第3章 振动诊断2

1§3-4典型零部件故障的振动诊断1.振幅位移振幅通常用：峰－峰值(P－P值)表示；速度振幅通常用：有效值（振动烈度）Vrms来表示；加速度振幅通常用：峰值表示。旋转机械诊断中通常用：通频振幅——同时受不同频率的激励力作用的设备的振动信号，经滤波得到的各种频率分量的叠加值；基频振幅——转频下按正弦规律振动的幅值。2.振动频率振动频率分为基频和倍频（各次谐波频率）。特定的频率→对应一定的故障。旋转机械中，振动频率以转频的倍频、分倍频的形式出现。3.相位许多设备故障从幅值谱上不易区分时，需对相位作进一步的分析。§3-4-1绪论一、旋转机械的特征参量24.转速旋转机械的转速变化与设备的运行状态有非常密切的关系。当设备发生故障时，转速也会相应地变化。例如：离心式压缩机：喘振→转速波动；动静碰磨→转速波动。5.时域波形时域波形综合反映了振动信号的振幅、频率、相位，可简单直观地表示振动情况。6.轴心轨迹轴心轨迹是轴心上的点相对于轴承座的运动轨迹，形象地反映了转子的实际振动情况。7.轴位移（轴向位置）轴向位置是止推盘和止推轴承之间的相对位移。例如：转子动静部件之间的轴向摩擦、喘振等都会引起轴向位置的变化。8.轴心位置轴心位置是描述安装在轴承中的转轴平均位置的特征参量。例如：轴承座磨损→轴颈偏心。涡流传感器的直流分量表示轴心位置的变化。39.差胀、机壳膨胀对大型旋转机械，由于转子较长，在起动过程中转子受热快，沿轴向膨胀量比汽缸大，两者的热膨胀差称为“差胀”。转子的热膨胀汽缸的热膨胀，称为“正差胀”；转子的热膨胀汽缸的热膨胀，称为“负差胀”。正差胀多出现在开机过程，负差胀多出现在停机过程。对大型汽轮机组，除了测“差胀”外，还应测机壳膨胀量，有助于得到汽缸与转子之间的相对热膨胀信息，对比热膨胀和胀差量，判断汽缸与转子热膨胀是否正常10.慢转偏心距慢转偏心距指的是机器静止时的弯曲量，如果在允许的范围内，机器可以起动。测量方法：起动时用涡流传感器测得的信号中的交流信号峰－峰值表示。11.工艺参数12.电流、电压测量4旋转机械振动故障分析常用方法（1）波特图（Bodeplot）是机器振幅与转速频率，相位与转速频率的关系曲线。（2）极坐标图是把上述幅频特性和相频特性曲线综合在极坐标上表示出来所示。（3)轴心位置图借助于相互垂直的两个电涡流传感器，监测直流间隙电压，即可得到转子轴颈中心的径向位置。（4)轴心轨迹图涡动运动的轨迹称之为轴心轨迹如所示。5678（5)频谱图振动信号绝大多数是由多种激励信号合成的复杂信号，按照傅里叶分析原理，这种复杂信号可以分解为一系列谐波分量（即频率成分），每一谐波分量又含有幅值和相位特征量。各个谐波分量以频率轴为坐标，按频率高低排列起来的谱图，就叫频谱图。各谐波分量分别以幅值或相位特征量来表示，分别称为幅值频谱（简称幅值谱）和相位频谱（注意与波特图的区别）。910为了便于识别各频率成分（包括基频、倍频及分数倍频等）与故障的联系，常将频谱图的频率轴（横坐标）改用工作频率的倍数来表示，而纵坐标仍表示幅值。这种谱图称为阶比幅值谱。11二.旋转机械的振动监测1.测试对象和测量部位的选择2.转轴振动测量3.机壳振动测量4.相位测量5.转速测量6.轴位移测量7.轴心轨迹测量8.轴心位置测量9.轴承温度测量10.工艺参数测量12三、旋转机械发生故障的原因（一）设计、制造1.设计不当：动态性能不良，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.运行点转速接近或落入非稳定区；5.零部件加工、制造不良，精度不够；6.零部件材质不良，精度不够，制造缺陷；7.转子动平衡不符合技术要求。（二）安装维修1.安装不当，零部件错位，预负荷大；2.轴系对中不良；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.