1、旋转机械的状态监视与故障诊断旋转机械的状态监视与故障诊断主要内容主要内容1 1 转子系统振动故障诊断转子系统振动故障诊断2 2 齿轮箱故障诊断齿轮箱故障诊断3 3 滚动轴承故障诊断滚动轴承故障诊断6.1 转子系统振动故障诊断n旋转机械的状态特征参数与测试旋转机械的状态特征参数与测试n旋转机械振动评定标准旋转机械振动评定标准n旋转机械振动故障分析常用方法旋转机械振动故障分析常用方法n转子系统主要故障及其诊断转子系统主要故障及其诊断6.1 转子系统振动故障诊断转子系统振动故障诊断n 旋转机械是指主要功能由旋转运动来完成的机械，旋转机械是指主要功能由旋转运动来完成的机械，尤其是指主要部件作旋转运动的
2、、转速较高的机尤其是指主要部件作旋转运动的、转速较高的机械。械。n旋转机械种类繁多，有汽轮机、燃气轮机、离心旋转机械种类繁多，有汽轮机、燃气轮机、离心式压缩机、发电机、水泵、水轮机、通风机以及式压缩机、发电机、水泵、水轮机、通风机以及电动机等。这类设备的主要部件有转子、轴承系电动机等。这类设备的主要部件有转子、轴承系统、定子和机组壳体、联轴器等组成，转速从每统、定子和机组壳体、联轴器等组成，转速从每分钟几十到几万、几十万转。分钟几十到几万、几十万转。6.1 转子系统振动故障诊断转子系统振动故障诊断n 旋转机械的故障诊断，是在获取机器的稳态数据、旋转机械的故障诊断，是在获取机器的稳态数据、瞬态数
3、据以及过程参数和运行状态等信息的基础瞬态数据以及过程参数和运行状态等信息的基础上，通过信号分析和数据处理提取机器特有的故上，通过信号分析和数据处理提取机器特有的故障症兆及故障敏感参数等，经过综合分析判断，障症兆及故障敏感参数等，经过综合分析判断，才能确定故障原因，做出符合实际的诊断结论，才能确定故障原因，做出符合实际的诊断结论，提出治理措施。提出治理措施。6.1 转子系统振动故障诊断转子系统振动故障诊断n旋转机械的核心旋转机械的核心-转子系统（转轴组件），它包转子系统（转轴组件），它包括：括：转子（轴、齿轮传动件、叶轮、联轴器）；转子（轴、齿轮传动件、叶轮、联轴器）；滑动轴承、滚动轴承；滑动轴
4、承、滚动轴承；支座（定子、机座）；支座（定子、机座）；密封、密封装置。密封、密封装置。1）转子系统的振动分类：）转子系统的振动分类：n横向振动横向振动-振动发生在包括转轴的横向振动发生在包括转轴的横向xoy平面内，大多平面内，大多数故障所激发的振动为此类振动；数故障所激发的振动为此类振动；n轴向振动轴向振动-振动发生在转轴轴线振动发生在转轴轴线z方向上，某些故障如不方向上，某些故障如不对中将会激发轴向对中将会激发轴向 振动；振动；n扭转振动扭转振动-沿转轴轴线发生的扭振，多盘转子的柔性轴将沿转轴轴线发生的扭振，多盘转子的柔性轴将会产生扭振。会产生扭振。yxz0最简单的转子系统最简单的转子系统2
5、）系统分类）系统分类以临界转速分类以临界转速分类 刚性转子系统刚性转子系统-工作转速在一阶临界转速以下的工作转速在一阶临界转速以下的系统：系统：n一阶临界转速一阶临界转速：转子系统有多个自振频率，当转速逐渐增：转子系统有多个自振频率，当转速逐渐增大到横向振动的一阶自振频率时，将发生一阶共振，所对大到横向振动的一阶自振频率时，将发生一阶共振，所对应的转速称为一阶临界转速。应的转速称为一阶临界转速。n判别依据：判别依据：一般工作频率一般工作频率100Hz的机械系统属于柔性转的机械系统属于柔性转子系统。子系统。n振动特点：振动频率（自激振动）振动特点：振动频率（自激振动）工作频率，并与一阶工作频率，
6、并与一阶横向自振频率有关。横向自振频率有关。n自激振动：振动过程中，由于系统内部不断有能量输入而自激振动：振动过程中，由于系统内部不断有能量输入而产生的共振现象，在设备诊断中又称为亚同步振动。产生的共振现象，在设备诊断中又称为亚同步振动。n一般采用滑动轴承。一般采用滑动轴承。两种系统振动特点比较两种系统振动特点比较强迫振动（刚性系统）强迫振动（刚性系统）自激振动（柔性系统）自激振动（柔性系统）激振原因激振原因由于外部激振力由于外部激振力或激振位移引起的或激振位移引起的在振动过程中，由于系统内部有能在振动过程中，由于系统内部有能量输入而引起的。量输入而引起的。频率与工作频率与工作频率的关系频率的
