第三講監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)基

監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)基礎(chǔ)管理體制狀態(tài)監(jiān)測(cè)的基本知識(shí)故障診斷的常用圖譜管理體制監(jiān)測(cè)與診斷工作是一個(gè)系統(tǒng)工程首先要有設(shè)備其次要有懂專(zhuān)業(yè)的技術(shù)人員更重要的是還必須有系統(tǒng)完善的管理體制設(shè)備故障診斷的技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)備診斷技術(shù)是依靠傳感技術(shù)和在線檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行分析處理，機(jī)械故障診斷實(shí)質(zhì)是利用運(yùn)行中各個(gè)零部件的二次效應(yīng)，由現(xiàn)象對(duì)本質(zhì)進(jìn)行診斷。常見(jiàn)故障模式有磨損、腐蝕、老化、結(jié)構(gòu)失效、系統(tǒng)失效、電氣系統(tǒng)失靈、失控、接觸不良、污染等。診斷故障最常用、最成熟的方法是對(duì)相應(yīng)故障的征兆的分析。將人工智能

的理論和方法用于故障診斷是故障診斷的一條全新途徑。設(shè)備故障診斷的技術(shù)基礎(chǔ)振動(dòng)診斷是目前所有故障診斷技術(shù)中應(yīng)用最廣泛最成功的診斷方法。振動(dòng)診斷的時(shí)域分析方法包括直接觀察法、概率分析法、示性指標(biāo)法、時(shí)域同步平均法及相關(guān)函數(shù)診斷法。在旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)監(jiān)測(cè)和故障診斷中，對(duì)波形復(fù)雜的振動(dòng)信號(hào)，常常采用其峰一峰值；振動(dòng)頻譜中包含機(jī)器零部件的機(jī)械狀態(tài)信息，振動(dòng)診斷的任務(wù)從某種意義上講，就是讀譜圖，把頻譜上的每個(gè)頻譜分量與監(jiān)測(cè)的機(jī)器的零部件對(duì)照聯(lián)系，給每條頻譜以物理解釋。設(shè)備故障診斷的技術(shù)基礎(chǔ)

振動(dòng)的理論基礎(chǔ)在這里所提及的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷，均是指基于振動(dòng)測(cè)量與分析方面的技術(shù)事實(shí)上狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷是一門(mén)綜合性極強(qiáng)、涉及面非常廣泛、學(xué)科交叉滲透十分豐富的技術(shù).除了應(yīng)用振動(dòng)分析方法之外，還可采用油液分析、紅外熱像、超聲探傷以及溫度、壓力分析等多種不同技術(shù)

