机械故障诊断学旋转机械的状态监视与故障诊断PPT课件

1、1l 概述第1页/共115页2l 机械振动及其种类机械振动是自然界、工程技术和日常生活中普遍存在的物理现象。各种机械在运动时，由于诸如旋转件的不平衡、负载的不均匀、结构刚度的各向异性、间隙、润滑不良、支撑松动等因素，总是伴随着各式各样的振动。第2页/共115页3振动测试的基本参数：幅值、频率和相位 幅值 幅值是振动强度大小的标志，它可以 用不同的方法表示，如单峰值、有效 值、平均值等； 频率 为周期的倒数。通过频谱分析可以确 定主要频率成分及其幅值大小，从而 可以寻找振源，采取措施； 相位 振动信号的相位信息十分重要，利用 相位关系确定共振点、振型测量、旋 转件动平衡、有源振动控制、降噪等。第

2、3页/共115页4机械振动稳态振动能够用数学式明确表示的函数随机振动需用数理统计方法来描述周期振动振动以周期T重复出现非周期振动振动无固定的周期平稳随机振动振动统计特性对时间为常数非平稳随机振动振动统计特性随时间而变化第4页/共115页 简谐振动yATtsin()2Af tsin()2Atsin()vdydtAf tcos()2advdtAf ty 222sin()位移速度加速度第5页/共115页6 周期振动y ty tnTn( )(), , ,. 0 1 2周期振动的定义：周期函数可以展开为傅里叶级数 1010sin(sincos)(nnnnnntnAAtnbtnaaty旋转机械的振动过程是

3、一个以周期振动为主导的随机过程。 第6页/共115页 转子的临界转速 旋转机械在启停升降速过程中，往往在某个(或某几个)转速下出现振动急剧增大的现象，有时甚至在工作转速下振动也比较强烈。其振动原因往往是由于转子系统处于临界转速附近产生共振。 第7页/共115页 在无阻尼的情况下，转子的临界转速等于 其横向固有频率 在有阻尼的情况下，转子的临界转速略高 于其横向固有频率。 转子的临界转速个数与转子的自由度相等。 对实际转子来说，理论上有无穷多个临界 转速，但由于转子的转速限制，往往只能 遇见数个临界转速。第8页/共115页nncr 051.050711.nnncrcrnncr 071.刚性转子准

4、刚性转子挠性转子第一阶临界转速 第9页/共115页l 转子系统振动故障诊断 旋转机械振动评定标准 目前最常采用的是通频振幅来衡量机械运行状态的，根据所使用传感器的种类分为： 轴承振动评定 利用接触式传感器(例如磁电式振动速度传 感器或压电式振动加速度传感器)放置在轴 承座上进行测量；第10页/共115页 轴振动值评定，这可利用非接触式传感器 (例如电涡流式传感器) 测量轴相对于机壳 的振动值或轴的绝对振动值。评定参数可用振动位移峰峰值和振动烈度(即均方根值，它代表了振动能量的大小)来表示。 第11页/共115页q 以轴承振动位移峰峰值作评定标准 转速/rpm 标准/mm优良合格15003050

5、 703000203050 水电部汽轮机组振动标准(双振峰) 第12页/共115页13机械部离心鼓风机和压缩机振动标准标准转速 /mm300065001000010000-16000主轴轴承50403020齿轮轴承 404030)min(1r第13页/共115页IEC汽轮机振动标准)min(1r标准转速/ mm10001500300036006000轴承上7550252112轴上(靠近轴承)150100504420第14页/共115页15第15页/共115页16第16页/共115页在制定上述振动标准时，假设： 机组振动为单一频率的正弦波振动； 轴承振动和转子振动基本上有一固定的比 值，因此可利

6、用轴承振动代表转子振动； 轴承座在垂直、水平方向上的刚度基本上 相等，即认为是各向同性的。第17页/共115页18实际证明上述假设与事实不尽相符，所测得的振动多数是由数种频率的振动合成的；轴承组水平刚度明显低于垂直刚度；转子振动和轴承座振动的比值，可以是250倍，它和轴承型式，间隙、轴承座刚度、油膜特性等有关，且同类机组亦不尽相同，因此，为了较全面的反映机组的振动情况，必须制定其它的振动标准。 第18页/共115页q 以轴承振动烈度作为评定标准 振动烈度vTvt dtvvvrmsTn1122012222( )()121212222222()AAAnn第19页/共115页20ISO 3945振动

