风机状态监测与故障诊断.ppt

设备状态监测与故障诊断基础,中国设备管理协会设备管理专题交流中心 培训讲师 中国机械工程学会故障诊断委员会 委员 邓忠宇 msn：,设备状态监测与故障诊断基础,特别感谢,设备管理新思维新模式李葆文，机械工业出版社 红外诊断现场实用技术程玉兰，机械工业出版社 无损检测诊断现场实用技术王仲生，机械工业出版社 大型旋转机械的状态检测与故障诊断沈立智,前言,我们必不可停止探索，而一切探索的尽头，就是重回起点，并对起点有着首次般的了解。 美国诗人 艾略特,主要内容,维修体制的演变 状态监测与故障诊断的定义与意义 常用的监测技术与方法（红外、油液、声发射、振动） 振动的基本知识 用振动方法诊断常见故障（不平衡、不对中、滚动轴承、齿轮） 故障诊断的步骤 如何开展状态监测与故障诊断工作,第一部分,状态监测常用方法,设备故障频率浴盆曲线,平均无故障时间MTBF,磨合期,生产运行期,劣化衰变期,维修体制,事后维修 突发性的事故 维修不足,计划预修（定期维修）,认为影响设备运行的主要因素是磨损，而机器开动的时间决定了磨损程度。研究制定合理的开动台时周期，对设备进行定期预防维修，防止设备急剧磨损失效，以达到延长设备使用寿命和减少设备维修工作量的目的。 修理周期结构：两次大修之间按规定的顺序进行的不同规模的计划维修或保养维护的次序（定期检查、小修、中修、大修） 修理复杂系数：设备复杂程度的一个基本单位，用于计算劳动量和物资消耗量（工时定额、材料定额） 维修过剩,预防维修（定期维修+预知维修）,以检查为基础 预知维修是利用监测和诊断技术，对设备状态进行预测，有针对性地安排检修，事先加以排除，从而避免和减少故障停机损失。 保养-监测-诊断 对维护成本的分析表明，事后维修的成本是预知维修维护成本的 3 倍,设备综合工程学,核心是设备寿命周期费用(LCC)，指设备从规划、制造、安装调试、使用、维修、改造直至报废的全过程中发生的费用 LCC=设备设置费（原始费）+设备维持费（使用费） 设备价格决定了设置费，可靠性决定了维持费 主要包含工程技术管理、组织管理和财务经济管理三项 把可靠性和可维修性放到重要位置 可靠性指设备机械性能、工艺性能、效率指标的保证 可维修性指设备易于维修的性能，具体包括结构简单，零部件组合合理；修理通道良好，可迅速拆卸，易于检查；通用化和标准化水平高、互换性强等，其目的在于提高设备的可利用率,设备综合工程学,1996年，IEC发布寿命周期费用评价实施指南 我国GB/T19000.4-1995 1992国防科工委发布GJB1364装备费用-效能分析 1998总装备部发布GJBZ20517武器装备LCC估算 2006GB/T1982.9石油天然气工业寿命周期费用分析,设备综合工程学,重初期投资，轻后期费用；重当前费用节约，轻后期费用效益；重技术决策，轻经济决策 企业各部门难以实行整体决策 缺少推行LCC技术的发展规划、制度、政策措施及奖惩机制 缺少数据的收集和积累，建立模型困难,全员生产维修体制（TPM）,全效率：设备寿命周期费用评价和设备综合效率 降低设备停机时间损失 设置与调整停机损失 闲置、空转与暂短停机损失 速度降低 残、次、废品损失，边角料损失 产量损失（由安装到稳定生产间隔） 全系统：生产维修的各个侧面均包括在内(预防维修、必要的事后维修及改善维修) 全员参加,全员生产维修体制,小组活动 5S（整理、整顿、清洁、清扫、素养） 点检 三位一体（操作、日常点检员、专业技术人员） 零故障 使潜在故障明显化；使人为劣化转变为自然劣化；改善设计；彻底的预防维修；走向状态维修；提高人的可靠性,定点,定标,定期,定项,定人,定法,检查,记录,处理,分析,改进,评价,维修体制,现代的设备管理是多种设备管理体制的综合体 有效区分不同设备需要采取不同的维修策略,维修策略,有发展期的规律性故障-状态维修 无发展期的规律性故障-定期维修 有发展期的随机故障-监测下的预防维修 无发展期的随机故障-事后维修,诊断是设备管理的精髓与核心,设备管理上最重要和基本的就是要判断这台设备“是正常还是异常”，以及采用监测仪器所作的“设备状态的劣化趋势管理” 丰田利夫 设备状态监测与故障诊断技术是设备管理的精髓 沈亮安,什么是状态监测与故障诊断？