企业培训_机械设备振动状态监测培训讲义

机械设备振动状态监测 戴凤涛 2014 02 第一章振动基础第二章旋转机械典型振动故障特征识别 第一章振动基础 第一节振动概述 一振动的基本概念 二振幅 三频率 四相位 第二节机械设备振动监测 一设备振动监测方法 二设备振动标准与评价 物体相对于平衡位置所作的往复运动称为机械振动 简称振动 例如 机器箱体的颤动 管线的抖动 叶片的摆动等都属于机械振动 振动用基本参数 即所谓 振动三要素 振幅 频率 相位加以描述 一振动的基本概念 第一节振动概述 振幅A Amplitude 偏离平衡位置的数值 描述振动的规模 频率f Frequency 描述振动的快慢 单位为次 秒 Hz 或次 分 c min 周期T 1 f为每振动一次所需的时间 单位为秒 圆频率 2 f为每秒钟转过的角度 单位为弧度 秒初相角 Initialphase 描述振动在起始瞬间的状态 第一节振动概述 一振动的基本概念 第一节振动概述 一振幅 振幅是物体动态运动或振动的幅度 振幅是振动强度和能量水平的标志 是评判机器运转状态优劣的主要指标 瞬时值 Instantvalue 振动的任一瞬时的数值 峰值 Peakvalue 振动离平衡位置的最大偏离 平均绝对值 Averageabsolutevalue 均值 Meanvalue 有效值 Rootmeansquarevalue 振动的均方根值 xp x x t 1振幅的量值 各幅值参数是常数 彼此间有确定关系峰值xp A 峰峰值xp p 2A平均绝对值xav 0 637A有效值xrms 0 707A平均值 简谐振动的幅值参数 复杂振动的幅值参数 各幅值参数随时间变化 彼此间无明确定关系 第一节振动概述 一振幅 振幅分别用振动位移 振动速度 振动加速度值加以描述 度量 三者相互之间可以通过微分或积分进行换算 在振动测量中 振动位移的量值为峰峰值 单位是微米 m 或密耳 mil 振动速度的量值为有效值 单位是毫米 秒 mm s 或英寸 秒 ips 振动加速度的量值是单峰值 单位是重力加速度 g 或米 秒平方 m s2 1 g 9 81 m s2 2振幅的描述 2振幅的描述 位移振幅 物理意义位移描述了质点偏移平衡位置的程度 反映了位移与质点的位能关系 位移大 质点的势能就大 因此 位移可监测位能对部件的破坏作用 工程意义位移幅值对低频振动信号非常敏感 异常间隙故障 磨损故障 非线性摩擦及松动等故障 都会激励起很大的位移响应 1500rpm以下的低速设备 一定要关注位移振幅 第一节振动概述 速度振幅 物理意义速度是位移对时间的变化率 描述了质点的运动速率 速度越快 动能越大 即速度反映了质点的动能 工程意义速度反映了分析频段内时间历程信号的振动能量 即机器的振动烈度 因此 速度的表征参数用有效值 mm s 表示 不论是低速设备 还是高速设备 都要关注对振动速度的测量分析 滚动轴承出现磨损故障时 会导致振动速度增大 2振幅的描述 第一节振动概述 加速度振幅 物理意义加速度是速度对时间的变化率 v t 是描述物体速度改变快慢的物理量 速度变化量为0 是匀速运动 加速度也必然为 0 所以 加速度值与速度的大小没有必然联系 只有在外力作用下速度发生改变时 才会使加速度增大 工程意义牛顿第二定律 a F m 说明 加速度幅值反映了单位质量所受合外力的状况 受到的合外力越大 瞬间产生的加速度就越大 由此推断 如果振动加速度增大 振动系统必然是受到了外力干扰 