振动故障分析与诊断教材

11旋转机械故障诊断（上）技术处性能试验科2009-1122旋转机械振动分析与诊断前言现代预测维修技术最大的进步也许就是能诊断机器内部的机械故障和电气故障。诊断的证据就是震动超过预先设定的振动中联报警值和频谱报警值的振动特征信号。例如，大部分正规的工矿企业都有预测维修用的数据采集器和相应的软件，并且，成功地建立了巨大的数据库，还采集了大量测点的振动数据。然而，调查表明，只有15%以下的工厂知道如何大致建立振动总量报警值和振动频谱报警值。因此，须真正了解如何利用振动频谱和相关参数（例如，振动尖峰能量gSE）数据诊断潜在的故障。本书的目的就是要引导读者，如何从振动频谱和相关的变量中诊断故障。诊断频谱中包含有大量的、有价值的信息，只有当分析人员能解开其中的“秘密”时，才能有益于故障诊断工作的开展。在书的最后附有一张非常实用的故障诊断图标（表1．0）。这张故障诊断表不仅详尽阐述了机器各种故障的振动症兆，还解释了各种故障的“典型振动频谱”。此外，还图解说明了这些故障占优势时的相位关系。本书代表了作者根据约16年振动特征信号分析的现场经验以及对机器状态监测、故障诊断领域内大量论文的研究。并且阐述了作者对这些机器故障机理的理解以及诊断这些机器故障的成果。33目录振动故障分析与诊断（上）第一章：质量不平衡第一节：力不平衡第二节：力偶不平衡第三节：动不平衡第四节：悬臂转子不平衡第二章：偏心的转子第三章：弯曲的轴第四章：不对中第一节：角相不对中第二节：平行不对中第三节：卡住在轴上不对中的轴承第四节：联轴器故障第五章：共振造成机器故障第一节：识别自振频率特性第二节：如何估算悬臂转子和简支支承转子的机器的自振频率第六章：机械松动第一节：A型结构框架或基础松动第二节：B型由于摇动运动或开裂的结构或轴承座产生的松动第三节：C型轴承在轴承座中松动或两个零部件之间配合不良引起的机械松动第七章：转子摩擦第一节：局部摩擦第二节：整圆周摩擦第八章：滑动轴承故障第一节：滑动轴承磨损和间隙故障第二节：油膜涡动不稳定第三节：油膜拍打不稳定第四节：干拍打第九章：利用振动尖峰能量；高频包络和解调谱技术跟踪滚动轴承的轴承故障发展44各个阶段第一节：前言第二节：滚动轴承状态评定的最佳振动参数第三节：有故障的滚动轴承产生的振动频谱的类型第四节：跟踪滚动轴承通过的各故障阶段的典型频谱第十章：流体引起的振动第一节：水力学力和气动力第二节：气穴和缺乏流体现象第三节：回流第四节：紊流第五节：喘振第六节：阻塞第十一章：齿轮故障第一节：齿轮的齿的磨损第二节：齿轮承受大的负载第三节：齿轮偏心和齿隙游移第四节：齿轮不对中第五节：裂纹的、破碎的或断的齿第六节：齿摆动故障第十二章电气故障第一节：定子故障问题第二节：偏心的转子第三节：转子故障第四节：转子不均匀的局部受热引起的轴弯曲第五节：电气相位故障第六节：同步电动机第七节：直流电动机故障第八节：扭矩脉冲故障第十三章：皮带松动故障第一节：磨损、松动或不匹配的皮带第二节：皮带/皮带轮不对中第三节：偏心的皮带轮第四节：皮带共振第五节：由于电动机框架/基础共振引起电动机以及风机转速频率过大的振动第六节：皮带轮松动或风机轮毂松动第十四章：拍振第十五章：交流感应电动机故障的分析和诊断55第一节：序言第二节：感应电动机振动分析第三节：感应电动机电流分析第四节：实例第十六章：直流电动机故障的分析和诊断第一节：直流电动机的结构和工作原理第二节：利用振动分析检测直流电动机故障问题和控制问题第三节：开发尚末正式证实的直流电动机故障和控制故障的诊断技术第四节：在分析直流电动机故障问题和控制故障问题中输入精确的转速的重要性振动故障分析与诊断（下）第十七章：用于滚动轴承故障诊断的高频包络解调技术第一节：关于高频包络的初步介绍第二节：介绍高频包络谱分析理论和重要因素第三节：高频包络实例第十八章：低速机器所需的振动分析技术及仪器第一节：前言第二节：低频测量的最佳振动参数第三节：对低频分析仪器的要求第四节：评定低速机器的滚动轴承第五节：低频测量推荐技术的总结第六节：低速机器的振动总量报警和频带报警的设定第七节：低频测量中遇到的困难和错误第十九章：实例A第二十章：高速机器所需的振动分析技术和仪器第二节：高频振动测量的最佳参数第三节：对高频振动分析仪器的要求第四节：高频测量所需的传感器第五节：振动加速度计固定对频率响应的影响第六节：超声测量第七节：高频数据的可靠性；精度和可重复性第八节：真实世界中实例66振动故障分析与诊断（上）第一章质量不平衡概述如图1．