《故障诊断》讲稿

设备状态监测 与 故障诊断,国务委员陈至立、教育部长周济视察实验室,教材,1、 机械设备故障诊断技术及方法张来斌 王朝晖 等 石油工业出版社 2000,2、 随机振动 李友荣 编著 冶金工业出版社 1994,3、 冶金机械安装与维护 谷士强主编 冶金工业出版社 1995,概 论,一、设备维修制度 1、传统维修制度:,第一章 概 论,一、设备维修制度 1、传统维修制度:,设备的维修费用在急剧增加，如美、日两国企业的年平均维修费分别占企业固定资产的48.5%和2.612%；在我国，这个比例则为1225%。面对当今世界激烈竞争的市场环境，如何有效地管理和使用先进的生产设备，减少设备非计划事故的维修费用，提高设备的可靠性与有效性，从而降低企业的产品成本，一直是国内外企业所面临的一个重大课题。,2、视情维修：根据设备运行故障状态 来确定设备维修时间、 内容和方法。,以对设备的运行状态监测为基础，以对故障诊断和预测结果而采取维护决策必须对设备进行状态监测与故障诊断。,设备故障诊断技术（Fault Diagnosis）是利用测取设备在运行中或相对静态条件下的状态信息，通过对所测信号的处理和分析，并结合诊断对象的历史状况，来定量识别设备及其零件、部件的实时技术状态，并预知有关异常、故障和预测其未来技术状态，从而确定必要对策的技术。,二、故障诊断技术分类,1、按诊断对象的类别分类,（1）旋转机械诊断技术：转子、风机、泵、 透平机、汽轮发 电机组,（2）往复机械诊技术：活塞曲柄连杆机构,（3）工程结构诊断技术：金属结构、框架、 桥梁、容器、建筑物、 地桩等,二、故障诊断技术分类,1、按诊断对象的类别分类,（4）机械零件诊断技术：转轴、轴承、齿轮、 连接件等,（5）液压设备诊断,（6）电气设备诊断技术,（7）生产过程综合诊断技术：机械加工过程、 轧钢生产过程、 发电厂生产过程,二、故障诊断技术分类,2、按所利用的状态信号的物理特征分类,（1）振动诊断法：以平稳振动、瞬态振动、机械导纳及模态参数为检测目标，进行特征分析、谱分析和时频域分析，也包括含有相位信息的全息谱诊断法和其他方法。,（2）强度诊断法：以力、扭矩、应力、应变为检测目标，进行冷热强度变形、结构损伤容限分析与寿命估计。,二、故障诊断技术分类,2、按所利用的状态信号的物理特征分类,（3）温度诊断法：以温度、温差、温度场、热现象为检测目标，进行温变量、温度场、红外热象识别与分析。,（4）声学诊断法：以噪声、声阻、超声、声发射为检测目标，进行声级、声强、声源、声场、声谱分析。超声波诊断法，声发射诊断法。,二、故障诊断技术分类,2、按所利用的状态信号的物理特征分类,（5）电参数诊断法：以功率、电信号及磁特性等为检测目标，进行物体运动、系统物理量状态、机械设备性能等分析。,（6）光学诊断法：以亮度、光谱、和各种射线效应为监测目标，研究物质或溶液构成，分析构成成分量值，进行图形成象识别分析。,二、故障诊断技术分类,2、按所利用的状态信号的物理特征分类,（7）污染物诊断法：以泄漏、残留物、气、液、固体的成分为检测目标，进行液气成分变化、气蚀油蚀、油质磨损分析。特别是采用光谱、铁谱和电镜能谱对润滑油样中磨屑浓度、成分、粒度等进行检测分析,二、故障诊断技术分类,2、按所利用的状态信号的物理特征分类,（8）性能趋势诊断法：以设备各种主要性能指标为检测目标，研究和分析设备的运行状态、识别故障的发生与发展，提出早期预报与维修计划，估计设备的剩余寿命。,二、故障诊断技术分类,3、按诊断的目的、要求和条件的不同分类,（1） 性能诊断和运行诊断,性能诊断：对新安装和刚维修后设备，诊断其性能是否 正常，并按诊断结果进行调整。,运行诊断：对工作中的设备进行状态监测及故障诊断。,（2）定期诊断和连续诊断,二、故障诊断技术分类,3、按诊断的目的、要求和条件的不同分类,（3）直接诊断：如轴承间隙、齿面磨损、叶片的裂纹、 管道的壁厚等。,间接诊断：通过二次效应（温度、振动、噪声 等）来间接判断设备中关键部位的状 态变化。,二、故障诊断技术分类,3、按诊断的目的、要求和条件的不同分类,（4）常规诊断：在正常工作状态下。,特殊诊断：在特殊工作状态下，包括失事诊断， 例如利用“黑匣子”提供的信息判定 飞机失事的原因。,（5）在线诊断（对重要关键设备）和离线诊断,二、故障诊断技术分类,3、按诊断的目的、要求和条件的不同分类,（6）简易诊断：利用便携式监测与诊断仪表，对设备有无故障及故 障严重程度作出判断，一般由现场作业人员实施。