設備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術第5章-旋轉(zhuǎn)機械故障診斷技術

1、.,第五章 旋轉(zhuǎn)機械故障診斷技術,旋轉(zhuǎn)機械是指齒輪箱、離心風機、離心泵、汽輪機、燃氣輪機、發(fā)電機、電動機、離心壓縮機、水輪機、航空發(fā)動機等機械設備，它們廣泛應用于電力、石化、冶金、機械、造紙、船舶、航空以及一些軍事工業(yè)部門。 隨著科學技術和現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，旋轉(zhuǎn)機械正朝著大型、高速和自動化方向發(fā)展，這對提高安全性和可靠性，對發(fā)展先進的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術，提出了迫切的要求。 旋轉(zhuǎn)機械故障診斷技術是近些年來國內(nèi)外開展廣泛研究，發(fā)展比較成熟的故障診斷技術，具有一定的代表性，因此書的重點部分，也是難點部分。,.,第五章 旋轉(zhuǎn)機械故障診斷技術,學習目標： 掌握旋轉(zhuǎn)機械典型故障，如轉(zhuǎn)子不平衡、轉(zhuǎn)子不對中

2、、共振、機械松動、轉(zhuǎn)子摩擦、滑動軸承故障、轉(zhuǎn)軸裂紋、流體動力激振、拍頻振動等的機理和特征； 掌握滾動軸承故障診斷技術、齒輪故障診斷技術； 了解電動機故障診斷技術、皮帶驅(qū)動故障診斷技術； 熟悉利用征兆的故障診斷方法。,.,第一節(jié) 旋轉(zhuǎn)機械典型故障的機理和特征,一、轉(zhuǎn)子不平衡 不平衡是旋轉(zhuǎn)機械最常見的故障。引起轉(zhuǎn)子不平衡的原因有：結(jié)構(gòu)設計不合理，制造和安裝誤差，材質(zhì)不均勻，受熱不均勻，運行中轉(zhuǎn)子的腐蝕、磨損、結(jié)垢、零部件的松動和脫落等。 轉(zhuǎn)子不平衡故障包括：轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡、 轉(zhuǎn)子偏心、 軸彎曲、 轉(zhuǎn)子熱態(tài)不平衡、 轉(zhuǎn)子部件脫落、 轉(zhuǎn)子部件結(jié)垢、 聯(lián)軸器不平衡等，不同原因引起的轉(zhuǎn)子不平衡故障規(guī)律相近

3、，但也各有特點。,.,1轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡 力不平衡：不平衡產(chǎn)生的振動幅值在轉(zhuǎn)子第一臨界轉(zhuǎn)速以下隨轉(zhuǎn)速的平方增大。例如，轉(zhuǎn)速升高1倍，則振動幅值增大3倍。在轉(zhuǎn)子重心平面內(nèi)只用一個平衡修正重量便可修正之。 力偶不平衡：至少需在兩個修正平面內(nèi)放置平衡重量才能修正。 動不平衡：動不平衡是不平衡的最普遍的類型，它是力不平衡和力偶不平衡兩者的組合。 懸臂轉(zhuǎn)子不平衡：懸臂轉(zhuǎn)子不平衡包含力不平衡和力偶不平衡兩者。總是必需要在兩個修正面內(nèi)加以修正重量。,第一節(jié) 旋轉(zhuǎn)機械典型故障的機理和特征,.,2轉(zhuǎn)子偏心：皮帶輪、齒輪、軸承和電動機框架等旋轉(zhuǎn)中心與幾何中心線偏離時出現(xiàn)偏心。最大的振動出現(xiàn)在兩個轉(zhuǎn)子中心連線方向上

4、。 3軸彎曲：彎曲的軸引起大的軸向振動，如果彎曲接近軸的中部，占優(yōu)勢的振動出現(xiàn)在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速頻率，如果彎曲接近力偶，則占優(yōu)勢的振動出現(xiàn)在2倍轉(zhuǎn)速頻率。用千分表可以證實軸的彎曲。在汽輪發(fā)電機組中，通常是在盤車時和盤車后測量晃動度的大小來判斷轉(zhuǎn)子是否存在初始彎曲。 4轉(zhuǎn)子熱態(tài)不平衡：在機組的啟動和停機過程中，由于熱交換速度的差異，使轉(zhuǎn)子橫截面產(chǎn)生不均勻的溫度分布，使轉(zhuǎn)子發(fā)生瞬時熱彎曲，產(chǎn)生較大的不平衡。熱彎曲引起的振動一般與負荷有關。,第一節(jié) 旋轉(zhuǎn)機械典型故障的機理和特征,.,5轉(zhuǎn)子部件脫落 可以將部件脫落失衡現(xiàn)象看作對工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)子的瞬時階躍響應，主要特征是振動會突然發(fā)生變化而后趨于穩(wěn)定，振動幅值一

5、般會有較明顯的增大，如果有在線監(jiān)測系統(tǒng)的話將能捕捉到這一情況。為了防止脫落部件在慣性力作用下飛出使機體發(fā)生二次事故，必要時應及時停機檢修。 6轉(zhuǎn)子部件結(jié)垢 由于結(jié)垢需要一定長甚至相當長的時間，所以振動是隨著年月逐漸增大的。 7聯(lián)軸器不平衡 通常是聯(lián)軸器兩端軸承的振動較大。,第一節(jié) 旋轉(zhuǎn)機械典型故障的機理和特征,.,轉(zhuǎn)子不平衡的總體振動特征：,通常是水平方向剛度較小，振動幅值較大； 軸心軌跡成為橢圓形；,穩(wěn)態(tài)振動是一個與轉(zhuǎn)速同頻的強迫振動，振動幅值隨轉(zhuǎn)速按振動理論中的共振曲線規(guī)律變化，在臨界轉(zhuǎn)速處達到最大值。因此轉(zhuǎn)子不平衡故障的突出表現(xiàn)為一倍頻振動幅值大。同時會出現(xiàn)較小的高次諧波，使整個頻譜呈所

6、謂的“縱樹形”，如下圖所示：,第一節(jié) 旋轉(zhuǎn)機械典型故障的機理和特征,圖5.1 轉(zhuǎn)子不平衡故障譜圖,.,實例一：轉(zhuǎn)子不平衡故障的診斷,波形為簡諧波，少毛刺。 軸心軌跡為橢圓。 1x頻率為主。 軸向振動不大。 振幅隨轉(zhuǎn)速升高而增大。 過臨界轉(zhuǎn)速有共振峰。,圖5.00 風機傳動示意圖,.,某化纖公司聚酯裝置一臺熱媒加熱爐燃燒風機，2002年9月26日采集的徑向速度頻譜圖中轉(zhuǎn)速頻率占絕對優(yōu)勢，是典型的轉(zhuǎn)子（葉輪）不平衡信息，此時振動幅值相對不大，無需修理。,實例二：轉(zhuǎn)子不平衡故障的診斷,圖5.2 燃燒風機傳動示意圖,.,熱媒爐燃燒風機振動幅值轉(zhuǎn)速對照表,本案例利用狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術指導工藝操作，確

7、保了設備安全穩(wěn)定運行。同時它也充分印證了這一理論：不平衡產(chǎn)生的振動幅值在轉(zhuǎn)子第一階臨界轉(zhuǎn)速以下隨轉(zhuǎn)速的平方增大（注：轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的離心力f=me2，式中，m轉(zhuǎn)子質(zhì)量，e偏心距，旋轉(zhuǎn)角速度）。,10月22日振值出現(xiàn)大幅上升，查頻譜圖得知轉(zhuǎn)速被調(diào)高，因此分析這很可能是造成振動增大的直接原因；在滿足工藝要求的前提下兩次調(diào)低轉(zhuǎn)速，結(jié)果振值重又回落。,實例二：轉(zhuǎn)子不平衡故障的診斷,.,在滌綸短纖維生產(chǎn)工藝流程中有這樣一臺瓶頸設備喂入機，纖維絲束從喂入輪繞過，由于其結(jié)構(gòu)和用途的特殊性，喂入輪不平衡現(xiàn)象頻發(fā)。它們的共同頻譜特征是：喂入輪轉(zhuǎn)速頻率占絕對優(yōu)勢。,實例三：轉(zhuǎn)子不平衡故障的診斷,圖5.4 喂入機傳動示意

