《机械设备状态监测与故障诊断》.ppt

机械设备状态监测与故障诊断,编制：郝点,课程简介,课程介绍机械状态监测与故障诊断的理论基础知识和工程应用技术 阐述典型机械故障类型、机理、特征及防治措施 重点介绍旋转机械和往复机械的典型故障机理与诊断防治技术 通过机械设备故障诊断的典型事例 了解机械设备状态监测与故障诊断技术的 工程应用现状和理论技术进展 课程内容涉及新兴科技学科和现代先进技术 通过学习可以熟悉现代机械状态监测与故障诊断技术的 基本原理、实施技术和应用现状 了解现代故障诊断技术的发展前景 具备机械状态监测与故障诊断的基本技能 学习本课程应具备工程力学、电工电子学、工程流体力学和 化工过程流体机械等理论基础和工程技术 了解机械学、力学、电工电子学、计算机技术等方面的 理论基础知识和工程应用技术 推荐学习机械振动、信号处理等工程技术知识,课程内容,1 概论 1.1 设备故障诊断的目的和意义 1.2 设备故障的类型和状态监测技术 1.3 设备故障状态的识别方法 2 故障诊断的信号处理方法 2.1 信号处理基础知识 2.2 旋转机械常用的振动信号处理图形 3 旋转机械故障诊断 3.1 转子不平衡故障诊断 3.2 转子不对中故障诊断 3.3 滑动轴承故障诊断 3.4 转子摩擦故障诊断 3.5 浮动环密封故障诊断 3.6 叶片式机器中流体激振故障诊断 3.7 高速旋转机械不稳定自激振动故障的分析方法 4 往复式压缩机的故障分析和管道振动 4.1 往复式压缩机的故障类型与故障原因 4.2 示功图及阀片运动规律的测量与故障分析 4.3 压缩机的气流压力脉动与管道振动,参考教材,1 概述 1.1 设备故障诊断的目的和意义,1.1.1 设备故障诊断的含义和特性 1. 设备故障诊断的含义 应用现代测试技术、诊断理论方法 识别诊断设备故障机理、原因、部位和程度 根据诊断结论，确定设备维修方案和防范措施 设备故障：设备丧失工作效能程度，设备丧失规定性能状态 诊 断：用测试分析技术和故障识别方法 确定故障性质、程度、类别和部位，研究故障机理的学科 诊断内容（三部分）： 一、信号采集（状态监测）：利用传感器和监测仪表，获取设备运行信息 信号分析处理，提取设备特征信息 二、故障诊断：获取特征参数，识别信息特征 利用专家知识经验，类似医生诊断疾病 诊断设备故障类型、故障部位、故障程度 和产生故障的原因 三、诊断决策：根据诊断结论，采取控制、治理和预防措施的决策 设备故障诊断包含三部分内容和实施过程,1 概述 1.1 设备故障诊断的目的和意义,1.1.1 设备故障诊断的含义和特性 2. 设备故障诊断的特性 （1）多样性 化工过程装置 静设备：如换热器、传质容器、反应器、变换器、塔设备等 动设备：如旋转机器和往复机器等 设备结构不同，工艺参数各异，制造安装差异 使用环境不同，产生各种故障 如离心式、轴流式压缩机、烟气轮机： 工艺气体粉料（催化剂），转子不平衡、振动、摩擦、磨损故障 高速旋转机器： 轴承油膜不稳定，转子不对中 高速高压旋转机器： 流体激振，转子自激振动 往复式压缩机： 管道振动故障，零件磨损、变形、断裂 高压容器： 裂纹扩展，内部腐蚀，密封泄漏,1 概述 1.1 设备故障诊断的目的和意义,1.1.1 设备故障诊断的含义和特性 2. 设备故障诊断的特性 （2）层次性 设备故障现象（征兆）原因（症候、病症）深层次、多层次性 （3）多因素和相关性 设备故障因相互关系产生多因素和相关性 （4）延时性 故障形成，缺陷累积，状态劣化，量变转质变。故障过程延时性 （5）不确定性（模糊性） 故障频度、表现形式、特征差异、机理复杂,1 概述 1.1 设备故障诊断的目的和意义,1.1.2 设备故障诊断技术的应用与发展 1. 应用 现代化企业生产水平和经济效益提高，发展规模化和高技术含量 生产装置大型化、高速高效化、自动化和连续化 设备要求性能好，效率高，少故障。否则故障损失巨大 如石油化工大型机组（离心、轴流压缩机，烟气轮机，汽轮机，风机和机泵） 单机、满负荷关键设备，故障停机导致停产损失惨重 大型炼油装置，化肥装置，乙烯装置停产一天损失数百万 电力部门 300 MW发电机组停机一天少发电 720 万度损失数千万元 中国 19771987 年投产 67 个大化肥厂，机组故障停机 两年损失相当一个大化肥厂全年产量（30 万吨合成氨，48 万吨尿素） 高技术大型化设备，故障重大灾难性事故，经济损失惨重，严重政治影响 美国三里岛核电站放射性物质外逸，前苏联切尔诺贝利核电站爆炸 印度博帕尔市农药厂异氰酸甲醋毒气泄漏 美国 1986、2003 年 “挑战者” 号和 “哥伦比亚” 号航天飞机失事 中国 1980 年代 200 MW 汽轮发电机组事故 机组剧烈振动，转子断 7 段，联轴节飞出厂房，机组彻底破坏 大化肥合成气压缩机强烈振动，振因复杂，停产 2 月损失亿元 中国 20 世纪 70 年代开始应用,1 概述 1.1 设备故障诊断的目的和意义,1.1.2 设备故障诊断技术的应用与发展 2. 发展 19 世纪：事后维修；20 世纪初 50 年代：定期维修，孕育时期 20 世纪 6070 年代：设备状态维修。