,（7）精密诊断：由专业人员根据监测的各种信息进行综合分析，确 定故障的类型、部位、产生的原因、故障严重程度 及发展趋势，确定清除故障、改善设备状态的方法。,三、故障诊断的基本内容与结构体系,1、诊断过程 的三阶段 状态监测 分析诊断 治理预防,三、故障诊断的基本内容与结构体系,2、状态监测与故障诊断系统的技术结构,第一部分 状态监测,三、故障诊断的基本内容与结构体系,2、状态监测与故障诊断系统的技术结构,第二部分 故障诊断,分析研究各种症状与故障之间存在的客观关系，识别和诊断出设备故障，说明其性质和程度等。,三、故障诊断的基本内容与结构体系,2、状态监测与故障诊断系统的技术结构,三、故障诊断的基本内容与结构体系,2、状态监测与故障诊断系统的技术结构,症状（S）：振动、噪声、变形、裂纹、温度、压变、残留物泄 转速、扭矩、功率等,故障（F）：磨损、腐蚀、变形、裂纹、不对中、不平衡、松动、 堵、漏、性能失常,逻辑关系（R）（诊断方法与诊断理论）：简单映射、,加权相关、,规则相关、,置信因子、,统计识别、,模糊逻辑、,灰色理论、,神经网络,三、故障诊断的基本内容与结构体系,2、状态监测与故障诊断系统的技术结构,诊断（D）：简易诊断、精确诊断,诊断出：故障的性质、程度、类别、部位、 原因、预测设备（或零部件）的寿 命、发展趋势,三、故障诊断的基本内容与结构体系,第三部分 治理预防,设备故障的治理和预防，包括对关键零部件剩余寿命的估计，以便向企业经济管理部门提供依据。,确定视情维修对象、维修时间、维修方法及维修前的各项准备工作（含备品备件准备）。,四、远程在线监测与故障诊断,基于Internet,利用CORBA和SOAP/Web Service技术,B/S模式（瘦客户端）,B指brower（浏览器），,S指server（服务器）,登陆界面,武汉科技大学 冶金设备研究所,武汉科技大学 冶金设备研究所,开始采集,报警显示,实时原始波形及功率谱分析,功率谱分析界面,各轴转频、各齿轮副啮合频率 及各轴承故障特征频率查询,第五章 振动监测与诊断技术,第一节 振动诊断标准,一般以振动速度有效值（即均方根值）为评判对象，其根据是：系统的破坏势能等于系统的动能，而动能与振动速度有效值的平方成正比。,第五章 振动监测与诊断技术,第一节 振动诊断标准,一、相对标准,应用方法：对设备同一部位的振动进行定期监测，以设备正常情况下的值为原始值根据实测值与原始值的比值是否超越标准来判断设备的状态。,典型的振动相对标准（日本工业界）,第五章 振动监测与诊断技术,第一节 振动诊断标准,二、振动绝对标准,1、旋转机械通用标准ISO3945-1985 适用范围：功率300KW，转速10100r/s 监测部位：轴承外壳上的三个正交方向 刚性支承：固有频率高于机器的主激励频率的底座。 柔性支承：固有频率低于机器的主激励频率的底座。,ISO3945-1985,第五章 振动监测与诊断技术,第一节 振动诊断标准,一、相对标准,2、往复机械,GB7777-87 往复活塞压缩机械振动标准,注意：对一台具体的设备，应经过长期的资料积累和分析，才能定出使用的标准。,第五章 振动监测与诊断技术,第二节 旋转机械故障诊断,1、概述,旋转机械：发电机、气轮机、离心式压缩机、水泵、通风机、电动机等。,故障：机器的功能失常。 （运行失稳，异常振动和噪声，工作转速、输出功率发生变化， 介质的温度、压力、流量异常等）。,故障诊断：获取机器的稳态、瞬态数据、过程参数和运行工作状态 等信息后，通过信号分析和数据处理从中提取机器特有的故障征兆及故障敏感参数等，经综合分析判断，确定故障性质、部位、严重程度及原因，并提出治理措施。振动和噪音是重要信号。,第五章 振动监测与诊断技术,第二节 旋转机械故障诊断,1、概述,发生故障的主要原因及来源：,第五章 振动监测与诊断技术,第二节 旋转机械故障诊断,1、概述,发生故障的主要原因及来源：,第五章 振动监测与诊断技术,第二节 旋转机械故障诊断,2、旋转机械的振动基本特性,2.1 力学模型：如下图,第五章 振动监测与诊断技术,第二节 旋转机械故障诊断,2、旋转机械的振动基本特性,2.2 转子涡动,由于离心力作用， 转子产生动挠度,(1),转子有两种运动：,（1）转子的自身转动,（2）弓形转动，即弯曲的轴心线AOB与轴承 连线AOB组成的平面绕AB轴线转动,第五章 振动监测与诊断技术,第二节 旋转机械故障诊断,2、旋转机械的振动基本特性,2.2 转子涡动,园盘的运动方程为 ：,式中 k-转子的刚度系数， x,y-园盘几何中心的水平、铅垂方向坐标,（2）,第五章 振动监测与诊断技术,第二节 旋转机械故障诊断,2、旋转机械的振动基本特性,2.2 转子涡动,其解为 ：,园盘转子中心0在互相垂直的两个方向作频率为 n 的简谐振动。