设备故障诊断技术

1、设备故障诊断技术的含义设备故障诊断技术的含义 在设备运行中或基本不拆卸全部设备的情况下，掌 握设备的运行状态，判定产生故障的部位和原因， 并预测预报未来状态的技术。是防止事故的有效措 施，也是设备维修的重要依据。 振动是物体运动的一种形式，通常是 指物体经过其平衡位置而往复变化的过 程。 振动有时对人类是有害的，但有时人 们可以利用振动来为我们服务。 只要是运转的机器，都或多或少地发 生振动，因此，振动诊断在各种诊断方 法中所占的比例最大，一般可达60%- 70%。 机械振动 低频振动：f 1000 Hz 构成一个确定性振动有3个基本要素， 即振幅d、频率f 和相位。 当然，振幅不仅用位移，还

2、可以用速 度和加速度。要特别说明一个与振动有关 的量就是速度有效值 ，也常被称为速度均 方根值。这是一个经常用到的振动测量参 数。目前许多振动标准都是采用 作为判 别参数，因为它最能够反映振动的烈度。 幅值反映振动的强度，振幅的平方常 与物质振动的能量成正比，振动诊断标准 都是用振幅来表示的。 同样的振幅其频率越高，对机组损坏 程度越大，因此不同转速的机组定义的振 动标准值不同。 当频率和频率一定时，相位的大幅偏 移就是故障（异常）的征兆。 所谓振动信号处理，就是对振动波形进行加工处理， 抽取与设备运行状态有关的特征，以便对设备状态 实施有效的判别。 时域分析又包含有：波形图，自相关，互相关，

3、轴 心轨迹、轴心位置等。 齿轮故障波形图具有明显的冲击特征 频域分析又包含有： 幅值谱, 功率谱, 倒频谱等。 幅值谱分析 是故障诊断 的基本工具 倒谱上的谱线 是幅值谱中的 周期性谱线族 相域分析包含有：相位谱等 另外，还有三维功率谱，细化谱等等 三维功率谱三维功率谱又叫三维谱阵、转速谱图、功率谱 场、瀑布图等。是机器在起动或停车过程中，不同转 速下功率谱图的迭加。纵坐标为纵坐标为机器的转速，自零升 到额定转速（起动）、或从额定转速降到零（停车）； 横坐标为横坐标为频率；竖坐标为竖坐标为振幅。三维功率谱是描述机 器瞬态过程的有利工具。对机器振动做三维功率谱分 析，可以了解机器通过临界转速的振

4、动情况，用来确 定监测对象的固有频率判定是否存在不平衡等故障。 三维谱阵图是分析机组转子支撑系统 动力学特性和非稳定区域监测的主要工 具。 所谓细化谱所谓细化谱，就是把一般频谱图上的某部分频段沿频 率轴进行放大后所得到的频谱。采用细化谱分析的目 的是为了提高图象的分辨率。从功能上看，细化谱的 作用类似于机械制图中的“局部放大图”。 一般的频谱图一般的频谱图 其某频段的其某频段的 现场测试诊断的实施步骤现场测试诊断的实施步骤 诊断步骤概括为准备工作、诊断实施和决策验诊断步骤概括为准备工作、诊断实施和决策验 证等证等3个环节，具体分为个环节，具体分为6个步骤来介绍。个步骤来介绍。 一一. 了解被诊

5、断的对象了解被诊断的对象 了解被诊断的对象是开展现场诊断的第一步。概括起 来，对一台被列为诊断对象的设备要着重掌握4个方 面的内容： 设备的结构组成设备的结构组成 1）搞清楚设备的基本组成部分及其联接关系。一 台完整的设备一般由三大部分组成，即：原动机（也 叫做辅机，大多数采用电动机，也有用内燃机、汽轮 机、水轮机）、工作机（也叫做主机）和传动系统。 要分别查明它们的型号、规格、性能参数及联接的形 式，画出结构简图。 原动机（电动机） 传动系统 工作机（引风机） 、电动机滚动轴承 、引风机滚动轴承 2） 必须查明各主要零部件（特别是运动零 件）的型号、规格、结构参数及数量等，并 在结构图上表明

6、或另予说明。这些零件包括： 轴承型式、滚动轴承型号、齿轮的齿数，叶 轮的叶片数、带轮直径、联轴器型式等。 二二. . 确定诊断方案确定诊断方案 在此基础上，接下来就要确定具体的诊断方案。 诊断方案应包括以下几方面的内容。 1. 1. 选择测点选择测点 测点就是机器上被测量的部位，它是获取诊断信 息的窗口。诊断方案正确与否关系到能否所需要的真 实完整的设备状态信息，只有在对诊断对象充分了解 的基础上才能根据诊断目的恰当地选择测点，具体要 求如下： 有些设备的振动特征有明显的方向性，不同方 向的振动信号也往往包含着不同的故障信息。即水平 方向（H）、垂直方向（V）和轴线方向（A）。 水平 垂直 轴

7、向 一般来说水平振动幅 值大于垂直方向幅值， 当轴承盖松动时就会 出现垂直方向幅值大 的现象，并伴随着高 次频率成份。 4. 4. 选择诊断仪器选择诊断仪器 测振仪器的选择除了重视质量和可靠性外，最主要 的还要考虑两条： 1）仪器的频率范围要足够的宽，要求能记录下信 号内所有重要的频率成分，一般来说要在10-10000Hz 或更宽一些。对于预示故障来说，高频成分是一个重要 信息，机械早期故障首先在高频中出现，待到低频段出 现异常时，故障已经发生了。所以仪器的频率范围要能 覆盖高频低频各个频段。 2）要考虑仪器的动态范围。要求测量仪器在一定 的频率范围内能对所有可能出现的振动数值，从最高到 最低

