典型机械的振动监测与诊断

第三章典型机械的振动监测与诊断旋转机械发生振动的主要原因及其比率（以钢铁工业为例）第三章典型机械的振动监测与诊断§3.1转子系统的监测与诊断§3.2滚动轴承的监测与诊断§3.3齿轮(箱)的监测与诊断§3.1转子系统的监测与诊断一、转子系统的异常现象二、转子系统的简易诊断三、转子系统的精密诊断一、转子系统的异常现象低频：不平衡、不对中（不同轴）、松动、润滑油起泡中频：压力脉动、通过叶片时的振动高频：空穴作用、流体噪声振动返回二、转子系统的简易诊断诊断对象（设备）的选定测定参数选定测定点的选定测定周期的确定判断标准的确定简易诊断实例测定参数选定趋势分析是把所测得的特征数据值和预报值按一定的时间顺序排列起来进行分析。这些特征数据可以是通频振动、1X振幅、2X振幅、0.5X振幅、轴心位置等，时间顺序可以按前后各次采样、按小时、按天等。4008012016020024028012345678910日期d振动峰峰值m停机门限值报警门限值趋势分析050100150200250300012345050100150200250300350频率转速X103rpmm谱幅值Hz利用瀑布图可以判断机器的临界转速、振动原因和阻尼大小瀑布图返回测定点的选定旋转机械振动分析征兆变化一般规律旋转机械振动分析征兆变化一般规律返回测定周期的确定与设备劣化速度有关：劣化缓慢--〉采用较长周期劣化变快--〉缩短测定周期劣化加剧--〉连续实时测定高速旋转机械：汽轮压缩机、汽轮机--〉每日测定一般旋转机械：水泵、风扇、鼓风机--〉每周测定返回判断标准的确定绝对判断标准：是根据对某类机械长期使用、观察、维修与测试后的经验总结，并由企业、行业协会或国家颁布，作为一标准供工程实践使用。相对判断标准：是对机器的同一部位定期测定，并按时间先进行比较，以正常情况下的值为初始值，根据实测值与该值的比值来判断的方法。类比判断标准：是指数台同样规格的机械在相同条件下运行时，通过各台机械的同一部位进行测定和互相比较来掌握其劣化程度的方法。大型旋转机械振动标准以轴承振动位移峰峰值作评定标准转速/rpm标准/m优良合格15003050703000203050水电部汽轮机组振动标准(双振峰)机械部离心鼓风机和压缩机振动标准标准转速(r/min)m≤3000≤6500≤1000010000-16000主轴轴承50≤40≤30≤20齿轮轴承≤40≤40≤30IEC汽轮机振动标准标准（m）转速(r/min)≤1000150030003600≥6000轴承上7550252112轴上(靠近轴承)150100504420汽轮机组轴振动最大位移限定值工业透平机轴振动最大位移限定值相对判断标准返回类比判断标准简易诊断实例返回简易诊断实例三、转子系统的精密诊断不平衡不对中松动不平衡旋转机械最常见的故障由于设计、制造、安装中转子材质不均匀、结构不对称、加工和装配误差等原因和由于机器运行时结垢、热弯曲、零部件脱落、电磁干扰力等原因而产生质量偏心。转子旋转时，质量不平衡将激起转子的振动。不平衡的分类：固有不平衡转子弯曲：初始弯曲、热弯曲转子部件脱落联轴节精度不良DDDDDDDDb)a)联轴节精度不良引起的初始弯曲a)端面偏摆b)径向偏摆DDDDDDDD不平衡的类型•静不平衡•动不平衡静不平衡偶不平衡综合不平衡不平衡的特征：振动频率和转速频率一致，转速频率的高次谐波幅值很低，时域波形接近正弦波；刚性转子不平衡产生的离心力与转速的平方成正比，而在轴承座测得的振动随转速增加而加大，但不一定与转速的平方成正比，这是由于轴承与转子之间的非线性所致；在临界转速附近，振幅出现峰值，且相位在临界转速前后相差近180°。不平衡振动的特征不平衡的波形特征：类似正弦波不平衡的频谱特征：转频能量占主要成分不平衡的特征1X不平衡故障的危害1、加大了设备振动水平；2、加大了设备轴承的负载；3、加速了设备轴承的磨损、失效。