振动分析基础讲义.ppt

设备状态监测与故障诊断技术 内部培训教材,设备状态监测与故障诊断技术 目录 第一节 状态监测与故障诊断技术的含义、目的和发展 一、设备诊断的含义 二、设备故障诊断的目的 三、设备诊断技术的发展 第二节 状态监测与故障诊断常用的方法 一、声学监测方法 1、声音和噪声的测量 2、超声波诊断方法 二、温度监测方法 1、简易温度监测方法 2、红外测温监测技术 三、无损检测技术 1、渗透探伤法,2、磁粉探伤法 3、涡流探伤法 4、射线探伤法 5、光学探伤法 四、油液分析技术 1、分析式铁谱仪分析技术 2、直读式铁谱仪分析技术 3、光谱分析技术 五、振动分析技术 1、频谱分析技术 第三节 故障诊断的思路、方法 一、状态监测和故障诊断广义上讲涉及到社会领域的各个方面 二、减少设备故障发生，准确判断故障原因是我们故障诊断分析的 任务 三、检测仪器及检测方法的局限性和片面性 四、现场设备的分类及监测 五、反向推理诊断分析,六、正向推理诊断分析（明确振动故障范围） 七、设备信息及故障信息的收集 1、设备的型号、各项参数 2、设备的基本机构、性能、用途 3、设备的工艺参数 4、设备轴承形式 5、联轴器形式 6、齿轮箱情况 7、故障发生的经过 8、设备的运行及检修历史 八、故障原因的直观寻找 九、做好故障诊断的客观因素 第四节 振动分析基本常识 一、振动的常用术语 1、机械振动 2、涡动 3、振幅 3.1 振幅 ,3.2 峰峰值、单峰值、有效值 3.3 振动位移、振动速度、振动加速度 4、频率 5、相位 5.1 同相振动、反相振动 6、相对振动、绝对振动 7、径向振动、轴向振动 8、刚性转子、挠性转子 9、刚度 10、临界转速 11、谐波、次谐波 12、同步振动、异步振动、亚异步振动、超异步振动 13、动压轴承、静压轴承 二、振动诊断的常用图谱 1、波形图 2、频谱图 3、轴心轨迹图 4、振动趋势图,5、轴心位置图 6、全息谱图 7、波德图 8、奈奎斯特图 第五节 振动频谱分析技术 一、物理解释频谱中的每条谱线 1、振动频谱中存在哪些频谱分量 2、每条频谱分量的幅值多大 3、这些频谱分量彼此之间存在什么关系 4、如果存在明显的高幅值的频谱分量，它的精确的来源 二、现场频谱分析要点 1、无故障时：随机信号，振动幅值低小，整个振动小 2、有故障时：随机信号+周期信号，振动幅值增大，振动频率域 扩大，振值总值增大 3、频率形态（大小及其变化等）代表故障类型 4、幅值代表故障劣化程度 5、确认主要故障和诱发故障,6、对转动设备进行故障诊断时要将电机和被牵引部分作为整体来 考虑 7、测量位置的选择 8、测量参数的选择 三、频谱中的异常频率分析 1、振动频率以基频为主 2、主要异常振动分量为低频 3、主要异常振动分量为二倍频 4、其它频率为主要异常振动分量 第六节 常见设备故障的机理及诊断 一、转子质量分布不平衡 1、力不平衡 2、力偶不平衡 3、动不平衡 4、转子动不平衡的主要征兆与信号特征 二、转子偏心 三、轴弯曲,四、转子不对中 1、角不对中 2、平行不对中 3、轴承不对中 4、转子不对中的主要征兆与信号特征 五、共振 六、转子与定子摩擦 七、松动故障 1、结构框架或底座松动 2、轴承座松动 3、转子热套过盈不足 八、滑动轴承故障 九、滚动轴承故障 十、气流激振故障 十一、气流涡动 十二、空心转子进液 十三、齿轮故障,1、齿磨损故障 2、齿轮的负载故障 3、齿轮偏心和齿隙游移 4、齿轮不对中故障 5、齿断或齿裂故障 6、轴承配合松动 十四 转子或轴裂纹的诊断 第七节 设备振动标准参考 一、国际标准化组织标 1、ISO7919-15 非往复式机器的机械振动-在旋转轴上的测 量和评价 2、ISO10816-16 机械振动-在非旋转部件上测量和评价机器 振动 3、ISO5348(GB/T14412-93) 机械振动与冲击-振动加速度计 的机械固定 4、ISO2954(GB/T13824-92) 旋转式和往复式机器的机械振动 对测量振动烈度仪器的要求,5、ISO5347(GB/T13823.1-93) 振动与冲击传感器的校准方法 基 本概念 6、ISO1952/1(GBGB/T6444-1995) 机械振动-平衡术语 7、ISO1940/1(GB9239-88)刚性转子平衡品质许用不平衡的确定 8、ISO5343(GB6558-86) 柔性转子平衡的评定准则 9、ISO2372(GB6075-85) 