,故障是指机械设备丧失了原来所规定的性能和状态。通常把机械设备在运行中所发生的状态异常、缺陷、性能恶化、以及事故前期的状态统统称为故障，有时也把事故直接归为故障。,什么是状态监测与故障诊断？,状态监测是指通过一定的途径了解和掌握设备的运行状态，包括利用监测与分析仪器设备（定时的或非定时的，在线的或离线的，定期的或连续的），采用各种检测、测量、监视、分析和判别方法，结合设备的历史和现状，在考虑环境因素的条件下，对设备当前的运行状态做出评估，判断设备所处状态属于正常还是异常，对异常状态及时做出报警，并为进一步进行故障分析、性能评估等提供信息和数据。,什么是状态监测与故障诊断？,而机组的故障诊断，则是根据对机组进行状态监测所获得的信息，结合机组的工作原理、结构特点、运行状况，对有可能发生的故障进行分析、预报，对已经或正在发生的故障进行分析、判断，以确定故障的性质、类别、程度、部位及趋势，对维护机组的正常运行和合理检修提供正确的技术支持。,状态监测与故障诊断的目的,及时、正确、有效地对设备的各种异常状态或故障状态做出诊断，预防或消除故障；同时对设备的运行维护进行必要的指导，确保设备运行中的可靠性、安全性和有效性。 制定合理的检（监）测维修制度，保证设备工作时能发挥最大的设计能力，同时在允许的条件下充分挖掘设备潜力，延长其服役期及使用寿命，降低设备全寿命周期费用。 通过检测监视、故障分析、性能评估等，为设备修改结构、优化设计、合理制造及生产过程提供数据和信息。,状态监测与故障诊断的意义,有利于提高设备管理水平 避免巨大事故的发生，减少事故的危害性 可以获得潜在的巨大经济效益和社会效益,一组统计数据,消除非计划的停机时间。通常，在前两年内成本可降低 40% 至60%，在五年内可达到并维持 90% 的成本降低。 短期（1 到 3 年）可持续生产能力的增加已经达到 15% 和 40%。长期 达到75%至 80% 的提高。 在一些情况下，实际维护支出会在实施有效的预防性/预知性维护计的第一年内会增加，这种支出的增加通常会达到 10% 至 15%，它是由使用预知性技术所发现的固有可靠性问题引起的。在消除这些问题之后，通常会取得 35% 至 60% 的人力和材料成本降低。 设备的使用寿命可延长 33% 至 60%。使用寿命的延长得益于在发生对设备的损坏之前就检测出初发问题或与最佳工作状况的偏离。进行较小的调整或维修而不让小的缺陷变为严重问题几乎可以无限延长设备的有效使用寿命。,小结,省钱 可以寻找到故障部位，避免盲目维修，降低维修成本 延长设备使用寿命，节约投资 预测故障出现时期，进行计划停机，提高产出效率 省时间 有针对性的维修，可以指导检修计划 省力 降低劳动强度 提高设备管理水平,风机的状态监测与故障诊断,风机的状态监测与故障诊断,机械部分：主轴、齿轮、轴承、联轴器、制动器、轮毂、桨叶、塔架、发电机 电气部分：整流柜、变频器、变流器、变压器、接线端子、,常用方法与技术,振动监测 温度监测 油液监测 超声监测,温度监测（红外测温与热成像技术）,任何物体只要温度高于绝对零度（-273）就有热能转变的热辐射向外发射 发射率：不同的物体具有不同的辐射能力，和黑体相比的辐射能力参量- 采用微型辐射热量探测器，形成热像图。 热感应照相机可生成热而不是光的图像，它可以测量红外（IR）能量，并将数据转换成相应的温度图像。