讲义0-振动分析诊断

振动测试基础知识陶洛文工学博士，高级工程师北京森德格科技有限公司电话：[phone]E-mail:[e-mail]振动测试基础知识x振幅A(Amplitude)偏离平衡位置的最大值。描述振动的规模。频率f(Frequency)描述振动的快慢。单位为次/秒(Hz)或次/分(c/min)。周期T=1/f为每振动一次所需的时间，单位为秒。圆频率=2f为每秒钟转过的角度，单位为弧度/秒初相角(Initialphase)描述振动在起始瞬间的状态。简谐振动的三要素振动位移、速度、加速度之间的关系)2sin(ddtAtxv)sin(dd222tAtxatAxsin振动位移(Displacement)速度(Velocity)加速度(Acceleration)位移、速度、加速度都是同频率的简谐波。三者的幅值相应为A、A、A2。相位关系：加速度领先速度90º;速度领先位移90º。xvaxva振动的时域波形名称波形名称波形若干幅值参数的定义瞬时值(Instantvalue)振动的任一瞬时的数值。峰值(Peakvalue)振动离平衡位置的最大偏离。平均绝对值(Averageabsolutevalue)均值(Meanvalue)又称平均值或直流分量。有效值(Rootmeansquarevalue)TtxTx0avd1TtxTx0d1TtxTx02rmsd1xpx=x(t)正峰值负峰值平均绝对值有效值平均值峰峰值各幅值参数是常数，彼此间有确定关系峰值xp=A;峰峰值xp-p=2A平均绝对值xav=0.637A有效值xrms=0.707A平均值简谐振动的幅值参数0x复杂振动的幅值参数各幅值参数随时间变化，彼此间无明确定关系正峰值负峰值峰峰值xrms常用的幅值参数及其单位位移峰峰值。单位为微米（m）速度有效值。单位为毫米/秒（mm/s）加速度峰值。单位为米/秒平方（m/s2）练习一:100mil(Peak)=?微米(峰峰值)2G(Peak)=?m/s-2(RMS)注:1Inch=1000mil=25.4mm=25,400微米G为重力加速度=9.81m/s-2振动信号的频率分析把振动信号中所包含的各种频率成分分别分解出来的方法。频率分析的数学基础是傅里叶变换和快速傅里叶算法（FFT）。频率分析可用频率分析仪来实现，也可在计算机上用软件来完成。频率分析的结果得到各种频谱图，这是故障诊断的有力工具。各种振动的频谱图名称波形频谱名称波形频谱时间域频率域FFTIFFT磁电速度传感器接收形式：惯性式变换形式：磁电效应典型频率范围：10Hz~1000Hz典型线性范围：0~2mm典型灵敏度：20mV/mm/s测量非转动部件的绝对振动的速度。不适于测量瞬态振动和很快的变速过程。输出阻抗低，抗干扰力强。传感器质量较大，对小型对象有影响。在传感器固有频率附近有较大的相移。典型的磁电速度传感器及其特性压电加速度传感器接收形式：惯性式变换形式：压电效应典型频率范围：0.2Hz~10kHz线性范围和灵敏度随各种不同型号可在很大范围内变化。测量非转动部件的绝对振动的加速度。适应高频振动和瞬态振动的测量。传感器质量小，可测很高振级。现场测量要注意电磁场、声场和接地回路的干扰。压电加速度传感器的典型结构晶体片晶体片质量块预紧环出线口底座出线口三角剪切型中心压缩型预压簧片三角柱压电加速度传感器的典型特性预紧环底座质量块出线口晶体片涡流位移传感器不接触测量，特别适合测量转轴和其他小型对象的相对位移。有零频率响应，可测静态位移和轴承油膜厚度。灵敏度与被测对象的电导率和导磁率有关。相移很小。