1至1．4新的质量中心线与轴中心线不重合时便产生不平衡。无论是冷却塔风扇还是精密磨床的砂轮，所有的都存在一定程度的不平衡。关键是要知道对于某具体的机器在规定的工作转速下多大的不平衡是允许的，在第四节“允许的残余不平衡量”中讨论之。图1．1力不平衡图1．2力不平衡77图1．3力偶不平衡图1．4动不平衡不平衡转子呈现如下特征：1．振动不平衡总是显示出不平衡件转速频率一倍频率的大的振动（但是1X转速频率的并不总是不平衡）。通常，这个1X转速频率的振动尖峰在频谱中占优势。2．当故障仅限于不平衡时，1X转速频率的振动尖峰的幅值通常大于或等于振动总量幅值的80%（如果除了不平衡之外还有其他故障，则可能仅为振动总量幅值的50%到80%）。3．振动幅值与质量中心离轴中心线的距离多远成正比。例如，当低于转子第一阶临界转速运转时，振动幅值将随转速的平方成正比例变化。即；转速升高3倍，将导致不平衡振动增大9倍。4．质量不平衡产生一个均匀的旋转力，此力的方向连续变化，但是始终作用在径向方向上。因此，88轴和支承轴承趋向于以某圆周轨道运动，然而，由于轴承的垂直方向刚性比水平方向刚性强，所以通常振动响应是一定程度的椭圆轨迹。因此，水平方向振动通常略大于垂直方向振动，一般范围在2至3倍左右。当水平方向与垂直方向振动之比大于6比1时，通常说明是其他故障，尤其是共振。5．当不平衡超过其他故障成为主要振动原因时，则轴承上水平方向与垂直方向振动相位差约为90度（±30度）。因此，如果存在1X转速频率的大振动，但是，水平方向与垂直方向振动相位差为0度或接近180度，通常说明是其它故障源，例如偏心。6．也许比不平衡的水平方向振动与垂直方向振动的相位差约为90度更为明显的指示是，如果存在明显的不平衡，则内侧轴承与外侧轴承的水平方向振动的相位差应该接近垂直方向振动的相位差。即，不是比较同一轴承座上水平方向与垂直方向的相位差，而是比较内侧轴承与外侧轴承水平方向振动相位差和垂直方向振动相位差。例如，请参见图1．5的表A，它表示一台主要是力不平衡故障的机器。请注意，1#和2#轴承之间的水平方向振动相位差约为5度（30度或25度），与垂直方向振动相位差约为10度（120度或110度）相比较。同样地，在泵上，水平方向振动相位差（位置3）约为10度，垂直方向振动相位差约为15度。这就是力不平衡为主的振动故障所期望的振动相位响应。7．当不平衡占优势时，径向方向（水平方向和垂直方向）振动通常比轴向方向振动大许多（除了悬臂转子之外，这将在第四节中讨论）。8．不平衡转子通常在径向方向呈现稳定的，重复的振动相位，在调整平衡转子时，振动相位在达到较好平衡时，在频闪光照耀下开始“锁定”，尤其是如果存在其他故障时。然而，如果存在大的不平衡，并且其他故障不明显，则振动相位应该稳定和可重复。9．共振有时对转子的大的振动影响可能很大。事实上，在有不平衡的转子上，如果能平衡转子，尽管最小的残余不平衡也还会出现不平衡，但是，动平衡还是可明显减小松动引起的振动。但是，往往无法平衡有松动的转子。有三种主要的不平衡类型。包括力不平衡，力偶不平衡和动不平衡。将在第一节，第二节和第三节中分别讨论之。第一节力不平衡力不平衡有时也称为“静不平衡”。力不平衡就是质量中心线离开和平行轴中心线的一种状态，如图1．1所示。这是力不平衡的一种类型，多年来把风扇转子放在刀刃上或放在其轴承上，使之“滚动到底部”修正之。