7、关系振动频率与工作频率同步振动频率与工作频率同步振动频率一般低于工频振动频率一般低于工频频率与转速频率与转速变化的关系变化的关系振动频率随转速之变化而变化，振动频率随转速之变化而变化，显比例关系。显比例关系。振动频率在一定范围内可能存在某振动频率在一定范围内可能存在某种比例关系，但超过一定范围后则种比例关系，但超过一定范围后则主要与转子的一阶自振频率有关主要与转子的一阶自振频率有关振幅与转速振幅与转速变化的关系变化的关系振幅随转速之增加而增加，达到振幅随转速之增加而增加，达到临界转速时振幅出现峰值，然后临界转速时振幅出现峰值，然后则随转速之增加而减小，趋于某则随转速之增加而减小，趋于某定值。定
8、值。随转速的变化振幅有突发变化的可随转速的变化振幅有突发变化的可能（增大或减小）能（增大或减小）3）故障分类）故障分类旋转机械故障分类顶隙激振喘振旋转失速油膜振荡油膜涡动）亚同步振动（自激振动转子横向裂纹转子与定子摩擦装配件或基础松动轴弯曲不对中不平衡同步振动（强迫振动）柔性转子刚性转子旋转机械故障 1 1 旋转机械的状态特征参数与测试旋转机械的状态特征参数与测试旋转机械的状态特征参数旋转机械的状态特征参数1、振幅、振幅 2、振动频率、振动频率3、相位、相位 4、转速、转速5、时域波形、时域波形 6、轴心轨迹、轴心轨迹7、轴向位置（轴位移）、轴向位置（轴位移）1 旋转机械的状态特征参数与测试旋
9、转机械的状态特征参数与测试1、振幅、振幅 振幅是描述设备振动大小的一个重要参数。运行正振幅是描述设备振动大小的一个重要参数。运行正常的设备，其振动幅值通常稳定在一个允许的范围内，常的设备，其振动幅值通常稳定在一个允许的范围内，如果振幅发生了变化，便意味着设备的状态有了改变。如果振幅发生了变化，便意味着设备的状态有了改变。因此对振幅的监测可以用来判断设备的运行状态。因此对振幅的监测可以用来判断设备的运行状态。 振幅可以分为位移振幅、速度振幅、加速度振幅。振幅可以分为位移振幅、速度振幅、加速度振幅。 在旋转机械状态监测实际应用中，位移振幅通常用在旋转机械状态监测实际应用中，位移振幅通常用双振幅，即
10、双振幅，即峰峰-峰值（峰值（P-P值）值）来表示；速度振幅通常用来表示；速度振幅通常用单振幅有效值单振幅有效值，即振动烈度（，即振动烈度（Vrms）来表示；加速度）来表示；加速度振幅通常用振幅通常用最大单峰值最大单峰值来表示。来表示。1 旋转机械的状态特征参数与测试旋转机械的状态特征参数与测试2振动频率振动频率 振动频率可分为基频（周期的倒数）和倍频（各次谐波振动频率可分为基频（周期的倒数）和倍频（各次谐波频率），它是描述机器状态的另一个特征参量，也是测量和频率），它是描述机器状态的另一个特征参量，也是测量和分析的主要参数。分析的主要参数。 因为特定的振动频率往往对应一定的故障，所以对振动因为
11、特定的振动频率往往对应一定的故障，所以对振动频率的监测和分析在评定设备状态过程中是必不可少的。频率的监测和分析在评定设备状态过程中是必不可少的。 在旋转机械中，振动频率多以转子转速的整数倍或分数在旋转机械中，振动频率多以转子转速的整数倍或分数倍形式出现，因此振动频率除了可表示为每分钟的周期数倍形式出现，因此振动频率除了可表示为每分钟的周期数（r/min）或每秒钟的周期数）或每秒钟的周期数(Hz)表示外，还可以简单地表示表示外，还可以简单地表示为转速的整数倍或分数倍。为转速的整数倍或分数倍。1 旋转机械的状态特征参数与测试旋转机械的状态特征参数与测试3相位相位 许多设备故障单从幅值谱图上判断是不
12、易区分的，这时许多设备故障单从幅值谱图上判断是不易区分的，这时需要对相位信息进行进一步的分析，以做出正确判断。需要对相位信息进行进一步的分析，以做出正确判断。 例如，对于转子临时弓形弯曲、转子缺损和滑动轴承故例如，对于转子临时弓形弯曲、转子缺损和滑动轴承故障，其频谱都以一倍频为主，不易区分。障，其频谱都以一倍频为主，不易区分。 如果进一步对其相位进行监测分析，则可以比较容易地如果进一步对其相位进行监测分析，则可以比较容易地将它们区分开：将它们区分开： 转子临时弓形弯曲时相位比较稳定地变化；转子临时弓形弯曲时相位比较稳定地变化； 转子缺损时相位会发生突变，然后保持稳定；转子缺损时相位会发生突变，
13、然后保持稳定； 轴承故障时相位在一定范围内不稳定地变化。轴承故障时相位在一定范围内不稳定地变化。1 旋转机械的状态特征参数与测试旋转机械的状态特征参数与测试4转速转速 旋转机械的转速变化与设备的运行状态有着非常密切的关旋转机械的转速变化与设备的运行状态有着非常密切的关系，它不仅表明了设备的负荷，而且当设备发生故障时，通常系，它不仅表明了设备的负荷，而且当设备发生故障时，通常转速也会有相应的变化。转速也会有相应的变化。例如：例如： 当离心式压缩机组发生喘振时，转速会有大幅度的波动；当离心式压缩机组发生喘振时，转速会有大幅度的波动； 当转子与静止件发生碰磨时，转速也会表现得不稳定。当转子与静止件发
