设备状态监测与故障诊断基础.ppt

1、设备状态监测与故障诊断技术基 础 知 识,郑州恩普特设备诊断工程有限公司,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。,应用设备故障诊断技术的目的： 采用设备故障诊断技术，至少可以达到以下目的： 保证设备安全，防止突发事故； 保证设备精度，提高产品质量； 实施状态维修，节约维修费用； 避免设备事故造成的环境污染； 提高企业设备的现代化管理水平，给企业带来较大的经济效益和良好的社会效益。,振动诊断的基本知识,振动是物体运动的一种形式，通常是指物体经过其平衡位

2、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%。,按振动频率分类,机械振动,低频振动：f 10 Hz,中频振动：f = 10-1000 Hz,高频振动：f 1000 Hz,振动的一般分类,振动三要素及其在振动诊断中的应用,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

3、 作为判别参数，因为它最能够反映振动的烈度。,振动三要素及其在振动诊断中的应用,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。,振动信号处理,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。,信号处理的基本方法有：时域分析，幅域分析，频域分析和相域分析。 时域分析 - 就是对信号在时间域内的分析或变换； 幅域分析 - 就是对信号在幅值上进行各种分析； 频

4、域分析 - 就是要确定信号的频率结构，即弄清楚信号中都包含有哪些频率成分及各频率成分的幅值大小； 相域分析 - 就是进行相位值测量及对相位随时间的变化进行分析。,时域分析又包含有：波形图，自相关，互相关，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,相位谱,另外，还有三维功率谱，细化谱等等 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。纵坐标为机器的转速，自零升到额定转速（起动

5、）、或从额定转速降到零（停车）；横坐标为频率；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，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,其某频段的细化谱,现场测试诊断的实施步骤,诊断步骤概括为准备工作、诊断实施和决策验证等3个环节，具体分为6个步骤来介绍

6、。 一. 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 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，并在结构图上表明或另予说明。这些零件包括：轴承

7、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。,2. 机器的工作原理及运行特性 主要了解以下内容： 1）各主要零部件的运动方式：旋转运动还是往复运动； 2）机器的运动特性：平稳运动还是冲击性运动； 3）转子运行速度：低速(1000 Hz)，匀速还是变速等等。,3. 机器的工作条件 1）载荷性质：均载还是冲击载荷； 2）工作介质：有无尘埃、颗粒性杂质或腐蚀性气体（液体）； 3）周围环境：有无严重的干扰（或污染）源存在，如振源，粉尘、热源等。,4.设备基础型式及状况 搞清楚是刚性基础还是弹性基础等等。 5.主要资料档案资料 设备原始档案资料、设备检修资料、设备故障记录档案等

8、。,二. 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. 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：,1）对振动反映敏感 所选测点在可能时要尽量靠近振源，避开或减少信号在传播通道上的界面、空腔或隔离物(如密封填料等)最好让信号成直线传播。这样可以减少信号在传播途的能量损失。 2）适合于诊断目的 3）符合安全操作要求 因为测量时，设备在运行，因此需要注意安全问题。 4）适合于安置传感器 有足够的

9、空间，有良好的接触，测点部位有足够的刚度等。,通常，轴承是监测振动最理想的部位，因为转子上的振动载荷直接作用在轴承上，并通过轴承把机器和基础联接成一个整体，因此轴承部位的振动信号还反映了基础的状况。所以，在无特殊要求的情况下，轴承是首选测点。如果条件不允许，也应使测点尽量靠近轴承，以减小测点和轴承之间的机械阻抗。此外，设备的地脚、机壳、缸体、进出口管道、阀门、基础等，也是测振的常设测点。,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

10、现垂直方向幅值大的现象，并伴随着高次频率成份。,2. 预估频率和振幅 振动测量前，对所测振动信号的频率范围和幅值要做基本的预估，防止漏检某些可能存在的故障信号而造成误判或漏诊。通常可采取以下几种方法： 1）根据经验，估计各类常见多发故障的振动特征频率和振幅。 2）根据结构特点、性能参数和工作原理计算出某些可能发生的故障特征频率。 3） 广泛搜集诊断知识，掌握一些常用设备的故障特征频率和相应的振幅大小。,3. 确定测量参数 经验表明，根据诊断对象振动信号的频率特征来选择参数。通常的振动测量参数有加速度、速度和位移。一般按下列原则选用： 低频振动（1000Hz） 采用位移。,对大多数机器来说，最佳