一、有關(guān)的名詞和術(shù)語(yǔ)機(jī)械振動(dòng)是指物體圍繞其平衡位置附近來(lái)回?cái)[動(dòng)并隨時(shí)間變化的一種運(yùn)動(dòng)。機(jī)械振動(dòng)通常以其幅值、周期（頻率）和相位來(lái)描述，它們是描述振動(dòng)的三個(gè)基本參量。1.振動(dòng)的基本參量：幅值、周期（頻率）和相位a．幅值：表示物體動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)或振動(dòng)的幅度，它是機(jī)械振動(dòng)強(qiáng)度的標(biāo)志，也是機(jī)器振動(dòng)嚴(yán)重程度的一個(gè)重要指標(biāo)。機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的好壞絕大多數(shù)情況是根據(jù)振動(dòng)幅值的大小來(lái)判別的。振幅的大小可以表示為峰－峰值（P－P）、單峰值（0－P）、有效值（RMS）或平均值（Average）。峰－峰值等于正峰和負(fù)峰之間的最大偏差值，峰值等于峰－峰值的1/2。只有在純正弦波的情況下，均方根值才等于峰值的0.707倍，平均值等于峰值的0.637倍。而平均值在振動(dòng)測(cè)量中一般則很少使用。b．周期：物體完成一個(gè)完整的振動(dòng)所需要的時(shí)間，以T表示。單位一般是用“秒”來(lái)表示。例如一個(gè)單擺，它的周期就是重錘從左運(yùn)動(dòng)到右，再?gòu)挠疫\(yùn)動(dòng)回左邊起點(diǎn)所需要的時(shí)間。c．頻率：是指振動(dòng)物體在單位時(shí)間（1秒）內(nèi)所產(chǎn)生振動(dòng)的次數(shù)，即Hz，以f表示。很顯然，f＝1／T。對(duì)于旋轉(zhuǎn)機(jī)械的振動(dòng)來(lái)說(shuō)，存在下述令人感興趣的頻率：a）轉(zhuǎn)動(dòng)軸的旋轉(zhuǎn)頻率；b）各種振動(dòng)分量的頻率；c）機(jī)器自身和基礎(chǔ)或其它附著物的固有頻率。d．相位：是指旋轉(zhuǎn)機(jī)械測(cè)量中某一瞬間機(jī)器的選頻振動(dòng)信號(hào)（如基頻）與軸上某一固定標(biāo)志（如鍵相器）之間的相位差。相位可用來(lái)描述某一特定時(shí)刻機(jī)器轉(zhuǎn)子的位置，一個(gè)好的相位測(cè)量系統(tǒng)能夠確定每一個(gè)傳感器所在的機(jī)器轉(zhuǎn)子上“高點(diǎn)”相對(duì)機(jī)器軸系上某一固定的標(biāo)志點(diǎn)的位置。而平衡狀態(tài)的變化將會(huì)引起“高點(diǎn)”位置的變化，這種變化也會(huì)通過(guò)相位角的變化而表示出來(lái)。相位的度量單位為度（°），通常振動(dòng)相位在0°～360°范圍之間變化。振動(dòng)的相位在振動(dòng)分折中十分重要，它不僅反映了不平衡分量的相對(duì)位置，在動(dòng)平衡中必不可少，而且在故障診斷中也能發(fā)揮重要作用。下面專(zhuān)門(mén)說(shuō)一下振動(dòng)位移、速度、加速度三者之間的相位關(guān)系。以單擺的簡(jiǎn)諧振動(dòng)為例：把一個(gè)單擺橫向來(lái)看，當(dāng)重錘向上擺，通過(guò)起始點(diǎn)0時(shí)，其位移為零，而速度為正方向最大，加速度為零；當(dāng)重錘運(yùn)動(dòng)到上死點(diǎn)時(shí)，位移為正方向最大，此時(shí)速度為零，加速度為負(fù)方向最大；重錘向下回零時(shí)，位移為零，速度為負(fù)方向最大，加速度為零；當(dāng)重錘運(yùn)動(dòng)到下死點(diǎn)時(shí)，位移為負(fù)方向最大，而此時(shí)速度為零，加速度為正方向最大。結(jié)論：振動(dòng)速度相位超前振動(dòng)位移90°；振動(dòng)加速度相位超前振動(dòng)速度90°；振動(dòng)加速度相位超前振動(dòng)位移180°。相位如果沒(méi)有明確指明，其角度增加的方向總是與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反。通頻振動(dòng)、選頻振動(dòng)、工頻振動(dòng)通頻振動(dòng)表示振動(dòng)原始波形的振動(dòng)幅值。選頻振動(dòng)表示所選定的某一頻率正弦振動(dòng)的幅值。工頻振動(dòng)表示與所測(cè)機(jī)器轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)頻率相同的正弦振動(dòng)的幅值。對(duì)于工作轉(zhuǎn)速為6000r/min的機(jī)器，工頻振動(dòng)頻率是100HZ。工頻振動(dòng)又叫基頻振動(dòng)