因此 通过监测加速度幅值的变化 可以分析系统中 有冲击力特征 的振动故障 2振幅的描述 第一节振动概述 振动位移 速度 加速度之间的关系 位移 速度 加速度都是同频率的简谐波 三者的幅值相应为A A A 2 相位关系 加速度领先速度90 速度领先位移90 x v a x v a 加速度 Acceleration 速度 Velocity 振动位移 Displacement 什么时候使用位移 速度或加速度 在低频范围内 10Hz 振动强度与位移成正比 在中频范围内 振动强度与速度成正比 在高频范围内 振动强度与加速度成正比 因为频率低意味着振动体在单位时间内振动的次数少 过程时间长 速度 加速度的数值相对较小且变化量更小 因此振动位移能够更清晰地反映出振动强度的大小 而频率高 意味着振动次数多 过程短 速度 尤其是加速度的数值及变化量大 因此振动强度与振动加速度成正比 也可以认为 振动位移具体地反映了间隙的大小 振动速度反映了能量的大小 振动加速度反映了冲击力的大小 在实际应用中 大型旋转机械的振动用振动位移的峰峰值 m 表示 用装在轴承上的非接触式电涡流位移传感器来测量转子轴颈的振动 一般转动设备的振动用振动速度的有效值 mm s 表示 用手持式或装在设备壳体上靠近轴承处的磁电式速度传感器或压电式加速度传感器 如今主要是加速度传感器 来测量 齿轮和滚动轴承的振动用振动加速度的单峰值 g 表示 用加速度传感器来测量 频率f是物体每秒钟内振动循环的次数 单位是赫兹 Hz 频率是振动特性的标志 是分析振动原因的重要依据 机器振动故障的发生 发展 都会引起信号频率结构的变化 并且不同故障所生成的频率成分之间 交叉叠加 因此 振动信号的幅值分析 尚不能对其振动性质 内在变化 动态行为 故障原因等根本问题作出确定性结论 这些问题的最终解决 都需要把复杂的时间历程信号 由时域分析转换到频域分析 频谱分析技术 1频谱分析的内涵频谱分析是机械故障诊断中最常用的信号处理技术之一 主要解决四项问题 观察振动信号中的频率成分和分布范围 计算频率幅值 或能量 的大小 确定影响设备状态的主要激振频率 识别振动信号的相位信息 相位谱 二频率 第一节振动概述 二关于频率 2频谱分析的基本原理 通过数学计算的方法 把复杂的时间历程信号分解成一系列相对应的简谐信号 再从频域观察 分析各谐波信号的频率结构和幅值 振幅反映了设备的振动状况 频谱揭示了设备振动的频率结构和可能的故障原因 第一节振动概述 三相位 在旋转机械中 相位具有特定的明确含义 指基频信号的正最大处相对于转轴上某一确定标记的相位差 这是标准制式 1相位的含义 2相位测量与标注 通过涡流或光电传感器方法测量 有4种标注方式 p 正峰点相位 p 负峰点相位 S 正零点相位 S 负零点相位 第一节振动概述 第二节机械设备振动监测 一设备振动监测方法 1测点选择 轴相对振动测量 选用涡流传感器测量轴的相对振动位移 轴承座振动测量 用加速度或速度传感器在轴承座上测量绝对振动 振动测点首选每个支承轴承部位 测点信号能反映设备的动态力 即灵敏反映设备的实际振动状况 测点部位不能存在局部共振和放大 一设备振动监测方法 2测点方向选择 每个测点都要在X Y Z三个主方向进行测量 尤其存在故障时 更要测量轴系的轴向振动 对立式安装设备 要在规定测点的两个水平主方向进行振动测量 第二节机械设备振动监测 一设备振动监测方法 3测量参数选择 振动位移D 转速 