8、均能保证一定的显示精度。这种能够保证一定精度 的数值范围称为仪器的动态范围仪器的动态范围。对多数机械来说，其 振动水平通常是随频率变化的。 6. 6. 做好其它相关事项的准备做好其它相关事项的准备 测量前的准备工作一定要仔细。为了防止测量失误， 最好在正式测量前做一次模拟测试，以检验仪器是否 正常，准备工作是否充分。比如检查仪器的电量是否 充足，这看似小事，但也决不能疏忽，在现场常常发 生因仪器无电而使诊断工作不得不终止的情况。各种 记录表格也要准备好，真正做到“万事俱备”。 四四. . 实施状态判断实施状态判断 根据测量数据和信号分析所得到的特征信息，对设 备的运行状态做出判断。首先，判断机

9、器是否处于正常 状态，然后对存在异常的设备做进一步的分析，指出故 障的原因，部位和程度。 常见故障特征分析常见故障特征分析 设备诊断实质上就是一种比较分类，在判断故障 时，我们是将故障待检模式与故障样板模式相比较， 把一个具体的故障（待检模式）归入到某种故障类型 （样板模式）中去，如下图所示。任何一种机械故障， 都具有自己的特征，故障特征是构成故障样板模式的 基本要素。所以，对每种故障的表现形式要全面的了 解和掌握，对一个故障与其它故障在表现形式上的相 同点和区别要有清晰的认识，因为掌握各种常见故障 的基本特征是判断设备故障的基础（先决条件）。 输以其它方法 故 障 样板模式 对 象 待检模式

10、 比较判别故障 标准 设备 （或零部件） 类型 部位 程度 故障诊断的基本方法 一一. . 旋转机械故障诊断的特点旋转机械故障诊断的特点 旋转机械 指那些功能是由旋转运动完成 的机械。尤其指那些旋转速度较高的机械，如电动机、 离心式压缩机、汽轮发电机、以及离心式鼓风机、离 心式水泵、真空泵等，都属于旋转机械的范围。在对 它们进行诊断时，必须注意它的以下几个特点。 故障特征频率与转频的三种关系故障特征频率与转频的三种关系 1 1） 同步振动同步振动 同步振动转子振动频率等于转子转速或倍频。强迫振动 多表现为同步振动。转子不平衡属典型的同步振动，联轴器不对 中一般也表现为同步振动。 2 2）亚同步

11、振动）亚同步振动 亚异步振动其主要振动成分的频率低于转频，为转频的 分数倍谐波。这多属自激振动，如滑动轴承的油膜振荡，涡轮机 械的喘振等等。 3 3）超异步振动）超异步振动 超异步振动其主要振动成分的频率高于转频。如齿轮损 坏时的啮合频率，叶轮叶片振动的通过频率即属此类。 注意：实际机组的振动往往是同时存在以上三种振动。注意：实际机组的振动往往是同时存在以上三种振动。 获取旋转机械故障信号的主要途径获取旋转机械故障信号的主要途径： 1 1） 振动频率分析振动频率分析 旋转机械的每一种故障都各自的特征频率，在现场对其振 动信号做频率分析是诊断旋转机械故障最有效的方法。 2 2）分析振幅的方向特征

12、）分析振幅的方向特征 在有些情况下，旋转机械不同的故障类型在振动表现上有 比较明显的方向特征。所以只要条件允许，对其测点进行振动测 量时，都应该测量3个方向，因为不同的方向表现出不同的故障 特征。 3 3） 分析振幅随转速变化的关系分析振幅随转速变化的关系 旋转机械有相当一部分故障的振动幅值与转速变化有密切 的关系，所以现场测量时，在必要的时候，要尽量创造条件，在 改变转速的过程中测量机器的振幅值。 表1 旋转机械故障的来源及主要原因 故障来源 主 要 原 因 设计、制造 1. 设计不当，动态特性不良，运行时发生强迫 振动或自激振动 2. 结构不合理，有应力集中 3. 工作转速接近或落入临界转

13、速区 4. 运行点接近或落入运行非稳定区 5. 零部件加工制造不良，精度不够 6. 零件材质不良，强度不够，有制造缺陷 7. 转子动平衡不符合技术要求 故障来源 主 要 原 因 安装、维修 1.机器安装不当，零部件错位，预负荷大 2.轴系对中不良（对轴系热态对中考虑不够） 3.机器几何参数（如配合间隙、过盈量及相对位置）调 整位置不当 4.管道压力大，机器在工作状态下改变了动态特性和安 装精度 5.转子长期放置不当，破坏了动平衡精度 6.安装或维修工程破坏了机器原有的配合性质和精度 运行操作 1.机器在非设计状态下运行（如超转速、超负荷或低负 荷运行），改变了机器工作特性 2.润滑或冷却不良

14、3.旋转体局部损坏或结垢 4.工艺参数（如介质的温度、压力、流量、负荷等）不 当，机器运行失稳 5.启动、停机或升降速过程操作不当，暖机不够，热膨 胀不均匀或在临界区停留时间长 故障来源 主 要 原 因 机器恶劣 1.长期运行，转子挠度增大 2.旋转体局部损坏、脱落或产生裂纹 3.零、部件磨损、点蚀或腐蚀等 4.配合面受力劣化，产生过盈不足或松动等， 破坏了配合性质和精度 5.机器基础沉降不均匀，机器壳体变形 表2 转子质量偏心的振动特征 12345678 特征频率 常伴频率 振动稳定性 振动方向 相位特征轴心轨迹 进动方向矢量区域 1稳定径向稳定椭圆正进动不变 表3 转子质量偏心的敏感参数

15、123456 振动随转 速变化 振动随负 荷变化 振动随油温 变化 振动随流 量变化 振动随压力 变化 其它识别方法 明显不明显不变不变不变 低速时振幅 趋于零 12345678 特征频率 常伴频率 振动稳定性 振动方向 相位特征轴心轨迹 进动方向矢量区域 1 突发性增 大后稳定 径向 突变后 稳定 椭圆正进动 突变后 稳定 表4 转子部件缺损的振动特征 表5 转子部件缺损的敏感参数 123456 振动随转 速变化 振动随负 荷变化 振动随油温 变化 振动随流 量变化 振动随压力 变化 其它识别方法 明显不明显不变不变不变 振幅突然增 加 表6 转子质量偏心的故障原因 故障 来源 1234 设

