1、旋转机械的振动监测与诊断主要内容旋转机械的振动及故障概论旋转机械的振动及故障概论旋转机械的监测参数旋转机械的监测参数旋转机械振动故障分析常旋转机械振动故障分析常用方法用方法旋转机械的典型故障及其诊旋转机械的典型故障及其诊断方法断方法1、旋转机械的振动及故障概论、旋转机械的振动及故障概论 旋转机械的定义 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、转速较高的机械。u旋转机械覆盖了动力、电力、化工、冶金、机械制造等重要工程领域。u旋转机械转速一般都较高，对故障诊断技术的要求就特别迫切，如汽轮发电机、压缩机、风机、大型轧钢机等。旋转机械正朝着大型、高速和自动化方向发展，
2、这对提高安全性和可靠性，对发展先进的状态监测与故障诊断技术，提出了迫切的要求。进而形成了近年来国内外广泛的旋转机械振动监测和故障诊断技术。机械振动 旋转机械的机械振动特点 1 振动存在具有广泛性 即任何机械设备在动态下都会或多或少地产生一定的振动。2 振动监测的有效性 当设备发生异常或故障时，振动将会发生变化，一般表现为振幅加大。这就使人们可以从振动信号中获取诊断信息。3 振动的可识别性 由不同类型、性质、原因和部位产生的故障所激发的振动将具有不同的特征，表现为频率成分、幅值大小、相位差别、波形形状、能量分布状况等，这一点使人们可以从振动信号中识别故障。4振动识别的复杂性振动信号性质、特征不仅
3、与故障有关，而且与机械系统的固有特性有关：1同一故障对不同的转子系统，其振动的幅值和相位可能相差很大；2同一故障发生在不同部位，振动信号可能相差很大；3同一故障在不同位置布置测点，所得的振动信号亦会有较大差别。在机械故障诊断中，振动信号能够更迅速、更直接的反映机械设备的运行状态，据统计，70以上的故障都是以振动形式表现出来。为了便于分析，因此首先介绍有关振动的一些概念。机械振动及其种类 机械振动：机械构件在其平衡位置附近所作的往复运动。1 按振动产生的原因分：自由振动给系统一定能量后，系统所产生的振动。若系统无阻尼，则维持等幅振动，反之，为衰减振动；受迫振动系统在外界持续力作用下，被迫产生的振
4、动（刚性转子系统）；自激振动系统从本身运动中吸收能量转变成交变力维持的振动（柔性转子系统）；机械故障的主要原因机械故障的主要原因 1、设计原因、设计原因 设计不当，动态特性不良，运行时发生强迫振设计不当，动态特性不良，运行时发生强迫振动或自激振动动或自激振动 结构不合理，应力集中结构不合理，应力集中 设计工作转速接近或落入临界转速区设计工作转速接近或落入临界转速区 热膨胀量计算不准，导致热态对中不良热膨胀量计算不准，导致热态对中不良 2、制造原因、制造原因 零部件加工制造不良，精度不够零部件加工制造不良，精度不够 零件材质不良，强度不够，制造缺陷零件材质不良，强度不够，制造缺陷 转子动平衡不符
5、合技术要求转子动平衡不符合技术要求 3、安装、维修、安装、维修 机械安装不当，零部件错位，预负荷大机械安装不当，零部件错位，预负荷大 轴系对中不良轴系对中不良 机器几何参数（如配合间隙、过盈量及相对位置）调整不机器几何参数（如配合间隙、过盈量及相对位置）调整不当当 管道应力大，机器在工作状态下改变了动态特性和安装精管道应力大，机器在工作状态下改变了动态特性和安装精度度 转子长期放置不当，改变了动平衡精度转子长期放置不当，改变了动平衡精度 未按规程检修，破坏了机器原有的配合性质和精度未按规程检修，破坏了机器原有的配合性质和精度 4、操作运行、操作运行 过程过程/工艺参数（如介质的温度、压力、流量
6、、负荷等）工艺参数（如介质的温度、压力、流量、负荷等）偏离设计值，机器运行工况不正常偏离设计值，机器运行工况不正常 机器在超转速、超负荷下运行，改变了机器的工作特性机器在超转速、超负荷下运行，改变了机器的工作特性 运行点接近或落入临界转速区运行点接近或落入临界转速区 润滑或冷却不良润滑或冷却不良 转子局部损坏或结垢转子局部损坏或结垢 启停机或升降速过程操作不当，暖机不够，热启停机或升降速过程操作不当，暖机不够，热膨胀不均膨胀不均 匀或在临界区停留时间过久匀或在临界区停留时间过久 5、机器劣化、机器劣化 长期运行，转子挠度增大或动平衡劣化长期运行，转子挠度增大或动平衡劣化 转子局部损坏、脱落或产
