《故障诊断》讲稿-课件.ppt

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1、第三章 旋转机械的振动监测与诊断,机械设备故障诊断,冶金设备研究所 李友荣办公室：教一楼510室电话：68862292,第三章 机械设备故障诊断冶金设备研究所 李友荣,第三章 旋转机械的振动监测与诊断,3.1 旋转机械的振动及故障概论,3.1.1 旋转机械、故障及故障诊断,旋转机械：具有巨大转子高速回转的机械。发电机、汽轮机、离心式压缩机、风机、大型电动机等。,故障：机器的功能失常。 运行失稳，异常振动和噪声，工作转速、输出功率发生变化，介质的温度、压力、流量异常等。,第三章 旋转机械的振动监测与诊断3.1 旋转机械的振动,第三章 旋转机械的振动监测与诊断,故障诊断,获取机器的稳态、瞬态数据、

2、过程参数和运行工作状态等信息后，通过信号分析和数据处理，从中提取机器特有的故障征兆及故障敏感参数等，经综合分析判断，确定故障的性质、部位、严重程度及原因，并提出治理措施。,振动和噪声是重要信号。,第三章 旋转机械的振动监测与诊断故障诊断 获,第三章 旋转机械的振动监测与诊断,3.1.2 发生故障的主要原因及来源,（1）设计、制造不当引起的故障,1）设计不当，动态特性不良，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）进行点接近或落入运行非稳定区。,6）零件材质不良，强度不够，制造缺陷。,5）零、部件加工制造不良，精度不够。,7）转子动平衡不

3、符合技术要求。,第三章 旋转机械的振动监测与诊断3.1.2 发生故障,第三章 旋转机械的振动监测与诊断,3.1.2 发生故障的主要原因及来源,（2）安装、维修不当引起的故障,1）机器安装不当，零部件错位，预负荷大。,2）轴系对中不良（对轴系热态对中考虑不够）。,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）安装或维修过程破坏了机器原有的配合性质和精度。,第三章 旋转机械的振动监测与诊断3.1.2 发生故障,第三章 旋转机械的振动监测与诊断,3.1.2 发生故障的主要原因及来源

4、,（3）运行、操作不当引起的故障,1）机器在非设计状态下运行（如超转速、超负荷或低负荷运行），改变了机器工作特性。,2）润滑或冷却不良。,3）旋转体局部损坏或结垢。,4）工艺参数（如介质的温度、压力、流量、负荷等）操作不当，机器运行失稳。,5）启动、停车或升降速过程操作不当，暖机不够，热膨胀不均匀或在临界区停留时间长。,第三章 旋转机械的振动监测与诊断3.1.2 发生故障,第三章 旋转机械的振动监测与诊断,3.1.2 发生故障的主要原因及来源,（4）机器长期运行引起的故障,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

5、生过盈不足或松动等，破坏了配合性质和精度。,5）机器基础沉降不均匀，机器壳体变形。,第三章 旋转机械的振动监测与诊断3.1.2 发生故障,第三章 旋转机械的振动监测与诊断,3.1.3 转子振动的类型,1）横向振动振动发生在包括转轴的横向平面内。旋转机械大多数故障所激发的振动为横向振动，是主要研究对象。,2）轴向振动振动发生在转轴的轴线方向上。,3）扭转振动沿转轴轴线发生的扭振。 多盘转子的柔性轴将产生扭转振动。,第三章 旋转机械的振动监测与诊断3.1.3 转子振动,第三章 旋转机械的振动监测与诊断,3.1.4 转子的横向振动,3.1.4.1 力学模型,第三章 旋转机械的振动监测与诊断3.1.4

6、 转子的横,第三章 旋转机械的振动监测与诊断,3.1.4.2 转子涡动,由于离心力作用，转子产生动挠度,(1),转子有两种运动：,（1）转子的自身转动,（2）弓形转动，即弯曲的轴心线AOB与轴承连线AOB组成的平面绕AB轴线转动,第三章 旋转机械的振动监测与诊断3.1.4.2 转子,第三章 旋转机械的振动监测与诊断,3.1.4.2 转子涡动,园盘的运动方程为 ：,式中 k-转子的刚度系数， x,y-园盘几何中心的水平、铅垂方向坐标,（2）,第三章 旋转机械的振动监测与诊断3.1.4.2 转子,第三章 旋转机械的振动监测与诊断,3.1.4.2 转子涡动,其解为 ：,园盘转子中心0在互相垂直的两个

7、方向作频率为 n 的简谐振动。一般情况下振幅X、Y不相等，点0的轨迹为一椭圆。0的这种运动是一种“涡动”，或称“进动”。转子的涡动方向与转子的转动角速度 同向时称为正进动；与之反向时称为反进动。,(3),第三章 旋转机械的振动监测与诊断3.1.4.2 转子,第三章 旋转机械振动监测与诊断,3.1.4.3 转子的临界转速,园盘中心(重心)G 相当于转轴中心O有偏心距 e=OG，园盘以角速度转动时，重心G的加速度为：,（4）,其中 、 表示 点的加速度分量,第三章 旋转机械振动监测与诊断3.1.4.3 转子的,第三章 旋转机械的振动监测与诊断,3.1.4.3 转子的临界转速 ：,在转轴的弹性力 F