计算机技术、数据处理技术发展 20 世纪 80 年代以后：诊断智能化。人工智能、专家系统、神经网络发展 国内 20 世纪 80 年代初开始 高校和科研单位学术交流、理论研究和实际应用 大型企业建组织机构，技术应用发展，推动理论与方法研究 如数据采集，信号处理，故障特征、模式识别及人工智能等 诊断涉及多项学科知识，推动边缘学科相互交叉、渗透和发展 如故障机理研究推动转子动力学、结构动力学和模态分析技术的发展 故障诊断方法研究推动振动工程应用 模式识别，模糊数学、人工智能等数学物理方法应用和发展 状态监测技术推动测试技术、信号分析处理技术 和网络传输技术的发展 故障控制推动振动噪声控制理论研究与发展 设备故障评判结合故障诊断技术 与可靠性分析技术、失效分析技术,1 概述 1.1 设备故障诊断的目的和意义,1.1.3 设备故障诊断技术与维修方式的关系 定期维修（计划维修）： 设备运行时间为基础，根据设备磨损和故障规律，事先制定计划 确定修理类别、间隔、内容及要求。分大修和项（目）修 适用掌握故障规律的流程工业生产设备、自动化生产线和连续运行设备 缺点：检修量大耗时耗费；要求精密机械，过多拆卸人为故障 备品备件种类多，检修费用大 技术发展和设备管理现代化，认识到采用一种预防性维修方式 即设备运行时进行状态监测，掌握技术状况 对将形成或已形成故障分析诊断，判定设备劣化程度和部位 故障前制订预知性维修计划，确定设备修理内容和时间 即为基于状态监测为基础的维修，最经济合理方式，又称预知性维修 预知性维修（状态监测维修）： 测知设备状态参数，了解设备现状，判断故障类型、性质和程度 推测发展趋势，确定最佳维修时机，依据设备实际状态 以设备故障诊断为基础的先进维修方式 优点：减少突发性事故；减少停机时间；延长检修周期 延长设备使用寿命；节约维修费用,1 概述 1.1 设备故障诊断的目的和意义,1.1.3 设备故障诊断技术与维修方式的关系 表 1-2 三种维修制度比较 工业发达国家经验 90 设备要求预知性维修 10 设备需要定期维修,1 概述 1.1 设备故障诊断的目的和意义,1.1.3 设备故障诊断技术与维修方式的关系 五体制（维修体制）：（主要为带 号的三种维修体制） 事后维修 BM（Break-down Maintenance）： 故障（后）维修。适用于非重点或备用设备维修，传统维修方式 定期维修 TBM（Tim-Based Maintenance）： 属预防维修，即计划维修 根据设备规律，固定维修周期，确定维修内容，制定维修计划 适用主要生产设备，成本高，经济差，传统典型维修方式 状态维修 CBM（Condition-Based Maintenance）： 属预防维修，即预知维修 日常检查、状态监测、数据处理、故障分析、判别程度、计划维修 适用于重点或通用设备，经济合理，值得提倡的维修方式 改善维修 CM（Corrective Maintenance）： 改进结构，消除缺陷。值得提倡的维修方式 视情维修 OM（On-condition Maintenance）： 属预防维修。定期检测，安全检查，发现问题，确定界限 适用于非重要零部件，认为有必要才进行维修的维修方式,1 概述 1.2 设备故障的类型和状态监测技术,1.2.1 设备故障的类型及其可能原因 结构损伤性故障：设备结构内外缺陷和损伤 裂纹：能由于疲劳、腐蚀、应力集中和应力突变等原因引起 磨损：运动部件相对摩擦，摩擦副间缺润滑，颗粒物料对叶片冲刷等 腐蚀：化学反应现象。化学腐蚀，应力腐蚀、电化腐蚀 变形：设备外加负荷、不均匀热膨胀、管道力、物料冲击力 流体激振力、惯性力、内应力和设备结构薄弱等原因 断裂：负荷过大，局部应力集中，振动激烈，循环载荷下产生金属疲劳 剥落和烧伤：零件摩擦副润滑不良或断油，表面接触应力过大 运动状态劣化性故障： （1）机械位置不良：转子不平衡、转子不对中、轴承工作不稳定 热态变形、零件松动 （2）刚性不足：支承基础刚性、转子刚性 （3）摩擦：转子定子干摩擦、轴件内摩擦 （4）流体激振：压力脉动和声学共振；旋转失速、喘振、汽蚀 滑动轴承油膜振荡、浮环和迷宫密封中流体激振 （5）非线性的谐波共振：零件松动、流体间隙激励、摩擦等,1 概述 1.2 设备故障的类型和状态监测技术,1.2.2 设备故障诊断的功能和环节 1. 功能 检测评价设备运动、缺陷、磨损、劣化和故障状态 确定设备故障性质、类型、程度、部位及发展趋势 预测设备可靠性程度 确定故障来源，提出整改措施 2. 环节 信号采集 传感器（人体感觉器官）采集设备运行参数 反映设备故障特性 信号处理 分析仪器加工处理采集信息，提取特征信息 反映故障状态、性质、类型和程度 故障诊断 人的知识经验或诊断技术方法 分析诊断故障原因 确定故障类型和发生部位 防治控制 确定故障提出控制方案或预防治理措施,1 概述 1.2 设备故障的类型和状态监测技术,1.2.2 设 备 故 障 诊 断 的 功 能 和 环 节 2. 