频谱分析_滚动轴承_齿轮和电气故障（PPT50页)

滚动轴承故障评价滚动轴承状态是振动分析中最重要的工作。不利的是,轴承损坏时所产生的振动征兆变化很大。但是,轴承在恶化时通常有一些可预测的症状。考虑到这项任务的重要性，并提高分析者预测轴承状态的可能性,在处理过程中尽可能使用各种分析方法是十分重要的。包括:速度或加速度频谱，频率范围在30,000到120,000cpm。包络频谱，如ESP,gSE,HFD****,等。这些频谱对由轴承缺陷产生的冲击能量十分敏感(滚珠或滚动体撞击缺陷类似于汽车撞到马路的坑–产生冲击能量)。时域图将比频谱具有更强的诊断能力-尤其是对低速旋转的设备。因为大多数分析者使用速度频谱分析数据,我们将主要讨论有关速度频谱上的一些应用情况。使用加速度频谱的优点是一些特殊的频率能更清楚的显现(相对于低-中频率范围振幅它的振幅更大)。但是在分析轴承时的绝对最小值应使用包络频谱。其相应的发展也将论述。****振幅单位由厂商自己定–每一个都有自己的名字，或是单位的首写字母.例如:CSI(Emerson)使用峰值；Entek(RockwellAutomation)使用gSE(脉冲能–缩略为IRD)；SKF使用HFD(高频域)和ESP(包络信号处理–缩略为DI)滚动轴承早期故障症状图1–由于缺陷引起的冲击频率等于滚动体数xRPM。图2:产生两个频率。与FFT图有关的装配轴承共振频率和与包络图有关的冲击频率。轴承缺陷中转动件早期故障的症状:1、即使在轴承缺陷的早期,也可能产生与与摩擦或冲力有关的高频振动。2、轴承的缺陷产生的冲击信号最早出现在包络图频谱中(Fig3)。3、包络信号包括gSE(IRD),HFD(SKF),ESP(DI),Peakvue(CSI),振动脉冲等。4、采集的信号将包括有一定间隔的冲击脉冲，这相当于故障频率。5、在故障早期,时域图比速度或加速度频谱更适合作为分析工具。6、图3和图4说明了两种“典型的”图(Fig.3是包络谱,Fig.4是速度谱)，说明轴承故障在早期的特征。图3表示的是冲击频率的包络图。最大峰值是:1x故障频率。图4–速度FFT谱–说明轴承的“状态”(即它的损伤程度)。故障频率在早期的谐波振幅很小(甚至不容易注意到)。在早期的速度或加速度FFT中，没有典型的1x故障频率的峰值。为了分析,跟踪轴承故障频率(正如包络图中观察到的一样)并使用谐波来排列出最高的频率峰值。图4典型的速度FFT说明轴承早期故障。在早期振幅可能非常小。应该注意的是加速度频率将比速度频率更清楚到展现高频峰值。图3典型的包络图说明轴承故障频率的影响图5–比较峰值(125dB)，噪声干扰级(~102dB)。差别12dB以上,应该观察轴承来确定轴承的损坏速度。注意左上角的Scale(dB)。测量冲击力强度(轴承损坏速度)可以通过重新缩放包络图比例来获得dB(对数测量)并和背景噪声干扰级比较轴承缺陷峰值频率(图5)。图1、典型的包络图说明在轴承缺陷频率处有冲击。振幅可能减小，同时轴承状态变得更糟糕。图2典型的速度FFT说明早期的轴承缺陷。早期振幅可能非常小。应该注意的是加速度频谱比速度频谱的高频峰值更清楚。滚动轴承延迟失效症状进一步监测轴承故障:•在轴承故障的后期,明显的脉冲(冲击力)通常强度降低了，这是由于轴承部件磨损了。•图2表示，速度频谱说明了轴承故障的进展特征。•速度频谱上最后看见了1x的故障频率。•背景噪声峰值继续增加，信号形状继续变形，这是由于轴承磨损，并且部件也趋于失效。•速度FFT继续说明轴承的“状态”。轴承有多糟糕?现在更差了。•前面的图3和图4说明在一个月后两个读数相等。•注意图3包络图中的改善。这是因为冲击力强度减小了。•也要注意如图4速度FFT所示的，轴承的恶化。•与轴承频率有关的振幅明显增大(故障频率谐波)暗示轴承状态非常恶劣。前两页展示的是轴承故障如何在速度频谱和gSE频谱上的典型处理过程。但是轴承故障的形成还有很多途径。监测轴承故障有很多种有效的方法。