设备故障的振动诊断技术介绍及其应用.pptx

第二章第二章 设备故障振动诊疗技术设备故障振动诊疗技术 n第一节 信号概念及分类 n第二节 振动测量仪器及其应用 n第三节 旋转机械振动监测与诊疗 设备故障的振动诊断技术介绍及其应用第1页学习目标 本章主要讨论动态信号分析处理中相关问题，重点介绍以快速傅里叶变换为基础各种分析技术。1、了解信号概念、转换、传输以及特征信号选择 2、了解袖珍式振动表、频谱分析仪、计算机辅助状态监测系统等振动测量仪器及其应用 3、掌握旋转机械振动故障分析惯用方法，了解旋转机械经典故障特征辨识 4、了解滚动轴承故障诊疗方法 5、了解齿轮传动装置动力特征 6、了解其它常见故障及其频率特征 设备故障的振动诊断技术介绍及其应用第2页第一节 信号概念及分类n一、信号转换与传感器 n1动态范围 n2灵敏度 n3动态特征 n4稳定性 n二、信号传输及干扰噪声 n三、信号分类：确定性信号及非确定性信号 n四、特征信号选择：信号敏感性，在线（On-line）与实时性 设备故障的振动诊断技术介绍及其应用第3页三、信号分类n信号可分为确定性信号及非确定性信号，所谓确定性信号是指可用数学关系式描述信号，它又可分为周期信号及非周期信号，正弦波、方波等是经典周期信号，而阶跃脉冲、半正弦脉冲等是经典非周期信号。所谓非确定性信号是指不能用数学关系式描述信号，也无法预知其未来幅值，又称为随机信号，如前一点中提到电噪声信号，又如在不平坦道路上行驶汽车，车内产生振动就是随机振动，它使乘客感到颠簸。设备故障的振动诊断技术介绍及其应用第4页三、信号分类n信号还可按其取值情况分为模拟信号和数字信号。模拟信号普通都是连续，而数字信号则是离散。大多数传感器输出信号是模拟，如各种压电式、磁电式、电容式、电涡流式及霍尔效应等类型传感器；少数传感器输出信号是离散，如测量转动圆光栅，其输出信号为脉冲，经过脉冲计数确定转过角度。当代电子计算机只能处理数字信号，使用模拟数字(AD)转换器后才能处理模拟信号。设备故障的振动诊断技术介绍及其应用第5页四、特征信号选择n机器在运行中能提供信息很多，但不是每一个信息都对工况监测有主动意义。要选择能实时采集、且能敏感反应工况状态改变信息，蕴含这种信息信号称为特征信号。n特征信号选择要考虑主要问题：信号敏感性，在线（On-line）与实时性设备故障的振动诊断技术介绍及其应用第6页惯用特征信号1、振动 振动是可能判断以下动力状态最正确特征信号：平衡，轴承稳定性和叶片、齿轮齿等元件上所受动态应力。另外，普通机器异常，如联轴节同轴度误差和不适当间隙等经常亦可从振动特征中显示出来。设备故障的振动诊断技术介绍及其应用第7页2、温度 测量温度惯用于两个目标。一个是用来测量和评价机器状态或施加于一些如推力轴承等特定元件上负载。二是作为一个确保辅助系统（比如冷却器）工作正常以及确定热动力性能和效率特征信号。设备故障的振动诊断技术介绍及其应用第8页3、压力 压力亦是一项很有价值诊疗辅助信号，因为压力改变常是故障征兆，比如内部间隙堵塞或改变，将影响推力负载。设备故障的振动诊断技术介绍及其应用第9页4、油状态 监测油状态能够预警油里外部物质增多，比如经过对油中磨粒进行观察和分析，能比较准确地判别故障程度、部位、类型和原因。