油膜轴承的故障机理与诊断课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第八章 旋转机械的振动监测与故障诊断,第八章 旋转机械的振动监测与故障诊断,1,一、旋转机械振动的基本特性,1.,转子振动的基本特性,旋转机械的主要部件是转子，其结构样式虽然多种多样，但对一些简单的旋转机械来说，为分析和计算方便，一般都将转子的力学模型简化为一圆盘装在一无质量的弹性转轴上，转轴两端由刚性的轴承和轴承座支撑。,2.,临界转速及其影响因素,定义：机器转速上升到一定的程度后，振动就大得使机组无法继续工作，即所谓的临界转速。在临界点转速发生的剧烈的振动与共振是不同的物理现象。,第一节 旋转机械常见故障及机理,一、旋转机械振动的基本特性第一节 旋转机械常见故,2,如果机器的周期小于临界转速，则称为刚性轴；如果工作转速高于临界转速，则成为柔性轴。,3.,转子轴承系统的稳定性,油膜涡动和油膜振荡。 在工程实践中，常用对数的衰减来判断系统的稳定性。,4.,扭转振动,径向振动和轴向振动。扭转故障常见于电力系统汽轮发电机组，石油行业使用的烟机也时发生。扭转振动形式按频率特征分：同步共振、超同步共振和振荡扭振扭动三种。,临界转速的公式：,如果机器的周期小于临界转速，则称为刚性轴；如果,3,二、转子不平衡的故障机理与诊断,转子不平衡是由于转子部件质量偏心或转子部件出现缺损造成的故障。 不平衡的种类：原始不平衡、渐发性不平衡、突发性不平衡。 诊断方法：包括以下方面的内容特征频率、振动方向、矢量区域。 敏感参数：振动随转速变化。（见表,8-2,3,）,WXKC_08_FFT_RotorUnbalance,二、转子不平衡的故障机理与诊断 转子,4,三、转子不对中故障机理与诊断,大型机组通常由多个转子组成，各转子之间用联轴器联接构成轴系，传递运动和转矩。只有不对中故障的转子系统在其运转过程中将产生一系列有害于设备的动态效应。,1.,转子不对中的类型,转子不对中包括轴承不对中和轴系不对中两种情况。机组各转子之间用联轴节连接时，如不处在同一直线上，就称为轴系不对中。通常所讲的不对中多指轴系不对中。,2.,不对中振动的机理,大型高速旋转机械常用齿式联轴器，中小设备多用固定式刚性联轴器。转子高速运行的时候，就会产生很大的离心力，激励转子产生径向振动，其振动频率为转子工频的两倍，此外，由于不对中引起的振动通常包含有大量的谐波分量，但最主要的还是,2,倍频分量。,三、转子不对中故障机理与诊断,5,（,1,）偏角不对中 增加转子的轴向力，使转子在轴向产生工频振动。 （,2,）综合不对中 既有平移位移不对中又有角度不对中。,3.,转子不对中的故障特征与故障诊断,实际工程中遇到的转子不对中故障大多数为齿式联轴器不对中。故障的特征频率为角频率的,2,倍。 判断依据：特征频率、 常伴频率、振动的方向。 敏感参数：振动随转速变化和振动随负荷变化。 （见表,8-4,5,）,（1）偏角不对中 增加转子的轴,6,四、 转子弯曲的故障机理与诊断,转子弯曲与不平衡的区别：所谓的质量不平衡指各横截面的质心连线与其几何中心的连线存在偏差，而转子弯曲指各横截面的几何中心连线与旋转轴线不重合，二者都会使转子产生偏差质量，从而引起转子产生不平衡的振动。 转子弯曲的故障诊断： 依据：特征频率、常伴频率 敏感参数：振动随转速变化 （见表,8-6,7,）,四、 转子弯曲的故障机理与诊断 转,7,油膜轴承的优点：承载能力好，工作稳定可靠、工作寿命长。 油膜轴承的分类：净压轴承和动压轴承。 半速涡动与油膜振荡 ： 如果转子轴颈主要是由于油膜力的激励作用而引起的涡动，则轴颈的涡动速度将接近转速的一半，固有时候也称之“半速涡动”。半速涡动的频率约为,：,涡动频率在转子一阶自振频率以下时，半速涡动是一种比较平静的转子涡动运动。若继续提高转速，则转子的涡动频率保持不变，始终等于转子的一阶临界转速。这种现象称为油膜振荡。,五、油膜轴承的故障机理与诊断,油膜轴承的优点：承载能力好，工作稳定可靠、工作,8,油膜振荡特性：油膜振荡为正进动，即轴心涡动的方向和转子旋转方向相同。 