機械故障診斷學第9章

1第9章旋轉機械的狀態(tài)(zhuàngtài)監(jiān)視與故障診斷機械故障診斷學概述(ɡàishù)

機械振動及其種類

轉子系統(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)示例精品資料2概述(ɡàishù)精品資料3機械振動及其種類(zhǒnglèi)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象。各種機械在運動時，由于諸如旋轉件的不平衡、負載的不均勻、結構(jiégòu)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。精品資料4振動測試的基本參數：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。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(gòngzhèn)點、振型測量、旋轉件動平衡、有源振動控制、降噪等。精品資料5機械振動穩(wěn)態(tài)振動能夠用數學式明確表示的函數隨機振動需用數理統(tǒng)計方法來描述周期振動振動以周期T重復出現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非平穩(wěn)隨機振動振動統(tǒng)計特性隨時間而變化精品資料6簡諧振動(zhèndòng)位移(wèiyí)速度加速度精品資料7周期(zhōuqī)振動周期(zhōuqī)振動的定義：周期函數可以展開為傅里葉級數旋轉機械的振動過程是一個以周期振動為主導的隨機過程。

精品資料8轉子的臨界(línjiè)轉速旋轉機械在啟停升降速過程中，往往在某個(或某幾個)轉速下出現振動急劇增大的現象，有時甚至在工作轉速下振動也比較強烈。其振動原因往往是由于轉子系統(tǒng)處于(chǔyú)臨界轉速附近產生共振。精品資料9在無阻尼(zǔní)的情況下，轉子的臨界轉速等于其橫向固有頻率在有阻尼(zǔní)的情況下，轉子的臨界轉速略高于其橫向固有頻率。轉子的臨界轉速個數與轉子的自由度相等。對實際轉子來說，理論上有無窮多個臨界轉速，但由于轉子的轉速限制，往往只能遇見數個臨界轉速。精品資料剛性(ɡānɡxìnɡ)轉子準剛性(ɡānɡxìnɡ)轉子撓性轉子第一(dìyī)階臨界轉速精品資料11轉子系統(tǒng)(xìtǒng)振動故障診斷旋轉(xuánzhuǎn)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；精品資料12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。評定參數可用振動位移(wèiyí)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。精品資料13以軸承振動(zhèndòng)位移峰峰值作評定標準轉速/rpm

標準/mm優(yōu)良合格15003050703000203050水電部汽輪機組振動(zhèndòng)標準(雙振峰)精品資料14機械部離心(líxīn)鼓風機和壓縮機振動標準標準轉速/mm≤3000≤6500≤10000>10000-16000主軸軸承50≤40≤30≤20齒輪軸承

≤40≤40≤30精品資料15IEC汽輪機振動(zhèndòng)標準標準轉速/mm≤1000150030003600≥6000軸承上7550252112軸上(靠近軸承)150100504420精品資料16精品資料17精品資料18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子振動；軸承座在垂直、水平(shuǐpíng)方向上的剛度基本上相等，即認為是各向同性的。精品資料19實際證明上述假設與事實不盡相符，所測得的振動多數是由數種頻率(pínlǜ)的振動合成的；軸承組水平剛度明顯低于垂直剛度；轉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。精品資料20以軸承振動烈度作為(zuòwéi)評定標準振動(zhèndòng)烈度精品資料21ISO3945振動標準：適用于大于300kW，轉速為600～12000r/min的大型(dàxíng)原動機和其它具有旋轉質量的大型(dàxíng)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、渦輪泵和風扇等精品資料22精品資料23精品資料24草案(cǎoàn)精品資料25以軸振動的位移峰峰值作為評定(píngdìng)標準美國石油(shíyóu)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機器轉速，單位為r/min。精品資料26趨勢(qūshì)監(jiān)測精品資料27分頻段(pínduàn)監(jiān)測精品資料28精品資料29監(jiān)測(jiāncè)參數及分析方法監(jiān)測(jiāncè)參數動態(tài)參數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