设备故障的振动诊断技术介绍及其应用第10页第二节 振动测量仪器及其应用n一、宽频带测量介绍 n二、早期故障检测与损坏指示 n三、频率分析基本系统 n四、计算机辅助状态监测系统 设备故障的振动诊断技术介绍及其应用第11页图2-1设备故障的振动诊断技术介绍及其应用第12页图2-2设备故障的振动诊断技术介绍及其应用第13页设备故障的振动诊断技术介绍及其应用第14页设备故障的振动诊断技术介绍及其应用第15页设备故障的振动诊断技术介绍及其应用第16页第三节 旋转机械振动监测与诊疗 n一、预备知识 n1.机械振动及其种类 n2简谐振动及其性质n3周期振动及其性质 n4时域频域分析 n5转子临界转速 设备故障的振动诊断技术介绍及其应用第17页n 在机械故障众多诊疗信息中，振动信号能够更快速、更直接地反应机械设备运行状态，据统计，70以上故障都是以振动形式表现出来。设备故障的振动诊断技术介绍及其应用第18页设备故障的振动诊断技术介绍及其应用第19页设备故障的振动诊断技术介绍及其应用第20页设备故障的振动诊断技术介绍及其应用第21页设备故障的振动诊断技术介绍及其应用第22页设备故障的振动诊断技术介绍及其应用第23页第三节 旋转机械振动监测与诊疗n二、监测参数及分析方法 n1.监测参数n(1)动态参数n一、振幅 它表示振动严重程度，可用位移、速度或加速度表示。常见振动传感器使用频率范围，见图2-8。设备故障的振动诊断技术介绍及其应用第24页第三节 振动诊疗技术振动幅值1、均值设备故障的振动诊断技术介绍及其应用第25页第三节 振动诊疗技术2、方差3、有效值设备故障的振动诊断技术介绍及其应用第26页第三节 振动诊疗技术二、振动烈度（即振动速度方均根值）三、相位 不一样振源产生不一样振动相位不一样，对于两个振源，相位相同能够使振幅叠加，产生严重后果；反之相位相反 可能一起振动抵消，起到减振作用。设备故障的振动诊断技术介绍及其应用第27页 图2-8设备故障的振动诊断技术介绍及其应用第28页设备故障的振动诊断技术介绍及其应用第29页1.监测参数n(2)静态参数n轴心位置 在稳定情况下，轴承中心相对于转轴轴颈中心位置。n轴向位置 是机器转子上止推环相对于止推轴承位置。n差胀 指旋转机械中转子与静子之间轴向间隙改变值。n对中度 指轴系转子之间连接对中程度。n温度 n润滑油压 反应滑动轴承油膜建立情况。设备故障的振动诊断技术介绍及其应用第30页补充 润滑基本知识一、润滑概念 润滑为了降低摩擦和磨损对机械设备造成危害，而人为利用不一样物质含有不一样摩擦特征，选择那些摩擦和磨损对设备危害较小物质去替换那些对设备危害大物质，从而到达降低摩擦和磨损造成各种危害程度。设备故障的振动诊断技术介绍及其应用第31页补充 润滑基本知识二、润滑作用1、降低摩擦润滑剂摩擦系数小，从而降低了摩擦阻力，节约能源消耗2、降低磨损润滑剂在摩擦面间能够降低磨粒磨损、表面疲劳、粘着磨损等所造成磨损。设备故障的振动诊断技术介绍及其应用第32页补充 润滑基本知识3、冷却作用润滑剂能够吸热、传热和散热，因而能够降低摩擦热造成温度上升。4、防锈作用润滑剂存在能够预防因空气、水滴、水蒸气、腐蚀性气体及液体、氧化物引发锈蚀。设备故障的振动诊断技术介绍及其应用第33页补充 润滑基本知识5、传递动力在许多情况下润滑剂含有传递动力功能，如液压传动。6、密封作用润滑剂对一些外露零部件形成密封，预防水分杂质浸入。设备故障的振动诊断技术介绍及其应用第34页补充 润滑基本知识7、减震作用在受到冲击载荷时，能够吸收冲击能，如汽车减震器等。