10Hz测量范围定义500Hz 振动速度V 特征频率在1kHz内 振动加速度A 特征频率在1kHz以上 4测量工况选择 正常情况 推荐在工作运行工况下进行测量 设备维修 设备试验 空负荷 变负荷 满负荷工况测量 第二节机械设备振动监测 二设备振动标准与评价 2测点方向选 择 1国家振动标准解析重点国家振动标准与国际振动标准是同等转化的 目前旋转机械设备有两大系列标准 GB T11348 1 6 ISO7919 系列标准 对设备转轴作相对振动测量 GB T6075 1 6 ISO 10816 系列标准 在轴承座上作绝对振动测量 SHS01003 2004石油化工旋转机械振动标准 参考综合以上两大标准制定 第二节机械设备振动监测 第四节机械设备振动监测 二设备振动标准与评价 规定了严谨的振动测点和测量方向 与上述规定是一致的 国家振动标准解析重点 建立了以三个边界值为框架的四级振动量级评价体系 定义 区域A机器状况优 新交付的机器的振动值落在该区域 区域B机器状况良 振动值在该区域的机器可以长期运行 区域C机器状况差 机器不宜作连续运行 应采取措施修理 区域D机器状况劣 该区域的振动烈度 足以导致机器损坏 第二节机械设备振动监测 二设备振动标准与评价 国家振动标准解析重点 设置了两级限值评价标准 报警限值 振动值 B C区边界值25 停机限值 振动值 C D区边界值25 停机值 评价参数由单一的速度有效值又增加了振动位移有效值 加大了对机器振动状况评价的权重 第二节机械设备振动监测 二设备振动标准与评价 边界值的设定 考虑了机器的支承类型和机器功率等结构 负荷能力诸因素 1 4 22 2 8 45 4 5 7 1 71 37 2 3 71 4 5 113 7 1 11 2 Vmm s Vmm s D m D m 刚性支承 柔性支承 15 300KW160mm H 315mm中型机机器振动评价标准 2 3 29 4 5 57 7 1 11 2 90 45 3 5 90 7 1 140 11 18 Vmm s Vmm s D m D m 刚性支承 柔性支承 300KW 50MwH 315mm大型机机器振动评价标准 二设备振动标准与评价 2设备状况的有效评价 有效评价机器的运行质量 必须建立符合实际工况条件的评价标准体系 这需要有两个支持条件 一是对系统 设备 部件有较详细的了解 二是在工作中不断地的积累经验数据 有些好经验是可以借鉴的 与经典标准比较 经典标准是从大量的实践案例中提炼出来的 有较高的可信性 可参照性 可以针对不同的设备和运行环境 用成熟的标准直接进行评价但不能完全生搬硬套 要在应用中比较 在比较中理解 在理解中升华 因此熟读 比较不同标准是一项基础性的工作 与同类设备数据作横向比较 根据条件的相似性 同类设备具有相同的基础条件 运行环境 其振动响应有一致性 把数据作横向比较 能科学判断设备异常情况 第四节机械设备振动监测 第四节机械设备振动监测 二设备振动标准与评价 与历史数据作纵向比较 把实时振动数据 与自己过去的历史数据作纵向比较 能清晰地反映出设备自身的变化情况和运行轨迹 即可对设备质量作出评价 建立建全设备运行记录 可以对设备的健康状况作出趋势分析 同时 能对建立规范性评价标准积累大量的数据信息 第一节不平衡故障 一不平衡振动故障的危害性 二不平衡振动故障机理分析分析 第二节不对中故障 一不对中振动故障的基本类型 二不对中的故障识别及危害 第二章旋转机械典型振动故障特征识别 