,适合于监测,移动或者十分热的 难以触及 无法关闭的 触及有危险的 接触有危险有污染的 接触会改变的,热成像图,与仅能够捕获单点温度值的红外测温仪不同的是，热像仪可以 将整个目标的温度特性形成一个二维的图像。,温度监测（红外测温与热成像技术）,X射线,紫外线,近红外线,红外线短波,红外线中波,红外线长波,微波,热测量,电气检测的设备,变配电装置 高低压电气线路 各种电气设施； 电气开关、插头、插座、电工元器件 电气照明及装置 中央空调电气设施、电梯电气设施 控制电器和保护电器装置、接地装置 各种消防设备、设施的电气部分,电气系统预测性维护-外部故障,电力系统运行中，载流导体会因为电流效应产生电阻损耗，而在电能输送的整个回路上存在数量繁多的连接件、接头或触头。在理想情况下，输电回路中的各种连接件、接头或触头接触电阻低于相连导体部分的电阻，那么，连接部位的损耗发热不会高于相邻载流导体的发热，然而一旦某些连接件、接头或触头因连接不良，造成接触电阻增大，该部位就会有更多的电阻损耗和更高的温升，从而造成局部过热。此类通常属外部故障。 外部故障的特点是：局部温升高，易用红外热像仪发现，如不能及时处理，情况恶化快，易形成事故， 造成损失。外部故障占故障比例大。,电气系统预测性维护-内部故障,所谓高电压电器设备的内部故障，主要是指封闭在固体绝缘以及设备壳体内部的电气回路故障和绝缘介质劣化引起的各种故障。由于这类故障出现在电气设备的内部，因此反映的设备外表的温升很小，通常只有几K。检测这种故障对检测设备的灵敏度要求较高。 内部故障的特点是：故障比例小，温升小，危害大，对红外检测设备要求高。,机械设备检测应用,温度监测（轴承的监测）,温度监测（电机的监测）,温度每超过最大允许温度10度电机的寿命将减少一半,整流柜的监测,1.线路接头接触不良或氧化腐蚀 2.整体质量较差：线圈匝数不足、绝缘能力不够、线径过小、铁芯面积过小、空间间隙太大、硅钢片插得不紧等等 3.供电网络问题。过载、谐波都会造成整流器内部温度过高,电气接头,电机控制中心,电气室,相不平衡,红外诊断的方法,表面温度判断法（参考国标） 相对温差判断法 趋势跟踪法,GB763-90交流高压电器在长期工作时的发热,危急热缺陷（）：电气设备表面温度超过90，或温升超过75或相对温差（温差）超过55 严重热缺陷（）：电气设备表面温度超过75，或温升超过65或相对温差（温差）超过50 一般热缺陷（）：电气设备表面温度超过60，或温升超过30或相对温差（温差）超过25 热隐患（）：电气设备表面温度超过50，或相对温差（温差）超过20,美国国家标准协会/电子及电气工程师协会关于接触点温度的限制,元件 高于环温 实际温度 铜接头与铜接头 30度 70度 铜接头与镀银电缆连接 45度 85度 空气开关、接点（铜） 33度 75度 空气开关、接点（铜与其他金属）43度 90度,影响因素,发射率 距离系数 太阳光-温度叠加；反射或漫反射波长为314微米（阴天或加太阳滤片） 风力 临近辐射体 设备负荷率,油液监测技术,是监测、诊断设备润滑系统故障的重要手段，尤其是对设备早期磨损隐患的发现与识别，是其他方法无法替代的 适合监测于磨损类故障 对某些类型的振动的确认可以起到很大的作用,对润滑油液的要求,理化性能：粘度、极压性、闪点、酸值、水分等。 使用性能：中和能力、清洁分散能力、抗氧化性、抗磨性能、抗腐蚀性等 运行性能：油品衰变、杂质污染,油液监测内容,油样常规分析技术 铁谱分析 光谱分析：原子发射光谱，测量物质发出的特定波长的光及相应的光强度来检测磨粒的元素成分及含量浓度。三类元素为磨损金属、添加剂、污染物。其不足为对大颗粒不敏感、对添加剂的有机物不能分析、成本高。,油液监测,油液分析法是对机组在用润滑油的油液本身及油中微小颗粒所进行的理化分析。