7、标准：适用于大于300kW，转速为60012000 r/min的大型原动机和其它具有旋转质量的大型机器，例如电动机和发电机、蒸汽轮机和燃气轮机、涡轮压缩机、涡轮泵和风扇等 第20页/共115页21第21页/共115页22第22页/共115页23草案第23页/共115页24q 以轴振动的位移峰峰值作为评定标准 美国石油学会给出了功率不超过1000kW的中小型涡轮机械轴振动的振动标准API617，其振动许可值为： 式中 A 振动许可值（双振幅），单位： mm; n 机器转速，单位为 r/min。An 25412000.第24页/共115页25趋势监测第25页/共115页26分频段监测第26页/共1

8、15页27第27页/共115页28 监测参数及分析方法 q 监测参数 动态参数 振幅 表示振动的严重程度，可用位移、速 度或加速度表示 振动烈度 描述机器振动状态的一种特征量 相位 对于确定旋转机械的动态特性、故障 特性及转子的动平衡等具有重要意义 第28页/共115页29静态参数轴心位置 在稳定情况下，轴承中心相对于转 轴轴颈中心的位置 轴向位置 是机器转子上止推环相对于止推轴 承的位置 差胀 旋转机械中转子与定子之间轴向间 隙的变化值 第29页/共115页30对中度 指轴系转子之间的连接对中程度，它 与各轴承之间的相对位置有关 温度 轴瓦温度反映轴承运行情况；止推瓦 反映轴承和静止部件的轴

9、向间隙 润滑油压 反映滑动轴承油膜的建立情况第30页/共115页31涡流传感器的安装第31页/共115页32第32页/共115页33第33页/共115页34第34页/共115页35第35页/共115页36相对轴位移 第36页/共115页37相对轴膨胀 第37页/共115页38输入保护滤波正峰值保持负峰值保持峰峰叠加比较电路报警门限精密稳压源振动信号振动信号峰峰值超限报警原理第38页/共115页39间接测量电机电流第39页/共115页40旋转电机倾动电机高炉中心线中心喉管布料溜槽旋转倾动12341011121314155678 9H16171819201-20均为齿轮，其中5，6，17，18为涡

10、轮涡杆，20为扇形齿轮， H为周转轮系系杆 第40页/共115页41第41页/共115页42q 常用图形分析方法 波特图 振幅与频率，相位与频率的关系曲线 010203040506070809001020304050振幅 / m m频率/ Hz01020304050607080903033027021015090相位角/ 度频率/ Hz第42页/共115页43从波特图中可以得到：转子系统在各个转速下的振幅和相位、转子系统在运行范围内的临界转速值、转子系统阻尼大小和共振放大系数、综合转子系统上几个测点可以确定转子系统的各阶振型。第43页/共115页44极坐标图000000000000000002

11、7090180461192322152345241524852555259026212660269528002870315035354900转轴随转速变化时的工频振动矢量图第44页/共115页45轴心位置图95009400920087008000760012004500500360-1.01.01.02.03.0rpmTOP第45页/共115页46轴心位置图是指转轴在没有径向振动情况下轴心相对于轴承中心的稳态位置。通过轴心位置图可判断轴颈是否处于正常位置、对中好坏、轴承标高是否正常、轴瓦有否变形等情况，从长时间轴心位置的趋势可观察出轴承的摩损等。 第46页/共115页47轴心轨迹图李莎育图形

12、-1.2-0.8-0.40.00.40.81.2-1.0-0.50.00.51.0-1.5-1.0-0.50.00.51.01.5-1.5-1.0-0.50.00.51.01.5第47页/共115页48第48页/共115页49油楔轨迹转向1X1X正常转向轨迹预载1X1X不正常第49页/共115页50频谱图和瀑布图 第50页/共115页51第51页/共115页52第52页/共115页530501001502002503000123450 50100150200250300350频率转速X103rpmmm谱幅值Hz 利用瀑布图可以判断机器的临界转速、振动原因和阻尼大小 第53页/共115页54趋势

