机器振动特征分析

1、机器振动特征分析（1） 转子不平衡 不对中 偏心 轴弯曲 松动 转子不平衡 不平衡定义： 转子质量中心线与转轴中心线不重合时便产生不平衡 不平衡类型： 静不平衡（力不平衡） 力偶不平衡 动不平衡 悬臂转子不平衡 不平衡的原因 转子 机械损伤 污染物堆积 轴弯曲 轴孔偏离中心 风扇 机械损伤 污染物堆积 轴孔偏离中心 齿轮 机械损伤 轴孔偏离中心 不平衡的原因 滑轮/槽轮 机械损伤 琐丝太大 轴孔偏离中心 飞轮 机械损伤 偏心孔 轴孔偏离中心 轴 轴弯曲 不规则加工 不平衡的原因 叶轮 机械损伤 腐蚀 联轴器 机械损伤 轴孔偏离中心 电气绕组 铜线分布不均 不平衡的原因 铸造缺陷热膨胀 由于每个

2、部件的 热膨胀率不同影 响转子平衡 轴孔太大 静不平衡 定义：转子的质量中心 在两支撑轴承中点且偏 离 不在中点：准静不平衡 一般认为W/D小于25% 纯静不平衡 不平衡力（离心力）同 方向等量施加到每个轴 承 静不平衡振动特征 1X相同的不平衡力同时出 现在两侧轴承上，然而， 根据每个方向的支承刚性， 水平和垂直方向的响应可 能略不同 两侧轴承H方向振动相位相 同；两侧轴承H方向振动相 位相同 力偶不平衡 质量分布轴线中心点与旋转轴线中心点相交 力同时施加到两个轴承上，但是方向相反 明显的力偶不平衡可以引起转子严重的不稳 定，使之前后摆动 力偶不平衡特征 力偶不平衡在两轴承座上产 生1X大的

3、振动，可能一个轴 承座上振动略大于另一外轴 承座上的振动 明显的力偶不平衡有时可能 产生大的A向振动 两侧轴承H/V方向振动相位差 接近180度 如果是力偶不平衡（不是不 对中)，同一轴承的H和V方向 的相位差应该彼此相差90度 动不平衡 质量分布轴线与旋转轴线既不平行也不相交 动不平衡基本上是力不平衡和力偶不平衡两者 的组合。它至少需要在垂直于轴中心线轴线的 两个平面上才能修正平衡 动不平衡特征 1X较大的振动，但是两侧 轴承座上的振动幅值略不 相同。假定没有其他明显 的故障的话，它们仍然在 相同的幅值量级或者小于3 比1的比例 与力不平衡和力偶不平衡 一样，当动不平衡为主时， 振动相位还是

4、稳定的和可 重复的 动不平衡特征 两侧轴承之间的H方向振动相位差可能是0-180度的任一角度，这个相位差近似等于V方向振动相位差 相位差接近0度，静不平衡占优势。接近180度，力偶不平衡占优势。 悬臂转子不平衡 被驱动转子位于两轴承的外侧(如果转子位于 两个轴承之间，称这种转子为简支转子) 悬臂转子不平衡特征 悬臂转子可产生1X转速频率的轴向力，引起 轴向振动，这种轴向振动等于或者大于径向 振动幅值 悬臂转子往往除了产生力不平衡之外，还产 生大的力偶不平衡，这两种不平衡必须都要 修正之 对于单纯悬臂转子不平衡，在轴承1处的A方 向振动相位将近似等于轴承2处的A方向振动 相位(士30度)。这里的

5、振动相位差取决于与 其他的诸如不对中、共振等故障相比较，不 平衡故障占优势的程度 通常，首先处理力不平衡分量，然后再处理 剩下的相位差接近180度的力偶不平衡分量， 最终修正悬臂转子的不平衡 不平衡振动特征 q1X振动（但是1x并不总是不平衡)。通常，1X振动在频谱中占优 势。 q当故障仅限于不平衡时，1X振动幅值通常大于或等于振动总值的 80(如果除了不平衡之外还有其他故障，则可能仅为振动总值 的5到80)。 q振动幅值与质量中心离轴旋转中心线的距离成正比。当低于转子 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 q质量不平衡产生一个均匀