8、清洁作用经过润滑剂循环能够带走杂质，经过滤器滤掉。设备故障的振动诊断技术介绍及其应用第35页补充 润滑基本知识三、润滑分类1、无润滑2、边界润滑3、流体润滑4、半流体润滑和半干润滑设备故障的振动诊断技术介绍及其应用第36页补充 润滑基本知识1、无润滑摩擦系数设备故障的振动诊断技术介绍及其应用第37页补充 润滑基本知识2、边界润滑 摩擦表面上仅存在一层很薄油膜。油膜靠静电引力和分子吸引牢靠吸附在金属表面上。设备故障的振动诊断技术介绍及其应用第38页补充 润滑基本知识3、流体润滑 当摩擦面间润滑膜厚度大到足以将两个表面轮廓峰完全隔开时，相对摩擦两个表面被完全分隔开来。摩擦在流体内部分子间进行。设备故障的振动诊断技术介绍及其应用第39页补充 润滑基本知识4、半流体润滑和半干润滑 液体润滑油膜部分遭到破坏时，油膜破坏部位就会出现摩擦表面直接接触，处于干摩擦或者边界润滑状态。若此时流体润滑占主要地位，则称为半流体润滑，若油膜大部分遭到破坏则称为半干润滑。设备故障的振动诊断技术介绍及其应用第40页二、监测参数及分析方法n2.旋转机械振动故障分析惯用方法 n（1）波特图（Bode plot）是机器振幅与转速频率，相位与转速频率关系曲线，如图2-9所表示。n（2）极坐标图 是把上述幅频特征和相频特征曲线综合在极坐标上表示出来，如图2-10所表示。n（3)轴心位置图 借助于相互垂直两个电涡流传感器，监测直流间隙电压，即可得到转子轴颈中心径向位置。如图2-11所表示。n（4)轴心轨迹图 涡动运动轨迹称之为轴心轨迹如图2-14所表示。设备故障的振动诊断技术介绍及其应用第41页n（5)频谱图 振动信号绝大多数是由各种激励信号合成复杂信号，按照傅里叶分析原理，这种复杂信号能够分解为一系列谐波分量（即频率成份），每一谐波分量又含有幅值和相位特征量。各个谐波分量以频率轴为坐标，按频率高低排列起来谱图，就叫频谱图。各谐波分量分别以幅值或相位特征量来表示，分别称为幅值频谱（简称幅值谱）和相位频谱（注意与波特图区分）。设备故障的振动诊断技术介绍及其应用第42页图2-9设备故障的振动诊断技术介绍及其应用第43页图2-10设备故障的振动诊断技术介绍及其应用第44页图2-11设备故障的振动诊断技术介绍及其应用第45页图2-12设备故障的振动诊断技术介绍及其应用第46页n为了便于识别各频率成份（包含基频、倍频及分数倍频等）与故障联络，常将频谱图频率轴（横坐标）改用工作频率倍数来表示，而纵坐标仍表示幅值。这种谱图称为阶比幅值谱。图2-13为图2-12阶比幅值谱。两图形状相同仅在横轴方向百分比有所改变，所以二者提供诊疗信息量相同。设备故障的振动诊断技术介绍及其应用第47页设备故障的振动诊断技术介绍及其应用第48页三、旋转机械振动评定标准n1轴承振动评定，这能够利用接触式传感器（比如磁电式振动速度传感器或压电式振动加速度传感器）放置在轴承座上进行测量。n 2轴振动值评定，这可利用非接触式传感器（比如电涡流式传感器）测量轴相对于机壳振动值或轴绝对振动值。n 评定参数可用振动位移峰峰值和振动烈度（它代表了振动能量大小）来表示。设备故障的振动诊断技术介绍及其应用第49页设备故障的振动诊断技术介绍及其应用第50页n由上述两表能够看出，转速低，允许振动值大；转速高，允许振动值小。