8、圖,圖5.5 喂入機輪不平衡速度譜圖,.,結(jié)合喂入輪實際特點，引起其不平衡的誘因主要有：制造誤差，銹蝕，表面結(jié)垢，磨損引起的喂入輪軸系配合松動等。以前在檢修時發(fā)現(xiàn)，由于操作人員經(jīng)常用水沖洗喂入輪致其內(nèi)部進水，其安裝螺栓已經(jīng)產(chǎn)生了大量銹蝕 ，再加之油劑等產(chǎn)生的工藝雜質(zhì)附著在喂入輪齒形表面越積越厚(結(jié)垢) ， 是造成喂入輪不平衡現(xiàn)象頻發(fā)的主要原因。為此，已將其列為工藝處理注意事項，并要求操作人員利用纏輥等停機機會及時對喂入輪表面進行清理。,如果把上述兩個案例放在一起來分析，我們會發(fā)現(xiàn)這樣一個現(xiàn)象，那就是不管是葉輪還是喂入輪，它們都是懸臂轉(zhuǎn)子，而且又都是盤類零件（注：葉輪也可以看作為盤類零件），即長

9、徑比小的零件，這說明懸臂轉(zhuǎn)子和盤類零件可能更易出現(xiàn)不平衡。,實例三：轉(zhuǎn)子不平衡故障的診斷,.,二、不對中,旋轉(zhuǎn)機械單轉(zhuǎn)子系統(tǒng)通常由兩個軸承支承。由多個轉(zhuǎn)子串接組成的復雜轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)子間用聯(lián)軸器聯(lián)接。因此轉(zhuǎn)子不對中具有兩種含義：一是指轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)子間的聯(lián)接不對中，主要反映在聯(lián)軸器的對中性上；二是轉(zhuǎn)子軸頸與兩端軸承不對中。,有資料表明現(xiàn)有企業(yè)在役設備30%50%存在不同程度的不對中，嚴重的不對中會造成設備部件的過早損壞，同時會造成能源的浪費。典型不對中如圖所示：,第一節(jié) 旋轉(zhuǎn)機械典型故障的機理和特征,圖5.6 典型不對中示意圖,.,后者對滑動軸承來說，與軸承是否形成良好的油膜有直接關系。滾動軸承

10、的對中（如電動機轉(zhuǎn)子兩端的軸承對中），主要是由于兩端軸承座孔不同軸，以及軸承元件損壞，外圈配合松動，內(nèi)圈配合松動，兩端支座（對電動機來說是前后端蓋）變形等，都會引起不對中。 有的機器，如汽輪發(fā)電機之類的設備，在冷態(tài)（未運轉(zhuǎn)時）情況下轉(zhuǎn)子對中情況是符合要求的，一旦運轉(zhuǎn)中溫度升高就可能發(fā)生熱不對中。 此外，地腳螺栓松動，基礎下沉（這一點對于新安裝的設備尤其需要注意），聯(lián)軸器銷孔磨損等故障的存在也會引發(fā)不對中。,第一節(jié) 旋轉(zhuǎn)機械典型故障的機理和特征,.,圖5-7 轉(zhuǎn)子不對中的基本形式 a) 聯(lián)軸器不對中；b) 軸承不對中；c) 帶輪不對中,第一節(jié) 旋轉(zhuǎn)機械典型故障的機理和特征,.,1角向不對中 角向

11、不對中的特征是軸向振動大。典型地出現(xiàn)轉(zhuǎn)速頻率和2倍轉(zhuǎn)速頻率大的軸向振動。還常見轉(zhuǎn)速頻率、2倍轉(zhuǎn)速頻率和3倍轉(zhuǎn)速頻率都占優(yōu)勢的情況。 如果2倍轉(zhuǎn)速頻率或3倍轉(zhuǎn)速頻率超過轉(zhuǎn)速頻率的30%到50%，則可認為是存在角不對中。 這些征兆也指示聯(lián)軸器故障。嚴重的角向不對中可激起轉(zhuǎn)速頻率的許多階諧波頻率。,第一節(jié) 旋轉(zhuǎn)機械典型故障的機理和特征,.,2平行不對中 平行不對中的振動征兆類似于角向不對中，但是，徑向方向振動大。2倍轉(zhuǎn)速頻率振動往往大于轉(zhuǎn)速頻率振動，聯(lián)軸器的類型和結(jié)構(gòu)決定2倍轉(zhuǎn)速頻率振動相對于轉(zhuǎn)速頻率振動的高度。 角向不對中或平行不對中嚴重時，可在較高諧振波頻率4倍到8倍轉(zhuǎn)速頻率諧波處出現(xiàn)大的振動，

12、甚至出現(xiàn)類似于機械松動時出現(xiàn)的完整系列的高頻諧波。 3滾動軸承偏斜地固定在軸上 不對中的滾動軸承卡在軸上時，將產(chǎn)生明顯的軸向振動。通常，必須卸下軸承并重新正確安裝。,第一節(jié) 旋轉(zhuǎn)機械典型故障的機理和特征,.,不對中的總體振動特征：,聯(lián)軸器不對中時軸向振動較大，振動幅值和相位穩(wěn)定； 軸承不對中時徑向振動較大，有可能出現(xiàn)高次諧波，振動不穩(wěn)定； 振動對負荷變化敏感。當負荷改變時，由聯(lián)軸器傳遞的扭矩立即發(fā)生改變，如果聯(lián)軸器不對中，則轉(zhuǎn)子的振動狀態(tài)也立即發(fā)生變化。由于溫度分布的變化，軸承座的熱膨脹不均勻而引起軸承不對中，使轉(zhuǎn)子的振動也要發(fā)生變化。但由于熱傳導的慣性，振動的變化在時間上要比負荷的改變滯后一

13、段時間。,轉(zhuǎn)子徑向振動出現(xiàn)二倍頻，以一倍頻和二倍頻分量為主，不對中越嚴重，二倍頻所占比例越大； 相鄰兩軸承的油膜壓力反方向變化，一個油膜壓力變大，另一個則變?。?典型的軸心軌跡為香蕉形，正進動；,第一節(jié) 旋轉(zhuǎn)機械典型故障的機理和特征,.,圖5.8 典型不對中譜圖,第一節(jié) 旋轉(zhuǎn)機械典型故障的機理和特征,.,實例四：轉(zhuǎn)子不對中故障的診斷,出現(xiàn)2頻率成分。 軸心軌跡成香蕉形或8字形。 振動有方向性。 軸向振動一般較大。 本例中，出現(xiàn)葉片通過頻率。,.,不對中故障的影響和防治：,當轉(zhuǎn)子存在不對中時，將產(chǎn)生一種附加彎矩，給軸承增加一種附加載荷，致使軸承間的負荷重新分配，形成附加激勵，引起機組強烈振動，嚴

14、重時導致軸承和聯(lián)軸器損壞、地腳螺栓斷裂或扭彎、油膜失穩(wěn)、轉(zhuǎn)軸彎曲、轉(zhuǎn)子與定子間產(chǎn)生碰磨等嚴重后果，所以及時預測處理不對中故障對確保設備正常運行，減少事故損失十分重要。 由于不對中故障給設備使用與維修帶來了諸多問題，多年來工程研究人員一直在致力于追求更加科學合理的聯(lián)軸器找正技術。目前，激光對中儀已在一些大型設備的安裝、檢修過程中得到了廣泛應用，并取得了顯著的經(jīng)濟效益。,第一節(jié) 旋轉(zhuǎn)機械典型故障的機理和特征,.,三、共振,強迫振動頻率與系統(tǒng)的自然頻率一致時出現(xiàn)共振，使振動幅值急劇放大，導致過早損壞或災難性破壞。這可能是轉(zhuǎn)子的自然頻率，也常常起源于支承框架、基礎、齒輪箱甚至傳動皮帶。 如果轉(zhuǎn)子處在或

