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振动分析和故障诊断 1 振动故障分析和诊断的任务 振动故障分析诊断的任务 从某种意义上讲 就是读谱图 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 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 5 如果能测量相位 应该检查相位是否稳定 各测点信号之间的相位关系如何 2 振动参数振动位移振动速度 国际标准和国家标准推荐通常采用的参数 振动加速度 3 振动参数1 峰值 Peak 2 峰峰值 Peak Peak 3 有效值 RMS 4 周期 峰值 峰 峰值 平均值 有效值 上限 中性位置 下限 振动加速度尖峰 振动速度尖峰 时间 周期 振动位移峰 峰 5 正弦波的有效值 峰值 峰峰值与平均值之间关系 有效值 0 707X峰值 1 11X平均值峰值 1 414X有效值 1 57X平均值平均值 0 637X峰值 0 90X有效值峰峰值 2X峰值峰值因子 峰值 有效值 适用于任何变量 6 当量烈度轮廓 力指示器 疲劳指示器 应力指示器 对数频率 对数幅值 振动加速度 g 振动位移 密尔 振动速度 英寸 秒 100密尔 当量烈度轮廓 振动加速度 g 峰值振动速度 英寸 秒 峰值振动位移 密尔 峰峰值频率 转 分 其中 低频区域 高频区域 低频段 高频段 中频段 7 振动信号的采集与处理 快速傅里叶分析 FFT 原理 幅值 时域 频域 合成波 分解的波 用频谱图表示 8 振动监测中的一些技术细节要点 简谐振动位移 速度和加速度三者关系 振动加速度a0振动速度v0振动位移d0振动加速度a01 2 f V0 2 f d0振动速度V0a0 2 f 1 2 f d0振动位移d0a0 2 f V0 2 f 1 9 振动监测中的一些技术细节要点 振动传感器1 振动加速度传感器2 振动速度传感器2 1压电式 实质是振动加速度传感器 2 2磁电式振动速度传感器3 振动位移传感器 电涡流式 10 振动监测中的一些技术细节要点 压电晶体式振动加速度传感器结构原理 声学屏蔽罩 预载螺栓 基础 固定螺栓孔 内置电荷放大器 ICP 电气接头 地震质量 压电晶体材料 11 振动监测中的一些技术细节要点 非接触式振动位移传感器或电涡流式位移传感器用以测量轴相对于滑动轴承的运动 留有很大空间供产生油膜用 直流电压测量间隙交流电压就是振动信号 非接触式电涡流式传感器 12 振动监测中的一些技术细节要点 电涡流式振动位移传感器的工作原理 轴 非接触式传感器探头 非接触式传感器 振荡器 检波器 直流间隙信号 交流振动信号 间隙 传感器线圈 磁场 13 振动监测中的一些技术细节要点 电涡流式传感器的标定曲线 信号传感器输出电压 伏 间隙 X25 4 微米 1密尔 25 4微米 灵敏度系数7 87毫伏 微米 14 振动监测中的一些技术细节要点 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 15 振动监测中的一些技术细节要点 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 没有观察 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 16 振动监测中的一些技术细节要点 关键因素 固定的自振频率可用的频率范围为传感器固定自振频率Fn的约50 振动传感器固定方式的影响 螺纹固定磁铁座固定手持探杆固定胶粘结固定 17 电涡流式传感器在滑动轴承内对准轴 非接触式传感器 轴 轴承 绝对振动 相对振动 18 机械振动标准分类 仪器系统标准API670API678 ISO10817ISO2945 判断应用标准ISO7919ISO10816 ISO13373 草案 ISO13373 草案 振动总量标准 振动故障诊断 轴振动轴承座 机壳振动 API611 612 相对振动绝对振动 19 机器振动测量和评价的有关标准目录 1 相对振动标准ISO7919 1 5非往复式机器的机械振动 在旋转轴上的测量和评价第一部分总则 GB T11348 1 89 第二部分陆地安装的大型汽轮发电机组 GB T11348 2 1997 第三部分耦合的工业机器 GB T11348 3 第四部分燃气轮机组 GB T11348 4 第五部分水力发电厂和泵站机组2 绝对振动标准ISO10816 1 6机械振动 在非旋转部件上测量和评价机器振动第一部分总则第二部分陆地安装的功率超过50MW的大型汽轮发电机组第三部分额定功率大于15KW额定转速在120 15000转 分在现场测量的工业机器第四部分不包括航空器类的燃气轮机组第五部分水力发电厂和泵站机组第六部分额定功率超过100KW的往复式机器 20 机器振动测量和评价的有关标准 ISO10816 1 I类 发动机和机器的单独部件 II类 无专用基础的中型机器 15 75KW 专用刚性基础上300KW以下中型机器 III类 刚性基础上的大型机器 IV类 