（机械电子工程专业论文）基于internet的大型旋转机械远程故障诊断平台研究.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 基于现场的故障诊断系统的体系结构相对封闭，故障诊断与维修都会受到人 力、技术以及地域的限制，故障诊断的时效性也受到一定的影响。现代工业设备 正朝着超高速、超载荷、超精密、机电一体化、自动化、数字化、智能化、网络 化、集群化方向快速发展。传统故障诊断技术越来越难以满足现代工业设备的需 求，所以，建立远程故障诊断平台已经成为趋势所在。在i n t e m e t 网络技术、通讯 技术、网络数据库技术、w e b 技术成为信息传输主流模式的今天，将设备故障诊 断技术与计算机网络技术相结合，借助于i n t e m e t 网络，建立一种基于u w 的开 放式的远程故障诊断平台，具有可行性和优越性。 本文综合利用大型旋转机械典型故障特征及故障诊断方法、数据库技术、数 据传输技术、j a v a 相关技术，设计了远程诊断中心的原型和框架结构，建立了基 于i n t e m e t 的大型旋转机械远程故障诊断平台，实现了对部分现场设备的远程诊断 和分析功能。本文的主要内容包括以下几个方面： 1 ) 论述了大型旋转机械典型故障特征。主要分析了转子、轴承、齿轮的典型 故障特征； 2 ) 根据大型旋转机械典型故障的特征及分析，设计了一套大型旋转机械远程 故障诊断平台： 3 ) 详细介绍该平台各主要功能模块的具体实现方法； 4 ) 简要介绍了该平台的试运行情况。 关键字：远程故障诊断平台，故障特征，数据流程，数据传输 重庆大学硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t 1 z e a lb a s e de q u i p m e n tf a u l td i a g n o s i ss y s t e mi ss od o s er e l a t i v e l yt h a tt r o u b l e s d i a g n o s e da n dm a i n t a i n e da r cl i m i t e db ym a n p o w e r , t e c h n o l o g ya n dr e g i o n t h e e q u i p m e n t so f m o d e r ni n d u s t r ya r ed e v e l o p e df a s tt o w a r d st h eh y p e r v e l o c i t y , u l t r al o a d ， u l t r a p r e e i s i o nm a n u f a c t u r e ，t h ee l e c t r o nm e c h a n i c si n t e g r a t e s ，a u t o m a t i o n ，d i g i t i z a t i o n , i n t e l l i g e n t , n e t w o r k i n g t h et r a d i t i o n a le q u i p m e n tf a u l td i a g n o s i ss y s t e mi sm o r e d i f f i c u l tt om e e ta p p a r a t u so fm o d e r ni n d u s t r y sd e m a n d s ，s o ，s e tu pr e m o t ef a u l t s d i a g n o s i ss y s t e mh a sa l r e a d yb e c o m et r e n d n o w , i n t e r n e tt e c h n o l o g y , c o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g ya n dd a t a b a s et e c h n o l o g ya r ed e v e l o p e df a s t , a n dw e bh a sb e e nt h ep r i m a r y w a yo fi n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o n , s os e t t i n gu pw w wb a s e dr e m o t ef a u l td i a g n o s i s s y s t e mb yc o m b i n i n ge q u i p m e n tf a u l td i a g n o s i st e c h n o l o g ya n dh a t e r n e tt e c h n o l o g yi s f e a s i b l ea n ds u p e r i o r t h i sd i s s e r t a t i o nu t i l i z e st h er o t a t