旋轉(zhuǎn)機械的振動監(jiān)測與診斷

旋轉(zhuǎn)機械的振動監(jiān)測與診斷6-1旋轉(zhuǎn)機械的振動及故障概論旋轉(zhuǎn)機械的核心----轉(zhuǎn)軸組件，它包括：轉(zhuǎn)子、軸、齒輪傳動件、葉輪、聯(lián)軸器；

滑動軸承、滾動軸承；

支座、定子、機座；

密封、密封裝置。6-1-1轉(zhuǎn)子系統(tǒng)、轉(zhuǎn)子振動和轉(zhuǎn)子故障間的關(guān)系1、機械設(shè)備振動特點

振動存在的廣泛性

振動監(jiān)測的有效性

振動的可識別性

振動識別的復(fù)雜性----振動特性受系統(tǒng)、故障的影響（系統(tǒng)固有特性不同、故障激勵傳遞通道不同、測點不同及其傳遞通道不同等）。2、系統(tǒng)、振動、故障間的關(guān)系6-1-2轉(zhuǎn)子系統(tǒng)、轉(zhuǎn)子振動和轉(zhuǎn)子故障的分類1、振動分類橫向振動----振動發(fā)生在包括轉(zhuǎn)軸的橫向xoy平面內(nèi)，大多數(shù)故障所激發(fā)的振動為此類振動；軸向振動----振動發(fā)生在轉(zhuǎn)軸軸線z方向上，某些故障如不對中將會激發(fā)軸向振動；扭轉(zhuǎn)振動----沿轉(zhuǎn)軸軸線發(fā)生的扭振，多盤轉(zhuǎn)子的柔性軸將會產(chǎn)生扭振。2、系統(tǒng)分類----以臨界轉(zhuǎn)速分類⑴剛性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)----工作轉(zhuǎn)速在一階臨界轉(zhuǎn)速以下的系統(tǒng)。一階臨界轉(zhuǎn)速：轉(zhuǎn)子系統(tǒng)有多個自振頻率，當(dāng)轉(zhuǎn)速逐漸增大到橫向振動的一階自振頻率時，將發(fā)生一階共振，所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速稱為一階臨界轉(zhuǎn)速。判別依據(jù)：一般工作頻率<100Hz的機械系統(tǒng)屬于剛性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，該系統(tǒng)一般采用滾動軸承。同步振動：工作頻率=激振頻率。強迫振動：對線性系統(tǒng)，在周期激振下的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)⑵柔性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)----工作轉(zhuǎn)速在一階臨界轉(zhuǎn)速以上的系統(tǒng)判別依據(jù)：一般工作頻率>100Hz的機械系統(tǒng)屬于柔性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)。振動特點：振動頻率（自激振動）<工作頻率，并與一階橫向自振頻率有關(guān)。自激振動：振動過程中，由于系統(tǒng)內(nèi)部不斷有能量輸入而產(chǎn)生的共振現(xiàn)象，在設(shè)備診斷中又稱為亞同步振動。

⑶兩種系統(tǒng)振動特點比較3、故障分類6-2旋轉(zhuǎn)機械故障診斷信息的表達(dá)和分析6-2-1波形分析法波形分析法是通過觀察振動波形的特征來獲取診斷信息。振動波形：振動位移、速度或加速度隨時間變化的曲線。與同步振動有關(guān)的各種故障所激發(fā)的振動都屬于周期函數(shù)，其基本成分是以基頻（工作頻率）成分為主及若干高次諧波函數(shù)再附加隨機噪聲所組成，如圖6-4所示。6-2-2頻譜分析法1、頻譜分析的類型1)幅值譜與相位譜

振動信號的x(t)付氏變換：階比幅值譜

（自）功率譜圖----信號的自功率密度函數(shù)Sx(f)

Sx(f)表示信號樣本中所含能量沿頻率軸的分布情況，多用于以隨機信號為主的信號分析中，其提供的信息與幅值譜基本相同

優(yōu)點：能量集中的譜峰突出、能顯示頻帶能量分布水平、用途廣泛。

例：滾動軸承的功率譜圖如圖6-9所示,其中有三個能量集中敏感帶，0~8Hz，24~30Hz，68~72Hz。2、頻譜分析方法頻譜的最基本信息：譜峰的高低和頻率特征分析方法：譜圖分段：<fr區(qū)、fr區(qū)、>fr區(qū)不同位置（水平、垂直）的頻譜圖對比不同地點的譜圖差別6-2-3軸心軌跡分析法

