机械故障诊疗学第二章振源分析

1、机械故障诊疗学第二章振源分析第2章 振源分析 所有的包含运动部件的机械，在正常的运行过程中，都会产生机械力。而且，在当机器的机械状态由于，磨损、运行环境的变化和负载波动等原因发生变化时，机械力同样也会发生变化。正确理解机械动力学，理解机械力会如何产生独特的振动频率，是正确理解振源分析的关键。 振动不仅仅只是出现。而且具有数学表达式，具有物理意义，机器中每个部件的振动，都具有数学表达式（或称，力函数）。这些部件的振动，可以由FFT变换或频域分析后的离散峰值表示。 因机械运动而产生的振动，是一种力不平衡的结果。根据定义，理想状态下，运动系统的产生力或作用于其上的所有的力应处于平衡状态。但实际上，总

2、存在一定的不平衡，所有机械都存在一定的振动。 本章讨论常见的旋转机械、往复式或线性运动机械的振源。2.1 旋转机械振源分析 旋转机械具有一个或多个机械部件，随轴的旋转而运动。如：滚动轴承、叶轮、以及其他回转体。在平衡良好的机械中，所有回转体都绕中心线旋转，所有力都是平衡的。但是，工业实际中，力不平衡非常普遍。力不平衡的原因除了回转体的不平衡引起，也会因为通过旋转机械的介质流动不平稳而产生。2.1.1 转子不平衡 机械不平衡状态：回转体在中心线两边的质量分配不均匀。 许多情况下，转子动不平衡是由于转子向心力与离心力不平衡所引起。也可以由升举力与重力不平衡所引起。 从机械设计的角度分析，当机械在正

3、常运行参数下工作，竖直向上的升举力，必须克服转子自身重力，使得转子恰好在轴承结构的中心来旋转。 但是，由于重力和大气压力会随着海拔高度的变化而存在差异，所以，在实际的工作环境中，升举力一般不会恰好补偿向下的重力。当设计的升举力与实际升举力偏差较大时，转子就不会恰好围绕其实际中心线旋转。这个旋转的偏移量就产生了不平衡力与可以测量的振动。2.1.2 流体不稳定与运行工况影响 受因紊流或不平衡介质流动而引起的不平衡力的旋转机械：泵、鼓风机、压缩机。 这些机械在设计过程中，就必须考虑气体、或液体在回转体内部的动态力。这些动态力的合力与支撑系统（如，轴承与轴承座）的刚度，决定了振动水平。转子支撑刚度非常

4、重要，因为，流体不稳定产生的不平衡力可以是转子部件旋转偏离中心线，而支撑刚度可以抵消偏移。 运行偏离机器的设计工况可以影响流量的稳定性，可能直接影响振动幅值。例如，离心压缩机在流体负载100%（额定负载）的工况下，振动相对很低。但是，当负载降低时，就径向振动会发生变化。当负载降低为额定负载的50%时，即使压缩机机械状态不发生变化，振动能量也将增加为400%。（如何理解？）另外，径向振动变化，又会反过来约束管道入口或出口的流体，从而产生紊流。 紊流或者不平衡介质流动（如，空气动力学或水力不稳定）不会像由于负载改变引起的振动那样，对整机振动产生二次方的影响，但是也会增加振动的总体能量。可以用特征振

5、动来量化机械内不稳定性。不平衡流体的特征振动可以用旋转部件叶片的通过频率来表示。另外，气体或液体通过机器时的随机噪声也会增加。2.1.3 机械运动和力 清楚地知道机器中机械运动形式和方式是振动分析的基础。与过程中产生的力一起分析，是故障诊断准确性的基础。 机械内部所有部件的机械运动，都可以表现在机械链振动频谱中，对应每个特有频率。例如，电动发电机中旋转部件的轴向间隙或者轴向位移，可以增大轴的实际转速的基频（1x），二倍频（2x）与三倍频（3x）幅值。 气体或液体通过机械产生的力同样在机器频谱中具有特有的频率分量。在相对稳定或是层流情况下，介质流过机械会轻微增加叶片通过频率的幅值。在更严重的情况