柔性基础上的大型机器 ISO10816 1专用机组宽带振动准则 21 常见机械故障 由RA Entek归纳总结共17类46种机械和电气故障的频谱 时域波形和相位关系 供诊断参考 22 第一类 质量不平衡1 力不平衡 静不平衡 2 力偶不平衡3 动不平衡4 悬臂转子不平衡第二类 转子偏心第三类 轴弯曲第四类 不对中1 联轴器角向不对中2 联轴器平行不对中3 滚动轴承偏斜地固定在轴上 23 第五类共振第六类机械松动1 A型松动2 B型松动3 C型松动第七类转子摩擦第八类滑动轴承故障1 磨损或间隙故障2 油膜涡动3 油膜振荡 24 第九类 滚动轴承故障1 保持架故障2 滚动体故障3 外环故障4 内环故障第十类 流体动力机械故障1 叶片通过频率2 紊流3 气穴 25 第十一类 齿轮故障1 齿轮负载2 齿轮偏心和齿轮侧隙反弹3 齿轮不对中4 齿断或齿裂5 齿轮组合状态问题6 齿轮摆动故障7 齿轮轴承松动第十二类 交流电动机故障1 定子偏心 铁芯片短路或松动2 转子偏心 动偏心 3 转子故障 断条等 4 相位故障 接头松动 26 第十三类 交流同步电动机 定子线圈松动 第十四类 直流电动机及其控制故障1 电枢绕组开裂 接地故障或系统调谐故障2 起动卡故障或保险丝烧断3 可控硅整流器 SCR 故障 控制卡断路 接头松动 保险丝烧断4 比较器卡故障5 断路电流通过滚动轴承故障第十五类 皮带传动故障1 皮带磨损或不匹配2 皮带轮偏心3 皮带共振第十六类 拍振第十七类 机器软脚及与之相关的共振 27 第一类质量不平衡 28 力不平衡 径向 29 1 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 30 径向 力偶不平衡 31 1 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 在转子第一临界转速以上 振动幅值随转速升高的平方增大 可引起大的轴向振动和径向振动 至少需在两个修正平面内放置平衡重量才能修正 在内侧轴承与外侧轴承水平方向及内侧轴承外侧轴承垂直方向应该存在约180度相位差 每个轴承上水平方向与垂直方向之间相位差通常应该约为90度 30度 32 径向 动不平衡 33 1 3动不平衡动不平衡是不平衡的最普遍的类型 它是力不平衡和力偶不平衡两者的组合 振动频谱中1 转速频率占优势 真正需要双面修正 内侧轴承与外侧轴承之间径向方向的相位差可能在从0度到180度范围内的任何一个角度 然而 当内侧轴承与外侧轴承测量比较时 30度 水平方向的相位差应该精密地与垂直方向的相位差相匹配 还有 如果不平衡突出 每个轴承上水平方向与垂直方向之间的相位差大致为90度 40度 34 轴向和径向 悬臂转子不平衡 35 1 4悬臂转子不平衡悬臂转子不平衡在轴向方向和径向方向引起大的1 转速频率振动 轴向方向振动趋向于同相位 而径向方向振动可能不稳定 然而 不平衡转子上水平方向的相位差通常与垂直方向的相位差相匹配 30度 悬臂转子有力不平衡和力偶不平衡两者 似乎每一种都需要修正 因此 总是必需要在两个修正面内加以修正重量 以抵消力不平衡和力偶不平衡 36 第二类 转子偏心 37 径向 转子偏心 风机 电动机 38 2 偏心的转子皮带轮 齿轮 轴承和电动机框架等旋转中心与几何中心线偏离时出现偏心 最大的振动出现在两个转子中心连线方向上 振动频率为偏心转子的1 转速频率 水平方向和垂直方向振动相位差或是0度或是180度 每一种都表示直线运动 平衡偏心的转子的试图往往导致一个方向振动减小 而另一个径向方向的振动增大 与偏心量有关 39 第三类轴弯曲 40 轴向 弯曲的轴 41 3 弯曲的轴弯曲的轴引起大的轴向振动 同一台机器上轴向振动相位差趋向于180度 如果弯曲接近轴的中部 占优势的振动出现在1 转子转速频率 如果弯曲接近力偶 则占优势的振动出现在2 转速频率 如果您改变传感器的方向的话 应该仔细考虑每次轴向测量时振动传感器的方位 用千分表证实轴的弯曲 42 第四类不对中 43 轴向 角向不对中 44 4 1角向不对中角向不对中的特征是轴向振动大 联轴器两侧振动相位差180度 典型地出现在1 转速频率和2 转速频率的大的轴向振动 然而 不常见1 转速频率 2 转速频率或3 转速频率占优势 这些征兆也指示联轴器故障 严重的角向不对中可激起1 转速频率的许多阶谐波频率 与机械松动不一样 这些转速谐波频率典型地在频谱上都没有升高的噪声地平 45 径向 平行不对中 46 4 2平行不对中平行不对中的振动征兆类似于角向不对中 但是 径向方向振动大 并且联轴器两侧振动相位差接近180度 2 转速频率振动往往大于1 转速频率振动 联轴器的类型和结构决定2 转速频率振动相对于1 转速频率振动的高度 角向不对中或平行不对中严重时 可在较高谐波频率 4 到8 转速频率谐波 处出现大的振动 甚至出现类似于机械松动时出现的完整系列的高频谐波 当不对中严重时 联轴器的类型和材料往往对整个频谱有很大的影响 典型地没有提高的噪声地平 47 轴向 不对中的滚动轴承卡在轴上 相位 相位差180度 48 4 3不对中的滚动轴承卡在轴上不对中的滚动轴承卡在轴上时将产生明显的轴向振动 