环 节,1 概述 1.2 设备故障的类型和状态监测技术,1.2.3 状态监测的技术和方法 振动信号监测诊断技术： 振动主要故障原因，信号包含状态信息，转换电信号便于处理分析 声信号监测诊断技术： 噪声诊断、超声波诊断和声发射诊断技术 温度信号监测诊断技术： 温度直接测量技术、热红外分析技术 润滑油的分析诊断技术： 油品理化性能分析技术、油样含磨损金属颗粒铁谱分析技术 和光谱分析技术 其他无损检测诊断技术： 超声波检测技术、射线照相检测技术、表面缺陷的检测技术 包括磁粉探伤、表面渗透、电涡流检测 光学显微镜分析以及光纤内窥镜和光学成像技术,1 概述 1.3 设备故障状态的识别方法,1.3.1 信息比较诊断法 采集存储振动幅值、频率、相位、转速、位移、模态、温度、压力 流量等参数信息，建立数据库，趋势分析比较等 1.3.2 参数变化诊断法 改变操作参数，测量分析参数变化信号特征 结合参数门槛值（闭值），观察机器故障有关因素 1.3.3 模拟试验诊断法 模拟试验，研究未知或不确定的故障机理和特征，解答故障原因 提出故障特征参数及参数间定量关系等 注意模型与对象相似条件 1.3.4 函数诊断法 故障征兆和原因间存在函数关系，计算设备运行参数 预测或识别设备故障 1.3.5 故障树分析诊断法（Fault Tree Analysis，FTA法） 以系统不希望故障状态出发（顶事件） 按照逻辑关系总体到部件逐级细化，推理分析故障原因 确定故障最初原因、影响程度和发生概率（底事件）,1 概述 1.3 设备故障状态的识别方法,1.3.6 模糊诊断法 确定故障原因和征兆论域、确定两论域中元素隶属度 建立模糊关系矩阵、模糊综合评判 1.3.7 神经网络诊断法 基本组成、网络拓扑结构、故障诊断应用 人工神经网络基本组成：神经元、神经元间连接、神经网络结构 神经网络诊断方法：自学习功能、结合模糊诊断 1.3.8 结论 设备故障诊断技术成功条件 （1）足够有用的信息 诊断决策依据 （2）多方面诊断知识 设备工作原理、结构特点、故障机理 结构动力学、转子动力学和流体力学知识 测试技术和信号分析处理方法,2.1.1 信号的定义和分类 1. 信号的定义 信号：表征客观事物状态或行为信息的载体 （物理）能量变化过程，（数学）函数或图形，变量随时间或空间变化 2. 信号的分类（动态信号）,2 故障诊断的信号处理方法 2.1 信号处理基础知识,2.1.1 信号的定义和分类 2. 信号的分类 （1）确定性信号与非确定性信号 确定性信号：数学关系式、图或表描述 反之为非确定性信号或随机信号 （2）连续信号和离散信号 连续时间信号：任意时刻存在给出确定函数值 正弦、直流、阶跃、锯齿、矩形脉冲、截断信号等 （3）能量信号和功率信号 （4）时限与频限信号,2 故障诊断的信号处理方法 2.1 信号处理基础知识,2.1.2 信号的时域分析 1. 时域分解 （1）直流分量和交流分量 信号 x(t) 直流分量 xD(t) 交流分量 xA(t) 直流分量： （稳态分量） 信号平均值 交流分量： 可能包含 信号频率 相位信息或 随机噪声 （2）脉冲分量 信号 x(t) 多脉冲分量之和 矩形窄脉冲之和 阶跃函数叠加等,2 故障诊断的信号处理方法 2.1 信号处理基础知识,2.1.2 信号的时域分析 1. 时域分解 （3）实部分量和虚部分量 简谐信号 复函数表达式： 复平面旋转矢量 实部： t 时刻信号幅值 虚部： t 时刻信号相位 （4）正交函数分量 信号 x(t) 用正交函数集 xi (t )（i 1，2，n）表示,2 故障诊断的信号处理方法 2.1 信号处理基础知识,实部：t 时刻信号幅值,虚部：t 时刻信号相位,2.1.2 信号的时域分析 2. 信号的时域统计 （1）均值x 。集合平均值或数学期望值，信号直流分量 （2）均方值 Ex2(t)。平均功率x2(t) ，平方根x(t) 称有效值或均方根值 信号幅值量纲，反映确定性信号强度的时域参数 （3）方差x2 。信号 x(t) 相对均值偏离度，反映信号分散程度 x 称均方差或标准差 均方值x2、方差x2、均值方x2 关系：,2 故障诊断的信号处理方法 2.1 信号处理基础知识,2.1.2 信号的时域分析 3. 时域相关分析 （1）相关概念 相关：客观事物变化量之间相依关系 相关系数xy ：两随机变量 x 和 y 间线性相关程度，xy 范围 1xy 1 接近 1 表示两变量线性相关强；接近 0 表明两变量线性相关弱 （2）相关函数 两随机变量 x(t) 与 y(t) 间时差，相关函数 Rxy ： 互相关函数：Rxy( ) 或 Ryx( )；自相关函数 Rxx( ) 或 Rx( ),2 故障诊断的信号处理方法 2.1 信号处理基础知识,2.1.2 信号的时域分析 3. 时域相关分析 （3）相关分析的工程应用 输油管道泄漏点信号互相关分析 互相关值最大处延时0 ，即信号到达两传感器时间差，确定泄漏点位置,2 故障诊断的信号处理方法 2.1 信号处理基础知识,2.1.3 信号的频域分析 频谱分析：信号时域描述（时间变量）傅里叶变换为频域描述（频率变量） 幅值表示幅值谱，相位表示相位谱，能量表示功率谱 1. 