旋转机械故障诊断技术中基于频谱的数据采集与检测技术设计

1 绪论1.1 设备检测与故障诊断的意义现代工业的快速发展使得工业设备的向大型化、连续化、高速化和自动化发展，因而在生产中，机械设备的故障诊断越来越受到重视，如果某台设备出现故障而又未能及时发现和排除，其结果不仅会导致设备本身损坏，甚至可能造成机毁人亡的的严重后果。在连续生产系统中，如果某台关键设备因故障而不能连续运行，往往会涉及全厂伸长设备的运行，而造成巨大的经济损失。如何才能保证生产的连续性，保证减少设备的特别是重要设备的运行停机时间，使企业追求高经济效益的前提，而设备检测和故障诊断技术将为此提供一个有效的解决途径。传统的设备维修中，大部分流程装置工业都采用了预防维修方式。按照这种方式，钢铁工业约每隔 10 天安排一个 10 小时左右的定期修理日，每年至少有一次一周左右的定期大修理。这种相隔一定时间进行的修理称为按时进行的维修。与此对应，不规定修理间隔而是根据设备诊断技术检测设备有无劣化和故障，在必要时进行维修，这种方式称为状态检测维修或预知维修。图 1.1 表示了事后维修、按时进行的维修、状态检测维修的维修工作量和停机情况。途中有阴影线的图像其宽度比奥是维修造成的的停机时间，高度表示维修工作量，面积表示维修总工作量和维修费用。该图是根据英国毛造纸厂的实际情况绘制的。当采用状态检测维修时，维修造成的停机时间和维修费用都将大幅度下降。 维 修量 维 修量 维 修量 月月月事 后 维 修 按 时 进 行 的 维 修 状 态 检 测 维 修停 机 大 修 停 机 小 修图 1.1 维修方式和修理工作量陕西科技大学毕业论文 2由上图可以看出，故障诊断仪器的广泛应用，使对机械设备的维护由计划、定期检修走向状态、预知检修变为现实，使机械设备的维护方式发生了根本性革命。状态监测避免了机械设备的突发故障，从而避免了被迫停机而影响生产；机械状态分析为预知机械设备的维修期提供了可靠依据，即可做到测量表明有必要时才进行维修。使我们能够及时准备维修部件，安排维修计划，克服了定期维修带来的不必要的经济损失和设备性能的下降；完善的诊断能力可为我们准确指出故障类型和故障部位，避免了维修的盲目性，使检修简捷易行，大大缩短了维修工期，增加了机器设备正常运行的时间，大幅提高生产效率，产生了巨大的经济效益。1.2 监测与故障诊断技术的发展与动向1.2.1 诊断技术的发展概况故障诊断是现代科学技术及生产发展的产物。最早开发故障诊断的是美国。在美国宇航局的提议之下，1967 年由美国海军研究室主持成立了美国机械故障预防小组，积极从事技术诊断的开发。现在他们已将此技术成功的应用到航天、航空、军事及机械工业中。而后，英国成立了机械保健中心开始研究故障诊断技术，目前他们在摩擦磨损、汽车飞机发动机等领域的应用处于领先地位。日本在钢铁、化工、铁路等民用工业部门的诊断技术方面发展很快，占有某些优势。与此同时，欧洲其它国家也有很大的发展，瑞典的轴承监测技术，挪威的船舶诊断技术等等。我国从上世纪八十年代开始研究与开发，目前应该说从信号处理，诊断技术等软件技术方方面的研究处于先进水平在硬件方面包括一些仪器仪表的研制，我们国家也开展了卓有成效的研究工作，取得了一定的成果，各式各样的测振仪器、数据采集器、以及相关的信号处理仪都有生产厂家。当前我国的一些民用工业，尤其是冶金、石化和电力等流程工业，在开发和应用诊断技术方面走到了前列。机械行业在现场诊断和精密诊断方面，航空工业在研制诊断仪器方面，和工业在进行反应堆故障诊断和寿命预测方面，铁道部门在进行内燃机车油液的光谱、铁谱分析和电力机车诊断方面，以及交通部门在实施汽车不解体检测等方面卓有成效。21.2.2 技术诊断的发展趋势20 世纪 60 年代计算机技术的飞速发展，出现了快速傅里叶变换（FFT） ，从而把信号处理和分析技术的软件和硬件推向新高。设备系统和零部件的可靠性工程的发展以及对零件失效分析机理的研究等等，推动了技术诊断的飞速发展。在开发诊断技术的方法上，国内外对别的领域中的诊断方法、理论和各种现代化的仪器的最新成就都保持高度敏感性，凡是有用的酒吧他们拿来用于诊断。信号处理技术，声发射技术，红外测温技术，油液分析技术，以及各种无损检测技术，都成为机械设备诊断技术的重要内容。由于信息的多样性，诊断技术的理论基础非常广泛，已经用到自然科学的各个学科。