13、分析趋势分析是把所测得的特征数据值和预报值按一定的时间顺序排列起来进行分析。这些特征数据可以是通频振动、1X振幅、2X振幅、0.5X振幅、轴心位置等，时间顺序可以按前后各次采样、按小时、按天等，趋势分析在故障诊断中起着重要的作用。第54页/共115页554008012016020024028012345678910日期 d振动峰峰值 mm停机门限值报警门限值第55页/共115页56振动可接受区域 xxx xx xxxx1x或2x幅值或相位矢量域旋转方向2709018001x或2x幅值或相位矢量域第56页/共115页57 转子系统主要故障及其诊断 q 不平衡 旋转机械最常见的故障由于设计、制造、

14、安装中转子材质不均匀、结构不对称、加工和装配误差等原因和由于机器运行时结垢、热弯曲、零部件脱落、电磁干扰力等原因而产生质量偏心。转子旋转时，质量不平衡将激起转子的振动。第57页/共115页58特征 振动频率和转速频率一致，转速频率的高次 谐波幅值很低，时域波形接近正弦波； 刚性转子不平衡产生的离心力与转速的平方 成正比，而在轴承座测得的振动随转速增加 而加大，但不一定与转速的平方成正比，这 是由于轴承与转子之间的非线性所致； 在临界转速附近，振幅出现峰值，且相位在 临界转速前后相差近180。第58页/共115页59分类 固有不平衡 转子弯曲：初始弯曲、热弯曲 转子部件脱落 联轴节精度不良 第5

15、9页/共115页60DDDDDDDDb)a)联轴节精度不良引起的初始弯曲a) 端面偏摆 b) 径向偏摆 DDDDDDDD第60页/共115页61q 转子不对中旋转机械一般是由多根转子所组成的多转子系统，转子间一般采用刚性或半挠性联节联接。由于制造、安装及运行中支承轴架不均匀膨胀、管道力作用、机壳膨胀、地基不均匀下沉等多种原因影响，造成转子不对中故障，从而引起机组的振动。 第61页/共115页62DDDDDDDDDDDD平行不对中角度不对中组合不对中第62页/共115页63特征 改变轴承的支承负荷，使轴承的油膜压力也 随之改变，负荷减小的轴承可能会产生油膜 失稳； 最大振动往往在不对中联轴器两侧

16、的轴承上， 且振动值与转子的负荷有关，随负荷的增大 而增高； 平行不对中主要引起径向振动，振动频率为 两倍旋转频率，同时也存在高倍频振动。 第63页/共115页64q 滑动轴承的半速涡动和油膜振荡 轴在轴颈中作偏心旋转时，形成一个进口断面大于出口断面的油楔，如果出口处的油液流速不马上下降，则轴颈从油楔中间隙大的地方带入的油量大于从间隙小的地方带出的油量。由于液体的不可压缩性，多余的油就推动轴颈前进，形成与轴旋转方向相同的涡动运动，涡动速度即为油楔本身的前进速度。 第64页/共115页65ABC+eed2d2oOC-e( .)042048涡动频率约为 第65页/共115页66频率振幅振幅转速 c

17、1c1a)频率振幅振幅转速 b) c1c1频率振幅振幅转速 c) c1c1不同载荷下的油膜振荡特点a) 轻载转子 b) 中载转子c) 重载转子 第66页/共115页67消除油膜振荡的措施有： 增加转子系统的刚度。转子固有频率越高， 产生油膜振荡的失稳转速也越高，系统失稳 转速应在工作转速的125以上； 选择合适的轴承形式和轴承参数。圆柱轴承 制造简单，但抗振性最差，椭圆轴承、三油 楔、多油楔轴承次之。可倾瓦轴承最好；第67页/共115页68 增加外阻尼； 增加轴承比压，改变进油温度或粘度。如切 短轴承长度，在下瓦中部开环形槽等，国产 300MW汽轮发电机组的油膜振荡是通过将轴 瓦长度从430

18、mm缩减到320 mm以及将原30号 油改用20号油来解决的; 减小轴承间隙； 改变进油压力。 第68页/共115页69q 动静摩擦 由于转子弯曲、转子不对中引起轴心严重变形，间隙不足和非旋转部件弯曲变形等原因引起转子与固定件接触碰撞而引起的异常振动。摩擦分全圆径环形摩擦和局部摩擦两种。第69页/共115页70特征 振动频带宽，既有与转速频率相关的低频部 分，也有与固有频率相关的高次谐波分量， 并伴随有异常噪声，可根据振动频谱和声谱 进行判别； 振动随时间而变。在转速、负荷工况一定， 由于接触局部发热而引起振动矢量的变化， 其相位变化与旋转方向相反； 第70页/共115页71 接触摩擦开始瞬间