o r ym a c h i n e r yt y p i c a lb r e a k d o w nc h a r a c t e r i s t i c s a n dt h et r o u b l ed i a g n o s i sm e t h o d ，j a v at e c h n o l o g ya n dd a t a b a s et e c h n o l o g yt os e tu p b a s e di n t a m e tr e m o t ef a u l t d i a g n o s i sp l a t f o r m ，d e s i g n st h ep r o t o t y p eo fr e m o t e d i a g n o s i sa n ds t r u c t u r eo f t h es y s t e m ，i m p l e m e n t st h ed i a g n o s i sa n da n a l y s i st ot h el o c a l d e v i c e t h em a i np a r t so f t h i sd i s s e r t a t i o na l ea sf o l l o w s ： 1 1h a v ee x p o u n d e dt h em a i nc h a r a c t e r i s t i c so ft y p i c a lt r o u b l e sa b o u tt h e l a r g e s c a l er e v o l v i n gm a c h i n e r y m a i n l ya n a l y z e dt h et y p i c a lb r e a k d o w nc h a r a c t e r i s t i c s o f r o t o r , b e a r i n ga n dg e a r 2 1a c c o r d i n gt ot h et y p i c a lt r o u b l ec h a r a c t e r i s t i co f l a r g e s c a l er o t a t o r ym a c h i n e r y , h a v ed e s i g n e dt h er e m o t ef a u l t sd i a g n o s i sp l a t f o r ma b o u tr o t a t o r ym a c h i n e r y ； 3 ) i nd e t a i li n t r o d u c e st h ec o n c r e t ei m p l e m e n t a t i o nm e t h o do ft h i sp l a t f o r mo f e v e r ym a i nf u n c t i o nm o d u l e ； 4 ) h a v ei n t r o d u c e dt r y i n gt h er u n n i n gs i t u a t i o no f t h i sp l a t f o r mb r i e f l y k e y w o r d s ： r e m o t ef a u l td i a g n o s i sp l a t f o r m , f a u l tc h a r a c t e r i s t i c , p r o c e d u r eo f t h ed a t a , t r a n s m i s s i o no f t h ed a t a i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重庞态堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：壶灰要瘤k 签字日期：砂年归月垆日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重庞太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重庞态堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( 、) 。 ( 请只在上述一个括号内打“”) 学位论文作者虢未；碰数 签字日期：力o 年应月伞日 导师签名：诹k 签字日期：伽。年乙月年e t 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 绪论 1 1 设备状态监测与故障诊断的意义 设备状态监测与故障诊断是指在一定的工作环境和条件下了解和掌握设备在 使用过程中的状态，确定其整体或局部是否正常，查明导致系统某种功能失调的 原因和性质，判断状态劣化发生的部位，以及预测状态劣化的发展趋势。状态监 测主要包括：信号采集、征兆提取及状态识别。可以将信号采集、征兆提取的过 程归为设备状态监测，把根据监测结果进行故障判断的过程称为故障诊断。 