通过对润滑油的粘度、闪点、酸值、破乳化度、水分、机械杂质、液相锈蚀试验、抗氧化安全性等各种主要性能指标的检验分析，不仅可以掌握润滑油本身的性能信息，而且也可以了解到机组轴承、密封的工作状况。尤其是对油液中不溶物质，主要是微小固体颗粒所进行的铁谱分析、光谱分析、颗粒计数，可以识别油液中所含各种颗粒的成分及其浓度、形貌、尺寸，从而对润滑、特别是轴承合金、轴颈、浮环、机械密封的动静环、油封、油档等摩擦付的磨损状态进行科学的分析与诊断。,铁谱分析技术（摩擦学）,将油液通过一块具有高磁场梯度的玻璃片或玻璃管，将油液中所含的磨粒碎屑按其颗粒度大小有序的分离开，经过光学显微镜和光密度计计数，对谱片上的磨屑进行定量、定性分析，以此判断磨屑的来源、产生的原因及零件磨损的程度，及时作出机器零部件的故障预报。,铁谱仪分类,分析式铁谱仪,旋转式铁谱仪,从磨屑形态、尺寸大小、材料性质判断磨损类型,正常摩擦磨损：具有光滑表面的鳞片状颗粒，长轴尺寸从0.515微米，厚度在0.151微米 切削性磨损：形状如带状，宽度25微米，长度25100微米 滚动疲劳磨损：如果有大量的层状磨屑和球状磨屑产生，轴承存在显微疲劳裂纹 滚动兼滑动疲劳磨损：长轴与厚度比为4：110：1，当齿轮载荷和速度过高时，磨屑具有被拉毛的表面和不规则轮廓，一些大磨屑上有明显的表面划痕 严重滑动磨损：大颗粒脱落，尺寸在20微米以上，厚度在2微米以上，常有锐利的棱边。 一般而言，15微米磨屑，处于正常磨损；当大于15微米的切削形、螺旋形、圈形、弯曲形微粒大量出现的时候，则是严重磨损征兆,磨屑颜色鉴别材料性质,白反射光照射下： 铜基合金呈黄色或红褐色 游离金属磨粒呈银白色 钢磨粒呈黄蓝之间的色调 白透射光：金属颗粒不透明、氧化物颗粒半透明、结晶体透明 双色光 偏振光,油液监测（三向量分析）,简单的介电常数测量,油液的变化会引起介电常数的变化 将在用油与标准油样进行对比，得到可用的、有轻微污染的、严重污染三种结果,声发射监测,声发射监测,应用范围 压力容器安全评价 机械制造过程监控 复合材料特性研究 结构完整性评价 焊接构件疲劳损伤检测诊断 泄漏检测,原理,物体受到外力或内力作用时，由于内部结构的不均匀及各种缺陷的存在造成应力集中，从而使局部应力分布不稳定。当不稳定应力分布状态所积蓄的应变能达到一定程度时，就会发生应力的重新分布，再达到新的稳定状态。 在这个过程中伴随有范性流变、微观龟裂、位错的发生与堆积以致裂纹的产生与发展，这实际上就是应变能的释放过程，这种被释放的应变能，一部分以应力波的形式发射出去，由于最先注意到应力波发射现象的是人耳听觉领域内的声波，所以称为声发射。 应力波发射频率大部分处于超声范围（100300kHz）,声发射出现的条件,材料要受外载作用 材料内部结构或缺陷要发生变化 所以，对于材料的微观形变和开裂及裂纹的发生和发展就可以利用声发射来检测。声发射源往往是材料灾难性破坏的发源地。并可以及早提出预警。,声发射信号基本特征,连续型波形：波幅没有大的起伏，发射频率高而能量小 突发型波形：脉冲波形，峰值很大但衰减很快 不重现性：在同一条件下产生的声发射只有一次（凯塞效应）,声发射信号表征参数,声发射事件：完整的震荡波形 振幅值：释放能量的大小 事件持续时间：事件规模的大小 上升时间：震荡曲线与门槛值的第一个交点到最大幅值所经历的时间。反映了事件的突发程度 以上参数描述了事件大致规模,声发射信号的检测与处理,振铃法：对记录到底声发射信号中超越门槛值的峰值数进行计数。事件增大，计数值也越大。反应了声发射的大小 事件法：单位时间内的事件数 能量法：度量振幅和信号持续时间，反映能量 振幅分布分析法：按信号峰值的大小范围分别对声发射信号进行事件计数。 频谱分析法：通过测量各种频率成分对信号进行分析。