16、计、制造安装、维修运行、操作机器劣化 主要 原因 结构不合理， 制造误差大， 材质不均匀， 动平衡精度低 转子上零件安 装错位 转子回转体 结垢（例如 压缩机流道 内结垢） 转子上零件 配合松动 故障 来源 1234 设计、制造安装、维修运行、操作机器劣化 主要 原因 结构不合理， 制造误差大， 材质不均匀 转子有较大 预负荷 1.超速、超 负荷运行 2.零件局部 损坏脱落 转子受腐蚀 疲劳，应力 集中 表7 转子部件缺损的故障原因 12345678 特征频率 常伴频率 振动稳定性 振动方向相位特征轴心轨迹进动方向矢量区域 12稳定 径向、 轴向 稳定椭圆正进动 矢量起始点 大，随运行 继续增

17、大 表8 转子弓形弯曲的振动特征 123456 振动随转 速变化 振动随负 荷变化 振动随油 温变化 振动随流 量变化 振动随压 力变化 其它识别方法 明显不明显不变不变不变 1.机器开始升速运行 时，在低速阶段振 动幅值就较大 2.刚性转子两端相位 差180 表9 转子弓形弯曲的敏感参数 12345678 特征频率 常伴 频率 振动 稳定性 振动 方向 相位 特征 轴心 轨迹 进动 方向 矢量区域 1稳定 径向、 轴向 稳定椭圆 正进动 升速时矢量逐渐 增大，稳定运行 后矢量减小 表10 转子临时性弯曲的振动特征 表11 转子临时性弯曲的敏感参数 123456 振动随转 速变化 振动随负 荷

18、变化 振动随油 温变化 振动随流 量变化 振动随压 力变化 其它识别方法 明显不明显不变不变不变 升速过程振幅大， 往往不能正常启动 故障 来源 1234 设计、制造安装、维修运行、操作机器劣化 主要 原因 结构不合理， 制造误差大， 材质不均匀 1.转子长期存放不当， 发生永久弯曲变形 2.轴承安装错位，转 子有较大预负荷 高速、高温 机器，停车 后未及时盘 车 转子热稳 定性差， 长期运行 后自然弯 曲 表12 转子弓形弯曲的故障原因 故障 来源 1234 设计、制造安装、维修运行、操作机器劣化 主要 原因 结构不合理，制造误 差大，材质不均匀 转子有较大预 负荷 升速过快， 加载太大 转

19、子稳定 性差 表13 转子临时性弯曲的故障原因 12345678 特征频率 常伴频率 振动稳定性 振动方向 相位特征轴心轨迹 进动方向矢量区域 2 1、 3 稳定 径向、 轴向 较稳定 双环 椭圆 正进动不变 表14 转子不对中的振动特征 表15 转子不对中的敏感参数 123456 振动随转 速变化 振动随负 荷变化 振动随油 温变化 振动随流 量变化 振动随压 力变化 其它识别方法 明显明显有影响有影响有影响 1.转子轴向振动较大 2.联轴器相邻轴承处 振动较大 3.随机器负荷增加， 振动增大 4.对环境温度变化敏 感 故障 来源 1234 设计、制造安装、维修运行、操作机器劣化 主要 原因

20、 对机器热膨 胀量考虑不 够，给定的 安装对中技 术要求不准 1.安装精度 未达到技 术要求 2.对热态时 转子不对 中变化量 考虑不够 1.超负荷运 行 2.机组保温 不良，轴 系各转子 热变形不 同 1.机器基础或 机座沉降不 均匀 ，时 不对中超差 2.环境温度变 化大，机器 热变形不同 表16 转子不对中的故障原因 表17 油膜轴承故障的主要原因 轴承故障 主 要 原 因 巴氏合金松脱 轴瓦表面巴氏合金与基体金属结合不牢 轴瓦磨损 1.转子对中不良 2.轴承安装缺陷，两半轴瓦错位，单边接触 3.润滑不良，供油不足 4.油膜振荡或转子失稳时，由于异常振动的大振幅 造成严重磨损 疲劳损坏

21、（疲劳裂纹） 1.轴承过载，轴瓦局部应力集中 2.润滑不良，承载区油膜破裂 3.轴承间隙不适当 4.轴承配合松动，过盈不足 5.转子异常振动，在轴承上产生交变载荷 腐 蚀 润滑剂的化学作用 气 蚀 1.转子涡动速度高，发生异常振动 2.润滑油粘度下降或油中混有客气和水分等，使轴承 内的油液在低压区产生微小汽泡，在高压区被挤破 而形成压力冲击波冲击轴承表面，产生疲劳裂纹或 金属剥落 表18 油膜涡动的振动特征 12345678 特征频率 常伴频率 振动稳定性 振动方向 相位特征轴心轨迹进动方向 矢量区域 1较稳定径向稳定 双环 椭圆 正进动改变 2 1 123456 振动随转 速变化 振动随负

22、荷变化 振动随油 温变化 振动随流 量变化 振动随压力 变化 其它识别方法 明显不明显明显不变不变 涡动频率随工作角 频率升降，保持 表19 油膜涡动的敏感参数 故障 来源 1234 设计、制造安装、维修运行、操作机器劣化 主要 原因 轴承设计或制 造不符合技术 要求 1.轴承间隙不当 2.轴承壳体配合过 盈不足 3.轴瓦参数不当 1.润滑油不 良 2.油温或油 压不当 轴承磨损， 疲劳损坏， 腐蚀及气 蚀等 表20 油膜涡动的故障原因 2 1 表21 油膜振荡的振动特征 12345678 特征频率 常伴频率 振动稳定性 振动方向 相位特征 轴心轨迹 进动方向矢量区域 （ 0.430.48)