最初，设备较为简单，维修人员主要靠感觉器官、简单仪表和个人经验就能 胜任故障的诊断工作，我们称之为简易故障诊断。 随着计算机和电子技术的飞速发展，现代企业的机械设备正在全面、迅速地 朝着大型化、连续化、高速化、精密化、强载化、系统化、自动化的方向发展， 使其本身的规模越来越大、性能越来越强、功能越来越多、结构越来越复杂，其 结果是一旦发生事故，不仅会造成巨大的经济上损失，而且往往伴随大量的人员 伤亡。例如，1 9 8 6 年1 月2 8 日美国“挑战者”号航天飞机由于燃料助推火箭密封圈 泄漏而发生爆炸，造成七名宇航员丧生并导致美国宇航计划推迟两年的严重后果， 其经济损失就更无法估计了。又如1 9 8 6 年4 月2 7 日前苏联切尔诺贝利核电站四 号机组发生严重振动而造成核泄露，致使两千多人死亡，经济损失达3 0 亿美元， 引起国际上普遍的关注。1 9 7 2 年日本关西电力公司k a i n a n 电厂一台6 0 0 姗汽轮发 电机组，发生断裂为1 8 段的严重事故，直接经济损失达9 千万马克，1 9 9 8 年我国 某钢厂一台大功率高炉鼓风机数级叶片折断，致使该高炉停产，直接经济损失数 千万元。1 9 8 5 年1 2 月2 9 日我国陕西某电厂一台2 0 万千瓦发电机在4 0 秒内全部 损坏，直接损失达1 0 0 0 万元以上。要防止这种重大事故，保证设备安全运转，降 低维修成本，必须对设备实施状态监测和故障诊断 1 l 2 1 1 3 l 。 1 2 故障诊断技术的发展及各阶段的特点 在不同工业生产时期，生产设备的性能、结构和规模大不相同，与之相适应 的设备监测与故障诊断技术主要经历了离线式监测与故障诊断、在线式监测与故 障诊断、设备远程监测与故障诊断等三个主要阶段： 1 ) 离线式监测与故障诊断是在设备停运或运行中利用有关仪表器具人为地对 设备定时地进行接触式检测或远距离遥测。例如用涡流计、加速计测量旋转电机 的外壳、轴振动轴位移，用红外线测温仪在远距离处测量高压带电体的温度等， 对所测参数建档，进行历史比较，趋势分析，做出初级诊断，为制订设备运行的维修 重庆大学硕士学位论文1 绪论 计划提供依据。 离线式监测的优点是方法简单，只用必要的单体仪器，节省投资；缺点是预 诊断精度不高，需要人工操作，并且检测是断续的，不能对设备进行连续监测，失 控的死区大。 2 ) 在线式监测与诊断方法是预先在设备的关键部位、敏感区域、重要参数环 节处安装传感元件和参数取出设备及特别的信号参数变换装置，将各种强、弱、 大、小规格不一的机械信号与电信号进行整理放大、规格化，变成自动化检测仪 表及计算机能够接纳的模拟或数字信号送入监测仪表和计算机系统的输入单元， 自动化仪表及计算机智能系统连续不断地接纳或周期性采样接纳各种参数信号， 智能系统按一定的数学模型和运算程序进行分析处理、计算，综合进行预诊断。 在线监测预诊断的优点是：( 1 ) 被监测设备全过程受控，没有死区；( 2 ) 适时维 修可避免过剩维修，节约维修资金；( 3 ) 适时维修可避免维修不足，可避免设备带病 工作，减少事故的发生，减少经济损失：( 4 ) 顸诊断出设备较精确的剩余寿命，合 理使用设备，避免设备浪费或设备寿命不足发生事故造成损失。缺点是：相对封 闭，诊断分析受到人力、技术、地域的限制。 3 ) 远程监测与故障诊断是近二十年来，随着计算机网络技术的飞速发展，产生 的一种新兴技术。它是通过设备状态监测及故障诊断技术与计算机网络技术相结 合，用若干中心计算机作为服务器，在大企业的重要关键设备上建立状态监测点， 采集设备状态数据，而在技术力量较强的科研所建立诊断分析中心，对设备运行 状态进行分析诊断。远程监测与故障诊断技术可以实现以数据的传输代替人员的 移动”，从而改变一旦设备发生故障，诊断人员就疲于奔命的被动局面【i 】【2 】【3 】【4 】【5 1 。 1 3 设备远程状态监测与故障诊断技术 1 3 1 设备远程状态监测与故障诊断技术的应用现状和发展趋势 国外诊断技术发展趋势是从个别行业、部门到普遍展开，从个别人士到专门 研究机构、学会、名牌大学。对诊断的认识不断深化，单纯从故障排除”到与维修 制度相联系，直到以系统观点衡量，为提高产品质量和功能从根本上解决问题。 在诊断技术上同时出现提高和普及两种势头，表现在由单参数测量发展到多参数 测量，由不同步到同步，由静态到动态，由平均值、极值到过渡过程和平稳过程 的瞬时值，由离线式到在线式，由事后分析到事先预测，由现场诊断到远程诊断， 由人工诊断到自动诊断。 随着计算机技术和网络化的发展，人们开始着眼于通过i n t e r n e t 实现远程故障 诊断。远程故障诊断简言之就是利用现代化的通讯技术实现异地间的监测与诊断 行为，具体说就是将现有的设备故障诊断技术与计算机网络技术帽结合，一方面 2 重庆火学硕士学位论文1 绪论 在企业内部建立状态监测服务器，在关键设备上设立状态监测点，将实时采集的 数据存入服务器中；另一方面在技术力量较强的研究机构建立相应的故障诊断中 心，设立故障诊断服务器，可随时为企业提供远程技术支持和一系列服务，在企 业和科研院所之问形成一个跨越地理位置的互联诊断网纠7 【8 1 1 9 1 。 