工作转速在10200赫兹的机器的机械振 动-规定评定标准的基础 10、ISO3945(GB11347-89)工作转速在10200赫兹的机器的机械振 动-现场振动烈度的测量和评定 11、ISO10817-1旋转轴振动测量系统-第一部分： 测量径向方向 相对振动信号和绝对振动信号 12、ISO10817-2 旋转轴振动测量系统 第二部分：信号处理 二、有关机器状态监测和故障诊断方面的国际标准 1、ISO13372机器状态监测和故障诊断领域的术语 2、ISO13373机器的状态监测和故障诊断-机器的振动监测 机器振动状态监测程序 机器振动状态监测的数据处理和分析程序 与机器振动状态监测有关的信息交换的数据通讯格式和方法 提供和显示机器振动监测所用的数据的格式,3、ISO13374诊断用的机器状态监测数据处理和分析程序 (包括 通讯格式，数据显示交换的方法 4、ISO13375为诊断目的交换与机器状态监测有关的信息的数据 通讯格式和方法 5、ISO13376为诊断目的提供和显示机器状态监测中所用的数据 的格式 6、ISO13377振动状态监测仪表系统 7、ISO13378振动状态监测传感器 8、ISO13379利用与某机器状态有关的信息和数据的数据解释和 诊断技术 9、ISO13380 机器性能监测和诊断，包括热，电子和水力学因素 ，环境状态和产品质量10、ISO13381数据解释和诊断技术，利用 与机器过去和现在状态有关的信息和数据预测其将来可能的状态， 表现和性能(预测) 11、ISO14380以摩擦学为基础的机器监测 三、中石化旋转机械振动标准SHS 01003-2004关于机器振动烈度的 评定等级,第三节 故障诊断的思路方法,一、状态监测和故障诊断广义上讲涉及到社会领域的各个方面 状态监测和故障诊断广义上讲涉及到社会领域的各个方面，比如人们定期到医院体检就是对影响我们身体健康的血压、血脂、心率等指标的检查，这就是对我们身体的状态检测，当这些指标出现异常或我们感觉身体某部位不舒服时去看医生，这就是对我们身体的一种故障诊断。 我们每个人身边随时随地都会遇到一些问题，并对这些问题进行判断，因此可以说我们每个人都已经从事故障诊断好多年了,二、减少设备故障发生，准确判断故障原因是我们故障诊断分析的任务 能及时地、正确地对各种异常状态或故障状态作出诊断，预防或消除故障，对设备的运行进行必要的指导，提高设备运行的可靠性、安全性和有效性，以期把故障损失降低到最低水平 是我们故障诊断的目的 减少设备故障发生是我们故障诊断分析的延续,三、检测仪器及检测方法的局限性和片面性 首先向大家强调的是任何检测仪器都不是万能的，都有它的局限性和片面性，它只是我们使用的工具和判断故障的重要的依据之一，关键还是在我们使用仪器的人,我们用于诊断故障的每一种分析方法都针对性，同时也具有局限性。例如在振动分析中，时间波形虽然简单，但在某些场合非常有效；频谱虽然与大多故障特征具有对应关系，有时候也不能准确地反映机组运行状态。从不同的角度（域）看问题，得到的信息肯定也是局部的。,四、现场设备的分类及监测 我们现场的设备可以归并为两类，即动设备和静设备，比如利用红外热像、超声波仪器对电器开关、变压器的温度检测和阀门的内漏检测等等，都是常用的对静设备的检测方法，它得到的结果比较直观，有问题就是有问题，没问题就是没问题，而且影响结果的因素非常少，通常可以直接判断出故障原因，就因为结果比较直接，所以对电器设备的红外热像的监测诊断就有部颁的诊断标准，而不只是温度标准，而对于动设备而言其影响因素多，并且往往相同的振动特征对应着不同的设备故障，所以现在我们只有各类的振动标准，而没有成熟的诊断标准，这就需要我们在进行故障诊断时有清晰明确的诊断思路，首先应该考虑到什么，这个设备的故障原因都有哪些，优先提取哪些故障特征？才能快速准确的判断部位和原因。,振动实例：排烟风机振动诊断,排烟风机振动概述 ：某电厂#1号排烟风机形式为双吸、双支撑、齿式联轴器传动,自2001年2月以来，运行状态一直不稳定，以基频为主，3倍频较为突出，但振幅及频谱峰值发展趋势稳定，通频幅值较小（60um）符合振动标准（100um）要求。4月25日检修部门停排烟风机，进行轴封漏油处理，20小时后重新开机发现振幅慢慢上涨，到4月26日振幅涨至180um（径向）且还有上涨趋势，于是停机准备做转子动平衡(由于3倍频较为突出，所以转子不平衡不一定是引起振动的主要原因，但是为了维持设备运行，只要相位稳定，适当加重可以减小振幅)，重新开机进行相位数据测试时发现振幅发生突变，最初只40um，且相位波动较大，由于2号发电机组正在检修，1号风机长时间停机将影响整个发电机组1/3负荷，决定加强监测继续运行，至5月9日振幅涨至220um。