周期信号的幅值谱、相位谱、功率谱 周期函数展开成傅里叶级数 式中：T 周期；a0 静态分量；an 余弦项振幅；bn 正弦项振幅 幅值谱：An 关系；相位谱：n 关系；功率谱：An2 关系 幅值谱性质： 谐波性：周期信号各谐波频率比为有理数，基频整数倍谐波信号 离散性：幅值谱为离散谱线 收敛性：各谐波分量随频率增加而衰减,2 故障诊断的信号处理方法 2.1 信号处理基础知识,2.1.3 信号的频域分析 1. 周期信号的 幅值谱、相位谱、功率谱,2 故障诊断的信号处理方法 2.1 信号处理基础知识,2.1.3 信号的频域分析 2. 非周期信号的傅里叶变换 非周期信号不能用傅里叶级数展开 采用傅里叶变换，时域 x(t) 与傅里叶变换 X ( ) 构成变换偶 3. 周期信号的傅里叶变换 4. 离散傅里叶变换和快速傅里叶变换 离散傅里叶变换 DFT（Discrete Fourier Transform） 特点：DFT 算法计算量太大。采样点 N 1000 计算约需 200 万次 快速傅里叶变换 FFT（Fast Fourier Transform）： 1965 年库利 J.W.Cooley、图基 J.W.Tukey 提出，信号分析新时代 采样点 N 1000 的离散信号，FFT 算法计算仅约需 1.5 万次 5. 随机信号的功率谱密度 自功率谱密度 Sx() 功率谱密度 Sx( )与自相关函数 Rx( )是傅里叶变换偶对 通过自相关函数傅里叶变换可得到功率谱密度函数 互功率谱密度 Sxy() 与互相关函数 Rxy() 构成傅里叶变换偶对 6. 相干函数与频率响应函数,2 故障诊断的信号处理方法 2.1 信号处理基础知识,2.1.3 信号的频域分析 总结： . 信号可在时间域 x(t) 或频谱域 X(f) 展开，x(t) 和 X(f) 为同函数不同表达形式 . x(t) 和 X(f) 的自变量（横坐标）参数不同 时间参数 t、；频率参数、f ， = 2 f ，判断时域函数或频域函数 . 幅频谱和相位谱物理意义不同，注意区别 . 离散频谱和连续频谱分别对应周期函数和非周期函数 也有更复杂的函数（离散性和连续性结合） . 应用复变（复指数）函数简化频谱表达式 将幅值谱（实变量）和相位谱（虚变量）结合 . 离散频谱由不同谐波成分组成 其中前几阶低频频谱或数值较大频谱，反映频谱的特性（特征） . 工程上常用频谱分析仪直接测取频谱或采集数据 FFT（快速傅里叶变换）标准程序计算，无需自编计算程序 . 频谱分析和数学描述为状态检测、信号处理和故障诊断的重要基础 分析方法峰谱值、频率窗口、拟合曲线、谐波分析、统计分析等,2 故障诊断的信号处理方法 2.1 信号处理基础知识,2.2.1 振动监测的基本参数 （1）振幅 表示振动严重程度（烈度） 位移、速度或加速度表示 指示值：峰值（单边峰值和峰峰值）、有效值（均方根值）和平均值 位 移 有 效 值代表振动系统势能含量 速 度 有 效 值代表振动系统动能含量 加速度有效值代表振动系统功率谱密度含量 （2）频率 探寻外来激励力来源，判断正常工作状态 旋转机械振动频率常用转速倍数或分数表示 1 倍（ l x）转速频率指振动频率与机器转速相同 2 倍（2 x）转速频率指振动频率为机器转速二倍，依此类推 （3）相位 判断振动时各部件之间相对运动方位 以及激励力与响应的时间和空间关系 常用（t ）表示，单位 “ 度 ” 或 “ 弧度 ”,2 故障诊断的信号处理方法 2.2 旋转机械常用的振动信号处理图形,2.2.2 轴心轨迹 轴颈中心相对于轴承座在轴线垂直平面内的运动轨迹平面曲线 轴心轨迹图：由 x、y 方向位移振动信号合成的李莎茹图形 作用：直观反映转轴运动状况，形象描述转子运动状态 获取诊断信息有效手段，旋转机械故障诊断重要工具 测量：将两个传感器互成 90 安装在转轴同截面上 两传感器位移信号经放大 分别输入双踪示波器 x 轴和 y 轴 作用：确定转子系统临界转速 空间振型和 某些故障类型,2 故障诊断的信号处理方法 2.2 旋转机械常用的振动信号处理图形,2.2.2 轴心轨迹 图中：（a）和（b）转速低，不对中和非线性油膜力影响，轴心轨迹图不规则状 （c）临界转速附近，不平衡力引起基频振动，轴心轨迹近似圆 （d）和（e）转速高（503.2607.9 rad/s） 油膜涡动，轴心轨迹内八字形 （f）转速升高（626.2 rad/s），系统油膜振荡，轴心轨迹复杂,2 故障诊断的信号处理方法 2.2 旋转机械常用的振动信号处理图形,2.2.2 轴心轨迹 图中： 不对中故障 轴心轨迹香蕉形 或外八字形 频谱二倍频或 四倍频较大 图中： 转子碰摩故障 碰撞轻重程度不同 轴心轨迹圆形轮廓线内 1 至多个小圈套 支承刚度不对称转子： 不平衡力作用 轴心轨迹椭圆形,2 故障诊断的信号处理方法 2.2 旋转机械常用的振动信号处理图形,2.2.3 转子振型 转子轴线各点振动位移连成的空间曲线 作用：确定转子振动节点位置，了解轴承油膜阻尼大小和转子系统基本特性 挠性转子动平衡 测量：转子轴线垂直截面布置传感器，得到各截面轴心轨迹 根据基准信号确定各轨迹主向量，各点主向量连成空间振型曲线 振型平面曲线：转子系统无阻尼，且转子各不平衡量有相同相位 