远程诊断平台的基础是集中式在线监测系统和分布式在线监测系统，采用若 干台中心计算机作为诊断服务器，在关键设备上设立状态监测点。通过在监测点 上安装的传感器提取机械设备的运行状态信息，经过信号采集、a d 转换后输入 现场监测计算机，然后对信号进行单位变换，实现连续实时地采集设备状态数据， 而通过技术力量较强的远程故障诊断中心，为企业提供远程技术支持和保障。通 过网络将监测点连接成一个复杂的监测网，任何一个监测系统都可以提出请求服 务的要求，在异地的诊断服务中心接到请求服务的信息后，可以提供各种服务， 并返回诊断结果。 基于网络的远程诊断研究工作首先是从医学领域开始的。1 9 8 8 年美国提出远 程医疗系统是一个开放式的系统概念。与医学远程诊断相比，工业领域的远程诊 断起步较晚，进展相对较慢。1 9 9 7 年1 月，美国斯坦福大学和麻省理工学院联合 举办了首届基于i n t e m e t 的工业远程诊断研讨会，主要讨论了远程诊断连接开放式 体系、诊断信息规程、传输协议以及对用户的合法限制，并对未来技术发展做了 展望，同时，该项工作得到了国家制造业、计算机业和仪表业等多家大公司的支 持和通力合作。 在国内基本是同时进入该领域的，从事该领域研究的高校主要有：西安交通 大学、上海交通大学、哈尔滨工业大学、华中科技大学、天津大学等几所院校， 尤其是华中科技大学在机械设备远程故障诊断领域里走在各高校前列。同时 b e n t l y 、n i 等大公司也纷纷将他们最新的网络化设备状态监测产品推向中国市场， 这对增进我国学术界和企业界的网络化设备故障诊断意识和提高我国设备故障诊 断水平也起到了积极的促进作用。 1 3 2 设备远程状态监测与故障诊断的意义 进入9 0 年代后，设备的功能要求与复杂程度大为增加，使缛在对这些复杂设 备进行工况监测和故障诊断，实现按需维修、状态维修的工作中，出现了高几率 的状态辨识“错误”，如虚警、漏报等。出现高的虚警率、漏报率，其根本原因在于 对设备的复杂程度了解不够、设备状态监测点不够，采用多状态监测和信息融合 技术就能克服只能通过单一信息做出故障原因判别的局面。同样，现代化企业的 生产也要求整个企业设备向协调化、合作化的趋势发展。远程故障诊断技术的运 用可以带来如下的好处： ( 1 ) 用户、设备生产商、故障诊断专家结成了一个故障诊断的联盟，促进了他 3 重庆大学硕士学位论文1 绪论 们之间的技术合作； ( 2 ) 克服了地域障碍，缩短了设备故障诊断及修复时间，节约了人力物力，降 低了维修成本，提高企业效益，增强了产品的竞争力； ( 3 ) 大范围共享诊断资源，形成丰富的诊断数据库和诊断知识库，从根本上提 高对系统的整体诊断能力； ( 4 ) 设备制造厂商可以查询设备的故障信息，了解设备的故障动态，有利于改 进制造工艺，提高设备的质量1o 】【1 1 】【1 2 l i l 3 删。 基于i n t e t n e t 的远程诊断平台更具有如下的特点： ( 1 ) 具有良好的性能价格比。将企业内部及企业和科研院所连接起来，借助于 现有的企业内部网、教学科研网和i n t e r n e t 的资源，成本低、效益高、效益好。 c ) 开放性好。通过i n t e r a c t 使各种资源能得到充分的共享，多用户可并行进 行诊断，有利于分级诊断、集中诊断和协同诊断处理。 ( 3 ) 有利于技术的发展。基于i n t e m e t 的远程故障诊断平台的建立，在一定程 度上既可解决部分企业内专业人员相对少的问题，又有利于研究机构更准确、更 有效的得到企业内设备运行的信息，充实技术的理论研究1 1 匀【】6 】【1 7 1 1 q i l 9 】【2 0 】。 总之，基于i n t c m e t 的远程故障诊断平台的研究具有明显的社会效益和经济价 值。 1 4 本文的研究背景、内容及目的 1 4 1 研究背景 工业产品的产量、质量、成本、生产计划等，在很大程度上取决于设备；影 响安全，环境、能源、资源等问题的根源，也还是设备。所以，从某种意义上说， 设备决定着企业的生产成效、决定着企业产品的竞争力。现代工业设备正朝着超 高速、超载荷、超精密、机电一体化、自动化、数字化、智能化、网络化、集群 化方向快速发展。传统故障诊断技术越来越难以满足现代工业设备的需求，同时 随着计算机技术、网络通讯技术、现代检测技术、多媒体技术、网络数据库技术 等多种技术，以及智能诊断理论的发展，为设备网络化监测与诊断系统的实施奠 定了基础。在此条件下，某国有大型企业根据其自身条件( 主体生产厂已具备了一 定的监测与控制系统，实现了基础部分的自动化控制，重要厂区还实现了局部的 网络化) 提出了建立基于i n t e r a e t 的设备远程故障诊断平台的要求。 1 4 2 研究内容及目的 实施设备远程监测与故障诊断系统的目的主要是为了： 达到设备运行状态受控的目的 该企业设备众多，只有部分重要设备进行了在线监测，还有很多设备需要进 4 重庆大学硕士学位论文1 绪论 行监测；而且单机在线式监测系统、常规点检等方法又有许多不足，如信息获取 不足，方式单一，没有充分利用控制系统( p l c 、d c s 等) 中有关的控制参数、工艺 参数，缺乏系统分析能力，过于依赖检测人员的主观经验。 使设备管理达到预知维修的目的 预知维修可以大大节约维护费用。