14、生碰磨时，转速也会表现得不稳定。 因此，转速通常是设备状态监测与故障诊断中比较重要的因此，转速通常是设备状态监测与故障诊断中比较重要的参数。参数。旋转机械的振动检测旋转机械的振动检测 大型旋转设备发生故障时，转子振动的变化比轴大型旋转设备发生故障时，转子振动的变化比轴承座要敏感，其振动信息更为直接、有效。对于轴承承座要敏感，其振动信息更为直接、有效。对于轴承和齿轮等零部件的故障，轴系的振动反映也明显得多。和齿轮等零部件的故障，轴系的振动反映也明显得多。因此在对旋转机械进行振动检测时，测量转子振动是因此在对旋转机械进行振动检测时，测量转子振动是首选，但在不具备条件时也可以测量外壳或轴承座的首选，
15、但在不具备条件时也可以测量外壳或轴承座的振动情况。振动情况。1 1 旋转机械的状态特征参数与测试旋转机械的状态特征参数与测试1 1 旋转机械的状态特征参数与测试旋转机械的状态特征参数与测试测点数量与布置测点数量与布置 原则：原则：通过对整个机组结构特性的全面了解和认真分通过对整个机组结构特性的全面了解和认真分析，以最少的传感器，最灵敏地测出整个机组系统的工况。析，以最少的传感器，最灵敏地测出整个机组系统的工况。 注意：注意：对于在机壳（轴承座）上的振动测量，测点的对于在机壳（轴承座）上的振动测量，测点的选择应考虑环境因素，避免选择高温、高湿度、出风口和选择应考虑环境因素，避免选择高温、高湿度、
16、出风口和温度变化剧烈的地方作为测量点，以保证测量的有效性。温度变化剧烈的地方作为测量点，以保证测量的有效性。 注意：注意：为降低系统成本，对于高频的随机振动和冲击为降低系统成本，对于高频的随机振动和冲击振动可以只确定一个方向为测量点。但对于低频段的确定振动可以只确定一个方向为测量点。但对于低频段的确定性振动（常为低频振动）必须同时测量水平和垂直两个方性振动（常为低频振动）必须同时测量水平和垂直两个方向，有条件时还应增加轴向测点。向，有条件时还应增加轴向测点。1）轴的径向振动测量）轴的径向振动测量 测量轴颈的径向振动通常是在一个平面内相互垂测量轴颈的径向振动通常是在一个平面内相互垂直的两个方向分
17、别安装一个传感器。直的两个方向分别安装一个传感器。2） 机壳（轴承座）的振动测量机壳（轴承座）的振动测量 测量点应尽量靠近轴承的承测量点应尽量靠近轴承的承载区，与被监测的转动部分最好载区，与被监测的转动部分最好只有一个界面，尽可能避免多层只有一个界面，尽可能避免多层相隔，使振动信号在传递过程中相隔，使振动信号在传递过程中减少中间环节和衰减量。测量点减少中间环节和衰减量。测量点必须有足够的刚度，轴承座底部必须有足够的刚度，轴承座底部和侧面往往是较好的测量点。和侧面往往是较好的测量点。3）旋转机械振动相位检测）旋转机械振动相位检测 是指基频（以转子转速为频率）信号相对于转轴上是指基频（以转子转速为
18、频率）信号相对于转轴上某一某一确定相位标志确定相位标志之间的相位差。这样定义是因为旋转之间的相位差。这样定义是因为旋转机械的许多故障都与基频有关。确定标记在工程上通常机械的许多故障都与基频有关。确定标记在工程上通常是键相槽位置，而检测键相槽位置所用的传感器是电涡是键相槽位置，而检测键相槽位置所用的传感器是电涡流传感器，因此而被称为流传感器，因此而被称为“键相位传感器键相位传感器”。1 1 旋转机械的状态特征参数与测试旋转机械的状态特征参数与测试1 旋转机械的状态特征参数与测试旋转机械的状态特征参数与测试键相位传感器的安装键相位传感器的安装 键相位信号是通过对键相标记（即在被测轴上设置的键相位信
19、号是通过对键相标记（即在被测轴上设置的一个凹槽或凸键）测量得到的，当这个凹槽或凸键转到探一个凹槽或凸键）测量得到的，当这个凹槽或凸键转到探头安装位置时，相当于探头与被测面间距突变，传感器会头安装位置时，相当于探头与被测面间距突变，传感器会产生一个脉冲信号。轴每转一圈，就会产生一个脉冲信号，产生一个脉冲信号。轴每转一圈，就会产生一个脉冲信号，通过将脉冲与轴的振动信号比较，可以确定振动的相位角，通过将脉冲与轴的振动信号比较，可以确定振动的相位角，也可用于轴的动平衡分析以及设备的故障分析与诊断等方也可用于轴的动平衡分析以及设备的故障分析与诊断等方面。面。 凹槽或凸键要足够大，以保证产生的脉冲峰值不小
