（动力工程及工程热物理专业论文）大惯量转动设备的振动分析与研究.pdf

摘要 振动是转动设备固有的特征，振动信号中包含设备大量的状态信息，对振动信号 的分析可以发现设备的故障，了解设备的状态，以便及时采取措施，避免事故的发生。 本课题首先分析计算了梳棉机的主要转动部件一锡林的转动惯量等特征参数，表 明梳棉机是一类典型的大惯量转动设备，振动是表征梳棉机工作状态的主要信息之一。 其次，研究了一套应用于现场的实时振动数据采集系统。设计的振动采集系统以 m c 5 6 f 8 3 4 6 芯片为核心，充分利用其d s p 内核和外围模块s p i 的优势。本课题提出 了通过s p i 系统实现数据传输的方式，选择k x p 7 4 1 0 5 0 数字式加速度传感器为采集 设备，与m c 5 6 f 8 3 4 6 的s p i 模块相连组成传输系统，本系统只需要3 根控制线，具 有结构简单、传输效率高、抗干扰性好的优点。本课题利用c o d e w a r d o rv 8 3 和p e 专 家处理系统作为软件开发环境，分析设计了系统中的s p i 主机模块和位操作模块，编 写了振动采集系统的程序，实现了主机m c 5 6 f 8 3 4 6 与从机k x p 7 4 传感器的s p i 系统 通信。采用c o d e w a r r i o r 软件和模块化的编程方法，保证了程序开发的快捷和高效率。 本课题现场采集了大量数据，按照拟定的研究方案，对梳棉机的启动、运行、停 机过程的振动进行分析与诊断，重点分析了梳棉机主要转动部件锡林的振动情况。分 析和研究表明：动不平衡、旋转产生的共振、轴承质量不佳、支架刚度不够等是造成 梳棉机振动超标的主要原因。 关键词：转动设备，振动分析，m c 5 6 f 8 3 4 6 ，s p i ，梳棉机 v i b r a t i o na n a l y s i sa n dr e s e a r c ho nl a r g e i n e r t i ar o t a t i n ge q u i p m e n t j i ax i u l i ( p o w e re n g i n e e r i n ga n de n g i n e e r i n gt h e r m o p h y s i c s ) d i r e c t e db yp r o f z h a oy o n g r u i a b s t r a c t v i b r a t i o ni sa ni n h e r e n tc h a r a c t e r i s t i co fr o t a t i n ge q u i p m e n t t h e r ei sa l a r g en u m b e ro f s t a t u si n f o r m a t i o nf r o mv i b r a t i o ns i g n a l so fr o t a t i n gm a c h i n e t h em a c h i n ef a u l t sc a nb e f o u n da n dt h es t a t u so fm a c h i n ec a nb eu n d e r s t o o db yt h ea n a l y s i so fv i b r a t i o ns i g n a l s ，t o t a k et i m e l ym e a s u r e st oa v o i da c c i d e n t s m o m e n to fi n e r t i aa n do t h e rc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r so fc y l i n d e r , w h i c hi sm a i n r o t a t i n gc o m p o n e n to fc a r d i n gm a c h i n e ，a r ec a l c u l a t e da n da n a l y z e di nt h eb e g i n n i n gp a r to f t h ei s s u e t h er e s u l t sc o u l ds h o wt h a tc a r d i n gm a c h i n ei sat y p i c a lk i n do fl a r g e - i n e r t i a r o t a t i n ge q m p m e n la n dv i b r a t i o ni so n eo fm a i no p e r a t i n gc o n d i t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f c a r d i n gm a c h i n e t h e n , as e to fr e a l - t i m ea p p l i c a t i o no n s i t ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mw a sd e v e l o p e di n t h i sp a p