機械故障診斷學第9章旋轉(zhuǎn)機械狀態(tài)監(jiān)視與故障診斷

第9章旋轉(zhuǎn)機械的狀態(tài)監(jiān)視與故障診斷機械故障診斷學概述機械振動及其種類轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動故障診斷

齒輪箱故障診斷滾動軸承的振動信號分析狀態(tài)監(jiān)視系統(tǒng)示例1概述2機械振動及其種類機械振動是自然界、工程技術和日常生活中普遍存在的物理現(xiàn)象。各種機械在運動時，由于諸如旋轉(zhuǎn)件的不平衡、負載的不均勻、結(jié)構(gòu)剛度的各向異性、間隙、潤滑不良、支撐松動等因素，總是伴隨著各式各樣的振動。3振動測試的基本參數(shù)：幅值、頻率和相位

幅值幅值是振動強度大小的標志，它可以用不同的方法表示，如單峰值、有效值、平均值等；頻率為周期的倒數(shù)。通過頻譜分析可以確定主要頻率成分及其幅值大小，從而可以尋找振源，采取措施；相位振動信號的相位信息十分重要，利用相位關系確定共振點、振型測量、旋轉(zhuǎn)件動平衡、有源振動控制、降噪等。4機械振動穩(wěn)態(tài)振動能夠用數(shù)學式明確表示的函數(shù)隨機振動需用數(shù)理統(tǒng)計方法來描述周期振動振動以周期T重復出現(xiàn)非周期振動振動無固定的周期平穩(wěn)隨機振動振動統(tǒng)計特性對時間為常數(shù)非平穩(wěn)隨機振動振動統(tǒng)計特性隨時間而變化5

簡諧振動位移速度加速度6周期振動周期振動的定義：周期函數(shù)可以展開為傅里葉級數(shù)旋轉(zhuǎn)機械的振動過程是一個以周期振動為主導的隨機過程。

7轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)機械在啟停升降速過程中，往往在某個(或某幾個)轉(zhuǎn)速下出現(xiàn)振動急劇增大的現(xiàn)象，有時甚至在工作轉(zhuǎn)速下振動也比較強烈。其振動原因往往是由于轉(zhuǎn)子系統(tǒng)處于臨界轉(zhuǎn)速附近產(chǎn)生共振。

8在無阻尼的情況下，轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速等于其橫向固有頻率在有阻尼的情況下，轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速略高于其橫向固有頻率。轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速個數(shù)與轉(zhuǎn)子的自由度相等。對實際轉(zhuǎn)子來說，理論上有無窮多個臨界轉(zhuǎn)速，但由于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速限制，往往只能遇見數(shù)個臨界轉(zhuǎn)速。9剛性轉(zhuǎn)子準剛性轉(zhuǎn)子撓性轉(zhuǎn)子第一階臨界轉(zhuǎn)速

10轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動故障診斷

旋轉(zhuǎn)機械振動評定標準

目前最常采用的是通頻振幅來衡量機械運行狀態(tài)的，根據(jù)所使用傳感器的種類分為：軸承振動評定利用接觸式傳感器(例如磁電式振動速度傳感器或壓電式振動加速度傳感器)放置在軸承座上進行測量；11軸振動值評定，這可利用非接觸式傳感器

(例如電渦流式傳感器)測量軸相對于機殼的振動值或軸的絕對振動值。評定參數(shù)可用振動位移峰峰值和振動烈度(即均方根值，它代表了振動能量的大小)來表示。

12以軸承振動位移峰峰值作評定標準

轉(zhuǎn)速/rpm

標準/mm優(yōu)良合格15003050703000203050

水電部汽輪機組振動標準(雙振峰)

13機械部離心鼓風機和壓縮機振動標準標準轉(zhuǎn)速/mm≤3000≤6500≤10000>10000-16000主軸軸承50≤40≤30≤20齒輪軸承

≤40≤40≤3014IEC汽輪機振動標準標準轉(zhuǎn)速/mm≤1000150030003600≥6000軸承上7550252112軸上(靠近軸承)150100504420151617在制定上述振動標準時，假設：