将引起同一轴承座上顶部与底部振动相位差约180度的轴向振动及左侧与右侧振动相位差约180度的轴向振动 对准联轴器或平衡转子都不能缓解此故障 通常 必须卸下轴承并重新正确安装 49 第五类共振 50 共振 幅值 相位 51 共振 第一阶临界转速 第二阶临界转速 52 5 共振强迫振动频率与系统的自然频率一致时出现共振 使振动幅值急剧放大 导致过早损坏或灾难性破坏 这可能是转子的自然频率 也常常起源于支承框架 基础 齿轮箱或甚至传动皮带 如果转子处在或接近共振 由于很大的相位漂移 几乎不可能平衡掉 共振时相位漂移为90度 通过共振时相位漂移接近180度 往往需要提高或降低自然频率来改变自然频率 自然频率通常不随转速变化 这一点有助于识别自然频率 除非在大型平面轴颈轴承机器或在有明显悬臂的转子上 53 第六类机械松动 54 径向 A型机械松动 底板 A型 机器地脚 混凝土基础 55 6 1A型松动这种频谱是机器底脚 底板或基础的结构松动 减弱引起的 或者由基础上恶化的水泥浆 松动的地脚螺栓 或者框架或者基础变形 即软脚 引起的 相位分析可以揭示在螺栓或机器底脚与基础底板或基础本身垂直方向测量之间的相位差约90度到180度 56 径向 B型机械松动 B型 57 6 2B型松动这种频谱通常是由螺栓松动 框架结构或轴承座裂纹引起的 58 C型机械松动 C型 59 6 3C型松动这种频谱通常是由零部件之间配合不良引起的 由于松动的零部件对转子的动态力产生非线性的响应 所以 将产生许多谐波频率 引起时域波形截断和在频谱中提高噪声地平 C型松动往往是由轴承衬套在其盖内松动 轴承松动和在轴上旋转 滑动轴承或滚动轴承间隙过大 叶轮在轴上松动等引起的 C型松动的振动相位往往是不稳定的 这一次测量到下一次测量可能变化很大 尤其是如果转子在轴上的位置从这一次起动到下一次起动漂移的话 机械松动往往是非常定向的 在一个轴承座的径向方向每隔30度测量的振动值完全不同 而且 松动往往引起精确的1 2 或1 3 转速频率的亚谐波频率 0 5X 1 5X 2 5X等等 60 第七类转子摩擦 61 转子摩擦 截断 削平的波形 径向 共振 62 7 转子摩擦当旋转件与静止件相接触时 转子摩擦产生类似于机械松动产生的频谱 摩擦可能是局部的 也可能是整个转子一周都摩擦 通常 产生一系列频率 往往激起一个或多个共振 根据转子自然频率的位置 常常激起转速的整分数倍亚谐波频率 1 2 1 3 1 4 1 5 1 12等 转子摩擦可激起许多高频 类似于粉笔在黑板上拖动时产生的宽带噪声 如果轴与巴氏合金相接触引起摩擦时 它可能非常严重 非常短促 整个轴圆周全部角度摩擦可产生 反进动 即转子以临界转速频率回转 但是 方向与轴的旋转方向相反 可导致灾难性破坏的固有的不稳定 63 第八类滑动轴承故障 64 径向 噪声地平说明间隙过大 松动 滑动轴承磨损 间隙过大 65 8 1滑动轴承磨损故障或间隙故障滑动轴承磨损后期的证据通常是出现一个完整的系列的转速频率谐波 直到10阶或20阶 破碎的滑动轴承常产生比水平方向振动大的垂直方向的振动 也可能只有1 转速频率的一个明显的尖峰 间隙过大的滑动轴承可让小的不平衡 不对中引起大的振动 如果轴承间隙调整达到规定的要求 则振动很小 66 径向 油膜涡动不稳定 67 油膜涡动不稳定 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 如左上图所示 所以常称为半速涡动或半频涡动 轴承与转子之间的油膜避免了旋转的转子表面与不旋转的轴承表面之间的直接接触 减少两表面间的摩擦和功耗 同时也为支承转子提供了动压力 由于在大多数情况下 轴承不旋转 轴瓦表面的油膜速度为零 转子轴颈表面的油膜速度与轴颈表面的速度相同 因此 在层流假设下 油膜沿径向的速度分布如右上图所示 油膜的平均周向速度为轴颈表面速度的一半 即转子旋转时 油膜将以轴颈表面速度之半的平均速度环绕运动 实际上 涡动频率总是小于回转速度之半 据统计 约为0 40 0 48X转速之间 这是轴颈表面比轴瓦表面光滑及轴瓦与轴颈之间滑油的端泄等原因影响的结果 回转频率 2 回转频率 68 8 2油膜涡动不稳定油膜涡动不稳定出现在 0 40到0 48 转速频率范围内 常常十分严重 当振动幅值超过轴承间隙的百分之四十时 认为振动过大 油膜涡动是油膜激起的振动 正常工作状态的偏移 姿态角和偏心率 使油楔 推 轴在轴承内作环绕运动 旋转方向不稳定的力导致涡动 或正进动 油膜涡动是不稳定的 因为它增大离心力 离心力增大涡动力 可使油膜不再能支承轴 并且 当涡动频率与转子自然频率一致时 变得不稳定 改变滑油粘度 润滑油压力和外部预载 可能会影响油膜涡动 69 油膜振荡不稳定 油膜涡动 油膜振荡 质量不平衡 临界转速 转子转速 频谱图表明当轴转速通过第二阶临界转速时油膜涡动变为油膜振荡不稳定 频率 70 油膜振荡不稳定 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 即约为0 5 但是 当转子回转频率约为其一阶弯曲临界转速的两倍时 