如高等数学和现代数学的各个分支，电子计算机计算方法，物理学中的热学、光学、声学和力学及化学等！这些学科为我们对机械设备、工艺过程和生产系统的正确诊断提供了各个方面的信息，为我们由局部推测整体、由现象推断本质和由当前预见未来建立了可靠的依据。由此出现了统计诊断、分析诊断、模糊诊断、灰色诊断、神经网络诊断等理论和方法。诊断技术的发展趋势是，研究推广计算机技术在自动化状态检测和故障诊断中的应用，将监测与诊断使用的软件规范化、模块化、硬件标准化、专业化；向监测、诊断、管理、调度的集成化方向发展；研究诊断系统的智能化；诊断仪器和设备的专门化等等。陕西科技大学毕业论文 42 设备故障诊断的信号及其分析方法2.1 振动描述2.1.1 什么叫振动？振动是世界上的物质或物体的一种运动形式。广义来说，振动就是物体（质点）或某种状态随着时间往复变化的现象。2.1.2 振动的分类工程中有大量的振动问题需要研究、分析和处理，因此有先简单介绍振动力学中的振动分类方法，以便在振动故障类型、原因、分析和故障排除方面提供考虑的基础。机械振动的研究和使用方面有多种分类方法，目前，大致有如下几种分类：按振动的规律分(a).简谐振动，非简谐振动和随机振动。有时又将前两者称为周期振动，后者称为非周期振动；(b).按产生振动的原因分自由振动、受迫振动、自激振动和参变振动等；(c).按自由度分单自由度系统振动、多自由度系统振动和弹性振动；(d).按振动位移特征分角振动和直线振动；(e).按系统结构参数分线性振动和非线性振动。在机器的故障诊断中，从应用角度看，应着重掌握按振动规律和产生原因这两种分类。2.1.3 简谐振动简谐振动又称“正弦振动” ，它是振动故障诊断中最基本的概念之一。了解它的表示方法，特别是它的物理意义，对于掌握故障诊断技术十分重要。简谐振动的数学表达式是 （2-1）()sinytAt式中： A-振幅； -角频率（园频率） 。正弦函数的振动图线如图 2-1 所示。因为函数 sin t 具有下列特性：（2-2）sin()sin()sintTtTty0图 2-1 正弦函数的振动图线则 T=2/ 为简谐振动的周期。F=1/T 简称为简谐振动的频率，=2f 表示每秒转过的弧度，亦是在 2 秒内振动的次数，称为“园频率” 。必须指出，简谐振动一定是周期振动，但是，周期振动不一定是简谐振动。2.2 故障诊断信号的分类常见的信号分类如下：按时间变量的取值方式不同可将信号分为连续时间信号（Contiunous Signal）和离散时间信号（Discrete Signal） 。连续时间信号：在1000Hz对振动检测最重要的要求之一，就是能够在足够宽的频率范围内测量所有主要频率分量的全部信息，包括不平衡、不对中、滚动体损坏、轴承元件径向共振、油膜振荡等有关的频率成分，其频率范围往往远远超过了 1kHz，很多典型的测试结果表明，在机械内部损坏还没有影响到机器的实际工作能力之前，高频分量就已包含了缺损的信息。因此，测量加速度值的变化及其频率分析常常成为设备故障诊断的重要手段。从振动的影响后过来看，应该根据不同的应用场合来选择相应的振动检测参数，表 4.2列出了根据振动后果设备的劣化类别而选择参数的参考依据。表 5-2 根据设备异常选择测定参数表测定参数 设 备 异 常 种 类 举 例位 移 位移量或活动量成为问题的异常 加工机床的振动，旋转轴的摆动速 度 振动能量和疲劳成为问题的异常 旋转机械的振动加 速 度 冲击等力的大小成为问题的异常 轴承和齿轮的缺陷引起的振动5.3 测定周期的确定5.3.1 测定周期的一般选定原则确定测定周期时，最重要的是对设备劣化速度进行充分的研究，规定的周期应不至忽略严重的异常情况，并尽可能缩短周期。但是，若将测定周期定的过短，那就是不经济的，所以要为每个设备确定合适的测定周期。根据设备的不同种类及其所处的工矿确定检测周期是设备诊断的一项重要工作内容，目前没有统一的标准，以下所列仅供参考。（1）定期检测 即每隔一定的时间间隔对设备检测一次。当发现测量数据有变化征兆时，应缩短检测周期；对于新安装和大修后的机械，应频繁检测，直至运转正常。 （2）随机点检 陕西科技大学毕业论文 36专职设备检测维修人员一般不定期地对设备进行检测，设备操作人员或责任人则负责设备的日常检测工作，并作必要记录。当发现有异常现象时，即报告设备专职检测维修人员，进行相应的处理。