三机械设备轴系不对中原因探讨 第三节滚动轴承故障 一轴承故障诊断的技术内涵 二轴承故障特征频率分析 三轴承故障诊断技术 四滚动轴承故障发展过程的四阶段 机械设备最常见的振动故障形式 轴系质量不平衡故障 轴系对中不良故障 轴系松动磨损故障 轴承故障 根据设备历史振动监测数据并结合近几年来的振动监测数据作综合分析 机械设备存在的主要振动故障有五种类型 其它故障 第一节不平衡故障 2轴系质量不平衡故障产生的影响 设备振动超标 噪音增大 破坏轴系的对中联结 破坏轴系密封 加速轴承损坏 使轴系运转部件磨损 使轴系运转紊乱 F Me 2 mr 2 一不平衡振动故障的危害性 二不平衡振动故障机理分析分析 1不平衡振动的故障机理分析 M 通俗的讲 不平衡振动的根本原因就是旋转体上存在者多余的质量 因此 转子质量中心和旋转中心线之间有一定的偏心距存在 使转子在旋转时形成周期性的离心力干扰 并通过 转子 轴承 系统 在支承上产生动载荷 动反力 从而使机器产生左右摇摆 不平衡 振动 消除不平衡振动的条件 F Fr Me 2 mr 2 M的单位 kg U的单位 g mm e的单位为 g mm kge 不平衡度 表示转子单位质量的不平衡量 是不平衡产生的旋转体中心的移动量 也即转子的偏心距 Me mr U 不平衡量 2不平衡的3种基本类型 静不平衡 力不平衡 静不平衡是离心惯性力只作用在转子重心C所在的径向平面上的一种不平衡状态 基本特点 主惯性轴线与回转轴线平行 转子只存在离心惯性力 即静不平衡力 而不平衡离心力偶为零 静不平衡在两轴承上存在着大小相等的对称作用力 静不平衡在静止状态下可以观察到 并在重心平面内与不平衡量的反方向施加单个配重后可进行校正 因转子重心线平行偏于轴线一侧 轴线涡动的轨迹呈现出圆柱形 这种振动称为圆柱形振动 二不平衡振动故障机理分析分析 偶不平衡 偶不平衡的特点 转子旋转时存在不平衡力偶 力偶不平衡量的大小为 U mra KG m2 不平衡力偶在支承上产生大小相等 方向相反的力 F1 F2 离心惯性力合力等于零 惯性力偶不等于零 力偶不平衡只有在动态状况下才具有可观察性 转子上附加有摇摆型振动 力偶不平衡需要在垂直回转轴线的两个校正平面内分别进行校正 轴线涡动轨迹呈现圆锥形 由惯性力偶引起的不平衡称为力偶不平衡 旋转轴与中心主惯性轴A B相交于转子质量重心c 但成一夹角 此即为偶不平衡状态 二不平衡振动故障机理分析分析 动不平衡 动不平衡的特点 不平衡离心力F不等于零 不平衡力偶aF1也不等于零 动不平衡通常可用在两个任意平面上的等效不平衡矢量表示 所以 动不平衡需要在垂直于轴线的两个平面内校正 动不平衡是转子的旋转轴线z与中心主惯性轴A B即不平行又不重合的状态 它是由静不平衡和力偶不平衡两种状态叠加而成 二不平衡振动故障机理分析分析 3转子不平衡故障的特征 波形为简谐波 少毛刺 轴心轨迹为圆或椭圆 1X频率为主 轴向振动不大 振幅随转速升高而增大 过临界转速有共振峰 二不平衡振动故障机理分析分析 4常见的转子不平衡形式及特征 二不平衡振动故障机理分析分析 5刚性转子的平衡 动平衡前需要知道转子的动力特性 转子一般划分成刚性转子和挠性转子 区分刚性转子和挠性转子的简单方法是 刚性转子 工作转速低于转子的第一阶临界转速 挠性转子 工作转速高于转子的第一阶临界转速 刚性转子动平衡不考虑转子变形问题F Me 2 挠性转子动平衡不仅要考虑振型问题还必须考虑转子的挠曲变形位移 