包括使用加速度频谱，时域图和超声波噪声监测等(例如振动脉冲)。分析者必须能“感觉到”轴承正在出故障，并找到适当的监测方法适应这种需要。振动速度频谱包括:1)在速度和加速度FFT中，存在故障高频区。较宽的频率带能造成特殊频率辨认困难。故障高频区的频率范围取决于装配轴承的共振频率。2)轴承故障频率谐波明显(3x-10x故障频率)。形成的谐波哪部分最多，表明最大振幅取决于轴承的共振频率范围。3)低频谐波的形成(1x,2x)很少有甚至没有高频征兆。这可能容易与运行速度谐波混淆，但这非常异常-比前两种可能要少见。滚动轴承典型症状。在前两页的例子中，每一个都有所展现。有故障高频区,特殊的故障频率谐波，还有一些发生在1x故障频率(非常容易与3xrpm混淆,尤其是缺乏高频征兆的时候发生–这是可能的，尽管很少见)。当然相应的在加速度频谱上更趋于高频症状，这是因为在加速度频谱对低频振动不敏感。这很有利，除非你有3中讨论的不寻常的症状，这种情况下你几乎没有轴承故障的任何迹象。滚动轴承分析技术解释包络谱图–正如‘包络’章节所讨论的,包络谱图任一峰值的实际振幅都不如频谱相对于背景噪声的振幅那么重要,这意味了什么?你的分析器检测到的噪声级将对你看见的峰值振幅有很大的影响。不象速度,gSE(使用已知的单位)将被其它条件影响，例如轴承载荷和润滑程度等。润滑不良，甚至是缺乏润滑都将引起整个频率范围本底或背景噪声频谱。运行的轴承正常的gSE振幅范围在0.05gSE到2gSE之间。振幅等级没有普通的规则–它们将随机器和环境改变。还需要其它的分析方法。使用包络频谱分析轴承状态有两个主要方法。它们是:1)在使用gSE频谱建立了冲击频率后,检查速度频谱中任一高频峰值(即使是振幅很小)。如果没有，继续。如果有一些高频故障，把跟踪器放在冲击频率上(即使是没有峰值)将谐波连接起来或建立某种联系，你就可以开始评价它的严重性。加速度频谱在实现这个目的比速度频谱更好。2)回到gSE频谱，将振幅单位定为dB。然后把这个故障频率峰值振幅和附近的背景噪声比较(周围的)。如果差值为12-18dB,说明发生了相当明显的冲击。如果差值为18+dB,说明有大量的冲击发生。冲击等级越高,轴承破坏就越快。注意–有两个主要原因:如果你使用“过载”或“幅度”(趋势)值而不分析包络频谱，你必须意识到会有很多不同因素能引起冲击，而这些检测到的信号很多并不是来自轴承故障。这些信号极其敏感，并能监测下表面或很早期的故障。那些不了解这项技术的人们在这个阶段要求修理，可能会影响到工程项目的可靠性。假设润滑很充分,在这个时候更换轴承是不必要的。如果你对频谱还有问题,请重新阅读‘包络频谱’章节。滚动轴承滚动轴承频谱图具有下列特点•—明显的具有不同峰值的谐波成分•—能量上会出现宽带波峰•—时域波形可以看出明显的冲击波形•—早期的故障表现为低幅值的振动诊断•—径向振动（如果轴向有负载需要查看轴向振动）•—可能会出现轴承故障频率的谐波，边带。测量•—频谱图和时域波形图（加速度）。•—设置Fmin25XRPM•—对小轴（小于4-6英寸）设置Fmax为50XRPM；•—对大于4-6英寸的轴设置Fmax为70XRPM•—采集高频加速度波形图（70XRPM）•—检查轴承故障频率谐波•—若怀疑内圈故障，检查1XRPM的边带•—若怀疑滚动体故障，检查1XFTF边带•—检查时域波形的冲击，峰－峰值大于4g.液压或气动–合为同一类别是因为它们在性质上相似并都有流体在运动。如风机或低压送风机,促使高可压缩流体运动(低压气体),压缩机或高压送风机,促使低可压缩气体运动(高压气体),泵可以使不可压缩流体运动(实际流体)。流体的可压缩性越小,与流体振动有关的部件出现故障的可能越大。我们将讨论的问题包括叶片的通过频率、气穴、倒流、内部间隙和紊流/喘振。最常见的频率，叶片通过频率–它是叶片个数的xRPM–这里将简单讨论。低压(离心)风机或送风机–通常不容易发生这类问题。BPF（叶片通过频率）–很少见的故障，除非频率激发了下游管道系统的共振频率。