軸心軌跡----轉(zhuǎn)子軸心點相對于軸承座運動而形成的軌跡軸心軌跡的分析方法

軸心軌跡攜帶的診斷信息表現(xiàn)為：

軸心軌跡的形狀

軸心軌跡的旋轉(zhuǎn)方向

軸心軌跡的穩(wěn)定性1）軸心軌跡的形狀

軸心軌跡的形狀與機器設(shè)備的運行狀態(tài)及發(fā)生故障的類型有密切關(guān)系，以下是幾種典型故障的軸心軌跡。

不平衡----軸心軌跡理論上為圓形，但由于軸承油膜剛度在x,y方向上的差別，以及其它因素的影響，實際上為一橢圓。圖6-11為汽輪發(fā)電機啟動過程中基頻分量的仿真軸心軌跡圖。橢圓長軸傾角的變化主要是受到啟動過程中溫度升高所致不對中亞同步振動2）軸心軌跡的旋轉(zhuǎn)方向正向進動（軸轉(zhuǎn)向與軸心軌跡轉(zhuǎn)向一致）----例如：轉(zhuǎn)子不平衡、不對中、油膜失穩(wěn)產(chǎn)生的亞同步渦動、內(nèi)摩擦激發(fā)的渦動等均為正向進動。絕大多數(shù)為正向進動。逆向進動（軸轉(zhuǎn)向與軸心軌跡轉(zhuǎn)向相反）----干摩擦等少數(shù)情況下發(fā)生3）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。則揭示機器設(shè)備運行狀態(tài)已發(fā)生變化或進入異常。6-2-4轉(zhuǎn)速跟蹤分析方法----瞬態(tài)分析方法1、奈奎斯特（Nyquist）圖和波德圖(Bode)

定義：起停車的每個轉(zhuǎn)速瞬間，取振動信號的基頻分量的幅值為極坐標(biāo)的模，其基準(zhǔn)相位角為幅角，而構(gòu)成極坐標(biāo)平面上的一個點，這些形成極坐標(biāo)曲線稱為奈奎斯特圖。將各轉(zhuǎn)速下的基頻分量的幅值和基準(zhǔn)相位角分別繪制在轉(zhuǎn)速—幅值、轉(zhuǎn)速—相位兩個直角對數(shù)坐標(biāo)系的圖上，稱為波德圖。Nyquist圖和Bode圖用于系統(tǒng)動態(tài)參數(shù)（臨界轉(zhuǎn)速、阻尼等）性質(zhì)和系統(tǒng)故障的預(yù)測。上述兩圖可用于區(qū)分不平衡對系統(tǒng)的影響。兩種圖形所攜帶的診斷信息基本相同，僅是表現(xiàn)形式不同，具體如下：圖中描述了在整個轉(zhuǎn)速變化范圍內(nèi)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)對不平衡激勵的響應(yīng)變化情況；根據(jù)圖中的共振峰或最大向徑可以確定轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速；根據(jù)共振峰的高度可以導(dǎo)出系統(tǒng)的阻尼值；根據(jù)低轉(zhuǎn)速下的幅值和相位可以確定軸的彎曲程度。例如圖6-16中170度處的12.7

m大小的慢滾動向量就是由彎軸引起的。2、瀑布圖和坎貝爾（Compbell）圖瀑布圖是將振動信號的功率譜或幅值譜隨著轉(zhuǎn)速的變化疊置而成的三維譜圖.它可以顯示各種諧波成分譜圖隨著轉(zhuǎn)速變化的情況，如圖6-18所示.

坎貝爾圖如圖6-19所示,其中橫坐標(biāo)為轉(zhuǎn)速,縱坐標(biāo)為頻率,斜線為各倍頻分量的階次比(f/fr),而分量的振幅則用圓圈的大小來表示,它與瀑布圖提供共同的信息,但不如瀑布圖形象.瀑布圖同坎貝爾圖的共同缺點是沒有提供相位信息.6-2-5統(tǒng)計分析方法----量化處理方法量化指標(biāo)=診斷指標(biāo)可直接從振動參數(shù)獲取，也可從波形曲線或頻譜圖中獲取。在簡易診斷中可用于狀態(tài)監(jiān)測，在精密診斷中可組成特征向量進行模式識別1、振動峰峰值（p-p值）常用的峰-峰值為位移xp-p值和加速度的峰-峰ap-p值，它可以從一般的測振儀中讀出。用于汽輪機、壓縮機初步狀態(tài)評判。3、無量綱指標(biāo)4、根據(jù)功率譜圖Sx(f)導(dǎo)出的一些診斷指標(biāo)6-2-6診斷信息研究的新發(fā)展如何全面地從信號中提取診斷信息并以更直觀醒目的形式進行表達(dá)是信號處理技術(shù)的主要任務(wù)之一。近年來在這方面取得了新方法為全息譜及全息瀑布圖的分析方法。1、二維全息譜及其應(yīng)用前述一些分析存在的不足：如譜分析法是幅值譜和相位譜分離，垂直方向和水平方向分別考慮，很難形成統(tǒng)一的、比較形象的圖象。又如當(dāng)振動比較復(fù)雜時，軸心軌跡雖然是兩個方向的合成的結(jié)果，但也難反映振動的特點和故障的原因。二維全息譜：對轉(zhuǎn)子的某一支承面的垂直、水平方向的振動信號作FFT后，可從幅值譜、相位譜中提取各主要頻率分量的幅值和相位，然后做復(fù)合處理，可得各頻率分量對應(yīng)的振動軌跡，并將其按順序排列在一長譜圖上，得一張二維全息譜。