,在旋转设备检测中的应用,损伤量值 15，故障状态,超声监测仪器,将人耳不能听到的声音转化为可以识别的声音 短片,振动监测（最常用的方法）,振动监测是对设备所产生的机械振动进行信号采集、数据处理后，根据振幅、频率、相位及相关图谱所进行的故障分析。,振动监测（最常用的方法）,在旋转机械的所有故障中，振动故障出现的概率最高； 振动信号包含了丰富的机械及运行的状态信息，它既包含了转子、轴承、联轴器、基础、管线等机械零部件运行中自身状态的信息，又包含了诸如转速、流量、进出口压力以及温度、油温等影响运行状态的信息； 振动信号易于拾取，便于在不影响机组运行的情况下实行在线监测和诊断。,什么是振动？,振动是物体的一种运动形式，它是指物体经过平衡位置而往复变化的过程，机械振动是物体（或其一部分）沿直线或曲线并经过平衡位置所做的往复运动。,什么是振动？,什么是振动？,振动的描述,振动的描述（幅值、相位、频率）,振动的幅值,振幅是物体动态运动或振动的幅度。它是振动强度和能量水平的标志，也是评判机器运转状态优劣的一个主要指标。 振幅的量值可以表示为峰峰值（PP）、单峰值（0P）、有效值（rms）或平均值（Average）。峰峰值是整个振动历程的最大值，即正峰与负峰之间的差值；单峰值是正峰或负峰的最大值；有效值即均方根值。只有在纯正弦波的情况下，单峰值等于峰峰值的1/2，有效值等于峰值的0.707倍，平均值等于峰值的0.637倍；平均值在振动测量中很少使用。,振幅的描述（位移、速度、加速度）,在振动测量中，除特别注明外，振动位移的量值为峰峰值，单位是微米m或密耳mil；振动速度的量值为有效值，单位是毫米/秒mm/s或英寸/秒ips；振动加速度的量值是单峰值，单位是重力加速度g 一般认为，在低频范围内，振动强度与位移成正比；在中频范围内，振动强度与速度成正比；在高频范围内，振动强度与加速度成正比。,振幅的描述（位移、速度、加速度）,也可以认为，振动位移具体地反映了动、静间隙的变化，振动速度反映了能量的大小，振动加速度反映了冲击力的大小。,振动的频率,频率是振动特性的标志，是分析振动原因的重要依据。 各种不同类型的故障所引起的振动都有各自的特征频率。 通过对振动频率成分的查找，可以探索构成振动激振力的来源，有助于对机器进行故障类型的判别。,振动的频率,某种振动频率可能和多种类型的故障有关联。例如，动不平衡的特征频率是工频，但不能说工频高就是发生了动不平衡，因为某些轴承及对中不良等的振动频率也是工频。因此，振动频率和振动故障的对应关系并不是唯一的。为了得到正确的诊断结论，需要对各种振动信息进行综合分析。,振动的相位,相位是指两个振动要素在时间或空间上的相差。,相位的意义,比较同频率振动在时间上的先后关系。如简谐振动，振动速度超前振动位移90，振动加速度超前振动速度90，振动加速度超前振动位移180。 比较两个零部件之间相对运动的方位。例如，齿式联轴器（带中间短接）不对中时，两边转子振动的相位差为180。 在转子动平衡中更有着必不可少、十分重要的作用。,相位的测量,相位的测量,频谱分析（时域波形）,典型振动信号频谱,频谱分析（时域波形）,频谱图,振动趋势图,第二部分,用振动方法分析常见故障,风机常见振动故障,不平衡 不对中 轴承 齿轮,测点的选择,选择测点的一般原则,可以安全、重复地采集数据 在轴承座的水平、垂直和轴向三个正交方向上布置测点 测点尽可能靠近轴承的承载区 不在设备外壳、保护罩、轴承座剖分面、设备结构间隙上设置测点,测点位置要求,径向 水平方向H在水平面内， 其指向通过轴的轴心线 垂直方向V在铅锤面内， 其指向通过轴的轴心线 轴向 在水平面内，其指向与轴的轴心线平行高度与水平测点相同,在线测量,离线测量,传感器的选择与安装,传感器的选择与安装,第一节,不平衡分析,不平衡的判断,定义 旋转体质量沿旋转中心线的不均匀分布, 使转子在运转时产生周期性的离心力, 由此引起机器振动称为不平衡,离心力的计算,1000公斤重转子，转速为6000rpm，直径1米处存在30克的不平衡质量，产生的离心力为,不平衡产生原因,运转后磨损或积灰 材料缺陷 加工与装配偏差 其他原因,不平衡的振动特征,频谱主要表现在一倍频（工频），其幅值占到振动总值的约80% 振动方向通常发生于径向（悬臂转子除外） 振动幅值与质量中心离轴旋转中心线的距离成正比。