8、=ka 作用下：,（5）,则轴心O的运动微分方程为：,即,（6）,第三章 旋转机械的振动监测与诊断3.1.4.3 转子,第三章 旋转机械的振动监测与诊断,3.1.4.3 转子的临界转速 ：,（7）,其特解为 代入上式得,振幅,（8）,上式写为复数形式：,第三章 旋转机械的振动监测与诊断3.1.4.3 转子,第三章 旋转机械的振动监测与诊断,3.1.4.3 转子的临界转速 ：,园盘或转轴中心O对于不平衡质量的响应为：,正常运转情况：,（9）,O, O和G三点始终在同一直线，这直线绕点O以角速度转动，O和G作同步进动(涡动)，两者的轨迹是半径不相等的同心圆。,第三章 旋转机械的振动监测与诊断3.1

9、.4.3 转子的,第三章 旋转机械的振监测与诊断,3.1.4.3 转子的临界转速 ：,a. n时，A0， O和G点在O的同一侧，图a所示；,图a. n,第三章 旋转机械的振监测与诊断3.1.4.3 转子的,第三章 旋转机械的振动监测与诊断,3.1.4.3 转子的临界转速 ：,当 时，Ae，或OO -OG，园盘的重心G近似落于固定点O，振幅很小，转动反而比较平稳。称为“自动对心”。,图b. n,b. n时，A0，但|A|e, G在O与O 之间，图b所示；,第三章 旋转机械的振动监测与诊断3.1.4.3 转子,第三章 旋转机械的振动监测与诊断,3.1.4.3 转子的临界转速 ：,由于有阻尼，振幅A

10、不是无穷大而是较大，但振动仍然非常剧烈。所以n （轴的横向振动固有频率）称为转轴的“临界角速度”。,图c. =n,c. =n时，A ，共振，如图c。,第三章 旋转机械的振动监测与诊断3.1.4.3 转子,第三章 旋转机械的振动监测与诊断,13.1.4.3 转子的临界转速 ：,式中S 园盘重量引起的转轴中心O的静挠度,因,临界转速 ：,（转/分） （10）,当转轴受到横向冲击的瞬间：园盘中心O同时有自由振动和强迫振动。O, O和G三点不在同一直线上。由于阻尼存在，自由振动衰减，经过一段时间，转子恢复正常的同步进动。,（11）,第三章 旋转机械的振动监测与诊断13.1.4.3 转,第三章 旋转机械

11、的振动监测与诊断,3.1.4.3 转子的临界转速,如果考虑阻尼，则（7）式变为:,（12）,其中阻尼 :,设特解为:,解出,第三章 旋转机械的振动监测与诊断3.1.4.3 转子,第三章 旋转机械的振动监测与诊断,3.1.4.3 转子的临界转速,由此得到的幅频响应曲线与相频响应曲线如下图所示,幅频响应曲线,相频响应曲线,第三章 旋转机械的振动监测与诊断3.1.4.3 转子,第三章 旋转机械的振动监测与诊断,3.1.4.3 转了的临界转速,弹性支承对转子临界转速的影响,支承弹性系数与弹性转轴刚度系数相串连，总的刚度低于转轴本身的刚度。因此，弹性支承使临界转速降低。减小支承刚度可以使临界转速显著降低

12、。,第三章 旋转机械的振动监测与诊断3.1.4.3 转了,第三章旋转机械的振动监测与诊断,3.1.5 刚性转子系统和柔性转子系统,刚性转子系统：工作转速小于临界转速的转子系统。一般采用滚动轴承，其故障激励大多与转速同步，产生的振动称为同步振动。,2)柔性转子系统：工作转速高于临界转速的转子系统。 多采用流体动压滑动轴承。产生的故障多与轴承密封装置的流体动压失稳及工作介质工况失稳有关，其振动一般属于自激振动。,第三章旋转机械的振动监测与诊断3.1.5 刚性转子系统和,第三章 旋转机械的振动监测与诊断,3.1.5 刚性转子系统和柔性转子系统,当 时运转较为平稳，但在启动过程要经过临界转速。 如果缓

13、慢启动，则经过临界转速时，也会发生剧烈振动。,柔性转子系统的特点,第三章 旋转机械的振动监测与诊断3.1.5 刚性转子,第三章 旋转机械的振动监测与诊断,3.1.6 非线性振动的特征及识别方法,a.固有频率随振幅变化,自由振动的振幅与频率关系,第三章 旋转机械的振动监测与诊断3.1.6 非线性振,第三章 旋转机械的振动监测与诊断,3.1.6 非线性振动的特征及识别方法,b.振幅跳跃现象(不稳定区),渐软系统响应曲线,渐硬系统响应曲线,第三章 旋转机械的振动监测与诊断3.1.6 非线性振,第三章 旋转机械的振动监测与诊断,3.1.6 非线性振动的特征及识别方法,c.次谐波（分数谐波）共振和超谐波