,测点1,测点2,测点3,测点4,电机转速： 740/分 输送介质： 烟气 介质温度： 145 轴承型号： 3540,风机结构、测点布置图,由于振动以水平为主，且3、4号测点频谱一致，只是4号测点频谱幅值略微小于3号测点，所以只列举3号测点水平频谱。,提取振动特征量,1、测点1、2三个方向振动幅值均小于38um，测点3轴向50um ，水平220um 垂直19um；测点4轴向41um，水平170um，垂直16um,2、振动幅值不稳定，最大波动范围达070um,3、属于径向振动且振幅与负荷变化无关,4、停起机时振幅发生突变,5、振动相位不稳定，变化范围达050,提取振动特征量,6、振动以工频为主，3倍频较为突出，并伴随有高次谐波,7、3号测点轴承座基础左右振动偏差55um,故障分析,振幅波动及相位不稳定,1、磨擦可造成振幅波动及相位不稳定，它应与负荷大小有关系，1号排烟 风机各轴封均为软密封，且轴封及4号测点轴端处无发热现象，风机内部集流器经检查，间隙符合标准要求，在时域波形中也没有发现其明显的削波现象,2、当存在机械松动时，由于转子振动的非线性，使转子始终处于不稳定的运行状态，可产生振幅波动及相位不稳定,根据ENTEK电机诊断仪对电机的测试，发现电机转子运行正常，而且电机各测点的振幅均小于38um，因此可排除电机引起振动的因素,故障分析,3、不稳定气流引起振幅波动及相位不稳定时轴向振幅应较大，由于气流的涡动还将造成机壳的振动，当涡流严重时并伴有低吼声，对流量的改变振幅变化非常明显，实际监测中并没有此现象且机壳无较大漏风量，调节档板亦同步动作。,起停机振幅突变,1、叶轮上如果有移动或脱落物体时将造成振幅的突然改变，但叶轮并无积灰和可移动或脱落的物体,2、当存在机械松动时，由于设备在启动过程中力矩较大，及存在温差等关系，相对松动部件易出现卡涩现象，使振幅突然变大或减小，在一定时间内形成较稳定的运行状态。当设备温度趋于正常，且零部件充分膨胀后，振幅将迅速上涨,故障分析,基频振动,1、转子质量不平衡是始终存在的一种激振力，将产生基频振动，振幅与负荷大小无关，但其振动相位应该稳定，且振幅突然改变后振幅在40um50um能够维持较长时间2小时2天，说明它不是主要振源。,2、基础刚度及连接刚度不足时将产生基频振动。轴承座各连接螺栓经探伤及振动测试均连接牢固，但测点3处轴承左右侧基础振幅存在较大差值，说明基础刚度存在不足。,3、如是联轴器不对中时，由于其在传递运动和转矩时产生附加径向力和附加 轴向力，产生基频的同时应伴随有较大峰值的2倍频出现，但频谱中并没有突出的2倍频，且对于双支撑的旋转机械若联轴器不对中时轴向振幅应较大，并与负荷有密切关系,故障分析,4、轴热弯曲造成的基频振动应与负荷的改变有密切关系，振幅相对于负荷的改变存在滞后现象，随设备的稳定运行，整机温度趋于均匀振动会逐渐减小。,3倍频及高次谐波振动,1、有资料说明频谱中出现3倍频是由于轴与旋转体存在过盈不足引起。,2、由于磨擦或松动是非线性和时变的，因此产生非线性振动，将出现大量的高次谐频。,3、轴承不对中时，由于平衡位置发生变化，使轴系载荷重新分配，轴承油膜呈非线性，在一定条件下出现高次谐波。,故障分析,从以上分析可以看出，影响1号排烟风机振动的因素有转子不平衡、基础刚度不足、机械松动。由于振动突变后，振幅在4070um运行时间较长，可断定转子不平衡及基础刚度不足不是引起振动的主要原因。根据1号排烟风机结构特性，机械松动包括轴承与轴承座配合间隙不当，轴与旋转体存在过盈不足。其中轴与旋转体存在过盈不足包括，叶轮与轴过盈不足、轴承内圈与轴过盈不足、联轴器与轴过盈不足，联轴器经检查测试不存在松动，而叶轮无任何检测手段,当叶轮与轴过盈不足失去紧力时，将产生随设备运行工况的变化而变化的不稳定不平衡，不过叶轮套装连接处设有键，因此不论是低速或高速下，其圆周方向都不能自由移动，而且径向不对称位移量很小，其直接引起的不平衡量很小。由于轴承内圈与轴过盈不足和轴承座配合间隙不当两者振动特征相似，以及两轴承之间振动的传递由于是非线性的，且3号测点基础存在问题，所以并不能确定振动大的轴承存在松动，所以从3、4测点取油样进行铁谱分析，经分析发现4测点有大量轴严重磨损的颗粒（80150um）及切屑（50100um），而没发现轴承座所特有的铸铁磨粒，说明轴承跑内圈，3号测点油样经分析都是正常磨损颗粒。