一般情况下振幅X、Y不相等， 点0的轨迹为一椭圆。0的这种运动是一种“涡动”，或称“进动”。转子的涡动方向与转子的转动角速度 同向时称为正进动；与反同向时称为反进动。,(3),第五章 振动监测与诊断技术,第二节 旋转机械故障诊断,2、旋转机械的振动基本特性,2.3 临界转速,2.3.1 转子临界转速 ：,园盘中心G相当于转轴中心O有偏心距 e=OG，园盘以角速度转动时，重心G的加速度为：,（4）,其中 表示 点的加速度分量,第五章 振动监测与诊断技术,第二节 旋转机械故障诊断,2、旋转机械的振动基本特性,2.3 临界转速,2.3.1 转子临界转速 ：,在转轴的弹性力 作用下：,（5）,则轴心O的运动微分方程为：,即,（6）,第五章 振动监测与诊断技术,第二节 旋转机械故障诊断,2、旋转机械的振动基本特性,2.3 临界转速,2.3.1 转子临界转速 ：,上式写为复数形式：,（7）,其特解为 代入上式得,振幅（7）,（8）,第五章 振动监测与诊断技术,第二节 旋转机械故障诊断,2、旋转机械的振动基本特性,2.3 临界转速,2.3.1 转子临界转速 ：,园盘或转轴中心O对于不平衡质量的响应为：,正常运转情况：,（9）,O, O和G三点始终在同一直线，这直线绕点O以角速度转动，O和G作同步进动，两者的轨迹是半径不相等的同心圆。,第五章 振动监测与诊断技术,第二节 旋转机械故障诊断,2、旋转机械的振动基本特性,2.3 临界转速,2.3.1 转子临界转速 ：,a. n时，A0， O和G点在O的同一侧，图a所示；,a. n,第五章 振动监测与诊断技术,第二节 旋转机械故障诊断,2、旋转机械的振动基本特性,2.3 临界转速,2.3.1 转子临界转速 ：,当 时，Ae，或OO -OG，园盘的重心G近似落于固定点O，振幅很小，转动反而比较平稳。称为“自动对心”。,b. n,b. n时，A0，但|A|e, G在O与O 之间，图b所示；,第五章 振动监测与诊断技术,第二节 旋转机械故障诊断,2、旋转机械的振动基本特性,2.3 临界转速,2.3.1 转子临界转速 ：,由于有阻尼，振幅A不是无穷大而是较大，但振动仍然非常剧烈。所以n （轴的横向振动固有频率）称为转轴的“临界角速度”。,c. =n,c. =n时，A ，共振，如图c。,第五章 振动监测与诊断技术,第二节 旋转机械故障诊断,2、旋转机械的振动基本特性,2.3 临界转速,2.3.1 转子临界转速 ：,式中S 园盘重量引起的转轴中心O的静挠度,因,临界转速 ：,（转/分） （10）,当转轴受到横向冲击的瞬间：园盘中心O同时有自由振动和强迫振动。O, O和G三点不在同一直线上。由于阻尼存在，自由振动衰减，经过一段时间，转子恢复正常的同步进动。,（11）,第五章 振动监测与诊断技术,第二节 旋转机械故障诊断,2、旋转机械的振动基本特性,2.3 临界转速,2.3.1 转子临界转速 ：,刚性轴：工作转速小于临界转速。,柔性轴：工作转速高于临界转速。当 时柔性轴 运转较为平稳，但在启动过程要经过临界转速。 如果缓慢启动，则经过临界转速时，也会发生 剧烈振动。,第五章 振动监测与诊断技术,第二节 旋转机械故障诊断,2、旋转机械的振动基本特性,2.3 临界转速,2.3.1 转子临界转速 ：,如果考虑阻尼，则（7）式变为:,（12）,其中阻尼 :,设特解为:,解出,第五章 振动监测与诊断技术,第二节 旋转机械故障诊断,2、旋转机械的振动基本特性,2.3 临界转速,2.3.1 转子临界转速 ：,由此得到的幅频响应曲线与相频响应曲线如下图所示,幅频响应曲线,相频响应曲线,幅频响应与相频响应曲线,第五章 振动监测与诊断技术,第二节 旋转机械故障诊断,2、旋转机械的振动基本特性,2.3 临界转速,2.3.2 弹性支承对转子临界转速的影响,支承弹性系数与弹性转轴刚度系数相串连，总的刚度低于转轴本身的刚度。因此，弹性支承使临界转速降低。减小支承刚度可以使临界转速显著降低。,第五章 振动监测与诊断技术,第二节 旋转机械故障诊断,2、旋转机械的振动基本特性,2.4 非线性振动及识别方法,a.固有频率随振幅变化,自由振动的振幅与频率关系,第五章 振动监测与诊断技术,第二节 旋转机械故障诊断,2、旋转机械的振动基本特性,2.4 非线性振动及识别方法,b.振幅跳跃现象,共振曲线与跳跃现象,渐软系统响应曲线,渐硬系统响应曲线,第五章 振动监测与诊断技术,第二节 旋转机械故障诊断,2、旋转机械的振动基本特性,2.4 非线性振动及识别方法,c.