机械故障诊断……第6章

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6章,旋转,机械的,振动,监测与,诊断,6-1,旋转,机械的,振动,及,故障概论,旋转,机械的,核心,-,转轴组件,，它,包括,：,转子,、轴、,齿轮传动,件、,叶轮,、,联轴器,；,滑动轴承,、,滚动轴承,；,支座,、,定子,、机座；,密封,、,密封装置,。,6-1-1,转子,系统、,转子振动,和,转子故障,间的,关系,1、,机械,设备振动,特点,振动存在,的,广泛,性,振动,监测的有效性,振动,的可,识别,性,振动识别,的,复杂性,-,振动,特性受系统、,故障,的,影响,（系统,固有,特性,不同,、,故障激励传递通道不同,、测点,不同及其传递通道,不,同等,）。,2、系统、,振动,、,故障,间的,关系,6-1-2,转子,系统、,转子振动,和,转子故障,的,分类,1、,振动分类,横向振动,-,振动发生,在,包括转轴,的,横向,xoy,平面内，大多数故障所激发的振动为此类振动；,轴向振动-振动发生在转轴轴线,z,方向上，某些故障如不对中将会激发轴向 振动；,扭转振动-沿转轴轴线发生的扭振，多盘转子的柔性轴将会产生扭振。,2、系统,分类,-以,临界转速分类,刚性转子,系统-,工作转速,在一阶,临界转速以下,的系统。,一阶,临界转速,：,转子,系统有,多个,自振,频率,，当,转速逐渐增大,到,横向振动,的一阶自振,频率,时，将,发生,一阶,共振,，所,对应,的,转速称为,一阶,临界转速,。,判别依据,：,一般工作频率,100Hz的机械系统,属于,柔性,转子,系统。,振动,特点：,振动频率,（自激,振动,）,工作频率,，并与一阶,横向,自振,频率有关,。,自激,振动,：,振动过程,中，,由于,系统,内部不断,有,能量输入,而,产生,的,共振现象,，在,设备诊断,中又,称为,亚,同步振动,。,两种,系统,振动,特点,比较,3、,故障分类,6-2,旋转,机械,故障诊断信息,的,表达,和,分析,6-2-1,波形分析,法,波形分析,法是,通过观察振动波形,的,特征,来,获取诊断信息,。,振动波形,：,振动位移,、,速度,或,加速度随时,间,变化,的曲线。,与,同步振动有关,的,各种故障,所,激发,的,振动,都,属于周期函数,，其,基本成分,是以基频（,工作频率,）,成分为主,及,若干,高次谐波,函数,再,附加随机噪声,所组成，如图6-4所示。,6-2-2频谱,分析,法,1、频谱,分析,的,类型,1),幅值谱与,相位,谱,振动信号,的,x(t),付氏变换：,阶比幅值谱,（自）,功率,谱图-,信号,的自,功率密度函数,S,x,(f),S,x,(f),表示信号样本中所含能量沿频率轴的分布情况，多 用于以随机信号为主的信号分析中，其提供的信息与幅值谱基本相同,优点,：,能量集中,的谱峰,突出,、能显示,频带能量分布水平,、,用途广泛,。 例：,滚动轴承,的,功率,谱图如图6-9所示,其中,有三个,能量集中,敏感带，08Hz,，2430Hz，6872Hz。,2、频谱,分析,方法,频谱的最,基本信息,：谱峰的,高低,和,频率特征,分析,方法：,谱图,分段,：,f,r,区,不同位置（水平、垂直）的频谱图对比,不同地点的谱图差别,6-2-3,轴心轨迹分析,法,轴心轨迹,-,转子轴心,点,相对,于,轴承,座,运动,而,形成,的,轨迹,轴心轨迹,的,分析,方法,轴心轨迹携带,的,诊断信息表现,为：,轴心轨迹,的,形状,轴心轨迹,的,旋转方向,轴心轨迹,的,稳定性,1）,轴心轨迹,的,形状,轴心轨迹,的,形状,与,机器设备,的,运行,状态及,发生故障,的,类型,有,密切关系,，,以下,是,几种典型故障,的,轴心轨迹,。,不平衡,-,轴心轨迹理论上,为,圆形,，但,由于轴承,油膜,刚度,在,x,y,方向上的差别，以及其它因素的影响，实际上为一椭圆。图6-11为汽轮发电机启动过程中基频分量的仿真轴心轨迹图。