14、（高频谐波共振）,n/3,n ,3 n ,d.组合共振（和差谐波共振）,激励频率1和2 ，当（1 +2）或（1-2）或（m1n2）与固有频率一致时，引起系统共振。,第三章 旋转机械的振动监测与诊断3.1.6 非线性振,第三章 旋转机械的振动监测与诊断,3.1.6 非线性振动的特征及识别方法,系统发生非线性振动的识别方法,a.非线性系统的固有频率随振幅的大小而变，且有跳跃现象。,b.非线性系统的激励X(t)与响应Y(t)具有次谐波共振、超谐波共振以及组合频率共振特征，且激励X(t)与响应Y(t)之间的相干函数大于零而小于1。,第三章 旋转机械的振动监测与诊断3.1.6 非线性振,第三章 旋转机械

15、的振动监测与诊断,3.2.1旋转机械的监测系统,3.2 旋转机械的监测与信息的表达和分析,(1) 测点布置及传感器安装,第三章 旋转机械的振动监测与诊断3.2.1旋转机械的监,第三章 旋转机械的振动监测与诊断,1)轴承外壳（或轴承座）三个方向（铅垂、水平径向、轴向）安装加速度（或速度）传感器,2)在轴颈同一铅垂平面的两个正交方向各安装一个位移传感器（非接触式：电涡流位移传感器）,非动力端轴向也装两个位移传感器。,3.2 旋转机械的监测与信息的表达和分析,(1) 测点布置及传感器安装,3）转速（键相）传感器（接近开关等）,第三章 旋转机械的振动监测与诊断1)轴承外壳（或轴承座,第三章 旋转机械的

16、振动监测与诊断,3.2 旋转机械的监测与信息的表达和分析,(2) 系统集成 硬件连接框图,第三章 旋转机械的振动监测与诊断3.2 旋转机械的监测,第三章 旋转机械的振动监测与诊断,3.2 旋转机械的监测与信息的表达和分析,(2) 系统集成 远程监测系统物理连接框图,第三章 旋转机械的振动监测与诊断3.2 旋转机械的监测,第三章 旋转机械的振动监测与诊断,3.2.2 故障诊断信息的表达和分析,3.2.2.1 波形分析法,通过观察振动波形的特征来获取诊断信息,含有周期成分及随机噪声的振动波形,经平滑（时间平均）处理后的振动波形,径向点摩擦时的振动波形,第三章 旋转机械的振动监测与诊断3.2.2 故

17、障诊断信,第三章 旋转机械的振动监测与诊断,3.2.2.2 频谱分析法,（1）幅值谱（富氏变换的幅频特性）,某透平压缩机转子振动的幅值谱,可提供的信息：1）振动信号中主要由哪些频率成分及谐波分量所组成。2）组成的谐波分量中哪些成分的幅值最为突出。,第三章 旋转机械的振动监测与诊断3.2.2.2 频谱分,第三章 旋转机械的振动监测与诊断,3.2.2 故障诊断信息的表达和分析,3.2.2.2 频谱分析法,（2）阶比幅值谱（将幅值谱的横坐标改为工作频率（转频）的倍数表示）,图4-9 某透平压缩机转子振动的阶比幅值谱,第三章 旋转机械的振动监测与诊断3.2.2 故障诊断信,第三章 旋转机械的振动监测与

18、诊断,3.2.2.2 频谱分析法,（3）功率谱,图4-10 某滚动轴承的功率谱图,优点：1）可以把能量集中的谱峰更加突出地表现出来。 2）可以研究某一段频带范围内能量分布的水平。 3）比幅值谱有更加广泛的用途，如载荷谱、心电图等。,第三章 旋转机械的振动监测与诊断3.2.2.2 频谱分,第三章 旋转机械的振动监测与诊断,3.2.2.2 频谱分析法,（4）频谱分析方法,1）可将谱图分成三个频带范围进行观察分析：A 小于工作频率（转频）的区域B 工作频率区域 C 各倍频区域,2）同时对同一支承断面的铅垂和水平方向的信号进行对比分析。,3）注意转子自由端和联轴器端（有联轴器的附加约束）信号谱峰值的差

19、别。,第三章 旋转机械的振动监测与诊断3.2.2.2 频谱分,第三章 旋转机械的振动监测与诊断,3.2.2.3 轴心轨迹分析法,轴心轨迹：转子轴心相对于轴承座运动而形成的轨迹。,（1）轴心轨迹的测量： 在转轴横截面两个正交方向装电涡流位移传感器采集转子轴心的位移信号，经电荷放大及高通滤波后在显示器上合成轴心轨迹。,图4-11 轴心轨迹的测试,第三章 旋转机械的振动监测与诊断3.2.2.3 轴心轨,第三章 旋转机械的振动监测与诊断,3.2.2.3 轴心轨迹分析法,计算机仿真的轴心轨迹 随机干扰严重时，形成的轴心轨迹紊乱，难于获取故障特征。,图4-12 空压机转子振动轴心轨迹,第三章 旋转机械的振