機組振動為單一頻率的正弦波振動；

軸承振動和轉(zhuǎn)子振動基本上有一固定的比值，因此可利用軸承振動代表轉(zhuǎn)子振動；

軸承座在垂直、水平方向上的剛度基本上相等，即認為是各向同性的。18實際證明上述假設與事實不盡相符，所測得的振動多數(shù)是由數(shù)種頻率的振動合成的；軸承組水平剛度明顯低于垂直剛度；轉(zhuǎn)子振動和軸承座振動的比值，可以是2－50倍，它和軸承型式，間隙、軸承座剛度、油膜特性等有關，且同類機組亦不盡相同，因此，為了較全面的反映機組的振動情況，必須制定其它的振動標準。

19

以軸承振動烈度作為評定標準

振動烈度20ISO3945振動標準：適用于大于300kW，轉(zhuǎn)速為600～12000r/min的大型原動機和其它具有旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的大型機器，例如電動機和發(fā)電機、蒸汽輪機和燃氣輪機、渦輪壓縮機、渦輪泵和風扇等

212223草案24

以軸振動的位移峰峰值作為評定標準美國石油學會給出了功率不超過1000kW的中小型渦輪機械軸振動的振動標準API617，其振動許可值為：

式中A振動許可值（雙振幅），單位：

m;n

機器轉(zhuǎn)速，單位為r/min。25趨勢監(jiān)測26分頻段監(jiān)測2728

監(jiān)測參數(shù)及分析方法監(jiān)測參數(shù)動態(tài)參數(shù)振幅表示振動的嚴重程度，可用位移、速度或加速度表示振動烈度描述機器振動狀態(tài)的一種特征量

相位對于確定旋轉(zhuǎn)機械的動態(tài)特性、故障特性及轉(zhuǎn)子的動平衡等具有重要意義29靜態(tài)參數(shù)軸心位置在穩(wěn)定情況下，軸承中心相對于轉(zhuǎn)軸軸頸中心的位置軸向位置是機器轉(zhuǎn)子上止推環(huán)相對于止推軸承的位置差脹旋轉(zhuǎn)機械中轉(zhuǎn)子與定子之間軸向間隙的變化值30對中度指軸系轉(zhuǎn)子之間的連接對中程度，它與各軸承之間的相對位置有關溫度軸瓦溫度反映軸承運行情況；止推瓦反映軸承和靜止部件的軸向間隙潤滑油壓反映滑動軸承油膜的建立情況31渦流傳感器的安裝3233343536相對軸位移37相對軸膨脹38輸入保護濾波正峰值保持負峰值保持峰峰疊加比較電路報警門限精密穩(wěn)壓源振動信號振動信號峰峰值超限報警原理39間接測量——電機電流401-20均為齒輪，其中5，6，17，18為渦輪渦桿，20為扇形齒輪，

H為周轉(zhuǎn)輪系系桿

4142常用圖形分析方法波特圖

振幅與頻率，相位與頻率的關系曲線

010203040506070809001020304050振幅

/mm頻率/Hz01020304050607080903033027021015090相位角/度頻率/Hz43從波特圖中可以得到：轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在各個轉(zhuǎn)速下的振幅和相位、轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在運行范圍內(nèi)的臨界轉(zhuǎn)速值、轉(zhuǎn)子系統(tǒng)阻尼大小和共振放大系數(shù)、綜合轉(zhuǎn)子系統(tǒng)上幾個測點可以確定轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的各階振型。44極坐標圖轉(zhuǎn)軸隨轉(zhuǎn)速變化時的工頻振動矢量圖45軸心位置圖46軸心位置圖是指轉(zhuǎn)軸在沒有徑向振動情況下軸心相對于軸承中心的穩(wěn)態(tài)位置。通過軸心位置圖可判斷軸頸是否處于正常位置、對中好壞、軸承標高是否正常、軸瓦有否變形等情況，從長時間軸心位置的趨勢可觀察出軸承的摩損等。

47軸心軌跡圖李莎育圖形

-1.2-0.8-0.40.00.40.81.2-1.0-0.50.00.51.0-1.5-1.0-0.50.00.51.01.5-1.5-1.0-0.50.00.51.01.54849油楔軌跡轉(zhuǎn)向1X1X正常轉(zhuǎn)向軌跡預載1X1X不正常50頻譜圖和瀑布圖