7、生裂纹转子局部损坏、脱落或产生裂纹 零部件磨损、点蚀或腐蚀等零部件磨损、点蚀或腐蚀等 配合面受力劣化，产生过盈不足或松动等，破配合面受力劣化，产生过盈不足或松动等，破坏了配合性质和精度坏了配合性质和精度 机器基础沉降不均匀，机器壳体变形机器基础沉降不均匀，机器壳体变形转子振动的基本特性转子振动的基本特性单圆盘转子单圆盘转子kyFymkxFxmyx )cos()cos(ynxnYyXxmkn/转子振动形式转子振动形式 横向振动横向振动振动发生在包括转轴的横向平面内振动发生在包括转轴的横向平面内 轴向振动轴向振动振动发生在转轴的轴线方向上（振动发生在转轴的轴线方向上（x轴）轴）扭转振动扭转振动沿转
8、轴轴线发生的扭振沿转轴轴线发生的扭振图图 转子系统模型转子系统模型 转子的临界转速转子的临界转速 旋转机械在启停升降速过旋转机械在启停升降速过程中，往往在某个程中，往往在某个(或某几个或某几个)转速下出现振动急剧增大的转速下出现振动急剧增大的现象。原因往往是由于转子现象。原因往往是由于转子系统处于临界转速附近产生系统处于临界转速附近产生共振。共振。转子的临界转速个数与转转子的临界转速个数与转子的自由度相等。子的自由度相等。由于转子的转速限制，往由于转子的转速限制，往往只能遇见数个临界转速。往只能遇见数个临界转速。650MW发电机转子 n1=604 r/minn2=1840 r/minn3=46
9、51 r/min多自由度转子有多个临界转速和相应的振型多自由度转子有多个临界转速和相应的振型转子分类刚性转子系统工作转速在（一阶）临界以下的转子系统。目前大多数低速（工作频率100Hz）旋转机械均属于柔性转子系统。返回2、旋转机械的监测参数、旋转机械的监测参数检测参数依其变化快慢可分为动态参数和静态参数两种。1 动态参数 1 振幅 它表示振动的严重程度，可用位移、速度或加速度表示。2 振动烈度 近年来国际上已统一使用振动烈度作为描述机器振动状态的特征量。3 相位 它对于确定旋转机械的动态特性、故障特性及转子的动平衡等具有重要意义。2 静态参数 1 轴心位置 在稳定情况下，轴承中心相对于转轴轴颈
10、中心的位置。在正常工况下，转轴在油压、阻尼作用下在一定的位置上浮动。在异常情况下，由于偏心太大，会发生轴承磨损的故障。2 轴向位置 是机器转子上止推环相对于止推轴承的位置。当轴向位置过小时，易造成动静摩擦，产生不良后果。3 差胀 指旋转机械中转子与静子之间轴向间隙的变化值。它对机组安全启动具有十分重要的意义。4 对中度 指轴系转子之间的连接对中程度，它与各轴承之间的相对位置有关，不对中故障是旋转机械的常见故障之一。5 温度 轴瓦温度反映轴承运行情况。6 润滑油压 反映滑动轴承油膜的建立情况。返回3、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 针对旋转机械的特点，常用的旋转机械振
11、动故障图形分析方法有：时域波形图、波特图、极坐标图、瀑布图、轴心位置图、轴心轨迹图、频谱图、相位分析、趋势分析等。波特图 波特图是机器振幅与频率、相位与频率的关系曲线010203040506070809001020304050振幅/m m频率/Hz01020304050607080903033027021015090相位角/度频率/Hz从波特图中可以得到：转子系统在各个转速下的振幅和相位、转子系统在运行范围内的临界转速值、转子系统阻尼大小和共振放大系数、综合转子系统上几个测点可以确定转子系统的各阶振型。轴心轨迹图 转子在轴承中旋转时并不是只围绕自身中心旋转,而是还环绕某一中心作涡动运动。产生涡
12、动运动的原因可能是转子不平衡、对中不良、动静摩擦等,这种涡动运动的轨迹称之为轴心轨迹。轴心轨迹图显示了转子轴心相对于轴承座涡动时的运动轨迹。在同一截面上两个涡流传感器所拾取的振动信号的合成，它表征转子轴心在一个支承面内的轨迹。轴心轨迹在故障诊断中可用来确定转子的临界转速、空间振型曲线及部分故障,如不对中、摩擦、油膜振荡等轴心轨迹的合成轴心轨迹的合成滤波前后波形及轴心轨迹滤波前后波形及轴心轨迹轴心位置图 将相互垂直的两个电涡流振动位移传感器分别安置于轴某一截面上,监测直流间隙电压,即可得到转子轴颈中心的径向位置。通过轴心位置图可判断轴颈是否处于正常位置、对中好坏、轴承标高是否正常、轴瓦有否变形等