由于在其他激振力很小的情况下，轻微松动对其激振力放大并不明显，1号排烟风机振动的严重超标，说明轴乘内圈与轴存在严重过盈不足，且可能引起了轴承不对中。,应对措施,针对以上分析进行检修时发现测点4轴承严重跑内圈，轴径被磨掉1700um，在对轴径进行修补时采用了可塞新技术，24小时后恢复安装，为了以后便于观察叶轮与轴是否松动，在其结合面打了细钢印。检修完毕，重新试机各测点振幅均小于50um。,修后测点3水平频谱,五、反向推理诊断分析 反向推理也称目标直接推理，它是依据振动特征反推出振动故障原因，因此称它反向推理。在推理过程中只与单一的目标有关，当振动特征与故障特征符合时，即可做出诊断。所以反向推理诊断故障容易掌握，不需要了解故障范围，而只要对有关的故障特征有所了解，即可进行诊断，所以目前已获得广泛应用，在判断简单故障时是非常快捷有效的，但应对高参数、结构复杂的设备在实际诊断振动故障时往往也有弊端。,六、正向推理诊断分析（明确振动故障范围） 使用正向推理诊断故障的前提，是振动故障范围 必须明确，具体推理方法是在能够引起设备振动的全部原因中，与实际设备存在的振动特征、故障历史、进行搜索、比较、分析、采取逐个排除的方法剩下不能排除的故障即为诊断结果-某种故障不能排除。,振动故障范围,当今设备振动划分方法，是首先将设备振动按振动性质划分为普通强迫振动、电磁振动、拍振、随机振动、自激振动、参数振动、汽流激振、摩擦涡动等，然后按振动类别将振动故障原因再分类。,普通强迫振动：,A、电磁激振：在普通强迫振动中，两极发电机转子产生不均衡电磁力的频率为fp（转子工作频率）；产生均衡电磁力的频率为2fp。,B、高次谐波共振：振动系统中具有某种共振响应，其频率为激振力频率的整数倍，即f=Kfp(K=2、3.4)，这种现象称为高次谐波共振。,C、分谐波共振：动系统中具有某种共振响应，其频率为激振力频率的整数分之一，即f=fp/K(K=2、3)，这种现象被称为分谐波共振，也称亚谐波或分数振动。,D、随机振动：随机振动的频率和振幅都是随机的，产生这种振动的激振力是由不规则的冲击所激起的，所以在振动波形上包含了冲击的强迫振动（非周期性）和衰减的自由振动两种，,E、撞击振动：传动齿轮的轮齿撞击或活动式联轴器的磨损，将会产生这种振动,拍振： 两个振动频率相近而又不成整数倍的简谐振动的叠加便形成拍振，现场较常见的拍振多发生在两个基础相邻、功率较大的异步电动机驱动的水泵、风机轴承上。两个异步电动机铭牌转速虽相同，但在实际运行中，由于所带的负荷不同，电动机转速是有差别的，从而造成激振频率不同；由于振动的相互传递，从而形成拍振。,自激振动： 是指振动系统通过本身的运动，不断地向振动系统内馈送能量，它与外界激励无关，完全依靠本身的运动来激励振动。自激振动也称负阻尼振动，因为这时振动系统的阻尼是负值，由振动物体运动所产生的阻尼力非但不阻止振动，反而进一步激励振动，从而形成并维持振动。,气流激振： 汽封腔内压力周向变化起的激振力，由于轴封腔室内径向压差引起原转子涡动力比直观想像要大得多。 汽流激振特征是：振动频率低于转子工作频率、振动有良好的再现性。,振动特征和振动机理 掌握故障特征和故障机理是获得正确诊断结果的先决条件，那么正确获取设备振动特征和振动机理，是获取准确必要条件，若采用正向推理，首先应全面地获取振动特征及其历史，查明振动机理，只有这样才能排除所有的无关故障，获得肯定的诊断,七、设备信息及故障信息的收集,1、设备的型号、电机级数、电压、电流；设备的转速、临界转速等参数,2、设备的基本机构、性能、用途，如基础是混凝土还是钢制框架，是刚性基础还是弹性基础；转子是悬臂支撑还是双支撑、单级还是多级；叶轮叶片数目、是否变频调速、工作介质、密封形式等。,3、工艺参数：如工艺介质、流量、压力、温度；润滑油类型、油压、温度等。,4、轴承形式 是滚动轴承 还是滑动轴承 ，是深沟球轴承、角接触轴承 ，还是椭圆瓦、可倾瓦,5、联轴器形式：刚性连接还是弹性连接；齿型连接还是膜片连接,6、齿轮的形式、布局、齿轮齿数、速比等,7、故障经过：发生故障前后的经过，以及故障前后油温、振动等参数的变化，故障停机过程中有什么异常等等,8、设备运行历史：是否有过同类故障现象，故障发生前是否进行过检修作业，如果是，更换过什么零部件，调整过什么间隙等等,八、故障原因的直观寻找 由于是采用肉眼或一般的测量直观去寻找，因此能找到的振动故障必然是直观可见的故障，例如轴承座松动、台板接触不好、转子上存在自由活动部件等，对于直观不能发现的故障，例如转子不平衡，系统共振，转子存在热弯曲等故障，即使多次寻找，也无法查明。 