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弯曲临界转速 油膜涡动频率等于转子一阶临界转速且保持不变 转子一阶临界转速 油膜涡动频率 71 8 3油膜振荡不稳定如果机器处在或高于2 转子自然频率运转时 可能出现油膜振荡 转子进入两倍临界转速时 油膜涡动频率将非常接近临界转速频率 引起过大的振动 油膜可能不再具有支承能力 涡动速度实际将 锁定 在转子临界转速 虽然机器转速愈升愈高 但是 这个尖峰不能通过它 产生以转子临界转速频率的横向正进动亚谐波振动 这是一种可导致灾难性破坏的固有的不稳定的振动 72 第九类滚动轴承故障 73 滚动轴承术语 接触角 滚动体直径 内环跑道 内环 保持架 外环 外环跑道 内径 外径 磁铁座固定的振动加速度计 滚动轴承术语 平均直径 74 6 77 滚动轴承类型 深槽滚动轴承 单列 双列 滚针轴承 角向接触滚珠轴承 圆柱滚棒轴承 球形滚棒轴承 锥形滚棒轴承 单列 双列 75 滚动轴承故障发展过程的四阶段 通常约百分之八十至九十的轴承寿命 1 2 3 4 1 X 2 3 4 阶段 轴承剩余寿命的百分之十至二十 阶段 轴承剩余寿命的百分之五至十 阶段 轴承剩余寿命的百分之一至五 阶段 一小时至轴承剩余寿命的百分之一 灾难性破坏 累积的损伤 时间 滚动轴承四种类型故障频率1 随机的 超声频率 gSE HFD SPM 2 轴承零部件自振频率 500至2000赫兹范围 与转速无关 3旋转的故障频率 内环BPFI 外环BPFO 滚动体BSF和保持架FTF故障频率4 和频与差频 轴承若干故障频率之间及其它振源频率相加或相减得出的频率 76 滚动轴承故障发展的四个阶段 第一阶段 滚动轴承故障初始阶段第二阶段 滚动轴承轻微故障阶段第三阶段 滚动轴承宏观故障阶段第四阶段 滚动轴承故障最后阶段 77 滚动轴承故障四种类型频率 第一种频率 随机的 超声频率 振动尖峰能量 gSE 高频加速度 HFD 和冲击脉冲 SPM 第二种频率 轴承零部件的自振频率 在500到2000赫兹频率范围内 与转速无关 第三种频率 旋转的故障频率 轴承的内环故障 BPFI 外环故障 BPFO 滚动体故障 BSF 和保持架故障 FTF 第四种频率 和频与差频 轴承的若干故障频率之间及与其它振源频率之间相加或相减注 BPFI Innerracedefectfrequency内环故障频率BPFO Outerracedefectfrequency外环故障频率BSF Rollingelementdefectfrequency滚动体故障频率FTF Cagedefectfrequency保持架故障频率振动尖峰能量gSE是美国罗克韦尔自动化 集成化状态监测公司的专利技术 78 滚动轴承四种故障频率 滚动轴承保持架故障频率 FTF滚动轴承滚动体旋转故障频率 BSF滚动轴承外环故障频率 BPFO滚动轴承内环故障频率 BPFI 注 BPFI Innerracedefectfrequency内环故障频率BPFO Outerracedefectfrequency外环故障频率BSF Rollingelementdefectfrequency滚动体故障频率FTF Cagedefectfrequency保持架故障频率 79 滚动轴承故障频率计算 1 滚动轴承保持架故障频率 FTF 1 2 N 1 d D Cos Ni 1 d D Cos 滚动轴承滚动体旋转故障频率 BSF 1 2 D d No Ni 1 d D Cos 滚动轴承外环故障频率 BPFO 1 2 n No Ni 1 d D Cos 滚动轴承内环故障频率 BPFI 1 2 n Ni No 1 d D Cos 以上符号 d 滚动体直径 D 滚动轴承平均直径 滚动体中心处直径 径向方向接触角 n 滚动体数目 No 轴承外环角速度 Ni 轴承内环角速度 轴转速 注 1 滚动轴承没有滑动 2 滚动轴承几何尺寸没有变化 3 轴承外环和轴承内环都旋转 80 滚动轴承故障频率计算 2 滚动轴承保持架故障频率 FTF N 2 1 d D Cos 滚动轴承滚动体旋转故障频率 BSF N 2 D d 1 d D Cos 滚动轴承外环故障频率 BPFO N 2 n 1 d D Cos 滚动轴承内环故障频率 BPFI N 2 n 1 d D Cos 以上符号 d 滚动体直径 D 滚动轴承平均直径 滚动体中心处直径 径向方向接触角 n 滚动体数目 N 轴的转速 注 1 滚动轴承没有滑动 2 滚动轴承几何尺寸没有变化 3 轴承外环固定不旋转 81 滚动轴承故障频率计算 3 经验公式 滚动轴承外环故障频率 BPFOr 0 4Nn滚动轴承内环故障频率 BPFIr 0 6Nn滚动轴承保持架故障频率 FTFr 0 4N以上符号 n 滚动体数目 N 轴的转速 注 1 滚动轴承没有滑动 2 滚动轴承几何尺寸没有变化 3 轴承外环固定不旋转 4 当滚动体数目在6至12范围内时以上公式计算结果很精确 82 滚动轴承故障频率计算 4 估算公式 滚动轴承外环故障频率 BPFOe N 0 5n 1 2 滚动轴承内环故障频率 BPFIe N 0 5n 1 2 滚动轴承滚动体故障频率 BSFe N 