随机点检也是企业设备管理中经常采用的一种策略。（3）长期监测 对于某些大型关键设备，应进行在线监测，一旦测定值超过设定的报警阀值即进行报警，进而选择相应的保护措施。 在实际应用中也可以根据现在测定值和过去的测定值来确定下一次检测的时间，一面进行劣化预测，一面定量的确定检测日期的方法，应该认为是比较好的。5.3.2 离心机系统检测设备测定周期的确定对于实验室的离心机系统而言，虽然属于高速旋转机械，由于使用频率并不高，所以不需要长期的在线实时监测，但是由于离心机的工作环境恶劣，所以又不能不检测，故应每隔一定是时间对设备检测一次。当发现有故障征兆时及时排除，一面发生不必要的生产事故或安全事故。故采用定期检测的方案。5.4 检测设备测定点的确定在确定了诊断对象、测量参数和测量周期之后，接下来的问题就是要确定检测设备的哪些部位，即检测点的选择问题。选择最佳的测量点并采用合适的监测方法是获取设备运行状态信息的重要条件。真实而充分的检测到足够数量的能够客观的反映设备运行工况的信号是诊断成功与否的先决条件，如果所检测到的信号不真实、不典型或不能客观地、充分地暴露设备的实际状态，那么，后续的各种功能即使再完善也枉然。本系统针对的检测与诊断设备都是旋转机械，下面就以旋转机械为例，阐述测定点的选择方法。5.4.1 测定点的布置原则 一般情况下，测定点数量及方向的确定应考虑的总原则是：能对设备振动状态做出全面的描述；应是设备振动的敏感点；应是离机械设备核心部位最近的关键点；应是容易产生劣化现象的易损点。 对于一般的旋转机械，常见的振动测定方法有测轴振动和测轴承振动两种。一般而言，对于非高速旋转体，以测定轴承的振动为多，而对于高速旋转体，则以测定轴的振动位移居多。这是因为高速时轴承振动的测定灵敏度有所下降。轴振动和轴承振动的特性之简单比较如下表所示。表 5-3 轴承振动与轴振动的特性比较轴 承 振 动 轴 振 动设 备1、测定器便于安装、拆卸2、容易测定振动 3、振动计测量装置价低1、方法受到限制 2、测定振动时比轴承困难3、振动计测量装置价高性能上的特点1、测振灵敏度小（当轴轻而本体件刚度大时，测出过渡振动变化和异常振动的灵敏度迟钝）2、有关资料（数据）丰富，掌握的界限值范围广 3、测定仪器的可靠性高1、测振灵密度高（在任何情况下，测出过渡振动变化和异常振动的灵敏度迟钝） 2、可直接测出基本界限值（例如不平衡，轴承的内应力） 3、界限值不能通用（仅限于指定的机械） 4、测定仪器（特别是传感器）的可靠性低测定点的效应测振点容易确定，周围环境的影响小测定场所对测定值的影响大用 途可检测机械的所有各种振动 能比轴承较为详细的检测振动，可作为精度较高的现场平衡用数据1、测轴承振动时测点的布置原则： a) 测量点应尽量靠近轴承的承载区，也就是反映转子振动特征最敏感的部位和信息最集中的部位； b) 测量点与被监测的转动部件最好只有一个界面，尽可能避免多层相隔，以减少振动信号在传递过程中因中间环节造成的能量衰减；c) 测量点必须要有足够的刚度； d) 轴承的测量需要从三个方向测定，及轴向、水平方向、垂直（上下）方向，如下图所示。但是有时候，由于设备结构和安全方面的原因使得三个方向的测量并不一定能同时进行，这时可从信号频段的角度去考虑，对于低频信号，应该在水平和垂直两个方向同时进行，必要时再在轴向进行测量，这是因为低频振动信号的方向性较强。对于高频振动，一般只从一个方向进行测量，这是由于高频振动信号一般对方向不敏感。另外，还可从劣化的种类角度去考虑，因为劣化的种类不同，振动发生的方向不同，比如不平衡容易在水平方向发生，不同轴容易在轴向发生，松动容易在垂直方向上发生等； e) 测定位置以轴中心高度处测定轴向、水平方向的振动为好。陕西科技大学毕业论文 38图 5-2 振动测定位置和方向2测轴振动时测点的布置原则：a) 测轴振动的常用方法是监控传感器与轴之间的相对位移，也就是监控轴承与轴之间的相对位移，一般采用在轴承处装设非接触型位移计（一般为电涡流式） 。 b) 所采取的测量方向多数仍为三个。对于径向振动，一般为垂直（V）和水平（H）方向进行测量，但也有错开一定角度进行测量，如下图所示。对于监测引起亚同步振动的一些故障，如半速涡动、油膜振荡以及旋转失速、喘振等常采用后一种布置方式。