19、会引起严重相位跳动(大于 10相位变化)。局部摩擦时，无论是同步还 是异步其轨迹均带有附加的环。 摩擦时，轴心轨迹总是反向进动，即与转轴 旋转方向相反，由于摩擦还可能出现自激振 动，自激的涡动频率为转子一阶固有频率， 但涡动方向与转子旋转方向相反。 第71页/共115页72l 齿轮箱故障诊断 齿轮常见故障 q 齿断裂 疲劳断裂或过负荷断裂。最常见的是疲劳断裂，通常先从受力侧齿根产生龟裂、逐渐向齿端发展而致折断。过负荷断裂是由于机械系统速度的急剧变化、轴系共振、轴承破损、轴弯曲等原因，使齿轮产生不正常的一端接触，载荷集中到齿面一端而引起的。 第72页/共115页73q 齿磨损 由于金属微粒、污物

20、、尘埃和沙粒等进入齿轮而导致材料磨损、齿面局部熔焊随之又撕裂的现象。 q 齿面疲劳 由于齿面接触应力超过材料允许的疲劳极限。表面层先是产生细微裂纹，然后是小块剥落，直至严重时整个齿断裂。 q 齿面塑性变形 如压碎、趋皱 第73页/共115页74失 效 原 因失 效 比 重（%）齿轮箱缺陷设 计1240装 配9制 造8材 料7修 理4运行缺陷维 护2443操 作19相邻部件（联轴器、电动机等）缺陷17齿轮箱失效原因及失效比重 第74页/共115页75失 效 零 件失 效 比 重（%）齿 轮60轴 承19轴10箱 体7紧 固 件3油 封1齿轮箱的失效零件及失效比重 第75页/共115页76在生产条

21、件下很难直接检测某一个齿轮的故障信号，一般是在轴承、箱体有关部位测量。当齿轮旋转时，无论齿轮发生了异常与否，齿的啮合都会发生冲击啮合振动，其振动波形表现出振幅受到调制的特点，甚至既调幅又调频。第76页/共115页77齿轮故障在频域中的表现如下： 当齿轮均匀磨损时，啮合频率及其谐波分量 保持不变，但幅值大小改变，高次谐波幅值 增大较多； 调幅现象：由于齿面载荷波动对幅值的影响 造成的，调幅的一个原因是齿轮偏心，此时 的调制频率为齿轮的回转频率。当在齿轮上 有一个齿存在局部缺陷时，相当于齿轮的振 动受到一个短脉冲的调制，脉冲的长度等于 齿的啮合周期；第77页/共115页78t0y载波t0 x调制信

22、号t0 xm调幅波xm(t)=x(t)y(t)=x(t)cos2f0t第78页/共115页79f0f01X(f)Y(f)1/21/20fff0fmfmf0f01/21/20Xm(f)= X(f) Y(f)y(t)=cos2f0tx(t)xm(t)000ttta) 时域波形b) 频域谱图调幅过程调制器x(t)xm(t)= x(t) cos2f0ty(t)第79页/共115页80 调频现象：齿面压力波动、齿轮偏心、齿轮 转速不均匀，不仅产生调幅现象，也会引起 频率调制，其结果是在谱上得到一个调幅与 调频综合形成的边频带。tfmtftffKAtfsfss2sin22sin200若x(t)=Acos2

23、fst，则：f = f0 + Df = f0 + K x(t)(20tKxfdtd第80页/共115页81t0y载波t0 x调制信号t0 xm调频波)2sin2sin(sin)(0tfmtfEEtxsfm)2sinsin(2cos)2sincos(2sin00tfmtfEtfmtfEsfsf第81页/共115页82f0f0-f0fsfs调频波的频谱第82页/共115页83 附加脉冲：附加脉冲是回转频率的低次谐波。 平衡不良、对中不良和机械松动等，均是回 转频率的低次谐波振源，但不一定与齿轮缺 陷直接有关。附加脉冲的影响一般在啮合频 率以下； 隐含谱线：产生的原因为加工误差使齿轮存 在周期性缺陷

