1、旋转机械故障诊断n第一节 状态维修-设备维修的根本性革命n第二节 机械振动描述n第三节 机械设备运行状态测量宽带测量n第四节 旋转机械故障类型及其振动特征n第五节 振动烈度测量、故障分析的实现第一节 状态维修-设备维修的根本性革命n大家知道，当前我国对设备的维护仍采用传统的计划、定期维修。而这种方式带有很大盲目性，设备有无故障、故障类型、故障部位、故障程度难以准确把握。n另外，由于良好部位的反复拆卸，机械性能往往不理想，甚至低于检修前。而且，没有必要的超前维修，带来人力、物力的巨大浪费。第一节 状态维修-设备维修的根本性革命n随着故障诊断仪器的广泛应用，使对机械设备的维护由计划、定期检修走向状
2、态、预知检修变为现实，使机械设备的维护方式发生了根本性革命改革。状态监测避免了机械设备的突发故障，从而避免了被迫停机而影响生产；n机械状态分析为预知机械设备的维修期提供了可靠依据，即可做到测量表明有必要时才进行维修。使我们能够及时准备维修部件，制定维修计划，克服了定期维修带来的不必要的经济损失和设备性能的下降；n完善的诊断能力可为我们准确指出故障类型和故障部位，避免了维修的盲目性，使检修简捷易行，大大缩短了维修工期；第二节 机械振动描述一、什么叫振动？n振动是世界上的物质或物体的一种运动形式。广义来说，振动就是物体（质点）或某种状态随着时间往复变化的现象。第二节 机械振动描述n二、振动的分类n
3、机械振动的研究和使用方面有多种分类方法，目前，大致有如下五种分类：n1、按振动的规律分 n简谐振动、非简谐振动和随机振动。有时又将前两者称为周期振动，后者称为非周期振动；第二节 机械振动描述n2、按产生振动的原因分 n自由振动、受迫振动、自激振动和参变振动等；n3、按自由度分 n单自由度系统振动、多自由度系统振动和弹性振动；n4、按振动位移特征分 n角振动和直线振动；第二节 机械振动描述n5、按系统结构参数分 n线性振动和非线性振动。n在机器的故障诊断中，从应用角度看，应着重掌握按振动规律和产生原因这两种分类。第三节 机械设备运行状态测量宽带测量n开始时，专家们已经知道振动能量的大小是危害机器
4、的主要因素，而表示这个能量大小的应是宽频带内的振动速度有效值。但是在20年前，当时的测量技术不能满足振动理论提出的要求，六十年代的诊断标准大多为振幅（位移）标准，典型代表是1968年国际电工委员会（IEC）对转速不同的汽轮机、电机等所作的诊断标准。如下表：第三节 机械设备运行状态测量宽带测量 标准中轴承座的振幅应取转子的各轴承座三个测点中最大的振幅值。同时，可以通过这个标准说明，振幅（位移）标准值是随转速变化而变化的，转速越高，标准值越低，因此现在通常不采用测量位移来判断设备的好坏，而振动的速度有效值是与设备的转速无关的，它确能反映设备的最大破坏能量。第三节 机械设备运行状态测量宽带测量n在以
5、往的旋转机械振动测量中，多采用机械式百分表来测量位移峰-峰值，用以判断机器振动大小，进而确定好坏。我们说，这种测试方式是极不合理的。原因有三：第一，这种机械式百分表动态响应很差，不能测量动态量；第二，测量轴承座的振幅是一种相对测量；第三，机器的振动是周期和非周期振动同时存在的宽带振动，即使用百分表能读出数值，这个数值不一定是机器转速下对应的规定振幅。第三节 机械设备运行状态测量宽带测量n对于我们来讲（设备监护者），随时测知设备的运行状态是十分重要的，而要判定设备状态就要有相应的振动烈度判定依据。目前，最常采用的是ISO-2372标准，它以振动速度有效值在于101000Hz频带内的变化为状态判定