15、接近共振，由于很大的相位漂移，幾乎不可能平衡掉。共振時相位漂移為90度，通過共振時相位漂移接近180度。 這往往需要提高或降低自然頻率來改變自然頻率。自然頻率通常不隨轉(zhuǎn)速變化，這一點有助于識別自然頻率，除非在大型平面軸頸軸承機器或在有明顯懸臂的轉(zhuǎn)子上。,第一節(jié) 旋轉(zhuǎn)機械典型故障的機理和特征,.,設備共振案例一某聚酯圓盤反應器升負荷試驗,從圖中可以看到，特征頻率均為電機輸出軸工頻，這一般為電機轉(zhuǎn)子不平衡信息（后進行修理），從轉(zhuǎn)速調(diào)升后出現(xiàn)的振值上升情況也基本可以驗證這一判斷。 升速測試結(jié)果如表 5-3所示：,圖5.9 圓盤反應器電機徑向速度譜圖,圖5.10 圓盤反應器電機徑向位移譜圖,.,設備共

16、振案例一某聚酯圓盤反應器升負荷試驗,主軸轉(zhuǎn)速調(diào)至4.95rpm時，振動值非常大；但調(diào)至5rpm時，振動值復又下降。這說明，4.95rpm時的特征頻率17.82hz為機臺一共振頻率。 后來通過對電機基礎支架進行改造的方法來改變自然頻率，最終解決了共振的問題。,表5-3 圓盤反應器電機測試數(shù)據(jù),.,設備共振案例二某第二酯化反應器變速試驗,測試結(jié)果如下表所示，表明電機轉(zhuǎn)速為941rpm時，存在一共振頻率15.69hz。電機轉(zhuǎn)速為1112rpm時，振動值在受控范圍內(nèi)，已避開共振點，故在此狀況下使用。,.,四、機械松動,1a型機械松動 這種頻譜是機器底腳、底板或基礎的結(jié)構(gòu)松動減弱引起的，或者由基礎上惡化

17、的水泥漿、松動的地腳螺栓，或者框架，或者基礎變形，即軟腳引起的。,a型機械松動,第一節(jié) 旋轉(zhuǎn)機械典型故障的機理和特征,.,b型機械松動,2b型機械松動 這種頻譜通常是由螺栓松動，框架結(jié)構(gòu)或軸承座裂紋引起的。 主要以2倍轉(zhuǎn)速頻率為特征，幅值有時不穩(wěn)定。振動只有伴隨其它故障如不平衡或不對中時才有表現(xiàn)，此時要消除平衡或?qū)χ袑⒑芾щy。 在間隙達到出現(xiàn)碰撞前，振動主要是1倍轉(zhuǎn)速頻率和2倍轉(zhuǎn)速頻率；出現(xiàn)碰撞后，振動將出現(xiàn)大量諧頻。,第一節(jié) 旋轉(zhuǎn)機械典型故障的機理和特征,.,3c型機械松動 這種頻譜通常是由零部件之間配合不良引起的。將產(chǎn)生許多諧波頻率，而且往往引起精確的0.5倍或1.5倍轉(zhuǎn)速頻率等亞諧波頻率

18、。 c型松動往往是由軸承襯套在其蓋內(nèi)松動，軸承松動和在軸上旋轉(zhuǎn)，滑動軸承或滾動軸承間隙過大，葉輪在軸上松動等引起的。,c型機械松動,第一節(jié) 旋轉(zhuǎn)機械典型故障的機理和特征,.,c型機械松動實例轉(zhuǎn)子系統(tǒng)松動故障的診斷,波形出現(xiàn)許多毛刺。 譜圖中噪聲水平高。 出現(xiàn)精確2x，3x等成分，最高可達16x。 松動結(jié)合面兩邊，振幅有明顯差別。,.,五、轉(zhuǎn)子摩擦,當旋轉(zhuǎn)件與靜止件相接觸時，轉(zhuǎn)子摩擦產(chǎn)生類似于機械松動產(chǎn)生的頻譜。摩擦可能是局部的，也可能是整個轉(zhuǎn)子一周都摩擦。通常，產(chǎn)生一系列頻率，往往激起一個或多個共振。 根據(jù)轉(zhuǎn)子自然頻率的位置，常常激起轉(zhuǎn)速的整分數(shù)倍亞諧波頻率0.5，1，1.5，2，4.5倍等。

19、 轉(zhuǎn)子摩擦可激起許多高頻類似于粉筆在黑板上拖動產(chǎn)生的寬帶噪聲，如果軸與巴氏合金相接觸引起摩擦時，它可能非常嚴重，非常短促。整個軸圓周全部角度摩擦可產(chǎn)生“反進動”，即轉(zhuǎn)子以臨界轉(zhuǎn)速頻率回轉(zhuǎn)，但是，方向與軸的旋轉(zhuǎn)方向相反，這是一種可導致災難性破壞的不穩(wěn)定的振動。,第一節(jié) 旋轉(zhuǎn)機械典型故障的機理和特征,.,典型的碰磨故障的波形和頻譜如圖5.15所示。,a g（f） o t f （a）波形 （b）頻譜 圖5-15 轉(zhuǎn)子碰摩的波形和頻譜圖,第一節(jié) 旋轉(zhuǎn)機械典型故障的機理和特征,.,轉(zhuǎn)子摩擦的總體振動特征,轉(zhuǎn)子失穩(wěn)前頻譜豐富，波形畸變，軸心軌跡不規(guī)則變化，正進動； 轉(zhuǎn)子失穩(wěn)后波形嚴重畸變或削波，軸心軌跡發(fā)

20、散，反進動； 輕微摩擦時同頻幅值波動，軸心軌跡帶有小圓環(huán)； 碰摩嚴重時，各頻率成分幅值迅速增大； 系統(tǒng)的剛度增加，臨界轉(zhuǎn)速區(qū)展寬，各階振動的相位發(fā)生變化； 工作轉(zhuǎn)速下發(fā)生的輕微摩擦振動，其振幅隨時間緩慢變化，相位逆轉(zhuǎn)動方向旋轉(zhuǎn)。,第一節(jié) 旋轉(zhuǎn)機械典型故障的機理和特征,.,六、滑動軸承故障,1磨損或間隙等故障 如圖5.16所示。 滑動軸承磨損后期的證據(jù)通常是出現(xiàn)一個完整的系列的轉(zhuǎn)速頻率諧波直到10階20階，破碎的滑動軸承常產(chǎn)生比水平方向振動大的垂直方向的振動，也,可能只有轉(zhuǎn)速頻率一個明顯的尖峰。間隙過大的滑動軸承可讓小的不平衡、不對中引起大的振動，如果軸承間隙調(diào)整達到規(guī)定的要求，則振動很小。 滑

21、動軸承松動會產(chǎn)生1/2倍、1/3倍等成分，并且隨負荷變化較大。烏金脫落會產(chǎn)生1/2倍及其諧頻，幅值小于松動譜。瓦塊損壞會產(chǎn)生1/3倍渦動，調(diào)節(jié)油溫有預防效果。,圖5.16 滑動軸承磨損/間隙過大頻譜 （噪聲水平說明間隙過大/松動）,第一節(jié) 旋轉(zhuǎn)機械典型故障的機理和特征,.,2油膜渦動和油膜振蕩,當轉(zhuǎn)子在滑動軸承軸瓦中轉(zhuǎn)動時，在轉(zhuǎn)子與軸瓦之間的間隙中形成油膜，不但避免了轉(zhuǎn)子表面與軸瓦表面之間的直接接觸，減少了兩表面間的摩擦和動耗，而且同時油膜的流體動壓力又使油膜具有承載能力。 當油膜的承載力與外載荷平衡時，轉(zhuǎn)子處于平衡位置；當轉(zhuǎn)子受到某種外來擾動時，轉(zhuǎn)子中心就會在靜平衡位置附近發(fā)生渦動。,第一節(jié)

22、 旋轉(zhuǎn)機械典型故障的機理和特征,.,對于轉(zhuǎn)子在外界偶然擾動下所發(fā)生的任一偏移，軸承油膜除了產(chǎn)生沿偏移方向的彈性恢復力以保持和外載荷平衡外，還要產(chǎn)生一垂直于偏移方向的切向失穩(wěn)分力，這個失穩(wěn)分力會驅(qū)動轉(zhuǎn)子作渦動運動: 當阻尼力大于切向失穩(wěn)分力時，這種渦動是收斂的，即轉(zhuǎn)子在軸承內(nèi)的轉(zhuǎn)動是穩(wěn)定的。 當切向分力大于阻尼力時，渦動是發(fā)散的，轉(zhuǎn)子的運動是不穩(wěn)定的，產(chǎn)生油膜振蕩。 介于兩者之間的是渦動軌跡為封閉曲線，油膜渦動就是這種情況。,油膜渦動是轉(zhuǎn)子中心繞軸承中心轉(zhuǎn)動的亞同步現(xiàn)象，其回轉(zhuǎn)頻率即振動頻率約為轉(zhuǎn)子回轉(zhuǎn)頻率的一半，所以常稱為半速渦動或半頻渦動。產(chǎn)生原因：,第一節(jié) 旋轉(zhuǎn)機械典型故障的機理和特征,.