11、诊断参数是速度，因为它是反映振动强度的理想参数，国际上许多振动标准都采用速度有效值作为判断参数，而国内一些行业大多采用位移作为诊断参数。所以在选择测量参数时，还须与所采用的判断标准使用的参数相一致，否则判断状态时将无据可依。,4. 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

12、。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。对多数机械来说，其振动水平通常是随频率变化的。,5. 选择与安装传感器 用于测量振动的传感器有三种类型，一般都是根据所测量的参数类型来选用：测量位移采用涡流式位移传感器，测量速度采用电动式速度传感器，测量加速度采用压电式加速度传感器。在现场主要是使用压电式加速度传感器测量轴承的绝对振动。,6. 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

13、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”。,三. 进行振动测量与信号分析 1. 测量系统 目前，有两种基本的简易振动诊断系统可用于现场，它们分别代表了 简易诊断发展的不同的发展阶段。一种是模拟式测振仪所构成的测量系统，一种是以数据采集器为代表的数字式测振仪所构成的测量系统。 2. 振动测量信号分析 确定了诊断方案以后，根据诊断目的对设备进行各项相关参数测量。一般来讲，如果现场条件允许，每个测点都是测量三个方向的振动值。即水平、垂直和轴向。而且要定点、定时地进行测量，以有利于进行比较。,3. 数据记录

14、整理 测量数据一定要作详细记录。记录数据要有专用的表格，做到规范化，完整而不遗漏。最好将数据分类整理，每个测点按方向整理，用图形或表格表示，这样做有利于抓住特征，也便于发现一些问题。,四. 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。,五. 做出诊断决策 通过测量分析、状态识别等几个程序，搞清楚了设备的实际状态，也就为处理决策创造了良好的条件。这时应当提出处理意见：或是继续运行，或是停机修理。对需要修理的设备，应当指出修理的具体内容，如待处理的故障部位、所需要更换

15、的零部件等。,六.检查验证 设备诊断的全过程并不是做出结论就算完了，最后还有重要的一步，就是必须检查验证诊断结论及处理决策的结果。诊断人员应当向用户了解设备拆机检修的详细情况及处理后的效果，如果有条件的话最好亲临现场查看，检查诊断结论与实际情况是否相符，这是对整个诊断过程最权威的总结。如果相符，既为企业解决了问题，同时又增加了测试诊断人员对以后工作的信心，要及时地总结经验，继续努力，争取在今后的工作中做得更好。否则，也不要气馁，要竭力分析和找出其中的主要原因，以免在今后的工作中再犯同样的错误，争取在下一次把工作做扎实。,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

16、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,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. 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

17、、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。,1. 转子特性 转子组件是旋转机械的核心部分，它是由转轴及固装在其上的各类圆形盘状零部件所组成。旋转机械的故障诊断主要是监测诊断转子的运行状态。从转子动力学的角度说，转子系统分为刚性转子和柔性转子。 刚性转子 转子的转速低于其本身第一阶临界转速的转子。 柔性转子 转子的转速高于其本身第一阶临界转速的转子。,2. 旋转机械振动的频率特征 旋转机械的振动信号大多数是一些周期信号、准周期信号或平稳随机信号，旋转机械振动故障的特征有一个共同点，就是其故障特征频率都与

18、转子的转速有关，等于转子的回转频率（简称转频，又称工 频）及其倍频或分频。 分析振动信号的频率与转频的关系是诊断旋转机械故障的金钥匙。,故障特征频率与转频的三种关系 1） 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）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）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

19、时存在以上三种振动。,获取旋转机械故障信号的主要途径： 1） 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）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） 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,旋转机械

20、常见故障产生的原因及其频谱特征,表2 转子质量偏心的振动特征,表3 转子质量偏心的敏感参数,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,表6 转子质量偏心的故障原因,表7 转子部件缺损的故障原因,表8 转子弓形弯曲的振动特征,表9 转子弓形弯曲的敏感参数,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,表12 转子弓形弯曲的故障原因,表13 转子临时性弯曲的故障原因,表14 转子不对中的振动特征,表15 转子不对中的敏感参数,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,表18 油膜涡动的振动特征,表19 油膜涡动的敏感参数,表20 油膜涡动