20、动监测与诊断3.2.2.3 轴心轨,第三章 旋转机械的振动监测与诊断,3.2.2.3 轴心轨迹分析法,从xy方向频谱图中提出主要的频率成分。,从xy方向频谱图中提出主要的频率成分。,式中fr为基频，一般为工作频率或旋转频率。,第三章 旋转机械的振动监测与诊断3.2.2.3 轴心轨,第三章 旋转机械的振动监测与诊断,3.2.2.3 轴心轨迹分析法,将其中一个或几个较突出的谐波分量提出，用计算机合成而得计算机仿真的轴心轨迹。这种经过提纯了的轴心轨迹更能显示故障特征信息。,图4-13 计算机仿真轴心轨迹,a基频分量轴心轨迹,b二倍与四倍频复合轴心轨迹,第三章 旋转机械的振动监测与诊断3.2.2.3

21、轴心轨,第三章 旋转机械的振动监测与诊断,3.2.2.3 轴心轨迹分析法,A 轴心轨迹的形状：椭圆、双环椭圆,（2） 轴心轨迹的分析方法通过分析轴心轨迹的形状、旋转方向和稳定性来提取故障信息。,B 轴心轨迹的旋转方向：正向进动：轴的旋转方向与轴心轨迹旋方向一致。逆向进动：轴的旋转方向与轴心轨迹旋转方向相反。,C 轴心轨迹的稳定性：当轴心轨迹发生紊乱时，往往揭示机械运行状态已发生变化或进入异常。,第三章 旋转机械的振动监测与诊断3.2.2.3 轴心轨,第三章 旋转机械的振动监测与诊断,3.2.2.4 转速跟踪分析方法计及转速变化的分析方法，属瞬态分析方法。,A 奈奎斯特（Nyquist）图： 采

22、用极坐标表示。取振动信号的基频分量的幅值为极坐标的模，其基准相位角为幅角而构成极坐标平面上的一个点。随着转速不断发生变化，由这些点形成的极坐标曲线。,（1） 奈奎斯特（Nyquist）图和波德（Bode）图,B 波德（Bode）图： 将基频分量的幅值和基准相位角分别绘制在转速幅值和转速相位两个直角对数坐标系的图。,第三章 旋转机械的振动监测与诊断3.2.2.4 转速跟,第三章 旋转机械的振动监测与诊断,C 基准相位角的测定,（1） 奈奎斯特（Nyquist）图和波德（Bode）图,图中 称为转子基准相位角， ，fr为转子的旋转频率，t0为转子转过 时所花的时间。,图4-19 基准相位角的测定,

23、第三章 旋转机械的振动监测与诊断C 基准相位角的测定,第三章 旋转机械的振动监测与诊断,C 基准相位角的测定,（1） 奈奎斯特（Nyquist）图和波德（Bode）图,振动信号,其基频分量为 ，其中 为基频分量的相位角。,基频分量的基准相位角：,信号的k阶分量的基准相位角：,第三章 旋转机械的振动监测与诊断C 基准相位角的测定,第三章 旋转机械的振动监测与诊断,转子启动过程中的奈奎斯特图及幅频相频图（波德图）,（1） 奈奎斯特（Nyquist）图和波德（Bode）图,图4-20 奈奎斯特图,图4-21 幅频相频图（波德图）,第三章 旋转机械的振动监测与诊断转子启动过程中的奈奎斯,第三章 旋转机

24、械的振动监测与诊断,提供的信息：,（1） 奈奎斯特（Nyquist）图和波德（Bode）图,图4-20 奈奎斯特图,图4-21 幅频相频图（波德图）,1）描述了在整个转速变化范围内转子系统对不平衡激励的响应变化情况。,第三章 旋转机械的振动监测与诊断提供的信息：（1） 奈,第三章 旋转机械的振动监测与诊断,提供的信息：,（1） 奈奎斯特（Nyquist）图和波德（Bode）图,图4-20 奈奎斯特图,图4-21 幅频相频图（波德图）,2）根据图中的共振峰或最大向径可以确定转子的临界转速（3750r/min）。,第三章 旋转机械的振动监测与诊断提供的信息：（1） 奈,第三章 旋转机械的振动监测与

25、诊断,提供的信息：,（1） 奈奎斯特（Nyquist）图和波德（Bode）图,图4-20 奈奎斯特图,图4-21 幅频相频图（波德图）,3）根据图中的共振峰的高度可以导出系统的阻尼值。,第三章 旋转机械的振动监测与诊断提供的信息：（1） 奈,第三章 旋转机械的振动监测与诊断,提供的信息：,（1） 奈奎斯特（Nyquist）图和波德（Bode）图,图4-20 奈奎斯特图,图4-21 幅频相频图（波德图）,4）根据低转速下的幅值和相位可以确定转轴的弯曲程度（图4-20中170处的12.7m大小的慢滚动向量就是由轴弯曲引起的）。,第三章 旋转机械的振动监测与诊断提供的信息：（1） 奈,第三章 旋转机