e r , u s i n gm c 5 6 f 8 3 4 6a st h ec o r e t h es y s t e mt a k e sf u l la d v a n t a g eo fd s pa n d p e r i p h e r a lm o d u l e ss p i t h ei s s u ep r o p o s e dam e a n so fd a t at r a n s m i s s i o n 诵t hs p i ，a n d c h o s ed i g i t a la c c e l e r a t i o ns e n s o rk x p 7 4 10 5 0f o rt h ea c q u i s i t i o ne q u i p m e n t t h es y s t e m 晰廿lt h r e ec o n t r o ll i n e s ，w h i c hc o n s i s t so fm c 5 6 f 8 3 4 6a n dk x p 7 4 1 0 5 0 ，h a ss i m p l e s t r u c t u r e ，h i g ht r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c ya n dg o o da n t i i n t e r f e r e n c ea d v a n t a g e s m e a n w h i l e ， t h ei s s u ec o m p i l e dt h ep r o g r a mf o rv i b r a t i o nd a t aa c q u i s i t i o no nc o d e w a r r i o ra n dp r o c e s s e x p e r ts o , w a r e ，a n dd e s i g n e ds p i m a s t e rm o d u l ea n d b i t - o p e r a t i o nm o d u l e ，t oc o m p l e t et h e c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h em a s t e rm c 5 6 f 8 3 4 6a n dt h es l a v e 脚7 4 10 5 0 1 1 1 em e a n so f c o d e w a r r i o ra n dm o d u l a rp r o g r a m m i n gc a ne n s u r ed e v e l o p m e n to ft h ep r o g r a mf a s ta n d e f f i c i e n t a l a r g e - i n e r t i ar o t a t i n ge q m p m e n t - c a r d i n gm a c h i n ew a sc h o s e na st h eo b j e c ti nt h e i s s u e a f t e rc o l l e c t i n gm a n yd a t u ma b o u tt h ec a r d i n gm a c h i n ei nt h ef i e l d ，v i b r a t i o n c o n d i t i o n so ft h ep r o c e s so fs t a r t i n g ，r u n n i n ga n ds t o p p i n go ft h ec a r d i n gm a c h i n ew e r e a n a l y z e da n dd i a g n o s e di nt h ei s s u e ，a c c o r d i n gt ot h ep r e p a r e dr e s e a r c hp r o g r a m ，e s p e c i a l l y t h ec y l i n d e rv i b r a t i o n t h ea n a l y s i sa n dr e s e a r c hr e s u l t ss h o w e dt h a t ：t h er e a s o n st l l a tt h e v i b r a t i o ni so u to fl i m i t sa l ed y n a m i cu n b a l a n c e ，r e s o n a n tv i b r a t i o nc a u s e db yr o t a t i o n , b e a r i n gi np o o rq u a l i t yf l a m es t i f f n e s s ，e t c k e yw o r d s ：r o t a t i n gm a c h i n e ，v i b r a t i o na n a l y s i s ，m c 5 6 f 8 3 4 6 ，s p i ，c a r d i n gm a c h i n e 