優(yōu)點：反映了兩個方向振動的信號幅值及它們之間的相位關(guān)系。2、三維全息譜3、全息瀑布圖

將二維全息譜按轉(zhuǎn)速的變化進行疊置，構(gòu)成全息瀑布圖，表示轉(zhuǎn)子某一支承截面的振動信號各組成分量的幅值和相位跟蹤轉(zhuǎn)速變化的狀況它將有效揭示轉(zhuǎn)子起停過程中的振動特征，如圖6-23所示6-3旋轉(zhuǎn)機械的簡易診斷方法簡易診斷方法是采用一些便攜式測振儀拾取信號，并直接由信號的某些參數(shù)或統(tǒng)計量構(gòu)成診斷指標(biāo)，根據(jù)對診斷指標(biāo)的分析以判定設(shè)備的運行狀態(tài)是正?；蚴钱惓！?-3-1振動信號的測定正確選澤測定方式和參數(shù)方式：在線、離線；參數(shù)：低頻范圍（10~100Hz）----位移（xp-p,xp,xrms等）中頻范圍（10~1000Hz）----速度（Vrms振動烈度等）高頻范圍（>1kHz）----加速度（arms,ap等）2、合理布置測點1)主要測點布置測軸承的振動（絕對值）：測量時采用速度或加速度傳感器，要同時把測點布置在垂直Y、水平X和軸向Z三個方向上進行測定。對于監(jiān)測引起同步振動的一些故障，如不平衡、不對中、松動等常采用這種布置。測軸位移（相對值）：測量時采用電渦流位移傳感器。一般，測點布置在垂直（V）和水平（H）兩個方向上，或450互成垂直的方向上。必要時也在軸向（A）布置測點。對于監(jiān)測引起亞同步振動的一些故障，如半速渦動、油膜振蕩以及旋轉(zhuǎn)失速、喘振等常采用這種布置方式。2)輔助測點布置

對于結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的大型旋轉(zhuǎn)機械，還必要根據(jù)具體情況增加輔助測點來全面反映所有的診斷信息。如壓縮機的增速箱或網(wǎng)管系統(tǒng)的振動、風(fēng)機機殼的振動、基礎(chǔ)的共振等，一般可布置在機殼、箱體、基礎(chǔ)等部位。

3)注意事項

為了保證所測數(shù)據(jù)的可比性，在測定數(shù)據(jù)時應(yīng)遵循以下原則：每次測量要在同一測點、每次測量機器工況相同、每次測量所使用的儀器、傳感器及測量方法相同3、選定合適的測定周期測定周期為每次采集信號的間隔時間，它與機械的類型及故障發(fā)展的速度有關(guān)。例如對于高速旋轉(zhuǎn)機械的與亞同步振動有關(guān)的故障應(yīng)保持較短的測定周期，而一般低速旋轉(zhuǎn)機械或與磨損有關(guān)的故障，則采用較長的測定周期，但一發(fā)現(xiàn)故障進程較快時，就應(yīng)縮短測定周期。高速旋轉(zhuǎn)機械（壓縮機、透平機等）每周測定；一般旋轉(zhuǎn)機械（風(fēng)機、水泵、機床）每月測定。6-3-2簡易診斷方法原理2、簡易診斷判別標(biāo)準(zhǔn)的制定絕對標(biāo)準(zhǔn)----將測定值與標(biāo)準(zhǔn)值比較來判斷設(shè)備狀態(tài)。絕對標(biāo)準(zhǔn)有國際ISO標(biāo)準(zhǔn)德國VDI2056標(biāo)準(zhǔn)英國BS4175標(biāo)準(zhǔn)中國風(fēng)機專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（JB/TQ334-87、JB/TQ433-85等）加拿大CAD/MS/NVSH107標(biāo)準(zhǔn)相對標(biāo)準(zhǔn)----將正常值作為初值，實測值為初值的倍數(shù)作為閥值判斷。