6、下，紊流情况下，介质的流动会产生宽带、白噪声频谱。 其他力，如V-型带传动产生的边缘载荷，也会产生特有的频率分量，或改变现有的频率分量。例如，过紧的皮带张力会增加机械链轴的边缘载荷，进而会改变轴承的负载区域，最终增加轴承外圈频率的幅值。 外加力或诱导载荷都会使机械传动链中的轴发生偏移。因此，轴会偏离轴线旋转，就增大了基频（1x）处的幅值。2.2 往复式/线性运动机械 本节讨论往复式/线性运动机械中典型的振动行为。 2.2.1 机械描述 往复式机械在一个工作循环中，双向往复运动；往复式压缩机结构示意图 曲轴旋转一周，活塞往复一次，气缸内相继实现进气、压缩、排气的过程，即完成一个工作循环。底座底座

7、曲轴曲轴连杆连杆活塞活塞气阀气阀往复式压缩机的基本结构曲轴十字头导轨大头瓦连杆曲轴箱十字头销十字头主轴承 小头瓦往复式压缩机的基本结构排气阀进气阀填料活塞杆活塞刮油环润滑系统故障油压突然降低油压逐渐降低润滑油温度过高润滑油消耗量过大冷却系统故障排气温度过高冷却效果差气缸内有水压力异常排气压力过高、过低进排气阀漏气压力分配失调异常声响和过热运动部件异常声响工作摩擦过热空压机过热安全阀故障不能适时开启阀芯密封不严安全阀开启但压力继续升高主要零、部件损坏活塞环磨损过快连杆与连杆螺栓损坏活塞咬死和损坏常见故障往复式压缩机关键部件的常见故障形式往复式压缩机关键部件的常见故障形式 线性工作机械在一个工作循

8、环中，单向直线运动。 几乎没有机械是纯粹往复运动的。大多数既包括旋转，又包括往复线性运动，以完成既定工作。例如，往复式压缩机，既包括用机轴（曲轴）旋转，以将动力传递给一个或多个往复运动的活塞，活塞在汽缸中直线运动，以压缩介质做功。2.2.2 振源分析 振动谱是旋转与线性运动产生力的合成。 但是，此类机械所产生的间隔或频率分量并不一定联合某一个完整的轴循环。在2冲程往复式发动机中，活塞完成1个工作循环，曲轴完成360的工作循环；4冲程发动机中，曲轴必须完成2个完整的循环，即旋转720，所有活塞完成1个完整的工作循环。 工作原理决定了往复机械不平衡力要明显高于旋转机械，例如，往复式压缩机驱动每个活

9、塞从气缸的最远端到最近端，再返回到最远端。每次方向改变都会引起机器振动能量的突然增加。每次活塞反转方向，频谱中都会出现瞬间峰值。 线性运动的机械所产生的振动分量与往复式机械类似，最大的不同就是不具有往复式机械方向改变时产生的瞬时冲击。基于固有特性分析的压缩机减振研究松动松动2下的四阶模态位移云图下的四阶模态位移云图松动松动2下的十阶模态位移云图下的十阶模态位移云图松动松动1下的二阶模态位移云图下的二阶模态位移云图松动松动1下的六阶模态位移云图下的六阶模态位移云图建议：定期检建议：定期检查地脚螺栓是查地脚螺栓是否松动，并定否松动，并定期进行加固。期进行加固。 地脚螺栓出地脚螺栓出现松动的位置其现

10、松动的位置其振动加剧。振动加剧。 振动的基本知识振动的基本知识 1 时域诊断法时域诊断法 2 频域诊断法频域诊断法 3 倒频域诊断法倒频域诊断法 4 幅值域诊断法幅值域诊断法 5 相关域诊断法相关域诊断法 6第四章第四章 振动诊断的主要方法振动诊断的主要方法机械振动机械振动: :是指物体在平衡位置附近的往复运动。是指物体在平衡位置附近的往复运动。 实际的振动系统是复杂多样的实际的振动系统是复杂多样的, ,研究时必须建立其力学模型研究时必须建立其力学模型, ,以便利用数学工具进行分析以便利用数学工具进行分析, ,找出基本规律。常用的力学模型找出基本规律。常用的力学模型称为质量称为质量弹簧系统。弹