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得 的成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致 谢外，本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得 中国石油大学( 华东) 或其他教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同 工作的同志对研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：重查叠日期：矽f d 年 石月f 日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷 版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学习交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅 和复印，将学位论文的全部或部分内容编入相关数据库进行检索，采用影印、缩印或 其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：煎盘亟日期：州d 年多月j 日 指导教师签名： 日期：2 刀肉年 6 月 j 日 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 选题背景 第1 章绪论 振动的研究最初开始于h u y g e n s 对摆钟的研究，后来随着机械、船舶、航空、控 制、通信等方面的快速发展，引发了人们对机械振动以及其他振动现象的深入研究。 振动学在力学和数学的基础上，借助现代的测试技术和计算机技术，吸收各方面的信 息逐渐发展为一门学科。它针对工程实际，在解决日趋复杂的动力学问题上，做出了 巨大的贡献，成为工程中不可缺少的- f - i 技术学科【l 】。 随着社会的进步和科技的发展，很多行业逐渐兴起，生产设备也多样化、复杂化、 大型化，特别是有的转动设备因需要较高的动力或者工艺的需要，要求转动部件质量 较大，如梳棉机的锡林，约有1 0 0 0 k g 之重，而如此大的质量其惯性必然也很大，不仅 停机很慢，引起的振动量也很大，而过大的振动危害很大，是要尽力避免的。 大部分机器都是反复、长期使用的。因此，对机器的振动状况进行在线监测，记 录其振动数据，并对数据进行振动分析，可以及时发现问题，并对其进行维修和维护， 避免事故的发生。 振动分析如同日常的体检，可以及时发现潜藏的问题，避免问题的升级造成机器 昂贵的维修费用或者整个机器的更换。 振动会造成机械的能耗增加，而通过对振动的监控和分析，可以将问题最小化。 振动经常造成部件损坏，需要停机维修，有突发性，易造成未完工产品的堆积和 延误工期。 很多公司采取定期停机检修的方式，很多时候机器是没有故障，这就属于不必要 维修，浪费资金和时间。如果对机器进行有规律监控，并对数据进行振动分析，可以 避免这种浪费。 即使机器功能表现正常，由于其振动的存在，也会导致产品的质量下降。但通过 振动分析，可以从其振动趋势中找到问题所在，及时解决，保证产品的性能。 振动还会产生噪音，会对员工的身体造成一定危害，从而影响生产能力。 大型转动设备应用领域广泛，而大惯量转动设备在大型设备中占了不小的比例， 其振动问题频繁发生，且日趋复杂。振动信号包含了大量设备故障或异常的信息，是 第1 章绪论 设备状态的一面镜子，振动分析就是对设备的振动信号进行查看诊断，随时掌握机器 的“健康 状况。因此对大惯量转动设备进行振动分析就显得尤为重要。 大惯量转动设备主要指具有质量大、功率大、介质流量大、转速高等特征的机械 设备，如汽轮机、蒸汽机、离心压缩机、航空发动机、梳棉机、罗茨鼓风机等，这些 机械设备的功能各不相同，工作环境也千差万别，转速也从几十r p m 到几十万r p m 不等，但他们有些主要的共同点： 首先，且是最重要的一点，大惯量转动设备的主要运动是旋转运动，且其旋转部 件质量大、转速高、负载大； 其次，大惯量转动设备的构件多，包括转子、轴承、齿轮传动件、联轴器等； 第三，大惯量转动设备已经日趋复杂化、现代化、精密仪器较多，且很多大惯量 转动设备工作环境条件差，工作时间长且连续； 第四，大惯量转动设备的转动部件质量较大，停机后，由惯性产生的振动对设备 也存在一定的危害。 大惯量转动设备的这些特点，要求设备在设计和加工时要严格并保证高精度，安 装定位准确，运行过程要稳定，否则任何方面出现缺陷或者故障，都有可能引起过大 的振动，甚至设备的损坏。 大惯量转动设备的状态诊断，应把焦点放在大的转动部件和传动齿轮上。大惯量 转动设备常发生的故障就是振动和噪声。振动在转动机械中是不可避免的，只能通过 各种措施把振动量控制在一个合理的范围内。特别是对于大惯量转动设备，振动量超 标的情况常有发生。因此对大惯量转动设备进行振动的幅值、方向和频率等参数的监 测和分析，监视设备的状态特性，确保设备的振动量不超过允许值，或者对已发生过 大振动的机器进行故障诊断，具有重要的意义。 梳棉机的主要转动部件锡林质量较大，是比较典型的大惯量转动设备。本课题以 某公司的梳棉机为对象，分析大惯量转动设备的振动情况。 课题来源于2 0 0 8 年青岛市科技计划项目嵌入式纺织机械现场总线监控系统。 