图 5-3 轴振动的测定方向c) 也有测轴振动采用测定绝对位移，即监控轴与静止物体之间的绝对位移，但这种方法很少采用。 此外，在选择测定点时还要注意考虑环境因素的影响，尽可能的避免选择高温、高湿、出风口和温度变化剧烈的地方作为测量点，以保证测量结果的有效性；为保证数据之间的可比性，测量点一经选定，就应进行标记，要保证每次测量在同一点进行，有研究结果表明，在测高频振动时，由于测量点的微小偏移（几个 mm） ，将会造成测量值的成倍离散（高达六倍） ；对于已安装的设备，在装测点时要注意轴的表面精度和加工状况；对于结构比较复杂的大型旋转机械，有时还需要增加一些辅助测点，这样才能全面反应所有诊断信息，辅助测点的布置视具体情况决定，一般在机壳、箱体、基础等部位；测定点多时，测定时要考虑效率问题，应根据容易产生的劣化现象来重点考虑测定方向。5.4.2 离心机测定点的确定与布置离心机系统的简图如 5 图所示，系统的主要的组件是电动机，离心机组成，通过现场实际调查，并结合以上所分析的测定点的布置原则，由于系统轴的旋转速度比较高，所以选择了轴来测量电动机需要安装传感器的轴承的轴承座均暴露在外面，并且水平（H） 、垂直（V）以及轴向（Z）都很容易安装。由于我们使用的是日本理音公司的 VA-11 振动仪,而该振动仪只有一个传感器，所以一次只能从一个方向去测振动信号，也就是说我们所测得的水平信号、竖直信号和轴向信号不是同时刻的。最后经我们和指导老师共同商量决定只测量水平和竖直的振动信号，布置测量点如下图所示：图 5-4 离心机分机测点布置图电 动 机 风 机机 架 连 轴 器轴 承传 感 器5.5 判断标准的确定确定了检测设备和测定方针之后，就要开始测定了。故障诊断的主要目的之一就是要给出设备有无异常的信息，这就有一个判断标准的问题，即被测量值多大时表明设备正常，超过某值时，则说明设备异常。对于在运行中的设备，要想知道它正常与否，必须将采集的数据与某一个标准进行对照比较，当采集的数据超过这一标准时，系统自动报警，说明设备可能处于故障状态，需要采取一定措施进行检查维修，否则，说明设备运转正常，可陕西科技大学毕业论文 40以继续使用。这个标准就是我们这节所要讨论的判断标准。但是到目前为止，还没有能适用于所有机械设备的通用判断标准，为了研究设备的老化状态、危险程度等等，必须按照设备各自的情况来确定判断标准。目前常用的判断标准有绝对判断标准、相对判断标准和类比判断标准。在实际使用时要采用哪一个，须根据监控的对象设备的情况来确定。5.5.1 绝对判断标准绝对判断标准就是将被测量值与事先设定的“标准状态阀值”相比较以判断设备运行状态的一类标准。如国际标准化组织（ISO）制定的统一的国际标准 ISO2372、ISO3495、ISO10816；发达工业国家中，英国标准 BS4675，德国工程师协会标准 VDI2056,加拿大标准 CAD/MS/NVSH107 等；我国也在 80 年代制定了 GB6075-85 标准。表 5.4 列出了国际标准 ISO2372 和 ISO3495 的振动槛值，该标准采用的振动量为振动烈度。在实际应用中，对于不同的机械设备，各行业还制定了本行业的专业标准。例如压缩机、透平机在监测中主要采用涡流式传感器来监测轴的相对振动位移值，其判断标准采用的绝对标准有德国工程协会标准 VDI2059（如图 4.8 所示） 、美国石油学会标准 API616 以及美国机器分析公司（IRD）标准等，如图 4.10 所示。在应用绝对判断标准时，一定要注意它们的适用条件以及测定方法。表 5-4 ISO2372 和 ISO3495 标准的振动速度槛值ISO2372 适用于转速为(10200r/s，信号频率在 101000Hz 范围内的旋转机械)ISO3495 （适用于转速为10200r/s 的大型机械）振动烈度 支撑分类范围小型机械（15KW） 中型机械大型机械 透平机 刚性支撑柔性支撑0.280.450.7A1.12A1.8BA 好2.8BA好4.5C B 满意7.10.280.450.711.121.8 2.8 4.5 7.1 CCB不满意满意 11.218C 不满意28457111.218 28 45DDDD不能接受不能接受图 5-5 德国工程师协会 VDI2059 振动标准15012080604030201512103 4 5 6 7 8 9 10 