次谐波（分数谐波）共振和超谐波（高频谐波共振）,n/3,n ,3 n ,d.组合共振（和差谐波共振）,激励频率1和2 ，当（1 +2）或（1-1）或（m1n1）与固有频率一致时，引起系统共振。,第五章 振动监测与诊断技术,第二节 旋转机械故障诊断,2、旋转机械的振动基本特性,2.4 非线性振动及识别方法,2.4.2 系统发生非线性振动的识别方法,a.非线性系统的固有频率随振幅的大小而变，且有跳跃现象。,b.非线性系统的激励X(t)与响应Y(t)具有次谐波共振、超谐波共振以及组合频率共振特征，且激励X(t)与响应Y(t)之间的相干函数大于零而小于1。,第五章 振动监测与诊断技术,第二节 旋转机械故障诊断,二、传感器安装,1、轴承外壳（或轴承座）三个方向（铅垂、水平径向、轴向）安装加速度（或速度）传感器（如下图）。,2、在轴颈同一铅垂平面的水平径向和铅垂方向各安装一个位移传感器（非接触式：点涡流位移传感器）,第五章 振动监测与诊断技术,第二节 旋转机械故障诊断,三、故障特征,fr转子转动频率,fn转子的临界转速，其值接近于转子横向自由振动的固有频率,下面列表介绍旋转机械的各种故障特征及识别方法,第五章 振动监测与诊断技术,第二节 旋转机械故障诊断,第五章 振动监测与诊断技术,第二节 旋转机械故障诊断,第五章 振动监测与诊断技术,第二节 旋转机械故障诊断,第五章 振动监测与诊断技术,第二节 旋转机械故障诊断,第五章 振动监测与诊断技术,第二节 旋转机械故障诊断,其中“油膜振荡”是自激振荡，为转子的涡动频率与转子固有频率接近时发生的共振。,第五章 振动监测与诊断技术,第二节 旋转机械故障诊断,第五章 振动监测与诊断技术,第三节 滚动轴承故障诊断,一、轴承的故障特征频率,1、滚动轴承的典型结构,E轴承节径；D滚动体直径；,Z滚动体个数；,接触角 ； fr轴承内圈转动频率（假设外圈固定),第五章 振动监测与诊断技术,第三节 滚动轴承故障诊断,一、轴承的故障特征频率,2、表面缺陷引起的低频振动特征频率,随着轴承的旋转，轴承表面缺陷每接触一次就会发生一次冲击，其特征频率分别为（一个剥落点）：,内圈表面滚道剥落,外圈表面滚道剥落,滚动体表面剥落,第五章 振动监测与诊断技术,第三节 滚动轴承故障诊断,一、轴承的故障特征频率,2、表面缺陷引起的低频振动特征频率,随着轴承的旋转，轴承表面缺陷每接触一次就会发生一次冲击，其特征频率分别为（一个剥落点）：,保持架不平衡,内圈滚道不圆,第五章 振动监测与诊断技术,第三节 滚动轴承故障诊断,一、轴承的故障特征频率,3、轴承元件的固有频率（高频）,钢球的固有频率,（HZ）,式中：r钢球半径（m） 材料密度（kg/m） E材料的弹性模量（N/m2）,第五章 振动监测与诊断技术,第三节 滚动轴承故障诊断,一、轴承的故障特征频率,3、轴承元件的固有频率（高频）,轴承套圈（内、外圈）在圈平面内径向弯曲振动的固有频率,（HZ）,式中：I套圈截面绕中性轴的惯矩（m4) m套圈单位长度的质量（kg/m） a回转轴线到中性轴的半径（m） k套圈在圈平面内径向弯曲自由振动的阶数,第五章 振动监测与诊断技术,第三节 滚动轴承故障诊断,一、轴承的故障特征频率,3、轴承元件的固有频率（高频）,轴承套圈（内、外圈）在圈平面内径向弯曲振动的固有频率,若取E2.0581011N/m2，密度为7.8103kg/m3,则上式可简化为,（HZ）,式中：h套圈的厚度（m）,第五章 振动监测与诊断技术,第三节 滚动轴承故障诊断,一、轴承的故障特征频率,轴承的剥落点一般不止一个，再加上故障频率与转动频率相互调制，常见的轴承有故障时的振动频谱如下：,nfi,第五章 振动监测与诊断技术,第三节 滚动轴承故障诊断,一、轴承的故障特征频率,第五章 振动监测与诊断技术,第三节 滚动轴承故障诊断,二、轴承故障的简易诊断法,1、判定标准,a、绝对判定标准,b 、相对判定标准,c 、类比判定标准,一般是兼用以上三种判断标准，才能获得准确、可靠的诊断成果。,第五章 振动监测与诊断技术,第三节 滚动轴承故障诊断,二、轴承故障的简易诊断法,2、使用便携式测振仪,（1）测试震动速度有效值（振级）,（2）冲击脉冲法,仪器：瑞典SPM公司生产的SPM-43A冲击脉冲仪 或 SKF公司生产的TMED-1轴承故障诊断仪,显示参数：冲击峰值dBM（实际的冲击脉冲值与dBi之差。使 dBM仅与轴 承损伤程度有关，而与轴承尺寸和转速无关。）