接收形式：相对式变换形式：电涡流典型频率范围：0~20kHz典型线性范围：0~2mm典型灵敏度：8.0V/mm(对象为钢)涡流位移传感器及前置器轴承振动的测点布置轴振动的测点布置轴承振动与轴振动的比较轴承振动轴振动测量设备传感器易于安装、拆卸测定振动容易测量设备价格较低传感器安装受限制测定振动较困难测量设备价格高性能特点测振灵敏度低（当轴轻而本体刚度大时，对振动变化反映迟钝）有关参考资料丰富测量设备可靠性高测振灵敏度高（在任何情况下，对振动变化反映较灵敏）可直接测得基本界限值测量设备（特别是传感器）可靠性低环境影响测量结果受周围环境的影响小测量结果受周围环境的影响大基频是转速频率，记作1R。基频分量的幅值与转子的不平衡大小有关。基频分量的相位与不平衡在转子上的方位有直接对应关系。基频大小和相位由基频分析仪或频率分析方法求得。基频分量的幅值和相位键相与相位参考脉冲在转子上刻印键相标记K，在轴承座上布置键相传感器K（光电式或涡流式），其输出为相位参考脉冲。参考脉冲是测量相位的基准。参考脉冲也可用于测量转子的转速。K’K1转t参考脉冲振动相位与转子转角的关系从参考脉冲到第一个正峰值的转角定义振动相位。振动相位与转子的转动角度一一对应。这在平衡和故障诊断中有重要作用。振动信号参考脉冲波形图(Wave)时间域内的振动波形频谱图(Spectrum)组成振动的各谐波成分轴心轨迹(Orbit)转轴中心的振动轨迹，由水平和铅垂两方向波形合成旋转机械的振动图示(定转速)波形图、频谱图及轴心轨迹波德图和极坐标图波德图(BodePlot)和极坐标图(PolarPlot)两者所含信息相同，都表示基频振动的幅值和相位随机器转速的变化规律。第三个坐标也可以是时间(日期)、工艺参数等。三维频谱图（谱阵图）轴心位置的测定轴心位置图可以用x-y记录仪或计算机来绘制。涡流传感器的输出信号动态部分静态部分轴心轨迹轴心位置间隙变化平均间隙状态监测和故障诊断的仪器和方法在设备运行中或在基本不拆卸的情况下，通过各种手段，掌握设备运行状态，判定产生故障的部位和原因，并预测、预报设备未来的状态。什么是状态监测和故障诊断？是防止事故和计划外停机的有效手段。是预知维修的基础，是设备维修的发展方向。监测和诊断的各种手段★振动：适用于旋转机械、往复机械、轴承、齿轮等。★温度（红外）：适用于工业炉窑、热力机械、电机、电器等。★声发射：适用于压力容器、往复机械、轴承、齿轮等。★油液（铁谱）：适用于齿轮箱、设备润滑系统、电力变压器等。★无损检测：采用物理化学方法，用于关键零部件的故障检测。★压力：适用于液压系统、流体机械、内燃机和液力耦合器等。★强度：适用于工程结构、起重机械、锻压机械等。★表面：适用于设备关键零部件表面检查和管道内孔检查等。★工况参数：适用于流程工业和生产线上的主要设备等。★电气：适用于电机、电器、输变电设备、电工仪表等。仪器分类：离线测量仪表便携式测振表数据采集器在线测量系统表盘式的计算机化的监测和诊断仪器的分类和选用仪器选用原则：被监测对象在生产中的地位生产的规模和产量预计的投资设备管理人员的水平和素质振动监测系统的分类和选择设备类型损坏后果推荐监测手段主要功能大约价格关键设备完全停产~100%计算机化的监测系统振动幅值、频谱的连续监测数据存储、数据比较，数据文件管理趋势分析、谱趋势分析启、停车等瞬态过程数据收集超限报警、保护，事故记忆故障诊断，人工智能，联网，远程等数十万元以上重要设备部分停产50~100%表盘式的监测系统振动幅值的连续监测超限报警、保护数据存储、比较，趋势分析几万～数十万元一般设备部分停产或不停产0~50%数据采集器振动幅值、频谱的周期采集数据存储和管理数据比较，趋势分析几万元便携测振表振动幅值的采集简单的频率分析几千元监测和诊断仪器的分类和功能监测和诊断仪器选用在线监测数据自动采集离线监测数据周期采集25％重要机器5％关键机器30％一般重要机器20％次要机器20％普通机器不监测用坏为止透平机压缩机汽轮发电机组燃气轮机大电机大、中型泵风机齿轮箱小电机小型泵通风机频谱分析法频谱分析法是最基本和最常用的故障诊断方法。