12 20 303(min)10r正常操作值： 警告值： 强制停车值：20An45A60Cn式中 n转速（r/min）图 5-6 美国石油学会 API616 振动标准3.0陕西科技大学毕业论文 422.52.01.51.21.00.80.60.52 3 4 5 6 7 8 9 10 12 15 20 30正常操作值： 120An式中 n-转速（r/min）图 5-7 美国机械分析公司（IRD ）振动标准（附表）25010050 25 105 2.5 HG1.0F0.5 0.15 DC0.05 B0.025 A0.5 1 5 10 50 100代号 振动峰值 机器状况 代号 振动峰值 机器状况A 0.12446 十分平稳 E 1.9939 合格B 0.24892 平稳 F 3.9878 稍粗糙C 0.49784 十分良好 G 7.9756 粗糙D 0.99568 良好 H 15.9512 十分粗糙表 5-5 轴承振动极限值（101000Hz 的总的振动速度均方值）新机器 旧机器（全速、全功率）长寿命 短寿命 检查界线值 修理界限值机 器 类 型VdB mm/s VdB mm/s VdB mm/s VdB mm/s1800r/min 115 0.56 130 3.2 135 5.6 140 105hp 或1200 r/min 108 0.25 125 1.8 130 3.2 135 5.6电机5hp 或1200 r/min 103 0.14 125 1.8 130 3.2 135 5.61kVA 113 0.14 115 0.56 120 1.0变流机 1kVA 100 0.10 110 0.32 115 0.565.5.2 相对判断标准相对判断标准又称纵向比较标准,就是对待检设备同一部位定期进行测定，取得其完整的运行历程记录，并将设备初始投入运行或维修后经适度的磨合而进入平缓运行状态时的被测量值作为原始基值，根据被测参量的相对变化规律或与原始基值的倍数比较，从而对该设备所处工况状态进行判断。相对判断标准可用图 4.11 加以说明。设备的整个运行工况被注意线和危险线分为良好运行区、故障区和联接两者的过渡区。其注意线和危险线的槛值设定，因机构种类及信号的频率范围而异。对于低频振动，通常多将标准定为:实测值达到原始值的 1.52 倍时为注意区域，约 4 倍时为异常值。对于高频振动，根据机件（零件）的强制劣化实验结果，将原始值的 3 倍定为注意区域，6 倍左右定为异常区域。图 5-8 相对判断标准陕西科技大学毕业论文 44故 障 区 危 险 线注 意 线良 好 运 行 区 过 渡 区原 始 基 值被 侧 参 量表 5-6 相对判断标准的一些经验值(表中数值为被测值关于原始值的倍频)低频振动 高频振动 机构良好 注意 危险 良好 注意 危险旋转机构 4 4 6 4000Hz注意区 2,5 倍(8dB) 6 倍（16dB）异常区 10 倍（20dB） 100 倍（40dB）相对判断标准是应用最为广泛的一类标准，其不足之处在于，标准的建立周期长，且看值的设定可能随时间和环境而变化。因此，实际工作中，应通过反复试验才能制定。5.5.3 类比判断标准类比判断标准是指数台同样规格的设备或零部件在外载荷、转速以及环境因素等都相同条件下运行时，通过对各台设备的同一部位进行测定和相互比较来掌握异常程度的方法。严格的说，这并不是一种判断标准，只是形势逻辑推理中求异法的一个应用。而且，类比判断方法只能区分各机械设备或零部件所处工矿状态的差异，并不能回答哪些是好的运行状态、哪些偏离了良好的运行状态这一诊断的最根本问题。 类比判断标准一般只能用在结构及工况比较简单的小型机械上（如水泵） 。对于大型高速的旋转机械，如压缩机、透平机等，其可比的条件相差很大，因此不宜采用此标准。类比标准对于频率小于 1kHz的低频机械可取大于 1 倍的判定值，对于频率大于 1kHz 的高频机械可取大于 2 倍的判定值。总之，判断标准是机械设备故障的简易诊断和精密诊断的一个十分复杂而根本的问题，直至目前，人们还没有找到一个适用于任意场合的通用标准，一个真正有效的判断标准的制定，需要经过大量的、长时的反复试验才能完成。而且，对于一个已制定的标准，随着时间的推移，可能还需要随时予以修正。 