6、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，水平方向振动通常略大 于垂直方向振动，一般范围在2至3倍左右。当水平方向与垂直方 向振动之比大于6比1时，通常说明是其他故障，尤其是共振。 不平衡振动特征 q同一轴承上H与V振动相位差约为90度（+/-30度）。如果 存在1X较大的振动，但是，H与V方向振动相位差为0度或 接近180度，通常这说明是其他故障源，例如偏心。 q两侧轴承的H方向振动的相位差应该接近V方向振动的相位 差。 q径向方向(H和V)振动通

7、常比A方向振动大许多(除了悬臂转 子之外) q在径向方向呈现稳定的、可重复的振动相位。 q共振有时可能受不平衡的影响较大。 q不平衡对转子产生过大振动的影响可能很大。事实上，在 有些刚度较低的轴承座上，不平衡的转子尽管很小的残余 不平衡量，也还会出现不平衡振动，动平衡还是可明显减 小松动引起的振动。但是，往往无法平衡有松动的转子。 轴线不对中 q定义:相互耦合的轴的中心线不重合 q 不对中问题的种类 q角不对中 q平行不对中 q轴承不对中 q不对中的原因 q部件的不精确装配，如电机、泵 q安装后部件相对位置移动 q因管道系统的压力造成的扭曲变形 q由于扭矩引起的柔性支撑的扭曲变形 q温度变化引

8、起的机器变形 q耦合面与轴线不垂直 q基础柔性太大，拧紧螺栓时机器发生移动 不对中的危害 p 引入大的振动，不对中造成机器部件损坏 p 联轴器 p 轴承，密封 p 齿轮，皮带，皮带轮，叶片等其它机器部件 p 增大对能耗的要求 不对中的危害-热像图 30,000 out 平行 10,000/inch out 角 1,000/inch out 角不对中 62 F 105 F 0 对中 电机和接手 不对中的特征 p引起对自由端(或外侧)的作用 p由于不对中从联轴器引入的力可能足够强大，其作用不仅是在最靠近 联轴器的轴承上，同样也作用在机器的自由端或外侧端。 p引起2X转速频率振动 p不对中通常产生2

9、X振动，作用在轴向和径向方向。 p2X频率分量是最好的不对中指示 p引起轴向方向振动 p不对中是轴向振动大的最常见的原因 p当然还有其它产生轴向振动的原因，它们包括： 不对中的特征 p可产生轴向方向振动原因 p弯曲的轴 p处于共振回转的轴 p卡在轴上的不对中的轴承 p轴向某些机器部件共振 p推力轴承磨损 p磨损的螺旋齿轮或斜齿轮 p装滑动轴承的电动机相对于其磁力中心摆动 p联轴器的部件不对中 p当轴向振动大时，不要草帅地得出不对中的结论，应 该分析振动相位，然后分析振动频谱。 p引较高次谐波 p使振动频谱呈现像松动或间隙过大的故障，关键的区别特征 仍然是轴向方向2X转速频率的大的幅值的振动 不

10、对中的特征 p相位是不对中的最佳指示 p虽然同样存在1X与2X振动，但不对中时的相位特点是：联轴 器两侧的相位差接近180度(40到50度)，不对中程度愈严重， 愈接近这个180度相位差。同样，诸如不平衡，偏心距，共振 等其他故障不明显时，愈接近这个180度相位差。 p在研究转子(恰如电动机，泵，风机等) 其中之一的轴承座相 位差时，有明显不对中的径向方向相位差或是0度或是180度 (30度)。这与不平衡不同，不平衡故障中这种相位差可能接 近90度 p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18O度。例如，

11、如果外侧轴承与内侧轴 承之间水平方向相位差约为30度，大多数不对中转子的垂直 方向相位差为约210度。不平衡的转子不会表现这种相位差特 性，因为不平衡的转子，水平方向出现的相位差非常接近垂 直方向相位差。 不对中的特征 p 其他故障源的影响 p当与不对中同时存在如不平衡，弯曲的轴，共振等其 他故障时，不仅会影响振动频谱，还会影响相位特性。 例如，如果存在不平衡和不对中故障，可能会表现出 大幅值的1X和2X振动，径向相位差根据每种故障的严 重程度可能或不能接近150度到180度，这种情况下， 联轴器两侧的轴向方向相位差仍将接近180度。 p如果机器有大的1X和2X振动，应该测量相位，因为 相位是