这样有利于快速排除故障原因，如转机地脚刚度不足，从仪器上分析只有基频分量，而基频分量对应多种故障，易使振动分析复杂化，而使用简易振动表或用手贴紧底座结合面则很容易发现,事例一、轴电流故障,一台发电机组为20万千瓦火力发电发电机组,2004年8月23日检修完毕投入运行，运行状态稳定各瓦振动均在30um以下，8月24日运行人员发现37瓦反复发生振动跳跃，最大振动达160um，但每次发生振动后瞬间消失现场没有明显振感，在振动其间机组各参数正常且没有进行任何操作。采集数据如下,dcs系统采集各瓦的振动趋势,故障分析,根据现场观察发现其典型故障特征为，振动具有突然性及瞬间性，振动无扩散，无时滞性,且毫无时间规律，因此可排除由于转子部件突然脱落造成失衡或其它机械原因,当振动发生突变时，现场没有明显振感，也可以排除地震勘探等环境因素的干扰,由于当振动产生时，机组各运行参数稳定，可排除由于调整运行参数造成转子碰磨等原因造成的机组振动,通过采集数据可发现振动频谱中无明显谐波成分，但波形不规则、不稳定，并且是延续的，说明存在不规则扰动,通过以上分析可以确定此次振动为干扰信号，排除了传感器连接线路方面的干扰影响后,认为影响传感器信号的直接因素一般为静电，为确认是否存在静电干扰，将传感器与轴承座绝缘进行测量发现信号正常，而去掉绝缘垫采集信号被干扰,轴电流故障产生的原因及危害,发电机组轴上产生了电压的一般原因为发电机磁通的不对称 及高速蒸汽产生的静电 ，由于在发电机同轴的汽轮机轴封不好，沿轴的高速蒸汽泄漏或蒸汽在汽缸内高速喷射等原因使轴带电荷。这种性质的轴电压有时很高，当人触及时感到麻手，由于对地有一定的电位差, 如果感应电压得不到处理，或者电压释放系统（通常是轴接地碳刷）不能正常工作，那么该电压会寻找代替的路径到地。则相应的金属体就会成为感应电压的接地导体。非常典型的就是转子的轴承或密封件，由此产生的电弧就是静电放电。这些电弧会损伤金属表层和增大部件间的正常运行的密封间隙。而如果没有及时处理，会使润滑冷却的油质逐渐劣化，轴承和密封件会逐渐损伤，转子的动态特性将慢慢改变，严重者会使轴瓦烧坏，被迫停机造成事故。,故障处理,当时对这个故障的处理非常简单,因为当轴产生电压后通过接地炭刷来消除，所以首先检查炭刷接地情况，在检查过程中发现当触及炭刷时出现打火且振动发生跳跃现象，说明炭刷与轴接触不良，经检查炭刷表面布满油泥，经清后机组运行正常。,九、做好故障诊断的客观因素 领导对此项工作的重视程度 监测诊断工作岗位设定 参考资料的严谨程度,第四节 振动分析基本常识,一、振动的常用术语,1、机械振动 物体相对于平衡位置所作的的往复运动称为机械振动。简称振动 振动用基本参数、即所谓的“振动三要素” 振幅、频率、相位加以描述,2、涡动 转动物体相对于平衡位置所作的旋转运动称为涡动。 物体涡动时，是在绕着自身对称轴旋转（自转）的同时，对称轴又进一步在绕着某一平衡位置旋转（公转），所以涡动又称为进动。,3. 振幅 3.1 振幅 振幅是物体动态运动或振动的幅度。 振幅是振动强度和能量水平的标志，是评判机器运转状态优劣的主要指标,3.2 峰峰值、单峰值、有效值 振幅的量值可以表示为峰峰值（pp）、单峰值（p）、有效值（rms）或平均值（ap）。,3.3 振动位移、振动速度、振动加速度 振幅分别采用振动的位移、速度或加速度值加以描述、度量,5. 相位 相位是在给定时刻振动部件被测点相对于固定参考点所处的角位置，单位是度。,4. 频率 频率f是物体每秒钟内振动循环的次数，单位是赫兹 Hz 。 频率是振动特性的标志，是分析振动原因的重要依据,5.1 同相振动、反相振动 当两个振动的相位相同、即相位差为0（或360）时，则称此两振动为同相振动。 当两个振动的相位相反、即相位差为180时，则称此两振动为反相振动。,5.2 相位的应用 相位在振动领域有着许多重要的应用，主要用于比较不同振动运动之间的关系，比较不同部件的振动状况，比较激振力与响应之间的关系，确定不平衡量的方位，等等,6. 相对振动、绝对振动 相对轴振动是指转子轴颈相对于轴承座的振动，即通常所说的转子的振动，一般用非接触式电涡流位移传感器来测量。 