,设置参数：根据轴承的内径尺寸和转速选择基准脉冲值dBi（用旋钮）,第五章 振动监测与诊断技术,第三节 滚动轴承故障诊断,二、轴承故障的简易诊断法,2、使用便携式测振仪,表盘上划分为绿、黄、红三个示值区域,绿区轴承工作状态良好，无损伤， dBM 20,黄区轴承工作表面有轻微损伤，可能不断扩大，20 dBM 35,红区轴承工作表面严重损伤， dBM 35,第五章 振动监测与诊断技术,第三节 滚动轴承故障诊断,二、轴承故障的简易诊断法,3、在线监测与故障诊断系统中的状态监测部分,（1）振动值诊断法,峰值P：适用于表面点蚀损伤之类具有瞬时冲击的故障诊断。 对于转速低于300r/min的情况也常用。,均值A（经绝对值处理后的平均值）：一般用于转速高于300r/min时。,均方根值Prms：适用于摩擦之类振动值随时间缓慢变化的情况。,第五章 振动监测与诊断技术,第三节 滚动轴承故障诊断,二、轴承故障的简易诊断法,3、在线监测与故障诊断系统中的状态监测部分,（2）波形因素诊断法（P/A）,P/A过大时，表明轴承可能有点蚀,P/A过小时，表明轴承可能发生了磨损,（3）峰值系数（峰值因子） （P/Prms）诊断法 。,第五章 振动监测与诊断技术,第三节 滚动轴承故障诊断,二、轴承故障的简易诊断法,3、在线监测与故障诊断系统中的状态监测部分,（4）概率密度诊断法,采用“峭度” 4来诊断,式中： 振幅均值 标准差,当 4 =3 时，正常；,43时，异常（点蚀，有冲击）。,第五章 振动监测与诊断技术,第三节 滚动轴承故障诊断,二、轴承故障的简易诊断法,3、在线监测与故障诊断系统中的状态监测部分,（4）概率密度诊断法,采用“偏态” 3来诊断,式中： 振幅均值 标准差,当 3 =0 时，正常；,30时，偏离了正态分布，异常。,第五章 振动监测与诊断技术,第三节 滚动轴承故障诊断,三、轴承故障的精密诊断法（即虚拟仪器分析系统）,通过振动信号的频率分析，判明故障的类别和原因,1、低频信号分析法,监测频带：020KHZ，常用01 KHZ,加速度信号积分为速度信号，进行频谱分析（功率谱），与故障特征频率相对照，确定故障类别和原因。,一般的FT功率谱的缺点：低频噪声干扰大，信噪比。,减少噪声影响的方法：同步平均法（一般取20个以上样本，谱平均）,小波分析：由于小波的时、频变焦特点，可检测出淹没在 噪声中的微弱低频故障信号。,第五章 振动监测与诊断技术,第三节 滚动轴承故障诊断,三、轴承故障的精密诊断法（即虚拟仪器分析系统）,2、谐振信号分析法,监测频带：3040KHZ（轴承元件的固有频率一般在此频带内）。 对应滚动体或内、外圈的自由振动（由轴承故障激发） 的固有频率。,优点：压点加速度计的磁座、机壳及邻近零件的谐振频率均 远离这一频带，信噪比高。,缺点：采样频率要求太高，一般磁带记录仪难于满足，对A/D 板采样频率太高，数据量大。,第五章 振动监测与诊断技术,第三节 滚动轴承故障诊断,三、轴承故障的精密诊断法（即虚拟仪器分析系统）,3、包络法（共振解调法）,监测频带：传感器的一阶谐振频带（120KHZ）,优点：可消除各种低频成分的干扰。,第五章 振动监测与诊断技术,第三节 滚动轴承故障诊断,三、轴承故障的精密诊断法（即虚拟仪器分析系统）,3、包络法（共振解调法）,用低频信号分析法和包络法得到的谱图,a、b分别用低频信号分析法得到的轴承正常状态、缺陷状态运行时的谱图；,c、d分别用包络法得到的轴承正常状态、缺陷状态运行时的谱图；,第五章 振动监测与诊断技术,第三节 滚动轴承故障诊断,三、轴承故障的精密诊断法（即虚拟仪器分析系统）,4、倒频谱分析,正常滚动轴承的振动信号,有故障滚动轴承的振动信号,第五章 振动监测与诊断技术,第四节 齿轮故障诊断,一、齿轮故障,齿轮箱故障中，齿轮本身的失效占60。,齿轮故障：,1、制造误差：偏心、周节误差和齿形误差,2、装配不良：不同轴、不对中、齿轮副的轴线不平行,3、齿轮的损伤：断裂、磨料磨损、胶合撕伤、疲劳剥落等,第五章 振动监测与诊断技术,第四节 齿轮故障诊断,二、齿轮的啮合频率和固有频率,1、啮合频率,（HZ）,式中：n1、n2大、小齿轮的转速（rpm） Z1、Z2大、小齿轮的齿数,第五章 振动监测与诊断技术,第四节 齿轮故障诊断,二、齿轮的啮合频率和固有频率,2、齿轮的固有频率,（HZ）,式中：m一对齿轮的等效质量,mc、mr大、小齿轮的等效质量,第五章 振动监测与诊断技术,第四节 齿轮故障诊断,二、齿轮的啮合频率和固有频率,2、齿轮的固有频率,（HZ）,一个直齿圆柱实心齿轮的等效质量为：,其中：m模数 Zi齿数,第五章 振动监测与诊断技术,第四节 齿轮故障诊断,二、齿轮的啮合频率和固有频率,2、齿轮的固有频率,（HZ）,K齿轮副的等效弹簧常数（等效刚度）,Kc、Kr 大、小齿轮的等效弹簧刚度。