23、组合 频率 不稳定径向 不稳定 （突变） 扩散不 规则 正进动改变 表22 油膜振荡的敏感参数 123456 振动随转 速变化 振动随负 荷变化 振动随油 温变化 振动随流 量变化 振动随压 力变化 其它识别方法 振动发 生后， 升高转 速，振 动不变 不明显明显不变不变 1.工作角频率等于或高于 时突然发生 2.振动强烈，有低沉吼叫声 3.振荡发生前发生油膜涡动 4.异常振动有非线性特征 n 2 2 1 故障 来源 1234 设计、制造安装、维修运行、操作机器劣化 主要 原因 轴承设计或 制造不符合 技术要求 1.轴承间隙不当 2.轴承壳体配合过 盈不足 3.轴瓦参数不当 1.润滑油不 良

24、2.油温或油 压不当 轴承磨损， 疲劳损坏， 腐蚀及气 蚀等 表23 油膜振荡的故障原因 表24 旋转失速的振动特征 12345678 特征频率 常伴频率 振动稳定性 振动方向 相位特征轴心轨迹进动方向 矢量区域 及 的成对 次谐波 组合 频率 振幅大幅 度波动 径向、 轴向 不稳定杂乱正进动突变 s ）（ s 表25 旋转失速的敏感参数 123456 振动随转 速变化 振动随负 荷变化 振动随油 温变化 振动随流 量变化 振动随压 力变化 其它识别方法 明显很明显不变很明显变化 1.机器出口压力波 动大 2.机器入口气体压 力及流量波动 表26 旋转失速的故障原因 故障 来源 1234 设计

25、、制造安装、维修运行、操作机器劣化 主要 原因 机器的各级 流道设计不 匹配 1.入口滤清器堵塞 2.叶轮流道或气流 流道堵塞 机器的工作介 质流量调整不 当，工艺参数 不匹配 机器气体入 口或流道有 异物堵塞 表27 区别旋转失速与油膜振荡的主要方法 区别内容 旋转失速 油膜振荡 振动特征频率与工 作转速的关系 振动特征频率随转子 工作转速而变 油膜振荡发生后，振荡特 征频率不随工作转速变化 振动特征频率与机 器进口流量的关系 振动强烈程度随流量 改变而变化 振动强烈程度不随流量变 化 压力脉动频率的特 点 压力脉动频率与工作 流速频率相等 压力脉动频率与转子固有 频率接近 表28 喘振的振

26、动特征 12345678 特征频率 常伴频率振动稳定性 振动方向 相位特征轴心轨迹进动方向 矢量区域 超低频 （0.5 20Hz） 1不稳定径向不稳定紊乱正进动突变 表29 喘振的敏感参数 123456 振动随转 速变化 振动随负 荷变化 振动随油 温变化 振动随流 量变化 振动随压 力变化 其它识别方法 改变改变改变 明显改 变 明显改 变 1.振动剧烈 2.出口压力和进口流 量波动大 3.噪声大，低沉吼叫， 声音异常 表30 喘振的故障原因 故障 来源 1234 设计、制造安装、维修运行、操作机器劣化 主要 原因 设计制造不 当，实际流 量小于喘振 流量，压缩 机工作点离 防喘线太近 1.

27、入口滤清 器堵塞 2.叶轮流道 或气流流 道堵塞 1.压缩机的实际运 行流量小于喘振 流量 2.压缩机出口压力 低于管网压力 3.气源不足，进气 压力太低，进气 温度或气体相对 分子质量变化大， 转速变化太快及 升压速度过快、 过猛 1.管道阻 力增大 2.管网阻 力增加 3.管路逆 止阀失 灵等 表31 转子与静止件径向摩擦的振动特征 12345678 特征 频率 常伴 频率 振动稳 定性 振动 方向 相位特征轴心轨迹进动方向 矢量 区域 高次谐 波、低 次谐波 及其组 合频率 1 不稳 径向 1.连续摩擦： 反向位移、 跳动、突变 2.局部摩擦： 反向位移 1.连续摩 擦：扩 散 2.局部

28、摩 擦：紊 乱 1.连续摩 擦：反 进动 2.局部摩 擦：正 进动 突变 表32 转子与静止件径向摩擦的敏感参数 123456 振动随转 速变化 振动随负 荷变化 振动随油 温变化 振动随流 量变化 振动随压 力变化 其它识别方法 不明显不明显不变不变 不变 时域波形严重削波 表33 转子与静止件径向摩擦的故障原因 故障 来源 1234 设计、制造安装、维修运行、操作机器劣化 主要 原因 转子与静止 件（如为轴 承、密封、 隔板等）的 间隙不当 1.转子与定子偏心 2.转子对中不良 3.转子动挠度大 1.机器运行 时热膨胀 严重不均 匀 2.转子位移 基础或壳 体变形大 表34 转子系统出现各

29、次谐波的可能性 振动频率 （0 40） （4050） （50 100） 不规 则 出现的可能性（）40401010 表35 转子过盈配合件过盈不足的振动特征 12345678 特征 频率 常伴 频率 振动稳 定性 振动 方向 相位 特征 轴心 轨迹 进动 方向 矢量 区域 1 （次谐波） 1不稳径向杂乱 不 稳定 正 进动 改变 表36 转子过盈配合件过盈不足的敏感参数 123456 振动随转 速变化 振动随负 荷变化 振动随油 温变化 振动随流 量变化 振动随压 力变化 其它识别 方法 有变化有变化不变不变不变 1）转子失 稳涡动频 率 2）振动 大小与转 子不平衡 量成正比 nt 表37

30、转子过盈配合件过盈不足的故障原因 故障来源 1234 设计、制造安装、维修运行、操作机械劣化 主要原因 转轴与旋转 体配合面过 盈不足 1）转子多 次拆卸，破 坏了转轴与 旋转体原有 的配合性质 2）组装方 法不当 超转速、超 负荷运行 配合件蠕变 表38 转子支承系统联接松动的振动特征 12345678 特征频率 常伴频率 振动 稳定性 振动 方向 相位 特征 轴心 轨迹 进动 方向 矢量 区域 基频及 分数谐 波 2， 3 不稳定。 工作转速 达到某阈 值时，振 幅突然增 大或减小 松动 方向 振动 大 不稳定紊乱正进 动 变动 表39 转子支承系统联接松动的敏感参数 123456 振动随