20、于凹槽或凸键要足够大，以保证产生的脉冲峰值不小于5V。一般若采用。一般若采用8mm探头，则这一凹槽或凸键宽度应大探头，则这一凹槽或凸键宽度应大于于7.6mm，深度或高度应大于，深度或高度应大于1.5mm，长度应大于，长度应大于10mm。键相位传感器的安装键相位传感器的安装1 1 旋转机械的状态特征参数与测试旋转机械的状态特征参数与测试相位角的定义相位角的定义 定义如下：如图所示，假设定义如下：如图所示，假设在轴上键槽位置为在轴上键槽位置为O，传感器安，传感器安装位置为装位置为O，O转至与转至与O重合时重合时得到得到 一键相脉冲信号，这一脉一键相脉冲信号，这一脉冲信号即作为相位的参考冲信号即作为
21、相位的参考 脉冲信脉冲信号。若将任意测点经过滤波后的号。若将任意测点经过滤波后的基频信号描绘在同一时间轴上，基频信号描绘在同一时间轴上，就可以按参考脉冲信号来定出基就可以按参考脉冲信号来定出基频信号的相位。频信号的相位。1 1 旋转机械的状态特征参数与测试旋转机械的状态特征参数与测试4）旋转机械的转速检测）旋转机械的转速检测1 1 旋转机械的状态特征参数与测试旋转机械的状态特征参数与测试 齿式轮盘测速齿式轮盘测速 转速测量一般是在轴的测量圆周上设置多个凹槽转速测量一般是在轴的测量圆周上设置多个凹槽或凸键标己或者在轴上安装一个齿轮盘使每转产生多或凸键标己或者在轴上安装一个齿轮盘使每转产生多个脉冲
22、。个脉冲。5）轴向位移检测）轴向位移检测 测量转子的轴测量转子的轴向位移时，测量面向位移时，测量面应该与轴是一个整应该与轴是一个整体，这个测量面以体，这个测量面以探头中心线为中心。探头中心线为中心。1 1 旋转机械的状态特征参数与测试旋转机械的状态特征参数与测试6）轴心轨迹测试）轴心轨迹测试 轴心轨迹非常直观地显示了转子在轴承中的旋转轴心轨迹非常直观地显示了转子在轴承中的旋转和振动情况，是故障诊断中常用的非常重要的特征信和振动情况，是故障诊断中常用的非常重要的特征信息。息。1 1 旋转机械的状态特征参数与测试旋转机械的状态特征参数与测试 正向进动正向进动（轴转向与轴心轨迹（轴转向与轴心轨迹转向
23、一致）转向一致）-例如：转子不例如：转子不平衡、不对中、油膜失稳产生平衡、不对中、油膜失稳产生的亚同步涡动、内摩擦激发的的亚同步涡动、内摩擦激发的涡动等均为正向进动。绝大多涡动等均为正向进动。绝大多数为正向进动。数为正向进动。 逆向进动逆向进动（轴转向与轴心轨迹（轴转向与轴心轨迹转向相反）转向相反）-干摩擦等少数干摩擦等少数情况下发生。情况下发生。1 旋转机械的状态特征参数与测试旋转机械的状态特征参数与测试7）轴承温度测量）轴承温度测量 轴承温度是指示轴承状轴承温度是指示轴承状态和负荷变化的最敏感的参态和负荷变化的最敏感的参数，轴承温度也是一个快速、数，轴承温度也是一个快速、灵敏、易于测量的参
24、数。灵敏、易于测量的参数。 测量径向轴承轴瓦温度测量径向轴承轴瓦温度的热电偶温度传感器或者热的热电偶温度传感器或者热电阻温度传感器应安装在轴电阻温度传感器应安装在轴承下瓦块的最大负荷区，一承下瓦块的最大负荷区，一般在旋转方向上偏离中心线般在旋转方向上偏离中心线大约大约20处。处。1 旋转机械的状态特征参数与测试旋转机械的状态特征参数与测试1 旋转机械的状态特征参数与测试旋转机械的状态特征参数与测试现场测试的准备步骤及测试中应注意的问题现场测试的准备步骤及测试中应注意的问题 (1)了解测试对象的原理和结构，例如，被测对象是旋转机了解测试对象的原理和结构，例如，被测对象是旋转机械还是往复机械或其他
25、机械，是滚动轴承还是滑动轴承，是否械还是往复机械或其他机械，是滚动轴承还是滑动轴承，是否存在外来激励振动，可能出现的故障及故障反映在哪些部位，存在外来激励振动，可能出现的故障及故障反映在哪些部位，哪些参数的变化上最为敏感。哪些参数的变化上最为敏感。 (2)了解被测对象的运行状况，例如，易发故障，曾经发生了解被测对象的运行状况，例如，易发故障，曾经发生过的故障履历。过的故障履历。 (3)确定满足测量的目的需要哪些数据，应对哪些参量进行确定满足测量的目的需要哪些数据，应对哪些参量进行测定。测定。 (4)估计被测对象的振动类型、振级和可能产生的最低和最估计被测对象的振动类型、振级和可能产生的最低和最
