設(shè)備故障的振動診斷技術(shù)介紹及其應(yīng)用

第二章

設(shè)備故障振動診療技術(shù)

第一節(jié)

信號概念及分類

第二節(jié)振動測量儀器及其應(yīng)用

第三節(jié)旋轉(zhuǎn)機械振動監(jiān)測與診療設(shè)備故障的振動診斷技術(shù)介紹及其應(yīng)用第1頁學習目標

本章主要討論動態(tài)信號分析處理中相關(guān)問題，重點介紹以快速傅里葉變換為基礎(chǔ)各種分析技術(shù)。1、了解信號概念、轉(zhuǎn)換、傳輸以及特征信號選擇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(yīng)用3、掌握旋轉(zhuǎn)機械振動故障分析慣用方法，了解旋轉(zhuǎn)機械經(jīng)典故障特征辨識4、了解滾動軸承故障診療方法5、了解齒輪傳動裝置動力特征6、了解其它常見故障及其頻率特征

設(shè)備故障的振動診斷技術(shù)介紹及其應(yīng)用第2頁第一節(jié)

信號概念及分類一、信號轉(zhuǎn)換與傳感器

1．動態(tài)范圍

2．靈敏度

3．動態(tài)特征

4．穩(wěn)定性

二、信號傳輸及干擾噪聲

三、信號分類：確定性信號及非確定性信號

四、特征信號選擇：信號敏感性，在線（On-line）與實時性

設(shè)備故障的振動診斷技術(shù)介紹及其應(yīng)用第3頁三、信號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(guān)系式描述信號，它又可分為周期信號及非周期信號，正弦波、方波等是經(jīng)典周期信號，而階躍脈沖、半正弦脈沖等是經(jīng)典非周期信號。所謂非確定性信號是指不能用數(shù)學關(guān)系式描述信號，也無法預(yù)知其未來幅值，又稱為隨機信號，如前一點中提到電噪聲信號，又如在不平坦道路上行駛汽車，車內(nèi)產(chǎn)生振動就是隨機振動，它使乘客感到顛簸。設(shè)備故障的振動診斷技術(shù)介紹及其應(yīng)用第4頁三、信號分類信號還可按其取值情況分為模擬信號和數(shù)字信號。模擬信號普通都是連續(xù)，而數(shù)字信號則是離散。大多數(shù)傳感器輸出信號是模擬，如各種壓電式、磁電式、電容式、電渦流式及霍爾效應(yīng)等類型傳感器；少數(shù)傳感器輸出信號是離散，如測量轉(zhuǎn)動圓光柵，其輸出信號為脈沖，經(jīng)過脈沖計數(shù)確定轉(zhuǎn)過角度。當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(zhuǎn)換器后才能處理模擬信號。

設(shè)備故障的振動診斷技術(shù)介紹及其應(yīng)用第5頁四、特征信號選擇機器在運行中能提供信息很多，但不是每一個信息都對工況監(jiān)測有主動意義。要選擇能實時采集、且能敏感反應(yīng)工況狀態(tài)改變信息，蘊含這種信息信號稱為特征信號。特征信號選擇要考慮主要問題：信號敏感性，在線（On-line）與實時性設(shè)備故障的振動診斷技術(shù)介紹及其應(yīng)用第6頁慣用特征信號1、振動

振動是可能判斷以下動力狀態(tài)最正確特征信號：平衡，軸承穩(wěn)定性和葉片、齒輪齒等元件上所受動態(tài)應(yīng)力。另外，普通機器異常，如聯(lián)軸節(jié)同軸度誤差和不適當間隙等經(jīng)常亦可從振動特征中顯示出來。設(shè)備故障的振動診斷技術(shù)介紹及其應(yīng)用第7頁2、溫度測量溫度慣用于兩個目標。一個是用來測量和評價機器狀態(tài)或施加于一些如推力軸承等特定元件上負載。二是作為一個確保輔助系統(tǒng)（比如冷卻器）工作正常以及確定熱動力性能和效率特征信號。設(shè)備故障的振動診斷技術(shù)介紹及其應(yīng)用第8頁3、壓力