当低于转子一阶临界转速运转时，振动幅值将随转速的平方成比例变化。即：转速升高3倍，将导致不平衡振动增大9倍 由于轴承的垂直方向刚性比水平方向刚性强，所以通常振动响应是一定程度的椭圆轨迹，水平方向振动通常略大于垂直方向振动，一般范围在2至3倍左右。,不平衡的振动特征,在径向方向呈现稳定的、可重复的振动相位 轴向振幅很小，小于径向的1/3（悬臂转子除外） 两侧轴承的H方向振动的相位差应该接近V方向振动的相位差。 径向和轴向几乎没有2X,3X,4X等倍频振动能量,不平衡的振动特征,不平衡的振动特征,第二节,不对中分析,不对中的分析,什么是轴对中,不对中的原因,安装不精确 管道系统的应力造成扭曲变形 安装后部件相对移动 基础刚性较差，螺栓松动 其他原因,不对中的危害,轴承、密封、联轴器、轴引发过早磨损 能耗增加 温度升高,不对中的振动特征,不对中的振动特征,引起对自由端(或外侧)的作用，由于不对中从联轴器引入的力可能足够强大，其作用不仅是在最靠近联轴器的轴承上，同样也作用在机器的自由端或外侧端。 引起2X频率振动，不对中通常产生2X振动，作用在轴向和径向方向。2X频率分量是最好的不对中指示 引起轴向方向振动，不对中是轴向振动大的最常见的原因,不对中的振动特征,相位是不对中的最佳指示 联轴器两侧的相位差接近180度，不对中程度愈严重，愈接近这个180度相位差 在研究转子(如电动机，泵，风机等) 其中之一的轴承座相位差时，有明显不对中的径向方向相位差接近或是0度或是180度 在比较同一转子的水平方向相位差与垂直方向相位差时，约百分之九十的不对中机器将表现垂直方向相位差与水平方向相位差之间的差值接近180度。例如，如果外侧轴承与内侧轴承之间水平方向相位差约为30度，大多数不对中转子的垂直方向相位差为约210度。,角度不对中的特征,1X,2X较大的轴向振动 假定存在大的振动前提下，轴向2X或3X幅值约是1X转数频率幅值的30到50时，说明是角向不对中。 联轴器两侧的轴向相位差为180度，是最好的检测角度不对中的指示。一侧的每个轴承都向一个方向移动，另一侧的轴承向相反方向移动，角度不对中的可能性较大。,平行不对中的特性,平行不对中主要影响径向振动 平行不对中使联轴器两侧径向(水平的或垂直)的相位差接近180度 振动频谱中2X幅值接近甚至超过1X幅值时，常常说明是径向不对中 当角度不对中或平行不对中变得严重时，每种不对中都产生一组谐波，谐波的范围到4次到5次。这种情况下，严重不对中的振动频谱可能呈现为机械松动的振动频谱样子。,第三节,滚动轴承分析,滚动轴承振动分析,只有10到20的轴承能达到它们的设计寿命,滚动轴承的使用寿命,例如：2000磅（908公斤）重转子，转速为6000rpm，直径3英尺处存在1盎司（28.35克）的不平衡质量，产生的离心力为,其他缩短轴承寿命的因素,如果转子不只是承受不平衡，还承受由于不对中、松动、气蚀或其它故障引起的动载荷，轴承的实际寿命可能还要短。 此外，还有一些影响轴承寿命的因素，包括润滑不当、使用错误的润滑剂、被灰尘和其它污染物污染、不恰当的储存、进入潮气、出厂运输或使用时嗑碰、刮伤、错用轴承型号、轴承安装不当等。