13、情况。从长时间轴心位置的趋势可观察出轴承的磨损等。极坐标图 在波特图的基础上把振幅与频率、相位与频率的关系曲线画在复平面上,即为极坐标图。轴心位置图与极坐标图不同,轴心位置图是指转轴在没有径向振动情况下轴心相对于轴承中心的稳态位置,极坐标图是指转轴随转速变化时的工频振动矢量。频谱图与瀑布图 把各个谐波分量以频率轴为坐标按转速频率高低排列起来的谱图就叫频谱图。当把启动或停机时各个不同转速的频谱图画在一张图上时,就得到瀑布图。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。趋势分析趋势分析l 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、
14、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，趋势分析在故障诊断中起着重要的作用。4008012016020024028012345678910日期 d振动峰峰值 mm停机门限值报警门限值通频振动峰值趋势图返回4、旋转机械的典型故障及其诊断方法、旋转机械的典型故障及其诊断方法旋转机械故障分类刚性转子柔性转子同步振动（强迫振动）亚同步振动（自激振动）不平衡转子质量不平衡其它原因引起的不平衡热态不平衡部件脱落部件结垢联轴器不平衡不对中联轴器不对中平行不对中偏角不对中平行偏角不对中轴承不对中转子碰摩油膜涡动油膜振荡喘振顶隙激振转子破裂旋转失速配合松动其它不
15、平衡振动 不平衡是旋转机械最常见的故障（约占故障的20%）。引起转子不平衡的原因有 结构设计不合理，制造和安装误差，材质不均匀，受热不均匀，运行中转子的腐蚀、磨损、结垢、零部件的松动和脱落等。转子不平衡故障按故障机理分包括：转子质量不平衡转子热态不平衡转子部件脱落转子部件结垢联轴器不平衡等不平衡振动的特征：转子的质量不平衡所产生的离心力始终作用在转子上，它相对于转子是静止的，其振动频率就是转子的转速频率，也称为工频(即工作频率)，在频谱分析时，首先要找的就是工频成分。其特征有：1 对于刚性转子，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
16、比，这是由于轴承与转子之间的非线性所致。2对于柔性转子，在临界转速附近，振幅会出现一个峰值，且相位在临界转速前后相差近180。3 振动频率和转速频率一致，转速频率的高次谐波幅值很低，在时域上波形接近于一个正弦波。1 转子质量不平衡（固有不平衡）所有不平衡都可归结为转子的质量偏心，为此，首先分析带有偏心质量的多圆盘转子的振动情况，如图所示。根据分析可知，转子不平衡的振动特征是：1 各圆盘的中心轨迹是圆或椭圆；2 各圆盘的稳态振动是一个与转速同频的强迫振动，振动幅值随转速按振动理论中的共振曲线规律变化，在临界转速处达到最大值。因此转子不平衡故障的突出表现为一倍频振动幅值大3 表示各圆盘中心位移的复
17、数向量相角是不同的，因此轴线弯曲成空间曲线，并以转子转速绕oz轴转动，如下图所示。2 转子热态不平衡 在机组的启动和停机过程中，由于热交换速度的差异，使转子横截面产生不均匀的温度分布，使转子发生瞬时热弯曲，产生较大的不平衔。热弯曲引起的振动一般与负荷有关，改变负荷，振动相应地发生变化，但在时间上较负荷的变化滞后。随着盘车或机组的稳态运行，整机温度趋于均匀，振动会逐渐减小。产生原因：1)由于转子与静子(如密封处)发生间歇性局部接触，产生摩擦热引起的转子临时性弯曲；2)转子不均匀受热或冷却引起转子的临时性弯曲。3 转子部件脱落 运行中的转子部件突然脱落也会引起转子不平衡，使转子振幅突然发生变化，严