31、 转速变化 振动随 负荷变化 振动随 油温变化 振动随 流量变化 振动随 压力变化 其它 识别方法 很敏感敏感不变不变不变 非线性振 动特征 表40 转子支承系统联接松动的故障原因 故障 来源 1234 设计、制造安装、维修运行、操作机械劣化 主要 原因 配合尺寸加 工误差大， 改变了设计 所要求的配 合性质 支承系统配 合间隙过大 或紧固不良、 防松动措施 不当 超负荷运行 支承系统配 合性质改变， 机壳或基础 变形，螺栓 松动 表41 密封和间隙动力失稳的振动特征 12345678 特征频率常伴频率 振动 稳定性 振动 方向 相位 特征 轴心 轨迹 进动 方向 矢量 区域 小于 （1/2）

32、 的次 谐波 1、 （ 1/n) 及n 不稳定 强烈振 动 径向 不 稳定 紊乱 并扩 散 正 进动 突变 表42 密封和间隙动力失稳的故障原因 123456 振动随 转速变化 振动随 负荷变化 振动随 油温变化 振动随 流量变化 振动随 压力变化 其它 识别方法 在某阈值 矢稳 很敏感明显改变不变有影响 1）分数谐 波及组合 频率 2）工作 转速达到 某阈值时 突然振动 剧烈 表43 密封和间隙动力失稳的故障原因 故障来源 1234 设计、制造安装、维修运行、操作机械劣化 主要原因 制造误差造 成密封或叶 轮在内腔的 间隙不均匀 转子或密封 安装不当， 造成密封或 叶轮在内腔 的间隙不均 匀

33、 操作不当， 转子升降速 过快，升降 压过猛，超 负荷运行 转轴弯曲或 轴承磨损产 生偏隙 表44 转轴具有横向裂纹的振动特征 1 2 3 4 5 6 7 8 特征频率 常伴频率 振动 稳定性 振动方向 相位特征 轴心轨迹 进动方向 矢量区域 半临界 点的2 2、 3等高 频谱波 不稳定 径向、 轴向 不规则 变化 双椭圆 或 不规则 正进动改变 表45 转轴具有横向裂纹的敏感参数 123456 振动随 转速变化 振动随 负荷变化 振动随 油温变化 振动随 流量变化 振动随 压力变化 其它 识别方法 变化 不规则 变化 不变不变不变 非线性振 动。过半 临界点 2谐波 有共振峰 值 表46 转

34、轴具有横向裂纹的故障原因 故 障 来 源 1234 设计、制造安装、维修运行、操作机器劣化 主 要 原 因 材质不良、 应力集中 检修时未能 发现潜在裂 纹 及其频繁启动， 升速、升压过 猛，转子长期 受交变力 轴产生疲 劳裂纹 转子不平衡产生的原因及频率特征转子不平衡产生的原因及频率特征 旋转机械常见故障的振动诊断及实例旋转机械常见故障的振动诊断及实例 转子不平衡转子不平衡 不平衡不平衡 类类 型型 不平衡不平衡 频频 谱谱 实例实例1： 某公司有一台电动机，额定转速某公司有一台电动机，额定转速3000r/min， 运行中发现振动异常，测取轴承部位的振动信号作频运行中发现振动异常，测取轴承部

35、位的振动信号作频 谱分析，其谱图如右下图所示。以电动机转频谱分析，其谱图如右下图所示。以电动机转频 （50Hz）最为突出，判断电动机转子存在不平衡。）最为突出，判断电动机转子存在不平衡。 在作动平衡测试时，转子不平衡量达在作动平衡测试时，转子不平衡量达5000g.cm，远，远 远超过标准允许值远超过标准允许值。经动平衡处理后，振。经动平衡处理后，振 动状态达到正常。动状态达到正常。 这个实例，故障典型，过程完整。它的价值在于印这个实例，故障典型，过程完整。它的价值在于印 证了不平衡故障的一个最重要特征，激振频率等于转证了不平衡故障的一个最重要特征，激振频率等于转 频，又通过动平衡测试处理进一步

36、验证了诊断结论的频，又通过动平衡测试处理进一步验证了诊断结论的 正确性。正确性。 转子不平衡转子不平衡 不平衡故障的典型 频谱特征是工频分 量占主导地位 实例实例2： 某卷烟厂的锅炉引风机，型号某卷烟厂的锅炉引风机，型号Y2805-4型，型， 转速转速1480r/min，功率，功率75kW，结构简图见图。，结构简图见图。 、引风机轴承测点 电机测点 测点 方位 H20.0 1526Hz 4.62.52.4 V5.53.41.04.5 A3.72.41.6 锅炉引风机振动速度有效值（mm/s rms） H H、V V、A A分别代表水平、垂直和轴向分别代表水平、垂直和轴向 测点水平方向频谱 转子

37、不对中转子不对中 联轴器不对中轴承不对中带轮不对中 平行不对中角度不对中 实例：实例： 某厂一台离心压缩机，结构如图所示。电动机某厂一台离心压缩机，结构如图所示。电动机 转速转速1500r/min1500r/min（转频为（转频为25Hz25Hz）。该机自更换减）。该机自更换减 速机后振动增大，速机后振动增大，A A点水平方向振动烈度值为点水平方向振动烈度值为 6.36mm/s6.36mm/s，位移，位移D=150mD=150m，超出正常水平。，超出正常水平。 明显的2X特征 重新对中后2X 基本消失 地脚松动引起振动的方向特征及频率结构 机械松动机械松动 实例实例 某发电厂某发电厂1 1 发