远程故障诊断系统综合利用点检、巡检、 在线监测等手段，全面掌握设备运行状态信息；设备状态信息通过网络进行有效 的描述与交流，克服以书面报告、口头报告为主的信息交流方式，从而保证设备 信息的准确、及时传递；克服了掌握设备状态信息的基层技术人员故障诊断分析 能力有限，而中、高层技术和管理人员无法及时、准确了解设备运行状况的局面。 实现网络化管理的目的 在整个公司内部对设备信息实现网络化，能使设备信息及时统一集中，统一 数据格式和数据通讯协议，实现设备信息积累和共享，可以对设备历史信息进行 有效的存储和管理，克服设备信息少而不全、使用范围狭窄、局限于单一职责范 围内，克服使用信息角度单一、没有进行信息加工处理、信息统计的困难，能够 做到深入挖掘和综合利用设备信息。 全面提高设备管理水平的目的 在设备管理方面不是依赖二级厂矿的自发投入、自发管理，而是统一认识、 统一规划、统一管理、统一制度，能有效提高全公司的设备管理水平。 本文正是以此为出发点，在分析了大型旋转机械典型故障特征及诊断方法的 基础上，设计了一套基于大型旋转机械的远程故障诊断平台。本文主要包含一下 几方面的内容： 介绍了大型旋转机械的典型故障特征及主要诊断分析方法； 分析了平台的数据流程及远程诊断中心的功能； 详细说明了平台各主要功能的具体实现方法：即平台的体系结构、远程数 据传输与安全、设备运行状态远程浏览的实现等； 论文的最后简要介绍了本平台的试用情况。 重庆大学硕士学位论文2 大型旋转机械典型故障特征及分析 2 大型旋转机械典型故障特征及分析 旋转机械的故障主要集中在转子、齿轮、滚动轴承上。 2 1 转子典型故障特征及分析 2 1 1 转子不平衡故障的特征 转子不平衡故障分为转子质量偏心、转子部件缺损两种状态。转子质量偏心 是由于转子的制造误差、装配误差、材质不均匀等原因造成，称此为初始不平衡。 转子部件缺损是指转子在运行中由于腐蚀、磨损、介质结垢以及转子受疲劳应力 的作用，使转子的零部件局部损坏、脱落，碎块飞出等，造成新的转子不平衡， 发生异常振动。 主要从以下几个方面来观察转子不平衡的振动特征： 振动频率特征 不平衡引起的振动总是在径向方向显示出不平衡部件转速频率的一倍频率的 振动。通常，1 x 转频的振动尖峰在频谱中占优势，幅值一般大于或等于振动总量 幅值的8 0 。 振动相位特征 在工作频率下，通常在径向方向呈现稳定的、可重复的振动相位。当不平衡 超过其它故障成为主要振动原因时，则轴承上水平方向与垂直方向振动相位差约 为9 0 度( 士3 0 度) 。 转速跟踪动态特征 转子启动时，振动幅值与质量中心和轴中心线的距离成正比，随转速增大而 增大，当低于转予第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。 轴心轨迹特征 质量不平衡产生一个均匀的旋转力，此力的方向连续变化，但是始终作用在 径向方向上因此，轴和支承轴承趋向于以某圆周为轨道运动，然而由于轴承的 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。永 平方向振动通常略大于垂直方向振动，一般范围在2 倍至3 倍左右【2 1 i b 】【i o l 。 2 1 2 转子不对中故障的特征 不对中是指联接轴的中心线不重合。如果不对中轴的中心线平行但不重合， 叫做平行不对中；如果两条中心线相交于一点，叫做轴线角度不对中。大多数不 对中是平行不对中和轴线角度不对中的组合。典型的不对中主要由以下原因引起： 6 重庆大学硕士学位论文2 人型旋转机械典型战醉特征及分析 a 元部件的不精确装配，如电机、泵等； b 由于扭矩而引起的柔性支撑扭曲变形； c 温度变化引起的机器变形； d 偶合面与轴线不垂直； e 由于地基柔性太大，在旋紧固定螺母时机器发生移动。 我们主要从以下几个方面来观察不对中引起的振动特征： 振动频率特征 对刚性联轴器及齿轮联轴器，其径向激振频率除旋转频率外，频谱上主要显 示二倍转速频率( 2 x ) 或四倍转频( 4 均处的振动为主导，不仅作用在轴向方向，还作 用在径向方向。有时还有可能引起大量的高次谐波，使振动频谱呈现为像松动或 间隙过大的故障，关键的区别特征是轴向方向2 x 转频处的大幅值振动。 振动形态特征 平行不对中主要引起转子的径向振动，而偏角不对中除了引起径向振动外， 还引起轴心振动。实际上发生的多为平行偏角不对中，因此轴向振动往往是存在 不对中的一种征兆，当然还有若干其它来源也可产生轴向方向振动，它们包括： 弯曲的轴； b 处于共振回转的轴； c 卡在轴上的不对中的轴承 d 轴向方向某些零部件共振； c 推力轴承磨损； 磨损的螺旋齿轮或斜齿轮； g 装滑动轴承的电动机相对于其磁力中心摆动： h 联轴器的零部件不对中。 振动相位特征 不对中时的相位特点是：联轴器两侧的相位差接近1 8 0 度( 4 - 4 0 到5 0 度) ，不 对中程度越严重，越接近这个1 8 0 度相位差。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1 8 0 度。 