设备故障的振动诊断技术介绍及其应用第51页设备故障的振动诊断技术介绍及其应用第52页第三节 旋转机械振动监测与诊疗n四、旋转机械经典故障辨识n 1.不平衡振动 n（1）不平衡振动特征 转子质量不平衡所产生离心力一直作用在转子上，它相对于转子是静止，其振动频率就是转子转速频率，也称为工频（即工作频率），在频率分析时，首先要找就是工频成份。其特征（参见图2-14）有:设备故障的振动诊断技术介绍及其应用第53页图2-14设备故障的振动诊断技术介绍及其应用第54页n1)对于刚性转子，不平衡产生离心力与转速平方成正比，而在轴承座测得振动随转速增加而加大，但不一定与转速平方成正比，这是因为轴承与转子之间振动耦合非线性所致。n2)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。n3）振动频率和转速频率一致，转速频率高次谐波幅值很低，在时域上波形靠近于一个正弦波。设备故障的振动诊断技术介绍及其应用第55页n（2）固有不平衡 因为各转子残余不平衡累积、材质不良、安装不妥等原因，即使机组在制造过程中已对各个转子作了动平衡，不过连接起来转子系统还是存在固有不平衡。为消除质量不平衡产生振动，应在平衡机或现场作静平衡和动平衡试验，加以校正。设备故障的振动诊断技术介绍及其应用第56页n（3)转子弯曲 转子弯曲有初始弯曲与热弯曲之分。n 转子初始弯曲是因为加工不良、残余应力或碰撞等原因引发，它将引发转子系统工频振动，经过振动测量并不能把它与转子质量不平衡区分开来。而应在低速转动下检验转子各部位径向跳动量给予判断。当转子弯曲不严重时也能够用平衡方法加以校正；当弯曲严重时，必须进行校正或更换。设备故障的振动诊断技术介绍及其应用第57页n转子热弯曲是：1）因为转子与静子（如密封处）发生间歇性局部接触，产生摩擦热引发转子暂时性弯曲；2）转子不均匀受热或冷却引发转子暂时性弯曲。其特点是转子振动随时间、负荷改变而在大小和相位上都有改变。所以，可经过变负荷或一段时间振动监测判断转子热弯曲故障。预防热弯曲首先要减小使转子不均匀受热影响原因，如启停机时充分暖机，确保机组均匀膨胀；另首先应注意装配间隙，各部件要有相近线（膨）胀系数。设备故障的振动诊断技术介绍及其应用第58页n（4)转子部件脱落 当旋转转子上部件突然脱落时，使转子产生阶跃性不平衡改变，其表现形式也是每转一次振动成份，使机组振动加剧。但因为转子部件脱落不平衡矢量与原始转子不平衡矢量叠加，使合成不平衡矢量在大小、相位和位置三方面均与原始转子不平衡矢量发生了改变，所以，可经过测量相位深入诊疗。n（5)联轴器精度不良 设备故障的振动诊断技术介绍及其应用第59页设备故障的振动诊断技术介绍及其应用第60页第三节 旋转机械振动监测与诊疗n四、旋转机械经典故障辨识n2转子不对中 n分类：见图2-16n转子不对中故障主要特征（参见图2-17）有：设备故障的振动诊断技术介绍及其应用第61页图2-16 设备故障的振动诊断技术介绍及其应用第62页图2-17设备故障的振动诊断技术介绍及其应用第63页n转子不对中故障主要特征有：n(1)改变轴承支承负荷，使轴承油膜压力也随之改变，负荷降低，轴承可能会产生油膜失稳。n(2)最大振动往往在不对中联轴器两侧轴承上，且振动值与转子负荷相关，随负荷增大而增高。n(3)平行不对中主要引发径向振动，振动频率为旋转频率2倍，同时也存在多倍频振动。