1 2 国内外转动设备的振动研究现状 1 2 1 转动机械故障监测与诊断的发展史 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 人们对设备的故障诊断从有工业生产以来就已经开始，早期只是通过单纯的感官 判断，解决一些故障问题。 工业革命后一段很长的时间里，故障诊断采取的是事后维修，即诊断是针对已经 损坏的设备，经济损失大，维修费用高，而且灾难性的故障甚至造成人员伤亡【2 1 。 2 0 世纪以后，生产力大发展，机械设备的重要性增大，人们开始采用定期维修， 这种维修方式有一定的计划性和预防性，但是很盲目，成本也较高。 2 0 世纪6 0 年代以后，美国在阿波罗计划后出现一些设备故障后，开始积极从事 故障诊断技术的研究和开发，日本、瑞典、丹麦、英国等国家紧随其后。同时计算机 技术的发展和快速傅里叶变换的出现，为故障诊断的飞速发展提供了基础，出现了预 知维修，即在故障发生前发现故障源，并对其进行适当维修，有很强的针对性，也保 证了零部件的使用寿命【3 】。 近3 0 年来，设备的结构越来越复杂，功能也越来越多，自动化程度也一直在提高， 对机器运行的安全性、稳定性要求也越来越高，因此，人们对设备故障诊断的研究也 进入一个蓬勃发展的时期，机械设备的监测系统跨入了系统化的阶段，实验室对大型 设备的研究成果也在不断更新，并陆续应用到实际工程中。 1 经验判断时期 在过去，由于技术的限制，对于设备的运行维护只能靠听、摸、看等简单的手段 来判断旋转设备的运行状态 2 j ，不能测得表征振动的相关参数的变化，又缺少动力学 分析，只能将根据经验得出的数据作为机器振动分析的依据。 这种感性的判断方法，不能检查出振动波形或者频谱的变化，只能通过技术人员 丰富的现场经验和对生产过程的深刻理解来判断故障原因，但许多故障是很难通过这 些简单方法发现，导致判断结果经常与设备实际运行状态相差很远，如一些突发性故 障，检修人员很难及时发现，处于一种被动检修的状态。 传统的听、摸、看等检修方法有其局限性和不完备性，远远不能适应生产对设备 可靠性的要求。 2 振动分析工具的应用 为了解决传统检修方法的局限性，在故障发展之初就能发现并判断故障源，国内 外的专家和设备管理人员经过不懈努力和探索，研发了各种测试工具和分析设备，对 第l 章绪论 设备进行故障诊断。企业可以根据设备的重要程度不同，采取不同的工具c v - 持式设 备或在线振动采集与分析系统) 进行巡检检测或者在线监测。 1 ) 手持式设备 在2 0 世纪4 0 、5 0 年代，传感器特别是电涡流传感器的出现和发展，为振动分析 提供了先进的采集手段。最初的手持式设备主要是外接速度或加速度传感器，用于测 量振幅，精度较低，可读峰值或有效值；后来从模拟式发展为数字式，并加了选频网 络，从而可选择性测量某些频率成份。 随着计算机技术的发展，传感器里内置了微处理器，可经u s b 口传送到计算机上 进行管理、分析、打印测试报告等。目前，这类手持式设备，不仅可以实现数据的保 存，便于事后分析，也可以实现现场实时f f t 分析，可以及时了解机组运行的状态。 近些年，d s p 技术发展迅速，并被应用在振动分析仪上。基于d s p 技术的手持式 振动仪具有高速、小型、低功耗、精度高、可随身携带的优点；同时，价格低廉，是 性价比非常高的产品，市场发展前景很大。 手持式设备的发展方向主要有以下几点： 传感器采集的信号由模拟形式到数字形式输出的转换； 手持式设备的功能由简单到多样，由离线分析到简单的实时分析； 手持式设备的体积越来越小，便携性好，在工业现场应用灵活； d s p 技术在手持式设备上的应用，使其价格低廉，便于推广； 手持式设备的集成化程度提高，软件功能强大。 2 ) 在线振动采集与分析系统 对于普通设备，可以采取手持式设备进行定期巡检的方式监测设备的运行状态。 但对于非常重要的设备，就需要对设备的运行状态进行连续不断地监测，即在线振动 采集和分析。 该系统可以同时进行数据采集、信号分析、数据管理，能够实现设备运行状态的 自动监测，及时进行故障预报。它的优点和发展方向如下： 具有实时性和在线能力，可进行长期连续的在线监测，无需人为干预，可自动 进行数据的记录处理； 可同时监测多通道的振动、噪声、转速等各类信号，最高可达2 4 通道，满足 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 了要求多通道的各种动态和静态信号的采集分析； 采集设备的集成化程度越来越高，电荷转换和放大等信号调理设备可集成到一 起，使系统的结构越来越简单； 分析软件功能越来越强大，可应用的分析方法多，可选择监测的参数类型也多， 能自动报警，自动进行趋势分析，数据管理； 系统智能化程度高，不需要人为更换测点，不仅不需要专门的测试人员，也不 需要专业技术人员参与分析和判断，节省人力。 1 2 2 转动设备的发展趋势 转动设备作为企业的重要机器，发展趋势主要表现在以下几个方面： 朝着大型化方向发展 在传统的工业中，如机械业、纺织业、矿产业中，为了提高生产能力，其中转动 设备的容量、功率、重量都明显地向大型化方向发展。如梳棉机的锡林转速已经提高 到4 5 0 r m i n ，生产效率也提高到1 4 0 k g h 。 运行速度越来越高 为了提高工作效率和产量，或者某部件的工艺需要，运行速度提高化已成为许多 转动设备的重要发展趋势。