18、重影响机组的正常运行。4 转子部件结垢如果工作介质的质量不合格，随着时间的推移，将在转子的动叶和静叶表面产生尘垢，使转子原有的平衡遭到破坏，振动增大。由于结垢需要相当长的时间，所以振动是随着年月逐渐增大的并且由于通流条件变差，轴向推力增加，轴向位移增大，机组级间压力逐渐增大，效率逐渐下降。5 联轴器不平衡 由于制造、安装的偏差或者动平衡时未考虑联轴节的影响，可能使联轴节产生不平衡。联轴节不平衡具有质量不平衡相似的振动特征，通常是联轴节两侧轴承的振动较大，相位基本相同；联轴节精度不良在对中时产生的端面偏摆和径向偏摆，相当于给转子施加一个初始不平衡量，使转子振动增大。这时可能会出现二倍转速频率的振
19、动，频谱图上有明显的二次谐波谱值。转子不平衡的诊断实例转子不平衡的诊断实例 压缩机组低压缸转子，经大修后开车振动值正常，但有增大的趋势。压缩机组低压缸转子，经大修后开车振动值正常，但有增大的趋势。其时域波形为正弦波，分析其频谱，以一倍频为主，分析其矢量域图，相其时域波形为正弦波，分析其频谱，以一倍频为主，分析其矢量域图，相位有一个缓慢的变化。位有一个缓慢的变化。诊断意见：渐变不平衡，转子流诊断意见：渐变不平衡，转子流道结垢或局部腐蚀造成；道结垢或局部腐蚀造成；处理措施：渐变不平衡短期内不处理措施：渐变不平衡短期内不会恶化，待大修时处理；会恶化，待大修时处理；生产验证：一轴套内侧生产验证：一轴套
20、内侧 拆卸转拆卸转子时看不到部分子时看不到部分)发生局部严重发生局部严重腐蚀，导致转子不平衡质量逐渐腐蚀，导致转子不平衡质量逐渐加大。加大。压缩机的渐变不平衡振动特征压缩机的渐变不平衡振动特征转子不对中 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。转子不对中通常是指相邻两转子的轴心线与轴承中心线的倾斜或偏移程度。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。转子不对中可分为联轴器不对中和轴承不对中，联轴器不对中又可分为平行不对中、偏角不对中和平行偏角不对中三种情况。DD
21、DDDDDDDDDD平行不对中平行不对中角度不对中角度不对中组合不对中组合不对中轴承不对中轴承不对中 轴承不对中实际上反映的是轴承坐标高和左右位置的偏差。由于结构上的原因，轴承在水平方向和垂直方向上具有不同的刚度和阻尼，不对中的存在加大了这种差别。动静摩擦 在旋转机械中，由于转子弯曲、转子不对中引起轴心严重变形，间隙不足和非旋转部件弯曲变形等原因引起转子与静止件接触碰撞而引起的异常振动时有发生。转子外缘与静止件接触而引起的摩擦，称为径向摩擦；转子在轴向与静止件接触而引起的摩擦，称为轴向摩擦。动静摩擦的故障特征 1 振动频带宽，既有与转速频率相关的低频部分，也有与固有频率相关的高次谐波分量和分数
22、倍频分量，并伴随有异常噪声，可根据振动频谱和声谱进行判别。2 振动随时间而变。在转速、负荷工况一定，由于接触局部发热而引起振动矢量的变化，其相位变化与旋转方向相反。3 接触摩擦开始瞬间会引起严重相位跳动(大于100相位变化)。局部摩擦时，无论是同步还是异步其轨迹均带有附加的环。诊断实例 某大型透平压缩机组，在开车启动过程中发生异常振动，导致无法升速。其振动波形有削波现象；频谱图中有丰富的次谐波及高频谐波；轴心轨迹的涡动方向为反向涡动。诊断意见：根据摩擦故障的机理及振动特征可知，机组在升速过程中发生了严重摩擦故障。处理措施：由于机组振动值非常高，表明内部动静件摩擦比较严重，为安全期间，决定停机拆
23、检。生产验证：停机解体检修发现，机组转子弯曲，动平衡精度严重超差，在升速过程中因振动大造成转子与密封之间摩擦。不仅密封损坏，而且转子严重偏磨。滑动轴承的半速涡动和油膜振荡 轴颈半速涡动的形成可用右图来说明。当轴颈中心处于平衡状态的某一偏心位置，转轴以角速度在旋转，同时又以角速度绕轴承几何中心旋转。根据流体润滑理论，油膜靠近轴颈处的速度等于轴颈圆周速度，靠近轴瓦处的油层速度为零，中间油层的速度假定是按直线分布的。因此，通过间隙的任何断面的平均油膜速度应为轴颈转速的一半。假设轴承两端的泄油量为dQ，则在此时间内流径A侧和B侧的流量应相等。可推导得油膜涡动的频率为=0.5。因此，油膜涡动又称为半速涡