26、高频率，同时根据环境条件高频率，同时根据环境条件(如温度、湿度、电磁场等如温度、湿度、电磁场等)确定传确定传感器类型及与其相配套的中间变换器和显示记录仪器。感器类型及与其相配套的中间变换器和显示记录仪器。1 旋转机械的状态特征参数与测试旋转机械的状态特征参数与测试 (5)画出测试系统的工作框图及仪器的连接草图，标出所用画出测试系统的工作框图及仪器的连接草图，标出所用仪器的型号和序号，以便于测试系统的安装、校准和编制测试仪器的型号和序号，以便于测试系统的安装、校准和编制测试报告。报告。 (6)标定和检测整个测试系统，特别是传感器和与其相连的标定和检测整个测试系统，特别是传感器和与其相连的前置放大
27、器。前置放大器。 (7)确定传感器的安装位置、方法以及安装固定件结构，确定传感器的安装位置、方法以及安装固定件结构，评价是否会因传感器附加质量的影响对测试对象造成影响评价是否会因传感器附加质量的影响对测试对象造成影响(例例如：改变原有振动频率、振幅如：改变原有振动频率、振幅)。 (8)做好测试准备，包括安装传感器、连接各仪器的连线、做好测试准备，包括安装传感器、连接各仪器的连线、确认各仪器控制旋钮的位置、检查电源等。确认各仪器控制旋钮的位置、检查电源等。1 旋转机械的状态特征参数与测试旋转机械的状态特征参数与测试 (9)测试过程中应对测试环境做出详细记录，以便在数据分测试过程中应对测试环境做出
28、详细记录，以便在数据分析时参考和及时发现一些偶然因素。析时参考和及时发现一些偶然因素。 (10)在测试过程中应经常检查测试系统的在测试过程中应经常检查测试系统的“背景噪声背景噪声”，在分析时再除掉这部分因素，在实测中，背景噪声至少应小于在分析时再除掉这部分因素，在实测中，背景噪声至少应小于所测振动的所测振动的13。也就是说，。也就是说， “背景噪声背景噪声”至少应低于所测振至少应低于所测振级的级的10dB。 (11)对测量数据进行处理和分析时，应查阅测试过程的原对测量数据进行处理和分析时，应查阅测试过程的原始记录，如有特殊影响因素，应采取手段消除其影响或剔除混始记录，如有特殊影响因素，应采取手
29、段消除其影响或剔除混有伪信号的数据，以保证得到正确的结果。有伪信号的数据，以保证得到正确的结果。2 旋转机械振动评定标准旋转机械振动评定标准1）以轴承振动位移峰峰值作评定标准）以轴承振动位移峰峰值作评定标准 位移的峰位移的峰-峰值峰值x p-p可以从一般的可以从一般的测振仪中读出。测振仪中读出。 用于汽轮机、压用于汽轮机、压缩机初步状态评判。缩机初步状态评判。x(t)t0 峰-峰值的测量方法x p-p1）以轴承振动位移峰峰值作评定标准）以轴承振动位移峰峰值作评定标准2 旋转机械振动评定标准旋转机械振动评定标准2）以轴承振动烈度作为评定标准）以轴承振动烈度作为评定标准 能力。表征振动的威力或破坏
30、分量能量的综合影响，表示振动信号中各频率成分时：中只含一个单一的频率特殊情况下，当由此可导出：为各组成分量的幅值，其中：设：曲线样本长度；式中：rmsrmsnnkkrmsknkkkTrmsVvvVtvvvvvTVnvtfvtvtvTdttvTV 707. 02 )( 2113212sin)()( 1 22221121022）以轴承振动烈度作为评定标准）以轴承振动烈度作为评定标准2 旋转机械振动评定标准旋转机械振动评定标准3）以轴振动的位移峰峰值作为评定标准。）以轴振动的位移峰峰值作为评定标准。美国石油协会标准：中小型涡轮机械轴美国石油协会标准：中小型涡轮机械轴3 旋转机械振动故障分析常用方法旋
31、转机械振动故障分析常用方法n针对旋转机械特点，有多种针对旋转机械特点，有多种图形分析方法图形分析方法：时域波形图时域波形图波特图波特图极坐标图极坐标图瀑布图瀑布图轴心位置图轴心位置图轴心轨迹图轴心轨迹图频谱图频谱图相位分析图相位分析图趋势分析图趋势分析图1）时域波形图）时域波形图n波形分析法是通过观察振动波形的特征来波形分析法是通过观察振动波形的特征来获取诊断信息。获取诊断信息。n振动波形：振动位移、速度或加速度随时振动波形：振动位移、速度或加速度随时间变化的曲线。间变化的曲线。1）时域波形图）时域波形图n与同步振动有关的各种故障所激发的振动都属于周期函数，其基本成与同步振动有关的各种故障所激