12、区别不对中与有类似症兆的其他不同故障源的 关键指示。诸如大的轴向方向振动和谐波振动也是很 好的不对中症兆，如果振动大，不要简单认为是不对 中故障，而应该仔细分析振动相位信息后再作决定， 例如，如果相位指示是不对中，但是轴向方向振动不 指示是不对中，则应该依据相位数据作决定。 角向不对中 p角向不对中产生大的轴向方向振动，尤其是1X和2X。 p假定存在大的振动前提下，轴向2X或3X幅值约是1X转数频率幅值 的30到50时，说明是角向不对中。 p联轴器两侧的轴向相位差为180度，是最好的检测角向不对中的 指示。一侧的每个轴承都向一个方向移动，另一侧的轴承向相反 方向移动，角向不对中的可能性较大。

13、平行不对中 p平行不对中主要影响径向振动 p平行不对中使联轴器两侧径向(水平的或垂直)的相位差接近180度 p振动频谱中2X幅值超过1X幅值约50时，常常说明是径向不对中， 但是2X值相对于1X幅值的高度常取决于联轴器的类型和结构。2X 幅值接近1X幅值是常见的，尤其是平行不对中严重时。 p当角向不对中或平行不对中变得严重时，每种不对中都产生一组谐 波，谐波的范围到4次到5次。这种情况下，严重不对中的振动频谱 可能呈现为机械松动的振动频谱样子。 轴承不对中 q当滑动轴承或滚动承轴不对 中或者卡死在轴上时，可引 起较大的振动和异常负载。 通过找对中无法消除振动， 只有卸下轴承重新安装 q轴承不对

14、中的特征： q卡住的轴承通常产生明显的轴 向振动，不仅影响1X振动，也 影响2X振动。 q在彼此间隔90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180度， 则说明是轴承卡死在轴上。 偏心的转子：就是轴的几 何中心线与转子的中心不重合的 转子。这就导致了在旋转的中心 线的一侧比另一侧更大的重量， 从而引起轴以不规则的轨迹的摆 动。 这是固有的不稳定的问题， 是潜在的故障源，或振动源。有 时虽然可通过动平衡平衡掉” 部分偏心距的影响，但是更多的 摆动运动仍然保留。如果该转子 偏心距较大的话，甚至不可能对 转子进行很好的动平衡。现在强 调愈来愈高的旋转速度，因此使 消除偏心距非

15、常重要 转子偏心 皮带轮偏心，最大的 振动常出现在皮带拉伸方 向，振动频率为偏心的皮 带轮的1X。偏心的皮带轮 是皮带传动中不希望存在 的振动的主要原因之一。 目前经常用动平衡方法来 修正皮带轮的偏心距引起 的振动问题。 偏心的皮带轮振动特征 齿轮偏心，最大的振动将出现在两个齿轮 中心连线方向，和偏心的齿轮的1X转速频率。 其振动特征信号类似于这个齿轮的不平衡，但 是它不是不平衡。如果齿轮的偏心距明显，当 齿轮的齿与匹配的齿一起被迫进入和退出啮合 时对齿轮的齿产生非常高的动态载荷。 可对具有lX较大振动的齿轮进行相位分析， 以确定是不平衡还是偏心距引起的振动。偏心 的齿轮不仅促使产生1X的大振

16、动而且还产生高 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，边带频率为 偏心齿轮的1X频率。有时，这些边带频率将为 偏心的齿轮的2X转速频率。这些边带将调制齿 轮啮合频率本身的幅值。 偏心的齿轮振动特征 p 偏心的电动机转子在转子与定子之 间产生旋转变化的气隙（注意与偏心 的定子的区别） p振动特征： p在2X电源工频(100Hz)处的振动 p100Hz与最靠近的转速谐波振动之间所 形成的拍频振动，对于2极电动机，将在 2X转速频率与2X电源频率之间产生拍振， 而对于1480转分电动机，它将在4X转 速频率与2X电源频率之间产生拍振 p产生在2X电源工频两侧的极通过

17、频率 (FP)边带。 p最后，偏心的电动机转子运动本身将引 起定子极与偏心转子之间的磁场的振动， 因此包括转子与定子之间的1X转速频率 的振动。 偏心的电动机转子振动特征 偏心的泵叶轮可以在旋转的叶轮与静止的扩压器叶片 之间产生不相等的液压力扰动。这不仅产生泵转速的大的 振动，而且还产生叶片通过频率及其谐波频率，这是由于 偏心的叶轮产生的“液压不平衡”造成的。 偏心的泵叶轮呈现的特征 偏心转子的相位特征 偏心的转子可能引起一个径向方向比其它径 向方向明显大的振动(由于这个原因，导致撞 击轴承，有时还产生松动)。 相位分析，确定1X振动大是偏心矩引起的， 还是其他如不平衡等1X振动源引起的。 H