3.徑向振動(dòng)、水平振動(dòng)、垂直振動(dòng)、軸向振動(dòng)徑向振動(dòng)是指垂直于機(jī)器轉(zhuǎn)軸中心線方向的振功。徑向振動(dòng)有時(shí)也稱(chēng)為橫向振動(dòng)。水平振動(dòng)是指與水平方向一致的徑向振動(dòng)。垂直振動(dòng)是指與垂直方向一致的徑向振動(dòng)。軸向振動(dòng)是指與轉(zhuǎn)軸中心線同一方向的振動(dòng)。4.同步振動(dòng)、異步振動(dòng)同步振動(dòng)是指與轉(zhuǎn)速頻率成正比變化的振動(dòng)頻率成分。一般情況（但不是全部情況）下，同步成分是旋轉(zhuǎn)頻率的整數(shù)倍或者整分?jǐn)?shù)倍，不管轉(zhuǎn)速如何，它們總保持這一關(guān)系，如一倍頻（1X），二倍頻（2X），三倍頻（3X）……，半頻（1/2X）,三分之一倍頻（1/3X）……等。異步振動(dòng)是指與轉(zhuǎn)速頻率無(wú)關(guān)的振動(dòng)頻率成份，也可稱(chēng)為非同步運(yùn)動(dòng)。5.諧波、次諧波、亞異步、超異步一個(gè)復(fù)雜振動(dòng)信號(hào)所含頻率等于旋轉(zhuǎn)頻率整數(shù)倍的信號(hào)分量，也稱(chēng)諧波、超諧波或同步。一個(gè)復(fù)雜振動(dòng)信號(hào)中所含頻率等于旋轉(zhuǎn)頻率分?jǐn)?shù)倍的信號(hào)分量，也稱(chēng)為次諧波或分?jǐn)?shù)諧波。亞異步振動(dòng)是指頻率低于旋轉(zhuǎn)頻率的非同步振動(dòng)分量。超異步振動(dòng)是指頻率高于旋轉(zhuǎn)頻率的非同步振動(dòng)分量。其振動(dòng)的大小不能正確預(yù)知的振動(dòng)。6.相對(duì)軸振動(dòng)、絕對(duì)軸振動(dòng)、軸承座振動(dòng)轉(zhuǎn)子的相對(duì)軸振動(dòng)是指轉(zhuǎn)子軸頸相對(duì)于軸承座的振動(dòng)，它一般是用非接觸式電渦流傳感器來(lái)測(cè)量。轉(zhuǎn)子的絕對(duì)軸振動(dòng)是指轉(zhuǎn)子軸相對(duì)于大地的振動(dòng)，它可用接觸式傳感器或用一個(gè)非接觸式電渦流傳感器和一個(gè)慣性傳感器組成的復(fù)合傳感器來(lái)測(cè)量。兩個(gè)傳感器所測(cè)量的值進(jìn)行矢量相加就可得到轉(zhuǎn)子軸相對(duì)于大地的振動(dòng)。軸承座振動(dòng)是指軸承座相對(duì)于大地的振動(dòng)，它可用速度傳感器或加速度傳感器來(lái)測(cè)量。

7.自由振動(dòng)、受迫振動(dòng)、自激振動(dòng)、隨機(jī)振動(dòng)

自由振動(dòng)一般是指力學(xué)體系在經(jīng)歷某一初始擾動(dòng)（位置或速度的變化）后，不再受外界力的激勵(lì)和干擾的情形下所發(fā)生的振動(dòng)。根據(jù)擾動(dòng)的類(lèi)型，力學(xué)體系以自身的一種或多種固有頻率發(fā)生自由振動(dòng)。受迫振動(dòng)是指在外來(lái)力函數(shù)的激勵(lì)下而產(chǎn)生的振動(dòng)。通常，受迫振動(dòng)按照激勵(lì)力的頻率振動(dòng)。自激振動(dòng)是指由振動(dòng)體自身所激勵(lì)的振動(dòng)。維持振動(dòng)的交變力是由運(yùn)動(dòng)本身產(chǎn)生或控制的。自激振動(dòng)通常有下述特點(diǎn)：振動(dòng)頻率為亞異步或超異步，與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不同步。自激振動(dòng)的頻率以轉(zhuǎn)子的固有頻率為主。多數(shù)為徑向振動(dòng)。振幅可能發(fā)生急劇上升，直到受非線性作用以極限圓為界。振幅的變化與轉(zhuǎn)速或負(fù)荷關(guān)系密切。失穩(wěn)狀態(tài)下的振動(dòng)能量來(lái)源于系統(tǒng)本身。隨機(jī)振動(dòng)隨機(jī)振動(dòng)是指當(dāng)描述系統(tǒng)振動(dòng)的狀態(tài)變量不能用確切的時(shí)間函數(shù)來(lái)表述，無(wú)法確定狀態(tài)變量在某瞬時(shí)的確切數(shù)值，其物理過(guò)程具有不可重復(fù)性和不可預(yù)知性時(shí)，也就是在任何時(shí)刻，其振動(dòng)的大小不能正確預(yù)知的振動(dòng)。8.高點(diǎn)和重點(diǎn)