32、发的振动都属于周期函数，其基本成分是以基频（工作频率）成分为主及若干高次谐波函数再附加随机噪分是以基频（工作频率）成分为主及若干高次谐波函数再附加随机噪声所组成。声所组成。x(t)to含有周期成分及随机噪声的振动波形例：对曲线经平滑处理后的振动波形，如图所示。若其例：对曲线经平滑处理后的振动波形，如图所示。若其频率频率f=1/T与转子的工作频率相等，则可初步判定振动与与转子的工作频率相等，则可初步判定振动与不平衡有关。不平衡有关。x(t)to 经平滑处理后的振动波形T2）波特图）波特图n 波德图是描述某一波德图是描述某一频带下振幅和相位与频带下振幅和相位与频率的关系曲线。频率的关系曲线。3）极
33、坐标图）极坐标图n极坐标图实质上就是振动向极坐标图实质上就是振动向量图。极坐标图除了记录转量图。极坐标图除了记录转子在升速或降速过程中系统子在升速或降速过程中系统幅值与相位的变化规律外，幅值与相位的变化规律外，也可以描述在定速情况下，也可以描述在定速情况下，由于工作条件或负荷变化而由于工作条件或负荷变化而导致的基频或其他谐波幅值导致的基频或其他谐波幅值与相位的变化规律。与相位的变化规律。4）轴心轨迹图）轴心轨迹图n轴心轨迹轴心轨迹-转子轴心点相对于轴承座运动而形成的轨迹。转子轴心点相对于轴承座运动而形成的轨迹。放大器高通滤波器放大器高通滤波器轴心轨迹Y向涡流传感器x向涡流传感器y4）轴心轨迹图
34、）轴心轨迹图n 一般情况下，轴心轨迹保持稳定，一旦发生形状大小的变化或轨迹紊乱。则揭示机器设备运行状态已发生变化或进入异常。5）轴心位置图）轴心位置图6）瀑布图）瀑布图n瀑布图是将振动信号的功率谱或幅值谱随着转速的瀑布图是将振动信号的功率谱或幅值谱随着转速的变化叠置而成的三维谱图变化叠置而成的三维谱图.它可以显示各种谐波成它可以显示各种谐波成分谱图随着转速变化的情况。分谱图随着转速变化的情况。机器在不同转速下的功率谱叠置成的瀑布图频率分量转速07）趋势图）趋势图旋转机械故障多种多样，常见故障类型包括：旋转机械故障多种多样，常见故障类型包括：1、转子不平衡、转子不平衡2、转子不对中、转子不对中3
35、、转子弯曲、转子弯曲4、油膜振荡（滑动轴承）、油膜振荡（滑动轴承）5、动静件摩擦、动静件摩擦6、转轴裂纹、转轴裂纹3 转子系统主要故障及其诊断转子系统主要故障及其诊断 3 转子系统主要故障及其诊断转子系统主要故障及其诊断 3 转子系统主要故障及其诊断转子系统主要故障及其诊断 1、不平衡的种类、不平衡的种类 （1）原始不平衡原始不平衡是由于转子制造误差、装配误差以及是由于转子制造误差、装配误差以及材质不均匀等原因造成的，如出厂时动平衡没有达到平衡材质不均匀等原因造成的，如出厂时动平衡没有达到平衡精度要求，在投用之初，便会产生较大的振动。精度要求，在投用之初，便会产生较大的振动。 （2）渐发性不平
36、衡渐发性不平衡是由于转子上不均匀结垢，介质中是由于转子上不均匀结垢，介质中粉尘的不均匀沉积，介质中颗粒对叶片及叶轮的不均匀磨粉尘的不均匀沉积，介质中颗粒对叶片及叶轮的不均匀磨损以及工作介质对转子的磨蚀等因素造成的。其表现为振损以及工作介质对转子的磨蚀等因素造成的。其表现为振值随运行时间的延长而逐渐增大。值随运行时间的延长而逐渐增大。 （3）突发性不平衡突发性不平衡是由于转子上零部件脱落或叶轮流是由于转子上零部件脱落或叶轮流道有异物附着、卡塞造成，机组振值突然显著增大后稳定道有异物附着、卡塞造成，机组振值突然显著增大后稳定在在定水平上。定水平上。1）转子不平衡转子不平衡的故障机理与诊断的故障机理
37、与诊断2、不平衡的故障机理、不平衡的故障机理 由于有偏心质量由于有偏心质量m和偏心距和偏心距e的存在，当转子转动时将的存在，当转子转动时将产生离心力、离心力矩或两者兼而有之。离心力的大小与产生离心力、离心力矩或两者兼而有之。离心力的大小与偏心质量偏心质量m、偏心距、偏心距e及旋转角速度及旋转角速度有关，即有关，即F=me2。交变的力（方向、大小均周期性变化）会引起振动，这就交变的力（方向、大小均周期性变化）会引起振动，这就是不平衡引起振动的原因。是不平衡引起振动的原因。1）转子不平衡转子不平衡的故障机理与诊断的故障机理与诊断F（t） te c（a）转子系统MFsin ty( t)ck(b)振动
38、模型 转子系统及其振动模型转子系统及其振动模型n设：偏心距设：偏心距e，转子质量，转子质量M，轴刚度，轴刚度k，阻尼系数，阻尼系数c，转速，转速n（r/min）,角角速度速度 =2 n/60,离心力离心力F=Me 2,分解为两方向的力为：分解为两方向的力为： .602, 10 ,2sin2sin90sinsincoscos22022nMkMceyyytMekyycyMtMetFtFtMetFtFnnnnyx；激振频率自振频率其中：阻尼系数归一化后：振动方程式为：，两力相差 )sin( sin1sin2tYtytYDetyntn，是强迫振动：公式第二部分为稳态解很快消失；，是衰减的自由振动，公式
