设备状态监测与故障诊断技术旋转机械故障诊断技术学习PPT教案.pptx

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第五章 旋转机械故障诊断技术,学习目标：,掌握,旋转机械典型故障,，,如,转子不平衡、转子不对中、共振、机械松动、转子摩擦、滑动轴承故障、转轴裂纹、流体动力激振、拍频振动等的,机理和特征,；,掌握,滚动轴承,故障诊断技术、,齿轮,故障诊断技术；,了解,电动机,故障诊断技术、,皮带驱动,故障诊断技术；,熟悉,利用,征兆,的故障诊断方法。,第一节 旋转机械典型故障的机理和特征,一、转子不平衡,不平衡是旋转机械,最常见,的故障。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,包括,：,转子,质量不平衡,、,转子偏心、,轴弯曲、,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，,不同原因,引起的转子不平衡故障规律相近，,但,也各有特点。,1,转子质量不平衡,力不平衡：,不平衡产生的振动幅值在,转子第一临界转速以下,随,转速的平方增大,。,例如,，,转速升高,1,倍，则振动幅值增大,3,倍,。在转子重心平面内只用一个,平衡修正重量,便可,修正,之。,力偶不平衡：,至少需在,两个修正平面,内放置平衡重量才能,修正,。,动不平衡：,动不平衡是不平衡的,最普遍,的类型，它是力不平衡,和,力偶不平衡,两者的,组合,。,悬臂转子不平衡：,悬臂转子不平衡包含,力不平衡,和,力偶不平衡,两者,。总是,必需要,在,两个修正面,内加以修正重量。,第一节 旋转机械典型故障的机理和特征,2,转子偏心：,皮带轮、齿轮、轴承和电动机框架等,旋转中心,与,几何中心线,偏离,时出现偏心。,最大的振动,出现在,两个转子中心,连线方向上。,3,轴弯曲：,弯曲的轴引起大的,轴向振动,，,如果,弯曲接,近轴的中部,，占优势的振动出现在,转子转速频率,，,如果,弯曲接近,力偶,，则占优势的振动出现在,2,倍转速频率,。用千分表可以证实轴的弯曲。在,汽轮发电机组,中，通常是在,盘车时,和,盘车后测量晃动度的大小来判断转子是否存在初始弯曲。,4,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,较大的不平衡。热弯曲引起的,振动一般与负荷,有关。,第一节 旋转机械典型故障的机理和特征,5,转子部件脱落,可以将部件脱落失衡现象看作对工作状态的转子的,瞬时阶跃响应,，,主要特征,是振动会突然发生变化而后趋于稳定，,振动幅值,一般,会有较明显的增大,，如果有在线监测系统的话将能捕捉到这一情况。为了,防止,脱落部件在惯性力作用下,飞出,使机体发生二次事故，必要时,应及时停机检修,。,6,转子部件结垢由于结垢需要一定长甚至,相当长的时间,，所以振动是随着年月逐渐增大的。,7,联轴器不平衡,通常是,联轴器两端轴承,的,振动,较大。,第一节 旋转机械典型故障的机理和特征,转子不平衡的总体振动特征：,通常是,水平方向刚度,较小,，,振动幅值,较大,；,轴心轨迹,成为,椭圆形,；,A,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,。同时会,出现,较小的高次谐波,，使整个频谱呈所谓的“,纵树形,”，如下图所示：,第一节 旋转机械典型故障的机理和特征,图,5.1,转子不平衡故障谱图,实例一：转子不平衡故障的诊断,波形为简谐波，少毛刺。,轴心轨迹为椭圆。,1,X,频率为主,。,轴向振动不大,。,振幅随转速升高而增大。,过临界转速有共振峰。,透平,风机,TO,TI,齿轮箱,1,X,频率(水平),1,X,频率(水平),1,X,频率(铅垂),1,X,频率(铅垂),轴向很小,轴向很小,图,5.00,风机传动示意图,某化纤公司聚酯装置一台,热媒加热炉燃烧风机,，,2002,年,9,月,26,日采集的,径向速度频谱图,中,转速频率占绝对优势,，是典型的,转子（叶轮）不平衡,信息，此时,振动幅值相对不大,，,无需修理,。,电机,风机,FI,MO,MI,FO,实例二：转子不平衡故障的诊断,图,5.2,燃烧风机传动示意图,热媒炉燃烧风机振动幅值,转速对照表,监测日期,9,月,26,日,10,月,22,日,10,月,29,日,11,月,25,日,转速频率,(Hz),28.44,42.66,32.06,29.42,转速,(RPM),1706,2560,1924,1765,振动幅值,(MM/S),4.7549,9.5339,6.1804,5.1166,本案例,利用状态监测与故障诊断技术指导工艺操作,，确保了设备安全稳定运行。