21、的故障原因,表21 油膜振荡的振动特征,表22 油膜振荡的敏感参数,表23 油膜振荡的故障原因,表24 旋转失速的振动特征,表25 旋转失速的敏感参数,表26 旋转失速的故障原因,表27 区别旋转失速与油膜振荡的主要方法,表28 喘振的振动特征,表29 喘振的敏感参数,表30 喘振的故障原因,表31 转子与静止件径向摩擦的振动特征,表32 转子与静止件径向摩擦的敏感参数,表33 转子与静止件径向摩擦的故障原因,表34 转子系统出现各次谐波的可能性,表35 转子过盈配合件过盈不足的振动特征,表36 转子过盈配合件过盈不足的敏感参数,表37 转子过盈配合件过盈不足的故障原因,表38 转子支承系统联

22、接松动的振动特征,表39 转子支承系统联接松动的敏感参数,表40 转子支承系统联接松动的故障原因,表41 密封和间隙动力失稳的振动特征,表42 密封和间隙动力失稳的故障原因,表43 密封和间隙动力失稳的故障原因,表44 转轴具有横向裂纹的振动特征,表45 转轴具有横向裂纹的敏感参数,表46 转轴具有横向裂纹的故障原因,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 转子不平衡,不平衡类 型,不平衡频 谱,实例1： 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

23、机转子存在不平衡。在作动平衡测试时，转子不平衡量达5000g.cm，远远超过标准允许值。经动平衡处理后，振动状态达到正常。 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验证了诊断结论的正确性。,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2： 某卷烟厂的锅炉引风机，型号Y2805-4型，转速1480r/min，功率75kW，结构简图见图。,、引风机轴承测点 电机测点,锅炉引风机振动速度有效值（mm/s rms）,H、V、A分别代表水平、垂直和轴向,测点水平方向频谱,从频率结构看，测点水平方向的频率结构

24、非常简单，几乎只存在风机的转速频率（26Hz近似于转频）。对比表4-1中测点、振值，可见测点的振值比测点要小得多。测点最靠近风机叶轮，其振动值最能反映风机叶轮的振动状态。据此判断风机叶轮存在不平衡故障。,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： 某厂一台离心压缩机，结构如图所示。电动机转速1500r/min（转频为25Hz）。该机自更换减速机后振动增大，A点水平方向振动烈度值为6.36mm/s，位移D=150m，超出正常水平。,测点A水平方向振动信号的频谱结构图,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,实例

25、 某发电厂1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,振动信号所包含的主要频率成分都是奇数倍转频，尤以3倍频最突出。另外，观察其振动波形振幅变化很不规则，含有高次谐波成分。根据所获得的信息，判断汽轮机后轴承存在松动。,停机检查时发现汽轮机后轴承的一侧有两颗地脚螺栓没有上紧，原因在于预留热膨胀间隙过大。后来按要求旋紧螺母，振幅则从85m下降至27m，其余各点的振动值也有所下降，实现了平稳运行。 这个实例的振动过程完整，它给我们的启示在于，判断松动故障，频率特征仍是最重要的信息。此例中因为轴承一侧的螺栓没有上紧，却表现出水平振动大的

26、现象，这再一次证明，振动的方向特征是有条件的，只能作为判断时的参考，应用时必须小心。,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1： 某科研单位在双盘转子试验台上作振动试验。当转速升到12000r/min时，转子开始发生油膜振荡，振动值突然升高。其时在6872Hz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“截断”，呈典型的“截头状”。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占据着主导作用。这是

27、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，对我们理解摩擦的本质特征很有参考价值。,各特征频率幅值及其倍频关系,实例2： 某厂一台3W1B1型高压水泵的电动机，转速1485r/min，泵轴转速225r/min，水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（V）振动强烈。其振动信号的时域波形、频谱如图所示。 水泵轴承垂直方向的振动波形成单边“截头”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，频率分析结合波形观察，是诊断摩擦故障的有效方法。,波形出现“削顶”,丰富的高次谐波,实例 某化肥厂的二氧化碳压

28、缩机组，从1987年开始振动渐增，至9月4日高压缸振动突然升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（fr）成分，故障发生时，谱图中除转频外，还有明显的半倍频成分。,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z2=100，齿轮啮合频率fm2497.5Hz，机组结构简图如图所示。,综

29、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

30、擦，处于松动与摩擦并存状态。,41.90,7.49,水平方向,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

31、（90Hz）大为减弱，低频分量（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

32、行中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,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,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

33、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“”，“”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,（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)

34、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,实例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；

35、 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/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：,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.