相位對于確定旋轉機械的動態(tài)特性、故障特性及轉子的動平衡等具有重要意義精品資料30靜態(tài)參數軸心位置在穩(wěn)定情況下，軸承中心相對(xiāngduì)于轉軸軸頸中心的位置軸向位置是機器轉子上止推環(huán)相對(xiāngduì)于止推軸承的位置差脹旋轉機械中轉子與定子之間軸向間隙的變化值精品資料31對中度指軸系轉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(zhóuwǎ)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精品資料32渦流(wōliú)傳感器的安裝精品資料33精品資料34精品資料35精品資料36精品資料37相對(xiāngduì)軸位移精品資料38相對(xiāngduì)軸膨脹精品資料39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(xìnhào)峰峰值超限報警原理精品資料40間接測量——電機(diànjī)電流精品資料411-20均為齒輪，其中(qízhōng)5，6，17，18為渦輪渦桿，20為扇形齒輪，H為周轉輪系系桿精品資料42精品資料43常用圖形(túxíng)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/Hz精品資料44從波特圖中可以得到：轉子系統(tǒng)在各個轉速(zhuànsù)下的振幅和相位、轉子系統(tǒng)在運行范圍內的臨界轉速(zhuànsù)值、轉子系統(tǒng)阻尼大小和共振放大系數、綜合轉子系統(tǒng)上幾個測點可以確定轉子系統(tǒng)的各階振型。精品資料45極坐標圖轉軸隨轉速(zhuànsù)變化時的工頻振動矢量圖精品資料46軸心(zhóuxīn)位置圖精品資料47軸心位置圖是指轉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(zhóuwǎ)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。精品資料48軸心(zhóuxīn)軌跡圖李莎育圖形(túxíng)-1.2-0.8-0.40.00.40.81.2-1.0-0.50.00.51.0-1.5-1.0-0.50.00.51.01.5-1.5-1.0-0.50.00.51.01.5精品資料49精品資料50油楔軌跡轉向1X1X正常轉向軌跡預載1X1X不正常精品資料51頻譜圖和瀑布(pùbù)圖精品資料52精品資料53精品資料54利用瀑布圖可以判斷機器的臨界(línjiè)轉速、振動原因和阻尼大小精品資料55趨勢(qūshì)分析趨勢分析是把所測得的特征數據值和預報值按一定的時間順序排列起來進行分析。這些特征數據可以是通頻振動、1X振幅(zhènfú)、2X振幅(zhènfú)、0.5X振幅(zhènfú)、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。精品資料56精品資料57振動可接受(jiēshòu)區(qū)域xxxxxxxxx1x或2x幅值或相位矢量域旋轉方向2709018001x或2x幅值或相位矢量域精品資料58轉子系統(tǒng)主要(zhǔyào)故障及其診斷不平衡旋轉(xuánzhuǎn)機械最常見的故障由于設計、制造、安裝中轉子材質不均勻、結構不對稱、加工和裝配誤差等原因和由于機器運行時結垢、熱彎曲、零部件脫落、電磁干擾力等原因而產生質量偏心。轉子旋轉時，質量不平衡將激起轉子的振動。精品資料59特征(tèzhēng)振動頻率和轉速(zhuànsù)頻率一致，轉速(zhuànsù)頻率的高次諧波幅值很低，時域波形接近正弦波；剛性轉子不平衡產生的離心力與轉速(zhuànsù)的平方成正比，而在軸承座測得的振動隨轉速(zhuànsù)增加而加大，但不一定與轉速(zhuànsù)的平方成正比，這是由于軸承與轉子之間的非線性所致；在臨界轉速(zhuànsù)附近，振幅出現峰值，且相位在臨界轉速(zhuànsù)前后相差近180°。精品資料60分類固有不平衡轉子彎曲(wānqū)：初始彎曲(wānqū)、熱彎曲(wānqū)轉子部件脫落聯軸節(jié)精度不良精品資料61DDDDDDDDb)a)聯軸節(jié)精度不良引起的初始彎曲(wānqū)a)端面偏擺b)徑向偏擺DDDDDDDD精品資料62轉子(zhuànzǐ)不對中旋轉機械一般是由多根轉子所組成(zǔchénɡ)的多轉子系統(tǒng)，轉子間一般采用剛性或半撓性聯節(jié)聯接。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，造成轉子不對中故障，從而引起機組的振動。精品資料63DDDDDDDDDDDD平行(píngxíng)不對中角度(jiǎodù)不對中組合不對中精品資料64特征(tèzhēng)改變軸承的支承負荷，使軸承的油膜壓力(yālì)也隨之改變，負荷減小的軸承可能會產生油膜失穩(wěn)；最大振動往往在不對中聯軸器兩側的軸承上，且振動值與轉子的負荷有關，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頻率，同時也存在高倍頻振動。精品資料65滑動軸承(huádònɡzhóuchénɡ)的半速渦動和油膜振蕩軸在軸頸中作偏心(piānxīn)旋轉時，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，形成與軸旋轉方向相同的渦動運動，渦動速度即為油楔本身的前進速度。精品資料66渦動頻率(pínlǜ)約為精品資料67頻率振幅振幅轉速

