设备状态监测与故障诊断基础课件

,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,#,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,1,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。,2,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。,应用设备故障诊断技术的目的：,3,振动是物体运动的一种形式，通常是指物体经过其平衡位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%。,振动是物体运动的一种形式，通常是指物体经过其,4,按振动频率分类,机械振动,低频振动：f 1000 Hz,按振动频率分类 机械振动低频振动：f 10,5,6,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 作为判别参数，因为它最能够反映振动的烈度。,构成一个确定性振动有3个基本要素，即振幅d、频率f,7,8,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。,幅值反映振动的强度，振幅的平方常与物质振动的,9,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。,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,10,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。,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,11,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,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,12,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,频域分析又包含有：幅值谱分析是故障诊断的基本工具,13,倒谱上的谱线是幅值谱中的周期性谱线族,倒谱上的谱线是幅值谱中的周期性谱线族,14,相域分析,包含有：相位谱等,相位谱,相域分析包含有：相位谱等相位谱,15,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）、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。,16,三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。,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,17,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,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,18,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。,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。,诊断步骤概括为准备工作、诊断实施和决策验证等,19,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,原动机（电动机）,20,2） 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） 必须查明各主要零部件（特别是运动零件）的型号,21,2. 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。,2. 机器的工作原理及运行特性,22,3. 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。,3. 机器的工作条件,23,搞清楚是刚性基础还是弹性基础等等。,设备原始档案资料、设备检修资料、设备故障记录档案等。,24,二. 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：,二. 确定诊断方案,25,1）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,有足够的空间，有良好的接触，测点部位有足够的刚度等。,1）对振动反映敏感,26,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。,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,27,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现垂直方向幅值大的现象，并伴随着高次频率成份。,有些设备的振动特征有明显的方向性，不同方向,28,2. 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。,2. 预估频率和振幅,29,3. 