椭圆长轴倾角的变化主要是受到启动过程中温度升高所致,不对,中,亚,同步振动,2）,轴心轨迹,的,旋转方向,正向进动,（轴,转向,与,轴心轨迹转向一致,）-,例如,：,转子不平衡,、,不对,中、油膜失稳,产生,的亚,同步,涡动、,内摩擦激发,的涡动等均为正向进动。,绝大多数,为正向进动。,逆向进动,（轴,转向,与,轴心轨迹转向相反,）-干摩擦等,少数情况,下,发生,3）,轴心轨迹,的,稳定性,一般情况,下，,轴心轨迹保持稳定,，,一旦发生形状大小,的,变化,或,轨迹紊乱,。则揭示,机器设备运行,状态已,发生变化,或,进入异常,。,6-2-4,转速跟踪分析,方法-瞬态,分析,方法,1、奈奎斯特（,Nyquist,）,图和波德图(,Bode),定义：,起停车的每个转速瞬间，取振动信号的基频分量的幅值为极坐标的模，其基准相位角为幅角，而构成极坐标平面上的一个点，这些形成极坐标曲线称为,奈奎斯特图,。将各转速下的基频分量的幅值和基准相位角分别绘制在转速幅值、转速相位两个直角对数坐标系的图上，称为,波德图,。,Nyquist,图和,Bode,图用于系统动态参数（临界转速、阻尼等）性质和系统故障的预测。,上述,两图,可用,于,区分不平衡,对系统的,影响,。,两种图形,所,携带,的,诊断信息基本相同,，仅是,表现形式不同,，,具体,如下,：,图中,描述,了在,整个转速变化范围,内,转子,系统对,不平衡激励,的,响应变化情况,；,根据图,中的共振,峰或,最大,向径,可以确定转子,的,临界转速,；,根据,共振,峰的,高度可以导出,系统的,阻尼,值；,根据低,转速,下的幅值和,相位可以确定,轴的,弯曲程度,。,例如,图6-16中170度处的12.7,m,大小的慢滚动向量就是由弯轴引起的。,2、,瀑布,图和坎贝尔（,Compbell,）,图,瀑布,图是将,振动信号,的,功率,谱或幅值谱,随着转速,的,变化,叠置而成的,三维,谱图.它,可以,显示,各种,谐波,成分,谱图,随着转速变化,的,情况,，如图6-18所示.,坎贝尔图如图6-19所示,其中横坐标,为,转速,纵坐标,为,频率,斜线为各倍频,分量,的阶次比(f/,f,r,),而分量的振幅则用圆圈的大小来表示,它与瀑布图提供共同的信息,但不如瀑布图形象.,瀑布图同坎贝尔图的共同缺点是没有提供相位信息.,6-2-5,统计分析,方法-,量化处理,方法,量化,指标=,诊断,指标,可直接从,振动参数获取,，也可从,波形,曲线或频谱图中,获取,。,在简易,诊断,中,可用,于状态监测，在,精密诊断,中可组成,特征向量进行模式识别,1、,振动,峰峰值（,p-p,值）,常用,的峰-峰值为,位移,x,p-p,值和加速度的峰-峰,a,p-p,值，它可以从一般的测振仪中读出。 用于汽轮机、压缩机初步状态评判。,3、无,量纲,指标,4、根据,功率,谱图,S,x,(f),导出的一些诊断指标,6-2-6,诊断信息,研究的新,发展,如何全面,地从,信号,中,提取诊断信息,并以更,直观醒目,的,形式进行表达,是,信号处理,技术的,主要任务之一,。,近年来,在这,方面取得,了新方法为,全息,谱及,全息瀑布,图的,分析,方法。,1、二维,全息,谱,及其应用,前述,一些分析存在,的,不足,：,如谱,分析,法是幅值谱和,相位,谱,分离,，,垂直方向,和,水平方向分别考虑,，,很难形成统一,的、,比较形象,的,图象,。又如当,振动比较复杂,时，,轴心轨迹虽然,是两个,方向,的,合成,的结果，但也难,反映振动,的特点和,故障,的,原因,。,二维,全息,谱：,对,转子,的某一支承面的,垂直,、,水平方向,的,振动信号,作,FFT,后，可从幅值谱、相位谱中提取各主要频率分量的幅值和相位，然后做复合处理，可得各频率分量对应的振动轨迹，并将其按顺序排列在一长谱图上，得一张二维全息谱。,优点：,反映了两个方向振动的信号幅值及它们之间的相位关系,。