6、参量。以设备功率作为分类依据，标准如下表。第三节 机械设备运行状态测量宽带测量第三节 机械设备运行状态测量宽带测量n需要指出的是，振动测量是在机器部件表面进行，因此，测量值还取决于测量处的机械导纳（机械阻抗的倒数）。因此，选取正确的测点位置是十分重要的，不正确的位置往往导致错误的判断结果。另外，此标准在实际应用中不必生硬搬套，可根据设备实际情况和经验参考此标准建立自己的企业标准。n为了克服测点机械导纳的影响，可靠的办法是通过集中相对变化取得状态信息，即用确定的参考“基线”或级值和允许系统的一定的变化来获得。第四节 旋转机械故障类型及其振动特征n认识到振动级值的增加表示设备故障在发展，之后设备维
7、护人员就必须确定故障在机器中某个部件的具体位置。宽带振动测量对于精确判定故障位置提供不了不少信息，一般说来，频谱分析是故障诊断的关键。n本节将介绍不同故障对应的振动频率特征。第四节 旋转机械故障类型及其振动特征首先，在分析振动谱图时，要记住两条原则：n1、频率形态（大小及其变化等）代表故障类型；n2、幅值代表故障劣化程度。n下面我们针对一些典型故障分析实际的振动谱图。第四节 旋转机械故障类型及其振动特征n一、不平衡n泵、风机、电动机使用一段时间后，由于磨擦、积灰等原因，使转子质心改变，出现不平衡（电动机由于润滑脂过量也会引起不平衡）。n不平衡有以下几种特点：n1、振动频率单一，振动方向以径向为
8、主。在工频（亦称转频）（1X）处有一最大峰值，（转子若为悬臂支撑，将有轴相分量）；n2、在一阶临界转速内振幅随转速的升高而增大；n3、谱图中一般不含工频（1X）的高次谐波（2X、3X）。第四节 旋转机械故障类型及其振动特征n一台泵正常运转时在工频（1800rmin）处幅值最大，达1.5m（见上图）。3个月后再测量，同一处的最大峰值已是2.83m（下图），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。第四节 旋转机械故障类型及其振动特征n除去异物后，工频处幅值仅为0.97m（如图），振幅明显减小，泵运行正常。第四节 旋转机械故障类型及其振动特征n从图1图3可知，最大峰值均在
9、工频1X处，当1X处幅值升高时，2X、3X、4X处的幅值有所降低（图2）。故障排除后，1X处幅值有所降低，2X、3X、4X处的幅值又恢复到原来状态，几乎不变（图1、图3）。第四节 旋转机械故障类型及其振动特征二、不对中及轴弯曲n虽然我们普遍认为机械振动主要是不平衡所致，但就旋转机械而言，70-75的振动是不对中引起的。n不对中有两种：n平行不对中和角度不对中。n平行不对中径向振动比较突出，角度不对中轴向振动更突出。两者在机器端部或联轴器两边都有180的相位差。第四节 旋转机械故障类型及其振动特征n不对中振动的特点：n1在2X处有大的能量分布；n2随着不对中程度的增加，将产生很大的轴向振动分量；
10、n3在联轴器的两边振动的相位关系是18030；n4在2X处的幅值大于1X处的50时意味不对中程度已加剧。第四节 旋转机械故障类型及其振动特征n右图是一台水泵的谱图，图中2X处也有峰值，但较小，这与不对中的特点1（在2X处有大的能量分布）相符，估计已存在某种程度的不对中。第四节 旋转机械故障类型及其振动特征n一周后再测量，该处幅值已明显增大并超过1X谱图的幅值（右图），说明不对中已比较严重。第四节 旋转机械故障类型及其振动特征n停机检查发现不对中量达0.254mm。找正后再进行图谱分析，谱图（右图）2x处的幅值已明显变小，机组运行相当平稳。第四节 旋转机械故障类型及其振动特征n第一，两次测量结果