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。,3. 确定测量参数,30,对大多数机器来说，最佳诊断参数是速度，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。,对大多数机器来说，最佳诊断参数是速度，因为它是反映振动强度的,31,4. 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。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。,4. 选择诊断仪器,32,5,. 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。,5. 选择与安装传感器,33,6. 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”。,6. 做好其它相关事项的准备,34,三. 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。,三. 进行振动测量与信号分析,35,3. 数据记录整理,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。,3. 数据记录整理,36,四. 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。,四. 实施状态判断,37,五. 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、所需要更换的零部件等。,五. 做出诊断决策,38,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。,39,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）。,设备诊断实质上就是一种比较分类，在判断故障时，我们是,40,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,输以其它方法故 障对 象比较判别故障标准,41,一. 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、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。,一. 旋转机械故障诊断的特点,42,1. 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。,1. 转子特性 ,43,2. 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,。,2. 旋转机械振动的频率特征,44,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时存在以上三种振动。,故障特征频率与转频的三种关系,45,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。,获取旋转机械故障信号的主要途径：,46,故障来源,主 要 原 因,设计、制造,1.,设计不当，动态特性不良，运行时发生强迫,振动或自激振动,2. 结构不合理，有应力集中,3. 工作转速接近或落入临界转速区,4. 运行点接近或落入运行非稳定区,5. 零部件加工制造不良，精度不够,6. 零件材质不良，强度不够，有制造缺陷,7. 转子动平衡不符合技术要求,旋转机械常见故障产生的原因及其频谱特征,故障来源主 要 原 因设计、制造1. 设计不当，动态特性不,47,故障来源,主 要 原 因,安装、维修,机器安装不当，零部件错位，预负荷大,轴系对中不良（对轴系热态对中考虑不够）,机器几何参数（如配合间隙、过盈量及相对位置）调整位置不当,管道压力大，机器在工作状态下改变了动态特性和安装精度,转子长期放置不当，破坏了动平衡精度,安装或维修工程破坏了机器原有的配合性质和精度,运行操作,机器在非设计状态下运行（如超转速、超负荷或低负荷运行），改变了机器工作特性,润滑或冷却不良,旋转体局部损坏或结垢,工艺参数（如介质的温度、压力、流量、负荷等）不当，机器运行失稳,启动、停机或升降速过程操作不当，暖机不够，热膨胀不均匀或在临界区停留时间长,故障来源主 要 原 因安装、维修机器安装不当，零部件错位，预,48,故障来源,主 要 原 因,机器恶劣,长期运行，转子挠度增大,旋转体局部损坏、脱落或产生裂纹,零、部件磨损、点蚀或腐蚀等,配合面受力劣化，产生过盈不足或松动等，破坏了配合性质和精度,机器基础沉降不均匀，机器壳体变形,故障来源主 要 原 因机器恶劣长期运行，转子挠度增大,49,表2 转子质量偏心的振动特征,1,2,3,4,5,6,7,8,特征频率,常伴频率,振动稳定性,振动方向,相位特征,轴心轨迹,进动方向,矢量区域,1,稳定,径向,稳定,椭圆,正进动,不变,表3 转子质量偏心的敏感参数,1,2,3,4,5,6,振动随转速变化,振动随负荷变化,振动随油温变化,振动随流量变化,振动随压力变化,其它识别方法,明显,不明显,不变,不变,不变,低速时振幅趋于零,表2 