例如，梳棉机要高产，则要提高锡林和刺辊在单位时间内 的纤维转移量，就要提高转速，以增加纤维和杂质之间的离心力。 功能不断增强 功能不断增强也是转动设备的重要趋势之一。由于信息化技术和仪器仪表的不断 发展和应用，转动设备的功能越来越强，检测仪器也越来越精密。微机控制技术的出 现，又使转动设备的操控更加简单，精度更准。 自动化程度更高，同时设备结构更加复杂 随着科学技术和计算机技术的进步，转动设备的自动化程度越来越高，并由此导 致了设备系统的复杂化。 但作为大型或大惯量转动设备，越精密复杂，出现故障的环节和可能性就越多， 对故障诊断和分析造成的难度也越大。因此，大惯量转动设备的诊断和分析技术水平 也要越高。 目前，在国外以美国为主的西方发达国家在故障监测与诊断技术上占据领先地位， 第1 章绪论 一方面，美国的计算机技术和信息技术迅速发展促进了信号处理与数据分析技术的发 展；另一方面，美国的故障诊断技术研究起步较早，几家大的专业公司如w h e c 公司、 b e i 公司、b e n t l y 公司等，不仅技术已经非常成熟，而且数据库庞大，软件实力雄 厚。此外，国际上还有很多实在故障诊断方面实力领先的研究公司，例如丹麦的b & k 公司，日本的三菱，德国的申克等。但国外的故障诊断系统价格偏高，且缺少汉化而 使用不便，而国内掌握国外诊断系统的技术人员稀少，因此在国内的推广使用存在一 定的困难1 4 1 。 我国的故障诊断技术的研究开始较晚，从2 0 世纪8 0 年代中后期，国内的研究所、 科研院校和企业开始致力于转动机械的状态监测与故障诊断技术，发展过程从简易诊 断到精密诊断，从离线诊断到在线诊断，从普通诊断到智能化诊断，在理论研究和仪 器开发上都取得了丰硕的成果【3 】【4 】。如：西北工业大学和四川电子计算机应用中心联 合研究成功的机械设备状态监测和故障诊断网络系统m d 3 9 0 5 ，北京东方振动和噪声 研究所i n v 3 0 5 1 振动台控制系统和i n v 3 0 1 8 2 4 位信号采集仪等等。我国对转动机械 设备的状态监测与故障诊断技术的研究已经比较多，但对大惯量设备的以预知维修为 目的的智能在线监测技术的研究还不够，有关适用于大惯量的纺织机械的低成本的在 线监控系统的研究尚不多见。 1 3 主要研究内容 振动分析的基础是获取机器的大量信息，然后通过数据处理和各种信号分析方法， 从中提取有用的信息，揭示故障特征和故障源，并提出改善或者治理方案。 本文以青岛某纺织公司的2 0 6 型梳棉机为研究对象，根据其现场运行环境，借助 c o d e w a r r i o r 软件平台研究了一套基于m c 5 6 f 8 3 4 6 的在线振动采集系统。通过振动分 析方法对采集到的梳棉机的振动数据进行处理，分析梳棉机的振动原因。 本文的主要内容如下： ( 1 ) 分析了大惯量转动设备的特征。 ( 2 ) 比较系统地介绍了振动的理论知识： 曲振动产生的原因：往复作用力、松动和共振； 描述振动的基本要素； 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 c ) 振动分析的基本图谱和方法：波形图、频谱图、轴心轨迹图等。 ( 3 ) 拟定了振动数据的采集方法和振动分析的步骤，对锡林的转动特征参数进行计 算和分析，说明对大惯量转动设备进行振动分析的意义。 ( 4 ) 详细阐述了基于m c 5 6 f 8 3 4 6 的在线振动采集系统的开发过程，包括： 曲采集系统的总体设计原则； b ) 采集系统的硬件电路设计； c ) 采集系统的软件开发，包括主要模块的设计； m 采集系统的组成。 ( 5 ) 分析了梳棉机的工作原理、转动部件锡林和道夫等部件的特征，确定了数据采 集的测点，并按照拟定的分析方案分析了梳棉机的启动、运行、停车过程的振动情况， 推断梳棉机振动超标的原因。 1 4 课题研究意义 大惯量转动设备经常发生振动故障，但引起振动的因素颇多，其中转动部件的故 障居多。但其转动部件质量很大，不仅更换费时费力，且惯性产生的余振对其他部件 也会造成不同程度的损坏，给企业、社会、国家造成很大的经济损失。因此，大惯量 转动设备的状态检测与故障诊断的完备、及时，对预防恶性设备损坏事故的发生，减 少停机次数和缩短停机时间，降低企业的经济损失是十分有益的 2 3 1 1 4 。 振动研究与分析的根本目的就是了解设备的振动机理与故障特征，采取措施控制 设备的振动量在允许范围内，保证大惯量转动设备的安全、稳定、长周期的优良运行。 其目的主要有： 研究设备的振动机理与故障特征，以便对设备运行中的各种异常状态做出及时、 正确、有效的判断，预防和消除故障，或者将故障的危害性降低到最低程度：同时对 设备运行进行必要的指导，确保运行的安全性、稳定性和经济性。 确定合理的故障检修时机及项目，保证停机检修时发现设备的确切故障位置， 合理延长设备的使用寿命和降低维修费用。 通过状态监测，保留设备振动信息，对设备各种故障信号进行分析处理，归纳 设备故障特征，为后续设备状态提供参考依据。 7 第l 章绪论 本论文针对梳棉机的结构及运行情况，提出一套基于m c 5 6 f 8 3 4 6 的数据采集系 统，此系统具有结构简单，数据采集速度快等优点，可应用到其他转动设备的振动数 据采集上。 