同时它也充分印证了这一,理论：不平衡产生的振动幅值在转子第一阶临界转速以下随转速的平方增大,（注：转子产生的离心力,F=ME,2,，式中，,M,转子质量E,偏心距，,旋转角速度）。,10,月,22,日,振值出现大幅上升,，查频谱图得知,转速被调高,，因此分析这,很可能,是造成振动增大的,直接原因,；在满足工艺要求的前提下两次,调低转速,，结果,振值重又回落,。,实例二：转子不平衡故障的诊断,在,涤纶短纤维生产工艺流程,中有这样一台瓶颈设备,喂入机，,纤维丝束从喂入轮绕过，由于其结构和用途的特殊性，,喂入轮不平衡现象,频发。它们的共同,频谱特征,是：,喂入轮转速频率占绝对优势,。,电机,齿轮箱,喂入轮,实例三：转子不平衡故障的诊断,图,5.4,喂入机传动示意图,图,5.5,喂入机轮不平衡速度谱图,结合喂入轮实际特点，,引起,其,不平衡的诱因主要,有：制造误差，锈蚀，表面结垢，磨损引起的喂入轮轴系配合松动等。以前在检修时发现，由于操作人员经常,用水冲洗喂入轮,致其内部进水，其,安装螺栓,已经产生了,大量锈蚀,，再加之油剂等产生的工艺,杂质附着在喂入轮齿,形表面越积越厚,(,结垢,),，是造成喂入轮不平衡现象频发的,主要原因,。为此，已将其列为工艺处理注意事项，并要求操作人员利用缠辊等停机机会及时对喂入轮表面进行,清理,。,如果把上述,两个案例,放在一起来分析，我们会,发现,这样一个现象，那就是不管是,叶轮,还是,喂入轮,，它们都是,悬臂转子,，而且又都是,盘类零件,（注：叶轮也可以看作为盘类零件），,即,长径比小的零件,，这说明,悬臂转子和盘类零件可能更易出现不平衡,。,实例三：转子不平衡故障的诊断,二、不对中,旋转机械单转子系统,通常由,两个轴承,支承。由多个转子串接组成的复杂转子系统，转子与转子间用,联轴器,联接。因此转子不对中具有,两种含义,：,一是,指转子与转子间的联接不对中，,主要反映,在,联轴器的对中性,上；,二是,转子轴颈与两端,轴承,不对中。,电机,水泵,PO,MO,MI,PI,有资料表明现有企业在役设备,30%,50%,存在,不同程度的,不对中,，严重的不对中会,造成,设备部件的,过早损坏,，同时会,造成,能源的浪费,。典型不对中如图所示：,第一节 旋转机械典型故障的机理和特征,图,5.6,典型不对中示意图,后者,对滑动轴承来说，与轴承是否形成,良好的油膜,有,直接关系,。,滚动轴承的对中,（如电动机转子两端的轴承对中），,主要,是由于两端轴承座孔,不同轴,，以及轴承,元件损坏,，外圈,配合松动,，内圈,配合松动,，两端支座（对电动机来说是前后端盖）,变形,等，都会引起不对中。,有的机器,，如汽轮发电机之类的设备，在冷态（,未运转时,）情况下转子对中情况是,符合要求,的，一旦运转中,温度升高,就可能,发生热不对,中。此外，,地脚螺栓松动,，,基础下沉,（这一点对于新安装的设备尤其需要注意），,联轴器销孔磨损,等故障的存在也会,引发不对中,。,第一节 旋转机械典型故障的机理和特征,图,5-7转子不对中的基本形式,a),联轴器不对中；,b),轴承不对中；,c),带轮不对中,第一节 旋转机械典型故障的机理和特征,1,角向不对中,角向不对中的,特征,是,轴向振动大,。典型地出现,转速频率,和,2,倍转速频率,大的轴向振动。还,常见,转速频率,、,2,倍转速频率,和,3,倍转速频率,都,占优势,的情况。,如果,2,倍转速频率,或,3,倍转速频率,超过,转速频率的,30%,到,50%,，则可认为是存在角不对中。,这些,征兆,也指示联轴器故障。严重的角向不对中可激起转速频率的许多,阶谐波频率,。,第一节 旋转机械典型故障的机理和特征,2,平行不对中,平行不对中的振动征兆,类似,于角向不对中但是，,径向方向振动大,。,2,倍转速频率振动,往往,大于转速频率振动，联轴器的类型和结构决定,2,倍转速频率振动,相对,于转速频率振动的高度。,角向不对中或平行不对中,严重,时，可在,较高,谐振波频率,4,倍到,8,倍转速频率谐波,处出现大的振动，,甚至,出现类似于,机械松动,时出现的完整系列的高频谐波。,3,滚动轴承偏斜地固定在轴上,不对中的滚动轴承卡在轴上时，将产生明显的,轴向振动,。通常，必须卸下轴承并重新正确安装。