26、械的振动监测与诊断,（2） 瀑布图和坎贝尔（ampbell）图,图4-22 瀑布图,图4-23 坎贝尔图,瀑布图:将振动信号的功率谱或幅值谱随转速的变化叠加而成的三维谱图。 坎贝尔图：横坐标为转速、纵坐标为频率、斜线为各倍频分量频率的阶次比（f/fr），而分量的振幅则用圆圈的大小来表示。,第三章 旋转机械的振动监测与诊断（2） 瀑布图和坎贝尔,第三章 旋转机械的振动监测与诊断,可直接从一般的测振仪中读出,3.2.2.5 统计分析方法,振动位移的峰峰值 xpp,图4-24 峰峰值的测量方法,1) 振动的峰峰值（pp值）,振动加速度的峰峰值 app,第三章 旋转机械的振动监测与诊断可直接从一般的测

27、振仪中,第三章 旋转机械的振动监测与诊断,当v（t）中只含一个单一的频率成分时：,3.2.2.5 统计分析方法,Vrms表示振动信号能量，是一种比较敏感的诊断指标，广泛用于各种测振标准中。,2) 振动烈度（振动速度的均方根值）vrms,式中T为v（t）曲线的样本长度。,第三章 旋转机械的振动监测与诊断当v（t）中只含一个单,第三章 旋转机械的振动监测与诊断,峰值指标,3.2.2.5 统计分析方法,脉冲指标,3) 无量纲指标,波形指标,裕度指标,式中,第三章 旋转机械的振动监测与诊断峰值指标3.2.2.5,第三章 旋转机械的振动监测与诊断,谱图的重心,3.2.2.5 统计分析方法,谱图的峰值指标

28、,4) 由功率谱图导出的一些诊断指标,谱图的均方值,第三章 旋转机械的振动监测与诊断谱图的重心3.2.2.,第三章 旋转机械的振动监测与诊断,3.2.2.5 统计分析方法,4) 由功率谱图导出的一些诊断指标,谱图的方差,式中,xk为第k点样本值，t为采样间隔时间，N为采样点数。,MS、C及R用于描述谱图主峰位置的变化。 V用于描述谱图能量分布的分散程度,第三章 旋转机械的振动监测与诊断3.2.2.5 统计分,第三章 旋转机械的振动监测与诊断,3.2.2.6 全息谱,1) 二维全息谱,对转子某一截面两个正交方向的振动信号作FFT分析，并相应地从幅值谱和相位谱中提取各主要频率分量的幅值和相位，然后

29、再对其进行复合处理，可得各频率分量对应的振动轨迹，并将其按顺序排列在一张谱图上。,图4-25 二维全息谱的一般形式,第三章 旋转机械的振动监测与诊断3.2.2.6 全息,1) 二维全息谱,图4-25 二维全息谱的一般形式,二维全息谱上的直线：由两个相位差为0或180的正交方向振动分量合成，直线的倾角取决于两分量的比值。,二维全息谱上的圆：由两个相位差为90或270而分量幅值相等的正交方向振动分量合成。,二维全息谱上的椭圆：其余情况合成的结果。椭圆的偏心率和长轴的方向反映了不同的转子运行状态。,1) 二维全息谱图4-25 二维全息谱的一般形式,1) 二维全息谱,a自由端 b 联轴器端 图4-26

30、 空压机驱动透平转子的二维全息谱,自由端基频分量较突出，并为一圆。表明转子存在某种程度的不平衡。四倍频分量也较突出，并为一直线。表明转子受到一个方向不变且频率为转频四倍的力的作用。可能与采用四油楔滑动轴承有关。,1) 二维全息谱a自由端 b 联轴,1) 二维全息谱,a自由端 b 联轴器端 图4-26 空压机驱动透平转子的二维全息谱,联轴器端二倍频分量（椭圆）较突出，是由联轴器不对中造成的。基频分量由圆变为较小的椭圆是由于受联轴器的约束造成的。四倍频分量的直线变短也是因受联轴器的约束。,诊断结论：转子存在不平衡和不对中。,1) 二维全息谱a自由端 b 联轴,2) 三维全息谱,图4-27 氮压缩机

31、组基频振动三维全息谱,将n个支承截面的二维全息谱中某一阶的振动分量的图形同时显示在一张图上就构成了三维全息谱。它提供了转子几个支承截面上幅值及相位变化的全面信息。,图4-2 二氧化碳压缩机高压缸转子基频振动三维全息谱,2) 三维全息谱 图4-27 氮压缩机组基频振动三维全息,) 全息瀑布谱,a起动过程 b 停车过程 图4-2 50MW汽轮机全息瀑布图,将二维全息谱按转速的变化进行叠置,即构成全息瀑布图。它表示转子某一支承截面的振动信号各组成分量的幅值和相位跟踪转速变化的状况。,) 全息瀑布谱a起动过程 b 停,第三章 旋转机械的振动监测与诊断,3.3 旋转机械的简易诊断,3.3.1 振动诊断标