515253利用瀑布圖可以判斷機器的臨界轉(zhuǎn)速、振動原因和阻尼大小54趨勢分析趨勢分析是把所測得的特征數(shù)據(jù)值和預報值按一定的時間順序排列起來進行分析。這些特征數(shù)據(jù)可以是通頻振動、1X振幅、2X振幅、0.5X振幅、軸心位置等，時間順序可以按前后各次采樣、按小時、按天等，趨勢分析在故障診斷中起著重要的作用。5556振動可接受區(qū)域

xxxxxxxxx1x或2x幅值或相位矢量域旋轉(zhuǎn)方向2709018001x或2x幅值或相位矢量域57

轉(zhuǎn)子系統(tǒng)主要故障及其診斷不平衡旋轉(zhuǎn)機械最常見的故障由于設計、制造、安裝中轉(zhuǎn)子材質(zhì)不均勻、結(jié)構(gòu)不對稱、加工和裝配誤差等原因和由于機器運行時結(jié)垢、熱彎曲、零部件脫落、電磁干擾力等原因而產(chǎn)生質(zhì)量偏心。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，質(zhì)量不平衡將激起轉(zhuǎn)子的振動。58特征振動頻率和轉(zhuǎn)速頻率一致，轉(zhuǎn)速頻率的高次諧波幅值很低，時域波形接近正弦波；剛性轉(zhuǎn)子不平衡產(chǎn)生的離心力與轉(zhuǎn)速的平方成正比，而在軸承座測得的振動隨轉(zhuǎn)速增加而加大，但不一定與轉(zhuǎn)速的平方成正比，這是由于軸承與轉(zhuǎn)子之間的非線性所致；在臨界轉(zhuǎn)速附近，振幅出現(xiàn)峰值，且相位在臨界轉(zhuǎn)速前后相差近180°。59分類固有不平衡轉(zhuǎn)子彎曲：初始彎曲、熱彎曲轉(zhuǎn)子部件脫落聯(lián)軸節(jié)精度不良60DDDDDDDDb)a)聯(lián)軸節(jié)精度不良引起的初始彎曲a)端面偏擺b)徑向偏擺

DDDDDDDD61

轉(zhuǎn)子不對中旋轉(zhuǎn)機械一般是由多根轉(zhuǎn)子所組成的多轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，轉(zhuǎn)子間一般采用剛性或半撓性聯(lián)節(jié)聯(lián)接。由于制造、安裝及運行中支承軸架不均勻膨脹、管道力作用、機殼膨脹、地基不均勻下沉等多種原因影響，造成轉(zhuǎn)子不對中故障，從而引起機組的振動。

62DDDDDDDDDDDD平行不對中角度不對中組合不對中63特征改變軸承的支承負荷，使軸承的油膜壓力也隨之改變，負荷減小的軸承可能會產(chǎn)生油膜失穩(wěn)；最大振動往往在不對中聯(lián)軸器兩側(cè)的軸承上，且振動值與轉(zhuǎn)子的負荷有關，隨負荷的增大而增高；平行不對中主要引起徑向振動，振動頻率為兩倍旋轉(zhuǎn)頻率，同時也存在高倍頻振動。64滑動軸承的半速渦動和油膜振蕩

軸在軸頸中作偏心旋轉(zhuǎn)時，形成一個進口斷面大于出口斷面的油楔，如果出口處的油液流速不馬上下降，則軸頸從油楔中間隙大的地方帶入的油量大于從間隙小的地方帶出的油量。由于液體的不可壓縮性，多余的油就推動軸頸前進，形成與軸旋轉(zhuǎn)方向相同的渦動運動，渦動速度即為油楔本身的前進速度。

65渦動頻率約為66頻率振幅振幅轉(zhuǎn)速

wc1wc12a)頻率振幅振幅轉(zhuǎn)速

b)

wc12wc1頻率振幅振幅轉(zhuǎn)速

c)

wc1wc12不同載荷下的油膜振蕩特點輕載轉(zhuǎn)子中載轉(zhuǎn)子重載轉(zhuǎn)子67消除油膜振蕩的措施有：增加轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的剛度。轉(zhuǎn)子固有頻率越高，產(chǎn)生油膜振蕩的失穩(wěn)轉(zhuǎn)速也越高，系統(tǒng)失穩(wěn)轉(zhuǎn)速應在工作轉(zhuǎn)速的125％以上；選擇合適的軸承形式和軸承參數(shù)。圓柱軸承制造簡單，但抗振性最差，橢圓軸承、三油楔、多油楔軸承次之?？蓛A瓦軸承最好；68增加外阻尼；增加軸承比壓，改變進油溫度或粘度。如切短軸承長度，在下瓦中部開環(huán)形槽等，國產(chǎn)