或只有一个主不平衡量；否则为空间曲线 图中：转子两个支点刚性支承，一阶振型两节点，二阶振型三节点,2 故障诊断的信号处理方法 2.2 旋转机械常用的振动信号处理图形,2.2.4 轴颈涡动中心位置 滑动轴承轴颈中心在激扰力作用下环绕涡动运动的中心点位置 随转速和载荷变动，轴承稳定性有关，“ 滑动轴承故障诊断 ”内容 作用：旋转机械故障分析重要内容，说明转轴正常位置 提供轴与轴承磨损或不正常预载荷，轴承静电侵蚀等信息 测量：两个互成 90非接触式位移传感器，X-Y 记录仪绘制曲线 图中：转速升高 轴颈涡动中心升高 系统临界转速 20002500 r/min左右 轴颈振幅大，中心位置高 过临界转速至 3000 r/min 振幅和中心位置下降,2 故障诊断的信号处理方法 2.2 旋转机械常用的振动信号处理图形,2.2.5 波特图（Bode plots） 描述转子振幅和相位随转速变化关系曲线 纵坐标为振幅和相位，横坐标为转子转速或转速频率 测量：测转子或轴承座振动信号（轴位移或壳体振动速度） 同步跟踪数字向量滤波，获得转速同频的基频分量（含幅值和相位） 随转速升降变化过程绘图 作用：转子系统基本性能。各转速下振幅和相位、临界转速、阻尼大小， 柔性转子动平衡质量；升降速过程中其他部件（基础、静子等）共振 动静摩擦或热弯曲等 动态放大系数：共振峰值与工作转速时振幅之比，评价轴承系统阻尼特性 接受范围 3.0 8.0 图中： 系统通过临界转速时 幅值响应有明显共振峰 相位变化近 180 动态放大系数约 5 （转速 12000 r/min） 说明系统具有适度偏弱阻尼,2 故障诊断的信号处理方法 2.2 旋转机械常用的振动信号处理图形,2.2.5 波特图（Bode plots）（振幅和相位随过程变化曲线）,2 故障诊断的信号处理方法 2.2 旋转机械常用的振动信号处理图形,相位滞后 90 度,临界转速,2.2.6 极坐标图（奈奎斯特图） 转子振幅与相位随转速变化关系的极坐标形式 旋转矢量端点为转子轴心，矢量极半径为径向振幅，矢量角度为相位角 极坐标图和波特图反映同样的信息，表现形式不同 复杂多平面转子现场动平衡仪器需极坐标图表示 作用：判别临界转速，轨迹距离最长点，两侧圆弧弧长对转速变化率最大 优点：对应矢量位置（幅值和相位） 求转子动平衡不平衡质量方位 同时观察转子轴向 几个截面的空间振型 清楚观察弯曲轴转动时 幅值和转轴本身振动幅值 辨别转子以外元件 （管道、联轴节、机壳和基础） 振动谐振作用 出现干扰小圆圈 图中：转子一阶临界转速 3750 r/min 振动峰值 110 m,2 故障诊断的信号处理方法 2.2 旋转机械常用的振动信号处理图形,2.2.7 三维坐标图 “ 级联图 ”或“ 瀑布图 ”。转子不同转速下频谱图按转速大小顺序排列图 横坐标为频率，纵坐标为幅值，平面垂直轴向为转速 常用转子故障分析图形 作用：全频带幅值描述，观察转子振动各种频率成分随转速变化过程 观测临界转速位置、系统阻尼大小、自激振动转速或失稳转速 图中：低转速时振动工频分量为主。转速 3400 r/min左右工频分量出现峰值 系统临界转速，峰值不高，说明系统具有阻尼 转速升至 5400 r/min 出现半频振动分量 随转速增加而增加 表明系统失稳趋势 转速到约 6000 r/min 低频分量频率不变 幅值随转速增加 自激振动特征 结合轴颈轴心轨迹分析 确认系统油膜振荡,2 故障诊断的信号处理方法 2.2 旋转机械常用的振动信号处理图形,2.2.7 三维坐标图 （三维谱阵图、瀑布图、级联图，转子升降速过程频谱图）,2 故障诊断的信号处理方法 2.2 旋转机械常用的振动信号处理图形,2.2.8 阶比谱分析 阶比谱（Order Ratio Spectrum） 频谱图上 横坐标为无量纲阶比值 fi / fr 频率值 fi 除以某参考频率值 fr （常取转速频率） 阶比值为整数值 （ fi / fr n，n 1，2，3，） fi 即为 fr 的高次谐波 作用：旋转机械升降速过程振动信号分析（特征频率与转速频率比例关系） 抑制转速无关的频率成分和随机噪声 清晰辨别转速有关故障特征频率 图中：转速 3600 r/min 和 2600 r/min 时阶比谱基本相同,2 故障诊断的信号处理方法 2.2 旋转机械常用的振动信号处理图形,2.2.9 全息谱技术 多传感器水平和垂直信号合成 系列轴心轨迹图 含信号幅值、频率、相位值 1. 二维全息谱 一个平面坐标上表示转子振动 各频率分量的轴心轨迹图 横坐标为转子振动阶比 （即频率） 2. 三维全息谱 多截面上同阶比成分振动轨迹 相位关系以及转子振型节点图 作用：挠性转子动平衡 提高转子平衡精度 3. 