高點(diǎn)是指當(dāng)轉(zhuǎn)軸和振動(dòng)傳感器之間的距離最近時(shí)，轉(zhuǎn)軸上振動(dòng)傳感器所對(duì)應(yīng)的那一點(diǎn)任一時(shí)刻的角位置。也意味著當(dāng)振動(dòng)傳感器產(chǎn)生正的峰值振動(dòng)信號(hào)時(shí)，轉(zhuǎn)軸表面振動(dòng)傳感器對(duì)應(yīng)點(diǎn)的位置。高點(diǎn)可能隨轉(zhuǎn)子的動(dòng)力特性的變化（如轉(zhuǎn)速變化）而移動(dòng)。重點(diǎn)是指在轉(zhuǎn)軸上某一特定橫向位置處，不平衡矢量的角位置。重點(diǎn)一般不隨轉(zhuǎn)速變化。在一定的轉(zhuǎn)速下，重點(diǎn)和高點(diǎn)之間的夾角稱(chēng)為機(jī)械滯后角。9.剛度、阻尼和臨界阻尼

9.剛度、阻尼和臨界阻尼剛度是一種機(jī)械或液壓元件在負(fù)載作用下的彈性變化量。一般機(jī)械結(jié)構(gòu)的剛度包括靜剛度和動(dòng)剛度兩個(gè)部分，靜剛度決定于結(jié)構(gòu)的材料和幾何尺寸，而動(dòng)剛度既與靜剛度有關(guān)，也與連接剛度和共振狀態(tài)有關(guān)。阻尼是指振動(dòng)系統(tǒng)中的能量轉(zhuǎn)換（從機(jī)械能轉(zhuǎn)換成另一種能量形式，一般是熱能），這種能量轉(zhuǎn)換抑制了每次振蕩的振幅值。當(dāng)轉(zhuǎn)軸運(yùn)動(dòng)時(shí)，阻尼來(lái)自軸承中的油、密封等。臨界阻尼是指能夠保證系統(tǒng)回到平衡位置而不發(fā)生振蕩所要求的最小阻尼。10.共振、臨界轉(zhuǎn)速、固有頻率共振是振幅和相位的變化響應(yīng)狀態(tài)，由對(duì)某一特殊頻率的作用力敏感的相應(yīng)系統(tǒng)所引起。一個(gè)共振通常通過(guò)振幅的顯著增加和相應(yīng)的相位移動(dòng)來(lái)識(shí)別。在共振發(fā)生時(shí)，當(dāng)激振頻率稍有變化（頻率上升或下降）時(shí)，其振動(dòng)響應(yīng)就會(huì)明顯地減小。每一個(gè)轉(zhuǎn)子，連同支持它的軸承組成的系統(tǒng)，都有若干階橫向振動(dòng)的固有頻率，每一階固有頻率又有它所對(duì)應(yīng)的振型。在一定的轉(zhuǎn)速下，某一階固有頻率可以被轉(zhuǎn)子上的不平衡力激起，這個(gè)與固有頻率一致的轉(zhuǎn)速就被稱(chēng)為臨界轉(zhuǎn)速。當(dāng)系統(tǒng)作自由振動(dòng)時(shí)，其振動(dòng)的頻率只與系統(tǒng)本身的質(zhì)量（或轉(zhuǎn)動(dòng)慣量）、剛度和阻尼有關(guān)。這個(gè)由系統(tǒng)的固有性質(zhì)所決定的振動(dòng)頻率，稱(chēng)為系統(tǒng)的固有頻率。11.分?jǐn)?shù)諧波共振、高次諧波共振和參數(shù)激振當(dāng)以頻率f激振，因頻率f/n（n等于2及其以上的正整數(shù)）接近于系統(tǒng)的固有頻率而引起的共振稱(chēng)為分諧波共振。