36、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438b），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。,后来停机检查发现，轴承内、外圈都存在很长的轴向裂纹，与诊断结论一致。经查明，引起该轴承振动并导致产生裂纹的原因是轴承座刚性不足以及皮带的拉力不合适造成的。 本例的特色在于从高、低两个频段分析故障轴承的频率特征，同时又从时域波形得到进一步印证，这种多方位的分析方法，叶可以在其它故障诊断中加以应用。,实例2 某单位有一台变频机组，主轴转速2996r/m

37、in(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。,1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，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

38、良，对中性不好所致。,实例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,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。,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

39、图456所示。 频谱图上没有出现啮合频率fm （fm0.85148125.8Hz），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（100011760.8

40、5Hz）, 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

41、5个轮齿的齿顶边缘因长期挤撞而呈台阶突起，高达56mm，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2 某厂一台小型汽轮发电机组，在汽轮机与发电机之

42、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。,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

43、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3 某有色金属加工厂的一台3W1B1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。,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（2fm=5942=1188Hz）和3

44、倍频（3fm=5943=1782Hz），且2、2次谐波分量幅值较大，同时啮合频率及其倍频两旁还有较多的边频成分以及低次谐波。边频间距为24.4Hz，与小齿轮的转频24.75Hz基本一致，边频成分分布比较几种，呈分布故障特征。据此，判断小齿轮存在较为严重的磨损故障。在揭盖检查时，得到了验证，实际情况与分析结论基本一致。修理时更换了小齿轮，振动值下降到正常水平。 检修后的频谱图分别如图b。其时啮合频率的谐波分量大为减弱或消失，边频已不复存在，说明齿轮的运行状况有所改善。,本例的特点在于，齿轮故障的频率特征很明显，随着故障的排除，故障特征频率发生了很大的变化，有的消失，有的减弱。这再一次证明利用频率

45、分析诊断齿轮故障是很有成效的。本例的另一个特点是将故障处理前后的振动值及其频率特征作对比分析，这是故障诊断中应当坚持的基本原则，值得借鉴。,实例1 某钢铁厂化铁炉除尘风机，型号D28，电动机功率800Kw，转速750 rpm ，结构简图如下。,简易振动故障类型识别方法主频率识别法,机组1992年8月中修后运行了一段时间振动逐渐增大，到1993年1月，测点水平方向同振动值达到15.15mm/s。当时在现场作了频谱分析，谱图如图所示。 测点最大峰值频率为12.65Hz，与转频基本一致。此外还有弱小的2倍频分量及少量微弱的高次谐波。,由于测点靠近风机叶轮，1倍频分量又占绝对优势且又是水平方向振动最大

46、，根据这些情况，判断风机叶轮存在较严重的不平衡。在拆机检查过程中发现，叶轮周边存在严重的不均匀磨蚀，破坏了转子平衡。根据设备管理部门反映，由于通风系统的除尘装置停用3个多月，气流中铁砂含量剧增，加快了叶轮的磨损，而且叶片上不均匀地粘附着大量的粉尘杂质，蜗壳下步积满了炉灰，更加剧了叶轮的不平衡损坏。在检修时更换了叶轮，清除了蜗壳内积存的粉尘，恢复使用了除尘装置，此后，风机运行正常。,实例2 某发电厂4号机组2循环泵，1994年11月对轴承的振动信号作频谱分析，谱图上出现了滚动轴承的故障特征频率206Hz和239Hz，但信号比较弱小，处于早期故障。到1995年2月振动变得严重起来，其时对轴承从高低

47、两个频段作了振动频率分析，谱图如图。在低频段的谱图中，轴承的故障特征频率显得十分突出（见图a），而在高频段在25KHz的范围内出现了峰值逐渐增大的频谱峰群，显示了故障轴承的固有频率特征。因此可以肯定轴承已存在较为严重的故障。,低频段频谱,高频段频谱,2泵在检修时更换了轴承，其时振动频谱发生了显著的变化。谱图上，低频段谱峰消失，高频段的强劲峰群也减缩成低矮的“丘陵”状了。对滚动轴承来说，这种高频峰群与低频特征一样都是滚动轴承存在故障的标志，这是它区别于其他故障的地方。所以从频率领域识别故障类型时必须具体对象具体分析。,低频段,高频段,实例 某单位从国外引进一台离心压缩机，汽轮机额定工作转速109

48、20rpm，功率4850kW，结构简图如图。,简易振动故障类型识别方法共变法,汽轮机,压缩机低压缸,压缩机高压缸,这台机组运行半年之后振动逐步增大，在70的负荷下，位移振幅达到75m，其中测点的垂直振动最大。为了查明故障原因，在保持机组负荷不变的条件下，改变汽轮机的转速，分别对3种转速下的振动信号作频谱分析，频率结构如图所示。,汽机转速7500r/min,汽机转速9975r/min,汽机转速10800r/min,压缩机在图 a、b、c3种转速下的转频分别为125Hz、166.25Hz和180Hz，这3个频率在谱图上表现最为醒目，这是造成机组振动的主要原因，分析测点水平方向的振动频谱，主要有两个