0 2n 1 2 n 滚动轴承保持架故障频率 FTFe N 0 5 1 2 n 以上符号 n 滚动体数目 N 轴的转速 注 1 滚动轴承没有滑动 2 滚动轴承几何尺寸没有变化 3 轴承外环固定不旋转 4 当滚动体数目在6至12范围内时以上公式计算结果很精确 83 滚动轴承故障频率之间的关系 滚动轴承外环故障频率与滚动轴承内环故障频率之和等于转速与滚动体数目之乘积 BPFO BPFT n滚动轴承外环故障频率除以滚动体数目得的商等于滚动轴承保持架故障频率 BPFO n FTF以上符号 n 滚动体数目 N 轴的转速 注 1 滚动轴承没有滑动 2 滚动轴承几何尺寸没有变化 3 轴承外环固定不旋转 4 当滚动体数目在6至12范围内时以上公式计算结果很精确 84 RA ENTEK振动尖峰能量gSE技术 疲劳微裂纹在轴承滚道表面以下约0 127毫米处开始 经一定时间后 疲劳微裂纹逐渐扩展到表面 表面以下 裂纹起始处 轴承钢晶体结构 0 0001016 0 0001524毫米 85 RA ENTEK振动尖峰能量gSE技术 高通滤波将把低频振动频率 常规机械故障频率 如转子不平衡 不对中 松动等 几乎完全滤掉 只保留高频振动频率 振动加速度计安装固定的共振频率 齿轮啮合频率 轴承故障频率等 原始信号预处理 高通滤波后 低频振动频率 常规机械故障频率 如转子不平衡 不对中 松动等 几乎完全被滤掉 高频振动频率 振动加速度计安装固定的共振频率 齿轮啮合频率 轴承故障频率等 保留下来 原始信号预处理后的结果 5K至50K赫兹高频区域内的信号 经过检波 再通过5K赫兹低通滤波器后 高于5K赫兹的频率都被滤掉 低通滤波后的信号作解调处理的时域波形作FFT处理便得gSE谱 将轴承故障频率显示出来 对仅保留的滚动轴承故障信号处理并提取和显示 86 RA ENTEK振动尖峰能量gSE技术 振动尖峰能量gSE检测电路的特性 5KHZ 65KHZ 振动加速度g s 振动尖峰能量gSE峰峰检波器检测频率范围 27K赫兹 振动加速度计安装固定共振频率 常规振动频率 低频 测量范围 包括不平衡 不对中 松动等故障频率 DP1500数据采集器可选的gSE高通滤波频率 100 200 500 1K 2K 5K赫兹 频率 gSE带通滤波器高截止频率 振动尖峰能量gSE利用高通滤波滤掉常规机械振动故障 不平衡 不对中 松动等 频率 只检测高频振动 此频率范围内滚动轴承缺陷脉冲能量激起机器零部件或结构或振动加速度计安装固定共振频率 作为载频调制轴承故障频率 并利用峰峰检波检测并保持高频脉冲峰值 用衰减时间常数确定gSE频谱的最高频率Fmax 这样既保持了故障的严重程度 又突出了故障频率基频及其谐波频率 87 RA ENTEK振动尖峰能量gSE技术 DP1500数据采集器有六个可选的高通滤波器低截止频率 100 200 500 1K 2K和5K赫兹 振动尖峰能量gSE的信号处理框图 振动原始信号 高频带通滤波器 峰峰检波器 显示gSE总量 显示gSE频谱 快速傅里叶变换FFT 对原始信号预处理 对预处理后的信号再处理 88 RA ENTEK振动尖峰能量gSE技术 本标准适于采用罗克韦尔自动化 集成化状态监测公司970型振动加速度计并配用29 5公斤吸引力的磁铁座在轴承座上测量的滚动轴承振动尖峰能量gSE总量值 不可接受 可接受 89 滚动轴承故障发展四阶段第一阶段 A区域常规机械故障频率区 B区域滚动轴承故障频率区 C区域轴承零部件自振频率区 D区域振动尖峰能量gSE区 90 9 1第一阶段滚动轴承故障的最早的指示出现在从约250000到350000赫兹频率范围内的超声频率 后来 滚动轴承磨损增大时 通常频率下降到约20000到60000赫兹 1200000到3600000转 分 这些就是用振动尖峰能量 gSE 高频加速度 HFD g 和冲击脉冲 SPM dB 评定这些频率 例如 在滚动轴承故障第一阶段中 振动尖峰能量值首先出现为0 25gSE 实际的值与测量位置和机器的转速有关 采集gSE谱可揭示和证实滚动轴承是否处于滚动轴承故障发展的第一阶段中 91 滚动轴承故障发展四阶段第二阶段 A区域常规机械故障频率区 B区域滚动轴承故障频率区 C区域轴承零部件自振频率区 fn D区域振动尖峰能量gSE区 CPM CPM 92 9 2第二阶段轻微的滚动轴承故障开始 瞬态扰动 滚动轴承的零件的自然频率 fn 这些自然频率主要出现在30K到120K转 分 500到2000赫兹 频率范围内 这些自然频率也可能是滚动轴承支承结构的自然频率 在滚动轴承故障的第二阶段末期 在自然频率的左侧和右侧出现边带频率 振动尖峰能量的总量值增大 例如 从0 25gSE增大到0 50gSE 93 滚动轴承故障发展四阶段第三阶段 A区域常规机械故障频率区 B区域滚动轴承故障频率区 C区域轴承零部件自振频率区 D区域振动尖峰能量gSE区 94 9 3第三阶段在滚动轴承故障的第三阶段中 出现滚动轴承故障频率及其谐波频率 当滚动轴承的磨损扩展时 出现更多阶次的滚动轴承故障频率的谐波频率 边带频率数量增多 在轴承故障频率的谐波频率和轴承零件的自然频率的两侧的边带数量都增多 振动尖峰能量的总量值继续增大 