壓力亦是一項很有價值診療輔助信號，因為壓力改變常是故障征兆，比如內(nèi)部間隙堵塞或改變，將影響推力負載。設(shè)備故障的振動診斷技術(shù)介紹及其應(yīng)用第9頁4、油狀態(tài)監(jiān)測油狀態(tài)能夠預(yù)警油里外部物質(zhì)增多，比如經(jīng)過對油中磨粒進行觀察和分析，能比較準確地判別故障程度、部位、類型和原因。設(shè)備故障的振動診斷技術(shù)介紹及其應(yīng)用第10頁第二節(jié)振動測量儀器及其應(yīng)用一、寬頻帶測量介紹

二、早期故障檢測與損壞指示

三、頻率分析基本系統(tǒng)

四、計算機輔助狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)

設(shè)備故障的振動診斷技術(shù)介紹及其應(yīng)用第11頁圖2-1設(shè)備故障的振動診斷技術(shù)介紹及其應(yīng)用第12頁圖2-2設(shè)備故障的振動診斷技術(shù)介紹及其應(yīng)用第13頁設(shè)備故障的振動診斷技術(shù)介紹及其應(yīng)用第14頁設(shè)備故障的振動診斷技術(shù)介紹及其應(yīng)用第15頁設(shè)備故障的振動診斷技術(shù)介紹及其應(yīng)用第16頁第三節(jié)旋轉(zhuǎn)機械振動監(jiān)測與診療一、預(yù)備知識1.機械振動及其種類2．簡諧振動及其性質(zhì)3．周期振動及其性質(zhì)4．時域―頻域分析

5．轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速設(shè)備故障的振動診斷技術(shù)介紹及其應(yīng)用第17頁在機械故障眾多診療信息中，振動信號能夠更快速、更直接地反應(yīng)機械設(shè)備運行狀態(tài)，據(jù)統(tǒng)計，70％以上故障都是以振動形式表現(xiàn)出來。設(shè)備故障的振動診斷技術(shù)介紹及其應(yīng)用第18頁設(shè)備故障的振動診斷技術(shù)介紹及其應(yīng)用第19頁設(shè)備故障的振動診斷技術(shù)介紹及其應(yīng)用第20頁設(shè)備故障的振動診斷技術(shù)介紹及其應(yīng)用第21頁設(shè)備故障的振動診斷技術(shù)介紹及其應(yīng)用第22頁設(shè)備故障的振動診斷技術(shù)介紹及其應(yīng)用第23頁第三節(jié)旋轉(zhuǎn)機械振動監(jiān)測與診療二、監(jiān)測參數(shù)及分析方法1.監(jiān)測參數(shù)(1)動態(tài)參數(shù)一、振幅它表示振動嚴重程度，可用位移、速度或加速度表示。常見振動傳感器使用頻率范圍，見圖2-8。設(shè)備故障的振動診斷技術(shù)介紹及其應(yīng)用第24頁第三節(jié)振動診療技術(shù)振動幅值1、均值設(shè)備故障的振動診斷技術(shù)介紹及其應(yīng)用第25頁第三節(jié)振動診療技術(shù)2、方差3、有效值設(shè)備故障的振動診斷技術(shù)介紹及其應(yīng)用第26頁第三節(jié)振動診療技術(shù)二、振動烈度（即振動速度方均根值）三、相位不一樣振源產(chǎn)生不一樣振動相位不一樣，對于兩個振源，相位相同能夠使振幅疊加，產(chǎn)生嚴重后果；反之相位相反可能一起振動抵消，起到減振作用。設(shè)備故障的振動診斷技術(shù)介紹及其應(yīng)用第27頁