49、显著特点：1）机器的转速改变，主要激振频率也改变，且始终保持与转速频率一致；2）转频幅值随转速升高而增加。根据激振频率随转速变化的关系判断该机振动过大的主要原因是转子不平衡引起的。通过检查，发现转子叶轮上不均匀结垢很严重，这是造成不平衡振动的主要原因。通过检修处理后，该点振动值降低到1214m。,实例 某矿一台球磨机减速器，主动轴转速900rpm，（转频15Hz），从动轴220rpm（转频3.67Hz）。在运行中常发生断齿事故。从减速器的频谱图5-14上看到有一个突出的频率峰值，但具体反映什么问题还不清楚。从数据采集器采集的时域波形上，看到明显的周期性冲击信号。其冲击周期为0.272s正好等于

50、减速器上从动齿轮的转速频率（1/0.2723.67Hz）。这表明问题就车子从动齿轮上。在检修时，看到从动齿轮的啮合齿面磨损很严重，并存在严重的局部点蚀。,简易振动故障类型识别方法时域波形识别法,实例 某水电站的一台JCF-500型齿轮箱，通过频率分析对故障齿轮作出了定位判断。图5-17a为水轮发电机组的结构示意图，水轮机与发电机之间由JCF-500型齿轮增速箱传动。,简易振动故障部位识别方法特征频率识别法,齿轮机构参数如下： 输入轴转数 ，转频3 Hz； 输出轴转数 ，转频12.5Hz； 大齿轮齿数 ； 小齿轮齿数 ； 齿轮啮合频率 。,实例1 国外某石油化工公司，一台用于关键设备的齿轮减速箱

51、采用一对锥齿轮和一对圆柱齿轮两级传动，结构布置如图所示，减速箱输入轴转速为1200rpm，输出轴转速为52.7rpm。,设备综合诊断,该减速箱运行了一年半以后，在输入高速轴一端出现高幅值异常振动，其振动信号的幅值频谱、波形、细化谱如图所示。 齿轮故障发生前，振动频谱图上主要显示啮合频率338Hz（实际值是340Hz，存在测量误差）及其弱小的倍频成分（图a）。故障发生后，频谱图上在啮合频率的两边出现了大量的边频(图c)。由于谱线密集难以辨认，故取100200Hz频段进行细化处理，得到图d所示的细化谱，谱图上清楚地显示出20Hz的边频间隔，与输入轴转速频率一致（12006020Hz）。这表明，啮合

52、频率为输入轴转速频率所调制。根据边带特征，初步分析高速轴小齿轮发生了故障。然后又对时域波形进行分析，波形如图b所示，图上清晰地显示每转一周有一个脉冲信号，脉冲间隔为0.05s，频率值为20Hz（1/0.05=20Hz）,这进一步证明小齿轮存在严重故障。当打开箱盖检查时，发现小齿轮有一齿断裂。,断齿前,断齿后,断齿后,断齿后,实例2 某厂一台DH-80型离心式空气压缩机，1996年8月15日作振动测试，低速轴、号轴承测点的振动位移值分别为40m和15m，运行状态良好。到了1997年1月9日发现振动非常严重，测点的振动值分别猛增刀201m和65m，超过了报警值（60m），测点的振值超过了自动停车值

53、（80/m），机组自动停车。在振动测量分析时，重点对测点的振动信号作了频谱分析，并结合进行波形观察，其频谱、波形图见下页附图。,测点的波形与频谱图,空压机故障状态下低速轴测点的波形与频谱图,频谱图上的129.39Hz是低速转频；64.7Hz为半倍频。测点的振动波形都存在不对称，且有不同程度的单边削波现象。这是典型的摩擦故障振动特征。在频谱图上，两测点都存在突出的转频和半倍频，半倍频成分几乎与转频一样强劲，且有微弱的高倍频成分，呈现出非线性故障的典型特征。波形和频谱结合起来分析，使得问题更加明朗了，判定机组存在不平衡和转子摩擦。1997年1月10日拆开检查时发现低速轴一级叶片积灰厚达9.5mm，