二不平衡振动故障机理分析分析 5刚性转子的动平衡条件 当转速n 1800r min和长径比L D 0 5 或着当工作转速n 900r min时 理论上一般只要求做静平衡 当转速n 900r min 且长径比L D 0 5 或着当工作转速n 1800r min时 按规定转子必须要求作动平衡 二不平衡振动故障机理分析 6刚性转子的平衡方法 平衡机法 固定式 移动式 优点 精密 适用于新建造的转动部件 不能在现场和工作转速下进行平衡 大中修时吊出机器的转子等 二不平衡振动故障机理分析 6刚性转子的平衡方法 平衡机法 固定式 移动式 二不平衡振动故障机理分析 6刚性转子的平衡方法 特殊环境机械设备做动平衡遇到的问题 大机组转子出厂做平衡困难 牵连工程大 维修周期长 工作效率低 轴系平衡问题无法解决 大直径叶轮不能随转子移动导致平衡失效 3 主变流机组直流机转子结构示意图 二不平衡振动故障机理分析 6刚性转子的平衡方法 平衡机法 固定式 移动式 现场动平衡方法 大机组转子出厂做平衡困难 牵连工程大 维修周期长 工作效率低 轴系平衡问题 大直径叶轮不能随转子导致动平衡失效的问题 现场动平衡就是在设备正常的支承和与运转条件下 通过振动测量 分析 计算 对其不平衡状态实施现场校正的一种平衡技术 优点 技术简练 高效快捷 经济实用 通常情况下 有3 5次启停车操作即可把不平衡振动降低到安全水平 缺点 受到现场操作条件的制约 绘图法 解析计算法 影响系数法 三元法 二不平衡振动故障机理分析 一不对中振动故障的基本类型 1联轴器不对中 平行不对中 角度不对中 综合不对中 2轴承不对中 轴颈在轴承中偏斜或者说转子的几何中心与支承轴承的水平中心有交角 3皮带对轮不对中 第二节不对中故障 二不对中的故障识别及危害 故障特征 平行不对中 角度不对中 综合不对中 危害 使轴颈中心位置发生变化 导致轴系紊乱 出现油膜涡动和滑动轴承损坏 使设备产生以2f0为主要特征的径向振动 使设备产生以转频f0为主要特征的轴向振动 设备产生径向 2f0 和轴向 f0 综合振动 轴承不对中 影响到设备的轴向振动 但工程界有不同说法 使轴系弯曲变形 改变了轴承的负荷分配 加速轴承损坏 使轴颈和联轴器严重磨损 轴系出现非线性振动 甚至造成恶性机械事故 改变了轴系的平衡状态 加剧了不平衡振动 第二节不对中故障 二不对中的故障识别及危害 轴系联轴器不对中对动平衡的影响 根据故障机理分析 轴系存在不良对中时 会产生端面偏摆和径向偏摆两种情况 当用螺栓拉紧后 转子就被强制弯曲 产生初始变形 转子旋转时就等于施加了一个不平衡 会使转子振动增大 相当于不平衡特征的转频幅值也随之增加 在刚性联轴器连接的设备轴系中 这种情况尤为多见 a 端面偏摆 b 径向偏摆 第二节不对中故障 三机械设备轴系不对中原因探讨 在机械设备的维修工程中 多轴系设备在宏观上存在着两种不对中表现 静态不对中 动态不对中 动态工况 存在不对中异常振动特征 静态下 存在着不对中测量误差 动态工况 轴系存在严重的不对中 静态下 对中误差却在合格范围内 2静态不对中的5种主要诱导原因 工装与数据判读有误差 基本都发生在卧式安装的机械设备上 轴系装配误差 这种状况多发生在立式安装的液体泵组设备上 联轴器基准尺寸发生变化 泵体管路系统连接应力的影响 1 静 动态不对中方式 的提出和定义 轴向窜动对中工艺分析 只作为问题提出 第二节不对中故障 4 1轴系静态不对中的主要原因 