安装或维修过程中破坏了机器原有的配合精度。13三.运行操作1.机器在非设计状态下运行(如超转速、超负荷等)改变机器工作特性；2.润滑或冷却不良；3.旋转体局部损坏或结垢；4.工艺参数(温度、压力、流量、负荷等)操作不当，机器运行失稳；5.启、停车过程中操作不当，暖机不够，热膨胀不均匀或临界区停留时间长。四.机器劣化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；5.机器沉降不均匀，机器壳体变形。14§3-4-2转轴组件的故障诊断一、绪论转轴组件：指旋转机械系统中重要的一类基础件，以旋转轴为中心，包括齿轮、叶轮、等工作件、联轴器以及支承在内的组合非转动部件：滑动轴承、轴承座、机壳等。旋转机械振动的特殊性：1.振动一般呈很强的周期性；2.大型旋转机械的振动主要是转轴。∴旋转机械的状态监测主要是针对其振动特点进行的。二、转轴组件的故障类型及其特点转轴组件的常见故障现象有不平衡、不同轴（不对中）、机械松动等15三、基于全息谱分析技术的旋转机械诊断系统结构初始信号时域分析频域分析趋势提取合成趋势提取时域波形轴心轨迹滤波轴心轨迹Orbit合成轴心轨迹X向幅值谱Y向幅值谱2维全息谱3维全息谱全息瀑布图时频分析短时轴谱短时幅谱16四.转机械故障分类和故障诊断搜索油膜涡动旋转脱离喘振流体激励支座松动密封磨损低频管道激励不平衡不对中碰磨转子裂纹高频管道激励工频干扰1.旋转机械的故障分类故障低频高频其他基频172.旋转机械的故障搜索流体激励旋转脱离(0.7～0.9)f0支座松动(0～0.3)f0转子裂纹旋转机械位移传感器提取特征频率X(f)、Y(f)对中不良碰磨缺陷1f0=1f01f0轴承故障转子裂纹转子弯曲转子失衡非线性故障交流干扰（50Hz)油膜涡动（油膜振荡）(0.4～0.5)f0管道激励(0.4～0.5)f0喘振(0～0.4)f0内摩擦机组状态正常否？不正常正常18(一)转子不平衡故障及诊断1、转子不平衡的原因：转子不平衡可分为：原始不平衡、渐发性不平衡、突发性不平衡。(1)原始不平衡（转子质量偏心）原因材质不均匀装配误差制造误差(2)渐发性不平衡原因不均匀腐蚀不均匀磨损不均匀结垢振动值随运行时间的延长而增大。原因(3)突发性不平衡叶轮流道有异物转子上零部件脱落振动值突然显著增大后稳定在一定水平上。192.转子不平衡振动的特点(1)振动的时域波形近似为正弦波；(2)在频谱图中，能量集中在基频，会出现较小的高次谐波；(3)当ωωn时，振幅随转速增大而增大；当ωωn时，转速增大时振幅趋于一个较小的稳定值；当ω≈ωn时，振幅具有最大的峰值。(4)转子的轴心轨迹为一椭圆,由于转子不平衡质量的响应在x、y方向振幅不同，相位差也不是。(5)工作转速一定时，相位稳定。(6)振动的强烈程度对转速变化很敏感。3.转子不平衡的诊断方法转子不平衡的诊断方法是根据转子不平衡的振动特点来诊断，主要看振动信号的波形、特征频率、相位稳定性、轴心轨迹等。20转子不平衡故障的频谱波形为简谐波，少毛刺。轴心轨迹为圆或椭圆。1X频率为主。轴向振动不大。振幅随转速升高而增大。过临界转速有共振峰。透平风机齿轮箱1X频率(水平)1X频率(水平)1X频率(铅垂)1X频率(铅垂)轴向很小轴向很小214.注意(1)对于老设备：工频分量增大时，可能有较大的不平衡；(2)对新安装设备，工频分量增大时，可能还有下述因素的影响：转子是否遇到临界转速？——常用其它方法确定临界转速；转子是否与基础共振？——可用相位分析方法诊断。基础共振：使机组上各点都以同一频率和相位振动。不平衡造成的振动在顺旋转方向上各点振动有相位差。(3)用涡流传感器不接触测量时，注意测点处轴颈加工的不同心或椭圆。可用降低转速的方法来检验。若低速时振动与高速时相同，则为假不平衡。5.转子不平衡分类转子不平衡可分为动不平衡与静不平衡。