圖2-8設(shè)備故障的振動診斷技術(shù)介紹及其應(yīng)用第28頁設(shè)備故障的振動診斷技術(shù)介紹及其應(yīng)用第29頁1.監(jiān)測參數(shù)(2)靜態(tài)參數(shù)①軸心位置在穩(wěn)定情況下，軸承中心相對于轉(zhuǎn)軸軸頸中心位置。②軸向位置是機器轉(zhuǎn)子上止推環(huán)相對于止推軸承位置。③差脹指旋轉(zhuǎn)機械中轉(zhuǎn)子與靜子之間軸向間隙改變值。④對中度指軸系轉(zhuǎn)子之間連接對中程度。⑤溫度⑥潤滑油壓反應(yīng)滑動軸承油膜建立情況。設(shè)備故障的振動診斷技術(shù)介紹及其應(yīng)用第30頁補充潤滑基本知識一、潤滑概念潤滑為了降低摩擦和磨損對機械設(shè)備造成危害，而人為利用不一樣物質(zhì)含有不一樣摩擦特征，選擇那些摩擦和磨損對設(shè)備危害較小物質(zhì)去替換那些對設(shè)備危害大物質(zhì)，從而到達降低摩擦和磨損造成各種危害程度。設(shè)備故障的振動診斷技術(shù)介紹及其應(yīng)用第31頁補充潤滑基本知識二、潤滑作用1、降低摩擦潤滑劑摩擦系數(shù)小，從而降低了摩擦阻力，節(jié)約能源消耗2、降低磨損潤滑劑在摩擦面間能夠降低磨粒磨損、表面疲勞、粘著磨損等所造成磨損。設(shè)備故障的振動診斷技術(shù)介紹及其應(yīng)用第32頁補充潤滑基本知識3、冷卻作用潤滑劑能夠吸熱、傳熱和散熱，因而能夠降低摩擦熱造成溫度上升。4、防銹作用潤滑劑存在能夠預(yù)防因空氣、水滴、水蒸氣、腐蝕性氣體及液體、氧化物引發(fā)銹蝕。設(shè)備故障的振動診斷技術(shù)介紹及其應(yīng)用第33頁補充潤滑基本知識5、傳遞動力在許多情況下潤滑劑含有傳遞動力功能，如液壓傳動。6、密封作用潤滑劑對一些外露零部件形成密封，預(yù)防水分雜質(zhì)浸入。設(shè)備故障的振動診斷技術(shù)介紹及其應(yīng)用第34頁補充潤滑基本知識7、減震作用在受到?jīng)_擊載荷時，能夠吸收沖擊能，如汽車減震器等。8、清潔作用經(jīng)過潤滑劑循環(huán)能夠帶走雜質(zhì)，經(jīng)過濾器濾掉。設(shè)備故障的振動診斷技術(shù)介紹及其應(yīng)用第35頁補充潤滑基本知識三、潤滑分類1、無潤滑2、邊界潤滑3、流體潤滑4、半流體潤滑和半干潤滑設(shè)備故障的振動診斷技術(shù)介紹及其應(yīng)用第36頁補充潤滑基本知識1、無潤滑摩擦系數(shù)設(shè)備故障的振動診斷技術(shù)介紹及其應(yīng)用第37頁補充潤滑基本知識2、邊界潤滑摩擦表面上僅存在一層很薄油膜。油膜靠靜電引力和分子吸引牢靠吸附在金屬表面上。設(shè)備故障的振動診斷技術(shù)介紹及其應(yīng)用第38頁補充潤滑基本知識3、流體潤滑當摩擦面間潤滑膜厚度大到足以將兩個表面輪廓峰完全隔開時，相對摩擦兩個表面被完全分隔開來。摩擦在流體內(nèi)部分子間進行。設(shè)備故障的振動診斷技術(shù)介紹及其應(yīng)用第39頁補充潤滑基本知識4、半流體潤滑和半干潤滑液體潤滑油膜部分遭到破壞時，油膜破壞部位就會出現(xiàn)摩擦表面直接接觸，處于干摩擦或者邊界潤滑狀態(tài)。若此時流體潤滑占主要地位，則稱為半流體潤滑，若油膜大部分遭到破壞則稱為半干潤滑。設(shè)備故障的振動診斷技術(shù)介紹及其應(yīng)用第40頁二、監(jiān)測參數(shù)及分析方法2.旋轉(zhuǎn)機械振動故障分析慣用方法（1）波特圖（Bodeplot）是機器振幅與轉(zhuǎn)速頻率，相位與轉(zhuǎn)速頻率關(guān)系曲線，如圖2-9所表示。