11、，1X处的幅值无明显变化，而2X处幅值变化很大，这正是不对中故障的典型频谱特征。n第二，在2X附近有两个谱峰，一个在7100rmin处，为水泵的二倍轴频谱；另一个在7200rmin处，它是电机定子绕组中电气故障引起的。第四节 旋转机械故障类型及其振动特征n三、机械松动n即使装配再好的机器运行一段时间后也会产生松动。n引起松动的常见原因是：螺母松动、螺栓断裂、轴径磨损、甚至装配了不合格零件。n具有松动故障的典型频谱特征是以工频为基频的各次谐波，并在谱图中常看到10X（见下图）。第四节 旋转机械故障类型及其振动特征n上图是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
12、值均已减小（下图）第四节 旋转机械故障类型及其振动特征n右图是一台用于空气过滤的真空泵的频谱图。图中出现多个高次谐波，有的已超过0.88mms。由于该泵已使用3个月，并且是多级推进器，因此怀疑是其中有一级推进器松动。拆开检修发现是过滤器中的一个袋子被吸到泵里，缠绕在推进器上，使推进器失衡。同时，发现转子在轴承内来回跳动，产生运转速度的高次谐波，表现出松脱的频谱特征。n由此看出，一种故障现象往往是几种故障共同作用的结果。第四节 旋转机械故障类型及其振动特征n四、齿轮缺陷n在齿轮传动中，一般存在啮合频率（齿数与旋转频率的乘积）和自振频率。此外，由于齿轮的频率分量常被齿隙、偏心、载荷以及其他缺陷造成
13、的脉冲所调制，从而出现旁瓣或边带。n一般说来，当在啮合频率处有峰值时，意味着齿轮有问题；当出现啮合频率的高次谐波时，意味着劣化程度加剧；当出现边带，且边带峰值达到一定值时，意味着齿轮故障己很严重，到了失效的边缘。第四节 旋转机械故障类型及其振动特征下图是一台齿数为11的齿轮泵，转速为900rmin（15Hz），啮合频率为165Hz。从图中可看出，出现多个啮合频率的高次谐波，并伴有以工频为带宽的边带。检修发现齿面已点蚀，并存在偏心。第四节 旋转机械故障类型及其振动特征n以上分析比较了4种常见故障的频谱特征，简单的总结归纳了识读谱图的方法。但设备是一个有机的整体，同一故障往往有不同的表现形式，而一
14、种故障现象又常是几种故障共同作用的结果。因此，只有对多种因素综合考虑才能有效地提高故障诊断的准确率。第五节 振动烈度测量、故障分析的实现n上面我们介绍了判断机械设备运行状态的方法和以频率特征为依据的故障类型诊断原则。n而测点位置的选取、表征振动量级的参数选取、频率分析中分析方法的确定是准确判定设备运行状态及故障诊断的前提。第五节 振动烈度测量、故障分析的实现n一、测量位置的选取n振动烈度反映测点上传递的交变力。振动不仅与交变力有关，而且和该测点上的结构导纳有关（加速度导纳、速度导纳、位移导纳）即：n式中：nF-应变力；nV、d、a-分别为振动速度、位移和加速度；-分别为振动速度、位移和加速度导
15、纳；第五节 振动烈度测量、故障分析的实现因此，测点的选取原则应使传递路径最短，测点刚度最大，以使结构导纳最大，并且每次测量测点位置必须相同，尽量避免结构导纳不同对测量结果的影响，测点位置选择如图所示，“A”“C”为正确的测点位置；“B”“D”为 不正确的测点位置。第五节 振动烈度测量、故障分析的实现n二、振动参量的选取n表征振动的参量有加速度、速度和位移三个量，它们之间表现为微积分关系，对单一频率分量（如下公式）：第五节 振动烈度测量、故障分析的实现n可见，振动位移随频率的升高有极大的衰减，而振动加速度随频率的降低有极大的衰减，这就决定了检测低频故障需检测振动位移的变化，而检测高频故障需检测振动加速度的变化，而振动速度可说是二者的折中，这也是宽带测量中，国际标准ISO-2372以振动速度作为参变量的原因。n -（完）