23、,由于在大多數(shù)情況下，軸瓦不旋轉(zhuǎn)，軸瓦表面的油膜速度為零，轉(zhuǎn)子軸頸表面的油膜速度與軸頸表面的速度相同。因此，在層流假設下，油膜的平均周向速度為軸頸表面速度的一半，即轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，油膜將以軸頸表面速度之半的平均速度環(huán)繞運動。 實際上，由于軸頸表面比軸瓦表面光滑及軸瓦與軸頸之間潤滑油的端泄等因素的影響，一般渦動頻率略小于轉(zhuǎn)速的一半，約為轉(zhuǎn)速的0.400.48倍（編者按：有些文獻記載為0.420.46倍），如下圖所示。,圖5.17 油膜渦動不穩(wěn)定,第一節(jié) 旋轉(zhuǎn)機械典型故障的機理和特征,.,實際產(chǎn)生渦動頻率約為 ：,流入b側(cè)的流量分 成3部分： a側(cè)流出部分 軸承兩端泄露部分 油膜下不由于渦動 增加部分

24、。,半速渦動。,第一節(jié) 旋轉(zhuǎn)機械典型故障的機理和特征,.,一般說，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速在失穩(wěn)轉(zhuǎn)速以前轉(zhuǎn)動是平穩(wěn)的，當達到失穩(wěn)轉(zhuǎn)速后即發(fā)生油膜渦動。隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的提高，油膜渦動的頻率也提高，兩者保持一個近乎不變的恒定比，即約為2。 但是，當轉(zhuǎn)子回轉(zhuǎn)頻率約為其一階臨界轉(zhuǎn)速的兩倍時，由于此時油膜渦動的渦動速度與轉(zhuǎn)子的一階臨界轉(zhuǎn)速相重合即產(chǎn)生共振，表現(xiàn)為強烈的振動現(xiàn)象，油膜可能不再具有支承能力，稱為油膜振蕩。 油膜振蕩一旦發(fā)生之后，隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的提高，渦動頻率就將保持不變，而且等于該轉(zhuǎn)子一階臨界轉(zhuǎn)速，產(chǎn)生以轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速頻率的橫向正進動亞諧波振動。這是一種可導致災難性破壞的固有的不穩(wěn)定的振動。,第一節(jié) 旋轉(zhuǎn)機械典

25、型故障的機理和特征,.,油膜振蕩的轉(zhuǎn)速特性如圖5.18所示。 （a）圖表示失穩(wěn)轉(zhuǎn)速在一階臨界轉(zhuǎn)速之前。 （b）圖表示失穩(wěn)轉(zhuǎn)速在一階臨界轉(zhuǎn)速之后，這兩種情形的油膜振蕩都在稍高于二倍臨界轉(zhuǎn)速的某一轉(zhuǎn)速時發(fā)生。 （c）圖表示失穩(wěn)轉(zhuǎn)速在二倍臨界轉(zhuǎn)速之后，轉(zhuǎn)速在稍高于二倍臨界轉(zhuǎn)速時，轉(zhuǎn)子并沒有失穩(wěn)，直到比二倍臨界轉(zhuǎn)速高出較多時，轉(zhuǎn)子才失穩(wěn)；而降速時油膜振蕩消失的轉(zhuǎn)速要比升速時發(fā)生油膜振蕩的轉(zhuǎn)速低，表現(xiàn)出油膜振蕩的一種“慣性”現(xiàn)象。,圖5.18 油膜振蕩的轉(zhuǎn)速特性,第一節(jié) 旋轉(zhuǎn)機械典型故障 的機理和特征,.,油膜振蕩的振動特征：,油膜振蕩總是發(fā)生在轉(zhuǎn)速高于轉(zhuǎn)子系統(tǒng)一階臨界轉(zhuǎn)速的2倍以上； 油膜振蕩的頻率接

26、近轉(zhuǎn)子的一階臨界轉(zhuǎn)速，即使轉(zhuǎn)速再升高，其頻率基本不變； 油膜振蕩時，轉(zhuǎn)子的撓曲呈一階振型； 油膜振蕩時，振動的波形發(fā)生畸變，在工頻的基波上疊加了低頻成分，有時低頻分量占主導地位，低頻振動的幅值，軸承座振動可達40m以上，軸振動可達100150m以上，且振幅不穩(wěn)，軸心軌跡發(fā)散； 油膜振蕩時，轉(zhuǎn)子渦動方向與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動方向相同，軸心軌跡呈花瓣形，正進動；,第一節(jié) 旋轉(zhuǎn)機械典型故障的機理和特征,.,油膜振蕩的發(fā)生和消失具有突然性，并具有慣性效應，即升速時產(chǎn)生振蕩的轉(zhuǎn)速比降速時振蕩消失的轉(zhuǎn)速要大； 油膜振蕩劇烈時，隨著油膜的破壞，振蕩停止，油膜恢復后，振蕩再次發(fā)生，這樣持續(xù)下去，軸頸與軸承不斷碰摩，產(chǎn)生撞

27、擊聲，軸瓦內(nèi)油膜壓力有較大波動； 油膜振蕩對轉(zhuǎn)速和油溫的變化較敏感，一般當機組發(fā)生油膜振蕩時，隨著轉(zhuǎn)速的增加，振動不下降，隨著轉(zhuǎn)速的降低，振動也不立即消失，稱為滯后現(xiàn)象；提高進油溫度，振動一般有所降低； 軸承載荷越小或偏心率越小，越易發(fā)生油膜振蕩。,第一節(jié) 旋轉(zhuǎn)機械典型故障的機理和特征,.,油膜振蕩的預防和消除,對于石化企業(yè)，油膜振蕩是空氣壓縮機等大型機組需要重點防范的問題。為了預防和消除油膜振蕩，可以根據(jù)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的實際情況采取以下若干措施： 消除油膜振蕩的誘發(fā)因素：改善轉(zhuǎn)子的平衡狀態(tài)，限制振幅放大因子；消除轉(zhuǎn)子不對中故障，限制低次諧波分量；保證軸承的結(jié)構(gòu)參數(shù)，防止軸承工作狀態(tài)惡化；消除動靜間

28、隙不均勻，限制非線性激振力。 改變軸承參數(shù)：提高軸承比壓；降低潤滑油粘度；使軸承相對間隙處于最佳范圍。 改變軸承型號：根據(jù)軸承類型和結(jié)構(gòu)尺寸的不同，每種軸承都有其穩(wěn)定工作的范圍。 增加轉(zhuǎn)子系統(tǒng)剛度，提高轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子固有頻率越高，發(fā)生油膜振蕩的失穩(wěn)轉(zhuǎn)速也越高。,第一節(jié) 旋轉(zhuǎn)機械典型故障的機理和特征,.,實例：帶滑動軸承的機械的頻譜特點,.,七、轉(zhuǎn)軸裂紋（轉(zhuǎn)軸裂紋的總體振動特征）,各階臨界轉(zhuǎn)速較正常時要小，尤其在裂紋嚴重時； 由于裂紋造成剛度變化且不對稱，轉(zhuǎn)子的共振轉(zhuǎn)速擴展為一個區(qū)； 裂紋轉(zhuǎn)子軸系在強迫響應時，一次分量的分散度比無裂紋時大； 轉(zhuǎn)速超過臨界轉(zhuǎn)速后，一般各高階諧波振幅較未超