绝对轴振动是指轴承座振动它可用磁电式速度传感器或压电式加速度传感器来测量,7、径向振动、轴向振动、扭转振动 转子的振动从空间活动度上分，有径向振动、轴向振动、扭转振动。 径向振动是指转子在垂直于轴线方向上的涡动。 轴向振动是指转子在轴线方向上的往复振动。 扭转振动是指转子以轴线为转轴的扭转振动。简称扭转。,8、刚性转子、挠性转子 工作转速低于第一临界转速的转子称为刚性转子。 工作转速高于第一临界转速的转子称为挠性转子。,9、刚度 使弹性体产生单位变形y所需的力F称为刚度k，kF/y 。刚度反映了弹性体抵抗变形的能力。旋转机械转子的刚度包括静刚度和动刚度两个部分，静刚度决定于结构、材质、尺寸，而动刚度既与静刚度有关，也与支座刚度、连接刚度等有关,10、临界转速 临界转速就是转子轴承系统本身的固有频率。 临界转速完全是由转子轴承系统本身的固有特性（刚度、质量等）所决定的，与外界条件（如不平衡力、介质负荷等）无关。,11、谐波、次谐波 在通频信号中，频率等于转速频率整数倍的分量称为转速频率的谐波，简称谐波。如一倍频（1X）、二倍频（2X）、三倍频（3X）分量等。 次谐波是指通频信号中所含频率等于转速频率整分数倍的分量，也称为分数谐波。如半频（0.5X）、三分之一倍频（1/3X）分量等。,12、同步振动、异步振动、亚异步振动、超异步振动 同步振动是指频率成分与转速频率成正比的振动。一般情况（但不是全部情况）下，同步成分是转速频率的整数倍或者整分数倍，不管转速如何，它们总保持这一关系，如一倍频（1X），二倍频（2X），三倍频（3X），半频（0.5X）,三分之一倍频（1/3X）等。由不平衡、不对中所引起的振动都是同步振动。 异步振动是频率成分指与转速频率无整数倍或者整分数倍关系的振动，也可称为非同步运动。摩擦引起的振动既有同步振动又有异步振动。 亚异步振动是指频率成分低于转速频率的异步振动。由油膜涡动、密封流体激振、旋转失速等所引起的振动都是亚异步振动。 超异步振动是指频率成分高于转速频率的异步振动。由滚动轴承、齿轮缺陷所引起的振动都是超异步振动。,13、动压轴承、静压轴承 静压轴承是依靠润滑油在转子轴颈周围形成的静压力差与外载荷相平衡的原理进行工作的。不论轴是否旋转，轴颈始终浮在压力油中，工作时可以保证轴颈与轴承之间处于纯液体摩擦状态。 动压轴承油膜压力是靠轴本身旋转产生的，因此供油系统简单，设计良好的动压轴承具有很长的使用寿命,二、振动诊断的常用图谱 1、波形图 波形图显示了振动位移与时间的关系，又称幅值时域图。 波形图既可以是通频波形图，即显示通频振动位移（总振值）与时间(周期)的关系，也可以是一倍频波形图、二倍频波形图、0.5倍频波形图、等。通常，主要是看通频波形图。（一倍频、二倍频、0.5倍频的波形图在轴心轨迹图可以看到。）,典型的对中不良时，波峰翻倍，波形稳定、重复性好,2、频谱图 频谱图显示了各振动分量的频率及其振幅值。 正常运转状态下的频谱图通常是：一倍频最大，二倍频次之、约小于一倍频的一半，三倍频、四倍频x倍频逐步参差递减，低频（即小于一倍频的成份）微量。,3、轴心轨迹图 轴心轨迹图显示了转子轴心相对于轴承座涡动时的运动轨迹，正常运转状态下的转子轴心轨迹应该是一个较为稳定的椭圆形。,对中不良时，为月牙状、香蕉状，严重时为8字形,4、振动趋势图 振动趋势图显示了振幅及相位与时间的关系。 通过振动趋势图可以看到异常振动的起始时间、终止时间、持续时间。通过振动趋势图，还可以更加清晰地看到工频、二倍频、0.5倍频等主要频率成份的幅值随时间变化的形态。,5、轴心位置图 在忽略振动的前提下，轴心位置图显示了转子轴心相对于轴承中心的稳态位置。 通过轴心位置图可以看出偏位角、偏心距、最小油膜的厚度，从而判断转子运行是否平稳。,6、全息谱图 全息谱图全面反映了在同一测量截面上转子主要振动分量的振幅、相位、频率信息。 全息谱图实际上是将两个相互垂直的探头所测得的同一阶次频率谐波合成后的轴心轨迹图集合在一起，在分析较疑难的故障时其作用更加明显。,全息谱图中工频的轴心轨迹应该为较规整的椭圆（二倍频相反，为极偏的椭圆或接近直线），即长、短轴相差不大。若工频轨迹为正圆或接近为正圆，转子在各个方向上的工频幅值相同或相近，与转子弯曲后的实际涡动轨迹一致，表明为典型的动不平衡。若工频轨迹为极偏的椭圆或接近直线，转子在椭圆长轴或直线方向上的工频幅值要比其它方向大得多，振动的方向性十分明显，与转子弯曲涡动轨迹不再一致，而轴承、支承刚度上的差异显现出来。