wc1wc12a)頻率振幅振幅轉速

b)

wc12wc1頻率振幅振幅轉速

c)

wc1wc12不同載荷下的油膜振蕩特點輕載(qīnɡzǎi)轉子中載轉子重載轉子精品資料68消除油膜振蕩的措施有：增加轉子系統(tǒng)的剛度。轉子固有頻率越高，產生油膜振蕩的失穩(wěn)轉速也越高，系統(tǒng)失穩(wěn)轉速應在工作轉速的125％以上；選擇(xuǎnzé)合適的軸承形式和軸承參數。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。可傾瓦軸承最好；精品資料69增加外阻尼；增加軸承(zhóuchéng)比壓，改變進油溫度或粘度。如切短軸承(zhóuchéng)長度，在下瓦中部開環(huán)形槽等，國產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(zhóuchéng)間隙；改變進油壓力。精品資料70動靜(dòngjing)摩擦由于轉子彎曲、轉子不對中引起軸心嚴重變形，間隙不足和非旋轉部件彎曲變形等原因引起轉子與固定件接觸碰撞(pènɡzhuànɡ)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。精品資料71特征(tèzhēng)振動頻帶寬，既有與轉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，可根據振動頻譜和聲譜進行判別；振動隨時間而變。在轉速、負荷工況一定，由于(yóuyú)接觸局部發(fā)熱而引起振動矢量的變化，其相位變化與旋轉方向相反；精品資料72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(fùjiā)的環(huán)。摩擦時，軸心軌跡總是反向進動，即與轉軸旋轉方向相反，由于摩擦還可能出現自激振動，自激的渦動頻率為轉子一階固有頻率，但渦動方向與轉子旋轉方向相反。精品資料73

齒輪箱故障診斷齒輪(chǐlún)常見故障及機理齒斷裂(duànliè)疲勞斷裂(duànliè)或過負荷斷裂(duànliè)。最常見的是疲勞斷裂(duànliè)，通常先從受力側齒根產生龜裂、逐漸向齒端發(fā)展而致折斷。過負荷斷裂(duànliè)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，使齒輪產生不正常的一端接觸，載荷集中到齒面一端而引起的。精品資料74齒磨損由于金屬(jīnshǔ)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。表面層先是產生細微裂紋，然后是小塊剝落，直至(zhízhì)嚴重時整個齒斷裂。