38、电机组，结构如图。 发电机组，结构如图。 1-汽轮机 2-减速机 3-发电机 4-励磁机 后轴承 前轴承 汽轮机前后轴承振动值 um PP um PP H8530 V156 A2828 摩擦摩擦 高次谐波及其分数倍谐波是摩擦的主 要频谱特征 实例实例1 1： 某科研单位在双盘转子试验台上作振动试验。当转速某科研单位在双盘转子试验台上作振动试验。当转速 升到升到12000r/min12000r/min时，转子开始发生油膜振荡，振动值时，转子开始发生油膜振荡，振动值 突然升高。其时在突然升高。其时在686872Hz72Hz频率处出现高幅值，并可频率处出现高幅值，并可 以看到转轴与保护架内孔因发生强

39、烈摩擦而发出强烈火以看到转轴与保护架内孔因发生强烈摩擦而发出强烈火 花。这时振动信号的主要频率成分及其位移幅值时域波花。这时振动信号的主要频率成分及其位移幅值时域波 形和频谱如图所示，各频率所对应的幅值见表。形和频谱如图所示，各频率所对应的幅值见表。 从波形图上可以看到，近似正弦波形在波峰处被从波形图上可以看到，近似正弦波形在波峰处被“截截 断断”，呈典型的，呈典型的“截头状截头状”。在复杂的频率结构中，由。在复杂的频率结构中，由 于转子强烈摩擦而激起的转子多阶自振频率和转速倍频于转子强烈摩擦而激起的转子多阶自振频率和转速倍频 占据着主导作用。这是一个感官观察（目视摩擦火花）占据着主导作用。这

40、是一个感官观察（目视摩擦火花） 与信号分析统一的典型的摩擦实例，对我们理解摩擦的与信号分析统一的典型的摩擦实例，对我们理解摩擦的 本质特征很有参考价值。本质特征很有参考价值。 12345678910 频率3672108109145181217253289362 幅值875112018224314533219213813196 倍频 关系 1阶 自振 频率 2阶 自振 频率 转频3阶 自振 频率 4阶 自振 频率 2倍 转频 各特征频率幅值及其倍频关系 实例实例2 2： 某厂一台某厂一台3W3W1B11B1型高压水泵的电动机，型高压水泵的电动机， 转速转速1485r/min1485r/min，泵

41、轴转速，泵轴转速225r/min225r/min，水，水 泵的轴承为滑动轴承，设备运行中发现水泵泵的轴承为滑动轴承，设备运行中发现水泵 轴承的垂直方向（轴承的垂直方向（V V）振动强烈。其振动信）振动强烈。其振动信 号的时域波形、频谱如图所示。号的时域波形、频谱如图所示。 水泵轴承垂直方向的振动波形成单边水泵轴承垂直方向的振动波形成单边“截截 头头”状，频谱结构主要是转频及其高次谐波，状，频谱结构主要是转频及其高次谐波， 都呈典型的摩擦特征。后经检查发现，该轴都呈典型的摩擦特征。后经检查发现，该轴 承由于润滑油路堵塞而形成干摩擦。如此可承由于润滑油路堵塞而形成干摩擦。如此可 见，频率分析结合波

42、形观察，是诊断摩擦故见，频率分析结合波形观察，是诊断摩擦故 障的有效方法。障的有效方法。 波形出现“削顶” 丰富的高次谐波 实例实例 某化肥厂的二氧化碳压缩机组，从某化肥厂的二氧化碳压缩机组，从19871987年年 开始振动渐增，至开始振动渐增，至9 9月月4 4日高压缸振动突然升日高压缸振动突然升 到报警值而被迫停车。到报警值而被迫停车。 机组运行过程中，在故障发生的前后，均机组运行过程中，在故障发生的前后，均 对高压缸转子的径向振动作了频谱分析，谱图对高压缸转子的径向振动作了频谱分析，谱图 如图所示。故障发生前，振动信号中只有转频如图所示。故障发生前，振动信号中只有转频 （f fr r）成

43、分，故障发生时，谱图中除转频外，）成分，故障发生时，谱图中除转频外， 还有明显的半倍频成分。还有明显的半倍频成分。 油膜振荡油膜振荡 故障发生前 故障发生后 注意0.5X的出现 实例 某冶炼厂一台用于余热发电的小型汽轮发电机 组，汽轮机转速5550r/min（转频92.5Hz）， 发电机转速1500r/min（转频25Hz）。减速器 小齿轮（主动齿轮）齿数z1=27，大齿轮（被动 齿 轮 ） 齿 数 z 2 = 1 0 0 ， 齿 轮 啮 合 频 率 f m 2497.5Hz，机组结构简图如图所示。 综合故障综合故障 机组于1998年1月初检修后，在试运行过程中振动 一直不正常，到1月23日汽

44、轮机测点轴承温度持续上 升，操作工告急。为查明原因，对其进行了振动测量 分析。 汽轮机测点、轴承部位的振动值见表47。其 中测点垂直方向（V）的振动最大，且呈上升趋势。 采用振通904数据采集器对该点作振动信号分析，水 平（H）垂直（V）和轴向（A）三个方向的频谱图如 图所示，其幅值参数为速度峰值。在三个方向的频谱 图上都存在90Hz（近似于转频92.5Hz）振动和50Hz 分频振动以及大量高次谐波，其中垂直方向振动最为 强烈。频谱结构显示测点轴承振动信号存在严重的 非线性问题。根据这些情况判断测点轴承轴瓦存在 松动，并由松动而引起摩擦，处于松动与摩擦并存状 态。 41.90 7.49 水平

45、方向 轴向 频谱 垂直 方向 1998年1月26日拆机检查，发现测点轴承下轴 瓦表面巴氏合金局部龟裂脱落，有摩擦烧伤痕迹所示。 分析产生这种情况的原因在于轴瓦没有正确定位，运行 中与瓦座之间发生相对摩擦，引起轴承发热，致使巴氏 合金在高温高压下碎裂，由此又进一步加大了摩擦，使 振动日益增大。 在处理故障时，更换了轴瓦，重新调整了轴承间隙， 紧固了各联结部位，刮研了轴瓦接触表面使之保持良好 的接触。机组于2月18日投入运行，3月4日进行了复测， 测点轴承的振动值垂直方向的速度有效值较处理前降 低了3倍，位移峰峰值降低了近4倍。其频谱结构如图所 示。 这时，转频分量（90Hz）大为减弱，低频分量