本论文在讨论了振动分析方法的基础上，通过到现场对大惯量转动设备梳棉机进 行振动数据采集，并用振动分析技术对采集数据进行分析。 1 5 论文章节安排 结合课题的进展过程，本文将研究内容分为六部分，论述了大惯量转动设备的振 动分析。 第一章是绪论，简单叙述了选题背景、国内外转动设备的振动研究历史和现状及 课题的内容和意义等，分析了大惯量转动设备的结构特点。 第二章从整个振动分析的角度，介绍了振动产生的原因，振动分析的概念和分析 方法等理论知识。 第三章首先介绍了转动设备常见的几种振动故障及其振动机理，然后拟定了振动 分析的一般过程，并对梳棉机的转动部件锡林的转动特征参数进行计算与分析。 第四章是本文的重点，详述了一套基于m c 5 6 f 8 3 4 6 的简易振动在线采集系统的 研究设计过程。主要内容有：振动采集系统主芯片和传感器的选择、传输形式和方式 的确定、软件开发过程，最后分析了振动采集系统的优点。 第五章也是本文的重点，在采集的大量有关梳棉机振动数据的基础上，按照拟定 的振动分析方案，分析了梳棉机的振动情况。 第六章是对全文的概括性总结，阐述了课题所做的工作和课题展望。 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第2 章振动分析的理论知识 转动设备在很多领域被广泛应用，其功能主要由核心部件转子的旋转运动来实现。 转动设备的故障大多数表现为机器振动和噪声异常。因此，对转动设备进行振动分析 与故障诊断具有重要意义。振动分析是人们对设备进行故障分析的主要手段和方法， 因此，了解和掌握振动产生的原因和描述振动的方法，是进行故障诊断的核心基础理 论。 2 1 振动产生的原因 机械振动是指物体或者质点相对于平衡位置所作的往复运动，简称振动。如钟的 摆动、机器基座的颤动、支架的抖动等。引起振动的主要原因有：往复作用力、松动 和共振。 ( 1 ) 往复作用力即一种作用力反复作用在某一物体上，造成物体的来回运动。在机 器运行中，像不平衡、不对中、磨损或不正确运行等都会造成往复作用力的产生( 见 表2 1 ) 。 表2 1 各种往复作用力的来源 t a b l e 2 - 1s o u r c e so fr e p e a t e df o r c e 往复作用力类别来源 系统本身缺陷，如加工误差、铸件中的气孔、材料密度不均，环境条件如腐蚀、 不平衡 积聚灰尘等，使用过程中发生破损、变形、断裂等 不对中地面不平、热膨胀、组装不正确、紧固力矩过大变形等导致部件产生弯曲力矩 磨损安装不正确、润滑不好、制造缺陷、过载等 不正确运行间歇的能源供应、加载过快等 ( 2 ) 松动通常是由于地脚螺栓未上紧、配件不符、轴承间隙过大、腐蚀等原因造成 机械阻尼偏低，在旋转或不旋转机械中都可能引起振动。 ( 3 ) 共振是与机器的固有振动频率相关的。机器自由振动的速率就是其固有振动频 率，机器的固有频率往往不止一个。当机器受到一个与固有频率一致的往复作用力时， 其振动会越来越强烈，就形成了共振。共振的危害很大，会对机器造成快速而严重的 9 第2 章振动分析的理论知识 破坏。 2 2 振动的描述 要想准确判断机器是否存在故障和故障的大小，必须精确地描述振动。描述振动 的三要素为：振幅、频率和相位，其中最常用的是振幅和频率，振幅描述了振动的严 重程度，而频率则描述了振动的频繁程度。描述振动的物理量有：位移、速度、加速 度。 2 2 1 振幅 振幅就是振动的大小，是振动强度和能量水平的标志。设备运行正常时，振幅一 般稳定在一个允许的范围内，如果振幅发生变化，便表示设备的状态出现不良状况。 通过与正常状态下的振幅进行比较，可以判断机器是否发生故障。振幅有位移( 1 啪) 、 速度( r a m s ) 、加速度( m m s 2 ) 三种表示方法，分别反映了间隙大小、能量大小和冲 击力大小。如速度振幅可以通过峰值或者均方根值表示( 见图2 1 ) 。 速度 图2 - 1 速度振幅的峰值和均方根值 f i 9 2 - 1p e a ka n dr m s v a l u e so fv e l o c i t ya m p l i t u d e 峰值就是一定时间内最大的振动速率，而均方根值( r m s ) 表示机器的振动能量， 一般为峰值的5 0 8 0 ，两者在反映设备状态上都有重要意义。 2 2 2 频率 频率是指机器部件振动的速率，表示振动的快慢，是测量和分析的重要参数。频 率的计算公式如式2 1 所示： 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 厂= = 去= 丽n ( 2 1 ) 卜i = 两= 丽 心1 ) 其中m 质量； k - 刚度； n 转速。 频率通常分为基频和倍频，将机器实际运行的转速频率称为基频，又叫工频、转 频、一倍频，而将振动频率为机器基频的二倍、三倍、0 5 倍、1 3 倍、称为二倍频、 三倍频、0 5 倍频( 或半倍频) 、1 3 倍频、等。一定的故障都有其特征频率，因此， 频率是振动分析中必不可少的参数。 2 3 转动设备振动分析的常用图谱 2 3 1 时域波形图 波形图表示时间域内的振动波形。波形包含的信息量很大，包括振幅、周期、相 位，通过比较峰值，可知振幅是否稳定；通过峰值与对应同一周期的零位的间隔，也 可以大概了解振动相位是否稳定；通过对波形的变化状态，各周期下的重复状况，可 对信号进行大致分析与界定。 