根据齿数Z和修正系数X及 啮合（重叠）系数从图表（设备故障诊断手册P414）查出。,第五章 振动监测与诊断技术,第四节 齿轮故障诊断,三、齿轮的简易诊断方法,目的：判别齿轮的状态是否正常，或根据振平的分析查出一些简单故障。,1、振平诊断法（速度有效值）,采用绝对判定标准和相对判定标准相结合（其中相对判定标准达正常值2倍时引起注意；达正常值4倍时表示危险）。,第五章 振动监测与诊断技术,第四节 齿轮故障诊断,三、齿轮的简易诊断方法,2、判定参数值,式中：P峰值；Prms均方根值,（1）峰值系数,（2）峭度,（3）偏态,第五章 振动监测与诊断技术,第四节 齿轮故障诊断,三、齿轮的简易诊断方法,3、简易诊断法的实施,判定：若A、B、C、D四处振动值差异很小， 且都超标，说明齿轮异常；,检测部位：轴承座,若个别部位振动值大于其他部位，说明该处轴承异常。,第五章 振动监测与诊断技术,第四节 齿轮故障诊断,四、齿轮的精密诊断方法,1、齿轮精密诊断的一般程序,第五章 振动监测与诊断技术,第四节 齿轮故障诊断,四、齿轮的精密诊断方法,2、频域诊断,（1）正常齿轮的频谱,a.啮合频率fZ及其倍频nfZ， fZ成分为主，其谐波值依次减小。,b.在低频有回转频率fr及其谐波nfr。,第五章 振动监测与诊断技术,第四节 齿轮故障诊断,四、齿轮的精密诊断方法,2、频域诊断,（2）均匀磨损,功率谱类似于正常齿轮，但幅值增大，且高次谐波值增大。随着磨损加剧，还可能产生1/2，1/3，的分散谐波。,（3）齿轮偏心,啮合频率fZ及其谐波nfZ 受到回转频率fr的调制。,第五章 振动监测与诊断技术,第四节 齿轮故障诊断,四、齿轮的精密诊断方法,2、频域诊断,（4）齿轮不同轴,产生以啮合频率为中心的边频带，其回转频率在谱上也有明显反映。,第五章 振动监测与诊断技术,第四节 齿轮故障诊断,四、齿轮的精密诊断方法,2、频域诊断,（5）周节误差,啮合频率fz及其边频带fz+nfr ，不对称边频带。,第五章 振动监测与诊断技术,第四节 齿轮故障诊断,四、齿轮的精密诊断方法,2、频域诊断,（6）不平衡（联轴器 或齿轮本身）,（m，n1，2，3，）,第五章 振动监测与诊断技术,第四节 齿轮故障诊断,四、齿轮的精密诊断方法,3、倒频谱分析方法,由于调频调幅作用，故障齿轮的功率谱常常出现不对称的边频带。这种不对称的边频带，对于实际信号，有时是难以识别的。,倒频谱分析的优越性：,受传输途径的影响很小。,将原来谱上成族的边频带谱线简化为单根谱线，可以检测出功率谱中难以辨别的周期性。,第五章 振动监测与诊断技术,第四节 齿轮故障诊断,四、齿轮的精密诊断方法,3、倒频谱分析方法,卡车齿轮箱在正常与异常状态下的频谱和倒频谱,输入轴转频为35.6HZ，二档齿轮的回转频率为10.4HZ。,第五章 振动监测与诊断技术,第四节 齿轮故障诊断,四、齿轮的精密诊断方法,4、平均响应分析法,这种分析方法的关键是测量时要有时标信号，并且经过扩展压缩的运算，把原来的周期转为被检测齿轮转过一整转的周期。然后把加速度信号按此周期截断叠加，然后进行平均（可减小噪声干扰）。基本原理如下图所示。,第五章 振动监测与诊断技术,第四节 齿轮故障诊断,四、齿轮的精密诊断方法,4、平均响应分析法,齿轮在各种状态下的时域平均信号,(a) 正常齿轮,(b) 齿轮安装错位（调制频率为转频及倍频）,(c) 齿面严重磨损（有高次谐波）,(d) 个别齿出现断裂（有突跳现象）,第五章 振动监测与诊断技术,第五节 减速机故障诊断,一、传感器及其安装位置,压电加速度传感器，安装于轴承座上（两个径向，一个轴向）。两个径向指齿轮啮合方向的法向、切向（或水平、铅垂方向）,二、故障特征频率,算出各轴转频，个齿轮副啮合频率，各轴承各元件故障频率。,三、振动烈度分析,第五章 振动监测与诊断技术,第五节 减速机故障诊断,四、功率谱分析、倒频谱分析、时域分析,五、小波分析,小波分析具有时、频“聚焦”特性，在时域或频域同时具有良好的局部化性质。对信号进行小波变换，将信号划分到不同的频段内，运用频谱细化技术对信号进行谱分析，可以将轴承故障信号（一般能量较齿轮故障信号弱）分离出来，准确判定故障位置 。