例如从0 50gSE增大到1 0gSE 这时 已经可以看到滚动轴承的磨损 并且 磨损扩展到滚动轴承的周围 尤其是伴随在轴承故障频率两侧有许多清晰的边带时 gSE谱 高频解调和包络频谱帮助证实滚动轴承故障的第三阶段 这时 应该更换滚动轴承了 与振动频谱中滚动轴承的故障频率的幅值无关 95 A区域常规机械故障频率区 X B区域滚动轴承故障频率区 C区域轴承零部件自振频率区 D区域振动尖峰能量gSE区 滚动轴承故障发展四阶段第四阶段 随机高频振动 96 9 4第四阶段朝着滚动轴承故障发展的最后阶段发展 甚至影响1 转速频率的振动幅值 该频率的幅值增大 通常还引起转速频率的许多谐波频率的幅值增大 离散的滚动轴承故障频率和轴承零件自然频率实际上开始 消失 被随机的 宽带高频 噪声地平 代替 此外 高频噪声地平和振动尖峰能量两者的幅值事实上可能减小 但是 恰好到损坏之前 振动尖峰能量和高频加速度值通常增大到过大的幅值 97 第十类 流体动力激振 98 液压力和流体动力激振 紊流激振 气穴激振 叶片通过频率BPF 叶片数目X转速 BPF 静子叶片通过频率或转子叶片通过频率 1X转速边带 随机振动 随机高频振动 流体动力激振 99 叶片通过频率BPF 叶片数目X转速 1X转速边带 流体动力激振 100 10 流体动力激振故障10 1转子叶片通过频率和静子叶片通过频率叶片通过频率 BPF 叶片数目 转速频率 在泵 风机和压缩机中 这种叶片通过频率总是有的 通常不成为故障 然而 如果泵中旋转叶片与静止的扩压器之间的间隙在圆周方向上不均匀 那么可能产生大幅值的叶片通过频率 BPF 及其谐波频率 而且 有时叶片通过频率 BPF 或其谐波频率 与系统的某自然频率一致 产生大的振动 如果叶轮摩擦环卡住轴承 或者焊接固定的扩压器叶片损坏 则可能产生大的叶片通过频率 BPF 振动 管道的突然弯曲 妨碍流体流动的障碍物 阻尼器或者如果泵或风机转子与其壳体中心不重合都会引起叶片通过频率 BPF 的大振动 101 紊流 随机振动 BPF 叶片通过频率 喘振或紊流过大 102 10 2紊流风机中由于风机流道中或管道中空气的压力或速度变化 常常出现紊流 这种流动的中断引起紊流 产生随机的 低频振动 典型地在50到2000转 分频率范围内 如果压缩机内出现喘振 则可能出现随机的 宽带高频振动 过大的紊流也可能激起宽带高频振动 103 BPF 叶片通过频率 随机高频振动 气穴 104 10 3气穴气穴通常产生随机的 较高频率宽带能量 有时叠加叶片通过频率的谐波频率 通常指示进口压力不够 缺乏流体的现象 如果不采取措施排除 气穴对泵内部可能十分有害 它可能局部侵蚀叶轮的叶片 存在气穴时 常常发出像 卵石 通过泵时的声音 气穴通常是进口流量不够引起的 可能这次测量时出现 下次测量时没有了 如果改变进口阀门的设定的话 105 第十一类齿轮故障 106 齿轮故障 齿轮啮合频率GMF 低速齿轮齿数X低速齿轮转速 高速齿轮齿数X高速齿轮转速 低速齿轮转速 高速齿轮转速 107 11 1齿轮正常时的频谱正常齿轮的频谱表示高速齿轮和低速齿轮的转速 齿轮的啮合频率 GMF 和非常小的齿轮啮合频率的谐波频率 齿轮啮合频率 GMF 通常在它们的两侧有高 低速齿轮的转速频率边带 所有尖峰的幅值都很小 没有激起齿轮的自然频率 已知齿轮的齿数时 建议频率范围Fmax设定为3 25 GMF 最低 如果不知道齿轮的齿数 把频率范围Fmax设定为每根轴的转速的200倍 108 齿磨损故障 109 齿磨损故障 齿轮自振频率 齿轮啮合频率GMF 低速齿轮齿数X低速齿轮转速 高速齿轮齿数X高速齿轮转速 低速齿轮转速 高速齿轮转速 110 11 2齿磨损齿磨损的关键指示是激起齿轮的自然频率 Fn 和在此齿轮自然频率两侧伴有磨损的齿的转速频率边带 当齿磨损明显时 虽然边带的幅值高并且在齿轮啮合频率 GMF 两侧出现的边带数增多 但是齿轮啮合频率 GMF 的幅值可能变化也可能不变化 边带是比齿轮啮合频率 GMF 本身更好的齿磨损的指示 而且 虽然齿轮啮合频率的幅值是可以接受的 但是2 GMF或3 GMF 尤其是3 GMF 的幅值经常很高 111 齿承受的载荷 齿轮啮合频率GMF 低速齿轮齿数X低速齿轮转速 高速齿轮齿数X高速齿轮转速 低速齿轮转速 高速齿轮转速 112 11 3齿的负载齿轮啮合频率 GMF 往往对齿的负载非常敏感 齿轮啮合频率 GMF 的幅值高未必一定指示有故障 尤其是如果边带频率幅值保持较小 没有激起齿轮自然频率的时候 为了频谱比较有意义 每次测量分析都应该在系统处于最大负载下运转时进行 113 齿轮偏心和齿隙游移 齿轮啮合频率GMF 低速齿轮齿数X低速齿轮转速 高速齿轮齿数X高速齿轮转速 低速齿轮转速 高速齿轮转速 齿轮自振频率 114 11 4齿轮偏心和齿隙游移在齿轮啮合频率 GMF 两侧十分高的边带幅值往往说明齿轮偏心 齿隙游移或两根齿轮轴不平行 这样使一个齿轮的转速 调制 齿轮啮合频率 GMF 的幅值或另一个齿轮的转速 边带频率的间隔指示哪个齿轮有故障 如果齿轮偏心是占优势的故障 则偏心的齿轮的1 转速频率的幅值通常较高 不适当的齿隙游移通常要激起齿轮啮合频率 