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。不平衡的故障诊断1X频率(水平)1X频率(水平)1X频率(垂直)1X频率(垂直)轴向很小轴向很小一台射流泵正常运转时在工频（1800r／min）处幅值最大，达1.5μm。3个月后再测量，同一处的最大峰值已是2.83μm，达到泵安全运行的报警值。拆机修理发现一异物缠绕在叶轮上，改变了质心。清除异物，工频处幅值仅为0.97μm，振幅明显减小，泵运行正常。返回转子不对中旋转机械一般是由多根转子所组成的多转子系统，转子间一般采用刚性或半挠性联轴节联接。由于制造、安装及运行中支承轴架不均匀膨胀、管道力作用、机壳膨胀、地基不均匀下沉等多种原因影响，造成转子不对中故障，从而引起机组的振动。DDDDDDDDDDDD平行不对中角度不对中组合不对中完全对中角度不对中平行不对中转轴中心线在联轴器处相交。注意联轴器无位移，并且轴承的径向和轴向位移大。转轴中心线在轴承处相交。注意到联轴器径向位移大，轴承径向位移小，轴向位移大。角度不对中的特征:1、1Xrpm轴向振动大,可能在2X&3X有谐波.2、2Xrpm轴向可能和1X的轴向同样大或更大.3、径向振动在1X,2X和3X可能比轴向振幅小.4、径向振动取决于转轴中心线在何处与装配中心线相交。通过联轴器的轴向相位变化明显(60°)。转轴中心线不相交。注意到轴承的径向和轴向位移大。转轴中心线不相交。注意到轴承的径向和轴向位移甚至更高。平行不对中的特征:1、1Xrpm径向振动大,2X&3X处有谐波；2、2Xrpm轴向振幅可能和1x的一样大或更大；3、在1X、2X和3X的径向振动可能比轴向小；4、联轴器的径向相位变化明显(60°)；联轴器的轴向相位变化明显(60°)。不对中振动的特征不对中的特征频谱特征：存在较大的2X转频的频率分量波形特征：总体模样类似正弦波2X1X振动值变大轴承失效密封失效联轴节磨损效率降低能量损失过热不对中的危害减少生产损失延长设备的生产时间减少轴承和密封失效减少设备的振动减少联轴节的磨损降低维修成本良好的不对中不对中的故障诊断出现2X频率成分。轴心轨迹成香蕉形或8字形。振动有方向性。轴向振动一般较大。电机水泵POPIMOMI1X频率2X频率叶片通过频率返回松动不是振动源而是放大器.这意味着当部件松动时,无论产生的力有多大，都会很容易使受影响的部件发生振动.但是，如果力很小或没有，可能只增大很少的振动量.为了明白这一点,假设一台理想的机器–没有任何机械故障，没有任何振动.现在松动固定地脚的螺钉，...什么也没发生因为没有力会把机器抬高离开基础.松动许多位置会发生影响振动测量的松动:轴承/转轴(轴承松动)轴承/支架(轴承松动)轴承的内部裂纹(轴承松动)相邻的加固表面(结构松动)基础面(结构松动)只在松动方向振幅很大（垂直的或水平的）结构松动特征:1X、2X径向振动大(经常2X较大)，也有可能有较小3X径向振动；可能只在松动方向振幅很大(垂直的或水平的)；很容易发现邻近表面上的背景振动；低速运动的研究是诊断此类状态的有效工具。轴承松动产生更多的方波，多于正弦波，并形成更多的谐波轴承松动的特征:1X的径向振动谐波大；当松动严重时，产生更多的方波，多于正弦波，并形成更多的谐波，甚至在极端情况下会产生半谐波(1.5，2.5，3.5等)。松动的故障诊断波形出现许多毛刺。谱图中噪声水平高。出现精确2X，3X…等成分，最高可达16X。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最高可出现16X成分噪声水平高一台电机地脚螺栓诊断的谱图。但更换地脚螺栓后，谱图上除工频处有一峰值，其它峰值均已消失。返回§3.2滚动轴承的监测与诊断一、滚动轴承发生的异常现象二、滚动轴承的振动诊断原理三、滚动轴承的诊断法一、滚动轴承发生的异常现象损伤的轴承表面疲劳剥落（点蚀）滚动体在滚道上由于反复承受载荷，工作到一定时间后，首先在接触表面一定深度处形成裂纹（该处的剪应力最大），然后逐渐发展到接触表面，使表层金属呈片状剥落下来，形成剥落凹坑，这种现象称为疲劳剥落。