46、（50Hz）已经消失，高次谐波成分减少，且幅值显著降 低。 水平 方向 垂直 方向 轴向 这是一个比较典型的实例，类似这样的情况在 现场诊断中经常会碰到。机器上有些配合件的松动 故障往往与摩擦故障联系在一起，它们之间存在着 因果关系。由于配合件松动，机器在运行中常引起 零件的相对移动而产生摩擦，所以在频谱上常出现 类似两种故障频率的复杂情况。在这里松动是原发 故障，摩擦属引发故障。掌握了其中的规律，对我 们作现场故障分析很有助益。 1. 滚动轴承信号的频率结构 滚动轴承主要振动频率有： （1）通过频率 当滚动轴承元件出现局部损 伤时（如图中轴承的内外圈或 滚动体出现疲劳剥落坑），机 器在运行中

47、就会产生相应的振 动频率，称为故障特征频率， 又叫轴承通过频率。 各元件的通过频率分别计算 如下： 滚动轴承故障的振动诊断及实例滚动轴承故障的振动诊断及实例 1）内圈通过频率( )，即内圈上的某一损伤点与滚动体 接触过程中产生的频率： （44） 2）外圈通过频率( )，即外圈上的某一损伤点与滚动体 接触过程中产生的频率： （45） 3）滚动体通过频率( )，即滚动体上某一损伤点与内圈或 外圈接触过程中产生的频率： （46） 滚动轴承故障的振动诊断及实例滚动轴承故障的振动诊断及实例 i f 1 (1cos) 2 ir d ff D 0 f 0 1 (1cos) 2 r d ff D b f 22

48、 1 1 () cos 2 br Dd ff dD 4）保持架通过频率（ ）： 式中 滚动轴承内圈的回转频率（Hz）， n/60, n为内圈的转速； 滚动体直径（mm）； 轴承节径（mm）； 滚动体个数； 压力角（又称接触角，有时用 表示）。 以上这些参数值，可以在有关设计手册或轴承手册中查到。 滚动轴承故障的振动诊断及实例滚动轴承故障的振动诊断及实例 c f 1 (1cos) 2 cr d ff D r f r f d D z 滚动轴承各结构参数所表示的意义参看图。 上述公式中的计算符号适用于轴承外圈固定内圈转 动的情况。如果轴承内圈固定，外圈转动，那么计算公 式中的加减符号要改变，即“”变

49、“”，“”变 “”。不过这种内圈固定的情况很少见。 滚动轴承故障的振动诊断及实例滚动轴承故障的振动诊断及实例 （2）几种滚动轴承通过频率的简化近似计算 在现场， 有时因为轴承参数掌握不全，不便作频率计算。或者 为了节省时间，希望尽快得出分析结果，为此，我们 这里推荐几个简化近似计算公式： 1) 内圈通过频率（Hz）简化计算式： 2) 外圈通过频率（Hz）简化计算式： 3) 保持架通过频率（Hz）简化计算式： 采用简化计算所带来的误差很小，约3，作一般 分析还是能满足要求的。 滚动轴承故障的振动诊断滚动轴承故障的振动诊断 0.6 ir ff z 0 0.4 r ff z 0.4 cr ff 实例

50、实例1 1 一台单级并流式鼓风机，由30KW电动机减速后拖 动，电动机转速1480r/min,风机转速900r/min。两 个叶轮叶片均为60片，同样大小的两个叶轮分别装在两 根轴上，中间用联轴器链接，每轴由两个滚动轴承支承， 风机结构如图所示。 该机组自1986年1月30日以后，测点的振 动加速度从0.07g逐渐上升，至6月19日达到 0.68g，几乎达到正常值的10倍。为查明原因， 对测点的振动信号进行频谱分析。 轴承的几何尺寸如下： 轴承型号：210； 滚动体直径：d12.7mm； 轴承节径：D70mm； 滚动体个数：z10； 压力角：00。 轴承的特征频率计算： 鼓风机转速频率： n/

51、60=900/60=15(Hz)； 轴承内圈通过频率： 轴承外圈通过频率： 滚动体通过频率： r f 0 1 (1cos ) 2 112.7 15 (1cos0 ) 10 270 88.6() ir d ffz D Hz 0 0 1 (1cos) 2 1 15 (1cos0 ) 1061.3() 2 r d ffz D d Hz D 22 220 1 1 () cos 2 17012.7 15 1 () cos 0 212.770 40.6() br Dd ff dD Hz 测点的时域波形和高低两个频段的频谱。 高频低频 波形 在图a所显示的高频段加速度的频谱图上，出现 1kHz以上的频率成分

52、1350Hz和2450Hz，行成小段高频峰 群，这是轴承元件的固有频率。图b是低频段的频谱， 图中清晰地显示出转速频率（15Hz），外圈通过频率 （61Hz），内圈通过频率（88Hz）及外圈通过频率的2 次、3次谐波（122Hz和183Hz），图c是加速度时域波 形，图上显示出间隔为5.46ms的波峰，其频率亦为 183Hz（10005.46183Hz），即为外圈通过频率的 三次谐波，与频谱图显示的频率相印证（见图4 38b），据两个频段分析所得到的频率信息，判断轴承 外圈存在有故障，如滚道剥落、裂纹或其它伤痕。同时 估计内圈也有一些问题。 实例实例2 某单位有一台变频机组，主 轴转速2996