（2）極坐標圖是把上述幅頻特征和相頻特征曲線綜合在極坐標上表示出來，如圖2-10所表示。（3)軸心位置圖借助于相互垂直兩個電渦流傳感器，監(jiān)測直流間隙電壓，即可得到轉(zhuǎn)子軸頸中心徑向位置。如圖2-11所表示。（4)軸心軌跡圖渦動運動軌跡稱之為軸心軌跡如圖2-14所表示。。設(shè)備故障的振動診斷技術(shù)介紹及其應(yīng)用第41頁（5)頻譜圖振動信號絕大多數(shù)是由各種激勵信號合成復(fù)雜信號，按照傅里葉分析原理，這種復(fù)雜信號能夠分解為一系列諧波分量（即頻率成份），每一諧波分量又含有幅值和相位特征量。各個諧波分量以頻率軸為坐標，按頻率高低排列起來譜圖，就叫頻譜圖。各諧波分量分別以幅值或相位特征量來表示，分別稱為幅值頻譜（簡稱幅值譜）和相位頻譜（注意與波特圖區(qū)分）。設(shè)備故障的振動診斷技術(shù)介紹及其應(yīng)用第42頁圖2-9設(shè)備故障的振動診斷技術(shù)介紹及其應(yīng)用第43頁圖2-10設(shè)備故障的振動診斷技術(shù)介紹及其應(yīng)用第44頁圖2-11設(shè)備故障的振動診斷技術(shù)介紹及其應(yīng)用第45頁圖2-12設(shè)備故障的振動診斷技術(shù)介紹及其應(yīng)用第46頁為了便于識別各頻率成份（包含基頻、倍頻及分數(shù)倍頻等）與故障聯(lián)絡(luò)，常將頻譜圖頻率軸（橫坐標）改用工作頻率倍數(shù)來表示，而縱坐標仍表示幅值。這種譜圖稱為階比幅值譜。圖2-13為圖2-12階比幅值譜。兩圖形狀相同僅在橫軸方向百分比有所改變，所以二者提供診療信息量相同。設(shè)備故障的振動診斷技術(shù)介紹及其應(yīng)用第47頁設(shè)備故障的振動診斷技術(shù)介紹及其應(yīng)用第48頁三、旋轉(zhuǎn)機械振動評定標準1．軸承振動評定，這能夠利用接觸式傳感器（比如磁電式振動速度傳感器或壓電式振動加速度傳感器）放置在軸承座上進行測量。2．軸振動值評定，這可利用非接觸式傳感器（比如電渦流式傳感器）測量軸相對于機殼振動值或軸絕對振動值。評定參數(shù)可用振動位移峰峰值和振動烈度（它代表了振動能量大?。﹣肀硎?。設(shè)備故障的振動診斷技術(shù)介紹及其應(yīng)用第49頁設(shè)備故障的振動診斷技術(shù)介紹及其應(yīng)用第50頁由上述兩表能夠看出，轉(zhuǎn)速低，允許振動值大；轉(zhuǎn)速高，允許振動值小。