11、簧系统。 振动的基本知识振动的基本知识 1振动三要素振动三要素 振动幅值振动幅值A A 振动周期振动周期T/T/频率频率f f 振动相位振动相位 振动的基本知识振动的基本知识 1时间时间一个周期一个周期位移位移( (峰值峰值) )相位角相位角振动最高点振动最高点轴键相轴键相幅值幅值1 1、振动波形的表达、振动波形的表达x(t)=Ax(t)=A* *sin(2ft+)sin(2ft+)A-A-振幅，大小振幅，大小f-f-频率，快慢频率，快慢2 2、振动的位移、速度、加速度指标、振动的位移、速度、加速度指标位移：位移： x(t)x(t)速度：速度： v(t)=dx(t)/dt=fAcos(2ft+

12、)v(t)=dx(t)/dt=fAcos(2ft+)加速度：加速度：a(t)=dv(t)/dt=-fa(t)=dv(t)/dt=-f2 2Asin(2ft+)Asin(2ft+) 三者间频率三者间频率 f f 不变，最大幅值呈不变，最大幅值呈 f f 倍递增倍递增 位移位移x xmaxmax=A =A 速度速度 v vmaxmax=fA =fA 加速度加速度 a amaxmax=f=f2 2A A 振动的基本知识振动的基本知识 13 3、位移、速度、加速度的选择原则、位移、速度、加速度的选择原则: : 受传感器结构及频响特征影响，测量对象为：受传感器结构及频响特征影响，测量对象为： 低频振动：

13、低频振动：f100Hzf100Hz，位移，电涡流传感器位移，电涡流传感器 中频振动：中频振动：f500Hzf500Hz，速度，动圈式传感器速度，动圈式传感器 高频振动：高频振动：f20KHzf x(t)- x(f) - S(f),x(f) - S(f),功率谱功率谱是求频谱的主要方法是求频谱的主要方法2)Blackman-Tukey2)Blackman-Tukey法法 相关分析相关分析 fftfft x(t)- x(t)- R(t) - S(f)R(t) - S(f) - (-(fft)-fft)-频域乘频域乘-(-(log)-log)-频域和频域和-(-(fftfft-1-1)-)-倒谱倒谱

14、 倒频域诊断法倒频域诊断法 43 3 、倒频谱的变换步骤、倒频谱的变换步骤: : 1)1)先进行先进行FFTFFT变换，使时域的卷积等于频域相乘：变换，使时域的卷积等于频域相乘： y(f)=x(f)h(f) y(f)=x(f)h(f)2)2)取对数，使积变为和：取对数，使积变为和： Log(y(f)=log(x(f)+log(h(f) Log(y(f)=log(x(f)+log(h(f)3)3)进行频谱反变换：进行频谱反变换： C(q)=f C(q)=f-1-1(log(y(f)(log(y(f)4 4 、倒频谱的种类、倒频谱的种类: : 功率倒谱：功率倒谱： Cq=f(log(S(f)Cq=

15、f(log(S(f)幅值倒谱：幅值倒谱： Cq=f(log(x(f)Cq=f(log(x(f)类自相关倒谱：类自相关倒谱： Cq=fCq=f-1-1(log(S(f)(log(S(f) 倒频域诊断法倒频域诊断法 45 5、倒频谱应用、倒频谱应用: : GxGx为信号，频率较高；为信号，频率较高；GhGh为系统函数，频率较低，两者进行了卷积为系统函数，频率较低，两者进行了卷积混叠，如图混叠，如图( (a)a)。 进行倒谱分析后，倒频率为进行倒谱分析后，倒频率为q2,q1 q2,q1 ，较为明显较为明显, ,如图如图( (b)b) 。 倒频域诊断法倒频域诊断法 41 1、幅值域公式、幅值域公式:

16、: 横坐标为横坐标为“幅值幅值”，纵坐标为，纵坐标为“概率密度值概率密度值”。 幅值域函数也称为幅值域函数也称为“概率密度函数概率密度函数”，反应了各种幅值在总体数据中，反应了各种幅值在总体数据中的分布情况。的分布情况。()()iin xp xN n(x n(xi i) )x xi i的个数；的个数；N N 所有幅值的个数所有幅值的个数2 2、幅值域诊断法原理、幅值域诊断法原理: : 根据概率密度函数曲线的形状进行诊断。根据概率密度函数曲线的形状进行诊断。 当设备发生故障时，振动加剧，大幅值的数目增多，其比例值增大，当设备发生故障时，振动加剧，大幅值的数目增多，其比例值增大，曲线形状由曲线形状

17、由“尖、瘦尖、瘦”变为变为“矮、胖矮、胖”。 幅值域诊断法幅值域诊断法 53 3、幅值域诊断法的应用、幅值域诊断法的应用: : 正常与故障轴承的概率密度函数曲线正常与故障轴承的概率密度函数曲线 幅值域诊断法幅值域诊断法 51 1、自相关公式、自相关公式: : ( )R 用于求解周期信号。用于求解周期信号。 是延迟的时间是延迟的时间 ，将信号，将信号x(t)x(t)平移过一段平移过一段间距间距 ，得，得x(tx(t ) )或或x(t-x(t- ) )，再相乘、求和再相乘、求和。 01( )( ) ()TxRx t x tdtT时延域时延域( (相关相关) )诊断法诊断法 6自相关分析法，主要是对

18、信号自相关分析法，主要是对信号 的自相关函数的自相关函数 进行求解，并通过进行求解，并通过 对信号中的周期成分进行分析，从而找出故障振源。对信号中的周期成分进行分析，从而找出故障振源。( )x t( )R( )R2 2、自相关求解、自相关求解: :1)1)间接法间接法( (Blackman-TukeyBlackman-Tukey法法) )： fft fftfft fft-1-1 x(t) S(f)R(t) x(t) S(f)R(t) 相关系数相关系数 2)2)直接法：直接法：k ik i0 x(0)x(0)+x(1)x(1)+ x(N-1)x(N-1) 0,N-10 x(0)x(0)+x(1)

19、x(1)+ x(N-1)x(N-1) 0,N-11 x(0)x(1)+x(1)x(2)+x(N-2)x(N-1) 0,N-21 x(0)x(1)+x(1)x(2)+x(N-2)x(N-1) 0,N-22 x(0)x(2)+x(1)x(3)+x(N-3)x(N-1) 0,N-32 x(0)x(2)+x(1)x(3)+x(N-3)x(N-1) 0,N-3N-2 x(0)x(N-2)+x(1)x(N-1) 0,1N-2 x(0)x(N-2)+x(1)x(N-1) 0,1N-1 x(0)x(N-1) 0N-1 x(0)x(N-1) 0(1)(1)当当k=0k=0时，值为最大。时，值为最大。(2)(2)

20、对于周期信号，当延时至周期一半时，将出现最大负值。对于周期信号，当延时至周期一半时，将出现最大负值。101( )( ) (),0,.,1NkxiR kx i x ikkNNk 时延域时延域( (相关相关) )诊断法诊断法 63 3、自相关诊断原理、自相关诊断原理: : (1) (1) 当当x(t)x(t)为随机信号时，为随机信号时，x(t)x(t)与与x(tx(t ) )的乘积有正有负，求和后的乘积有正有负，求和后R(R() )值较小，并逐渐衰减。值较小，并逐渐衰减。随机信号随机信号随机信号的相关函数随机信号的相关函数时延域时延域( (相关相关) )诊断法诊断法 6 (2) (2) 当当x(t)x(t)为周期信号时，为周期信号时，x(t)x(t)与与x(tx(t ) )的乘积之和正负性稳定，的乘积之和正负性稳定，R(R()值呈周期性变化。值呈周期性变化。 主要对周期性的故障信号进行检测。主要对周期性的故障信号进行检测。周期信号周期信号周期信号的相关函数周期信