转子质量偏心的振动特征12345678特征频率,50,1,2,3,4,5,6,7,8,特征频率,常伴频率,振动稳定性,振动方向,相位特征,轴心轨迹,进动方向,矢量区域,1,突发性增大后稳定,径向,突变后稳定,椭圆,正进动,突变后稳定,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,1,2,3,4,5,6,振动随转速变化,振动随负荷变化,振动随油温变化,振动随流量变化,振动随压力变化,其它识别方法,明显,不明显,不变,不变,不变,振幅突然增加,12345678特征频率常伴频率振动稳定性振动方向相位特征轴,51,表6 转子质量偏心的故障原因,故障来源,1,2,3,4,设计、制造,安装、维修,运行、操作,机器劣化,主要,原因,结构不合理，制造误差大，材质不均匀，动平衡精度低,转子上零件安装错位,转子回转体结垢（例如压缩机流道内结垢）,转子上零件配合松动,故障来源,1,2,3,4,设计、制造,安装、维修,运行、操作,机器劣化,主要,原因,结构不合理，制造误差大，材质不均匀,转子有较大预负荷,超速、超负荷运行,零件局部损坏脱落,转子受腐蚀疲劳，应力集中,表7 转子部件缺损的故障原因,表6 转子质量偏心的故障原因故障来源1234设计、制,52,1,2,3,4,5,6,7,8,特征频率,常伴频率,振动稳定性,振动方向,相位特征,轴心轨迹,进动方向,矢量区域,1,2,稳定,径向、轴向,稳定,椭圆,正进动,矢量起始点大，随运行继续增大,表8 转子弓形弯曲的振动特征,1,2,3,4,5,6,振动随转速变化,振动随负荷变化,振动随油温变化,振动随流量变化,振动随压力变化,其它识别方法,明显,不明显,不变,不变,不变,机器开始升速运行时，在低速阶段振动幅值就较大,刚性转子两端相位差180,表9 转子弓形弯曲的敏感参数,12345678特征频率常伴频率振动稳定性振动方向相位特征轴,53,1,2,3,4,5,6,7,8,特征频率,常伴,频率,振动,稳定性,振动,方向,相位,特征,轴心,轨迹,进动,方向,矢量区域,1,稳定,径向、轴向,稳定,椭圆,正进动,升速时矢量逐渐增大，稳定运行后矢量减小,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,1,2,3,4,5,6,振动随转速变化,振动随负荷变化,振动随油温变化,振动随流量变化,振动随压力变化,其它识别方法,明显,不明显,不变,不变,不变,升速过程振幅大，,往往不能正常启动,12345678特征频率常伴振动振动相位轴心进动矢量区域1,54,故障来源,1,2,3,4,设计、制造,安装、维修,运行、操作,机器劣化,主要,原因,结构不合理，制造误差大，材质不均匀,转子长期存放不当，发生永久弯曲变形,轴承安装错位，转子有较大预负荷,高速、高温机器，停车后未及时盘车,转子热稳定性差，长期运行后自然弯曲,表12 转子弓形弯曲的故障原因,故障来源,1,2,3,4,设计、制造,安装、维修,运行、操作,机器劣化,主要,原因,结构不合理，制造误差大，材质不均匀,转子有较大预负荷,升速过快，加载太大,转子稳定性差,表13 转子临时性弯曲的故障原因,故障来源1234设计、制造安装、维修运行、操作机器劣化主要结,55,1,2,3,4,5,6,7,8,特征频率,常伴频率,振动稳定性,振动方向,相位特征,轴心轨迹,进动方向,矢量区域,2,1、3,稳定,径向、轴向,较稳定,双环,椭圆,正进动,不变,表14 转子不对中的振动特征,表15 转子不对中的敏感参数,1,2,3,4,5,6,振动随转速变化,振动随负荷变化,振动随油温变化,振动随流量变化,振动随压力变化,其它识别方法,明显,明显,有影响,有影响,有影响,转子轴向振动较大,联轴器相邻轴承处振动较大,随机器负荷增加，振动增大,对环境温度变化敏感,12345678特征频率常伴频率振动稳定性振动方向相位特征轴,56,故障来源,1,2,3,4,设计、制造,安装、维修,运行、操作,机器劣化,主要,原因,对机器热膨胀量考虑不够，给定的安装对中技术要求不准,安装精度未达到技术要求,对热态时转子不对中变化量考虑不够,超负荷运行,机组保温不良，轴系各转子热变形不同,机器基础或机座沉降不均匀 ，时不对中超差,环境温度变化大，机器热变形不同,表16 转子不对中的故障原因,故障来源1234设计、制造安装、维修运行、操作机器劣化主要对,57,表17 油膜轴承故障的主要原因,轴承故障,主 要 原 因,巴氏合金松脱,轴瓦表面巴氏合金与基体金属结合不牢,轴瓦磨损,转子对中不良,轴承安装缺陷，两半轴瓦错位，单边接触,润滑不良，供油不足,油膜振荡或转子失稳时，由于异常振动的大振幅造成严重磨损,疲劳损坏（疲劳裂纹）,轴承过载，轴瓦局部应力集中,润滑不良，承载区油膜破裂,轴承间隙不适当,轴承配合松动，过盈不足,转子异常振动，在轴承上产生交变载荷,表17 油膜轴承故障的主要原因 轴承故障,58,腐 蚀,润滑剂的化学作用,气 蚀,转子涡动速度高，发生异常振动,润滑油粘度下降或油中混有客气和水分等，使轴承内的油液在低压区产生微小汽泡，在高压区被挤破而形成压力冲击波冲击轴承表面，产生疲劳裂纹或金属剥落,表18 油膜涡动的振动特征,1,2,3,4,5,6,7,8,特征频率,常伴频率,振动稳定性,振动方向,相位特征,轴心轨迹,进动方向,矢量区域, ,1,较稳定,径向,稳定,双环,椭圆,正进动,改变,腐 蚀 润滑剂的化学作用 气 蚀转子涡动速度高，发生,59,1,2,3,4,5,6,振动随转速变化,振动随负荷变化,振动随油温变化,振动随流量变化,振动随压力变化,其它识别方法,明显,不明显,明显,不变,不变,涡动频率随工作角,频率升降，保持,表19 