2 1 3 转子碰摩故障的特征 旋转机械在运行中，常常由于不平衡、不对中、热弯曲、气体动力、密封力 等作用，导致转子与静止部件发生碰摩，轴承中也会发生干摩擦，转子外缘与静 止部件接触而引起的摩擦称为径向摩擦，转子在轴向与静止件接触而引起的摩擦 称为轴向摩擦。摩擦还可分为局部摩擦和全周摩擦。转予碰摩具有如下故障特征： 1 ) 转子碰摩振动频谱成分丰富，不仅有工频，还有高次频分量( 2 w ，3 w ) 7 重庆大学硕士学位论文 2 火型旋转机械典型故障特征及分析 和低次谐波分量( w 2 ，w 3 ) ； 2 ) 转子失稳前频谱丰富，波形畸变，轴向轨迹不规则变化，正进动； 3 ) 转子失稳后波形严重畸变或削波，轴心轨迹发散，反进动，频谱图上将出 现涡动频率q 与转速频率的和频与差频，即产生( n r 址m ) 的频率成分( n ，m 为 正整数) ； 4 ) 轻微摩擦时同频幅值波动，轴心轨迹带有小圆环； 5 ) 碰摩严重时，各频率成分幅值迅速增大； 6 ) 系统的刚度增加，临界转速区展宽，各阶振动的相位发生变化； 7 ) 工作转速下发生的轻微摩擦振动，其振幅随时间缓慢变化，相位逆转动方 向旋转1 2 1 | 4 1 1 1 1 【s 】【9 l 【。 2 2 轴承典型故障特征及分析 2 2 1 轴承偏翘故障的特征 轴承偏翘，当滑动轴承或滚动轴承不对中或者卡死在轴上时，可引起明显的 轴向振动和异常负载。 振动频率特征 卡住的轴承通常产生明显的轴向振动，它可能不仅影响l x 转速频率振动，同 时也影响2 x 转速频率振动。波峰通常位于l x 、2 x 和3 x 处，可能会与不平衡相混 淆，但是在2 x 和3 x 处的波峰则说明轴承发生偏翘的可能性要高于不平衡。 振动相位特征 在彼此间隔9 0 度的4 个点上，测量轴向方向相位，如果上下或左右的相位差 约为1 8 0 度，则说明是轴承卡死在轴上 2 1 1 4 1 1 7 1 8 l i g 。 2 2 2 滑动轴承故障的特征 婿动轴承有时也称为流体动压轴承。 ( 1 ) 滑动轴承磨损和间隙故障特征 1 ) 间隙过大且摩擦的滑动轴承，可使轴在轴承内的位置发生改变，可能导致 不对中，常常产生2 x 转速频率的振动。有时，间隙过大使轴与轴承相摩擦，在这 种情况下，这些扰动力导致轴产生自激振动。 2 ) 当滑动轴承存在间隙过大时，可能使小的不平衡、不对中或其它相关的力 产生类似于机械松动故障的振动特征，即频谱图特征和旋转松动很相似，出现较 强l x 谐波，多数情况下，垂直轴向上的振动要高于水平方向。在更严重的情况下， 频谱中还会出现半阶甚至1 3 阶的谐波。如图2 1 所示。 重庆大学硕士学位论文2 大型旋转机械典型故障特征及分析 图2 1 滑动轴承磨损和间隙故障频谱示意图 f i 9 2 1f r e q u e n c ys p e c t r u ms k e t c h m a p o f s l i d i n g b e a r i n g w i t h a b r a s i o n a n d c l e a r a n c e 油膜涡动故障特征 油膜涡动是转子中心绕轴承中心转动的亚同步现象，其回转频率即振动频率 约为转子回转频率的一半，所以常称为半速涡动。通常，油膜本身以略低于5 0 的速度环绕轴颈转动，润滑和冷却轴承。 如果轴受到诸如突然冲击或外部冲撞等于扰力，可能瞬间增大相对于某平衡 位置的偏心，导致油膜与轴之间产生附加的力。在这种情况下，促使转子绕轴承 中心以o 4 0 x 到0 4 8 x 转速频率回转。如果系统中有足够的阻尼，轴可能返回到正 常位置并且稳定。否则，轴将继续涡动运行，并产生剧烈的振动。当振动幅值达 到轴承正常间隙的5 0 时，认为油膜涡动很严重，一旦发现就需要立即修正，因 为它会迅速损坏轴承内的金属接触面。 油膜振荡 油膜振荡是一种破坏性极强的故障，有时发生在超临界速度运转的大型多转 子设备上，当油膜涡动激发的振频与转轴的固有频率相匹配时就会出现油膜振荡。 随着转子转速的提高，油膜涡动的频率也提高，两者保持一个近乎不变的恒 定比例，即约为o 5 。但是当转子回转频率约为该转子一阶临界转速的两倍时，随 着转子转速的提高，涡动频率将保持不变，而且等于该转子一阶临界转速。这时， 油膜涡动变为油膜振荡。此时，油膜可能不再具有支承能力。振荡转速将“锁定” 在转子临界转速，由它激发产生的共振能够达到非常高的振动级，这是一种可导 致灾难性破坏的不稳定振动1 2 1 1 4 1 1 7 1 $ 1 9 1 f o l 。 2 2 3 滚动轴承故障的特征 滚动轴承是旋转机械中应用最为广泛的机械零件，也是最易损坏的元件之一。 据统计，旋转机器故障有3 0 是由滚动轴承损坏造成的。 滚动轴承振动的基本参数 图2 2 为滚动轴承的典型结构示意图，它由内圈、外圈、滚动体和保持架四部 9 重庆大学硕士学位论文2 大型旋转机械典型故障特征及分析 分组成。图中，d 一轴承节径；【卜滚动体直径；口接触角；二一滚动体数目。 滚动轴承有四个重要的激振频率：内环故障特征频率( b p i ) ，外环故障特征频 率( b p o ) ，保持架故障特征频率( f d 和滚动体旋转故障特征频率( b s ) 。激振频率的 四个参数：球直径、球数、节径和接触角。 