,R1轧机主机列主传动系统振动测试报告,武汉科技大学 机械自动化学院,测试框图,减速机测点位置,顺时针转,齿轮座及其基础测点位置,轧制工况主要参数,98年所测减速机振动烈度分析,99年所测减速机振动烈度,减速机示意图,R1轧机齿轮座振动烈度分析单位:mm/s,R1轧机主传动减速机振动速度有效值统计表(一),R1轧机主传动减速机振动速度有效值统计表(二),R1轧机齿轮座及其基础振动速度有效值统计表(三),R1轧机主传动齿轮座及其基础振动速度有效值统计表(四),减速机1测点振动加速度记录曲线,咬入,稳态,抛钢,齿轮座14测点振动加速度记录曲线,稳态,咬入,抛钢,螺栓联接中的作用力线图,1.螺栓的刚度曲线 2.预紧力为T时的被联接件刚度曲线 3.预紧力为T1时被联接件刚度曲线,齿轮座受倾翻力矩示意图,减速机各轴的转频及各级齿轮副啮合频率,高速轴两端轴承故障特征频率,1测点空运转时振动加速度功率谱图,功率谱细化图(200230Hz),功率谱细化图(030Hz),功率谱细化图(23.5Hz),1测点稳态轧制时振动加速度功率谱图,功率谱窗口放大图(150250Hz),2#测点稳态轧制时振动加速度功率谱图,3#测点稳态轧制时振动加速度功率谱图,功率谱窗口放大图(410460Hz),5#测点稳态轧制时振动加速度功率谱图,11测点稳态轧制时振动加速度功率谱图,功率谱细化图(060Hz),功率谱细化图(010Hz),结论及建议,结论及建议,结论及建议,低频重载轴承故障诊断研究,诊断方法,时域 幅值域 频域（共振解调技术 ）,机械振动及设备故障诊断方向,传感器的选取,1、压电式加速度传感器 2、低频加速度传感器,时域和幅值域分析,共振解调分析,低频加速度传感器原理简图,武钢自备电厂斗轮式取料机回转支承故障诊断,传感器（1#，2#为YD-1型压电加速度传感器， 3#为低频加速度传感器）底板 轴承外圈 滚柱，轴承上内圈，轴承下内圈,低频重载轴承故障诊断研究,机械振动及设备故障诊断方向,武钢自备电厂斗轮式取料机回转支承故障诊断,时域特征值分析：均方根值、峰值、峰值因子C和峭度K,1、峰值因子的最小值为1.66，最大值为4.45。依照滚动轴承判定标准，一般峰值因子大于1.5时，可以判断轴承出现故障 2、振动加速度的均方根值很小（最大为0.0097g），且工作状态的峰值因子一般都小于3，个别情况最大也只有3.99，说明故障程度并不严重 3、峭度值变化较大，最小值为20.02，最大值为114.99。峭度值远大于3，可以判定轴承出现故障，这与用概率分布判定故障结果吻合。,1#、2#加速度信号概率分布图,武钢自备电厂斗轮式取料机回转支承故障诊断,包络波形,经小波变换滤波,功率谱图,包络信号的主要频率成分为0.0133Hz，频谱细化后得到较精确的频率值为0.0134Hz，为转频的12倍，内圈滚道圆度较差是产生转频各阶倍频的主要原因。功率谱图中没有明显的轴承故障频率。,武钢自备电厂斗轮式取料机回转支承故障诊断,登陆界面,武汉科技大学 冶金设备研究所,远程监测系统物理连接框图,加速度传感器安装,转速传感器安装,硬件连接框图,武汉科技大学 冶金设备研究所,吐丝机、夹送辊测点布置图,武汉科技大学 冶金设备研究所,开始采集,报警显示,各轴转频、各齿轮副啮合频率 及各轴承故障特征频率查询,图2、原始波形,图3、功率谱图,图4、小波细化谱图,诊断实例 (2003年6月2日第20架精轧机),图1、第20架传动简图,图2为报警时的振动速度信号原始波形，图3、图4为振动速度信号进行功率谱分析及小波分析细化后的波形。,低速重载轴承及其故障诊断,低速重载轴承一般承受较大的负荷，在其运行过程中经常会出现局部点蚀、剥落以及滚动体破碎等严重故障。一般这类轴承都安装在一些大型关键设备(如转炉、钢包回转台等)上，一旦发生故障，会引起巨大的经济损失，而对其进行检修往往要花费大量的时间和费用。通过状态检测和故障诊断技术，测取轴承的振动信号进行分析，掌握轴承的运行状态，为避免重大设备事故具有重要意义。,共振解调法,带,共振解调法用于低速重载轴承故障诊断,共振解调技术中通常以压电式加速度传感器的谐振频率作为分析对象，此种传感器的谐振频率一般都在10kHz以上。因此，对于低速重载轴承，其故障冲击的频带不可能覆盖压电式加速度传感器的谐振频率。 我们采用自制的低频加速度传感器作为谐振器。该传感器共振频率只有几十赫兹，这样，不仅可以保证轴承的故障冲击能激起传感器的共振，而且可以降低采样频率，减少分析处理量。,低频重载轴承故障诊断研究,诊断方法,时域 幅值域 频域（共振解调技术 ）,机械振动及设备故障诊断方向,传感器的选取,1、压电式加速度传感器 2、低频加速度传感器,时域和幅值域分析,共振解调分析,低频加速度传感器原理简图,武钢自备电厂斗轮式取料机回转支承故障诊断,应用实例一 转炉悬挂箱 耳轴轴承,1炉体 2托圈,耳轴,悬挂齿轮箱,测速传感器,轴承故障特征频率计算,实测电机稳态转速为,总减速比为430.6。