油膜涡动的敏感参数,故障来源,1,2,3,4,设计、制造,安装、维修,运行、操作,机器劣化,主要,原因,轴承设计或制造不符合技术要求,轴承间隙不当,轴承壳体配合过盈不足,轴瓦参数不当,润滑油不良,油温或油压不当,轴承磨损，疲劳损坏，腐蚀及气蚀等,表20 油膜涡动的故障原因,123456振动随转速变化振动随负荷变化振动随油温变化振动随,60,表21 油膜振荡的振动特征,1,2,3,4,5,6,7,8,特征频率,常伴频率,振动稳定性,振动方向,相位特征,轴心轨迹,进动方向,矢量区域, ,（0.430.48),组合,频率,不稳定,径向,不稳定（突变）,扩散不规则,正进动,改变,表22 油膜振荡的敏感参数,1,2,3,4,5,6,振动随转速变化,振动随负荷变化,振动随油温变化,振动随流量变化,振动随压力变化,其它识别方法,振动发生后，升高转速，振动不变,不明显,明显,不变,不变,工作角频率等于或高于 时突然发生,振动强烈，有低沉吼叫声,振荡发生前发生油膜涡动,异常振动有非线性特征,表21 油膜振荡的振动特征12345678特征频率常,61,故障来源,1,2,3,4,设计、制造,安装、维修,运行、操作,机器劣化,主要,原因,轴承设计或制造不符合技术要求,轴承间隙不当,轴承壳体配合过盈不足,轴瓦参数不当,润滑油不良,油温或油压不当,轴承磨损，疲劳损坏，腐蚀及气蚀等,表23 油膜振荡的故障原因,故障来源1234设计、制造安装、维修运行、操作机器劣化主要轴,62,表24 旋转失速的振动特征,1,2,3,4,5,6,7,8,特征频率,常伴频率,振动稳定性,振动方向,相位特征,轴心轨迹,进动方向,矢量区域,及,的成对次谐波,组合,频率,振幅大幅度波动,径向、轴向,不稳定,杂乱,正进动,突变,表25 旋转失速的敏感参数,1,2,3,4,5,6,振动随转速变化,振动随负荷变化,振动随油温变化,振动随流量变化,振动随压力变化,其它识别方法,明显,很明显,不变,很明显,变化,机器出口压力波动大,机器入口气体压力及流量波动,表24 旋转失速的振动特征12345678特征频率常,63,表26 旋转失速的故障原因,故障来源,1,2,3,4,设计、制造,安装、维修,运行、操作,机器劣化,主要,原因,机器的各级流道设计不匹配,入口滤清器堵塞,叶轮流道或气流流道堵塞,机器的工作介质流量调整不当，工艺参数不匹配,机器气体入口或流道有异物堵塞,表27 区别旋转失速与油膜振荡的主要方法,区别内容,旋转失速,油膜振荡,振动特征频率与工作转速的关系,振动特征频率随转子工作转速而变,油膜振荡发生后，振荡特征频率不随工作转速变化,振动特征频率与机器进口流量的关系,振动强烈程度随流量改变而变化,振动强烈程度不随流量变化,压力脉动频率的特点,压力脉动频率与工作流速频率相等,压力脉动频率与转子固有频率接近,表26 旋转失速的故障原因故障来源1234设计、制造,64,表28 喘振的振动特征,1,2,3,4,5,6,7,8,特征频率,常伴频率,振动稳定性,振动方向,相位特征,轴心轨迹,进动方向,矢量区域,超低频（0.520Hz）,1,不稳定,径向,不稳定,紊乱,正进动,突变,表29 喘振的敏感参数,1,2,3,4,5,6,振动随转速变化,振动随负荷变化,振动随油温变化,振动随流量变化,振动随压力变化,其它识别方法,改变,改变,改变,明显改变,明显改变,振动剧烈,出口压力和进口流量波动大,噪声大，低沉吼叫，声音异常,表28 喘振的振动特征12345678特征频率常伴频,65,表30 喘振的故障原因,故障来源,1,2,3,4,设计、制造,安装、维修,运行、操作,机器劣化,主要,原因,设计制造不当，实际流量小于喘振流量，压缩机工作点离防喘线太近,入口滤清器堵塞,叶轮流道或气流流道堵塞,压缩机的实际运行流量小于喘振流量,压缩机出口压力低于管网压力,气源不足，进气压力太低，进气温度或气体相对分子质量变化大，转速变化太快及升压速度过快、过猛,管道阻力增大,管网阻力增加,管路逆止阀失灵等,表30 喘振的故障原因故障来源1234设计、制造安装,66,表31 转子与静止件径向摩擦的振动特征,1,2,3,4,5,6,7,8,特征,频率,常伴频率,振动稳定性,振动方向,相位特征,轴心轨迹,进动方向,矢量区域,高次谐波、低次谐波及其组合频率,1,不稳,径向,连续摩擦：反向位移、跳动、突变,局部摩擦：反向位移,连续摩擦：扩散,局部摩擦：紊乱,连续摩擦：反进动,局部摩擦：正进动,突变,表31 转子与静止件径向摩擦的振动特征1234567,67,表32 转子与静止件径向摩擦的敏感参数,1,2,3,4,5,6,振动随转速变化,振动随负荷变化,振动随油温变化,振动随流量变化,振动随压力变化,其它识别方法,不明显,不明显,不变,不变,不变,时域波形严重削波,表33 转子与静止件径向摩擦的故障原因,故障来源,1,2,3,4,设计、制造,安装、维修,运行、操作,机器劣化,主要,原因,转子与静止件（如为轴承、密封、隔板等）的间隙不当,转子与定子偏心,转子对中不良,转子动挠度大,机器运行时热膨胀严重不均匀,转子位移,基础或壳体变形大,表32 转子与静止件径向摩擦的敏感参数123456振,68,振动频率,（040）,（4050）,（50100）,不规则,出现的可能性（）,40,40,10,10,表35 转子过盈配合件过盈不足的振动特征,1,2,3,4,5,6,7,8,特征,频率,常伴,频率,振动稳定性,振动方向,相位特征,轴心轨迹,进动方向,矢量区域,1,（次谐波）,1,不稳,径向,杂乱,不,稳定,正,进动,改变,振动频率（040）（4050）（50100）,69,1,2,3,4,5,6,振动随转速变化,振动随负荷变化,振动随油温变化,振动随流量变化,振动随压力变化,其它识别方法,有变化,有变化,不变,不变,不变,1）转子失稳涡动频率,2）振动大小与转子不平衡量成正比,123456振动随转速变化振动随负荷变化振动随油温变化振动随,70,故障来源,1,2,3,4,设计、制造,安装、维修,运行、操作,机械劣化,主要原因,转轴与旋转体配合面过盈不足,1）转子多次拆卸，破坏了转轴与旋转体原有的配合性质,2）组装方法不当,超转速、超负荷运行,配合件蠕变,故障来源1234设计、制造安装、维修运行、操作机械劣化主要原,71,1,2,3,4,5,6,7,8,特征频率,常伴频率,振动,稳定性,振动方向,相位,特征,轴心轨迹,进动,方向,矢量,区域,基频及分数谐波,2，3,不稳定。