每种故障有其对应的特征频率。根据特征频率及其变化确定机器的故障性质和严重程度。转动机械常见故障的频率特征强迫振动类故障自激振动类故障R:转动频率故障名称频率特征转动特征故障名称频率特征转动特征不平衡1×R同步正进动油膜涡动(0.4~0.49)×R正进动永久弯曲1×R同步正进动油膜振荡等于低阶固有频率正进动不对中2×R正进动气隙振荡等于低阶固有频率正进动磁拉力不平衡2N×RN为磁极对数正进动内腔积液失稳前0.5×R失稳后为低阶固有频率正进动松动1×R,2×R等也有1.5×R,2.5×R等转子内阻失稳前0.5×R失稳后为低阶固有频率正进动齿轮故障啮合频率等于齿数×R，边带频率…径向摩擦失稳前小于低阶固有频率失稳后等于低阶固有频率反进动滚动轴承外环故障…内环故障…滚珠故障…轴向摩擦失稳前小于低阶固有频率失稳后等于低阶固有频率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TOTI齿轮箱1X频率(水平)1X频率(水平)1X频率(铅垂)1X频率(铅垂)轴向很小轴向很小转子不平衡的类型不平衡类型特征消除措施质量不平衡低速晃动小平衡永久弯曲低速晃动大静态校直热弯曲振动随负荷增大，但有滞后找出原因部件位移或脱落振动阶跃增加，然后稳定停车检查部件结垢振动缓慢增加，轴向振动和轴向推力增大，机器效率降低清垢联轴器不平衡相邻轴承振动大，相位相同平衡转子不对中的类型正确对中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,0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频率叶片通过频率转子系统松动故障的频谱波形出现许多毛刺。谱图中噪声水平高。出现精确的倍频2X，3X…等成分。松动结合面两边，振幅有明显差别。电机水泵POPI转速的精确倍频成分本例中最高出现16X成分噪声水平高松动故障引起的间入谐量未松动时的频谱松动时的频谱出现0.5X，1.5X，2.5X，3.5X...等频率成分松动结合面两边振动差别大50353815101218402558松动！松动！不松动不松动齿轮故障的频谱齿轮啮合频率GMF等于齿数乘以齿轮转速频率。齿轮啮合频率两边有边频，间距为1X。随着齿轮故障发展，边频越来越丰富，幅值增加。可用倒频谱作进一步分析。OUBSISOL齿轮箱上辊下辊输入轴啮合频率GMF上边频下边频2X带滑动轴承的机械的频谱特点不对中松动引起的谐波不平衡油膜涡动、碰摩0246810121416FrequencyinorderDisplacementinmpktopk12.510.07.55.02.50从油膜涡动发展到油膜振荡涡动频率c/min转子转速r/min油膜振荡的防治措施临时措施▲增加油温。▲更换粘度较低的油。▲减小轴承的宽度，以增加比压。▲抬高失稳轴承的标高，增加轴承的负载。▲减小轴承的间隙。根本措施▲改变轴瓦的结构。增加预负荷，开油槽，改变供油方式等▲改用稳定性较好的轴承。圆瓦—椭圆瓦—多油叶瓦—多油楔瓦—可倾瓦▲改变转子结构，将其临界转速提高到工作转速的一半以上。轴承的故障诊断与状态监测是机械设备故障诊断技术的重要内容。旋转机械的故障中轴承的损坏故障约占30%。轴承的运行质量除轴承元件本身的加工质量外，轴承的安装及装配质量影响很大。滚动轴承的振动滚动轴承的失效形式疲劳点蚀:因受滚动压应力磨损:因受压力又有与内外座圈的相对滑动腐蚀:润滑油中的水分几其它化学物质产生锈蚀裂纹:由于磨削或淬火时作用而产生磨粒磨损:由于磨屑作用而磨损D—节圆直径d—滚珠直径—接触角z—滚珠数R—轴的转速频率滚动轴承故障的特征频率dD外环故障