,滚动轴承的缺陷频率,滚动轴承的缺陷频率,保持架 FTF=(1/2)No1+（d/D）Cos +Ni 1-（d/D）Cos 滚动体 BSF=(1/2)(D/d) |No-Ni| 1-(d/D)Cos 外圈 BPFO=(1/2)n |No-Ni| 1-(d/D)Cos 内圈 BPFI=(1/2)n |Ni-No| 1+(d/D)Cos d:滚动体直径 D:滚动轴承平均直径 :接触角 n:滚动体数目 No:外圈角速度 Ni:内圈角速度,滚动轴承的缺陷频率,轴承故障发展四阶段,滚动轴承故障失效四个阶段,滚动轴承故障失效四个阶段,第一阶段：超声阶段,轴承问题的最早期表现在超声频率的异常，从250kHz到350kHz范围，可由超声仪器监测到信号 此后随故障的发展，异常频率逐步下移到20kHz到60kHz范围，可由冲击脉冲监测到信号,第二阶段：固有频率出现,轴承产生轻微缺陷，激起轴承部件固有频率(fn)振动或轴承支承结构共振，一般在500Hz到2kHz范围； 在第二阶段末期，固有频率周围开始出现边频带,第三阶段：缺陷频率及其倍频,轴承缺陷频率及其倍频出现 随着轴承内磨损的发展，更多的缺陷频率倍频开始出现，围绕这些倍频以及轴承部件固有频率的边频带的数量也逐步上升 此时轴承磨损肉眼可见，并向周围扩展，尤其当轴承缺陷频率周围的许多边频带清晰明确时 应在此时更换轴承,第四阶段：随机宽带阶段,轴承失效接近尾声，甚至工频1X也受影响而上升，并产生许多工频的倍频 原先离散的轴承缺陷频率和固有频率开始“消失”，取而代之是随机的宽带高频“噪声振动”,滚动轴承的监测方法,良好阶段,轻微磨损阶段,加速磨损阶段,通频测量法（总振级测量）,通频测量法（总振级测量）,优点：简单，能反映出轴承因制造或磨损而引起的表面粗糙状况 缺点： 受载荷、润滑、转速的限制 当轴承状态处于上图的区域II时，不易监测,峰值因数法,峰值因数法,Cf XpXrms 峰值的大小可以用来反映滚动轴承某一局部故障点的冲击力大小。因此在检测由剥落、裂纹、胶合、压痕、凹坑等原因所造成的冲击性振动时，峰值Xp比有效值Xrms更能明显地反映出故障状态 正常轴承的振动波峰因数约为45，因剥落等局部缺陷引起的波峰因数往往超过10。局部缺陷愈大，Cf值也就愈大；但是，Cf 值相对较小时，则反映了轴承润滑不良和磨损等异常情况。,故障系数法,监测滚动轴承的早期缺陷和磨损噪声,故障系数法,优点： 简单方便，不必考虑型号、载荷、转速 监测轴承的裂纹和早期磨损 只有一个量程：012 单一报警值：6报警，大于10损坏 可判断早期故障 缺点：不适用于低速轴承600rpm，有冲击的轴承,峭度系数法（K系数）,峭度系数法,优点： 利于发现轴承的早期故障 利于测量低转速轴承 缺点： 不适用于齿轮箱轴承,冲击脉冲法（SPM）,冲击脉冲法是一种通过提取滚动轴承在运转中所产生的冲击能量，并根据此冲击能量的大小来诊断轴承故障程度的方法。 滚动轴承在发生剥落、划痕、裂纹等表面损伤后，运转过程中就会产生冲击振动。研究结果表明，这种振动中，冲击的强弱反映了轴承在一定转速下故障大小的程度。,冲击脉冲法,带通滤波器的中心频率选择在30 40 kHz的较高频段上，一方面是因为在此频段上存在着大部分的冲击能量和表面缺陷的最初征兆，即被冲击而激发起的轴承元件（主要是内、外圈）的各阶固有频率及其谐波成分；另一方面是因为这个频段正好是传感器的谐振频带，而与其它机械构件振动相远离，这样就可以排除常规振动等其它低频背景噪声的影响，从而使谐振放大后的频率成分较为“干净” ，仅存在与表面缺陷冲击有关的频率成分。,冲击脉冲法（共振区包络）,冲击脉冲法,冲击脉冲法,dBN dBSV dBi 020 dBN ：正常状态（绿区）； 2035 dBN ：注意状态（黄区），初期损伤； 3560 dBN ：警告状态（红区），明显损伤； 60 dBN ：完全损坏状态，应该报废。