假设：滚道面与滚动体之间无相对滑动；承受径向、轴向载荷时各部分无变形； 外圈固定，则滚动轴承工作时的特征频率如下： d 图2 2 滚动轴承典型结构示意图 f i g2 2t h et y p i c a ls t r u c t u r es k e t c hm a po f r o l l i n gb e a r i n g 1 ) 内圈旋转频率c 2 o ( n 为轴转速) 2 ) 个滚动体( 或保持架) 通过内圈上一点的频率 f ：= 三( + 五dc 。s 口) e z f = j 1z ( + 昙 f o = 三( ，一五dc 。s 口 e z f o = i 1z ( 1 一五dc p = 品f 一( 昙) 2c 。s 2 口 1 0 ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) 重庆大学硕士学位论文2 大型旋转机械典型故障特征及分析 = 扣罟c o s o l e , ( 2 6 ) 经验公式如下： 内圈故障特征频率b p i = 0 6 n f i - 外圈故障特征频率b p o ：o 4 n 丘 保持架故障特征频率f t = o 4f i - 以上各特征频率是利用振动诊断滚动轴承故障的基础。 由上可以看出，轴承元件的故障特征频率与滚动轴承的结构、尺寸和轴的转速 有关，其频率范围一般在1 0 0 0 h z 之内。 滚动轴承频率分析与故障诊断 在多种滚动轴承故障的诊断方法中，采用振动诊断法，利用故障特征频率来 识别滚动轴承故障仍是目前最常用的方法。滚动轴承的振动很复杂，振动频率成 分十分丰富，既含有高频成分，又含有低频成分。 滚动轴承的故障特征频率见表2 1 。 表2 1 滚动轴承故障原因与特征频率对应表 t a b l e 2 1t h e c o r r e s p o n d i n g c h a r a c t e r i s t i c f r e q u e n c y o f r o l l i n g b e a r i n g f a u l t s 故障原因 特征频率 滚动体传输振动 z 轴弯曲或轴装歪 z e e 轴承构造引起的振动 丘 滚动体直径不一致 n f , f 两个轴承不对中 轴承架内表面划伤或进入异物 f 2 轴承不同轴引起的振 轴承架装配松动 轴承本身安装不良 动 内圈面的圆度误差 轴颈的圆度误差2 f 轴颈面划伤或进入异物 耪加工面纹引起的振 内圈的波纹 f + n z 外圈的波纹 i l z 动 滚动体的波纹 2 n f b + 内圈偏心n f n z f , 轴承损伤引起的振动 内圈点蚀 n z f , f n z f , e 外圈点蚀1 1 z f 重庆大学硕士学位论文 2 大型旋转机械典型故障特征及分析 续上表： 滚动体有有径向间隙 z n f b - - + 丘 点蚀 无径向间隙 z n f b 内圈剥落z f , 外圈剥落z 滚动体剥落 z 坛 f 滚动体的非线性振动 2 f , 3 f f 2 仍 注：z 为滚动体数，伪轴旋转频率，为内圈旋转频率，为外圈旋转频率 毛为滚动体转动频率，n 为正整数1 ，2 3 对于轴承损伤引起的滚动轴承故障进行特征分析如下： 当发现振动频谱中存在不同步分量，同时还有谐波和边频带出现，则极有可 能是轴承出现了故障。 滚动轴承故障发展过程分为四阶段，每个阶段的典型特征如下： 第一阶段：1 ) 噪声正常：2 ) 温度正常：3 ) 可用振动解调谱测量出来，轴承外环 有缺陷；4 ) 振动总量较小，无离散的轴承故障频率尖峰；5 ) 轴承剩余寿命大于b 。1 0 规定的百分之十 第二阶段：1 ) 噪声略增大；2 ) 温度正常；3 ) 振动解调谱通频值明显增大，轴承 外环有缺陷；4 ) 振动总量略增大( 振动加速度总量和振动速度总量) ；5 ) 在对数刻度 的频谱上能清楚地看到轴承故障频率，而在线形刻度的频谱上则很难看到；6 ) 轴承 剩余寿命大于b 1 0 规定的百分之五。 第三阶段：1 ) 可以听到噪声；2 ) 温度略升高；3 ) 非常高的解调谱通频值，轴承 外环有故障；4 ) 振动加速度总量和振动速度总量大增；5 ) 在线形刻度频谱上清楚地 看出轴承故障频率及其谐波频率和边带频率：6 ) 轴承剩余寿命大于b 1 0 规定的百 分之一。 第四阶段：1 ) 噪声的强度改变；2 ) 温度明显升高；3 ) 振动解调谱通频值迅速增 大，随后逐渐减小，轴承外环处于损坏之前的故障状态；4 ) 振动速度总量和振动位 移总量明显增大，振动加速度总量减小；5 ) 频率较低的轴承故障频率尖峰占优势； 6 ) 轴承剩余寿命大于b 1 0 规定的百分之零点二。 现在主要的诊断工具是采用振动解调和振动速度或振动加速度相结合来早期 检测滚动轴承的故障： 1 ) 振动解调可以在滚动轴承故障发展的初始阶段检测到故障信息，作为一个 早期指示故障的测量参数，并且可跟踪轴承故障发展，在第二、三和第四阶段中 重庆大学硕士学位论文 2 大型旋转机械典型故5 亭特征及分析 用不同的信息反映轴承不同的故障状态。 2 ) 同时采用振动速度或振动加速度检测常规振动频谱，可以在滚动轴承故障 发展第三阶段有效地检测到轴承的故障频率( 内环故障特征频率( b p i ) ，外环故障特 征频率( b p o ) ，保持架故障特征频率( f t ) 和滚动体故障特征频率( b s ) ) f 2 1 4 t t j | 8 j 9 1 0 l 。 