32、准(也适用于其它机械),一般以振动速度有效值（即均方根值）为评判对象，其根据是：系统的破坏势能等于系统的动能，而动能与振动速度有效值的平方成正比。,第三章 旋转机械的振动监测与诊断3.3 旋转机械的简,A、振动绝对标准,1)旋转机械通用标准ISO3945-1985适用范围：功率300kW，转速10100r/s监测部位：轴承外壳上的三个正交方向刚性支承：固有频率高于机器的主激励频率的底座。柔性支承：固有频率低于机器的主激励频率的底座。,ISO3945-1985,A、振动绝对标准1)旋转机械通用标准ISO3945-1985,第三章 旋转机械的振动监测与诊断,A、振动绝对标准,2) ISO2372级

33、小型机械(如15kW以下电机)级中型机械(如1575kW电机和300kW以下机械)级大型机械(安装在坚固基础上,转速600 12000r/min,振动测定范围101000Hz)级大型机械(安装在较软的基础上),ISO2372,第三章 旋转机械的振动监测与诊断A、振动绝对标准2),第三章 旋转机械的振动监测与诊断,A、振动绝对标准,3) 一般离心式、轴流式通风机振动判别标准（JBTQ334-87）,4) 大型离心式、轴流式鼓风机振动判别标准（JBTQ433-85）,第三章 旋转机械的振动监测与诊断A、振动绝对标准3),第三章 旋转机械的振动监测与诊断,A、振动绝对标准,5) 加工机床振动推荐标准

34、,第三章 旋转机械的振动监测与诊断A、振动绝对标准5),第三章 振动监测与诊断技术,A、振动绝对标准,6)往复机械,GB7777-87 往复活塞压缩机械振动标准,注意：对一台具体的设备，应经过长期的资料积累和分析，才能定出使用的标准。,第三章 振动监测与诊断技术A、振动绝对标准6)往复机械,第三章 旋转机械的振动监测与诊断,B 相对标准,对设备同一部位的振动进行定期监测，以设备正常情况下的测定值为初值，根据实测值与初值的比值是否超越标准来判断设备的状态。,1) ISO建议的相对标准,第三章 旋转机械的振动监测与诊断B 相对标准,第三章 旋转机械的振动监测与诊断,B 相对标准,2) 我国一些厂家

35、采用的相对标准,3) 丰田利夫建议采用的相对标准,第三章 旋转机械的振动监测与诊断B 相对标准2) 我国,第三章 旋转机械的振动监测与诊断,C 类比标准对同规格、同运行工况的数台设备的同一部位进行测定，并对测定值进行相互比较，从而判定某台设备是否发生异常。,类比判别标准,绝对标准相对标准类比标准三种标准可结合使用,第三章 旋转机械的振动监测与诊断C 类比标准类比判别标,第三章 旋转机械的振动监测与诊断,3.3.2 统计分析法与劣化趋势,常用统计量:振动烈度 vrms位移的峰-峰值 xp-p峰值指标 C偏态(歪度) x峭度 x,图4-33 劣化趋势图,第三章 旋转机械的振动监测与诊断3.3.2

36、统计分析法,第三章 旋转机械的振动监测与诊断,3.4 旋转机械的精密诊断,研究诊断信息提供的振动特征与设备故障之间的逻辑关系，确定故障的类型、性质、部位及产生故障的原因。,图4-39 简易诊断与精密诊断过程比较,第三章 旋转机械的振动监测与诊断3.4 旋转机械的精密,第三章 旋转机械的振动监测与诊断,3.4 旋转机械的精密诊断,模式：从诊断信息中提取若干(n个)诊断指标(统计量)构成一个n 维向量X=x1,x2, ， xkT。,图4-40 模式识别的方法原理,模式识别：把待检模式Xt与k种典型故障模式Xi（i=1，2，k）进行比较、分类的方法。,第三章 旋转机械的振动监测与诊断3.4 旋转机械

37、的精密,第三章 旋转机械的振动监测与诊断,3.4 旋转机械的精密诊断,模式识别过程：一个完整的模式识别问题需要经过数据采集、数据预处理、特征选择提取和模式识别四大步骤。,第三章 旋转机械的振动监测与诊断3.4 旋转机械的精密,第三章 旋转机械的振动监测与诊断,3.4 旋转机械的精密诊断,模式识别系统组成示意图,第三章 旋转机械的振动监测与诊断3.4 旋转机械的精密,第三章 旋转机械的振动监测与诊断,3.4 旋转机械的精密诊断,模式识别的主要方法：,优点：简单、直观。适用于故障特征比较突出的单一故障情况。,1) 直接观察法(经验法)：把待检模式的特征与典型模式的特征进行比较、分析后进行分类。,缺

38、点：不适于多种故障并发的复杂情况，当故障之间特征雷同（模式边界不清晰）时也难于对故障进行准确诊断。,第三章 旋转机械的振动监测与诊断3.4 旋转机械的精密,第三章 旋转机械的振动监测与诊断,3.4 旋转机械的精密诊断,模式识别的主要方法：,（1）时序诊断法,2) 计算机辅助诊断法：模式识别聚类分析,（2）模糊诊断法,（3）灰色系统诊断法,（4）粗糙集诊断法,第三章 旋转机械的振动监测与诊断3.4 旋转机械的精密,第三章 旋转机械的振动监测与诊断,3.4 旋转机械的精密诊断,模式识别的主要方法：,（5）基于统计特征量的故障识别方法,2) 计算机辅助诊断法：模式识别聚类分析,常用的统计特征量有峰值

