旋转机械故障诊断专项训练题

旋转机械故障诊断专项训练题引言旋转机械作为工业生产中的关键设备，其安全稳定运行直接关系到生产效率与经济效益。故障诊断技术是保障此类设备可靠运行的核心手段之一，它要求从业人员不仅具备扎实的理论基础，更需要丰富的实践经验和敏锐的分析能力。为帮助相关技术人员巩固专业知识、提升故障甄别与分析技能，特编写本专项训练题。本训练题旨在模拟实际工程场景，涵盖常见故障类型与典型诊断方法，期望通过练习，深化对旋转机械故障机理与诊断逻辑的理解。专项训练题一、选择题(单选或多选)1.在旋转机械振动诊断中，下列哪种故障最可能导致振动信号中出现明显的1倍频（工频）分量幅值增大，且相位稳定？A.转子不平衡B.转子不对中C.滚动轴承外圈故障D.齿轮齿面磨损2.当一台离心泵在运行中，其振动频谱在2倍转频处出现较高幅值，并伴随有明显的轴向振动，最可能的故障原因是：A.叶轮不平衡B.泵与电机对中不良（平行不对中为主）C.泵与电机对中不良（角度不对中为主）D.基础松动3.关于滚动轴承故障的振动特征，以下描述正确的有：A.内圈故障的特征频率与转速成正比B.外圈故障的特征频率受转速影响较小C.滚动体故障会产生特定的通过频率，且常伴有边频带D.轴承故障发展到一定程度时，振动信号的峭度值会显著增大4.在齿轮箱故障诊断中，常关注的频率成分包括：A.齿轮啮合频率B.齿轮旋转频率（轴频）C.啮合频率的谐波及边频带D.轴承的特征频率二、简答题1.简述旋转机械振动信号采集时，传感器的安装位置和安装方式对测量结果有何重要影响？在实际操作中应如何选择和保证？2.什么是“共振”？在旋转机械故障诊断中，如何识别和避免共振对诊断结果的干扰？3.简述油液分析技术在旋转机械故障诊断中的主要应用，以及它与振动诊断技术相比，有哪些独特的优势和局限性？三、案例分析题背景：某化工厂一台离心式空气压缩机，型号为2MCL457，额定转速约为某千转每分钟。近期操作人员反映机组振动较以往有明显增大，且在机组外壳处可听到异常声响。维护人员对其进行了振动数据采集，主要测量位置为电机轴承座、增速箱输入轴和输出轴轴承座、压缩机各级叶轮轴承座，测量方向包括水平、垂直和轴向。部分测量数据特征如下：1.增速箱输出轴轴承座水平方向振动速度有效值较历史数据上升约60%。2.对该点振动信号进行频谱分析，发现其在齿轮啮合频率（已知该增速箱为二级增速，高速级齿轮齿数Z1=25，Z2=100）处有较高幅值，并伴有明显的、间隔均匀的边频带，边频带间隔近似为增速箱输入轴的旋转频率。3.其他测点振动值虽有小幅波动，但频谱特征不明显。问题：1.根据上述信息，试分析该离心式空气压缩机最可能存在的故障部位及故障类型，并说明判断依据。2.为进一步确诊故障，你认为还需要进行哪些补充检查或数据采集？3.若初步判断成立，简述在不立即停机的情况下，可采取哪些临时性监控措施，以及后续应优先考虑的维修策略。参考答案与解析一、选择题1.答案：A.转子不平衡解析：转子不平衡是引起旋转机械振动最常见的原因之一。其振动特征主要表现为1倍频（工频）分量幅值较大，且相位稳定。不对中故障通常会伴有明显的2倍频分量。滚动轴承外圈故障和齿轮齿面磨损则会出现其特定的故障特征频率。2.答案：B.泵与电机对中不良（平行不对中为主）解析：平行不对中主要引起径向振动，特别是在2倍转频处会有较高幅值。角度不对中则轴向振动更为突出，常伴有2倍频甚至更高阶次的谐波。叶轮不平衡以1倍频为主。基础松动可能导致多个频率成分的振动增大，且相位不稳定。3.答案：A,C,D解析：滚动轴承内圈、外圈和滚动体的故障特征频率均与转速相关（通过公式计算，与转速成正比），故A正确，B错误。滚动体故障会产生滚动体通过内圈或外圈的特征频率，当故障较为严重或存在轴系不对中等情况时，常伴有以轴频为间隔的边频带，C正确。峭度值对冲击信号敏感，轴承故障初期即会有冲击产生，故峭度值会显著增大，D正确。4.答案：A,B,C,D解析：齿轮箱故障诊断中，齿轮啮合频率及其谐波是判断齿轮啮合状态的重要依据；齿轮旋转频率（轴频）可反映轴系的基本状态；边频带的出现和特征（如间隔、幅值）能提供关于齿轮调制、偏心、齿距误差等信息；同时，齿轮箱内的滚动轴承故障也会通过其特征频率在频谱中体现。因此，以上所有选项均正确。二、简答题1.参考答案：传感器的安装位置和安装方式直接影响振动信号的真实性、准确性和信噪比，是保证诊断结论可靠性至关重要的环节。*安装位置：应选择在振动信号传递路径短、刚性好的部位，通常是轴承座或靠近被监测转子的支撑结构上，避免安装在柔性基础、盖板或远离振源的位置，以减少信号衰减和失真。对于特定故障诊断（如齿轮、轴承），应尽量靠近故障可能发生的部件。*安装方式：常用的有磁座吸附、螺栓连接、手持探针等。