齒面塑性變形如壓碎、趨皺

精品資料75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（聯軸器、電動機等）缺陷17齒輪箱失效原因(yuányīn)及失效比重精品資料76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(línɡjiàn)及失效比重精品資料77在生產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(bōxínɡ)表現出振幅受到調制的特點，甚至既調幅又調頻。精品資料78齒輪故障在頻域中的表現如下：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；調幅現象：由于齒面載荷波動(bōdòng)對幅值的影響造成的，調幅的一個原因是齒輪偏心，此時的調制頻率為齒輪的回轉頻率。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制，脈沖的長度等于齒的嚙合周期；精品資料79t0y載波t0x調制信號t0xm調幅波xm(t)=x(t)y(t)=x(t)cos2f0t精品資料80精品資料81調頻現象(xiànxiàng)：齒面壓力波動、齒輪偏心、齒輪轉速不均勻，不僅產生調幅現象(xiànxiàng)，也會引起頻率調制，其結果是在譜上得到一個調幅與調頻綜合形成的邊頻帶。若x(t)=Acos2fst，則：f=f0+f=f0+Kx(t)精品資料82t0y載波t0x調制信號t0xm調頻波精品資料83……f0f0-f0fsfs調頻(diàopín)波的頻譜精品資料84附加脈沖：附加脈沖是回轉頻率的低次諧波。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：產生的原因為加工(jiāgōng)誤差使齒輪存在周期性缺陷精品資料85失衡失衡導致軸系的質量分布不均勻。當軸轉動時，偏心質量使轉軸產生橫向強迫振動的周期(zhōuqī)激振力，激振力的頻率就等于軸的轉動頻率，并隨著轉速的升高而增大。當轉速等于軸系的固有頻率時，軸系發(fā)生共振，此時的轉速為臨界轉速。彎曲變形發(fā)生彎曲變形時，軸系橫向振動的剛度是時間的周期(zhōuqī)函數，周期(zhōuqī)就是軸轉動一轉所需的時間。因此，由其引起的軸的橫向振動不僅有以軸的轉動頻率為頻率的基頻振動，而且有二階及高階的簡諧振動分量齒輪箱中軸的故障(gùzhàng)及機理精品資料86扭轉變形安裝有齒輪的軸的扭轉振動將導致產生軸向振動和橫向振動：由動力或負載變化引起的扭轉振動導致軸作強迫振動，振幅及頻率僅取決于動力或負載的變化，與轉速(zhuànsù)無關；若由齒輪的齒面損傷引起扭轉振動，不僅產生與軸的轉速(zhuànsù)有關的強迫振動，而且產生與系統(tǒng)扭轉振動固有頻率的自由振動。疲勞斷裂轉軸上出現橫向裂紋時，軸的剛度隨著軸的轉動而周期性地變化，變化的周期就是軸的轉動周期。精品資料87部件失效類型振動頻率振幅特征振動方向其它轉子失衡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增大徑向聯軸器對中不良fr,2fr及nfr變化不定軸向較大齒輪聯軸節(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(bùtónɡ)部件故障的振動特征精品資料88齒輪箱不同部件故障(gùzhàng)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圈剝落滾動軸承徑向隨fr增大斷齒數fr斷齒磨損嚴重時出現高階振動，fr的振動能量明顯增大徑向隨fr增大損傷齒數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；d：鋼球直徑；D：軸承平均直徑；：軸承接觸角精品資料89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(gùzhàng)的振動特征（續(xù)）精品資料90齒輪振動(zhèndòng)特征頻率的計算轉動(zhuàndòng)頻率嚙合頻率定軸轉動齒輪：精品資料91有固定(gùdìng)齒圈的行星輪系：-任一參考齒輪的齒數-參考齒輪的轉數；-轉臂的回轉(huízhuǎn)速度，當與參考齒輪轉向相反時取正號，否則取負號。精品資料92齒輪箱振動(zhèndòng)信號分析倒譜：邊頻帶(píndài)分析精品資料93包絡(bāoluò)解調精品資料94a)整流檢波解調d)c)f)b)e)精品資料95精品資料96包絡解調(jiědiào)：希爾伯特變換復解析(jiěxī)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）。精品資料97Hilbert變換(biànhuàn)包絡(bāoluò)信號：精品資料98采樣(cǎiyànɡ)頻率5000Hz，點數1000精品資料99時頻分析(fēnxī)：小波變換精品資料100時域平均：提取微弱(wēiruò)信號精品資料101滾動軸承的振動(zhèndòng)信號分析滾動軸承的故障(gùzhàng)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，結果使軸承游隙增大，表面粗糙度增加，降低了軸承運轉精度，因而也降低了機器的運動精度，表現為振動水平及噪聲的增大；精品資料102表面損傷損傷故障產生的沖擊振動從性質上可分為兩類：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生的低頻振動成分，其頻率與轉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(zuòyòng)而誘發(fā)的軸