2 3 齿轮常见故障及特征分析 齿轮的失效类型很多，基本上可分为两类：一类为制造和装配不善造成的， 如齿形误差，轮齿与内孔不同心，各部分的轴线不对中、大型齿轮的不平衡等； 另一类为齿轮在长期运行中形成的，如齿面的点蚀、胶合、磨损、疲劳剥落、塑 性流动及齿根裂纹，甚至断齿等【2 1 【4 】【“。 2 3 1 齿轮啮合振动分析 齿轮在运行过程中产生的振动比较复杂，由于齿轮所受激励不同，使齿轮产 生各种不同类型的振动，而齿轮实际振动则往往是各类振动的某种组合，但都不 外乎是由下列一些成分综合构成的。 啮合频率及其各次谐频； 啮合频率及其它一些高频成分两边的边频带； 由于附加脉冲引起的轴频及其低次谐频； 隐含成分等。 对齿轮进行振动监测应遵循如下几条原则： 应该在每个可达的轴承座上进行振动测量。重点是，振动传感器应该尽可 能固定在靠近支承本身的地方。 应该在三个方向：水平、垂直和轴向方向进行振动测量，尤其是当某些齿 轮主要在一个方向产生力。 通常，对于螺旋、斜齿和伞齿轮，在轴向方向产生明显的振动。这些类型 齿轮最佳的状态监测往往在轴向方向。 通常，对直齿圆柱齿轮，在径向方向评定最好，但有时可能会存在明显的 轴向振动，尤其是如果齿的对准有问题时。 由于在低速谐波频率与齿轮啮合频率本身之间频率变化很广，所以在每个 齿轮位置必须进行两个频率范围的两种测量。用低频率范围评定诸如不平衡、不 对中、松动等，用高频率范围评定齿轮的状态，至少要设定3 x 啮合频率的频率范 围，经常遇到在齿啮合频率基频处没有什么振动，但在2 x 或3 x 啮合频率处出现 很大的振动，表示齿轮存在故障2 】f 4 】【1 0 】。 2 3 2 齿轮故障的频谱诊断分析 齿轮故障诊断方法，大体可分为两大类：一类是通过采集齿轮运行中的动态 重庆大学硕士学位论文 2 大型旋转机械典型故障特征及分析 信号即振动和噪声，运用信号分析方法，根据其频率特征进行诊断；另一类是摩 擦磨损理论，通过对油液中的金属微粒进行物理化学分析来判断齿面损伤的类型 和严重程度【2 1 1 4 l i “。 振动和噪声信号是齿轮故障特征信息的载体，目前通过各种振动信号传感器、 放大器及其它测量仪器能很方便地测量出齿轮箱的振动和噪声信号，通过各种分 析和处理方法提取其故障特征信息，从而诊断出齿轮的故障。作为实用特征信息， 频谱分析与识别仍然是最为有效的方法。 不平衡齿轮的频谱特征 齿轮的不平衡是指齿轮体的质量中心和回转中心不一致，从而造成齿轮副的不 稳定运行。由于转轴上的联轴器或齿轮自身的不平衡产生的振动，将在啮合频率 以及其谐波两侧产生1 1 f 出n ( m ，n = l ，2 3 一) 的边频带。同时，受不平衡力的激励， 齿轮轴的旋转频率及其谐波m e 的能量也有相应的增加，如图2 3 所示。 乓2 毛3 f , f 图2 3 不平衡齿轮的频谱示意图 f i g2 3t h ef r e q u e n c ys p e c t r u ms k e t c hm a po f i m b a l a n c eg e a r 均匀磨损齿轮的频谱特征 当齿轮的齿开始发生磨损的时候，在频谱中会显示齿轮啮合频率处的峰值及 故障齿轮转速频率的边频率带，当齿磨损明显时，虽然边带的幅值高并且在齿轮 啮合频率两侧出现的边带数增多，但是齿轮啮合频率的幅值可能变化也可能不变 化，齿轮啮合频率的幅值是可以接受的，但是2 x 或3 x 啮合频率处的幅值经常很高。 边带是比齿轮啮合频率本身更好的齿磨损的指示。 齿轮齿负载过大的频谱特征 齿轮啮合频率往往对齿的负载非常敏感，齿轮啮合频率处振幅的大小决定于 带动这个齿轮的轴的对中程度和齿轮上的载荷。当齿轮负载过大时，会在齿轮啮 合频率处出现高强度的波峰。 。 齿轮啮合侧隙和齿轮偏心的频谱特征 1 ) 偏心和齿隙游移两者激起齿轮固有频率和齿轮啮合频率，它们也可能在齿 轮固有频率和齿轮啮合频率两侧产生许多轴转速频率边频带，齿轮啮合频率波峰 1 4 重庆大学硕士学位论文 2 大型旋转机械典型故障特征及分析 和齿轮的固有频率波峰将随着载荷的增加而减弱。 2 ) 如果齿轮偏心，将调制齿轮固有频率和齿轮啮合频率，齿轮固有频率和齿 轮啮合频率两侧都有偏心的齿轮1 x 转速频率的边带，而且还产生高幅值的齿轮啮 合频率及其谐波，在啮合频率两侧伴有高于正常幅值的边带频率。如果齿轮的偏 心距明显，偏心齿轮与啮合的齿轮一起被迫进入和退出啮合时对齿轮的齿可产生 很大的应力和振动。 齿轮不对中的频谱特征 齿轮不对中几乎总是激起第二阶或高阶齿轮啮合频率谐波频率，并且它们都 伴有转速边频带。往往只显示小的齿轮啮合频率的幅值，但是2 x 或3 x 啮合频率处 的幅值比较高。因此，需设置较高的频率范围，使所有要测量的频率都能看到， 至少设定足以采集3 x 啮合频率的谐波频率的最高频率范围。 轮齿破裂或折断的振动特征 有一个裂纹的、破碎或断齿的齿轮将产生径向高强度的1 x 转速频率及齿轮固 有频率，并且，在齿轮固有频率两侧产生齿轮转速的边频带。当然，不平衡的齿 轮也会引起1 x 转速频率的大振动。因此，时域波形对确定主要闯题是不平衡还是 齿轮的断齿很有帮助。 在时域波形中，状态