24、第83页/共115页84部件失效类型振动频率振幅特征振动方向其它转子失衡fr随fr增大fr= fn有峰值径向受悬臂式载荷时有轴向振动轴弯曲fr, 2fr及nfr随fr增大径向最大截面扁平2fr随fr增大径向联轴器对中不良fr, 2fr及nfr变化不定轴向较大齿轮联轴节振动特征与齿轮相同，但fr= fn时有峰值配合松fr/n, fr或nfr变化不定径向不良fr变化不定径向齿轮箱不同部件故障的振动特征 第84页/共115页85齿轮箱不同部件故障的振动特征（续） 径向变化不定钢球剥落径向变化不定外圈剥落轴承高频振动1060 KHz不易传给其它部位径向变化不定内圈剥落滚动轴承径向随fr增大断齿数fr断

25、齿磨损严重时出现高阶振动， fr的振动能量明显增大径向随fr增大损伤齿数fr齿面损伤齿轮其它振动方向振幅特征振动频率失效类型部件rfDdnZ)cos1 (5 . 0rfDdnZ)cos1 (5 . 0rfDdDdncos)(1 22Z：轴承钢球数；d：钢球直径；D：轴承平均直径；：轴承接触角第85页/共115页86部件失效类型振动频率振幅特征振动方向其它滑动轴承润滑不良fr变化不定径向油膜涡动(0.420.48)fr突变径向油膜振荡fn突变径向基础翘曲不平fr, 2fr及nfr随fr增大轴向较大 刚性不好fr随fr增大而减小径向齿轮箱不同部件故障的振动特征（续） 第86页/共115页87 齿轮

26、振动特征频率的计算)( 60Hznfrznfm60转动频率啮合频率定轴转动齿轮：第87页/共115页8860/crrmnnzf有固定齿圈的行星轮系： -任一参考齿轮的齿数 - 参考齿轮的转数； - 转臂的回转速度，当与参考齿轮转向 相反时取正号，否则取负号。 rzrncn第88页/共115页89 齿轮箱振动信号分析q 倒谱：边频带分析 第89页/共115页90q 包络解调 f0f0Y(f)1/21/20f同步解调ff0f01/21/20Xm(f)乘法器x(t)xm(t)载波y(t)调幅波低通滤波fcfcXm(f) Y(f)2f02f01/41/401/2低通fmfmtftxtxtftftx00

27、04cos)(21)(212cos2cos)(第90页/共115页91a)整流检波解调d)c)f)b)e)第91页/共115页92第92页/共115页93q 包络解调：希尔伯特变换 复解析信号： )( )()(tx jtxtzduuhutxthtxtx)()()(*)()( 要求z(t)的频谱等于x(t)的单边谱（只包含正频率部分）。 第93页/共115页94)(1)()()()()()(*)()()(fjHfXfHfjXfXfZthtjxtxtz0000)(fjffjfHtdfefHthftj1)()(2dtxttxthtxtx)(11*)()(*)()( Hilbert变换包络信号： )(

28、)()(22txtxtA第94页/共115页95 )2cos()2cos(1 (tftftxcmHzfm20Hzfc400采样频率5000Hz，点数1000 第95页/共115页96q 时频分析：小波变换第96页/共115页97q 时域平均：提取微弱信号滤波时标压缩扩展处理 信号平均 光滑滤波T第97页/共115页98l 滚动轴承的振动信号分析 滚动轴承的故障机理磨损 由于滚道和滚动体的相对运动和尘埃异物引起表面磨损，润滑不良会加剧磨损，结果使轴承游隙增大，表面粗糙度增加，降低了轴承运转精度，因而也降低了机器的运动精度，表现为振动水平及噪声的增大；第98页/共115页99表面损伤 损伤故障产生

29、的冲击振动从性质上可分为两类： 轴承元件工作表面损伤点在运行中反复撞 击与之相接触的其它元件表面而产生的低 频振动成分，其频率与转速和轴承的几何 尺寸有关，这一频率称为故障特征频率； 由于损伤冲击作用而诱发的轴承系统的高 频固有振动成分，如轴承内、外圈的径向 弯曲固有振动，滚动体的固有振动，或者 是测振传感器的固有振动。第99页/共115页100 滚动轴承振动信号分析特点：频率成分丰富，频带很宽。 在低频带(1kHz以下)，主要包含有轴承故 障特征频率和加工装配误差引起的振动特 征频率。这一频带易受机械中其它零件及 结构的影响，并且在故障初期反映损伤类 故障冲击的特征频率成分信息的能量很小， 信噪比较低。第100页/