當(dāng)以頻率f激振，因頻率nf（n等于2及其以上的正整數(shù)）接近于系統(tǒng)的固有頻率而引起的共振稱(chēng)為高次諧波共振。參數(shù)激振是指由質(zhì)量、彈性等因素隨時(shí)間周期變化的激振。由極不對(duì)稱(chēng)的截面或由此引起的不同的抗彎強(qiáng)度可能產(chǎn)生參數(shù)振動(dòng)。12.渦動(dòng)、正進(jìn)動(dòng)和反進(jìn)動(dòng)轉(zhuǎn)軸的渦動(dòng)（或稱(chēng)為進(jìn)動(dòng)）常定義為轉(zhuǎn)軸的中心圍繞軸承的中心所作的轉(zhuǎn)動(dòng)。正進(jìn)動(dòng)是指與轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)方向相同的渦動(dòng)。反進(jìn)動(dòng)是指與轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反的渦動(dòng)。13.同相振動(dòng)和反相振動(dòng)在一對(duì)稱(chēng)轉(zhuǎn)子中，若兩端支持軸承在同一方向（垂直或水平）的振動(dòng)相位角相同時(shí)，則稱(chēng)這兩軸承的振動(dòng)為同相振動(dòng)。若兩端支持軸承在同一方向（垂直或水平）的振動(dòng)相位角相差180°時(shí)，則稱(chēng)這兩軸承的振動(dòng)為反相振動(dòng)。根據(jù)振動(dòng)的同相分量和反相分量可初步判斷轉(zhuǎn)子的振型。14.軸振型和節(jié)點(diǎn)軸振型是在某一特定轉(zhuǎn)速下，作用力所引起的轉(zhuǎn)子合成偏離形狀，是轉(zhuǎn)子沿軸向的偏離的三維表示。節(jié)點(diǎn)是在所給定的振型中，軸上的最小偏離點(diǎn)。由于殘留不平衡狀態(tài)的改變，或其它力函數(shù)的改變，或者約束條件的改變（如軸承間隙的變化），節(jié)點(diǎn)都可能很容易地沿軸向改變它的位置。節(jié)點(diǎn)也常指軸上最小絕對(duì)位移點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)兩邊的運(yùn)動(dòng)相角差180°。圖1－3振型和節(jié)點(diǎn)15.轉(zhuǎn)子撓曲轉(zhuǎn)子撓曲是指轉(zhuǎn)子彈性彎曲值，現(xiàn)場(chǎng)習(xí)慣稱(chēng)為撓度。轉(zhuǎn)子撓曲分為靜撓曲和動(dòng)撓曲，靜撓曲是靜止?fàn)顟B(tài)的轉(zhuǎn)子在自重或預(yù)載荷作用下產(chǎn)生的彈性彎曲值，沿轉(zhuǎn)子軸線上不同的點(diǎn)，靜撓曲值不同；動(dòng)撓曲是旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的轉(zhuǎn)子在不平衡力矩和其它交變力作用下產(chǎn)生的彈性彎曲值，轉(zhuǎn)子動(dòng)撓曲又分同步撓曲和異步撓曲兩種，這兩種撓曲將直接疊加到轉(zhuǎn)軸振動(dòng)上。16.電氣偏差、機(jī)械偏差、晃度