39、第一部分为瞬态解上式的通解为： 222221221nnnnnarctgHH（ ）-幅频响应函数，表示振幅幅频响应函数，表示振幅Y随频率比随频率比 / n的变的变化而变化的放大系数，当化而变化的放大系数，当 / n 1时出现共振峰；时出现共振峰； （ ）-相频响应函数，表示强迫振动的相角随转速变相频响应函数，表示强迫振动的相角随转速变化情况。化情况。3、转子不平衡故障的主要振动特征：、转子不平衡故障的主要振动特征： （1）振动的时域波形近似为正弦波。）振动的时域波形近似为正弦波。 （2）频谱图中，谐波能量集中于基频。并且会出现较）频谱图中，谐波能量集中于基频。并且会出现较小的高次谐波。小的高次谐
40、波。1）转子不平衡转子不平衡的故障机理与诊断的故障机理与诊断 (3)当当n后，即在临界转速以上，转速增加时振后，即在临界转速以上，转速增加时振幅趋于一个较小的稳定值；当幅趋于一个较小的稳定值；当接近于接近于n时，即转速接近时，即转速接近临界转速时，发生共振，振幅具有最大峰值。振动幅值对临界转速时，发生共振，振幅具有最大峰值。振动幅值对转速的变化很敏感。转速的变化很敏感。 (4)当工作转速一定时，相位稳定。当工作转速一定时，相位稳定。 (5)从轴心轨迹观察其进动特征为同步正进动。从轴心轨迹观察其进动特征为同步正进动。1）转子不平衡转子不平衡的故障机理与诊断的故障机理与诊断4、诊断方法、诊断方法
41、对于对于原始不平衡、渐变不平衡和突发性原始不平衡、渐变不平衡和突发性不平衡这三不平衡这三种形式，其共同点较多，但可以通过以下方法对其进行种形式，其共同点较多，但可以通过以下方法对其进行甄别。甄别。 (1)振动趋势不同振动趋势不同 原始不平衡：在运行初期机组的振动就处于较高的原始不平衡：在运行初期机组的振动就处于较高的水平，见图水平，见图(a)； 渐变不平衡：运行初期机组振动较低，随着时间的渐变不平衡：运行初期机组振动较低，随着时间的推移，振值逐步升高，见图推移，振值逐步升高，见图(b)； 突发不平衡：振动值突然升高，然后稳定在一个较突发不平衡：振动值突然升高，然后稳定在一个较高的水平，见图高的
42、水平，见图(c)。1）转子不平衡转子不平衡的故障机理与诊断的故障机理与诊断5、转子不平衡故障原因分析及治理措施、转子不平衡故障原因分析及治理措施 1）转子不平衡转子不平衡的故障机理与诊断的故障机理与诊断6、诊断实例、诊断实例1）转子不平衡转子不平衡的故障机理与诊断的故障机理与诊断1）转子不平衡转子不平衡的故障机理与诊断的故障机理与诊断1）转子不平衡转子不平衡的故障机理与诊断的故障机理与诊断1）转子不平衡转子不平衡的故障机理与诊断的故障机理与诊断1）转子不平衡转子不平衡的故障机理与诊断的故障机理与诊断1）转子不平衡转子不平衡的故障机理与诊断的故障机理与诊断1）转子不平衡转子不平衡的故障机理与诊断
43、的故障机理与诊断1）转子不平衡转子不平衡的故障机理与诊断的故障机理与诊断1）转子不平衡转子不平衡的故障机理与诊断的故障机理与诊断1）转子不平衡转子不平衡的故障机理与诊断的故障机理与诊断2）转子不对中转子不对中的故障机理与诊断的故障机理与诊断1、不对中的类型、不对中的类型 轴承不对中：轴承不对中：轴颈在轴承中偏斜。轴颈在轴承中偏斜。 轴系不对中：轴系不对中：机组各转子之间用联轴节连接时，中心线机组各转子之间用联轴节连接时，中心线不处在同一直线上。不处在同一直线上。 危害：危害：滚动轴承：滚动轴承：振动噪声、过度磨损、振动噪声、过度磨损、“卡死卡死”等；等；滑动轴承滑动轴承：油膜承载失稳，半速涡动
44、，油膜振荡，严重：油膜承载失稳，半速涡动，油膜振荡，严重时油膜破裂而烧损轴瓦。时油膜破裂而烧损轴瓦。2）转子不对中转子不对中的故障机理与诊断的故障机理与诊断(1) 平行不对中平行不对中轴系不对中一般可分为三种情况：轴系不对中一般可分为三种情况：2）转子不对中转子不对中的故障机理与诊断的故障机理与诊断(2) 角度不对中角度不对中 (3) 综合不对中综合不对中2）转子不对中转子不对中的故障机理与诊断的故障机理与诊断2、不对中振动的机理、不对中振动的机理 大型高速旋转机械常用齿式联轴器；大型高速旋转机械常用齿式联轴器； 中小设备多用固定式刚性联轴器。中小设备多用固定式刚性联轴器。 1）齿式联轴器连接