全息瀑布图 转子升降速时各转速下 二维全息谱的叠置图 作用：有效揭示大型回转机械 启动停车过程振动特性,2 故障诊断的信号处理方法 2.2 旋转机械常用的振动信号处理图形,旋 转 机 械 ：转子旋转运动工作机器，转子、轴承等部件 典型旋转机械：离心泵、轴流泵、离心式和轴流式风机、压缩机 汽轮机、涡轮发动机、电动机、离心机等 生产关键设备：大型化工、石化、电力和钢铁等行业大型旋转机械 炼油厂催化三机组或四机组 大化肥装置四大机组或五大机组 乙烯装置三大机组 电力行业汽轮发电机组、泵和水轮机组 钢铁行业高炉风机和轧钢机组 3.1.1 转子不平衡概念 转子不平衡：转子受材料质量、加工、装配以及运行多因素影响 质量中心和旋转中心之间存在偏心距 转子工作时周期性离心力干扰 轴承产生动载荷引起机器振动 不平衡原因：旋转体质量沿旋转中心线不均匀分布,3 旋转机械故障诊断 3.1 转子不平衡故障诊断,3.1.1 转子不平衡概念 带薄圆盘刚性转子 两轴承支承跨度 l 转子质量 m 质心 M 距旋转中心 O 偏心距 e 旋转角速度 假定转子系统无阻尼 转子产生离心力 （N） 圆盘质量 10 kg，偏心距 0.2 mm，转速 6000 r/min，离心力 （N） 离心力在轴承上每转变化一次，引起转子轴承系统振动,3 旋转机械故障诊断 3.1 转子不平衡故障诊断,3.1.1 转子不平衡概念,3 旋转机械故障诊断 3.1 转子不平衡故障诊断,3.1.2 临界转速对不平衡振动的影响 （1）临界转速的动力特性 临界转速现象：不平衡离心力引起共振现象，临界转速时转子很大弯曲变形 弓状回旋运动（“涡动”或“进动”），转子质量中心远离轴承中心线 离心力大增，转子更大变形，离心力放大，机器剧烈振动 临界转速：一阶临界转速 ncr1 ，多阶临界转速 ncri（阶数 i ） 设计要求：工作转速 n 避开临界转速 ncr 一般规定：工作转速 n 一阶临界转速 ncr1 ，n 0.75 ncr1 工作转速 n 一阶临界转速 ncr1 ，1.4 ncri n 0.7ncr(i+1)（i 阶） 转子运动力学模型：最简单两端刚性轴承对称支承转子 轴中点圆盘质量 m，刚度系数 k，动挠度 转子无阻尼横向振动固有频率 n 时，理论 无限大 角速度 即临界转速 转速频率 横向固频n,3 旋转机械故障诊断 3.1 转子不平衡故障诊断,3.1.2 临界转速对不平衡振动的影响 （2）阻尼对临界转速下 转子振动的影响 阻尼：介质黏性 轴承油膜黏性 滑动面间摩擦 轴材料内摩擦阻尼 以及 转子轴承系变形 能耗结构阻尼等 线性系统：阻尼力与速度成正比 力方向与速度方向相反 转子放大因子 振幅 A / 静挠度 Xst 反映转子共振振幅高低 值与频率比/n 和阻尼比 有关,3 旋转机械故障诊断 3.1 转子不平衡故障诊断,3.1.3 转子不平衡振动的故障特征 转子不平衡振动：周期性离心力干扰产生强迫振动，转子旋转一周 离心力经某点产生一次扰动，测点一次振动响应 转子振动频率 f 转速频率 n / 60，转子角频率2f 工频（工作频率）：转速频率 不平衡振动故障特征： 转子或轴承径向振动，频谱图转速频率成分突出峰值 转子单纯不平衡振动 转速频率高次谐波幅值低 时域波形为正弦波 转子轴心轨迹形状为圆或椭圆 同截面垂直两探头信号相位差 90 转子进动方向为同步正进动 普通两端支承转子 轴向振幅不明显 转子振幅对转速变化敏感 转速下降振幅明显下降,3 旋转机械故障诊断 3.1 转子不平衡故障诊断,工频成分,3.1.4 不平衡振动的故障原因和防治措施 1 固有质量不平衡 转子原始状态存在不平衡，与操作运行无关 原因： 设计错误、 材料缺陷、 加工与装配误差、 动平衡方法不正确等,3 旋转机械故障诊断 3.1 转子不平衡故障诊断,3.1.4 不平衡振动的故障原因和防治措施 1 固有质量不平衡 转子原始状态存在不平衡，与操作运行无关 原因：设计错误、材料缺陷、加工与装配误差、动平衡方法不正确等,3 旋转机械故障诊断 3.1 转子不平衡故障诊断,3.1.4 不平衡振动的 故障原因和防治措施 1 固有质量不平衡 转子原始状态 存在不平衡， 与操作运行无关 原因： 设计错误、 材料缺陷、 加工与装配误差、 动平衡方法 不正确等,3 旋转机械故障诊断 3.1 转子不平衡故障诊断,3.1.4 不平衡振动的故障原因和防治措施 1 固有质量不平衡 转子原始状态存在不平衡，操作运行无关 原因：设计错误、材料缺陷、加工与装配误差、动平衡方法不正确等,3 旋转机械故障诊断 3.1 转子不平衡故障诊断,3.1.4 不平衡振动的故障原因和防治措施 1 固有质量不平衡 动平衡技术（解决措施）： 标准：ISO 1940刚性转子平衡精度 11 等级，转子平衡精度等级 G 0.16 4000 mm/s G （e）/ 1000 式中： e 转子不平衡度，gmm/kg； 转子旋转角速度，1/s G 转子平衡精度等级，mm/s 刚性转子平衡：（转速低于一阶临界转速） 静平衡（单平面平衡、滚动法、计算平衡质量，对薄圆盘转子） 动平衡（双面多面平衡、动平衡机） 现场平衡：对大型机组、实际安装条件（与平衡机条件不同） 维修更换零件等 影响系数法（试重、测定、作图、解析、再试重、计算、平衡） 试重周移法（圆周等分试重） 挠性转子平衡（转速超一阶临界转速）：减小转子振动和挠曲度 振型平衡法、影响系数法，多平面多转速平衡 技术发展：自动化、微机化，提高精度、减少次数,3 旋转机械故障诊断 3.1 转子不平衡故障诊断,3.1.4 