波的嚙合波形。

正常齒輪的低頻振動波形齒輪常見故障與診斷(2)頻域特征正常齒輪的信號反映在功率上，有嚙合頻率及其諧波分量，即有nfc（n＝1,2,…），且以嚙合頻率成分為主，其高次諧波依次減小；同時，在低頻處有齒輪軸旋轉(zhuǎn)頻率及其高次諧波mfr（m＝1，2，…）。正常齒輪的頻譜齒輪常見故障與診斷故障齒輪的時域特征與頻域特征均勻磨損(a)高頻振動(b)低頻振動均勻磨損時的頻譜齒輪常見故障與診斷齒輪偏心齒輪偏心的頻譜齒輪常見故障與診斷偏心齒輪的振動時域波形齒輪不同軸指由于齒輪和軸裝配不當(dāng)造成的齒輪和軸不同軸。不同軸故障會使齒輪產(chǎn)生局部接觸，導(dǎo)致部分輪齒承受較大的負(fù)荷。不同軸齒輪的頻譜齒輪常見故障與診斷不同軸齒輪波形齒輪局部異常齒輪的局部異常

1-齒根部有裂紋；2-局部齒面磨損；3-局部齒形誤差；4-斷齒局部異常齒輪的振動波形局部異常的齒輪頻譜齒輪常見故障與診斷齒距誤差指一個齒輪的各個齒距不相等，存在有誤差。齒距誤差是由齒形誤差造成的。有齒距誤差齒輪的振動波形有齒距誤差齒輪的頻譜齒輪常見故障與診斷不平衡齒輪齒輪的不平衡是指齒輪的質(zhì)心和回轉(zhuǎn)中心不重合，從而導(dǎo)致齒輪副的不穩(wěn)定運行和振動。不平衡齒輪的振動波形不平衡齒輪的頻譜

齒輪常見故障與診斷外圈內(nèi)圈滾動體保持架滾動軸承的故障機理與診斷技術(shù)滾動軸承尺寸的選擇2疲勞剝落滾動軸承故障的主要形式與原因滾動軸承的故障機理與診斷技術(shù)磨損塑性變形滾動軸承尺寸的選擇2膠合斷裂保持架損壞銹蝕滾動軸承的故障機理與診斷技術(shù)與軸承的結(jié)構(gòu)有關(guān)的振動

——無論軸承正常與否，都會產(chǎn)生振動與軸承滾動表面狀況有關(guān)的振動

——反映了軸承的損壞狀況滾動軸承的故障機理與診斷技術(shù)正常軸承的振動信號特征軸承結(jié)構(gòu)特點引起的振動

滾動軸承的故障機理與診斷技術(shù)（a）（b）滾動軸承的承載剛度和滾子位置的關(guān)