在选用三种标准时，一般文献均建议按以下的优先顺序进行选择：绝对标准相对标准类比标准但是在实际中，若能针对具体设备制定切合实际的相对标准，应该是最合适不过的了。6 典型零部件故障的振动诊断6.1 转轴组件的故障诊断转轴组件事旋转机械系统中重要的一类基础件，它是以旋转轴为中心，包括齿轮、叶轮等工作件、联轴器以及支撑轴承在内的组合。转轴组件的常见故障现象有不平衡、不同轴、机械松动、自激振动以及电磁力激振等。用振动方法诊断转轴组件的故障，是基于对各类激振频率及振动波形的识别。下面是以上各类故障形式在振动信号中的反应特点。6.1.1 不平衡在旋转机械的各种异常现象中，由于不平衡而造成震动的情形占有很高的比例。所谓不平衡就是由于旋转体轴心周围的质量分布不均、使之在旋转过程中产生离心力而引起振动的现象。由于不平衡所引发的振动，其最重要的特点就是发生旋转同步的基本振动，其振动特性如下表所示。其不平衡故障频谱特性如下图所示表 6-1 不平衡故障的振动特性。项目 性质振动方向 已径向为主振动频率 以旋转频率 fr 为主要频率成分相位 与旋转标记经常保持一定的角度（同步）振幅 转速的升高时，振幅增长很快；转速降低时，振幅可趋近于零（共振范围除陕西科技大学毕业论文 46外）图 6-1 不平衡的振动频谱012345频率（ ）rf6.1.2 不同轴（不对中）所谓不同轴，就是指用联轴节连起来的地两根轴的中心线不重合的现象。不同周又可细分为如图 6-2 所示的多种情况。存在不同轴时，除产生径向振动外，还容易发生轴向振动，不同轴不严重时，其频率成分为旋转基频；不同轴严重时，则产生旋转基频的高次谐波成分。这样仅从频率方面来考察，有时则很难区分不同轴与不平衡故障。两者的重要区别如 11 图。对于不平衡故障，振幅随转速的升高增大的很快；而对于不平衡的故障，振幅大体固定，与转速没有太强的关系。此外，与不平衡相比，不同轴引起的振动，其转频的 2 倍频幅值相对较大。不同轴故障的振动特性列于表 6-2。图 6-2 不同轴的主要情形(a)b(c)(a) 位置不对中； （b）角度不对中； （c）位置和角度不对中图 6-3 不平衡与不对中故障的振幅随转速的变化情形不 同 轴不 平 衡振 幅 转 速0表 6-2 不同轴故障诊断的特性项目 性 质振动方向 易发生轴向振动，如发生的轴向振动在径向振动的 50%以上，则存在不同轴振动频率 普通的联轴节以 1fr 为主，如不同轴剧烈时，则发生 2fr、3fr 等谐频成分相位 与旋转标记经常保持一定的角度（同步）幅值 振幅与转速的关系不大6.1.3 机械松动机械松动现象是由于紧固不牢引发的。其通常的特征是在频率的一系列谐频上出现较大的振幅。机械松动较详细的振动特性如表 6-3 所示。表 6-3 机械松动振动特性项目 性质振动方向 虽无特别容易出现的方向，但垂直方向的振动出现可能系比较大振动频率 出基本频率 fr 外，可发现高次谐波（2fr,3fr,）成分，也会发生 1/2fr,1/3fr 等相位 与旋转标志同步振幅 如是转速增减，振幅会突然变大或变小（跳跃现象）6.1.4 自激振动润滑油气泡、喘振和蠕动以及气穴、摩擦都会引起自激振动。自激振动组基本的特点是振动频率为相关振动体的固有频率。其振动特性列于表 6-4 中。 表 6-4 自激振动的振动特性项目 性 质 项目 性 质振动方向 无特殊方向性 相位 有变化（非同步）陕西科技大学毕业论文 48振动频率 与转速无关的固有频率 振幅 转速的变化对振幅的影响小表 6-5 自激振动和强迫振动的特性比较比较项目自激振动 强迫振动频率与转速的关系频率与转速无关而大体固定 振动频率为旋转频率或其 n 或 1/n 倍振幅与转速的关系转速的变化对振幅的影响较小 在某一固定转速下振幅出现了峰值，对一位线速度及其振幅大小与异常程度的关系 振幅基本一定（与异常程度无关） 振幅的大小随异常程度而变，异常严重则振幅增大发生的频率 为转轴组件的固有频率 为旋转频率或 n 或 1/n 倍，或为固有振动频率典型原因 油膜振荡、磁滞抖动、摩擦振动、中空轴内进入流体不平衡、不同轴、周期变化的强制力引起的振动其他1.再现性不好；2.加上微小力量即可抑制振动1.振幅的再现性、共振曲线的再现性好；2.为了抑制震动需要较大的力抑制震动 便立即恢复正常，震动的过渡状态期 短 防止办法1.将转速限制在发生自激振动的转速以下；2.减少不稳定的主要因素；3.