GMF 的谐波频率和齿轮的自振频率 而且 它们都伴有1 转速频率的边带 如果齿隙游移是故障 则随着负载增大 齿轮啮合频率 GMF 的幅值常常随负载增大而减小 115 齿轮不对中 齿轮啮合频率GMF 低速齿轮齿数X低速齿轮转速 高速齿轮齿数X高速齿轮转速 低速齿轮转速 高速齿轮转速 2X低速齿轮转速 2X低速齿轮转速的边带 116 11 5齿轮不对中齿轮不对中几乎总是激起第二阶或高阶齿轮啮合频率 GMF 谐波频率 并且它们都伴有转速边带 往往只显示小的齿轮啮合频率 GMF 的幅值 但是2 GMF 或3 GMF 的幅值较高 设定足以采集至少3 GMF 谐波频率的Fmax最高频率范围很重要 而且 2 GMF 两侧常伴有2 转速频率边带 请注意 由于齿不对中 齿轮啮合频率 GMF 及其谐波频率的左侧和右侧的边带频率的幅值不等 引起不均匀磨损 117 齿裂或断 裂齿的或断齿的齿轮的转速的倒数 时域波形 齿轮转速 齿轮自振频率 时域波形更利于诊断齿裂或断的故障 118 11 6齿断或齿裂齿断或齿裂仅在时域波形中产生这个齿的1 转速频率的大幅值 另外 它激起齿轮自然频率 Fn 并伴有断的或裂的齿的齿轮的转速边带 在时域波形中最好检测 断的齿或裂的齿每次试图与跟它匹配的齿轮的齿相啮合时 都出现一个明显的尖峰 两次冲击之间的时间将相应于断的或裂的齿的齿轮转速的倒数 1 转速 时域中冲击尖峰的幅值往往比FFT谱中的1 转速频率的幅值高10到20倍 119 11 9轴承配合松动支承齿轮的轴承间隙过大不仅可激起许多转速频率的谐波频率 还常引起齿轮啮合频率 GMF 2 GMF或3 GMF的大的振动响应 这些大幅值的齿轮啮合频率 GMF 振动实际上是对支承齿轮的轴承内松动的响应 并且不是故障的原因 轴承过大的磨损或者在安装时轴承装到轴颈上的配合不当可引起这种过大的间隙 如果不修正 它可引起过大的齿轮磨损和对其它零部件的损坏 120 第十二类 交流电动机故障 121 电动机故障诊断技术目录 一 交流感应电动机故障诊断技术1 定子偏心 铁芯片短路或铁芯松动 Odyssey频率项设置MOTORSTATORECCENTRICITYFREQUENCY 2 转子偏心 可变的气隙 Odyssey频率项设置MOTORROTORECCENTRICITYFREQUENCY 3 转子故障 Odyssey频率项设置MOTORROTORPROBLEMS 4 相位故障 接头松动 Odyssey频率项设置MOTORPHASINGPROBLEMS 二 交流同步电动机故障诊断技术1 定子线圈松动故障 三 直流电动机和控制故障诊断技术1 正常频谱2 电枢绕组断裂 接地故障或系统调整故障3 起动卡故障或保险丝烧断4 可控硅整流器故障 控制卡短路 接头松动 保险丝烧断5 比较器卡故障6 电流通过直流电动机的轴承 122 3200条 高分辨率 谱线的FFT频谱 电源频率 中国为50赫兹 径向 交流感应电动机定子偏心 铁芯片短路或铁芯松动故障 对于50Hz电源极对数转速2极3000转 分4极1500转 分6极1000转 分8极750转 分 123 12 交流电动机故障12 1定子偏心 短路的铁芯片或松动的铁芯定子故障产生2 电源频率 FL 的大振动 定子偏心在转子与定子之间产生不均匀的气隙 产生非常定向的振动 在感应电动机中气隙差不应该超过百分之五 在同步电动机中 气隙差不应该超过百分之十 软脚和翘曲的基础可产生偏心的定子 松动的铁芯是由于定子支承刚性弱或松动造成的 短路的定子铁芯片可引起不均匀的局部发热 使定子本身变形 这会产生热引起的振动 热引起的振动随着运转时间的延长可明显增大 造成定子变形和静止气隙故障 124 偏心的转子 可变气隙 电源频率 同步转速 滑差频率 极通过频率 极对数目 交流感应电动机 125 径向 3200条谱线 高分辨率 FFT频谱 在2FL两侧出现FP边带 FP FP FP FP FL 电源频率 交流感应电动机偏心的转子 可变气隙 对于50Hz电源极对数转速2极3000转 分4极1500转 分6极1000转 分8极750转 分 126 12 2转子偏心 可变的气隙 偏心的转子在转子与静子之间产生旋转的可变的气隙 引起脉冲振动 通常在电源频率的两倍2 FL与最靠近的转速频率的谐波频率之间 常常需要 细化 谱分离2 FL与转速频率的谐波频率 偏心的转子产生2 FL及其两侧的极通过频率 Fp 边带 转速频率及其两侧的Fp边带 Fp本身出现在低频处 极通过频率Fp 滑差频率 极的数目 Fp常见值的范围在20到120转 分 0 3到2 0赫兹 内 软脚或不对中由于变形 实际上是机械的 不是电气的 常会引起可变的气隙 127 定子 转子条 转子 两极电动机 气隙 导线 磁场 交流电机转子故障 128 在电动机转速谐波的两侧出现FP极通过频率边带频率 RBPF 转子极通过频率 转子条数目X转速在RBPF和 或2XRBPF的两侧出现2FL边带 1600条谱线 高分辨率 频谱 交流电机转子条裂或断故障 对于50Hz电源极对数转速2极3000转 分4极1500转 分6极1000转 分8极750转 分 129 12 3转子故障断的或裂的转子条或者短路环 