设备故障的振动诊断技术介绍及其应用第64页3.动静摩擦 n 在旋转机械中，因为转子弯曲、转子不对中引发轴心严重变形，间隙不足和非旋转部件弯曲变形等原因引发转子与固定件接触碰撞而引发异常振动时有发生。摩擦分全圆径环形摩擦和局部摩擦两种，其特征（参见图2-18和图2-19）有：设备故障的振动诊断技术介绍及其应用第65页设备故障的振动诊断技术介绍及其应用第66页设备故障的振动诊断技术介绍及其应用第67页第三节 旋转机械振动监测与诊疗n五、滚动轴承故障诊疗 n 滚动轴承是机械设备中最常见也是最易损坏零件之一。滚动轴承有很多损坏形式，常见有磨损失效、疲劳失效、腐蚀失效、断裂失效、压痕失效和胶合失效。当它出现随机性机械故障时，所产生振幅对应增加，如图2-20。设备故障的振动诊断技术介绍及其应用第68页n1.滚动轴承振动机理n（1）轴承刚度改变引发振动 n（2）由滚动轴承运动副引发振动 n（3）滚动轴承元件固有频率 n（4）滚动轴承故障所产生振动（图2-21）n（5）与滚动轴承安装相关振动（图2-22、图2-23）设备故障的振动诊断技术介绍及其应用第69页图2-20设备故障的振动诊断技术介绍及其应用第70页图2-21设备故障的振动诊断技术介绍及其应用第71页设备故障的振动诊断技术介绍及其应用第72页设备故障的振动诊断技术介绍及其应用第73页五、滚动轴承故障诊疗n2滚动轴承振动信号拾取n 滚动轴承故障振动识别必须以轴承本身真实振动信号为依据。因为轴承异常所引发振动受轴旋转速度、轴承损伤部分形状以及轴承和外壳振动系统传递特征所左右。因而，在测取轴承振动信号时，不论测哪个方向振动信号，传感器都必须安置在轴承载荷区中心。同时，要注意信号传递通道影响，即必须考虑金属结构传递振动信号通道性质。因为传感器都放在轴承座外面，为了消除传递通道非线性影响，应确保在轴承与传感器之间直接传递路径，尽可能确保没有水套、填料及螺栓连接一类中间介质。传递通道中中间界面越多，对信号歪曲越大。最好只有一个轴承座圈和轴孔间界面。设备故障的振动诊断技术介绍及其应用第74页3滚动轴承振动故障诊疗n（1）概率密度函数法 n (2)谐振信号接收法 n（3）频谱分析法n 1)基频识别 n 2)谐频识别 n 3)倒频谱法 n（4）包络法 n (5）冲击脉冲法设备故障的振动诊断技术介绍及其应用第75页设备故障的振动诊断技术介绍及其应用第76页设备故障的振动诊断技术介绍及其应用第77页设备故障的振动诊断技术介绍及其应用第78页设备故障的振动诊断技术介绍及其应用第79页设备故障的振动诊断技术介绍及其应用第80页设备故障的振动诊断技术介绍及其应用第81页五、滚动轴承故障诊疗n4滚动轴承其它监诊疗方法 n（1）接触电阻法 n（2）光纤监测技术 设备故障的振动诊断技术介绍及其应用第82页设备故障的振动诊断技术介绍及其应用第83页设备故障的振动诊断技术介绍及其应用第84页设备故障的振动诊断技术介绍及其应用第85页六、齿轮箱故障诊疗 n1齿轮常见故障 n2齿轮传动装置动力特征 n3其它故障及其频率特征 设备故障的振动诊断技术介绍及其应用第86页设备故障的振动诊断技术介绍及其应用第87页设备故障的振动诊断技术介绍及其应用第88页设备故障的振动诊断技术介绍及其应用第89页设备故障的振动诊断技术介绍及其应用第90页设备故障的振动诊断技术介绍及其应用第91页