,7、波德图 波德图显示了转子振幅和相位随转速变化的关系曲线。 从波德图上可以得到以下信息： 转子系统在各种转速下的振幅和相位； 转子系统的临界转速； 转子系统的动态放大系数Q(Q=临界转速下的峰峰值操作转速下的峰 峰值 )，动态放大系数过大，很可能是不安全的； 转子的振型； 系统阻尼的大小； 转子是否发生热弯曲； 由以上这些信息可以获得有关转子轴承系统的刚度、阻尼特性以及转子的动平衡状况。,实例、转子热弯曲,汽轮机启动时，（工频）振动值几乎为零。升速过程中，振动值很小，基本为13m，最大不超过8m，相位随转速变化，都显正常。问题是在远离临界转速（约为3700 r/min左右）的2000 r/min下暖机跑合时，振动值用30分种由2m、3m逐步上升到60m、75m，同时相位也发生了变化。在转速稳定不变的情况下，工频的幅值及相位发生变化，表明转子的平衡状态发生了变化；由于是缓慢变化，表明很可能是发生了转子因热膨胀受阻或受热不均匀而产生的热弯曲。停车过程中（在降到600 r/min后，又有一次升速到1000 r/min，并再次发生热弯曲的现象），随转速降低，振动值降低、但相位基本不变（其中一次变化为再次热弯曲），进一步验证了为热弯曲。停车后，振动值（分别为12.5m、25.6m）和相位都回不到原来值，表明已形成了永久性弯曲。,8、奈奎斯特图 奈奎斯特（Nyquist）图把开停机过程中振幅与相位随转速变化关系用极坐标的形式表示出来，又称极坐标图。 奈奎斯特图用一旋转矢量的点代表转子的轴心，该点在各转速下所处位置的极半径就是转子的径向振幅，该点在极坐标上的角度就是此时振动的相位角。这种极坐标表示方法在作用上与波德图相同，但比波德图更为直观。,第五节 振动频谱分析技术,1.振动频谱中存在哪些频谱分量？,2.每条频谱分量的幅值多大？,3.这些频谱分量彼此之间存在什么关系？,4.如果存在明显的高幅值的频谱分量，它的精确的来源？它与机器的零部件对应关系如何？,振动分析是故障诊断的一种，故障诊断并不一定就是振动分析, 但在转动设备故障分析中,振动分析是最有效的一种,几乎所有的故障在频谱上都有反映 一、物理解释频谱中的每条谱线 我们利用振动频谱分析仪进行故障分析，实际就是把频谱上的每个频谱分量与监测的机器的零部件对照联系，给每条频谱以物理解释,压缩机组振动频谱中包含机器零部件的机械状态信息,压缩机,电动机,齿轮箱,振动速度,频率,电动机转子动平衡,电动机与低速齿轮轴联轴器对中,压缩机转子动平衡,压缩机与高速齿轮轴联轴器对中,齿轮啮合，齿缺陷,电机转速N0=1480转/分=24 . 6667赫兹 压缩机转速N1=6854.7转/分=114 . 245赫兹 小齿轮齿数Z1=38 大齿轮齿数Z0=176 齿轮啮合频率Fm=N0Z0=N1 Z1 =4341 . 3赫兹 齿轮边带频率Fb=Fm i N0 或 Fm i N1,N0,2N0,3N0,N1,2N1,3N1,Fm,N1,N1,N1,N1,N0,N0,N0,N1,N1,N1,高速齿轮左边带族,高速齿轮右边带族,低速齿轮左边带族,低速齿轮右边带族,高 速 齿 轮,低 速 齿 轮,振动频谱中包含了如下信息,电动机转子动平衡,电动机转子与定子等小间隙摩擦,电动机与低速齿轮轴之间联轴器对中,压缩机转子动平衡,压缩机转子与壳体间摩擦,压缩机与高速齿轮轴之间联轴器对中,齿轮啮合和齿轮缺陷,各轴承运行状况等等机器主要零部件的机械状态信息,压缩机,电动机,齿轮箱,振动速度,电动机转子动平衡,电动机与低速齿轮轴联轴器对中,压缩机转子动平衡,压缩机与高速齿轮轴联轴器对中,齿轮啮合，齿缺陷,N0,2N0,3N0,N1,2N1,3N1,Fm,N1,N1,N1,N1,N0,N0,N0,N1,N1,N1,高速齿轮左边带族,高速齿轮右边带族,低速齿轮左边带族,低速齿轮右边带族,高 速 齿 轮,低 速 齿 轮,二、现场频谱分析要点,1、无故障时：随机信号，振动幅值低小，整个振动小。,2、有故障时：随机信号+周期信号，振动幅值增大，振动频率域扩大，振值总值增大,3、频率形态（大小及其变化等）代表故障类型,4、幅值代表故障劣化程度。