,冲击脉冲法,案例分析1正常的冲击,正常的冲击,有损伤出现,润滑不好,轴承状态代码及损伤代码,Code A 好轴承 Code B 干摩擦轴承 Code C 轴承有损伤,并开始发展 Code D 轴承损坏,Cond 30 轴承有小损伤 Cond 30-40 损伤增加 Cond 40 严重损伤,润滑状态代码,Lub 0 干摩擦状态 Lub 1-2 边缘润滑状态 Lub 3-4 良好润滑状态,滚珠轴承Lub2以上为好 , 滚柱轴承Lub4以上为好,包络分析,包络分析,包络分析,各种方法比较,第四节,齿轮分析,齿轮常见故障,断齿 点蚀 磨损 胶合,齿轮故障的特征信息,啮合频率（fm）及其谐波 fm=f1*z1=f2*z2 f1：主动轮转速频率z1：主动轮齿数 f2：从动轮转速频率z2：从动轮齿数,齿轮故障的特征信息,齿轮故障的特征信息,无论齿轮处于正常状态还是故障状态，在齿轮的振动信号中，啮合频率fm这一振动分量始终都是存在的，只是两种状态下的振幅值大小是有差异的。齿轮啮合情况良好，啮合频率及其谐波的幅值相对较低 。啮合频率及谐波的幅值增大，除了可能与载荷变化等因素有关外，齿轮侧隙不当往往是最直接、最主要的影响因素。造成侧隙不当的具体原因是多样的，除了制造、安装等原因外，齿面磨损也是主要原因之一。,信号调制及边带分析,幅值调制,信号调制及边带分析,齿轮缺陷越集中，边带就越低、越宽、越平坦；缺陷越均布，边带就越高、越窄、越起伏大。,信号调制及边带分析,频率调制（频率波动引起）,信号调制及边带分析,齿轮振动信号的幅值调制与频率调制有三个共同点： 载波频率相等（为啮合频率） 边带频率间隔相等（为齿轮的旋转频率） 边带对称分布于载波频率两侧,小结,小结,轮齿的均匀性磨损、齿侧间隙过大以及齿轮载荷过大等原因引起的故障，将增加啮合频率fm及其高次谐波2fm、3fm、频率分量的幅值，并不产生边带。其中，磨损时，啮合频率高次谐波的幅值增量更大；磨损严重时，二次谐波的幅值甚至超过啮合频率基波的幅值。,小结,齿轮偏心、齿距周期性变化及载荷波动等不均匀的分布故障，将产生幅值调制和频率调制，从而在啮合频率及其谐波两侧形成边频带，边带的间隔频率是有缺陷齿轮的转速频率。其中，齿轮偏心一般只出现下边带（差频）fmn fe （n1,2,3,），上边带一般很少出现。,小结,断齿、齿面剥落及裂纹等集中缺陷的局部性故障，将引起周期性的冲击脉冲，同样产生幅值调制和频率调制。例如，若小齿轮出现一处断齿或两处剥落，则小齿轮每旋转一圈，将产生一次或两次明显的周期性碰撞冲击。在此类情况下，啮合频率为脉冲频率所调制，在啮合频率及其谐波两侧形成一系列边频带，边带的特点是边频数量多、范围广、分布均匀且较为平坦。此外，严重的局部断齿还会导致旋转频率及其谐波的幅值增加。断齿的主要特征还是齿轮的旋转频率和啮合频率的幅值产生明显增长。,小结,点蚀、划痕（即轻度的胶合）等分布比较均匀的缺陷，同样也将产生周期性冲击脉冲和调幅、调频现象。但是，与断齿等局部故障的不同之处是，其在啮合频率及其谐波两侧分布的边带阶数少而集中，边带特点是高而窄、幅值变化起伏大。然而，随故障发展、程度恶化，其图形也将发生变化。,细化谱,细化谱分析法是通过采用频率细化技术来增加频谱图中某些频段上的频率分辨率，即所谓的“局部频率扩展”法。,倒谱,倒谱,图(a)为某齿轮箱的功率谱图，频率范围为020kHz,谱线为400条。可看到4.3 kHz的啮合频率及其二阶和三阶谐频。因频率分辨率太低(50 kHz)，不能分解出边频带。图(b)是3.513.5 kHz频段的细化功率谱(2000线)，由于分辨率较高(5Hz)，可看到很多边频成分，但很难分辨出它们的周期。图(c)是对图(b)中7.59.5 kHz频段的细化放大，可以比图(b)更清楚看到由齿轮旋转频率而形成的边频带。图(d)是由图(b)而得到的倒频谱图，清晰地表明了对应于两个齿轮85Hz(11.8ms)和50Hz(20ms)的旋转频率，两个齿轮各自的各阶次边频成分的能量，而这在功率谱上是难以准确地分辨出来的。,倒谱,何时使用位移、速度、加速度,何时使用位移、速