《故障诊断》讲稿第三章

机械工程及自动化专业第三章旋转机械的振动监测与诊断机械设备故障诊断冶金设备研究所李友荣办公室：教一楼510室电话：68862292机械工程及自动化专业第三章旋转机械的振动监测与诊断3.1旋转机械的振动及故障概论3.1.1旋转机械、故障及故障诊断旋转机械：具有巨大转子高速回转的机械。发电机、汽轮机、离心式压缩机、风机、大型电动机等。故障：机器的功能失常。运行失稳，异常振动和噪声，工作转速、输出功率发生变化，介质的温度、压力、流量异常等。机械工程及自动化专业第三章旋转机械的振动监测与诊断故障诊断获取机器的稳态、瞬态数据、过程参数和运行工作状态等信息后，通过信号分析和数据处理，从中提取机器特有的故障征兆及故障敏感参数等，经综合分析判断，确定故障的性质、部位、严重程度及原因，并提出治理措施。振动和噪声是重要信号。机械工程及自动化专业第三章旋转机械的振动监测与诊断3.1.2发生故障的主要原因及来源（1）设计、制造不当引起的故障1）设计不当，动态特性不良，运行时发生强迫振动或自激振动。2）结构不合理，应力集中。3）工作转速接近或落入临界转速区。4）进行点接近或落入运行非稳定区。6）零件材质不良，强度不够，制造缺陷。5）零、部件加工制造不良，精度不够。7）转子动平衡不符合技术要求。机械工程及自动化专业第三章旋转机械的振动监测与诊断3.1.2发生故障的主要原因及来源（2）安装、维修不当引起的故障1）机器安装不当，零部件错位，预负荷大。2）轴系对中不良（对轴系热态对中考虑不够）。3）机器几何参数（如配合间隙、过盈量及相对位置）调整不当。4）管道应力大，机器在工作状态下改变了动态特性和安装精度。5）转子长期放置不当，改变了动平衡精度。6）安装或维修过程破坏了机器原有的配合性质和精度。机械工程及自动化专业第三章旋转机械的振动监测与诊断3.1.2发生故障的主要原因及来源（3）运行、操作不当引起的故障1）机器在非设计状态下运行（如超转速、超负荷或低负荷运行），改变了机器工作特性。2）润滑或冷却不良。3）旋转体局部损坏或结垢。4）工艺参数（如介质的温度、压力、流量、负荷等）操作不当，机器运行失稳。5）启动、停车或升降速过程操作不当，暖机不够，热膨胀不均匀或在临界区停留时间长。机械工程及自动化专业第三章旋转机械的振动监测与诊断3.1.2发生故障的主要原因及来源（4）机器长期运行引起的故障1）长期运行，转子挠度增大。2）旋转体局部损坏、脱落或产生裂纹。3）零部件磨损、点蚀或腐蚀等。4）配合面受力劣化，产生过盈不足或松动等，破坏了配合性质和精度。5）机器基础沉降不均匀，机器壳体变形。机械工程及自动化专业第三章旋转机械的振动监测与诊断3.1.3转子振动的类型1）横向振动——振动发生在包括转轴的横向平面内。旋转机械大多数故障所激发的振动为横向振动，是主要研究对象。2）轴向振动——振动发生在转轴的轴线方向上。3）扭转振动——沿转轴轴线发生的扭振。多盘转子的柔性轴将产生扭转振动。机械工程及自动化专业第三章旋转机械的振动监测与诊断3.1.4转子的横向振动圆盘刚性支承无重量的弹性转轴3.1.4.1力学模型机械工程及自动化专业第三章旋转机械的振动监测与诊断3.1.4.2转子涡动由于离心力作用，转子产生动挠度'ooa(1)转子有两种运动：（1）转子的自身转动（2）弓形转动，即弯曲的轴心线AO′B与轴承连线AOB组成的平面绕AB轴线转动wO′OaABXYZ圆盘质量m机械工程及自动化专业第三章旋转机械的振动监测与诊断3.1.4.2转子涡动园盘的运动方程为：式中k----转子的刚度系数，x,y----园盘几何中心的水平、铅垂方向坐标mkn2（2）....00mxkxmyky..2..200nnxxyy机械工程及自动化专业第三章旋转机械的振动监测与诊断3.1.4.2转子涡动其解为：园盘转子中心0’在互相垂直的两个方向作频率为ωn的简谐振动。