54、转子周围有严重的摩擦痕迹。事后查明，由于空气滤清器损坏，不起过滤作用，致使大量粉尘杂质进入叶轮所导致的恶果。经清灰处理，更换了损坏的滤清器后，机组运行正常。其时测点的振动值分别为35m和18m，振动波形和频谱图如图。,空压机故障排除后低速轴测点振动波形与频谱图,空压机故障排除后低速轴测点振动波形与频谱图,故障排除后，测点的振动波形呈典型的周期信号，频谱图上只有幅值不大的转频成分，半倍频分量消失了。测点的振动信号中除微弱的转频分量外，还有大量十分微弱的低次和高次谐波成分，呈随机性振动。这都是机组正常运行的特征。,实例 1998年3月，某厂在检修75L-40/8空压机之前，根据平时掌握的情况对重点

55、部位进行了一次测量诊断。为了使诊断工作更有成效地进行，诊断人员分析了设备可能发生故障的部位，并计算出各故障的特征频率。这台空压机由同步电动机拖动，电动机功率250kW，转速428rpm，主要测量3个部位，测点布置如图。,空压机特征频率计算： （1）空压机受迫振动引起的频率 1）电动机转子不平衡特征频率： 2）空压机工作一个循环（从吸气到排气）中的变载冲击是一个规则的周期信号，其频率与电动机转频一致，即曲轴回转一周冲击一次，其基频为： 这种冲击信号会激起一系列的高次谐波，下表给出了 的部分高次谐波成分。,3）曲柄连杆机构往复运动通过上下死点时，会产生强烈的变向周期冲击力，曲轴每转一周冲击2次，故

56、其基频为转频的2倍，即： 。 这也是一种周期性冲击信号，同样会激起一系列高次频波，且与变载冲击的谐波相吻合，互相推波助澜，使振动更加强烈，下表给出了 的部分高次谐波成分。,4）滚动轴承的通过激振力激起各元件的通过频率（即故障特征频率）。 7空压机1号轴承型号为3630双面向心球面滚子轴承，其主要尺寸参数为： 外径：320mm，内径：150mm； 节径：D=235mm； 滚动体直径：d42mm； 滚动体数量：z15； 压力角1216。 通过计算，轴承的故障特征频率为： 内圈通过频率 ； 外圈通过频率 ； 滚动体通过频率 ；,（2）电磁振动频率 因为电动机工作温度正常，只有可能存在以下两种电磁振动

57、： 1） 电动机磁隙不均匀产生的电磁振动，其特征频率与电动机转频一致，即： 。 2） 电动机电磁基波产生的倍频振动，其特征频率为电动机转频的2倍，即： 。,在对空压机待测部位可能出现的各种故障作出了基本预测之后，下一步则进行振动测量分析。空压机轴承、机座及电机机座的振动加速度信号的频谱分别如图所示。,在上图中，可以看到有几个突出的谱峰，将其与计算的通过频率对比发现，其中58.71Hz是轴承内圈通过频率，82.83Hz是外圈通过频率（41.27Hz）的2次谐波，38.55Hz是滚动体通过频率，156.25Hz是它的4次谐波。从频率特征分析，轴承外圈和滚动体均存在一定的故障。如果能与历史情况作一个

58、对比分析，则可进一步说明故障达到何种程度。,空压机轴承部位测点振动频谱,分析图6-18的频谱结构，空压机变载冲击和变向冲击的频率特征十分明显，其中最突出的是变向冲击频率14.25Hz（或视为变向冲击与变载冲击的2次谐波的重合），其余谱峰均是其高次谐波。将频谱图与历次测量结果比较，可以从频率结构的变化中判断曲柄连杆机构或活塞与缸体配合的状态变化。,空压机机座测点振动频谱,在电机机座测得的振动频谱图上（上图），主要谱峰是转速频率（7.03Hz）及其高次谐波，说明转子平衡性不佳，也可能是电磁振动，通过断电测试很容易将二者区别开来。,空压机电机机座测点振动频谱,实例 某厂一台拖动离心泵的电动机，转速2950r/min，功率160kW，结构简图如图所示。,1电动机 2离心泵 测点,电动机在带负荷运行时振动十分严重，下表列出了部分振动参数值。,为了查明振动异常与水泵是否有联系，拆离了联轴器，让电动机单独空车运转，测量通频振动值和1倍频幅值，列于下表。,电动机振动有三个特征有三个特征：垂直方向振动大，1倍频振动大，带负荷运行比空车运行振动大，这都表现出松动的特征。但是1倍频振动大也是不平衡故障的典型特征。为确定电动机转子是否存