振动及频谱分析基础培训

振动的基础知识及振动测量状态监测与故障诊断概述简谐振动三要素振动波形频率分析和频谱图旋转机械振动测量框图传感器及其选用基频分量幅值和相位的测量旋转机械的振动图示定转速：波形图、频谱图、轴心轨迹变转速：波德图和极坐标图、三维频谱图、坎贝尔图、轴心位置图典型机械故障特征及频谱图现场动平衡原理诊断实例状态监测和故障诊断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。是设备维修的发展方向。简易诊断和精密诊断状态监测（简易诊断）内容：识别有无故障明确故障严重程度作出故障趋势分析由设备维修人员在现场进行故障诊断（精密诊断）内容：确定故障部位确定故障原因提出维修建议由设备诊断人员在现场或中心进行状态监测和故障诊断的过程检测缩小故障范围状态判别搜集征兆定期检测故障定位原因分析维修决策趋势分析正常参数开始尚可正常不可异常状态监测和故障诊断的作用监测与保护监测机器工作状态。发现故障及时报警，并隔离故障。分析与诊断判断故障性质、程度和部位。分析故障原因。处理与预防给出消除故障的措施。防止发生同类故障。停产一天的损失有多大？300MW发电机组损失电720万kWh，约￥144万元30万吨化肥装置损失化肥1000t，约￥150万元三峡2号水轮机组700MW停机4小时损失￥400万元先进维修制度的作用保证机器精度，提高产品质量减少意外停车引起的生产损失防止事故，杜绝灾难性故障减少维修时间和维修费用（人力和财力）改善环境，改善企业形象投资获得最大和最长远的回报国家有关的条例摘录逐步采用现代故障诊断和状态监测技术，发展以状态监测为基础的预知维修体制。1983年国家经委《国营公交设备管理试行条例》企业应当积极采用先进的设备管理方法和维修技术，采用以设备状态监测为基础的设备维修方法，不断提高设备管理和维修技术的现代化水平。1987年国务院《全民所用制公交设备管理条例》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。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。简谐振动的三要素什么是振动？振动传感器安装在轴承座上，传感器将拾取振动信号，并将此振动信号通过电缆线传入到振动分析仪，如上图所示，这个在机器轴承座上测量振动的过程可模型化为一个质量块悬挂在弹簧上。在没有力的作用之前，它一直保持静止处于平衡位置处。振动就是机器或机器零件从其平衡位置所做的往复运动。振动有三个重要的可测量的参数：幅值、频率、相位。图1质量块位于平衡位置且没有任何力的作用什么是振动当有一个作用力施加在质量块上时，如向上托起质量块，如图二所示，质量块向上运动，弹簧在这个力的作用下被压缩。图2质量块被一个向上的力激励一旦这个质量块达到上部极限位置时，撤除作用力，质量块开始下落。质量块将下落通过平衡位置而继续向下运动到它的下部极限位置处如图三所示。图3撤除作用力后质量块的响应什么是振动？当质量块达到下部极限位置时，它将停止向下运动，而再次改变方向通过平衡位置处移动到上部极限位置；然后停止而再返回到下部极限位置。如果将一只铅笔固定在这个作往复运动的质量块上，然后将记录带靠近它，这时质量块的振动响应就会被记录下来。图4对施加的激励力连续响应图5在恒速运动的记录纸上记录质量块的振动什么是振动？什么是振动频率？考察上图可见，在记录纸上画出的振动轨迹是一条有一定幅值的、比较标准的正弦曲线。由振动的周期（T）可以计算出振动的频率。如下图所示：频率的单位是用CPM或用Hz表示（1Hz＝60CPM）。图6振动波形的位移和频率什么是振动相位？振动相位是一个振动部件相对于机器的另一个振动部件在某一固定参考点处的相对移动。也就是说振动相位是某一位置处的振动运动相对于另一位置处的振动运动，对所发生位置变化程度的度量。振动相位是一个很有用的设备故障诊断工具。如下图所示，给出了两个彼此同相位振动的系统，即两个振动系统以零度相位差运动。图9两个同相位振动的质量块振动系统什么是振动相位？图10给出了，两个相位差为90度的振动系统，即#2质量块超前#1质量块1/4周（或90度）运动，或#1质量块相对滞后#2质量块90度。图11给出了同样的两个质量块，相位差为180度时的振动情况，在任何时刻，#1质量块向下运动的同时，#2质量块向上运动。图10两个相差90度相位角振动的质量块系统图11两个相差180度相位角振动的质量块系统什么是振动相位？振动相位是以角度为单位，通常是利用频闪灯或光电头测量得到。下图给出了，振动相位与机器振动间的关系。在左侧图中，机器上的轴承1和轴承2之间的振动相位差为0度（同相振动），而在右侧图中的机器，轴承1和轴承2之间的振动相位差为180度（反相振动）。图12振动相位与机器振动间的关系什么是振动位移？位移就是质量块运动的总的距离，也就是说当质量块振动时，位移就是质量块上、下运动有多远。位移的单位可以用µm表示。进一步可以从振动位移的时间波形推出振动的速度和加速度值。图7从振动时间波形中了解振动速度什么是振动速度？振动速度是质量块在振荡过程中运动快慢的度量。质量块在运动波形的上部和下部极限位置时，其速度为0，这是因为质量块在这两点处，在它改变运动方向之前，必须停下来。