不平衡振动的故障原因和防治措施 1 固有质量不平衡 动平衡技术,3 旋转机械故障诊断 3.1 转子不平衡故障诊断,3 旋转机械故障诊断 3.1 转子不平衡故障诊断 3.1.4 不平衡振动的故障原因和防治措施,1 固有质量不平衡 双面动平衡技术,3.1.4 不平衡振动的 故障原因和防治措施 2 转子运行中的不平衡 （1）转子弯曲 临时性弯曲： 外部影响或外力作用 不需动平衡 简单措施（盘车） 或改操作方式 转子受热不均 转子自重 气流冲击 温度突变 负荷变化快等 永久性弯曲： 转子慢转无法恢复 热处理校直 精加工消除,3 旋转机械故障诊断 3.1 转子不平衡故障诊断,3.1.4 不平衡振动的故障原因和防治措施 2 转子运行中的不平衡 （2）转子平衡状态破坏 转子零件碎裂或飞离：阶跃式不平衡，振幅相位突变 叶轮沉积固体杂质：高温粘性催化剂微粒粘结，管道锈蚀、气源粉尘沉积 振幅加大，转速成分突出，转速增振幅大。严重时转静子摩擦磨损 叶轮除锈或气体杂质冲蚀：维修不当措施 轴上零件松动：轮、盘、轴、键槽配合，材料选择，介质腐蚀，轴承间隙,3 旋转机械故障诊断 3.1 转子不平衡故障诊断,3.1.5 定向振动与不平衡振动故障的鉴别 定向振动： 轴心轨迹接近直线 非圆或椭圆 振动同相位或 180 反相位 机体变形 皮带轮或齿轮偏心 机座松动 结构共振等,3 旋转机械故障诊断 3.1 转子不平衡故障诊断,转子不对中故障： 转子连接对中超标，或轴颈位置不良 轴承缺良好油膜和适当负荷 引发机器振动或联轴节、轴承损坏 原因： 初始安装对中超差 转子中心运行时热态升高 轴承架热膨胀不均匀 管道力作用 机壳变形或移位 地基不均匀下沉 基础变形 转子弯曲，同时产生不平衡和不对中故障 故障：振动加大，轴承偏磨，联轴节过热，齿式联轴节齿面磨损 联轴节配合键槽裂纹，膜片联轴节疲劳损坏 旋转机械故障 60原因为转子不对中,3 旋转机械故障诊断 3.2 转子不对中故障诊断,3.2.1 转子不对中故障的特征 转子不对中故障特征： 改变轴承油膜压力 轴承振幅随负荷增大而增高 平行不对中引起径向振动 刚性联轴节两侧振动相位差 振动频率：刚性联轴节平行不对中二倍转速频率及工频和多倍频 角度不对中工频轴向振动及多倍频 大型涡轮机械多跨转子其他因素 轴颈轴心轨迹椭圆形。载荷增大，变香蕉形、“ 8 ” 字形或外圈中内圈等,3 旋转机械故障诊断 3.2 转子不对中故障诊断,3.2.2 联轴节不对中的振动频率 1 刚性联抽节轴 （1）平行不对中的振动频率 两倍频激振力，旋转 1 周径向力交变 2 次 一对连接螺钉一受拉伸另一受压缩 （2）角度不对中的振动频率 轴旋转一周，弯矩方向交变一次，工频振动 （3）不对中引起转子不平衡 相当附加不平衡质量，类似不平衡振动 2 齿式联轴节（半挠性联轴节） 联轴节外齿和内齿连接齿套 齿接触表面圆弧形 齿啮合允许一定轴向移动量和角度偏摆量 允许装半联轴节微量不对中 3 膜片联轴节（半挠性联轴节） 轴端半联轴节与套筒间用挠性膜片连接 挠性好，不需润滑，维修量少，广泛应用 传递功率小，不能承受过大轴向力,3 旋转机械故障诊断 3.2 转子不对中故障诊断,3.2.3 不对中故障的监测方法 （1）静态检测法 打表法： 千分表测量 三表和单表找正法 激光对中法： 激光对中仪 联轴节表面状态检测法： 齿面过热摩擦 和裂纹痕迹 膜片、螺栓、轴壳等 疲劳裂纹 摩擦痕迹,3 旋转机械故障诊断 3.2 转子不对中故障诊断,3.2.3 不对中故障的监测方法 （2）动态监测法 振动诊断法：振动频率、相位、振动方向和轴心轨迹形状等特征 激光对中法：二对激光对中仪，固定轴承架上，分别测量垂直和水平位移量 仪器价格昂贵，环境中蒸汽、烟气、灰尘和机体振动影响 Dodd 棒测量法：驱动机和被驱动机轴承架端面各固定并行测量杆 测量截面水平和垂直方向涡流探头非接触测量位移量 测量棒结构和刚性要求严格，补偿温度变形问题 电涡流测量法： 地面独立支架 安装垂直和水平方向 两电涡流测量探头 非接触测量机组 固定测量杆位移量 轴承油膜压力测量法： 油膜压力反映 轴承间隙和轴承标高,3 旋转机械故障诊断 3.2 转子不对中故障诊断,3.2.4 故障诊断实例 汽轮发电机组基础下沉：轴承座位置下移，轴颈被相邻 2 号轴承抬空 轴颈不对中，轴承比压减小，油膜失稳强烈振动,3 旋转机械故障诊断 3.2 转子不对中故障诊断,3.2.4 故障诊断实例 离心泵联轴节不对中： 联轴节轴承处振动频谱图显示很大 2 倍转速频率和工频成分 不平衡和不对中联合作用，轴向测明显轴向振动，典型不对中故障 11 倍转速频率成分为泵叶片通过频率,3 旋转机械故障诊断 3.2 转子不对中故障诊断,滑动轴承作用： 转子负荷支承作用 转子运动提供刚度和阻尼 控制转子稳定运转 3.3.1 滑动轴承工作原理 静压轴承： 依靠润滑油在转子轴颈周围 形成静压力差与外载荷相平衡 轴旋转与否始终浮在压力油中 旋转精度高、摩擦阻力小、承载能力强 良好速度适应性和抗振性等 制造工艺高，需复杂供油装置 应用高精度机床上 动压轴承： 油膜压力由轴旋转产生 