29、過時小； 恒定轉(zhuǎn)速下，各階諧波幅值1倍，2倍和3倍及其相位不穩(wěn)定，且尤以2倍突出； 裂紋引起剛度不對稱，使轉(zhuǎn)子動平衡發(fā)生困難，往往多次試重也達不到所要求的平衡精度。,第一節(jié) 旋轉(zhuǎn)機械典型故障的機理和特征,.,八、流體動力激振,泵、風機和壓縮機統(tǒng)稱為流體動力機械，它們在通用設備中占有重要地位，因此有必要對其異常的振動形式流體動力激振作一討論。,在流體動力機械中，葉片通過頻率（轉(zhuǎn)子葉片通過頻率或靜子葉片通過頻率）總是有的，通常不成為故障。然而，如果泵中旋轉(zhuǎn)葉片和靜止的擴壓器之間的間隙在圓周方向上不均勻，那么可能產(chǎn)生大幅值的葉片通過頻率及其諧波頻率，如圖所示。,圖5.19 流體動力激振,第一節(jié) 旋轉(zhuǎn)

30、機械典型故障的機理和特征,.,而且，有時葉片通過頻率或其諧波頻率與系統(tǒng)的某自然頻率一致，即產(chǎn)生大的振動。 如果葉輪摩擦環(huán)卡住軸承，或者焊接固定的擴壓器葉片損壞，則可能產(chǎn)生大的葉片通過頻率振動。 管道的突然彎曲、妨礙流體流動的障礙物、阻尼器或者如果泵或風機轉(zhuǎn)子與其殼體中心不重合都會引起葉片通過頻率的大的振動。,圖5.19 流體動力激振,第一節(jié) 旋轉(zhuǎn)機械典型故障的機理和特征,.,1紊流（又稱旋轉(zhuǎn)失速）,紊流時壓縮機葉片受到一種周期性的激振力，如紊流的頻率與葉片的固有頻率相吻合，則將引起強烈振動，使葉片疲勞損壞造成事故。,幾種特別的流體動力激振形式：紊流、喘振、氣穴、渦動等,圖5.20 紊流,第一節(jié)

31、 旋轉(zhuǎn)機械典型故障的機理和特征,.,旋轉(zhuǎn)失速發(fā)生在壓氣機上； 振動幅值隨出口壓力的增加而增加； 振動發(fā)生在流量減小時，且隨著流量的減小而增大； 振動頻率與工頻之比為小于1的常值； 轉(zhuǎn)子的軸向振動對轉(zhuǎn)速和流量十分敏感； 一般排氣端的振動較大； 排氣壓力有波動現(xiàn)象； 機組的壓比有所下降，嚴重時壓比突降。,紊流的振動特征：,第一節(jié) 旋轉(zhuǎn)機械典型故障的機理和特征,.,2喘振,紊流使壓氣機中的流動情況惡化，壓比下降，流量及壓力隨時間波動。 在一定轉(zhuǎn)速下，當入口流量減少到某一值qmin時，機組會產(chǎn)生強烈的紊流。強烈的紊流會進一步引起整個壓縮機組系統(tǒng)的一種危險性更大的不穩(wěn)定的氣動現(xiàn)象，即喘振。,第一節(jié) 旋轉(zhuǎn)

32、機械典型故障的機理和特征,.,壓縮機總是和管網(wǎng)聯(lián)合工作的。為了保證一定的流量通過管網(wǎng)，必須維持一定壓力，用來克服管網(wǎng)的阻力。 機組正常工作時的出口壓力是與管網(wǎng)阻力相平衡的。但當壓縮機的流量減少到某一值qmin時，出口壓力會很快下降，然而由于慣性作用，管網(wǎng)中的壓力并不馬上降低，于是，管網(wǎng)中的氣體壓力反而大于壓縮機的出口壓力，因此，管網(wǎng)中的氣體就倒流回壓縮機，一直到管網(wǎng)中的壓力下降到低于壓縮機出口壓力為止。 這時，壓縮機又開始向管網(wǎng)供氣，壓縮機的流量增大，恢復到正常的工作狀態(tài)。但當管網(wǎng)中的壓力又回到原來的壓力時，壓縮機的流量又減少，系統(tǒng)中的流體又倒流。如此周而復始產(chǎn)生了氣體強烈的低頻脈動現(xiàn)象喘振。

33、,第一節(jié) 旋轉(zhuǎn)機械典型故障的機理和特征,.,喘振的振動特征,診斷對象為壓氣機組或其它帶長導管、容器的流體動力機械； 振動發(fā)生時，機組的入口流量小于相應轉(zhuǎn)速下的最小流量； 振動的頻率一般在0-10hz之內(nèi)，也可能出現(xiàn)隨機的寬帶高頻振動（見圖5-20）； 機組及與之相連的管道都發(fā)生強烈振動； 有倒流現(xiàn)象； 出口壓力（壓力表）呈大幅度的波動； 機組的功率（表指針）呈周期性的變化； 振動前有失速現(xiàn)象； 振動時有周期性的吼叫聲； 機組的工作點在喘振區(qū)（或附近）。,第一節(jié) 旋轉(zhuǎn)機械典型故障的機理和特征,.,3氣穴,氣穴通常指示進口壓力不夠、缺乏流體的現(xiàn)象。如果不采取措施排除，氣穴對泵內(nèi)部可能十分有害，它可

34、能局部侵蝕葉輪的葉片。 存在氣穴時，常常發(fā)出象“卵石”通過泵時的聲音。氣穴通常是進口流量不夠引起的，可能這次測量時出現(xiàn)，下次測量時沒有了，如果改變進口閥門的設定的話。,氣穴通常產(chǎn)生隨機的較高頻率寬帶能量，有時疊加葉片通過頻率的諧波頻率。如圖所示：,圖5.21 氣穴頻譜,第一節(jié) 旋轉(zhuǎn)機械典型故障的機理和特征,.,迷宮密封是一種常見的密封形式。當轉(zhuǎn)子因撓曲、偏磨、安裝偏心或旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生渦動運動時，密封腔內(nèi)周向的間隙不均勻，即使密封腔內(nèi)入口處的壓力周向分布是均勻的，在該腔的出口處卻形成了不均勻的周向壓力分布形成了一個作用于轉(zhuǎn)子上的合力，此力在與轉(zhuǎn)子偏心位移相垂直方向上的切向分力相互作用，就將激勵轉(zhuǎn)子作進

35、一步的渦動，成為轉(zhuǎn)子一個不穩(wěn)定的激勵力，可能導致轉(zhuǎn)子失穩(wěn)。 失穩(wěn)時的頻率因不同的氣體狀態(tài)及迷宮幾何形狀而不相同。,4迷宮密封氣流激振（渦動）,第一節(jié) 旋轉(zhuǎn)機械典型故障的機理和特征,.,迷宮密封氣流渦動的振動特征：,渦動頻率一般為0.60.9倍工頻； 軸心軌跡呈橢圓形，正進動； 強振時有可能激發(fā)轉(zhuǎn)子的一階自振頻率，表現(xiàn)為自激振動； 轉(zhuǎn)速存在一個“閥門值”，在其值附近可導致強烈振動； 負荷也存在一個“閥門值”，在其值附近可導致強烈振動； 強振時的主頻為轉(zhuǎn)子的一階固有頻率，頻帶較寬； 振動的再現(xiàn)性強； 一般在轉(zhuǎn)子不平衡、不對中、偏心時易發(fā)生。,第一節(jié) 旋轉(zhuǎn)機械典型故障的機理和特征,.,振動頻率為0.