通常是归类为噪声问题,很少是结构问题。它几乎不能引起机械故障，如加速轴承或部件磨损。紊流–能引起低频宽带振动(低于或略高于1xrpm)。高压吹风机和压缩机-由于间隙更小，压力更高，容易出现。泵-问题最严重，因为是不可压缩流体。间隙小，压力高都造成了潜在的问题。不只机械间隙能引起大的振动问题(磨损环,叶轮/支架/扩散口间隙)而且不同压力和流速下开启泵能引起过度和破坏性的振动。液压和气动故障流体故障:与流动和倒流有关的故障图1–具有高叶片通过频率时的典型频谱(“VPF”=叶片数xRPM)。症状通常出现在径向，但轴向上也可能有。与流动和倒流有关的故障的征兆(包括部件问题):（1）高振幅VPF或BPF,经常伴随了VPF或BPF谐波。（2）在1xRPM处的VPF和2xVPF附近可能存在边频，如果存在,说明转子有问题-如偏心，这将引起VPF在1xrpm调制。重要的是一定数量的VPF/BPF是正常的。（3）在与流体强相关的故障情况下,流体不稳定并产生振动从而激发泵叶轮共振，正如在共振频率（临界速度）下滑动轴承转子（透平）油膜振荡一样。推荐措施:第一步首先应该彻底检查泵，着重注意间隙和机械部件的完整性。第二步应该评估系统本身–例如弯头太紧无法拆卸,由于流体返回流出泵能引起类似的振动现象。第三步应该评估运行参数-流速和压力，它们也能影响振动，实际流量和压力都应和泵的性能曲线和设计工作点相对比。流量或压力不足导致气穴(不同的症状–见下页),流量或压力过大能导致倒流，症状类似于这里所看到的。流体故障:气穴现象图1–气穴的典型频谱(随意的,非常宽的频带，外形类似于干草堆)。特征通常出现在径向上但轴向也可能有。气穴–当泵的流量不足或压力不足时会发生。这使得流体在进入时会断流，从而产生真空带而造成破裂。它的发生是随机的，不可测的，并且对叶轮和泵内部件有极大的破坏力。气穴症状:（1）高频,随机振动。（2）声音象抽吸砂砾。（3）尽管振幅不一定足够大以致严重影响轴承寿命，气穴仍引起叶轮和其它内部部件过度磨损。（4）当载荷变化时，可能发生喘振。建议的措施:第一，评价运行参数–流速和压力–可能影响振动。实际流量和压力都应和泵的性能曲线和设计工作点相对应。流量或压力不足导致气穴。第二，检查过度磨损的内部部件，尤其注意叶轮片。注意:与传感器连接的探头的共振频率能被微小的气穴放大，并造成错误读数。例如IRD使用了多年的9吋探头,共振频率为40-50kcpm。当泵发生微小气穴时采集的读数可能引起高振幅，范围在40-50kcpm内，从而导致诊断错误。空气动力故障:紊流图1–典型紊流的FFT。对于压缩机和高压送风机，当发生冲击或负载变化时会对机器造成影响。经常的，用蓄气筒或减压器来消除反馈。紊流症状:（1）高频,随机振动类似气穴。（2）叶片或叶轮(螺旋桨)在通过频率(指‘VPF’以下)振幅大。（3）VPF谐波振幅大。注意:重要的是压缩机和送风机的VPF是正常的机械振动。过度依赖初始读数而不知道正常的运行情况是十分危险的。振幅也和负载有关，应该不断地在同等的负载条件下采集读数。如果压缩机负载或卸载读数相同，就可采纳。交流感应电机故障如何监测电频率与电有关的振动-交流电机产生机械振动。因为交流电为正弦波,电机的每个电极每个循环都两次给电压–一次峰值为“+”，另一次为“-”。这意味着最常见的振动频率不是1倍频–而是2x。这一部分章节只论述和电力问题有关的诊断。更深入探讨这些振动的来源和原因将在电机故障诊断中找到。但是,如果想准确地诊断和校正这类故障,唯一真实可信的方法是在线电流分析。如果引起的振动症状使你相信是这些故障中的一个或多个，不要把电机送到维修店去修理。找一个从事电机在线电流分析的专业人士。测试可能比电机维修店测试更为可靠，因为它是在载荷和热状态条件下做的测试，而且没有拆装机组的费用因而更便宜。有两个必要的频谱来监测与电气有关的故障。如下例子每个说明其中一个故障。高频(200xRPM)。高分辨率(通常是12kcpmF