螺栓连接方式刚性最好，测量最准确，但安装不便；磁座吸附是现场最常用的方式，需保证磁座与被测表面紧密贴合，表面应清洁平整；手持探针方式便捷但人为因素影响大，精度低，仅适用于粗略检查。*实际操作中：应优先选择螺栓或优质磁座安装；确保传感器与被测表面垂直（针对单向传感器）；测量同一部位的历史数据时，应保持安装位置、方向、方式的一致性，以保证数据的可比性。2.参考答案：*共振：当外界激励频率与机械系统的固有频率相等或接近时，系统将产生共振，此时振幅会急剧增大，可能导致结构损坏或强烈振动。*识别共振：通过进行启停机过程的升速/降速振动测试（瀑布图或Bode图），观察振动幅值随转速（频率）的变化，若在某一转速下振动幅值突然显著增大并迅速减小，则该转速对应的频率即为系统的一个共振频率。也可通过模态分析等方法获取系统固有频率。*避免共振干扰：设计时应使机械系统的固有频率远离其工作转速及主要激励频率；若无法避免，可通过增加阻尼、改变系统刚度或质量等方式调整固有频率；在故障诊断时，需识别出共振频率成分，避免将其误认为是故障特征频率，必要时可通过改变激励或测试方法来区分。3.参考答案：*油液分析技术主要应用：检测润滑油中磨屑的浓度、尺寸、形貌、成分等，判断设备内部的磨损部位、磨损类型（如黏着磨损、磨粒磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损等）和磨损严重程度；监测油液的理化性能指标（如黏度、酸值、水分、污染度等），评估油液的劣化程度和适用性，指导换油。*优势：能早期发现潜在的磨损故障，特别是对于封闭或不易接近的部件；可同时评估润滑油状态；信息量大，能提供磨损颗粒的直接证据。*局限性：对突发性故障（如断裂、严重不平衡）响应不如振动诊断及时；故障定位精度相对较低，通常只能定位到部件级别；采样和分析过程对结果影响较大，需要规范操作；对于非摩擦副的故障（如松动、不对中早期）敏感性较差。振动诊断则能更直接地反映动态力学行为，故障定位和类型识别更精准，但对早期磨粒磨损的敏感性不如油液分析。两者结合可实现优势互补。三、案例分析题参考答案与解析：1.最可能的故障部位及类型：增速箱高速级齿轮（主动轮或从动轮）存在齿面损伤或严重的齿形误差（如齿面剥落、严重磨损、断齿初期等）。判断依据：*振动主要异常点在增速箱输出轴轴承座，说明故障源靠近该区域。*频谱特征中，齿轮啮合频率处幅值较高，表明齿轮啮合过程存在异常。啮合频率是齿轮故障诊断的核心频率。*伴有明显的、间隔均匀的边频带，且边频带间隔近似为增速箱输入轴的旋转频率。这通常表明齿轮存在偏心、齿距不均匀或局部缺陷，导致啮合频率被输入轴的旋转频率调制。输入轴的旋转频率作为调制频率，说明问题可能出在与输入轴相连的齿轮（高速级主动轮，Z1=25），或由于主动轮的问题导致从动轮（Z2=100，与输出轴相连）也产生相应的振动响应。*其他测点振动不明显，进一步缩小了故障范围至增速箱内部。2.补充检查或数据采集建议：*细化振动测试：对增速箱高速级齿轮箱壁或轴承座进行更近距离的振动测量，包括更高分辨率的频谱分析、倒频谱分析（以识别边频带模式）、时域波形观察（看是否有冲击特征）。*相位分析：测量增速箱输入轴和输出轴的振动相位，有助于判断故障是主动轮还是从动轮。*油液分析：采集增速箱润滑油样进行铁谱分析和光谱分析，观察油中是否存在大量与齿轮材料相符的磨粒，特别是是否有片状、块状等异常磨粒，以佐证齿轮磨损或损伤。*外观检查：在安全条件下，检查增速箱油温、油位、有无渗漏，倾听异常声音的具体来源。若有机会打开观察孔，可直接目视检查齿轮表面状况。*历史数据分析：对比该机组近期的振动趋势数据，分析故障发展的速度和程度。3.临时性监控措施与维修策略：*临时性监控措施：*加密振动监测频次：从目前的常规监测改为每日甚至每班监测，密切关注振动幅值变化趋势和频谱特征演变。*增加温度监测：密切监控增速箱轴承温度和油温，温度异常升高往往是故障恶化的重要信号。*油液状态监测：可缩短油液分析周期，关注磨粒浓度和类型的变化。*负载控制：在不影响主要生产的前提下，适当降低机组负荷，避免在高负荷、高转速下长时间运行，以减缓故障发展。*制定应急预案：准备好停机后的检修方案、备件（如齿轮、轴承）等，一旦振动急剧恶化或出现其他紧急情况，能立即停机处理。*后续维修策略：*优先考虑停机检修：根据故障初步判断和发展趋势，建议尽快安排计划性停机，对增速箱进行解体检查，重点检查高速级齿轮的齿面状况、齿侧间隙、轴承游隙等。*维修方式：根据检查结果，若齿面损伤较轻，可考虑进行齿面修复（如珩齿、研磨）；若损伤严重或齿轮已有断齿风险，则必须更换受损齿轮。同时检查并更换润滑油，清洗油滤油器。*修后验证：维修完成后，需进行开机试运行和振动测试，确保振动值恢复正常，频谱特征无异常，方可投入正常运