一般情况下振幅X、Y不相等，点0’的轨迹为一椭圆。0’的这种运动是一种“涡动”，或称“进动”。转子的涡动方向与转子的转动角速度同向时称为正进动；与之反向时称为反进动。)sin()cos(ynxntYytXx(3)机械工程及自动化专业第三章旋转机械振动监测与诊断3.1.4.3转子的临界转速园盘中心(重心)G相当于转轴中心O’有偏心距e=O’G，园盘以角速度ω转动时，重心G的加速度为：（4）其中、表示点的加速度分量'oOO′(x,y)a..e(xG，yG)Gt..x....2....2cossinGGxxetyyet..y机械工程及自动化专业第三章旋转机械的振动监测与诊断3.1.4.3转子的临界转速：在转轴的弹性力F=ka作用下：（5）则轴心O’的运动微分方程为：OO′(x,y)a..e(xG，yG)Gt即（6）....GGmxkxmyky..2..2cossinmxkxmetmykymet..22..22cossinnnxxetyyet机械工程及自动化专业第三章旋转机械的振动监测与诊断3.1.4.3转子的临界转速：（7）OO′(x,y)a..e(xG，yG)Gt其特解为代入上式得tiAeZ振幅22222)/(1)/(nnneeA（8）上式写为复数形式：..22itnZZee机械工程及自动化专业第三章旋转机械的振动监测与诊断3.1.4.3转子的临界转速：园盘或转轴中心O’对于不平衡质量的响应为：OO′(x,y)a..e(xG，yG)Gt正常运转情况：tinneeZ22)/(1)/(（9）O,O’和G三点始终在同一直线，这直线绕点O以角速度ω转动，O’和G作同步进动(涡动)，两者的轨迹是半径不相等的同心圆。机械工程及自动化专业第三章旋转机械的振监测与诊断3.1.4.3转子的临界转速：a.ω＜ωn时，A＞0，O’和G点在O的同一侧，图a所示；图a.ω＜ωntinneeZ22)/(1)/(机械工程及自动化专业第三章旋转机械的振动监测与诊断3.1.4.3转子的临界转速：当时，A≈－e，或OO’≈-O’G，园盘的重心G近似落于固定点O，振幅很小，转动反而比较平稳。称为“自动对心”。图b.ω＞ωnb.ω＞ωn时，A0，但|A|＞e,G在O与O’之间，图b所示；...aOO′eGxyntinneeZ22)/(1)/(机械工程及自动化专业第三章旋转机械的振动监测与诊断3.1.4.3转子的临界转速：由于有阻尼，振幅A不是无穷大而是较大，但振动仍然非常剧烈。所以ωn（轴的横向振动固有频率）称为转轴的“临界角速度”。图c.ω=ωnc.ω=ωn时，A，共振，如图c。..aOO′eGxy机械工程及自动化专业第三章旋转机械的振动监测与诊断13.1.4.3转子的临界转速：式中δS―园盘重量引起的转轴中心O’的静挠度因临界转速：nncn55.9260（转/分）（10）sngmk∴scgn55.9当转轴受到横向冲击的瞬间：园盘中心O’同时有自由振动和强迫振动。O,O’和G三点不在同一直线上。由于阻尼存在，自由振动衰减，经过一段时间，转子恢复正常的同步进动。（11）机械工程及自动化专业第三章旋转机械的振动监测与诊断3.1.4.3转子的临界转速如果考虑阻尼，则（7）式变为:（12）其中阻尼:nn2设特解为:)(tieAZ解出2222222222/(/)[1(/)](2/)(/)1/4/nnnnnneeAn222/(2/)(/)tan1(/)1/nnnnnn...222itnZnZZee机械工程及自动化专业第三章旋转机械的振动监测与诊断3.1.4.3转子的临界转速由此得到的幅频响应曲线与相频响应曲线如下图所示01.02.03.04.05.01.02.03.0neA0.10.50.3750.250.150.100.0501.02.03.04.05.090°0°180°n0.15.005.025.0幅频响应曲线相频响应曲线机械工程及自动化专业第三章旋转机械的振动监测与诊断3.1.4.3转了的临界转速弹性支承对转子临界转速的影响.AByyByAzOO′支承弹性系数与弹性转轴刚度系数相串连，总的刚度低于转轴本身的刚度。