類比標(biāo)準(zhǔn)----同類型測試值比較，倍數(shù)為閥值。各類標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)先順序----絕對標(biāo)準(zhǔn)>相對標(biāo)準(zhǔn)>類比標(biāo)準(zhǔn)6-3-3簡易診斷方法舉例----壓縮機的簡易診斷

2、故障簡況1989年12月發(fā)現(xiàn)中壓缸進口端測點4的表頭顯示的軸振動逐漸由19

m增至65

m，已超過本機預(yù)設(shè)計報警值38

m，而跳車停機?；謴?fù)生產(chǎn)后，軸振動繼續(xù)上升至93

m，12月底達(dá)滿量程127

m。操作人員感到極大威脅，但又不能貿(mào)然決定停機（停機每日損失70萬元）。因此決定采用Vm-63便攜式振動計，用簡易診斷方法監(jiān)測運行狀態(tài)是否繼續(xù)惡化，以便進一步采取對策3、監(jiān)測方法振動計主要用于測量軸承的絕對振動，單因測點4的軸承位于機殼筒體內(nèi)部，與筒體之間還有一環(huán)形空腔，不能直接測試軸承振動，因此改用中壓缸進口端作為測點，來代替測點4，測定參數(shù)為Vrms及xp-p，并分別測試垂直（V）和水平（H）兩個方向的數(shù)據(jù)4、趨勢圖分析圖6-26為1989年12月底至1991年6月監(jiān)測數(shù)據(jù)Vrms及xp-p值的劣勢趨勢圖。參照ISO-2372標(biāo)準(zhǔn)及本機的結(jié)構(gòu)特點，將危險閥值定為Vrms=3mm/s及xp-p=10

m，根據(jù)Bently5000表頭數(shù)據(jù)表明，中壓缸肯定處于異常狀態(tài)。但由監(jiān)測趨勢圖發(fā)現(xiàn)，測點的振動數(shù)據(jù)基本保持穩(wěn)定，而未超出給定的域值。因此直到1991年8月大修時才停機檢查，為國家節(jié)約了大量的財富。5、檢修結(jié)果及故障原因分析1991年8月大修拆機檢查結(jié)果為中壓缸止推軸承推力盤磨損，副推力瓦基環(huán)碎裂，因而引起振動。此外還發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子與隔板摩擦造成轉(zhuǎn)子失衡而加劇了振動。6-4旋轉(zhuǎn)機械故障的精密診斷原理及典型故障分析6-4-1旋轉(zhuǎn)機械的精密診斷原理1、兩種診斷原理比較2、模式識別方法原理3、模式識別方法----其理論基礎(chǔ)是聚類分析法直接觀察法（經(jīng)驗法）：將待檢模式的特征與典型模式的特征進行直觀比較、分析后進行分類。計算機輔助診斷法：有時序診斷法、模糊診斷法、灰色系統(tǒng)診斷法等，解決模式邊界不太清晰問題。

計算機自動識別法：又稱診斷專家系統(tǒng)。由專家知識、各種故障全部診斷信息組成知識庫，通過計算機自動識別和診斷的方法。6-4-2旋轉(zhuǎn)機械的典型故障分析1、轉(zhuǎn)子不平衡（失穩(wěn)）轉(zhuǎn)子不平衡原因分析：材質(zhì)不均、安裝不良、配合松動、軸變形、零件磨損、斷裂等。轉(zhuǎn)子不平衡振動分析：如圖6-29所示單盤轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，由于質(zhì)心與旋轉(zhuǎn)中心不重合而產(chǎn)生不平衡3)轉(zhuǎn)子不平衡振動特征

頻率特征：激振頻率單一=旋轉(zhuǎn)頻率相位特征：工作頻率下相位穩(wěn)定

轉(zhuǎn)速跟蹤動態(tài)特征：單自由度，振幅隨

增加而增加，當(dāng)

/

n≌1（臨界轉(zhuǎn)速）時出現(xiàn)共振峰；多自由度，超過臨界轉(zhuǎn)速（在一階和二階共振峰之間）時振幅逐漸減小而趨向于一定值，既偏心值，它與轉(zhuǎn)速及阻尼水平有關(guān)。注意事項剛性轉(zhuǎn)子與柔性轉(zhuǎn)子的區(qū)別：剛性轉(zhuǎn)子的額定轉(zhuǎn)速在臨界轉(zhuǎn)速以下運行，故振幅隨轉(zhuǎn)速增大而增大；柔性轉(zhuǎn)子的額定轉(zhuǎn)速在臨界轉(zhuǎn)速以上運行，故振幅