53、r/min(轴频50Hz)， 设备结构如图所示，通过计算， 机器上端轴承各特征频率分别 为：内圈 390Hz，外圈 260Hz，滚动体 117Hz， 保持架 20Hz。 i f 0 f b f c f1主轴 2轴承 3轴承座 4冷却管 5密封 在一个月的时间内，变频 机运行不正常。对A出的速 度信号作频率分析。频谱图 中20Hz的频率峰值最突出， 呈保持架的特征频率。此处 还有转速频率及分数倍低次 谐波，说明有非线性问题存 在，频谱结构如图所示。 从时域波形图上可见， 其振动波形上下不对称， 下边呈“截头”状，上边 尖锐突出，呈摩擦特征， 见图441。拆机检查时 见，轴承座孔有滑动摩擦 痕迹，

54、孔径呈不均匀磨损， 保持架破裂。经查明，引 起故障的原因，主要是在 于安装不良，对中性不好 所致。 实例实例1 1 某厂一台轧机减 速器，1994年4月大 修，投入运行后振动 很大，对其进行简易 振动诊断。减速器结 构如图。电动机为可 调速电动机，工作转 速500r/min，功率 970kw，小齿轮齿数 50，大轮齿数148。 齿轮机构故障的振动诊断齿轮机构故障的振动诊断 当电动机转速调至150r/min时，减速器振 动值Vrms见表411。 从测值看，测点（2）、（4）（低速轴轴承） 的振动值均大于高速轴。 测点 VAVAVAVA 6.57.814.4 12. 6 9.58.3 13. 3

55、11.8 rms V 电动机转速为150r/min时减速器振动值（单位：mm/s） 注：V为垂向；A为轴向 电动机转速为150r/min时，对测点（2）垂直方向 （V）作频率分析，其时低速轴转速为51r/min，转频 为0.85Hz，谱图如图456所示。 频谱图上没有出现啮合频率fm （fm0.85148 125.8Hz），却出现了213Hz这个突出的峰值。然后对 213Hz附近的频段作细化谱分析，谱图如图所示。这时 发现，213Hz的两旁的边频间隔为0.85Hz，恰好是低 速轴转频。 测点垂直方向频谱 测点垂直方向细化频谱 与此同时，在该转速下，对测点（1）（2）垂直方 向的振动信号作时域波

56、形分析，其波形图分别如图a、b 所示。 从时域波形图上可以看出，高速轴（测点（1）振动 波形属常规振动（见图458a），低速轴（测点（2） 的时域波形有明显的冲击信号（见图458b），其脉冲间 隔为1176ms，相当频率值0.85Hz（10001176 0.85Hz）, 即为低速轴转频。 为了进一步查明原因，把电动机转速调至500r/min， 对测点（2）垂直方向作频谱分析，其频谱图如图。其实， 213Hz频率依然存在，它不随转速而变化。此时，该频率 的边频谱线的间隔为2.5Hz，等于低速轴转频。 可以推测，213Hz这个不随转速而改变的频率是齿 轮的固有频率。机器运行中，由于齿轮啮合的强烈冲

57、击 （见图458b）激发了齿轮以固有频率振动。 根据所获得的信息，可以推断齿轮存在严重故障（ 如轮齿变形等），而且主要振源在大齿轮上。 在检修处理时拆开减速器检查，发现两个齿轮的轮 齿表面的錾锉痕迹很显眼，凹凸不平，这样粗糙的齿面 在轮齿啮合时必然产生严重冲击。另外，大齿轮有5个 轮齿的齿顶边缘因长期挤撞而呈台阶突起，高达5 6mm，齿轮在运转时必然出现大齿轮的轮齿顶撞小齿 轮的轮齿根部，齿轮在这种恶劣的状态下运行，激起齿 轮固有频率是理所当然的。强劲的固有频率分量湮没了 齿轮啮合频率的分量，所以在谱图中没有出现啮合频率 分量的谱线。 后来经过了解，该机在大修时，由于没有新齿 轮备件更换，只得

58、用一对使用过的旧齿轮稍加修理 后代用，所以造成这种被动的局面。 本例从振动幅值的变化，分析了故障频率特征， 并对时域波形进行观察，然后通过改变转速测量， 查明了故障原因，最后揭盖检查得到了验证，诊断 过程完整，思路清晰，是一个很典型的现场实例。 实例实例2 2 某厂一台小型汽轮发电机组，在汽轮机与发电机之 间用减速箱减速。汽轮机转速5550r/min，发电机转 速1500r/min，小齿轮齿数27，大齿轮齿数100。齿 轮啮合频率为2497.5Hz。 在一次年终检修前，采用便携式仪器对其进行了振 动测量，其中变速器小齿轮轴承测点水平方向的振动值 见表，加速度峰值显得特别突出。 参数名称 加速度

59、峰值 （Ap/(mm/s2) ） 速度有效值 （Vrms/(mm/s) ） 位移峰峰值 （Dp-p/m） 测值217.62.8217.96 汽轮发电机组减速器小齿轮轴承水平方向振值 为查明情况，在现场利用便携式仪器对其振动信 号作频谱分析，其频谱如图所示。 谱图上出现了三个特征频率2500Hz，5000Hz和 7500Hz，分别为齿轮的啮合频率及其2次，3次谐波， 其中以2次谐波的速度峰值较为突出，其他两个分量都 很弱小。这表明减速器齿轮存在早期故障迹象。后来 在揭盖检查时，未发现明显的齿轮缺陷，因为齿轮状 态这种细微的变化用肉眼是很难察觉的。 实例实例3 3 某有色金属加工厂的一台3W1B1

60、型高压水泵， 通过减速器把电动机与水泵的曲轴连接起来。电动机 转速1485r/min，减速器小齿轮齿数z1为24齿，大齿 轮齿数z2为155齿，其结构简图如图。 该机在检修前进行了振动测量分析，发现减速器小齿 轮轴承测点、振动值较大，见表。 测点 HVAHVA A7.06.621.510.713.721.5 机组检修前加速度有效值m/s*s 对测点、水平方向的振动信号作频谱分析， 频谱结构分别如图a和图b。 检修前检修后 两测点振动信号的频率结构基本一致，主要频率有 齿轮啮合频率fm（fz）及其2 倍 频 （ 2 f m = 5 9 4 2 = 1 1 8 8 H z