,2、,三维全息,谱,3、,全息瀑布,图,将二维,全息,谱按,转速,的,变化进行,叠置，构成,全息瀑布,图，,表示转子,某一支承,截面,的,振动信号,各组成,分量,的幅值和,相位跟踪转速变化,的,状况,它将有效揭示,转子,起停,过程中的振动特征,，如图6-23所示,6-3,旋转,机械的简易,诊断,方法,简易,诊断,方法是,采用一些便携式,测振仪,拾取信号,，并直接由,信号,的,某些参数,或,统计,量构成,诊断,指标，根据对,诊断,指标的,分析,以,判定设备,的,运行,状态是,正常,或是,异常,。,6-3-1,振动信号,的,测定,正确选泽,测定方式,和,参数,方式,：,在线,、离线；,参数,：,低频范围,（10100Hz,）-,位移（,x,p,-p,x,p,x,rms,等）,中频范围（101000,Hz）-,速度（,V,rms,振动烈度等）,高频范围（1,kHz）-,加速度（,a,rms,a,p,等）,2、,合理布置,测点,1),主要,测点,布置,测,轴承,的,振动,（,绝对值,）：,测量,时,采用速度,或,加速度传感器,，要,同时,把测点,布置,在,垂直,Y、,水平,X,和轴向,Z,三个方向上进行测定。对于监测引起同步振动的一些故障，如不平衡、不对中、松动等常采用这种布置。,测轴位移（相对值）：,测量时采用电涡流位移传感器。一般，测点布置在垂直（,V）,和水平（,H）,两个方向上，或45,0,互成垂直的方向上。必要时也在轴向（,A）,布置测点 。对于监测引起亚同步振动的一些故障，如半速涡动、油膜 振荡以及旋转失速、喘振等常采用这种布置方式。,2),辅助,测点,布置,对于,结构,比较复杂,的,大型旋转,机械，还,必要,根据,具体情况增加辅助,测点来,全面反映,所有的,诊断信息,。如,压缩机,的增速箱或网管系统的,振动,、风机机壳的,振动,、,基础,的,共振,等，,一般,可,布置,在机壳、箱体、,基础,等,部位,。,3),注意,事项,为了保证,所测数据的可比性，在,测定,数据时应,遵循以下原则,：每次,测量,要在,同一,测点、每次,测量机器,工况,相同,、每次,测量,所,使用,的,仪器,、,传感器,及,测量,方法,相同,3、,选定合适,的,测定周期,测定周期,为每次,采集信号,的,间隔时间,，它与机械的,类型,及,故障发展,的,速度有关,。,例如对于高速旋转,机械的与亚,同步振动有关,的,故障,应,保持,较短的,测定周期,，而,一般低速旋转,机械或与磨损,有关,的,故障,，则,采用,较长的,测定周期,，但一,发现故障进程,较快时，就应缩短,测定周期,。,高速旋转,机械（,压缩机,、,透平机,等）,每周测定,；,一般旋转,机械（风机、水泵、,机床,）每月,测定,。,6-3-2 简易,诊断,方法,原理,2、简易,诊断判别标准,的,制定,绝对标准,-将,测定,值与,标准,值,比较,来,判断设备,状态。,绝对标准,有,国际,ISO,标准,德国,VDI2056,标准,英国,BS4175,标准,中国风机专业标准（,JB/TQ334-87、 JB/TQ433-85,等,）,加拿大,CAD/MS/NVSH107,标准,相对标准,-将,正常,值,作为初值,，,实测,值为,初值,的,倍数作为,阀值,判断,。,类比,标准,-同,类型测试,值,比较,，,倍数,为阀值。,各类标准优先顺序,-,绝对标准,相对标准,类比,标准,6-3-3 简易,诊断,方法,举例,-,压缩机,的简易,诊断,2、,故障简况,1989年12月,发现,中压缸,进口,端测点4的表头显示的轴,振动逐渐,由19,m,增至65,m，,已超过本机预设计报警值38,m，,而跳车停机。恢复生产后，轴振动继续上升至93,m，12,月底达满量程127,m。,操作人员感到极大威胁，但又不能贸然决定停机（停机每日损失70万元）。因此决定采用,Vm,-63,便携式振动计，用简易诊断方法监测运行状态是否继续恶化，以便进一步采取对策,3、监测方法,振动,计,主要用于测量轴承,的,绝对振动,，单因测点4的,轴承位于,机壳筒,体内,部，与筒体,之间还有,一,环形,空腔，,不能,直接,测试轴承振动,，,因此,改用中压缸,进口,端,作为,测点，来,代替,测点4，,测定参数,为,V,rms,及,x,p,-p,，,并分别测试垂直（,V）,和水平（,H）,两个方向的数据,4、,趋势,图,分析,图6-26为1989年12,月底,至1991年6月监测数据,V,rms,及,x,p,-p,值的劣势趋势图。