即假定该转子完全自由地在其轴承内转动，当松开风扇叶轮时，如果叶轮的重点在角向方向上离开底部（6点钟位置），它必将滚到底部，并停止在6点钟位置。然后在这个位置的反面位置（或在12点钟位置）上放置一个合适的重量便可修正这种力不平衡。实际上有两种类型的力不平衡，如图1．1和1．2所示。在图1．1的情况中，只存在一个重点，它位于靠近转子重心（CG）的位置。在这个重点的相反的180度位置加一个相等的重量便可简单地修正之。图1．2似乎说明重点作用在内侧平面和外侧平面的力不平衡（实际上，两个重点作用面角向平行的）。在这种情况下，可以在重心（CG）位置加修正重量，或者在两个平面内相反位置加上相等的修正重量，便可修正之。（如果在重心（CG）处修正，在这个例子中当然需要两倍的修正重量）。力不平衡共同特征概括为如下：1．以1X转速频率旋转的相同的不平衡力通常都差不多出现在内侧和外侧转子轴承座上（然而，根据每个方向的支承刚性，水平和垂直方向的响应可能略不同）。992．在纯的力不平衡情况下，外侧水平方向振动相位等于同一轴上内侧水平方向振动相位（即，如果外侧轴承上水平方向振动相位在6点钟处，因为两个轴端是一起运动的，所以内侧轴承上水平方向振动相位读数也应该在6点钟位置）。3．同样，同一轴上外侧轴承的垂直方向振动相位也近似等于内侧轴承的垂直方向振动相位。4．力不平衡只需在通过转子重心（CG）的单一平面内加一个反作用的重量便可修正之。5．内侧和外侧轴承水平方向振动相位差应该大致等于内侧和外侧轴承垂直方向振动相位差，如果力不平平衡为主的话，通过联轴器的相位变化应该比较小（小于60度到90度）。第二节力偶不平衡力偶不平衡就是质量中心线轴线与轴几何中心线轴线相交于转子的重心处的一种状态，如图1．3所示。这里，在转子的每一端处彼此相差180度的相等的重点产生一力偶。明显的力偶不平衡可以引起转子严重的不稳定，使之前后摆动（像以转子重心（CG）处为支点的“跷跷板”）。力偶不平衡呈现如下特征：1．在纯的力偶不平衡中，转子是静平衡的，当把此转子放在刀刃上时不会滚动停止于底部。即，参见图1．3，因为在位置1处的重点等于在位置2处的重点，这就是满足了力平衡或静平衡的要求。但是，力偶不平衡的转子还是会产生1X转速频率的明显的振动。2．力偶不平衡在外侧轴承座和内侧轴承座上产生1X转速频率的大的振动，可能一个轴承座上的振动略大于另一个轴承座上的振动。3．明显的力偶不平衡有时可能产生大的轴向振动。4．内侧和外侧轴承座上水平方向振动相位差将近似为180度（即，如果外侧轴承座水平方向振动相位在6点钟处，则内侧轴承座水平方向振动相位也许在约12点钟处，因为两端的摇动运动彼此方向相反。5．同样地，外侧和内侧轴承座垂直方向振动相位差约为180度。6．参见图1．5表B，说明振动相位如何对力偶不平衡反作用的。请注意，位置1和2水平方向的相位差180度（210度减30度），位置1和2的垂直方向相位差175度（295度减120度）。这表明，如果故障是力偶不平衡（不是不对中），则水平和垂直方向的相位差应该粗略彼此相等，内侧与外侧轴承的水平和垂直方向两者相位差约为180度。表A：DIR．1234A60º*70º60º*80ºH30º25º30º40ºV120º110º120º135º*:CorrectedPhaseAccountingFor180ºOnentationofAccelerometer．表B：DIR．1234A60º*70º60º*80ºH30º210º200º180ºV120º295º280º300º*:CorrectedPhaseAccountingFor180ºOnentationofAccelerometer．1010表C：DIR．1234A60º*70º60º*80ºH30º90º80º70ºV120º180º170º165º*:CorrectedPhaseAccountingFor180ºOnentationofAccelerometer．图1．5说明力不平衡，力偶不平