图2 - 2 不平衡时的振动波形图 f i 9 2 - 2t i m ew a v e f o r mu n d e rt h eu n b a l a n c e ds i t u a t i o n 飞 、 aa ，! v v v v 一 图2 - 3 不对中时的波形图 f i 9 2 - 3w a v e f o r mu n d e rt h em i s a l i g n m e n ts i t u a t i o n 第2 章振动分析的理论知识 mmm vv 、 图2 _ 4 摩擦时的波形图 f i 9 2 - 4w a v e f o r mu n d e rt h ef r i c t i o ns i t u a t i o n 经过长期反复实践与验证，人们对常见故障对应出现的大致波形有了较全面的认 识( 见表2 2 ) 。 表2 2 几种常见故障对应的波形特征 t a b l e 2 2c h a r a c t e r i s t i c so fs o m ec o m m o nf a u l t s 振动故障波形特征 不平衡波形基本上是正弦形式( 见图2 2 ) 不对中波形稳定光滑，重复性好，波峰翻倍( 见图2 3 ) 松动及干摩擦波形较粗糙、不平滑、不稳定，甚至有削波现象( 见图2 - 4 ) 自激振动波形比较杂乱，重复性不好，波动比较大 2 3 2 频谱图 i 频谱图是组成振动的各谐波分量，它显示的是振动发生的频率。通过对某一频率 及其对应的振幅的综合研究，可以推知振动的原因和机器的状态信息。机器正常运行 状态下的频谱以基频为主，二倍频次之，其他倍频逐次减小，且小于基频的成份很小， 几乎不存在。 2 3 3 轴心轨迹图 轴心轨迹图表示转轴中心的振动轨迹，由水平和铅垂两个方向合成，主要用于检 测油膜涡动和油膜振荡。正常运行状况下的轴心轨迹应该是比较稳定的、长短轴相差 不多的椭圆( 见图2 5 ) 。 不对中时，轴心轨迹会呈现月牙状、香蕉状，严重时为8 字形；摩擦则会出现很 多毛刺或小环；轴承间歇或刚度过大时，是一个很扁的椭圆。 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 一 ? ，7 一 c 、 t y 矿一 像诗。 ； 嵝琶纠 一一 一j 图2 - 5 转子正常状态下的轴心轨迹图 f i 9 2 - 5s h a f tc e n t e r f i n eo r b i tu n d e rt h en o r m a ls t a t e 2 4 振动分析的方法 在采集振动信号的过程中，一般对信号进行了解调、放大、滤波、隔直等各种预 处理，去掉一些没用的或干扰信号，以便输出表现故障特征的最佳信号波形。但为了 更好更准确地判断故障源，通常对信号进行进一步的处理，如傅里叶变换、小波变换、 频域变换等，目的是使故障特征突出显示，快速准确判断故障原因。 2 4 1 时域分析 时域分析是信号最基本的分析方法之一，指从时间域上对信号进行分析，它给出 了信号原始的波形，如式2 2 所示，具有直观和易于理解等特点。 x = as i n ( ( 1 ) t + 巾)( 2 2 ) 时域波形显示信号随时间的幅值波形，从波形图上可以得到信号在各个时间上的 幅值大小。可以看出整个时间历程中信号的最大值、最小值、极大值或极小值及其位 置，也可以进行计算，得出信号的有效值或均方根值，从而初步判断设备是否有异常， 异常的大约位置。 可以对多个信号( 如正常信号和故障信号) 的有效值或最大值等参数进行比较， 判断设备的振动等是否超标，哪个方向超标。 2 4 2 自谱傅里叶分析 傅里叶分析在很多领域中都是一种很重要也很普遍的分析工具，主要包括傅里叶 变换和傅里叶级数。傅里叶变换和逆变换的定义如式2 3 和式2 - 4 所示： 1 3 第2 章振动分析的理论知识 如果函数贝f ) l 1 ( r ) ，则其连续傅里叶变换为 f ( c a ) ) = e 啪。f c t ) d t ( 2 3 ) 尺c a ) ) 的傅里叶逆变换为 厂( c ) = 去e e 硒f ( ( - ) ) e 沁d t ( 2 - 4 ) 对信号进行傅里叶变换时需要满足如下条件：信号在时域和频域上是离散的，且 有限长【2 1 。 傅里叶变换是时域和频域相互转换的工具，它的实质是把某一波形分解成不同频 率的正弦波或余弦波的叠加和，从而把复杂的波形转换为简单正弦或余弦函数的研究， 通过这种变换把在时域上的一些交叉的、难以辨认的信号特征，在频域上表现出来。 傅里叶变换可应用于很多领域，而在信号的频谱分析中尤为广泛。通常采集的振 动信号都是时间域的数学模型，而在进行数字信号处理时更感兴趣的是信号的频谱特 征，这就需要进行傅里叶分析。通过傅里叶分析，可以找到组成原信号中的基本正弦 或余弦信号中振幅较大的信号的对应的频率，从而找出杂乱无章的信号中的主要振动 频率的特征，快速定位故障源。 自谱傅里叶分析，就是对一个信号进行频谱分析，包括幅值谱( p e a k ) 、幅值谱 ( r m s ) 、功率谱和功率谱密度等。其中幅值谱( p 勘岖) 反映了频域中各谐波分量的 单峰幅值，幅值谱( 蹦s ) 反映了各谐波分量的有效幅值，功率谱反映了各谐波分量 的能量( 或称功率) ，功率谱密度反映了各谐波分量的能量分布情况。 