39、、有效值、均值、方差或二次原点距、偏态、峭度、峰-峰值等有量纲量和波形特征、峰值特征、脉冲特征、裕度特征等无量纲量。,（6）基于谱分析方法的故障识别方法,（7）基于高阶统计量分析方法的故障识别方法,第三章 旋转机械的振动监测与诊断3.4 旋转机械的精密,第三章 旋转机械的振动监测与诊断,3.4 旋转机械的精密诊断,模式识别的主要方法：,（8）基于时频分析的故障识别方法小波分析：具有时频“聚焦”特性，称为“数学显微镜”,2) 计算机辅助诊断法：模式识别聚类分析,（9）基于混沌分形理论的故障识别方法 系统的混沌特征主要表征在熵（信息熵，近似熵、Kolmogrov熵）、奇异吸引子的分形维数（盒维数，

40、关联维数，广义维）、Lyapuaov指数和最大Lyapuaov指数、多重分形等。,第三章 旋转机械的振动监测与诊断3.4 旋转机械的精密,第三章 旋转机械的振动监测与诊断,3.4 旋转机械的精密诊断,模式识别的主要方法：,人工神经网络、支持向量机等,3) 计算机自动识别法：诊断专家系统,第三章 旋转机械的振动监测与诊断3.4 旋转机械的精密,第三章 旋转机械的振动监测与诊断,3.5 旋转机械的典型故障分析,3.5.1 转子不平衡(结合动画演示),1） 材质不均、制造精度较差（如内、外圆不同心）及结构特点（如键槽等）。,3.5.1.1 不平衡的原因分析,2） 安装不良造成偏心（如斜键）而导致不平

41、衡。,3） 配合松动而导致不平衡。,第三章 旋转机械的振动监测与诊断3.5 旋转机械的典型,第三章 旋转机械的振动监测与诊断,3.5 旋转机械的典型故障分析,4） 轴弯曲或轴变形（受热不匀、水平存放过久等）而导致不平衡。,5） 转子运转过程中旋转零件（如叶片、齿轮等）的磨损、腐蚀、剥落或介质沉积不匀而导致不平衡。,3.5.1.1 不平衡的原因分析,6） 旋转零件的断裂（如崩齿、叶片脱落等）而导致不平衡。,第三章 旋转机械的振动监测与诊断3.5 旋转机械的典型,第三章 旋转机械的振动监测与诊断,3.5 旋转机械的典型故障分析,3.5.1 转子不平衡,a幅频特性曲线； b相频特性曲线图4-42 转

42、子不平衡的振动特性曲线,3.5.1.2 转子不平衡的振动分析,第三章 旋转机械的振动监测与诊断3.5 旋转机械的典型,第三章 旋转机械的振动监测与诊断,3.5 旋转机械的典型故障分析,a 频率特征：单一的旋转频率（工作频率）fr。,3.5.1.3 转子不平衡的振动特征分析,b 相位特征：在工作频率下相位稳定。,c 振动方向：径向。,d 轴心轨迹：椭圆。,f 转速跟踪动态特性：转子启动时，振幅随转速增大而增大；在临界转速时出现最大峰值（共振峰）；超过临界转速时振幅逐渐减小。,e 振动稳定性：稳定。,第三章 旋转机械的振动监测与诊断3.5 旋转机械的典型,第三章 旋转机械的振动监测与诊断,3.5

43、旋转机械的典型故障分析,A 刚性转子与柔性转子的区别：,3.5.1.3 转子不平衡的振动特征分析,刚性转子的额定转速在临界转速之下，启动时振幅仅随转速增大而增大；,柔性转子的额定转速在临界转速之上，启动时振幅先增大而后减小。,第三章 旋转机械的振动监测与诊断3.5 旋转机械的典型,第三章 旋转机械的振动监测与诊断,3.5 旋转机械的典型故障分析,B 转子不平衡与基础共振的区别：,3.5.1.3 转子不平衡的振动特征分析,基础共振：主要为铅垂方向振动，水平方向与铅垂方向的振动信号之间无相位差。,转子不平衡：激振力是一旋转矢量，水平方向与铅垂方向的振动信号之间有90的相位差。,第三章 旋转机械的振

44、动监测与诊断3.5 旋转机械的典型,第三章 旋转机械的振动监测与诊断,3.5 旋转机械的典型故障分析,诊断实例:汽轮机不平衡,3.5.1.3 转子不平衡的振动特征分析,(简易)图2-21 汽轮机不平衡振动的波形和幅值勤谱a) 时域波形 b) 幅值谱,第三章 旋转机械的振动监测与诊断3.5 旋转机械的典型,第三章 旋转机械的振动监测与诊断,3.5 旋转机械的典型故障分析,转子零部件缺损使转子突生产生不平衡，因此其振动特性与转子不平衡相同。其特点是在零部件缺损（失落）瞬间其振动突发性增大后稳定、其振动相位突变后稳定，其振幅突然增大。,3.5.1.4 转子零部件缺损（失落）的振动特征分析,第三章 旋