供油系统简单，使用寿命长 旋转机器广泛采用 径向轴承和止推轴承（轴向力）,3 旋转机械故障诊断 3.3 滑动轴承故障诊断,3.3.1 滑动轴承工作原理 流体动压轴承原理：润滑油膜楔形间隙流体动压力作用 轴停滞时沉在轴承内底部 轴旋转时依靠摩擦力作用 沿轴承内表面往上爬行 到达摩擦力和 转子重量平衡位置 油膜收敛油楔动压力作用 抬起轴颈 轴承承载能力系数 S0 相对偏心率 和 轴承宽径比 l / d 的函数 低速重载转子 S01 高速轻载转子 S01,3 旋转机械故障诊断 3.3 滑动轴承故障诊断,3.3.2 滑动轴承常见故障的原因和防治措施 （1）巴氏合金松脱 浇注基体金属清洗，材料镀锡浇注温度不够 重新浇注巴氏合金 （2）轴承异常磨损、刮伤、拉毛 轴承装配缺陷：轴承间隙，轴瓦错位，轴瓦接触，轴颈油膜 引起转子振动和轴瓦磨损。更换轴承或修刮重新装配 轴承加工误差：轴承圆度，油楔轴承油楔大小和形状，轴承间隙 止推轴承端面偏摆量，瓦块厚薄，表面巴氏合金磨损 工艺检查，修理轴瓦形状 转子发生大振动：轴瓦振动摩擦、烧损、刮伤、拉毛 消除振动因素，更换磨损轴承 止推轴承设计：承载面积、压缩机超压、密封损坏，轴向力大，瓦块磨烧 供油系统：润滑油量、供油清洁、油温度、油黏度、供油压力 滤清滤网、油孔堵塞、轴承磨损 油冷效果、润滑油水分 加大油冷却器，更换过滤器，更换润滑油,3 旋转机械故障诊断 3.3 滑动轴承故障诊断,3.3.2 滑动轴承常见故障的原因和防治措施 （3）轴承疲劳 原因： 轴承过载： 油膜破裂，应力集中，局部裂纹，裂纹扩展 轴瓦松动： 轴承间隙，机器振动，轴承交变载荷 裂纹扩展，瓦块表面开裂与松脱 轴承摩擦和咬粘： 表面高温，材料热应力和热裂纹，热裂纹扩展 巴氏合金过厚： 疲劳敏感，疲劳破坏 巴氏合金强度： 温度升高下降，高温疲劳裂纹扩展 措施： 轴承比压合适范围 轴承间隙应设计范围 较薄巴氏合金（厚度 1 1.5 mm）和抗疲劳性能瓦块 控制轴瓦温度,3 旋转机械故障诊断 3.3 滑动轴承故障诊断,3.3.2 滑动轴承常见故障的原因和防治措施 （4）轴承腐蚀。 润滑剂化学作用。选用润滑剂，润滑剂“老化”丧失润滑性能 （5）轴承气蚀。 轴承内油液压力低区域（低于油液饱和蒸汽压）生成微小气泡 气泡高压挤破，瞬间压力波冲击轴承表面 表面金属疲劳裂纹或金属层剥落 （6）轴承壳体配合松动 轴承盖与轴承座之间压紧间隙 轴瓦松动影响轴承油膜稳定性 振动非线性特点，振动工倍、转速频率、次谐波成分 1 / i 倍转速频率超谐波成分（正整数 i ） （7）轴承间隙不适当 轴承间隙太小发热，间隙太大明显振动 （8）轴承温度过高 轴承间隙小；轴承载荷高；油冷却器故障 轴承形状或装配,3 旋转机械故障诊断 3.3 滑动轴承故障诊断,3.3.3 高速滑动轴承不稳定故障的特征和防治措施 1 高速滑动轴承不稳定故障的原因 高性能旋转机器转子轴承系统 多为高速轻载滑动轴承，设计或使用因素 易发生油膜不稳定 引起转子轴承较大振动 特有故障油膜振荡，油膜力引起自激振动 （1）轴颈在油膜中的涡动与稳定性 （2）油膜失稳的力学机理 油膜动态特性：油膜刚度和阻尼 油膜失稳机理：一般强迫振动激振力为离心力 与转子质量 M、重心偏移量 e 和转速 等有关 油膜失稳主要激振力非离心力，是与位移相垂直的油膜切向力 轴颈涡动方向起推动作用，某种条件使振幅越来越大 强烈振动导致机器损坏 轴心轨迹形状与转子稳定状态的关系： 椭圆形轴心轨迹比圆形稳定，椭圆度大有利轴心稳定,3 旋转机械故障诊断 3.3 滑动轴承故障诊断,3.3.3 高速滑动轴承不稳定故障的特征和防治措施 2 油膜振荡的机理及其故障诊断 高速滑动轴承特有故障，油膜力产生自激振动 发生时输入能量很大 ，引起转子轴承系统损坏 大型机组可能导致机组毁坏严重事故 （1）半速涡动与油膜振荡 半速涡动： 转子轴颈高速旋转时，环绕平衡中心公转运动 油膜力激励的涡动角速度近似为转速二分之一 涡动正向运动（转子旋转同向） 实际振动频率 （0.430.48） （2）油膜振荡的特征及其诊断 油膜振荡： 轴颈涡动运动与转子自振频率吻合时发生大幅度共振现象 发生突然，振幅突升，局部油膜破裂，轴颈轴瓦摩擦 强烈吼叫声，严重损坏轴承和转子,3 旋转机械故障诊断 3.3 滑动轴承故障诊断,3.3.3 高速滑动轴承不稳定故障的特征和防治措施 2 油膜振荡的机理及其故障诊断 （2）油膜振荡的特征及其诊断 故障特征： 自激振动 不受外部激励力影响 涡动频率 与转速频率 之比约 0.350.5 涡动频率 接近 转子一阶自振频率 非线性油膜共振 轴心轨迹形状紊乱发散，不规则轨迹线叠加花瓣形状 发生巨大吼叫声。转子激烈自激振动，轴承油膜破裂 轴颈轴瓦碰撞摩擦，轴承和迷宫密封严重损伤 “ 惯性 ” 现象。转速升高降低，振荡频率和振幅变化不明显,3 旋转机械故障诊断 3.3 滑动轴承故障诊断,高振幅振荡,低振幅涡动,3.3.3 高速滑动轴承不稳定故障的特征和防治措施 2 油膜振荡的机理及其故障诊断 （2）油膜振荡的特征及其诊断 故障特征,3 旋转机械故障诊断 3.3 滑动轴承故障诊断,