設(shè)備故障的振動診斷技術(shù)介紹及其應(yīng)用第51頁設(shè)備故障的振動診斷技術(shù)介紹及其應(yīng)用第52頁第三節(jié)旋轉(zhuǎn)機械振動監(jiān)測與診療四、旋轉(zhuǎn)機械經(jīng)典故障辨識1.不平衡振動（1）不平衡振動特征轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡所產(chǎn)生離心力一直作用在轉(zhuǎn)子上，它相對于轉(zhuǎn)子是靜止，其振動頻率就是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速頻率，也稱為工頻（即工作頻率），在頻率分析時，首先要找就是工頻成份。其特征（參見圖2-14）有:設(shè)備故障的振動診斷技術(shù)介紹及其應(yīng)用第53頁圖2-14設(shè)備故障的振動診斷技術(shù)介紹及其應(yīng)用第54頁1)對于剛性轉(zhuǎn)子，不平衡產(chǎn)生離心力與轉(zhuǎn)速平方成正比，而在軸承座測得振動隨轉(zhuǎn)速增加而加大，但不一定與轉(zhuǎn)速平方成正比，這是因為軸承與轉(zhuǎn)子之間振動耦合非線性所致。2)在臨界轉(zhuǎn)速附近，振幅會出現(xiàn)一個峰值，且相位在臨界轉(zhuǎn)速前后相差近180°。3）振動頻率和轉(zhuǎn)速頻率一致，轉(zhuǎn)速頻率高次諧波幅值很低，在時域上波形靠近于一個正弦波。設(shè)備故障的振動診斷技術(shù)介紹及其應(yīng)用第55頁（2）固有不平衡因為各轉(zhuǎn)子殘余不平衡累積、材質(zhì)不良、安裝不妥等原因，即使機組在制造過程中已對各個轉(zhuǎn)子作了動平衡，不過連接起來轉(zhuǎn)子系統(tǒng)還是存在固有不平衡。為消除質(zhì)量不平衡產(chǎn)生振動，應(yīng)在平衡機或現(xiàn)場作靜平衡和動平衡試驗，加以校正。設(shè)備故障的振動診斷技術(shù)介紹及其應(yīng)用第56頁（3)轉(zhuǎn)子彎曲轉(zhuǎn)子彎曲有初始彎曲與熱彎曲之分。轉(zhuǎn)子初始彎曲是因為加工不良、殘余應(yīng)力或碰撞等原因引發(fā)，它將引發(fā)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)工頻振動，經(jīng)過振動測量并不能把它與轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡區(qū)分開來。而應(yīng)在低速轉(zhuǎn)動下檢驗轉(zhuǎn)子各部位徑向跳動量給予判斷。當轉(zhuǎn)子彎曲不嚴重時也能夠用平衡方法加以校正；當彎曲嚴重時，必須進行校正或更換。設(shè)備故障的振動診斷技術(shù)介紹及其應(yīng)用第57頁轉(zhuǎn)子熱彎曲是：1）因為轉(zhuǎn)子與靜子（如密封處）發(fā)生間歇性局部接觸，產(chǎn)生摩擦熱引發(fā)轉(zhuǎn)子暫時性彎曲；2）轉(zhuǎn)子不均勻受熱或冷卻引發(fā)轉(zhuǎn)子暫時性彎曲。其特點是轉(zhuǎn)子振動隨時間、負荷改變而在大小和相位上都有改變。所以，可經(jīng)過變負荷或一段時間振動監(jiān)測判斷轉(zhuǎn)子熱彎曲故障。預(yù)防熱彎曲首先要減小使轉(zhuǎn)子不均勻受熱影響原因，如啟停機時充分暖機，確保機組均勻膨脹；另首先應(yīng)注意裝配間隙，各部件要有相近線（膨）脹系數(shù)。設(shè)備故障的振動診斷技術(shù)介紹及其應(yīng)用第58頁（4)轉(zhuǎn)子部件脫落當旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子上部件突然脫落時，使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生階躍性不平衡改變，其表現(xiàn)形式也是每轉(zhuǎn)一次振動成份，使機組振動加劇。但因為轉(zhuǎn)子部件脫落不平衡矢量與原始轉(zhuǎn)子不平衡矢量疊加，使合成不平衡矢量在大小、相位和位置三方面均與原始轉(zhuǎn)子不平衡矢量發(fā)生了改變，所以，可經(jīng)過測量相位深入診療。（5)聯(lián)軸器精度不良設(shè)備故障的振動診斷技術(shù)介紹及其應(yīng)用第59頁設(shè)備故障的振動診斷技術(shù)介紹及其應(yīng)用第60頁第三節(jié)旋轉(zhuǎn)機械振動監(jiān)測與診療四、旋轉(zhuǎn)機械經(jīng)典故障辨識2．轉(zhuǎn)子不對中分類：見圖2-16轉(zhuǎn)子不對中故障主要特征（參見圖2-17）有：設(shè)備故障的振動診斷技術(shù)介紹及其應(yīng)用第61頁圖2-16