18、和V方向的相位差约0度或180度。偏心距产 生的力都是非常定向的，不像在不平衡故障 占优势的情况中那样，水平和垂直方向的相 位差为90度。 轴弯曲 轴弯曲可在机器中产生过大的振动，根据弯 曲的程度和位置不同，产生的振动大小不同。与 偏心的轴一样，其作用有时可用动平衡减轻。然 而，往往不能用动平衡减轻弯曲轴的摆动，如果 轴有明显的弯曲，不可能达到轴的满意的动平衡。 分析人员有时利用各种方法，有时包括热处理来 成功地消除弯曲。然而这些情况下，必须很注意 不要引入残余应力，因为残余应力以后会导致轴 损坏。 轴弯曲振动特征 q 轴弯引起大的轴向振动。如果弯曲部位接近轴的中心，通常占优 势的振动为1X转

19、速频率的振动，如果弯曲接近联轴器，将产生高于 通常值的2X转速频率振动分量。 q通常同一转子的两个轴承之间的轴向方向振动相位变化接近180度， 这与弯曲的程度有关。此外，如果在同一轴承不同点的轴向方向作 若干测量，通常会发现在轴承的左边和右边，上边和下边测量的相 位之间发生接近180度的相位差。 q1X和2X幅值通常是稳定的，如果存在大的电磁场振动的话，它将 引起2X电源频率与2X转速频率分量的拍振。 弯曲轴的振动频谱和相位响应 轴弯曲振动特征 q 轴承座4个轴向点处的相位测量：如果轴弯曲通过或者非常接近轴承时， 轴承座本身将产生扭转振动，它将导致这个轴承座轴向完全不同的相位读数， 图A所示。

20、图B表示一根纯直轴产生的轴向振动相位。 q 当旋转轴中部存在较大的跳动时，它呈现为不平衡。当联轴器处出现跳 动时，它呈现为不对中。 弯曲的轴引起的扭转振动 轴向相位测量显示轴向振动 机械松动 A 结 构 框 架 或 底 座 松 动 B. 由于结构/轴承座晃 动或开裂引起的松动 C 轴承等部 件配合松动 机械松动的一般特征 q机械松动不是振动的原因，但机械松动可加剧振动 状态。因此，机械松动使机器的振动比只存在如不 对中或不平衡时的振动更大。 q其他故障的解决常将消除一部分由于存在松动而增 加的振动幅度。然而，完全消除松动的影响是不可 能的。如果只存在小量的不对中或不平衡故障，由 于机械松动的存

21、在，也可能引起较大的振动。 q因为做到非常高精度的对中或动平衡是不可能的。 所以，在这种情况下，首先必须是解决松动的问题。 如果剩余的振动仍然很大，这时再解决诸如对中和 动平衡问题，此时解决此类问题要比消除松动问题 之前要容易得多。 A. A. 结构框架/ /底座松动 这种类型的松动包括： a结构松动或机器底脚，基础平板和混凝土基 础弱 (刚性差)； b变形或破碎的砂浆； c框架或基础变形(软底脚); d地脚螺栓松动。 A. A. 结构框架/ /底座松动的特征 q A型松动的振动频谱是1X主导，与不平衡或偏心转 子状态相同。进一步比较各方向之间的相对幅值， 仔细观察相位特性，松动故障的相位特性

22、与不平衡 等故障有根本区别。 q 大的振动往往很确定只是一个转子(即只是驱动转 子或被驱动转子或齿轮箱)。这与不平衡或不对中不 一样。 qA型松动相位特性 q比较每个轴承座的水平和垂直方向相位，振动非常定向， 相位差或为0度或为180度，(相位差为O度或180度意味着 振动运动同时上下或同时从一侧向另一侧)。在简单不平衡 故障中通常不会发生这种现象，在不平衡故障中通常水平 和垂直方向相位差约90度(+-30度)。 A. A. 结构框架/ /底座松动的特征 qA型松动的相位特性： q当出现第一种相位特性时(水平和垂直方向相位差为0度或 为180度)，分析人员不应该把测量只放在轴承座上，而应 向下