疲劳剥落使轴承在工作时发生冲击性振动。在正常工作条件下，疲劳剥落是轴承失效的主要原因。磨损或擦伤滚动体与滚道之间的相对运动以及外界污物的侵入，是轴承工作面产生磨损的直接原因。润滑不良，装配不正确均会加剧磨损或擦伤。磨损量较大时，轴承游隙增大，不仅降低了轴承的运转精度，也会带来机器的振动和噪声，对于精密机械用的轴承，磨损量就成为限定轴承使用寿命的主要因素。锈蚀和电蚀锈蚀是由于空气中或外界的水分带入轴承中，或者机器在腐蚀性介质中工作，轴承密封不严，从而引起化学腐蚀。锈蚀产生的锈斑使轴承工作表面产生早期剥落，而端面生锈则会引起保持架磨损。电蚀主要是转子带电，在一定条件下，电流击穿油膜而形成电火花放电，使轴承工作表面形成密集的电流凹坑。断裂轴承零件的裂纹和断裂是最危险的一种损坏形式，这主要是由于轴承超负荷运行、金属材料有缺陷和热处理不良所引起的。转速过高，润滑不良，轴承在轴上压配过盈量太大以及过大的热应力会引起裂纹和断裂。故障形式故障现象故障原因磨粒磨损1.滚道表面无光泽润滑不良，轴承中有粗糙研磨物2.滚道表面有光亮带轴承中有细小研磨物3.滚动体磨损痕迹不规则研磨引起振动4.滚道、滚动体与保持架接触部位磨损润滑不良；有异物落入；生锈5.滚道与滚动体松动润滑不良，过滤不良，研磨颗粒进入，由磨损引起松动。疲劳剥落和点蚀1.整个滚道剥落过载，内圈膨胀或外圈收缩，使间隙过小，产生扩展型疲劳剥落2.向心轴承滚道一侧表面剥落轴承载荷过大，轴向力过大3.滚道圆周方向对称位置剥落轴承座孔不圆，内圈与轴颈配合处不圆，使内外圈呈椭圆形。4.滚道上斜向表面剥落轴承不对中，内、外圈安装不正，轴弯曲。5.滚道上出现与滚动体等距离的剥落如伴有光滑压痕，则是由于过载所致，或安装时承受较大冲击载荷，或过大的过盈量；如伴有粗糙压痕，则是微动磨损所致。6.滚动体表面剥落强力安装，过载或润滑不足，间隙过小，生锈。7.推力轴承滚道上有偏心分布的点蚀凹坑装配偏心或加载偏心故障形式故障现象故障原因裂纹和断裂1.内、外圈上有贯穿裂纹冲击载荷过大；配合太紧；装配不匀称；轴承座不圆；轴圆度误差大；热裂纹发展，旋转爬行；微动磨损和胶着现象的发展。2.内、外圈内表面有轴向裂纹发生旋转爬行或微动磨损3.内、外圈上有周向裂纹轴承座变形；装配不均匀；过载4.动圈（内圈或外圈）端面上有径向裂纹动圈运转期间与轴承座或轴肩发生碰撞或摩擦5.滚子轴承座圈上挡边断裂挡边上装配压力分布不均匀；装配时锤击力过大6.保持架开裂或断裂对向心轴承，可能原因有：润滑剂供给不充分；速度或惯性力过大；胶合；滚动体断裂和不对中等对推力轴承，可能原因有：座圈安装偏心或不正；有一列滚珠不承受载荷。7.滚动体裂纹负荷过大；过盈量大；疲劳剥落和胶着现象的发展。压痕1.滚道与滚动体相应位置上有光滑压痕静载荷过大；锤击组装力大或装配时承受冲击载荷；装配程序错误。2.滚道与滚动体相应位置上有粗糙压痕轴承静止时有振动；有金属粉末和异物落入。3.整个滚动体上有不规则压痕有研磨物或外来异物落入烧损滚道、滚动体、凸缘面变色、软化、熔化间隙过小，润滑不良，装配不良，速度太高。故障形式故障现象故障原因腐蚀1.滚道与滚动体相应位置上有局部腐蚀斑点或麻点静止时间较长，轴承内有湿气或酸液侵入2.轴承表面上有腐蚀斑点或麻点有腐蚀性介质侵入，表面未防护，润滑剂带水或带有酸性介质。电蚀1.滚珠磨损轨迹上均匀地分布着许多微小凹坑电流连续通过，发生电火花放电2.滚珠磨损轨迹上出现随机的或带状分布的微小凹坑电流间断通过，发生电火花放电胶合︵粘着︶1.保持架金属粘着在滚动体上滚动体滚动受阻；速度太高；润滑不良；惯性力大。2.内圈内孔或外圈圆柱面有粘着条痕与内、外圈相配合的圆柱面松动，产生旋转爬行。3.座圈端面有粘着条痕轴承两端与轴肩或端盖挡肩接触处发生旋转爬行。4.