300MW汽輪發(fā)電機組的油膜振蕩是通過將軸瓦長度從430mm縮減到320mm以及將原30號油改用20號油來解決的;

減小軸承間隙；

改變進油壓力。

69動靜摩擦由于轉(zhuǎn)子彎曲、轉(zhuǎn)子不對中引起軸心嚴重變形，間隙不足和非旋轉(zhuǎn)部件彎曲變形等原因引起轉(zhuǎn)子與固定件接觸碰撞而引起的異常振動。摩擦分全圓徑環(huán)形摩擦和局部摩擦兩種。70特征振動頻帶寬，既有與轉(zhuǎn)速頻率相關的低頻部分，也有與固有頻率相關的高次諧波分量，并伴隨有異常噪聲，可根據(jù)振動頻譜和聲譜進行判別；振動隨時間而變。在轉(zhuǎn)速、負荷工況一定，由于接觸局部發(fā)熱而引起振動矢量的變化，其相位變化與旋轉(zhuǎn)方向相反；71接觸摩擦開始瞬間會引起嚴重相位跳動(大于

10°相位變化)。局部摩擦時，無論是同步還是異步其軌跡均帶有附加的環(huán)。摩擦時，軸心軌跡總是反向進動，即與轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)方向相反，由于摩擦還可能出現(xiàn)自激振動，自激的渦動頻率為轉(zhuǎn)子一階固有頻率，但渦動方向與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相反。72

齒輪箱故障診斷齒輪常見故障齒斷裂

疲勞斷裂或過負荷斷裂。最常見的是疲勞斷裂，通常先從受力側(cè)齒根產(chǎn)生龜裂、逐漸向齒端發(fā)展而致折斷。過負荷斷裂是由于機械系統(tǒng)速度的急劇變化、軸系共振、軸承破損、軸彎曲等原因，使齒輪產(chǎn)生不正常的一端接觸，載荷集中到齒面一端而引起的。

73齒磨損由于金屬微粒、污物、塵埃和沙粒等進入齒輪而導致材料磨損、齒面局部熔焊隨之又撕裂的現(xiàn)象。

齒面疲勞由于齒面接觸應力超過材料允許的疲勞極限。表面層先是產(chǎn)生細微裂紋，然后是小塊剝落，直至嚴重時整個齒斷裂。

齒面塑性變形如壓碎、趨皺

74失效原因失效比重（%）齒輪箱缺陷設計1240裝配9制造8材料7修理4運行缺陷維護2443操作19相鄰部件（聯(lián)軸器、電動機等）缺陷17齒輪箱失效原因及失效比重75失效零件失效比重（%）齒輪60軸承19軸10箱體7緊固件3油封1齒輪箱的失效零件及失效比重76在生產(chǎn)條件下很難直接檢測某一個齒輪的故障信號，一般是在軸承、箱體有關部位測量。當齒輪旋轉(zhuǎn)時，無論齒輪發(fā)生了異常與否，齒的嚙合都會發(fā)生沖擊嚙合振動，其振動波形表現(xiàn)出振幅受到調(diào)制的特點，甚至既調(diào)幅又調(diào)頻。77齒輪故障在頻域中的表現(xiàn)如下：當齒輪均勻磨損時，嚙合頻率及其諧波分量保持不變，但幅值大小改變，高次諧波幅值增大較多；

調(diào)幅現(xiàn)象：由于齒面載荷波動對幅值的影響造成的，調(diào)幅的一個原因是齒輪偏心，此時的調(diào)制頻率為齒輪的回轉(zhuǎn)頻率。當在齒輪上有一個齒存在局部缺陷時，相當于齒輪的振動受到一個短脈沖的調(diào)制，脈沖的長度等于齒的嚙合周期；78t0y載波t0x調(diào)制信號t0xm調(diào)幅波xm(t)=x(t)y(t)=x(t)cos2f0t7980