安装减震器，是发生自激振动的转速提高1.使运行转速在危险速度的范围以外2.尽可能减小强制力；3必须在危险转速的范围内运行，利用减震器减小危险速度下的幅值6.1.5 电磁力引起的振动引起旋转机械振动的因素除机械力外还有电磁力，电磁力作用下产生的振动，其基本频率是电源的频率。电磁力引起的振动特性如表 6-7 所示。表 6-7 电磁力引起的振动特性异常部位 异常现象 振动特点电源电压不平衡（包括线圈不平衡）2. 频率为 2Pf 及其高次谐波的震动模式；3. 2f、kf 频率成分的振动大；4. 与负载无关磁隙不均 1.频率为(2P1)f 及其高次谐波的振动模式2.2f、kf 频率成分的振动大3.与负载无关定子系统磁力中心不正常 与上述相同，再加上：1.频率为 2f的轴向振动；2.2ffr 频率成分的振动大二次线圈不平衡 1.2f、kf 频率成分的振动大；2.2f、kf 频率成分以 2sf 和 fr 进行脉动；3.负载或启动时振幅大。转子系统轴弯曲 除与二次线圈不平衡的情形相同外，再加上：2fnfr、2f nfr2msf(n,m=1,2,)、fr 各频率振动大6.2 齿轮的故障诊断齿轮箱是各类机械的变数传动部件，在齿轮箱中，各类部件的失效比率如表 6-8。由表中可见，齿轮本身的故障比重最大，占 60%，此即说明，在齿轮箱中，齿轮本身的制造与装配质量及其运行维护是关键。表 6-8 齿轮各部件实效概率失效零件 失效百分比% 失效零件 失效百分比% 失效零件 失效百分比%齿轮 60 轴 10 紧固件 3轴承 19 箱体 7 油封 16.2.1 齿轮故障的振动诊断.齿面损伤当齿面所有的齿面产生磨损或齿面上游裂痕、点蚀、剥落时所激发的振动波型如图6-4 所示：图 6-4 齿面损伤引起的振动陕西科技大学毕业论文 50（a）高频 （b）低频齿轮偏心当齿轮存在偏心时，齿轮每转中的压力时大时小地变化，致使啮合振动的振幅受旋转频率的调制，其频谱包含旋转频率 、啮合频率 成分及其边频带 士 ，其振动rfmfrfm的波形如图 6-5 所示。如图 6-5 齿轮偏心的振动 如图 6-6 齿轮回转质量不平衡的振动特性(3)齿轮回转质量不平衡 齿轮回转质量不平衡的振动波形如图 6-6 所示，其主要频率成分与正常情况基本相同，即为旋转频率 ，和啮合频率 ，但旋转频率振动的振幅较正常情况大。rfmf(4)齿轮局部性缺陷 当齿轮存在个别轮齿折损、个别齿面磨损、点蚀、齿根裂纹等局部性缺陷时，在啮合过程中该轮齿将激发异常大的冲击振动，在振动波形上出现较大的周期性脉冲幅值。其主要频率成分为旋转频率 ，及其高次谐波 n ， ，并经常激发起系统以固有频率振动，rfrf其振动波形如图 6-6 所示。(5)齿距误差 当齿轮存在齿距误差时，齿轮在每转中的速度将时快时慢地变化，致使啮合振动的频率受旋转频率振动的调制，其振动波形如图 6-7 所示。其频谱包含旋转频率 、啮合频rf率 成分及其边频带 土 (n1，2，3，)。mfmfr 图 6-7 齿轮局部性缺陷振动波型 图 6-8 齿距误差的振动波形(6)高速旋转齿轮的振动 高速涡轮增速机中所用的齿轮，其啮合频率高达 5kHz 以上，其振动特性表现出与常速旋转齿轮不同的振动特性：即在常速旋转的齿轮中，其振动波形包含有啮合频率和啮合冲击引发的自由振动的固有频率这两个主要成分；而在高速旋转的齿轮中，因啮合频率大于固有频率，所以，齿轮只发生啮合频率成分的振动，而不发生固有频率的振动。两种转速下的齿轮振动特性比较如表 425 所示。表 6-7 齿轮异常及其振动特性常速 mfe 固有振动频率成分和啮合频率成分混合发生高速 mfe 只存在啮合频率成分，不存在固有频率成分注： 啮合频率； 齿轮的固有频率mfef现将齿轮的各种异常时的振动特性列于下表：表 6-8 齿轮异常及其振动特性陕西科技大学毕业论文 526.3 轴承的故障诊断根据监测频带的不同，可将滚动轴承故障的振动诊断分为低频诊断和高频诊断，其中低频诊断主要是针对轴承中各元件缺陷的旋转特征频率进行的；而高频诊断则着眼于滚动轴承应存在缺陷时所激发的各元件的固有频率振动。他们在原理上没有太大的差别，都要通过频谱分析等手段，找出不同元件（内滚道、外滚道、滚动体等）的故障特征频率，依此判断轴承及其故障严重程度。显然，要实现故障诊断特征频率的定位，首先必须计算出各元件的理论特征频率。