因此，弹性支承使临界转速降低。减小支承刚度可以使临界转速显著降低。机械工程及自动化专业第三章旋转机械的振动监测与诊断3.1.5刚性转子系统和柔性转子系统1)刚性转子系统：工作转速小于临界转速的转子系统。一般采用滚动轴承，其故障激励大多与转速同步，产生的振动称为同步振动。2)柔性转子系统：工作转速高于临界转速的转子系统。多采用流体动压滑动轴承。产生的故障多与轴承密封装置的流体动压失稳及工作介质工况失稳有关，其振动一般属于自激振动。01.02.03.04.05.01.02.03.0neA0.10.50.3750.250.150.100.05机械工程及自动化专业第三章旋转机械的振动监测与诊断3.1.5刚性转子系统和柔性转子系统当时运转较为平稳，但在启动过程要经过临界转速。如果缓慢启动，则经过临界转速时，也会发生剧烈振动。n01.02.03.04.05.01.02.03.0neA0.10.50.3750.250.150.100.05柔性转子系统的特点机械工程及自动化专业第三章旋转机械的振动监测与诊断3.1.6非线性振动的特征及识别方法线性渐硬系统渐软系统n0a.固有频率随振幅变化自由振动的振幅与频率关系机械工程及自动化专业第三章旋转机械的振动监测与诊断3.1.6非线性振动的特征及识别方法b.振幅跳跃现象(不稳定区)0不稳定区振幅0不稳定区振幅渐软系统响应曲线渐硬系统响应曲线机械工程及自动化专业第三章旋转机械的振动监测与诊断3.1.6非线性振动的特征及识别方法c.次谐波（分数谐波）共振和超谐波（高频谐波共振）……ωn/3,ωn,3ωn,……d.组合共振（和差谐波共振）激励频率ω1和ω2，当（ω1+ω2）或（ω1-ω2）或（mω1±nω2）与固有频率一致时，引起系统共振。机械工程及自动化专业第三章旋转机械的振动监测与诊断3.1.6非线性振动的特征及识别方法系统发生非线性振动的识别方法a.非线性系统的固有频率随振幅的大小而变，且有跳跃现象。b.非线性系统的激励X(t)与响应Y(t)具有次谐波共振、超谐波共振以及组合频率共振特征，且激励X(t)与响应Y(t)之间的相干函数大于零而小于1。0不稳定区振幅0不稳定区振幅机械工程及自动化专业第三章旋转机械的振动监测与诊断3.2.1旋转机械的监测系统3.2旋转机械的监测与信息的表达和分析(1)测点布置及传感器安装机械工程及自动化专业第三章旋转机械的振动监测与诊断1)轴承外壳（或轴承座）三个方向（铅垂、水平径向、轴向）安装加速度（或速度）传感器2)在轴颈同一铅垂平面的两个正交方向各安装一个位移传感器（非接触式：电涡流位移传感器）,非动力端轴向也装两个位移传感器。3.2旋转机械的监测与信息的表达和分析(1)测点布置及传感器安装n转轴支架被测件针带螺纹MIL-C-5015振动方向通用加速度传感器沉头螺栓转轴支架3）转速（键相）传感器（接近开关等）机械工程及自动化专业第三章旋转机械的振动监测与诊断3.2旋转机械的监测与信息的表达和分析(2)系统集成硬件连接框图1＃检修对接头振动传感器振动传感器转速接线箱14＃17＃振动传感器振动传感器转速转速接线箱D2接线端子17＃19＃TTL电路DIN－37DACL8454D1接线端子481适调仪DIN－50SPCI9118工控机RS－2321＃16＃服务器交换机高线网络工程师站工程师站15＃16＃18＃19＃15V电源注：信号线号所对应的测点，见