調(diào)頻現(xiàn)象：齒面壓力波動、齒輪偏心、齒輪轉(zhuǎn)速不均勻，不僅產(chǎn)生調(diào)幅現(xiàn)象，也會引起頻率調(diào)制，其結(jié)果是在譜上得到一個調(diào)幅與調(diào)頻綜合形成的邊頻帶。若x(t)=Acos2

fst，則：f=f0+

f=f0+Kx(t)81t0y載波t0x調(diào)制信號t0xm調(diào)頻波82……f0f0-f0fsfs調(diào)頻波的頻譜83附加脈沖：附加脈沖是回轉(zhuǎn)頻率的低次諧波。平衡不良、對中不良和機械松動等，均是回轉(zhuǎn)頻率的低次諧波振源，但不一定與齒輪缺陷直接有關。附加脈沖的影響一般在嚙合頻率以下；

隱含譜線：產(chǎn)生的原因為加工誤差使齒輪存在周期性缺陷84部件失效類型振動頻率振幅特征振動方向其它轉(zhuǎn)子失衡fr隨fr增大fr=fn有峰值徑向受懸臂式載荷時有軸向振動軸彎曲fr,2fr及nfr隨fr增大徑向最大截面扁平2fr隨fr增大徑向聯(lián)軸器對中不良fr,2fr及nfr變化不定軸向較大齒輪聯(lián)軸節(jié)振動特征與齒輪相同，但fr=fn時有峰值配合松fr/n,fr或nfr變化不定徑向不良fr變化不定徑向齒輪箱不同部件故障的振動特征85齒輪箱不同部件故障的振動特征（續(xù)）徑向變化不定鋼球剝落徑向變化不定外圈剝落軸承高頻振動10~60KHz不易傳給其它部位徑向變化不定內(nèi)圈剝落滾動軸承徑向隨fr增大斷齒數(shù)

fr斷齒磨損嚴重時出現(xiàn)高階振動，fr的振動能量明顯增大徑向隨fr增大損傷齒數(shù)

fr齒面損傷齒輪其它振動方向振幅特征振動頻率失效類型部件Z：軸承鋼球數(shù)；d：鋼球直徑；D：軸承平均直徑；

：軸承接觸角86部件失效類型振動頻率振幅特征振動方向其它滑動軸承潤滑不良fr變化不定徑向油膜渦動(0.42~0.48)fr突變徑向油膜振蕩fn突變徑向基礎翹曲不平fr,2fr及nfr隨fr增大軸向較大

剛性不好fr隨fr增大而減小徑向齒輪箱不同部件故障的振動特征（續(xù)）87齒輪振動特征頻率的計算轉(zhuǎn)動頻率嚙合頻率定軸轉(zhuǎn)動齒輪：88有固定齒圈的行星輪系：

-任一參考齒輪的齒數(shù)

-參考齒輪的轉(zhuǎn)數(shù)；

-轉(zhuǎn)臂的回轉(zhuǎn)速度，當與參考齒輪轉(zhuǎn)向相反時取正號，否則取負號。89齒輪箱振動信號分析倒譜：邊頻帶分析90包絡解調(diào)91a)整流檢波解調(diào)d)c)f)b)e)9293包絡解調(diào)：希爾伯特變換復解析信號：要求z(t)的頻譜等于x(t)的單邊譜（只包含正頻率部分）。94Hilbert變換包絡信號：95采樣頻率5000Hz，點數(shù)100096

時頻分析：小波變換97時域平均：提取微弱信號98滾動軸承的振動信號分析滾動軸承的故障機理磨損由于滾道和滾動體的相對運動和塵埃異物引起表面磨損，潤滑不良會加劇磨損，結(jié)果使軸承游隙增大，表面粗糙度增加，降低了軸承運轉(zhuǎn)精度，因而也降低了機器的運動精度，表現(xiàn)為振動水平及噪聲的增大；99表面損傷損傷故障產(chǎn)生的沖擊振動從性質(zhì)上可分為兩類：軸承元件工作表面損傷點在運行中反復撞擊與之相接觸的其它元件表面而產(chǎn)生的低頻振動成分，其頻率與轉(zhuǎn)速和軸承的幾何尺寸有關，這一頻率稱為故障特征頻率；由于損傷沖擊作用而誘發(fā)的軸承系統(tǒng)的高頻固有振動成分，如軸承內(nèi)、外圈的徑向彎曲