为此，首先推导出各元件故障特征频率的计算公式如下表：表 6-9 滚动体各元件单一缺陷的特征频率缺陷部位 一般公式 外环静止 内环运动 内环静止、外环运动滚动体缺陷2|(1)2cosbarDdff2(1)cosbrDdf2(1)cosbaDdf内滚道（外环）缺陷2|iarz 2irziaz外滚道（内环）缺陷2|(1)2cosiarzdDf2(1)cosbrzdDf(1cos)oazdDf注：z 滚动体个数；d滚动体直径；D轴承节径；fr内环的旋转频率；fa 外环的旋转频率由轴承的初期损伤所引起的冲击振动往往比机器的其他振动要小得多，为了进行有效的轴承的故障诊断，经常采用共振解调技术。滚动轴承所发生的振动归纳如下表：表 6-10 滚动轴承所发生的振动（低频）异 常 原 因 振动频率 备注转轴弯曲、倾斜 crzf轴承元件的受力变形 、c轴承构造滚动体的直径不一致 、cfcrnf 两轴承不对中 轴承架内表面划伤或进入异物 轴承支架的转配部分松动 轴承本身转配不良12rf轴承不 同轴 内滚道的圆度差 轴颈圆度差 轴颈划伤或进入异物rf球轴承容易发生内环面的波纹 ornf外环面的波纹 c波纹图起数为nz1 时发生精细加工波纹滚动体的波纹 2bcf波纹凸起数为 2n 时发生有磨损产生偏心 rnf轴承元件损伤内环有缺陷 、 、orforf都可能激发固有频率及其高次谐波的振动陕西科技大学毕业论文 54外环有缺陷 ，i=1，2，3，inf滚动体有缺陷 、bcbf7 双面转子动平衡试验7.1 双面转子动平衡试验7.1.1 试验设备EMT 690 设备故障综合诊断系统，该系统由EMT690 设备故障诊断软件信号采集箱，两只加速度传感器，激光转速传感器两部分组成转子试验台其简图如下： 电 动 机 AB7.1.2 试验过程测取每套螺栓的质量；在 A、B 两个转子上分别加上两个螺栓造成不平衡，注意要在转子的两面加螺栓以免造 成弯矩；调节转速台的转速，在测振议上观察转速，使 V 达到 1500rpm，上下不超过 20rpm;打开 EMT690 动平衡软件；测取初始振动。等待信号稳定后停止采集；.缓慢停止转子，在 A、B 面的同一条线上划一道记号线，以标定零位；在 A 转子的零位加两套螺栓，注意要两面加，以免产生弯矩；调节转速台的转速，在测振议上观察转速，使 V 达到 1500rpm，上下不超过 20rpm;打开软件，选取“A 面试重”在对话框中输入试重质量和试重的角度（角度为 0）,采集数据，待信号稳定后停止采集；缓慢停止转子，拆下 A 面的试重质量；在 B 转子的零位加两套螺栓，注意要两面加，以免产生弯矩；调节转速台的转速，在测振议上观察转速，使 V 达到 1500rpm，上下不超过 20rpm;打开软件，选取“B 面试重”在对话框中输入试重质量和试重的角度（角度为 0）,采集数据，待信号稳定后停止采集；陕西科技大学毕业论文 56选取“一次平衡计算”在计算机上将显示 A、B 两面配重及角度；缓慢停止转子，拆下 B 面的试重质量；依照电脑上的提示，在 A、B 两转子上分别加上配重，注意正角度方向为转子的旋转方向。注意要在转子的两面加螺栓，以免产生弯矩；选取剩余振动，观察平衡结果；缓慢停止转子，拆下配重，试验结束。7.1.3 试验结果及分析7.1.3.1 初始振动分析A 面初始振动的时域图分析：典型的接近于正弦，说明转子的故障主要在于不平衡初始振动的频域图陕西科技大学毕业论文 58分析：首先看到运行状态处于危险状态，然后发现频谱图以基频为主，可以肯定前面的判断是正确的，即主要是转子不平衡；其次我们发现除了基频外还有 2 倍频、4 倍频、5 倍频等这说明转子除了不平衡外还有不对中故障。B 面初始振动时域图分析：B 面的时域振动图明显较 A 面凌乱，但仍然可以看到有周期函数的影子，因而判断B 转子这块除了有不平衡外还有其他故障。陕西科技大学毕业论文 60分析：由上图和上面的数据可以看出，在 B 转子的频谱中除了 1 倍频，还有占主要成份的是 2 倍频和 3倍频这说明 B 转子的故障除了不平衡还有严重的不对中，这正好也验证了我们前面的判断！结论：两转子已有了明显的不平衡。7.1.3.2 加试重A 面加试重加试重后的时域图和频域图分析：加试重后 A 面各状态如上图，加试重的B 面加试重后的时域图和频域图 分析：加试重后 B 面各状态如上图 7.1