電氣偏差系非接觸式電渦流傳感器系統(tǒng)輸出信號(hào)誤差的來(lái)源之一，轉(zhuǎn)軸每轉(zhuǎn)一圈，該偏差就重復(fù)一次。傳感器輸出信號(hào)的變化并不是來(lái)自探頭所測(cè)間隙的改變（動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)或位置的變化），而通常是來(lái)自于轉(zhuǎn)軸表面材料電導(dǎo)率的變化或轉(zhuǎn)軸表面上某些位置局部磁場(chǎng)的存在。（轉(zhuǎn)子磁化后，其頻譜特征為2X、4X、6X等比較高，且差不多高。）機(jī)械偏差也是電渦流傳感器系統(tǒng)輸出信號(hào)誤差的來(lái)源之一。傳感器所測(cè)間隙的變化，并不是由轉(zhuǎn)軸中心線位置變化或轉(zhuǎn)軸動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)所引起的，通常來(lái)源于轉(zhuǎn)軸的橢圓度、損壞、鍵標(biāo)記、凹陷、劃痕、銹斑或由轉(zhuǎn)軸上的其它結(jié)構(gòu)所引起的。轉(zhuǎn)軸的晃度，或稱(chēng)為軸的徑向偏差，是電氣偏差和機(jī)械偏差的總和。在軸的振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，其數(shù)值不能超過(guò)相當(dāng)于許用振動(dòng)位移的25％或6μm這兩者中的較大值。通常渦流傳感器在低轉(zhuǎn)速（約工作轉(zhuǎn)速的10％左右）下測(cè)得的軸的振值基本就相當(dāng)于轉(zhuǎn)軸的晃度值。大部分情況下，晃度與振動(dòng)為同一方向，相反的情況很少。17.偏心和軸心位置在轉(zhuǎn)子平衡領(lǐng)域，偏心是指轉(zhuǎn)子質(zhì)量中心偏離轉(zhuǎn)軸回轉(zhuǎn)中心的數(shù)值，此偏心是引起轉(zhuǎn)軸振動(dòng)最主要的激振力；而在機(jī)組運(yùn)行監(jiān)測(cè)中偏心是指軸頸中心偏離軸瓦中心的距離，也稱(chēng)為偏心位置或軸心位置，通過(guò)對(duì)偏心的監(jiān)測(cè)可以發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子承受的外加載荷和軸瓦工作狀態(tài)。18.間隙電壓、油膜壓力間隙電壓是指電渦流傳感器測(cè)量的直流電壓，其值反映了軸頸和探頭間的間隙。由此可給出轉(zhuǎn)子揚(yáng)度、支承載荷、軸心位置等有關(guān)信息。油膜壓力反映了軸承支承油膜的厚度及穩(wěn)定性，該壓力能幫助診斷軸瓦穩(wěn)定性等方面的問(wèn)題。傳感器的基本知識(shí)

振動(dòng)傳感器現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)測(cè)試采用的傳感器一般有非接觸式電渦流傳感器、速度傳感器、加速度傳感器和復(fù)合傳感器（它是由一個(gè)非接觸傳感器和一個(gè)慣性傳感器組成）四種。每一種傳感器都有它們固有的頻響特性，其決定了各自的工作范圍。如果采用的傳感器在超出其線性頻響區(qū)域工作時(shí)，測(cè)量得到的讀數(shù)會(huì)產(chǎn)生較大的偏差。下表列出了振動(dòng)測(cè)量中常用的一些傳感器的性能和適用范圍及優(yōu)、缺點(diǎn)等。傳感器種類(lèi)頻響特性電渦流傳感器0～5000HZ或0～10000Hz速度傳感器10～500Hz或10～1000HZ加速度傳感器0.2～10000HZ或更高復(fù)合傳感器0～2000HZ電渦流傳感器采用的是感應(yīng)電渦流原理,當(dāng)帶有高頻電流的線圈靠近被測(cè)金屬時(shí),線圈上的高頻電流所產(chǎn)生的高頻電磁場(chǎng)便在金屬表面上產(chǎn)生感應(yīng)電流,電磁學(xué)上稱(chēng)之為電渦流。電渦流效應(yīng)與被測(cè)金屬間的距離及電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、幾何尺寸、電流頻率等參數(shù)有關(guān)。通過(guò)電路可將被