工作转速达到某阈值时，振幅突然增大或减小,松动方向振动大,不稳定,紊乱,正进动,变动,12345678特征频率常伴频率振动振动方向相位轴心轨迹进动,72,1,2,3,4,5,6,振动随,转速变化,振动随,负荷变化,振动随,油温变化,振动随,流量变化,振动随,压力变化,其它,识别方法,很敏感,敏感,不变,不变,不变,非线性振动特征,表40 转子支承系统联接松动的故障原因,故障,来源,1,2,3,4,设计、制造,安装、维修,运行、操作,机械劣化,主要,原因,配合尺寸加工误差大，改变了设计所要求的配合性质,支承系统配合间隙过大或紧固不良、防松动措施不当,超负荷运行,支承系统配合性质改变，机壳或基础变形，螺栓松动,123456振动随振动随振动随振动随振动随其它很敏感敏感不变,73,1,2,3,4,5,6,7,8,特征频率,常伴频率,振动,稳定性,振动,方向,相位,特征,轴心,轨迹,进动,方向,矢量,区域,小于（1/2）的次谐波,1,、（1/n)及n,不稳定强烈振动,径向,不,稳定,紊乱并扩散,正,进动,突变,12345678特征频率常伴频率振动振动相位轴心进动矢量小于,74,1,2,3,4,5,6,振动随,转速变化,振动随,负荷变化,振动随,油温变化,振动随,流量变化,振动随,压力变化,其它,识别方法,在某阈值矢稳,很敏感,明显改变,不变,有影响,1）分数谐波及组合频率,2）工作转速达到某阈值时突然振动剧烈,123456振动随振动随振动随振动随振动随其它在某阈值矢稳很,75,故障来源,1,2,3,4,设计、制造,安装、维修,运行、操作,机械劣化,主要原因,制造误差造成密封或叶轮在内腔的间隙不均匀,转子或密封安装不当，造成密封或叶轮在内腔的间隙不均匀,操作不当，转子升降速过快，升降压过猛，超负荷运行,转轴弯曲或轴承磨损产生偏隙,故障来源1234设计、制造安装、维修运行、操作机械劣化主要原,76,1,2,3,4,5,6,7,8,特征频率,常伴频率,振动,稳定性,振动方向,相位特征,轴心轨迹,进动方向,矢量区域,半临界点的2,2、3等高频谱波,不稳定,径向、轴向,不规则变化,双椭圆或,不规则,正进动,改变,1 2 3 4 5 6,77,1,2,3,4,5,6,振动随,转速变化,振动随,负荷变化,振动随,油温变化,振动随,流量变化,振动随,压力变化,其它,识别方法,变化,不规则,变化,不变,不变,不变,非线性振动。过半临界点2谐波有共振峰值,123456振动随振动随振动随振动随振动随其它 变化不规则不,78,故 障,来 源,1,2,3,4,设计、制造,安装、维修,运行、操作,机器劣化,主 要,原 因,材质不良、应力集中,检修时未能发现潜在裂纹,及其频繁启动，升速、升压过猛，转子长期受交变力,轴产生疲劳裂纹,故 障1234设计、制造安装、维修运行、操作机器劣化主 要材,79,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,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,80,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,实例1： 转子不平衡,81,不平衡故障的典型频谱特征是工频分量占主导地位,不平衡故障的典型频谱特征是工频分量占主导地位,82,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,实例2：、引风机轴承测点,83,测点,方位,H,20.0,1526Hz,4.6,2.5,2.4,V,5.5,3.4,1.0,4.5,A,3.7,2.4,1.6,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H20.04.62.52.4V5.53.41,84,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。,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非常,85,转子不对中,联轴器不对中,轴承不对中,带轮不对中,转子不对中联轴器不对中轴承不对中带轮不对中,86,平行不对中,角度不对中,平行不对中角度不对中,87,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。