24、动，是一种自激振动。转轴的转速在失稳转速以前转动是平稳的。当达到失稳转速后即发生半速涡动。随着转速升高、涡动角速度也将随之增加，但总保持着约等于转动速度之半的比例关系，半速涡动一般并不剧烈。当转轴转速升到比第一阶临界转速的2倍稍高以后，由于此时半速涡动的涡动速度与转轴的第一阶临界转速相重合即产生共振，表现为强烈的振动现象，称为油膜振荡。油膜振荡一旦发生之后，就将始终保持约等于转子一阶临界转速的涡动频率，而不再随转速的升高而升高。油膜振荡的特征1 油膜振荡在一阶临界转速的二倍以上时发生。一旦发生振荡，振幅急剧变大，即使再提高转速，振幅也不会下降。2 油膜共振时，轴颈中心的涡动频率为转子一阶固有频
25、率，即使转速再升高，其频率基本不变。3 油膜振荡具有突然性和惯性效应，升速时产生油膜振荡的转速和降速时油膜振荡消失时的转速不同。4 油膜振荡时轴心涡动的方向和转子旋转方向相同，轴心轨迹呈花瓣形，正进动。5 油膜振荡时，转子的挠曲呈一阶振型。6 油膜振荡剧烈时，随着油膜的破坏，振荡停止，油膜恢复后，振荡再次发生，这样持续下去，轴颈与轴承不断碰摩，产生撞击声，轴瓦内油膜压力有较大波动。消除油膜振荡的措施1 增加转子系统的刚度。转子固有频率越高，产生油膜振荡的失稳转速也越高，系统失稳转速应在工作转速的125以上。2 选择合适的轴承形式和轴承参数。圆柱轴承制造简单，但抗振性最差，椭圆轴承、三油楔、多油
26、楔轴承次之。可倾瓦轴承最好。3 增加外阻尼；4 增加轴承比压，改变进油温度或粘度，如切短轴承长度，在下瓦中部开环形槽等，国产300MW汽轮发电机组的油膜振荡墨是通过将轴瓦长度从430mm缩减到320mm以及将L-AN46油改用DAN32油来解决的。5 减小轴承间隙。6 改变进油压力。7 改善转子的平衡状态，限制振幅放大因子；8 消除转子不对中故障，限制低次谐波分量；9 消除动静间隙不均匀，限制非线性激振力。总结 以前对这方面的知识基本上不清楚，通过此次的学习让我对旋转机械的振动、故障分析方法、典型故障以及诊断方法有了一定的了解，但是如果要完全搞懂还需要花时间进行更深入地系统地学习和研究。本人觉
27、得旋转机械的振动监测和诊断是一门很有学问的学科，它需要通过理论与实践两者结合才能对其完全掌握。参考文献1 钟秉林,黄仁,贾民平等,机械故障诊断学.北京:机械工业出版社,1997,12.2 贾民平，许飞云，机械故障诊断学的理论及其应用.东南大学:1999.3 郑月珍，旋转机械振动监测和分析.南京汽轮电机(集团)有限责任公司,2010,3.4 高峰，旋转机械设备的维修与振动监测.河北：秦皇岛发电有限责任公司：2007.5 张思振动测试与分析技术北京：清华大学出版社，19926 韩捷，张瑞林，等旋转机械故障机理及其诊断技术M北京：机械工业出版社，19977陈虹微,旋转机械振动特征及诊断方法.福建：龙
28、岩学院，2009，2.8 ENDO H,RANDALL R B.Enhancement of autoregressive model based gear tooth fault detection technique by the use of minimum entropy deconvolution filterJ.Mechanical Systems and Signal Processing,2007,21(2)：906-919.9 YANG W X,HULL J B,SEYMOURMD.Detecting the singularities in engineering signalsJ.Journal of Materials Processing Technology,2006,175(1-3)：439-445.10 LI Hongkun,ZHOU Peilin,MA Xiaojiang.Pattern recognition on diesel engine working condition by using a novel methodology-Hubert spectrum entropyJ.J.Mar.Eng.Technol.,2005,6：43-48.