23、移到机器的底脚上，基础平板上，混凝土和周围地板 上。这里，振动幅值和相位测量的比较表明在每个位置处 1X振动幅值和相位十分相同。如果振动幅值和相位存在很 大差别，这就说明是相对运动。利用出现这种大的相位变 化，我们可以确定存在故障的位置。 B.B.由于结构/ /轴承座晃动或开裂 引起的松动 q这种类型的松动包括： a结构裂纹或轴承座裂纹； b支承脚高度不同引起的摇动运动； c .轴承座固定螺栓松动； d轴承配合间隙或其它各部件配合间隙不当。 径向 B型 B.B.结构/ /轴承座晃动或开裂松动特征 q一般径向方向2X幅值超过1X幅值的50时，认为是B松 动 q振动幅值稍不稳定 q如果用频闪灯测量

24、相位，常将呈现2个参考标记，而且 略不稳定 q除非有一些诸如不平衡或不对中的激振力作用，否则通 常不会出现这些松动症兆。然而，如果存在这种松动问 题，将极难采用动平衡或对中的方法解决机器的振动问 题 q如果松动故障是轴承在轴承座中松动或者固定在轴上的 零部件松动，振动将始终保持1X和2X频率，直到磨损导 致产生冲击为止。出现这种现象时，开始激劢出多谐波 频率，发展到C型机械松动。 C.C.轴承在轴承座内松动 或部件配合松动 qC型机械松动包括： a轴承在轴承座中松动； b轴承内部间隙过大； c轴承保持架在其盖内松动； d轴承在轴上松动或转动。 C.C.轴承在轴承座内松动 或部件配合松动特征 C

25、型机械松动是比较常见的机械松动故障，通常是由于 轴承外套在轴承座压盖内松动，轴承内环在轴上旋转，滑 动轴承或滚动轴承间隙过大，叶轮在轴上松动等引起的， 由于松动的零部件对转子的动态力产生非线性的响应，所 以它们呈现如下特征： q在振动频谱中存在有时高达10X甚至20X谐波分量 q相位通常是不稳定的，这一次测量与下一次测量可能变 化很大。 C.C.轴承在轴承座内松动 或部件配合松动特征 q这种机械松动趋向于产生定向的振动，这种定向的振 动与不平衡的振动不同。通常，在松动的方向及附近 振动最大。如果振动本身变为高度定向的话，水平和 垂直方向之间的相位差可能接近0度或180度 q 这种机械松动可能产

26、生转速的二分之一倍间隔亚谐波 频率，即0.50X、1.50X、2.50X等 q 这种亚谐波频率成分幅值可能很低。然而，如果尖峰 很清楚，则这些尖峰说明更严重的松动故障(或者也许 存在磨擦故障) q二分之一倍转速频率的“谐波频率”通常伴随有诸如 不平衡和不对中等其他故障源。 不平衡的原因 转子 机械损伤 污染物堆积 轴弯曲 轴孔偏离中心 风扇 机械损伤 污染物堆积 轴孔偏离中心 齿轮 机械损伤 轴孔偏离中心 不平衡的原因 转子 机械损伤 污染物堆积 轴弯曲 轴孔偏离中心 风扇 机械损伤 污染物堆积 轴孔偏离中心 齿轮 机械损伤 轴孔偏离中心 皮带轮偏心，最大的 振动常出现在皮带拉伸方 向，振动频

27、率为偏心的皮 带轮的1X。偏心的皮带轮 是皮带传动中不希望存在 的振动的主要原因之一。 目前经常用动平衡方法来 修正皮带轮的偏心距引起 的振动问题。 偏心的皮带轮振动特征 轴弯曲 轴弯曲可在机器中产生过大的振动，根据弯 曲的程度和位置不同，产生的振动大小不同。与 偏心的轴一样，其作用有时可用动平衡减轻。然 而，往往不能用动平衡减轻弯曲轴的摆动，如果 轴有明显的弯曲，不可能达到轴的满意的动平衡。 分析人员有时利用各种方法，有时包括热处理来 成功地消除弯曲。然而这些情况下，必须很注意 不要引入残余应力，因为残余应力以后会导致轴 损坏。 轴弯曲振动特征 q 轴承座4个轴向点处的相位测量：如果轴弯曲通过