36、60.9倍工頻； 轉(zhuǎn)子有偏心彎曲造成的間隙不均； 振動對氣流壓力、流量的改變非常敏感； 負荷存在一個“閥門值”，在其值附近可導致劇烈振動； 在一個由多個轉(zhuǎn)子組成的軸系中，氣流渦動常發(fā)生在氣流壓力高的轉(zhuǎn)子上，如在汽輪發(fā)電機組中，蒸汽振蕩主要發(fā)生于高壓轉(zhuǎn)子。,5不均勻氣流渦動（不均勻氣流渦動的振動特征 ）,第一節(jié) 旋轉(zhuǎn)機械典型故障的機理和特征,.,九、拍頻振動,拍頻振動簡稱拍振，是兩個頻率非常接近、振幅近似相同的簡諧波疊加時，彼此同步進入和退出的結(jié)果。寬帶頻譜通常將表示為一個尖峰脈沖幅值上下波動。 當對這個尖峰進行細化譜分析時，發(fā)現(xiàn)實際上有兩個很靠近的尖峰，這兩個尖峰頻率之差就是拍振。在平常頻率范

37、圍的測量中常?？床坏竭@個拍頻，因為拍頻都是低頻的。,第一節(jié) 旋轉(zhuǎn)機械典型故障的機理和特征,.,右圖中，兩簡諧波的合成包絡波形即拍振，其振幅隨時間作周期性的緩慢變化，在寬帶頻譜中顯示其本身，并且當一個頻率的時域波形與另一個頻率的時域波形同相位進入時產(chǎn)生最大振動，而當這兩個頻率相位差180度時產(chǎn)生最小振動。,第一節(jié) 旋轉(zhuǎn)機械典型故障的機理和特征,.,揚州某石油化工廠主壓縮機組在超負荷20%工作條件下運轉(zhuǎn)時，整體出現(xiàn)較強噪音，噪音體現(xiàn)為低頻的“嗡嗡”聲和高頻的連續(xù)噪音。測點布置如圖5.23所示：,實例：拍頻振動,p1 p4 p6 p9 p12 p15 p18 p2 p3 p5 p7 p8 p10 p

38、11 p13 p14 p16 p17 p19 p20 電機 增速器 壓縮機 圖5-23 揚州某石油化工廠主風機測點布置圖,.,p4測點的時/頻域波形如圖所示。從電機機身水平及垂直方向拾取的振動數(shù)據(jù)分析，“嗡嗡”噪音的振動頻率應為1hz，其振動是由于電機的電磁力矩頻率（99.9hz）與電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)頻率的二倍頻（98.9hz）之間形成的一種拍頻振動現(xiàn)象。,第一節(jié) 旋轉(zhuǎn)機械典型故障的機理和特征,.,分析引起拍頻的原因，一是電機轉(zhuǎn)子與定子間氣隙不均勻、磁場中心偏移、定子繞組松動、轉(zhuǎn)子斷條等造成磁場不平衡，引起電磁力矩加大，二是轉(zhuǎn)子的不平衡、不對中、彎曲引起轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)頻率的二倍頻成分振動增大。 解決方案一

39、是對轉(zhuǎn)子做動平衡、矯直，調(diào)整對中，二是檢查定子繞組及轉(zhuǎn)子鼠籠條，調(diào)整定子、轉(zhuǎn)子同心等。,第一節(jié) 旋轉(zhuǎn)機械典型故障的機理和特征,.,十、機器軟腳及與之相關的共振,1軟腳 固定螺栓松動到可以用手動擰緊程度，機器的底腳大大翹曲，這時便出現(xiàn)軟腳。這不總是會引起大的振動增大。然而，如果軟腳影響了對中或電動機氣隙、同心度，則會引起明顯的振動增大。 2彈性腳 彈性腳會引起大的框架變形，導致振動和力增大，框架中軸承座等應力增大。在試圖調(diào)整底腳水平度時，強制把彈性腳的固定螺栓向下擰緊，會出現(xiàn)這種情況。 3相關腳 與把固定螺栓或螺栓組合松開到可手動擰緊程度時相比較，相關腳的共振可以使振動幅值劇烈增大五倍到十倍甚至

40、更大。擰緊時，這個固定螺栓可明顯改變該底腳或機器框架本身的自然頻率。,第一節(jié) 旋轉(zhuǎn)機械典型故障的機理和特征,.,第二節(jié) 滾動軸承故障診斷技術,有資料顯示僅有10%20%的軸承達到或接近設計壽命。其余部分因為如下各種原因達不到設計壽命：潤滑不當，使用錯誤的潤滑劑；潤滑劑或軸承內(nèi)混入贓物或雜質(zhì)；運輸或存放不當；選型不當、安裝錯誤等。 總體來講，滾動軸承異常的基本形式有六種。,一、滾動軸承異常的基本形式,.,1疲勞剝落 在滾動軸承中，滾道和滾動體表面既承受載荷，又相對滾動。由于交變載荷的作用，首先在表面一定深度處形成裂紋，繼而擴展到使表層形成剝落坑，最后發(fā)展到大片剝落。這種疲勞剝落現(xiàn)象造成了運行時的

41、沖擊載荷，使振動和噪聲加劇。 2磨損 滾道和滾動體間的相對運動及雜質(zhì)異物的侵入都引起表面磨損，潤滑不良加劇了磨損。磨損導致軸承游隙增大，表面粗糙，降低了機器運行精度，增大了振動和噪聲。 3塑性變形 軸承因受到過大的沖擊載荷、靜載荷、落入硬質(zhì)異物等在滾道表面上形成凹痕或劃痕，而且一旦有了壓痕，壓痕引起的沖擊載荷會進一步使鄰近表面剝落。由載荷的累積作用或短時超載會引起軸承的塑性變形。,第二節(jié) 滾動軸承故障診斷技術,.,4腐蝕 潤滑油、水或空氣中水分引起表面銹蝕，軸承內(nèi)部有較大電流通過造成的電腐蝕，以及軸承套圈在座孔中或軸頸上微小相對運動造成的微振腐蝕。 5斷裂 常因載荷過大或疲勞引起軸承零件破裂。

42、熱處理、裝配引起的殘余應力，運行時的熱應力過大也會引起斷裂。 6膠合 在潤滑不良，高速重載下，由于摩擦發(fā)熱，軸承零件可以在極短時間內(nèi)達到很高的溫度，導致表面燒傷，或某處表面上的金屬粘附到另一表面上。,第二節(jié) 滾動軸承故障診斷技術,.,二、滾動軸承的振動診斷方法,1有效值和峰值判別法有效值適用于磨損這類異常，但不宜用于剝落、壓痕這類具有瞬變沖擊振動的異常，此時峰值比有效值適用。 2峰值因數(shù)法優(yōu)點是不受軸承尺寸、轉(zhuǎn)速、負荷的影響，也不受振動信號絕對水平的影響，但這種方法對磨損這類異常幾乎無檢出能力。 3概率密度分析法軸承由于磨損、疲勞、腐蝕、斷裂、壓痕、膠合等因素會使軸承振幅增大，振動諧波增多，高

43、密度區(qū)增高，而兩旁的低密度區(qū)向外擴展。此時利用峭度作為診斷特征量將很有效。 4低頻信號接收法直接測量因精加工表面形狀誤差或疲勞剝落而出現(xiàn)的脈沖頻率。由于很難發(fā)現(xiàn)軸承早期故障，僅在簡單機器中采用。,第二節(jié) 滾動軸承故障診斷技術,.,5中頻帶通濾波法設定相應帶通濾波頻帶，檢測軸承外環(huán)一階徑向固有振動頻率，根據(jù)其出現(xiàn)與否作出診斷。 6諧振動信號接收法此法以（3040）khz作為監(jiān)測頻帶，捕捉軸承其它元件的固有振動信號作為診斷依據(jù)。此法對傳感器頻響特性要求很高。值得一提的是，合理利用加速度傳感器系統(tǒng)的一階諧振頻率作為監(jiān)測頻帶，同樣可以達到診斷滾動軸承故障的目的。 7包絡法美國entek公司開發(fā)的g/s