质量块的振动速度在平衡位置处达到最大值，在此点处质量块已经加速到最大值，在此点以后质量块开始减速运动。振动速度的单位是用mm/s来表示。什么是振动加速度？振动加速度被定义为振动速度的变化率，其单位是用有多少个g来表示。在海平面处1.0g＝9.8m/s2。由下图可见加速度最大值处是速度值最小值的地方，在这些点处质量块由减速到停止然后再开始加速。图8从振动时间波形中了解振动加速度当一个机器的轴承座振动时，由于它连续不断地在前后运动中改变运动速度，所以它经受着力的加速作用。速度的变化率越大，也就是加速度值越大，施加在机器上的作用力也就越高。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什么时候使用位移、速度或加速度？当对机器振动进行分析时，重要的一点是尽可能多地收集到有关该机器的资料（如轴承类型和型号、每根轴的精确转速、齿轮的齿数、叶轮的叶片数等）。不了解这些信息资料将会影响振动分析的准确性。振动幅值是是振动分析中经常使用的重要振动参数之一，它于机器存在的潜在故障问题的严重程度成正比，并且它也是显示机器状态的首选参数之一。振动幅值的测量类型可以是位移、速度或加速度。但总的来说更比较常用的是速度。通常认为当测量的频率范围在600CPM(10Hz)以下时，采用位移测量单位是很有利的。振动幅值必须有相应的振动频率值做补充说明才能正确评估振动的严重程度。而只是简单地说“1XRPM振动是2mils是不够的，没有足够的信息评价机器的状态是好还是不好。例如，在3600CPM转速下振动2milspk-pk要比在300CPM转速下振动2milspk-pk对设备的损坏程度要大得多（见图22）。所以，在整个频率范围内，单独使用位移值是不能对机器进行评估的。什么时候使用位移、速度或加速度？图20水平安装转动机械振动位移/速度等级图表什么时候使用位移、速度或加速度？加速度也有类似于位移的缺点，但它所支持的频率范围是高频。加速度在评价机器振动状态时也具有频率依赖性。例如，在18000CPM时，2g’s要比在180000CPM（3000Hz）时的2g’s振动程度要严重得多。如图21所示。加速度一般推荐应用在，当机器内部所产生的振源频率超过300000CPM（5000Hz）以上的场合。这些振源包括齿轮啮合频率、电机笼条通过频率、叶片通过频率等。不要忘记，这些振源在很多情况下会产生多阶谐频。而振动速度在从600至120000CPM（10~2000Hz）的频率范围内几乎不存在对频率的依赖关系。所以当机器的振源频率范围是在300到300000CPM（5到5000Hz）时，一般选择测量振动速度。振动速度的幅值直接与机器的状态有关，无论其频率是在10到1670Hz之内何处。也就说一台转速为1800RPM的机器，经历了0.30in/sec的振动似乎于另一台转速为10000RPM，振动也为0.30in/sec的机器，具有同样的振动损坏程度。什么时候使用位移、速度或加速度？图21水平安装转动机械振动加速度/速度等级图表振动为多大时认为超过了允许值？图20是一个几年前推出的针对一般转动机械的典型的振动位移/速度等级图表。振动等级被分成“GOOD”,“FAIR”,“ROUGH”等，从这个图表可清楚地看出位移对频率的依赖程度。例如，一个2mils的pk-pk振动位移值，在相当的频率范围内其振动严重程度从优秀可以变化到非常严重。从此例中可见，为了准确评价机器的振动程度必须识别出频率的大小。（在400CPM时，2mils的振动，机器的状态是优秀，而在3600CPM时，2mils的振动，机器的状态就变得很差。而在这张图中振动速度只需要幅值就可以评定机器的振动程度（如，从0.157到0.314in/sec的振动，都是振动较差）。图21是针对振动加速度的振动等级图。振动加速度分级也是具有频率依赖性。如例如，在18000CPM时，2g’s的振动是处于较差的范围内，而在180000CPM（3000Hz）时的2g’s振动侧是处于优秀的范围内。振动为多大时认为超过了允许值？图22机械振动位移、加速度、速度比较图22给出了振动位移、速度、加速度间的相互关系，在较宽的频率范围内振动速度是平坦的，而振动位移和振动加速度都分别趋于降低和增高。注意在图22中可以看出，具有3种相等振动级别的振动幅值关系。振动为多大时认为超过了允许值？图23给出了针对同一检测轴承故障的时域波形图，所进行的FFT变换（a）位移频谱图（b）速度谱（c）加速度谱图23在一台300RPM的风机上测量振动位移、速度、加速度的比较振动为多大时认为超过了允许值？注意在每一幅频谱图上，频率为300CPM处的峰值，这是工作转速频率（通常称为1XRPM)。然而，三个频谱图，从位移谱到速度谱再到加速度谱变化过程中，注意到1XRPM峰值变得越来越小。见图23A位移谱，显然1XRPM是占主导地位，而在图23速度谱中，它只比第2或第3个峰高一点，在加速度谱中1XRPM峰值几乎消失。由图23可见，振动分析师能否在他的频谱图中看到极其重要的轴承故障频率，主要取决于他对测量幅值类型的选择。至于轴承故障频率4860CPM和9720CPM，你会注意到这个频率在速度和加速度谱图(图23B和图23C）中清楚可见，在4860CPM的左右等距离两侧存在着频率边带，频率边带的存在,一般说明存在轴承严重磨损问题，所以在频谱