45、转机械的振动监测与诊断3.5 旋转机械的典型,第三章 旋转机械的振动监测与诊断,3.5 旋转机械的典型故障分析,a 频率特征：旋转频率（工作频率）fr，及其倍频2fr 。,3.5.1.5 转子轴弯曲的振动特征分析,b 相位特征：在工作频率下相位稳定。,c 振动方向：径向、轴向。,d 轴心轨迹：椭圆。,f 机器开始运行振动就大。,e 振动稳定性：稳定。,g 刚性转子两端相位差180 。,第三章 旋转机械的振动监测与诊断3.5 旋转机械的典型,第三章 旋转机械的振动监测与诊断,3.5 旋转机械的典型故障分析,3.5.2.1 转子不对中的类型及危害性,3.5.2 转子不对中（动画演示）,转子不对中的

46、类型:平行不对中、角度不对中、综合不对中。,图4-43 不对中的类型a平行不对中； b角度不对中； c综合不对中,第三章 旋转机械的振动监测与诊断3.5 旋转机械的典型,第三章 旋转机械的振动监测与诊断,3.5 旋转机械的典型故障分析,转子不对中的危害性,对刚性转子：可导致滚动轴承滚动体荷载不均而产生振动噪声和过度磨损，严重时可使轴承“卡死”无法运转。,对柔性转子（一般采用流体动压滑动轴承）：使油膜承载失稳而导致半速涡动及油膜振荡。,第三章 旋转机械的振动监测与诊断3.5 旋转机械的典型,第三章 旋转机械的振动监测与诊断,3.5 旋转机械的典型故障分析,3.5.2.2 产生不对中的原因分析,1

47、）转子及支座安装不良。,2）轴承支座由不均匀膨胀引起变形。,3）地基下沉。,第三章 旋转机械的振动监测与诊断3.5 旋转机械的典型,第三章 旋转机械的振动监测与诊断,3.5 旋转机械的典型故障分析,a 频率特征：除旋转频率fr外，以二倍频2 fr 或四倍频4 fr为主，还有高次倍频n fr 。,3.5.1.3 转子不对中的振动特征分析,b 相位特征：较稳定。,c 振动方向：径向、轴向。,d 轴心轨迹：双环椭圆。,e 振动稳定性：稳定。,f 负荷变化和油温（滑动轴承油温）变化对转子的振动影响明显。,第三章 旋转机械的振动监测与诊断3.5 旋转机械的典型,第三章 旋转机械的振动监测与诊断,3.5

48、旋转机械的典型故障分析,转子不平衡最明显的特征：轴向振动较大、二倍频（2fr）或 四倍频（4fr）成分突出。,3.5.1.4 转子不对中的诊断方法,1）转子轴向振动较大,2）联轴器相邻轴承处振动较大,3）随机器负荷增大而振动增大,4）对环境温度变化敏感,第三章 旋转机械的振动监测与诊断3.5 旋转机械的典型,第三章 旋转机械的振动监测与诊断,3.5 旋转机械的典型故障分析,3.5.1.4 转子不对中的诊断方法,5）转子两端轴向振动的相位差为180,6）采用三维全息谱(二倍频分量),图4-44 转子不对中时转子两端二倍频分量之间的幅值关系,图4-45 转子其它故障激发的二倍频分量之间的幅值关系,

49、第三章 旋转机械的振动监测与诊断3.5 旋转机械的典型,第三章 旋转机械的振动监测与诊断,3.5 旋转机械的典型故障分析,3.5.1.4 转子不对中的诊断方法,不对中的频谱图,(简易)图4-11 不对中的频率特征a) 平行不对中 b) 角度不对中,第三章 旋转机械的振动监测与诊断3.5 旋转机械的典型,第三章 旋转机械的振动监测与诊断,不对中诊断实例:一台离心压缩机,电动机转速1500r/min(fr=25Hz),(简易)图4-14 离心压缩机结构简图,(简易)图4-15 压缩机故障处理前后A点水平方向振动频谱图a) 故障处理前 b) 故障处理后,第三章 旋转机械的振动监测与诊断不对中诊断实例

50、:一台离,第三章 旋转机械的振动监测与诊断,3.5 旋转机械的典型故障分析,诊断实例：132kW的鼓风机，转速为2950r/min（fr=49.17Hz）,图4-46 鼓风机监测示意图,第三章 旋转机械的振动监测与诊断3.5 旋转机械的典型,第三章 旋转机械的振动监测与诊断,3.5 旋转机械的典型故障分析,诊断实例：132kW的鼓风机，转速为2950r/min（fr=49.17Hz）,图4-47 1#轴承加速度功率谱a垂直测点； b水平测点,诊断结论1：功率谱中以轴的转频fr成分为主，判定为叶片不平衡。,第三章 旋转机械的振动监测与诊断3.5 旋转机械的典型,第三章 旋转机械的振动监测与诊断,