2 5 传感器的选择 振动数据采集就是通过各种采集仪和a d 转换器等设备拾取、记录设备的动态信 号，并将此信号传输到下一步分析仪器上。振动采集系统一般有传感器和数据采集卡 组成，其流程如图2 - 6 所示。振动数据采集的好坏对振动分析的结果有着决定性的作 用。 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 圈 a i m s 2 图2 - 6 振动数据采集过程示意图 f i 9 2 - 6s c h e m a t i cd i a g r a mo ft h ed a t aa c q u i s i t i o np r o c e s so fv i b r a t i o n 在测量系统中，传感器作为数据采集的第一步，它的精度和可靠性直接影响整个 监测系统的结果，因此，合理选择振动传感器对整个采集分析系统有着非常重要的意 义。 振动传感器的基本功能是将振动信号转换为电信号。传感器器的类型很多，其中 用的较多的振动传感器主要有电涡流位移型、速度型和加速度型。 2 5 1 振动传感器的原理 电涡流位移传感器的主要工作原理是电涡流效应。传感器头部的感应线圈在高频 电流作用下，产生高频电磁场。被测金属靠近高频电场时，在金属表面产生感应电流， 电涡流。在电涡流产生的交变磁场与感应线圈的高频电磁场综合作用下，原线圈的阻 抗发生了变化。在保证其他参数不变的情况下，阻抗与金属导体之间的距离成单值函 数，通过前置器将阻抗的变化，即被测金属的动态位移，以电压形式输出。 速度传感器的原理类似于往复式的永磁小发电机。速度传感器固定在被测物体上， 与被测物体一起振动。当被测物体的振动频率不小于传感器中动线圈的自振频率的1 5 倍时，传感器中的动线圈与磁钢发生相对运动，切割磁力线而产生电压输出，输出的 电压与速度成正比。 加速度传感器的原理是压电效应。传感器采用具有压电特性的材料，当外力作用 在压电材料上时便产生电荷输出，输出的电荷与作用在传感器晶体片上的力成正比， 而当传感器中的质量块的质量一定时，作用力又与振动加速度成正比。 2 5 2 振动传感器的特点 电涡流位移传感器是非接触式测量，根据这一特点，电涡流传感器主要用于旋转 第2 章振动分析的理论知识 部件的振动测量，主要测量振动分析中的两个重要参数：转速和相位。如果将两个电 涡流传感器互成9 0 。安装在旋转机械的水平和垂直方向，测得的振动数据，可对旋转 机械进行轴心轨迹分析。 速度传感器可直接与分析仪器相接，但其体积和重量较大，低频测量存在误差， 且抗干扰性能差，输出的信号容易不稳定。 加速度传感器的突出特点是体积小，重量轻，抗干扰性好，结构紧凑，灵敏度高。 2 5 3 传感器的选型原则 其中传感器选型是采集系统首先需要考虑的。不同的传感器选择时考虑的方面不 同，一般从以下几方面考虑： 1 ) 输出信号形式：模拟信号还是数字信号，这是首先需要考虑的。根据控制器与 传感器的接口，如果控制器只有数字输入，则选择数字输出的传感器，如果控制器有 模拟输入，则选择模拟输出的传感器，模拟信号的处理速度比较快。但数字信号具有 抗干扰性和稳定好的特点，可根据需要选择。 2 ) 传感器的类型：考虑设备主要是低频振动还是高频振动，如大型旋转机械通常 采用位移传感器；考虑接触式测量还是非接触式测量，如转轴的测量通常采用电涡流 传感器。 3 ) 工作环境：传感器应用的工作环境，主要包括温度、湿度、冲击度、r f i 、e m i 等。 4 ) 测量轴数量：加速度传感器有单轴、双轴、三轴三种形式。对于转动设备可根 据需要选择传感器的轴的数量，如测轴心轨迹需要两个单向的电涡流位移传感器，机 器最关注的是轴向振动，则选择单轴即可，而如果机器最关注的是综合振动，则需要 三轴传感器。 5 ) 测量范围：不超过传感器的允许范围，最好保持在线性范围内。 6 ) 灵敏度要求：灵敏度越高越好，但灵敏度高时容易引起干扰信号，因此，选择 信噪比高的传感器。 7 ) 稳定性：传感器使用一段时间后，要对其稳定性进行标定，确保传感器的性能 没有发生变化。 8 ) 最大抗冲击能力、线性度、安装固定的位置和方向、零位漂移等方面都是需要 1 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 考虑的。 本章小结：本章介绍了振动产生的原因，如何描述振动，振动分析常用的基本图 谱，振动分析的方法，以及测试时如何选择合适的传感器，为振动分析提供理论基础。 1 7 第3 章转动设备的振动分析与梳棉机锡林转动参数计算 第3 章转动设备的振动分析与梳棉机锡林转动参数计算 3 1 转动设备的常见振动故障 振动是转动设备的主要故障现象之一，振动信号的幅值、频率、相位、转速等参 数在不同振动故障中会表现不同的特征。因此，了解和掌握转动设备的常见振动故障 及其振动机理，有助于提高转动设备振动分析的准确性。 3 1 1 转子不平衡 转轴是转动设备的主要部件，但在设计和安装过程中，经常出现转轴质量偏心或 者有缺损现象，造成转子的不平衡。而不平衡是产生往复作用力的原因之一，也是机 器振动的主要诱因之一。 不平衡产生的根本原因是转子偏心质量m 和偏心距e 的存在，转子转动起来时， 会产生离心力或离心矩。离心力f = m e 伊，其大小和方向发生变化，都会引起机器振 动。 不平衡一般有原始不平衡、渐变不平衡、突发不平衡等几种情况，每种情况引发 的振动