轴承间隙大或装配间隙不正常 3动态不对中的主要原因 弹性联轴器配合间隙大 联轴器轴颈磨损 滚动轴承与滑动轴承之间的间隙变化有差异 4 2轴系动态不对中的5种主要原因 转子支承间隙异常 第二节不对中故障 1研究轴承振动信号的目的意义 状态分析 故障性质 内部因素 外部因素 疲劳损伤 磨损 润滑 装配不良 故障深度 2诊断轴承故障应该掌握的四个技术环节 使用寿命的可余性 是否采取必要的技术措施 严谨划分轴承的故障类型 科学选择诊断轴承故障的技术方法 合理设置诊断轴承故障的评价参数 清晰梳理轴承的故障特征 间隙 有没有故障及故障特征辨识 一轴承故障诊断的技术内涵 二轴承故障特征频率分析 1滚动轴承的故障形式与原因 疲劳剥落 主要原因滚动体 滚道表面承受交变载荷轴承材质硬度低 表现特点接触表面出现剥落凹坑 轴承形成冲击性振动 轴承寿命离散性大 磨损擦伤 主要原因滚动体 滚道之间的相对运动 润滑不良 外界灰尘 污物侵入 表现特点滚道工作表面粗糙 轴承间隙增大 振动有效值 噪音增大 锈蚀电蚀 主要原因空气中或外界水分侵入轴承 酸性或碱性物质直接侵入轴承 转子漏电流击穿轴承油膜 表现特点轴承锈蚀 丧失工作精度工作表面早期剥落与磨损电火花放电形成电流凹坑 裂纹断裂 主要原因负荷大 材料缺陷 热处理不当轴承在轴颈上的压配过盈量太大轴承润滑不良 装配错误 表现特点轴承零件裂纹 断裂 抱轴 卡死轴向速度 位移冲击振动 2轴承故障特征频率分析 1 内滚道损伤 缺陷部位与滚动体接触产生冲击脉冲 冲击脉冲包含两种频率 冲击的间隔频率 部件的固有振动频率 因负荷变化与间隙影响 脉冲信号幅值强度作周期变化 fi脉冲信号幅值被调制 调制频率为 转频fr或保持架频率fc 频率结构为 nfi fr n 1 2 或 nfi fc n 1 2 二轴承故障特征频率分析 2轴承故障特征频率分析 2 外滚道损伤 由于外圈固定不动 滚动体在缺陷处的冲击强度一致 因此 冲击脉冲幅值相等 脉冲波之间的间隔距离为外滚道缺陷频率fo的倒数 二轴承故障特征频率分析 2轴承故障特征频率分析 3 滚动体损伤 受变化载荷的影响 滚动体缺陷与滚道接触产生的冲击振幅为调制波 调制频率为滚动体公转频率fc 轴承滚道上传递的振动频率为 nfb fo n 1 2 二轴承故障特征频率分析 2轴承故障特征频率分析 4 保持架损伤 保持架摩擦 保持架与内滚道摩擦 保持架与外滚道摩擦 保持架断裂卡死 二轴承故障特征频率分析 2轴承故障特征频率分析 5 轴承部件固有振动频率分析 轴承外套圈与壳体是一种动配合间隙 当轴承受到冲击性激励力时 即可激励起套圈的固有振动频率 h 轴承套圈宽度 mm b 轴承套圈厚度 mm K 固有频率的振动阶数 K 1 r 轴承滚动体半径 mm 通常情况下 轴承部件的固有振动频率从数千赫兹到数十千赫兹 二轴承故障特征频率分析 2轴承故障特征频率分析 6 滚动体支承载荷变化分析 轴在旋转过程中 承载刚度最大的滚动体由载荷中心线向非载荷中心线位置移动过程中 其接触力由大变小 导致轴颈中心发生垂向和径向波动位移 周而复始 激励起轴承振动 振动频率为 fe zfc 减小轴承游隙或增加轴承预紧力能有效降低由不同承载力引起的 通过频率 振动 二轴承故障特征频率分析 3轴承故障特征频率分析 7 轴颈偏心引起的振动分析 轴承游隙大 轴承滚道磨损 轴承滚道加工精度低 转轴中心轨迹呈 甩转 运动 振动频率为转速频率及谐波 f nfr n 1 2 振动加速度幅