設(shè)備故障的振動診斷技術(shù)介紹及其應(yīng)用第62頁圖2-17設(shè)備故障的振動診斷技術(shù)介紹及其應(yīng)用第63頁轉(zhuǎn)子不對中故障主要特征有：(1)改變軸承支承負荷，使軸承油膜壓力也隨之改變，負荷降低，軸承可能會產(chǎn)生油膜失穩(wěn)。(2)最大振動往往在不對中聯(lián)軸器兩側(cè)軸承上，且振動值與轉(zhuǎn)子負荷相關(guān)，隨負荷增大而增高。(3)平行不對中主要引發(fā)徑向振動，振動頻率為旋轉(zhuǎn)頻率2倍，同時也存在多倍頻振動。設(shè)備故障的振動診斷技術(shù)介紹及其應(yīng)用第64頁3.動靜摩擦

在旋轉(zhuǎn)機械中，因為轉(zhuǎn)子彎曲、轉(zhuǎn)子不對中引發(fā)軸心嚴重變形，間隙不足和非旋轉(zhuǎn)部件彎曲變形等原因引發(fā)轉(zhuǎn)子與固定件接觸碰撞而引發(fā)異常振動時有發(fā)生。摩擦分全圓徑環(huán)形摩擦和局部摩擦兩種，其特征（參見圖2-18和圖2-19）有：

設(shè)備故障的振動診斷技術(shù)介紹及其應(yīng)用第65頁設(shè)備故障的振動診斷技術(shù)介紹及其應(yīng)用第66頁設(shè)備故障的振動診斷技術(shù)介紹及其應(yīng)用第67頁第三節(jié)旋轉(zhuǎn)機械振動監(jiān)測與診療五、滾動軸承故障診療滾動軸承是機械設(shè)備中最常見也是最易損壞零件之一。滾動軸承有很多損壞形式，常見有磨損失效、疲勞失效、腐蝕失效、斷裂失效、壓痕失效和膠合失效。當它出現(xiàn)隨機性機械故障時，所產(chǎn)生振幅對應(yīng)增加，如圖2-20。

設(shè)備故障的振動診斷技術(shù)介紹及其應(yīng)用第68頁1.滾動軸承振動機理（1）軸承剛度改變引發(fā)振動（2）由滾動軸承運動副引發(fā)振動（3）滾動軸承元件固有頻率（4）滾動軸承故障所產(chǎn)生振動（圖2-21）（5）與滾動軸承安裝相關(guān)振動（圖2-22、圖2-23）設(shè)備故障的振動診斷技術(shù)介紹及其應(yīng)用第69頁圖2-20設(shè)備故障的振動診斷技術(shù)介紹及其應(yīng)用第70頁圖2-21設(shè)備故障的振動診斷技術(shù)介紹及其應(yīng)用第71頁設(shè)備故障的振動診斷技術(shù)介紹及其應(yīng)用第72頁設(shè)備故障的振動診斷技術(shù)介紹及其應(yīng)用第73頁五、滾動軸承故障診療2．滾動軸承振動信號拾取滾動軸承故障振動識別必須以軸承本身真實振動信號為依據(jù)。因為軸承異常所引發(fā)振動受軸旋轉(zhuǎn)速度、軸承損傷部分形狀以及軸承和外殼振動系統(tǒng)傳遞特征所左右。因而，在測取軸承振動信號時，不論測哪個方向振動信號，傳感器都必須安