参照,ISO-2372,标准及本机的结构特点，将危险阀值定为,V,rms,=3mm/s,及,x,p,-p,=10,m，,根据,Bently5000,表头数据表明，中压缸肯定处于异常状态。但由监测趋势图发现，测点的振动数据基本保持稳定，而未超出给定的域值。因此直到1991年8月大修时才停机检查，为国家节约了大量的财富。,5、,检修,结果及,故障原因分析,1991年8月,大修,拆机检查结果为中压缸止推,轴承推力,盘磨损，副,推力,瓦基环,碎裂,，,因而引起振动,。,此外,还,发现转子,与,隔板,摩擦,造成转子,失衡而,加剧,了,振动,。,6-4,旋转,机械,故障,的,精密诊断原理,及,典型故障分析,6-4-1,旋转,机械的,精密诊断原理,1、,两种诊断原理比较,2、,模式识别,方法,原理,3、,模式识别,方法-其,理论基础,是聚类,分析,法,直接,观察,法（,经验,法）：,将待检,模式,的,特征,与,典型模式,的,特征进行直观比较,、,分析,后,进行分类,。,计算机辅助诊断,法：,有,时序诊断,法、模糊,诊断,法、,灰色,系统,诊断,法等，,解决模式边界,不太清晰,问题,。,计算机自动识别,法：,又称,诊断专家系统,。由,专家知识,、,各种故障全部诊断信息,组成,知识库,，,通过计算机自动识别,和,诊断,的方法。,6-4-2,旋转,机械的,典型故障分析,1,、,转子不平衡,（失稳）,转子不平衡原因分析,：,材质不均、,安装不良,、,配合松动,、轴,变形,、,零件,磨损、,断裂,等。,转子不平衡振动分析,：,如图6-29所示单盘,转子,系统，,由于,质心与,旋转中心,不,重合,而,产生不平衡,3),转子不平衡振动特征,频率特征,：,激振,频率单一,=,旋转频率,相位特征,：,工作频率,下,相位稳定,转速跟踪动态特征,：,单,自由度,，,振幅,随,增加,而,增加,， 当,/,n,1（,临界转速）时出现共振峰；多自由度，超过临界转速（在一阶和二阶共振峰之间）时振幅逐渐减小而趋向于一定值，既偏心值，它与转速及阻尼水平有关。,注意,事项,刚性转子,与柔性,转子,的,区别,：,刚性转子,的,额定转速,在,临界转速以下运行,，故,振幅,随,转速增大,而,增大,；柔性,转子,的,额定转速,在,临界转速以上运行,，故,振幅,随,转速,先,增大而后减小,。,转子不平衡,与,基础共振,的,区别,：,前者,有,相位差,，,后者,无,相位差,。,采用,涡流,位移传感器,时，,区别,轴,弯曲,等对,振幅,的,影响,。,2、,转子不对,中,转子不对,中,分为,：,转子中心,与,轴承中心不对,中；,多,转子,系统中各,转子,的,轴线不对,中。,1),转子不对,中,类型,及,危害,（见图6-30）,平行不对,中,角度不对,中,综合不对,中,危害,：,滚动轴承,：,振动噪声,、,过度,磨损、“卡死”等；,滑动轴承,：油膜,承载,失稳，半速涡动，油膜,振荡,，,严重,时油膜,破裂,而烧损,轴瓦,。,2),产生不对,中,原因分析,安装不良,轴承支座,由,不均匀膨胀引起,的,变形,地基下沉,3),不对,中,转子振动特征,A。,振动形态特征,平行不对,中,引起转子径向振动,角度不对,中,引起径向,和轴向,振动,综合不对,中,引起含有,轴向,振动,B.,振动频率特征,激振,频率,以基频,f,r,、2f,r,、4f,r,.,为主。,C.,转速跟踪幅值动态变化,-不明显。,不对中诊断方法,简易诊断-轴向振动,精密诊断-,FFT,或功率谱的2倍频2,f,r,、4,倍频4,f,r,成分判断不对中故障，用全息谱技术区分不对中和轴裂纹故障,。,3、基座或,装配松动,振动特征,-非线性、,形式,以,垂直振动为主,。,频率特征,-基频,f,r,、3f,r,、 5f,r,、 7f,r,及（0.30.5）,f,r,为主。,增速振幅有跳跃现象,。,