44、e技術即采用包絡法。 8高通絕對值頻率分析法將1khz高通濾波后的波形作絕對值處理，再進行頻率分析，即可判明各種故障原因。,第二節(jié) 滾動軸承故障診斷技術,.,三、滾動軸承故障發(fā)展的四個階段,1第一階段 滾動軸承故障初始階段 滾動軸承故障的最早的指示出現(xiàn)在從約20k到60k赫茲頻率范圍內(nèi)的超聲頻率，后來，滾動軸承磨損增大時，通常頻率下降到約1k到8k赫茲，這些可以用振動尖峰能量g/se、高頻加速度（hfd）g和沖擊脈沖spm來評定這些頻率。,例如，在滾動軸承故障第一階段中，振動尖峰能量值首先出現(xiàn)為0.25g/se，實際的值與測量位置和機器的轉(zhuǎn)速有關。采集g/se譜可揭示和證實滾動軸承是否處于滾動

45、軸承故障發(fā)展的第一階段中。,第二節(jié) 滾動軸承故障診斷技術,.,2第二階段 滾動軸承輕微故障階段 輕微的滾動軸承故障開始“瞬態(tài)擾動”滾動軸承的零件的自然頻率，這些自然頻率主要出現(xiàn)在500到2k赫茲頻率范圍內(nèi)。這些自然頻率也可能是滾動軸承支承結(jié)構(gòu)的自然頻率。,在滾動軸承故障的第二階段末期，在自然頻率的左側(cè)和右側(cè)出現(xiàn)邊帶頻率。振動尖峰能量的總量值增大，例如，從0.25g/se增大到0.5g/se。,第二節(jié) 滾動軸承故障診斷技術,.,3第三階段 滾動軸承宏觀故障階段 在滾動軸承故障的第三階段中，出現(xiàn)滾動軸承故障頻率及其諧波頻率。當滾動軸承的磨損擴展時，出現(xiàn)更多階次的滾動軸承故障頻率的諧波頻率，邊帶頻率

46、數(shù)量增多，在軸承故障頻率的諧波頻率和軸承零件的自然頻率的兩側(cè)的邊帶數(shù)量都增多，振動尖峰能量的總量值繼續(xù)增大。,例如從0.5g/se增大到5g/se，這時，已經(jīng)可以看到滾動軸承的磨損，并且，磨損擴展到滾動軸承的周圍，尤其是伴隨在軸承故障頻率兩側(cè)有許多清晰的邊帶時。g/se譜、高頻解調(diào)和包絡頻譜幫助證實滾動軸承故障的第三階段。這時，應該更換滾動軸承了，與振動頻譜中滾動軸承的故障頻率的幅值無關。,第二節(jié) 滾動軸承故障診斷技術,.,4第四階段 滾動軸承故障最后階段 朝著滾動軸承故障發(fā)展的最后階段發(fā)展，甚至影響轉(zhuǎn)速頻率的振動幅值。該頻率的幅值增大，通常還引起轉(zhuǎn)速頻率的許多諧波頻率的幅值增大。離散的滾動軸

47、承故障頻率和軸承零件自然頻率實際上開始“消失”，被隨機的寬帶高頻“噪聲地平”代替。,此外，高頻噪聲地平和振動尖峰能量兩者的幅值事實上可能減小，但是，恰好到損壞之前，振動尖峰能量和高頻加速度值通常增大到過大的幅值。,第二節(jié) 滾動軸承故障診斷技術,.,案例一 滾動軸承故障的診斷,軸承每一種零件有其特殊的故障頻率。 隨著故障發(fā)展，它的幅值增加，并有諧波；諧波兩邊產(chǎn)生邊頻。 還可用非頻率域的診斷方法，如共振解調(diào)。,電機,離心泵,.,帶滾動軸承的機械的頻譜特點,.,四、g/se技術在滾動軸承故障診斷中的應用,1基本原理 美國entek公司開發(fā)的g/se技術提供了滾動軸承故障診斷的一個便捷平臺，首先簡單介

48、紹一下其基本原理： 由于軸承元件的缺陷，滾動體依次滾過工作面缺陷受到反復沖擊而產(chǎn)生的低頻脈動，稱為軸承的“通過振動”，滾動軸承異常而在運行中產(chǎn)生脈動時，不但引起高頻沖擊振動，而且此高頻振動的幅值還受到脈動激發(fā)力的調(diào)制；,第二節(jié) 滾動軸承故障診斷技術,.,g/se實際是一種濾波器，它運用包絡法將上述經(jīng)調(diào)制的高頻分量拾取，經(jīng)放大，濾波后送入解調(diào)器，即可得到原來的低頻脈動信號，再經(jīng)快速傅立葉變換（fft）即可獲得g/se譜； 包絡法把與滾動軸承故障有關的信號從高頻調(diào)制信號中解調(diào)出來，從而避免與其它如不平衡、不對中等低頻干擾的混淆，故有很高的診斷可靠性和靈敏度，可根據(jù)包絡信號的頻率成份識別出產(chǎn)生故障的

49、元件（如內(nèi)環(huán)、外環(huán)、滾動體）來。因此，當測試滾動軸承時，我們使用g/se濾波器測量g/se總值和頻譜，可以發(fā)現(xiàn)滾動軸承的早期故障并跟蹤其發(fā)展趨勢。,第二節(jié) 滾動軸承故障診斷技術,.,2軸承故障頻率計算 從軸承頻率項數(shù)據(jù)庫中查詢出案例中各軸承的故障頻率，見下表。,第二節(jié) 滾動軸承故障診斷技術,.,案例二 軸承綜合（內(nèi)環(huán)、外環(huán)、滾動體）故障,左圖可見清晰的內(nèi)環(huán)故障頻率17.98hz諧頻成份、外環(huán)故障頻率13.47hz成份及滾動體故障頻率5.46hz成份，說明1#軸承存在嚴重故障。 右圖則是更換軸承后的gse譜，可見故障已排除。,1#軸承g/se故障譜圖,更換1#軸承后g/se譜圖,.,1#軸承實際

50、損壞情況見下圖，其內(nèi)環(huán)已產(chǎn)生一貫穿裂紋，且外滾道沿圓周方向約120范圍存在大量疲勞剝落。,第二節(jié) 滾動軸承故障診斷技術,.,案例三 軸承外環(huán)故障,經(jīng)現(xiàn)場測試發(fā)現(xiàn)，其g/se譜（左圖）中外環(huán)故障頻率68.51hz成份占絕對優(yōu)勢，說明2#軸承外環(huán)存在故障癥狀。這一故障隱患自發(fā)生以來，分別于2004年3月5日給軸承加注潤滑脂，于3月19日對該處聯(lián)軸節(jié)進行找正，每次處理后振動幅值均有明顯下降，但很快便即復升，觀察右圖中的狀態(tài)趨勢線已可以得出這樣的結(jié)論：其趨勢峭度越來越大，該設備故障的最終表現(xiàn)形式軸承故障已發(fā)展至后期。3月24日，我們對該軸承成功進行了更換，修后恢復正常。,.,軸承損傷情況主要表現(xiàn)為外滾

51、道、內(nèi)滾道表面產(chǎn)生一圈凹痕，其中外滾道損傷情況尤為嚴重，凹痕最深處約0.3mm左右。,第二節(jié) 滾動軸承故障診斷技術,.,案例四 軸承滾動體故障,3#(p71)軸承存在滾動體故障頻率57.86hz成份，判斷可能是滾動體產(chǎn)生磨損。 潤滑脂發(fā)黑失效是引起滾動體磨損的主要原因。,.,五、采用沖擊脈沖法診斷滾動軸承故障,沖擊脈沖法是瑞典spm公司的專利技術。從20世紀80年代起，我國企業(yè)廣泛應用沖擊脈沖法診斷滾動軸承故障，取得顯著的成效。由于采用沖擊脈沖法診斷滾動軸承簡便有效，最受企業(yè)歡迎。即使到了跨入21世紀的今天，沖擊脈沖法仍然是用于現(xiàn)場簡易診斷的有效手段之一。 1沖擊脈沖法的基本原理 沖擊脈沖法從