转子条与短路环之间接触不良 或者短路的转子铁芯片将产生1 转速频率的大振动及其两侧极通过频率 Fp 边带 此外 这些故障常产生转速频率的第二 第三 第四和第五阶谐波频率两侧的Fp边带 转子条通过频率 RBPF 和 或者它的谐波频率 RBPF 转子条数目 转速频率 两侧的2 电源频率 2 FL 边带指示了转子条松动或者脱开 松动的转子条与端环之间电气引起的电弧常表示出很高的幅值的2 RBPF 并且伴有2 FL边带 但是 1 RBPF频率的振动幅值不增大 130 径向 在2FL的两侧出现1 3FL边带频率 1 3FL 1 3FL 1 3FL 1 3FL 交流感应电动机相位问题 接头松动 对于50Hz电源极对数转速2极3000转 分4极1500转 分6极1000转 分8极750转 分 131 12 4交流电机相位问题 接头松动 由于松动或者断裂的接头引起的相位问题可产生2 电源频率 2 FL 的过大的振动 并且2 FL两侧伴有1 3电源频率 1 3 FL 的边带 如果不解决相位问题 2 FL频率处的振动幅值可能超过25 4毫米 秒 如果有故障的接头只是偶尔接触 则它尤其成为问题 为了防止灾难性破坏 必须修理松动或者断开的接头 132 第十三类 交流同步电动机 133 线圈通过频率CPF 1600条谱线 高分辨率 FFT频谱 1X转速频率边带 1X转速频率 交流同步电机定子线圈松动故障 线圈通过频率 CPF 等于定子线圈数目 转速频率 134 13 交流同步电动机 定子线圈松动 同步电动机中定子线圈松动将产生线圈通过频率 CPF 的很大的振动 线圈通过频率 CPF 等于定子线圈数目 转速频率 定子线圈数目 极数目 线圈数目 极 线圈通过频率伴有1 转速频率边带 在约60000到90000转 分 1000到1500赫兹 及其两侧2 FL边带频率的大振动幅值尖峰也可指示同步电动机故障 在每个电动机轴承座上至少应该采集90000转 分 1500赫兹 以上的频率 135 第十四类 直流电动机及其控制故障 136 直流电机及其可控硅控制系统故障 正常状态的频谱 可控硅整流器频率 SCR 6FL 全波整流 或 3FL 半波整流 可控硅整流器频率SCR 137 14 直流电动机及其控制的故障14 1正常的频谱用振动分析办法可以检测直流电动机及其控制的许多故障问题 全波检波电动机 六个可控硅整流器 SCR 产生6 电源频率 6 FL 300赫兹 18000转 分 而半波检波电动机 三个可控硅整流器 SCR 产生3 电源频率 3 FL 150赫兹 9000转 分 在直流电动机频谱中通常存在可控硅整流器 SCR 起动频率 但是其幅值很小 请注意 不存在电源频率 FL 的谐波频率尖峰 138 直流电机电枢绕组断裂 接地故障或系统调整故障 可控硅整流器频率 SCR 6FL 全波整流 3FL 半波整流 可控硅整流器频率SCR 139 14 2断裂的电枢绕组 接地故障或系统调整故障当直流电动机频谱中可控硅整流器 SCR 或2 SCR频率处振动幅值大占优势时 通常这指示或是断裂的电动机绕组故障或是电气控制系统的调整故障问题 如果是控制问题 只要适当调整便可明显地降低SCR或2 SCR频率的振动幅值 这些频率处振动幅值大通常指在1 SCR起动频率处振动幅值大于2 54毫米 秒 在2 SCR起动频率处振动幅值大于1 016毫米 秒 140 直流电机可控硅整流器系统起动卡有故障或者保险丝烧断 可控硅整流器频率SCR 可控硅整流器频率SCR 141 14 3起动卡有故障或者保险丝烧断当一张起动卡不能起动时 则失去1 3电源 它可引起电动机重复的瞬态转速变化 这可导致1 3 和2 3 SCR频率的大振动幅值 1 3 SCR频率 1 FL 对于半波检波 1 3 SCR频率 2 FL 对于全波检波 警告 在对电动机排故之前 应该知道起动卡和SCR的组态 SCR的号 起动卡的号等等 142 直流电机可控硅整流器故障 控制卡短路 接头松动 保险丝烧断 可控硅整流器频率SCR 143 14 4可控硅整流器故障 控制卡短路 接头松动 保险丝烧断可控硅整流器故障 控制卡短路 接头松动等故障可产生电源频率 FL 和可控硅整流器 SCR 起动频率许多组合的明显的振动幅值尖峰 通常 损坏一个可控硅整流器 SCR 可在六个可控硅整流器的电动机中引起FL和 或者5 FL频率大幅值的振动 应该指出的是 在直流电动机频谱中不存在FL 2 FL 4 FL或5 FL频率 144 边带近似等于转速的变化 可控硅整流器频率SCR 3200条谱线 高分辨率 FFT谱 直流电机可控硅整流器系统比较器卡故障 145 14 5直流电机可控硅整流器系统比较器卡故障比较器卡故障引起转速波动或 摆动 这引起磁场不断破坏和再产生 这些边带常接近转速的波动 需要高分辨率的FFT才能检测它们 这些边带也可能是由于磁场产生和再产生造成的 146 电流通过直流电动机的轴承 如果存在切槽 则差频通常将等于滚动轴承外环故障频率BPFO 1600条谱线 高分辨率 FFT谱 147 14 6电流通过直流电动机的轴承一系列频率间隔等于轴承外环故障频率 BPFO 频率 甚至如果轴承外环和轴承内环