油膜涡动与油膜振荡的振荡特性： 诊断依据：时域波形、特征频率、振动的方向 敏感参数：振动随转速变化。 （见表,8-8,9,） 油膜振荡的防治措施：在设计机组时就要避免转子工作转速在二倍的第一阶临界转速以上运行。 目前，旋转机械所用的轴承中，巴氏合金滑动轴承占有很大的比例。,油膜振荡特性：油膜振荡为正进动，即轴心涡动的方,9,六、旋转失速与喘振故障的机理与诊断,旋转失速与喘振是高速离心压缩机特有的一种振动故障。通过调节流量即可使振动减少到容许值。喘振是离心压缩机等流体机械运行最恶劣、最危险的工况之一，对机器危害很大。,1.,旋转失速的机理与特征,旋转失速区传播的速度为转子速度的,0.20.5,。根据公式计算的旋转失速区传播的速度约为旋转速度的,0.30.45,。,六、旋转失速与喘振故障的机理与诊断,10,2.,喘振的机理与故障特征,（,1,）喘振 喘振是离心式和轴流式压缩机运行中的常见故障之一，是旋转失速的进一步发展。 （,2,）喘振的故障特征 频率一般比较低，通常为,130Hz,。 旋转失速与喘振诊断：依据：特征频率与振动依据。 敏感参数：振动随转速、介质温度、压力、流量、负荷而变化。 旋转失速的振动特征易与油膜涡动或油膜振荡故障混淆，给诊断上造成困难。 （见表,8-10,11,12,）,2. 喘振的机理与故障特征,11,七、动静件摩擦故障与诊断,（见表,8-13,14,）,八、转子热套配合过盈不足故障与诊断,诊断依据：特征频率、常伴频率。 敏感参数：振动随转速变化。 （见表,8-15,16,）,九、转子支承部件松动故障与诊断,诊断依据：特征频率、常伴频率、振动的方向。 敏感参数：振动随转速、负荷的变化。 （见表,8-17,18,）,七、动静件摩擦故障与诊断,12,十、转轴裂纹故障与诊断,转轴裂纹对振动的响应与裂纹所处的轴向位置、裂纹深度及受力情况有关。 开闭裂纹：通常情况下，转轴每旋转一周，裂纹都会有开有闭。在这种情况下，裂纹越深，其在一周内张开的时间会越长，会超过一半周期的长度，同时裂纹张开的时间也会越晚。 诊断依据：特征频率、常伴频率、振动的方向。 （见表,8-19,20,）,十、转轴裂纹故障与诊断 转轴裂纹对,13,十一、轴电流故障诊断,由于转子带电引起轴电流最终造成机器元件损伤的情况较早出现在发电机组，故一般把轴电流形成的原因与电磁效应联系起来。 在冷凝式蒸汽透平中会较多地遇到轴电流问题，而在背压式蒸汽透平中较少发生。 轴电流损伤的防治措施：减小或消除轴电流引起的损伤，主要手段是限制轴电压的升高。,十一、轴电流故障诊断 由于转子带电引起,14,一、齿轮故障的常见形式与原因,二、齿轮的振动机理,1.,齿轮的力学模型分析,若齿轮副主动轮转速为 、齿数为 ；从动轮转速为 、齿数为 ，则齿轮啮合刚度的变化频率（即啮合频率）为：,无论齿轮处于正常或异常状态下，这一振动成分总是存在的，但两种状态下振动水平是有差异的，因此，根据齿轮振动信号啮合频率分量进行故障诊断是可行的。,第二节,齿轮常见故障与诊断,一、齿轮故障的常见形式与原因,15,2.,幅值调制与频率调制,从频域上看，信号调制的结果是使齿轮啮合频率周围出现边频带成分。信号调制可分为两种：幅值调制和频率调制。 （,1,）幅值调制 幅值调制是由于齿面载荷波动对振动幅值的影响而造成的。啮合频率通常是载波成分，齿轮轴旋转频率成分通常是调制波成分。对于实际齿轮振动信号，载波信号、调制信号都不是单一频率的，一般来说都是周期函数。 （,2,）频率调制 频率调制也可以认为是相位调制。相位调制具有和频率调制相同的效果。事实上，所有的相位调制也可以看作频率调制，反之亦然。对于齿轮振动信号而言，频率调制的原因主要是由于齿轮啮合刚度函数因齿轮加工误差和故障的影响而产生了相位变化，这种相位变化会由于齿轮的旋转而具有周期性。,2. 幅值调制与频率调制 从频域,16,（,3,）齿轮振动信号调制特点 齿轮振动信号的频率调制和幅值调制的共同点在于：载波频率相等；边带频率对应相等；边带对称于载波频率。 