52、本質(zhì)上來說仍屬于振動診斷的范圍，但它又與一般的振動診斷在實施步驟和判別方法上都有很大的差別。,第二節(jié) 滾動軸承故障診斷技術,.,處于高速運轉(zhuǎn)中的滾動軸承，承受著整個轉(zhuǎn)子的動、靜負荷，工作條件極其嚴酷，因此，對軸承的質(zhì)量、運轉(zhuǎn)條件都有很高的要求。軸承上的每一點缺陷，如滾動體疲勞剝蝕、滾道磨損，保持架變形或者斷裂，內(nèi)外圈與軸、孔配合松動而產(chǎn)生摩擦，以及缺乏潤滑油或油中混入雜質(zhì)等，都會在軸承振動信號中反映出來。 滾動體的沖擊會產(chǎn)生寬帶高頻沖擊脈沖振動，沖擊脈沖形成高頻壓縮波在金屬內(nèi)部傳遞給軸承座。這種高頻壓縮波一旦被安置在軸承座上的傳感器所接收，經(jīng)測量儀器處理后，顯示出軸承的高頻沖擊脈沖，就可以據(jù)此

53、判斷軸承處于何種狀態(tài)。,第二節(jié) 滾動軸承故障診斷技術,.,沖擊脈沖計是沖擊脈沖法原理診斷滾動軸承的專用儀器。其加速度傳感器（即沖擊脈沖探頭）對輸出信號的處理有別于一般的振動法。它對振動信號不作寬頻帶測量，而只是在傳感器的固有頻率上測量。,圖5-38 cmj-1型沖擊脈沖計結(jié)構(gòu)簡圖 1殼體 2揚聲器 3發(fā)光二極管 4預置撥盤 5工作撥盤 6探頭（加速度傳感器）,軸承的沖擊振動經(jīng)軸承座傳播到加速度傳感器上，激起其固有頻率的減幅振蕩，這個振動的幅度與軸承故障的嚴重程度成正比。在我國企業(yè)得到廣泛應用的國產(chǎn)cmj-1型沖擊脈沖計就屬于這類儀器，圖5-38就是它的結(jié)構(gòu)示意圖。,第二節(jié) 滾動軸承故障診斷技術

54、,.,由于這種沖擊脈沖計把軸承轉(zhuǎn)速和軸承大小（內(nèi)徑）兩個因素在儀器中歸一到同一個尺度上，使得儀器的指示值僅與軸承損傷程度有關，各種類型、各種尺寸的滾動軸承只要憑沖擊脈沖值（即地毯值dbc和標準值dbn）就可以直接判斷被測軸承是否存在故障以及故障和程度。即使在測試前不掌握被測軸承的運行檔案，也只需知道軸承轉(zhuǎn)速和內(nèi)徑就可以實行診斷了。 而了解軸承的轉(zhuǎn)速和內(nèi)徑是比較容易做到的。到了20世紀90年代，雖然又有電腦軸承分析儀之類的儀器問世，但操作條件都比cmj-1沖擊脈沖計繁瑣得多，僅了解軸承各項參數(shù)這一條在現(xiàn)場就難于作到，因而給現(xiàn)場使用帶來很大的麻煩，遠沒有操作cmj-1型脈沖計簡便。,第二節(jié) 滾動軸

55、承故障診斷技術,.,應當指出，采用沖擊脈沖法診斷滾動軸承，只能判明軸承的總體狀態(tài)是正常還是異常，以及損傷的嚴重程度，但不能如頻譜分析一樣確定其中哪個元件損壞。不過，這在生產(chǎn)現(xiàn)場設備維修中能做到這一點也已經(jīng)夠了。因為對滾動軸承這樣的易損件，只要其中任何一個元件損壞，都得進行整個軸承更換，從來沒有修復的先例，所以無需將故障定位到某個元件上。,第二節(jié) 滾動軸承故障診斷技術,.,2沖擊脈沖法實施要點 采用沖擊脈沖法診斷滾動軸承，為取得最佳效果，必須掌握幾個要點： 選擇測點 為了準確地判斷軸承的狀態(tài)，必須掌握準確的信息。因此在選擇軸承測點時，應遵守以下幾條原則： 測點要選在軸承的承載區(qū)，一般為軸承的下部

56、，對著軸的轉(zhuǎn)向位置，如圖5-40所示。,第二節(jié) 滾動軸承故障診斷技術,.,沖擊脈沖計的傳感器探頭抵住軸承座的不同部位，其檢測的靈敏度差別很大，如圖5-41所示。如果在承載區(qū)內(nèi)靈敏度為100%，那么在偏離承載區(qū)方向45的部位處則下降為95%，而在軸向則降為22%25%。所以測點應盡可能選在承載區(qū)45的區(qū)間內(nèi)。,圖5-40 使用cmj-1測點位置示意圖 1滾動軸承 2軸承座 3沖擊脈沖探頭 n軸承轉(zhuǎn)速 d軸承內(nèi)徑 a測點,圖5-41 滾動軸承不同測量部位脈沖衰減情況,第二節(jié) 滾動軸承故障診斷技術,.,選擇測點必須考慮傳遞通道對信號的影響。滾動軸承引起的沖擊振動，由沖擊點以半球面波的方式向外傳播，通

57、過軸承零件、軸承座傳遞到箱體或機架。應該保證在軸承和探頭間有直線傳遞路徑，且測點離軸承外圈的距離越短、越直越好，其距離一般不超過75mm。 振動信號每通過一次零件界面，其能量損失達80%。因此，要盡量減少傳遞通道上的中間界面，只有一個界面最理想，如圖5-40中之測點a即是理想測量部位。此外，在信號傳遞途中，還應該盡量避開空腔、水套、填料、螺栓之類的中間介質(zhì)或機器零件，以防止信號衰減。從左圖所舉例子中，我們可以得到這方面的啟示。 另外，凡設置有防護罩遮蓋的測點位置，測量時應拆離防護罩（如測量電動機尾部軸承時），或者事先在測點處將防護罩開一個能安置傳感器探頭的圓孔。,第二節(jié) 滾動軸承故障診斷技術,

58、.,探頭抵住軸承部位的曲率半徑（r）要大于探頭頂端的球面半徑（對于cmj-1型沖擊脈沖計r8mm）。這樣，才能夠保證探頭與被測面有良好的接觸，如右圖所示。 被測面要光潔，去掉厚實的油漆表層或其他綁涂物，讓探頭與金屬直接接觸，防止壓縮波受阻尼衰減。,圖5-42 沖擊脈沖測試測點選擇正誤舉例 a) 脈沖波應直線傳播；b) 傳遞通道界面越少越好,圖5-43 探頭接觸面正誤舉例,第二節(jié) 滾動軸承故障診斷技術,., 注意測試條件 在測試過程中，應使軸承有充分的潤滑，并使之承受一定的載荷，以穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速運行，而且每次測試都在大致相同的工況條件下，使用相同的儀器進行，以保證測值的真實性和可比性。 排除沖擊干擾

59、 強烈的外來沖擊干擾源的存在，是實施沖擊脈沖法的最大障礙，會使測值嚴重失真，造成誤判誤診。因此要善于識別和排除干擾： 作用于軸承的沖擊干擾的來源：沖擊干擾主要是由機器本身的機械故障或自身的結(jié)構(gòu)特點所引起的，有時還會受到流體動力噪聲的干擾。轉(zhuǎn)動部件與定子間的碰擦、連接部位松動、聯(lián)軸器不對中、水泵汽蝕等均會產(chǎn)生沖擊干擾，直接或間接地改變測值的真實性。,第二節(jié) 滾動軸承故障診斷技術,.,判斷和尋找沖擊干擾源的方法：判斷和尋找沖擊干擾源的簡易方法，可在軸承附近的非測區(qū)選幾個測點（最好是先有界面隔開的地方），測取其脈沖值，如測值等于甚至大于軸承測點部位的沖擊脈沖值，很可能有干擾源存在，應當進一步確認，必要時須借助其他方法進行測定分析，并予以排除，然后再實施沖擊脈沖法診斷。 應當注意，有的沖擊干擾源并非由設備故障產(chǎn)生，而是機械本身的結(jié)構(gòu)特點所固有的特性表現(xiàn)。比如有些精度不高的齒輪傳動機構(gòu)