45、不对中的振动机理）齿式联轴器连接不对中的振动机理2）转子不对中转子不对中的故障机理与诊断的故障机理与诊断 (1)平行不对中平行不对中 正常时：中间齿套与半联轴器组成移动副。正常时：中间齿套与半联轴器组成移动副。 存在径向位移时：中间齿套作平面圆周运动，圆存在径向位移时：中间齿套作平面圆周运动，圆周直径为径向位移周直径为径向位移y。2）转子不对中转子不对中的故障机理与诊断的故障机理与诊断 设设A为主动转子的轴心投影；为主动转子的轴心投影； B为从动转子的轴心投影；为从动转子的轴心投影； K为中间齿套的轴心；为中间齿套的轴心； 2cos2121coscos2sin21cossinDDDyDDx B
46、KAK AB长为长为D, K点坐标为点坐标为K (x，y），取），取为自变量，为自变量，则有则有2）转子不对中转子不对中的故障机理与诊断的故障机理与诊断对对求导，得求导，得 dDdydDdx2sin2cos K点转动角速度为转子角速度的点转动角速度为转子角速度的2倍，其径向振动频倍，其径向振动频率为转子工频的两倍。率为转子工频的两倍。 dtDddtdydtdxVK/)/()/(22 2/2 DVKK 由于中间齿套平面运动的角速度由于中间齿套平面运动的角速度( )等于转轴的等于转轴的角速度，即角速度，即 ，所以，所以K点绕圆周中心运动的角速点绕圆周中心运动的角速度度K为为 dtd/ dtd/K点
47、的线速度为点的线速度为2）转子不对中转子不对中的故障机理与诊断的故障机理与诊断 (2)角度不对中角度不对中 )cossin1/(cos12212 当转子轴线之间存在偏角位移时，从动转子与主当转子轴线之间存在偏角位移时，从动转子与主动转子的角速度是不同的。从动转子的角速度为动转子的角速度是不同的。从动转子的角速度为 为主动转子的角速度；为主动转子的角速度； 为从动转子的角速度；为从动转子的角速度； 为从动转子的偏斜角；为从动转子的偏斜角； 为主动转子的转角。为主动转子的转角。1 2 式中式中1 2）转子不对中转子不对中的故障机理与诊断的故障机理与诊断 从动转子每转动一周其转速变化两次从动转子每转
48、动一周其转速变化两次，如下图所示，如下图所示，变化范围为变化范围为转速比的变化曲线转速比的变化曲线 cos/cos121 2）转子不对中转子不对中的故障机理与诊断的故障机理与诊断 偏角不对中使联轴器附加一个弯矩，转轴每旋转一偏角不对中使联轴器附加一个弯矩，转轴每旋转一周，弯矩作用方向交变一次，因此，偏角不对中增加了周，弯矩作用方向交变一次，因此，偏角不对中增加了转子的轴向力，使转子的轴向力，使转子在轴向产生工频振动转子在轴向产生工频振动。 2）转子不对中转子不对中的故障机理与诊断的故障机理与诊断 (3)综合不对中综合不对中 转子振动的机理是平行不对中与角度不对中的综合转子振动的机理是平行不对中
49、与角度不对中的综合结果：结果： 激振频率为角频率的激振频率为角频率的2倍倍 ；转子轴向振动的频率与角频率相同。转子轴向振动的频率与角频率相同。 2）转子不对中转子不对中的故障机理与诊断的故障机理与诊断 2）刚性联轴器连接转子不对中的故障机理）刚性联轴器连接转子不对中的故障机理 刚性联轴器连接的转子对中不良时，由于强制连接刚性联轴器连接的转子对中不良时，由于强制连接所产生的力矩，使转子发生弯曲变形。所产生的力矩，使转子发生弯曲变形。 激振频率为角频率的激振频率为角频率的2倍倍 ；转子轴向振动的频率与角频转子轴向振动的频率与角频率相同。率相同。 轴线平行位移轴线平行位移轴线角度位移轴线角度位移2）
50、转子不对中转子不对中的故障机理与诊断的故障机理与诊断3）转子不对中的故障特征）转子不对中的故障特征 以齿式联轴器不对中为例介绍其故障特征：以齿式联轴器不对中为例介绍其故障特征： (1)故障的特征频率为角频率的故障的特征频率为角频率的2倍。倍。 (2) 激励力随转速的升高而加大；激励力随转速的升高而加大； 激励力与不对中量成正比。激励力与不对中量成正比。 (3) 平行不对中：齿套轴心线回转轮廓为圆柱体平行不对中：齿套轴心线回转轮廓为圆柱体 偏角不对中：双锥体偏角不对中：双锥体 综合位移不对中：综合体综合位移不对中：综合体 回转范围由不对中量决定。回转范围由不对中量决定。 (4) 不对中量很大时，