边频具有不稳定性，因此在齿轮故障监测中，只监测某几个边频得到的信息往往是不全面的，据此做出的诊断结论有时是不可靠的。,3.,齿轮振动的其他成分,（,1,）附加脉冲 齿轮信号的调制所产生的信号大体都是对称于零电平的。但是由于附加脉冲的影响，实际上测到的信号不一定对称于零线。附加脉冲是直接叠加在齿轮的常规则振动上，而不是以调制的形式出现，在时域上比较容易区别。产生附加脉冲的主要原因有齿轮动平衡不良，对中不良和机械松动等。附加脉冲不一定与齿轮本身缺陷直接有关。附加脉冲的影响一般不会超出低频段，即在啮合频率以下。,（3）齿轮振动信号调制特点 齿,17,（,2,）隐含谱线 隐含谱线是功率谱上的一种频率分量。 （,3,）轴承振动 测量齿轮振动时测点位置通常都选在轴承座上，测得的信号中必然会包含有轴承振动的成分。滚动轴承的诊断不宜在齿轮振动范围内进行，而应在高频段或采用其他方法。,三、齿轮的振动测量与简易诊断,1.,齿轮的振动测量,齿轮振动的频带很宽，而且低频和高频振动中均包含有诊断各种异常振动非常有用的信息，因此在齿轮振动的测量要求比一般机械的振动测量要高。在对应轮振动进行测来测量。 测点选择：水平、垂直、和轴向三个方向。 注意：同一点安装两个传感器是不适合的。,（2）隐含谱线 隐含谱线是功率谱,18,2.,齿轮的简易诊断方法,齿轮的简易诊断包括噪声诊断法、振平诊断法以及冲击脉冲诊断法等，最指用的是振平诊断法。 振平诊断法是利用齿轮的振动强度来判别齿轮是否处于正常工作状态的诊断方法。根据判定指标和标准不同，又可以分为绝对值判定法和相对值判定法。 （,1,）绝对值判定法 绝对值判定这是利用在齿轮箱上同一测点部位测得的振幅值直接作为评价运行状态的指标。 （,2,）相对判定法 相对值判定标准要求将在齿轮箱同一部位测点在不同时刻测得的振幅与正常状态下的振幅相比较。当测数值和正常值相比达到一定程度时，判定为某一状态。至于具体使用是按照,1.6,倍进行分级还是按照,2,倍进行分级，则视齿轮箱的使用要求而定，比较粗糙的设备一般使用倍数较高的分级。,2. 齿轮的简易诊断方法 齿轮的,19,3.,测定参数法进行齿轮的简易诊断,波形指标、峭度指标、脉冲指标、裕度指标、峰值指标 见表,9-24,四、齿轮故障诊断常用的信号分析方法,1.,频率细化分析技术,2.,倒频谱分析,倒频谱能较好地检测出功率谱上的周期成分。通常在功率谱上无法对边频的总体水平做出定量估计，而倒频谱对边频成分具有“概括”能力，能较明显地显示出功率谱的周期成分，将原来谱上成族的边频带谱线简化为单根谱线，便于观察，而齿轮发生故障时的振动频谱具有的边频带一般都具有等间隔（故障频率）的结构，利用倒频谱这个优点，可以检测功率谱中难以辨识的周期性信号。另外一个优点是受信号传递路径影响较少。,3. 测定参数法进行齿轮的简易诊断,20,五、齿轮常见故障信号特征与精密诊断,1.,正常齿轮的时域特征与频域特征,频域特征：正常齿轮的信号反映在频率上，有啮合频率及其谐波分量。同时在低频处，有齿轮轴旋转频率及其高次谐波。,2.,故障情况下振动信号的时域特征与频域特征,（,1,）均匀磨损 频域特征：齿面均匀磨损时，啮合频率及其谐波分量 在频谱图上的位置保持不变，但其幅值大小发生改变，而且高次谐波幅值相对增大较多。,五、齿轮常见故障信号特征与精密诊断,21,（,2,）齿轮偏心 频域特征：调制的频率为齿轮的回转频率，比所调制的啮合频率要小得多。 （,3,）齿轮的不同轴 频域特征：在频谱上产生以各阶啮合频率 为中心，以故障齿轮的旋转频率 为间隔的一阶边频族即 。 （,4,）齿轮局部异常 将以旋转频率为主要频域特性。,4.,齿轮箱常见故障诊断,实际工程中是没有孤立的齿轮副，所有的齿轮副都需要安装到齿轮箱中或安装到特定的支架上，还需要配以轴承或轴瓦。因此，对齿轮的故障诊断实际上是对齿轮箱的故障诊断。齿轮箱故障的振动特征表（见表,8-22,）。,（2）齿轮偏心 频域特征：调制的,22,诊断设备：冲击脉冲仪、机器监测仪、油膜检查仪、轴承监测仪。,一、滚动轴承故障的主要形式与原因,1,疲劳剥落 原因：滚动轴承失效。 