(1)静不平衡：仅使转子产生偏心距e的不平衡称静不平衡，它只要在e的相对方向加平衡块配重就可消除。(2)动不平衡：转子的质心在两轴承的连线上，在旋转时会产生离心力矩，只有在转动时才能检测出来，找到配重的位置。22全息动平衡:23(二)转子弯曲故障及诊断1、转子弯曲的种类(1)永久性弯曲：转子成弓形弯曲后无法恢复。启动时振动就大；(2)转子临时性弯曲：可以恢复的弯曲。随升速振幅变大。2.转子弓形弯曲（永久性弯曲）的原因及振动特点(1)原因a、设计制造：结构不合理、制造误差、材质不均匀。b.安装、维修：1）长期存放不当引发永久性弯曲；2）轴承安装错位，转子有较大的预负荷。c、运行操作：高速高温机器停机后未及时盘车。d、机器劣化：转子热稳定性差，长期运行后自然弯曲。24(2)振动特征a、特征频率：1倍频，并伴有2倍频。b、振动稳定：振动方向为径向、轴向，相位特征稳定。c、轴心轨迹：椭圆d、振动随转速的变化明显e、时域波形：正弦波(3)其它识别方法：a、机器开始升速运行时，在低速阶段振动幅值就较大；b、刚性转子两端相位差180。4、转子临时弯曲的原因及振动特性(1)原因a、设计制造：结构不合理，制造误差大，材质不均匀；b、安装、维修：转子有较大的预负荷；c、运行操作：升速过快，加载太大；d、机器裂化：转子稳定性差。25(2)振动特性：a、特征频率：1倍频，伴有2倍频。b、振动稳定性：振动随转速变化明显，振动方向为径向、轴向，相位特征稳定（正常运行时稳定，升机过程中有变化）。c、轴心轨迹：椭圆(3)其它识别方法：升速过程振幅大，往往不能正常启动。26(三)转子不对中故障分及诊断1、转子不对中形式(1)平行不对中：轴线平行位移(2)角度不对中：轴线角度位移(3)综合不对中：轴线综合位移正确对中e=0,=0平行不对中e0,=0角度不对中e=0,0综合不对中e0,0272、产生转子不对中的原因(1)初始安装误差；(2)负载、自重作用使转子弯曲；(3)支承架不均匀膨胀引起热态工作下转子对中不良(热不对中)；(4)地基不均匀下沉。3、转子不对中故障的特征(1)转子不对中改变了轴承中的油膜压力，使联轴节两侧支承负荷变化较大，负荷小的轴承可能引起油膜失稳。∴不对中现象的最大振动在紧靠联轴节两端的轴承上。(2)平行不对中主要引起径向振动如果：轴承座x、y方向刚度相同，则振幅大的方向为不对中方向；轴承座x、y方向刚度不同，应经计算求得。角度不对中主要引起轴向振动，刚性转子A轴A径。28(3)不对中引起的振幅值与转子的负荷有关，随负荷增大而增大。(4)不对中使联轴器两侧的转子振动产生相位差。对于刚性联轴节：平行不对中：联轴节两侧的径向振动相位差约180º；角度不对中：联轴节两侧的轴向振动相位差约180º；联轴节两侧的径向振动同相；(5)从振动的频率成分来看，不同形式的不对中频率成分不同。对刚性联轴节：平行不对中：易激起2fn，也存在fn及高频；角度不对中：易激起同频振动，也存在高频；(6)轴心轨迹：香蕉形、8字形(7)振幅随转速变化不明显，随油温、负荷变化明显。29转子不对中故障的频谱出现2X频率成分。轴心轨迹成香蕉形或8字形。轴向振动一般较大。本例中，出现叶片通过频率。电机水泵POPIMOMI1X频率2X频率叶片通过频率30转子不对中故障时域波形图转子不对中故障频谱图转子不对中故障全息谱转子不对中故障提纯轴心轨迹31不对中故障的全息谱图不对中故障的提纯轴心轨迹（双八字形）32不对中故障的全息谱图不对中故障的提纯轴心轨迹（八字形）33转子平行不对中故障的三维全息谱图转子角度不对中故障的三维全息谱图34(四)转子横向裂纹故障及诊断1、转子横向裂纹的形态由于转轴所受的应力状态不同，其横向裂纹的形态也不同，裂纹有三种形态：a.闭裂纹；b.开裂纹：c.开闭裂纹。常开状态下的转子裂纹常闭状态下的转子裂纹常开状态下的转子裂纹常闭状态下的转子裂纹352、轴出现裂纹故障后的特点(1)轴