,5、 确认哪种故障是主要故障，哪种故障是诱发故障,6、对转动设备进行故障诊断时要将电机和被牵引部分作为整体来考虑,7、测量位置的选择,8、测量参数的选择,振动加速度传感器固定自振频率和最高可用频率,螺栓固定,振动加速度传感器的固定,最高可用频率(赫兹),固定自振频率(赫兹),胶粘结固定,螺栓固定在稀土磁铁座上,固定在快速连接螺栓固定上,用2英寸长探杆手持固定,不祥,16250,9000,7500,6000,800,31887,12075,10150,1475,可用的频率范围为传感器固定自振频率Fn的约50%,振动加速度传感器的频响特性,10 赫兹,27K 赫兹,频率,振动幅值,5K 赫兹,高频振动区域,常规振动区域,5赫兹,低频振动区(通常需要使用专用的低频加速度传感器),振动加速度传感器固定自振频率Fn,可用的频率范围为传感器固定自振频率Fn的约50%,10K 赫兹,普通振动传感器 不宜使用的高频振动区域,1K 赫兹,ISO和 GB规 定 的 振 动 烈 度 测 量 频 率 范 围,三、频谱中的异常频率分析 1、振动频率以基频为主 工频在所有情况下都存在，工频幅值几乎总是最大，应该在其发生异常增大的情况下才视为故障特征频率。 工频所对应的故障类型相对较多。多数（60以上）为不平衡故障，如转子发生机械损伤脱落（断叶片、叶轮破裂等）、结垢、初始不平衡，以及轴弯曲等；同时，相当数量（接近40）为轴承故障，如间隙过大、轴承座刚度差异过大、轴颈与轴承偏心、轴承合金磨损等；此外，还有刚性联轴器的角度（端面）不对中，支座、箱体、基础的松动、变形、裂缝等刚度差异引起的振动或共振，运行转速接近临界转速等。 2、主要异常振动分量为低频 低频所对应的故障类型相对复杂。可进一步分为两种类型，一种是分数谐波振动，频率为转速频率的整分数倍数，如1/2倍频、1/3倍频、，且频率成分较多，多数为摩擦及松动故障，如密封、油封、油挡的摩擦，轴承瓦背紧力不够、瓦背接触面积偏小等；另一种是亚异步振动，频率为转速频率的非整分数倍数，相应的故障有旋转失速、油膜涡动、油膜振荡、密封流体激振，其中油膜振荡、密封流体激振为自激振动，是一种很危险、能量很大的振动，一般发生在转速高于第一临界转速之后，多数是在二倍第一临界转速以上，频率成分较为单一。 也就是说低频振动主要是轴承、气流脉动、发生摩擦、松动等故障引起,3、主要异常振动分量为二倍频时 二倍频在所有情况下也几乎都存在，幅值往往低于工频的一半以上，常伴有呈递减状的三倍频、四倍频、，也应该在异常增大的情况下视为故障特征频率。 二倍频所对应的故障类型较为集中。绝大多数为不对中（含联轴器）故障，如齿式联轴器（带中间短接）和金属挠性（膜盘、叠片）联轴器的不对中、刚性联轴器的平行（径向）不对中，其中，既有安装偏差大所产生的冷态不对中，又有由温差产生的支座升降不均匀以及管道力所引起的热态不对中，以及联轴器损伤故障等；此外，还有概率较小的其它故障，如转子刚度不对称（横向裂纹），转动部件松动，轴承支承刚度在水平、垂直方向上相差过大等。 4、其它频率为主要异常振动分量 在主要异常振动分量是工频、低频、二倍频以外的其它某一个频率时，要考虑：是不是高次谐波频率，即是不是齿轮啮合频率、叶轮通过频率、螺杆通过频率、等等；是不是滚动轴承滚动体、外圈、内圈的特征频率；是不是临界转速频率；是不是底座、基础、管道等等的固有频率；是不是50Hz；等等。如果能够与这些特定的频率对上号，那么故障原因就容易找到了。,转动设备的常见振动故障及诊断,一、转子质量分布不平衡 1.力 不 平 衡 力 不 平 衡 是 同 相 位 和 稳 定 的 。 不 平 衡 产 生 的 振 动 幅 值 在 转 子 第 一 阶 临 界 转 速 以 下 随 转 速 的 平 方 增 大 ( 例 如 ， 转 速 升 高 3倍 ， 则 振 动 幅 值 增 大 9 倍)。 总 是 存 在 1 转 速 频 率 ， 并 且 通 常 在 频 谱 中 占 优 势 。 在 转 子 重 心 平 面 内 只 用 一 个 平 衡 修 正 重 量 便 可 修 正 之 。 在 内 侧 轴 承 与 外 侧 轴 承 水 平 方 向 及 内 侧 轴 承 与 外 侧 轴 承 垂 直 方 向 的 相 位 差 应 该 接 近 0度 。 不 平 衡 转 子 的 每 个 轴 承 上水 平 方 向 与 垂 直 方 向 的 相 位 差 应 该 接 近 90 度。,转动设备的常见振动故障及诊断,2 、 力 偶 不 平 衡 力 偶 不 平 衡 在 同 一 轴 上 导 致 180 度 反 相 位 运 动 。 总 是 存 在 1 转 速 频 率 ， 并 且 通 常 在 频 谱 上 占 优 势 。 振 动 幅 值 随 转 速 升 高 的 平 方 增 大 。 可 引 起 大 径 向 振 动，偶不平衡在机