影响：运转时冲击负荷、振动和噪声加剧。 在滚道和滚动体上出现,0.5,平方毫米的疲劳剥落就认为轴承终结寿命结束。,2,磨损,3,塑性变形,4,锈蚀,5,断裂,6,胶合 胶合指一个零部件表面的金属粘附到另一个零件表面上的现象。,7.,保持架损坏,第三节 轴承常见故障及诊断,诊断设备：冲击脉冲仪、机器监测仪、油膜检查仪,23,二、滚动轴承的振动机理与信号特征,滚动轴承的特征频率如下： 滚动体在外圈道上的通过频率：,二、滚动轴承的振动机理与信号特征,24,在简单情况下，碰撞频率就等于滚动体在滚动道上通过频率 或 ，滚动体自转频率 。滚动轴承在运行过程中，由于滚动体与内圈或外圈冲击而产生振动，这时振动频率为轴承各部分的固有频率。,滚动体在内圈道上的通过频率： 滚动体在保持架上的通过频率：,在简单情况下，碰撞频率就等于滚动体在滚动道,25,三、 滚动轴承的振动测量与简易诊断,滚动轴承的故障信号有冲击振动的特点。频率极高，衰减较快。,1.,测点的选择,测点尽量靠近被测轴承的承载区，应尽量减少中间环节，探测点离轴承外圈的距离越近越直接越好。,2.,传感器的固定方式,钢制螺栓。,3.,分析谱带的选择,低频带：,1kHZ,以下。 中频：,1-20kHz,（高通滤波器和低通滤波器）。 高频：,20-80kHz,。,4.,滚动轴承的简易诊断,三、 滚动轴承的振动测量与简易诊断,26,（,1,）振动信号简易诊断法 振幅值诊断法： 依据：峰值、均值、均方根 波形因数诊断法： 峰值与均值之比 波峰因数诊断法： 峰值与均方根之比 概率密度诊断法： 正常时，概率密度曲线是正态分布。 峭度系数诊断法： 正常峭度,=3,（,2,）滚动轴承的冲击脉冲诊断法 （,3,）滚动轴承共振解调诊断法,（1）振动信号简易诊断法 振幅值诊断法：,27,四、滚动轴承的精密诊断方法,所渭滚动轴承的精密诊断方法，就是在利用简易诊断法确定轴承已经发生故障之后，进一步确定故障的类别和发生部位，以便采取相应对策。采用方法为：频域分析法。,五、滚动轴承其他的诊断方法,1.,光纤维监测诊断方法,2.,声发射诊断,声发射频谱图清晰，易于识别。,3.,温度监测诊断,缺点：无法预见早期故障 间隙监测诊断法： 适用范围：大型机器、低速机器、检修周期长的设备。,四、滚动轴承的精密诊断方法,28,4.,轴承润滑状态监测诊断,对滚动轴承润滑状态及与此有关的磨损、腐蚀之类的损伤，不适合点蚀类损伤的诊断。,5.,油液分析诊断,（,1,）理化分析； （,2,）污染度测试； （,3,）发射光谱； （,4,）红外光谱分析； （,5,）铁谱分析。,4. 轴承润滑状态监测诊断 对滚,29,一、铁谱技术及其在故障诊断中的应用,铁谱技术及其特点：,磨损颗粒：通常几十纳米到几十微米。 观测仪器：铁谱仪和铁谱显微镜、扫描电子显微镜、计算机及磨粒图谱集。 基本原理：铁谱技术是,20,世纪,70,年代出现的一种磨损颗粒分析新技术。它利用高梯度磁场的作用将机器磨擦副中产生的磨损颗粒从润滑油液中分离出来，并使按照尺寸大小依次沉积在一显微基片上而制成的铁谱片，然后置于铁谱显微镜或电子扫描显微镜进行观察；或者按照尺寸大小依次沉积在一玻璃管内，通过光学方法进行定量检测，以获得摩擦副磨损过程的各类信息，从而分析机器的磨损机理和判定机器的磨损状态。 铁谱分析效果：几微米到几百微米甚至毫米级都有满意的效果。 铁谱分析的特点：不但能定量测量润滑油系统中大、小磨粒的相对浓度，而且能直接考察磨损的形态、大小和成分，后者则更是它的长处。 磨屑的最大颗粒可达 ，其长轴尺寸与厚度之比为,10,：,1,。,第四节 无损检测技术及其应用,一、铁谱技术及其在故障诊断中的应用,30,热像仪多用于高级的诊断和大范围复杂的检测。点温仪则多用于检测单独的连接处和对小面积进行简易诊断。 红外线的波长范围为： 近红外区： 中红外区： 远红外区： 极远红外区： 红外辐射指的就是从可见光的红端到毫米波的宽广波长范围内的电磁波辐射，从光子角度看，它是低能量光子流。,二、红外技术及其在故障诊断中的应用,热像仪多用于高级的诊断和大范围复杂的检测。点温,31,