查相关资料得到轴承的参数分别为：轴承节径,，滚子直径,，滚子数,，接触角,根据相关文献公式可计算出轴承的故障频率。,表1 轴承故障特征频率 单位:Hz,低频加速度信号时域波形,经全局投影降噪后的时域波形,经全局投影降噪后的功率谱图,低频加速度信号功率谱图,低频加速度信号包络波形 低频加速度包络信号功率谱图,利用广义谐波小波构造通过频率为35.540Hz的带通滤波器，将以上信号的其它频率成分滤掉。然后进行包络处理，并对包络信号进行功率谱分析。,损坏的轴承滚动体 低频加速度包络信号功率谱图,包络信号的主要频率成分为0.244Hz和0.967Hz（为0.244Hz的四倍频）。功率谱图中没有其它明显的轴承故障特征频率，因此可以推断为轴承滚动体故障。在对悬挂齿轮箱检修时发现，该轴承滚动体表面发生剥落。因此，诊断结果是正确可信的。,传感器（1#，2#为YD-1型压电加速度传感器， 3#为低频加速度传感器）底板 轴承外圈 滚柱，轴承上内圈，轴承下内圈,应用实例二 武钢自备电厂斗轮式取料机回转支承故障诊断,机械振动及设备故障诊断方向,带通滤波后的时域波形和功率谱图,包络波形,经小波变换滤波,功率谱图,包络信号的主要频率成分为0.0133Hz，频谱细化后得到较精确的频率值为0.0134Hz，为转频的12倍，内圈滚道圆度较差是产生转频各阶倍频的主要原因。功率谱图中没有明显的轴承故障频率。,武钢自备电厂斗轮式取料机回转支承故障诊断,利用小波分析技术取分析尺度为8，得到其功率谱图，其峰值频率为 0.0023 Hz，为转频的2倍频,轴承振动的主要频率成分为转频的各阶倍频，说明轴承各元件（内、外圈滚道、滚动体）并未产生严重的表面剥落等缺陷。内圈滚道圆度较差是产生转频各阶倍频的主要原因。,武汉科技大学 冶金设备研究所,武钢烧结厂三烧车间 1、2抽风机 远程在线监测与故障诊断,测点布置图,武汉科技大学 冶金设备研究所,抽风机远程在线监测内容,风机输入端轴承座与风机非动力端轴承座分别安装1和2振动加速度传感器 (经积分),两个轴向位移信号传感器（3、9） 测轴心轨迹的位移传感器（4、5、6、7）,电机与风机的联轴器处测转速（8）,加速度传感器安装图,位移传感器安装图,转速传感器安装图,风机在线监测与故障诊断主界面,风机在线监测界面,1#风机驱动端轴心轨迹,1#风机驱动端轴心轨迹图,2#风机驱动端振动信号,2#风机驱动端振动信号的波形,功率谱分析,自相关分析,包络谱分析,倒谱分析,征兆编辑界面,模态对话框界面(报警限设置),选择性打印报表,知识更新诊断帮助系统界面,故障原因及治理措施界面,推理机显示结果,初步诊断结果,窗口管理,进一步的诊断结果,最后诊断结果,故障原因及消除故障的方法,第六章 润滑油样分析,第一节 概 述,通过分析混杂于润滑油中的磨屑的数量、成分、大小、形态等信息来判定机器零部件的磨损状态和机器的运行状态。,工作步骤：采样、检测、诊断、预测、处理等五个步骤,1、采样：,机器运转过程或在停车不久进行。,定时，定位采样，严防油样被外界污染。,2、检测：,观察油样中磨屑的粒度大小、表面形态，,测定油样中磨屑的数量、成分、粒度分布。,第六章 润滑油样分析,第一节 概 述,通过分析混杂于润滑油中的磨屑的数量、成分、大小、形态等信息来判定机器零部件的磨损状态和机器的运行状态。,工作步骤：采样、检测、诊断、预测、处理等五个步骤,3、诊断：,根据油样检测结果判断机器的磨损状态是否正常（磨屑的浓度和粒度），,确定异常磨损的零部件以及磨损类型（磨屑的大小和表面形态）。,第六章 润滑油样分析,第一节 概 述,通过分析混杂于润滑油中的磨屑的数量、成分、大小、形态等信息来判定机器零部件的磨损状态和机器的运行状态。,工作步骤：采样、检测、诊断、预测、处理等五个步骤,5、处理：,根据检测、诊断和预测结果，确定换油周期，清洗检修时间。,根据零部件的剩余寿命确定更换零部件的时间。,4、预测：,根据以前和目前的检测结果，预测今后磨损的发展趋势，,采用灰色马尔可夫预测法等（参看校学报97年第2期）。,第六章 润滑油样分析,第一节 概 述,通过分析混杂于润滑油中的磨屑的数量、成分、大小、形态等信息来判定机器零部件的磨损状态和机器的运行状态。,常用的分析方法：,2. 铁谱分析法（10 50 ）,1. 光谱分析法（10 ）,3.磁塞检查法（50 ）,三种油样分析方法的检测效率,第六章 润滑油样分析,第二节 光谱