,实例：,88,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,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2,89,地脚松动引起振动的方向特征及频率结构,机械松动,地脚松动引起振动的方向特征及频率结构机械松动,90,实例,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,实例1-汽轮机 2-减速机,91,汽轮机前后轴承振动值,um PP,um PP,H,85,30,V,15,6,A,28,28,汽轮机前后轴承振动值 H8530V156A2828,92,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。,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,93,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。,停机检查时发现汽轮机后轴承的一侧有两颗地脚螺栓没,94,摩擦,高次谐波及其分数倍谐波是摩擦的主要频谱特征,摩擦高次谐波及其分数倍谐波是摩擦的主要频谱特征,95,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。,实例1：,96,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,频率,36,72,108,109,145,181,217,253,289,362,幅值,875,1120,182,243,145,332,192,138,131,96,倍频关系,1阶自振频率,2阶自振频率,转频,3阶自振频率,4阶自振频率,2倍转频,各特征频率幅值及其倍频关系,12345678910频率36721081091451812,97,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。,实例2：,98,波形出现“削顶”,丰富的高次谐波,波形出现“削顶”丰富的高次谐波,99,实例,某化肥厂的二氧化碳压缩机组，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（f,r,）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,实例油膜振荡,100,故障发生前,故障发生后,故障发生前故障发生后,101,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z,1,=27，大齿轮（被动齿轮）齿数z,2,=100，齿轮啮合频率f,m,2497.5Hz，机组结构简图如图所示。,综合故障,实例综合故障,102,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，并由松动而引起摩擦，处于松动与摩擦并存状态。,机组于1998年1月初检修后，在试运行过程中振动一,103,104,水平方向,轴向频谱,垂直方向,水平方向轴向频谱垂直方向,105,1998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（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。,106,水平方向,垂直方向,轴向,水平方向垂直方向轴向,107,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。,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,108,1. 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. 滚动轴承信号的频率结构 滚动轴承故障的振动诊断及实例,109,1）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,1）内圈通过频率( )，即内圈上的某一损伤点与滚动体接,110,4）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,4）保持架通过频率（ ）：滚动轴承故障的振动诊断及实例,111,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,滚动轴承各结构参数所表示的意义参看图。滚动轴承故障的振动诊断,112,（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),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,（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,113,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。,实例1 ,114,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；,轴承节径：D70mm；,滚动体个数：z10；,压力角：0,0,。,该机组自1986年1月30日以后，测点的振动加速度,115,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,：,轴承的特征频率计算：,116,测点的时域波形和高低两个频段的频谱。,高频,低频,波形,测点的时域波形和高低两个频段的频谱。 高频低频波形,117,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