,第一节 旋转机械典型故障的机理和特征,不对中的总体振动特征：,联轴器,不对中时,轴向振动较大,，振动幅值和相位稳定；,轴承,不对中时,径向振动较大,，,有可能,出现,高次谐波,，振动不稳定；,振动对负荷变化敏感。当负荷改变时，由联轴器传递的,扭矩,立即发生改变，如果联轴器不对中，则转子的振动状态也立即发生变化。由于,温度分布,的变化，轴承座的,热膨胀不均匀,而引起轴承不对中，使转子的振动也要发生变化。但由于热传导的,惯性,，振动的变化在时间上要比负荷的改变,滞后一段时间,。,转子径向振动出现,二倍频,，以,一倍频,和,二倍频,分量为主,，不对中,越严重,，,二倍频,所占比例,越大,；,相邻两轴承的,油膜压力,反方向变化,，一个油膜压力,变大,，另一个则,变小,；,典型的,轴心轨迹,为,香蕉形,，正进动；,第一节 旋转机械典型故障的机理和特征,图,5.8,典型不对中谱图,第一节 旋转机械典型故障的机理和特征,实例四：转子不对中故障的诊断,出现2,频率成分。,轴心轨迹成香蕉形或8字形。,振动有方向性。,轴向振动一般较大。,本例中，出现叶片通过频率。,1,X,频率,2,X,频率,叶片通,过频率,电机,水泵,PO,PI,MO,MI,不对中故障的影响和防治：,当转子存在不对中时，将产生一种,附加弯矩,，给轴承增加一种附加载荷，致使轴承间的负荷重新分配，形成,附加激励,，引起机组,强烈振动,，,严重时,导致轴承和联轴器损坏、地脚螺栓断裂或扭弯、油膜失稳、转轴弯曲、转子与定子间产生碰磨等严重后果，所以,及时预测处理不对中,故障对确保设备正常运行，,减少,事故损失十分重要。,由于不对中故障给设备使用与维修带来了诸多问题，多年来工程研究人员一直在,致力于,追求更加科学合理的联轴器找正技术。目前，,激光对中仪,已在一些大型设备的,安装,、,检修过程,中得到了广泛应用，并取得了显著的经济效益。,第一节 旋转机械典型故障的机理和特征,三、共振,强迫振动频率与系统的自然频率,一致时,出现共振，使振动幅值急剧放大，导致过早损坏或灾难性破坏。,这可能是,转子的自然频率,，也常常起源于支承框架、基础、齿轮箱甚至传动皮带。,如果转子处在或接近共振，由于很大的,相位漂移,，几乎,不可能,平衡掉。共振时相位漂移为,90,度，,通过共振,时相位漂移接近,180,度。,这往往需要提高或降低自然频率来改变自然频率。,自然频率通常,不随转速变化,，这一点有助于识别自然频率，,除非,在大型平面轴颈轴承机器或在有明显悬臂的转子上。,第一节 旋转机械典型故障的机理和特征,设备共振案例一,某聚酯圆盘反应器升负荷试验,从图中可以看到，特征频率均为电机,输出轴工频,，这一般为,电机转子不平衡,信息（后进行修理），从转速调升后出现的振值上升情况也基本可以验证这一判断。升速测试结果如表,5-3,所示：,图,5.9,圆盘反应器电机径向速度谱图,图,5.10,圆盘反应器电机径向位移谱图,设备共振案例一,某聚酯圆盘反应器升负荷试验,主轴转速调至,4.95rpm,时，,振动值非常大,；但调至5rpm,时，,振动值复又下降,。这说明，,4.95rpm,时的特征频率,17.82Hz,为机台一,共振频率,。,后来,通过对电机基础支架进行改造的方法来改变自然频率,，最终,解决,了共振的问题。,电机转速,电机,特征频率,主轴转速,Rpm,m,mm/s,Hz,Rpm,1035,163.35,13.567,17.25,4.8,1069.2,280,22,17.82,4.95,1080.6,208.09,16.416,18.01,5,表,5-3,圆盘反应器电机测试数据,设备共振案例二,某第二酯化反应器变速试验,测点位置,减速箱,高速部,低速部,监测日期,电机转速（,rpm,）,特征频率（,Hz振动幅值（,mm/s,）,振动幅值（,mm/s,）,7,月,24,日,811,13.52,1.5441,1.8903,8,月,27,日,1060,17.66,4.2431,3.6683,9,月,18,日,941,15.69,7.4702,6.8055,9,月,23,日,1026,17.10,4.9692,4.5487,9,月,25,日,1112,18.53,4.1409,3.9895,10,月,15,日,1112,18.53,3.8950,3.6090,11,月,4,日,1112,18.54,4.0098,3.5443,测试结果如下表所示，表明电机转速为,941rpm,时，存在一,共振频率,15.69Hz,。电机转速为,1112rpm,时，振动值在受控范围内，已避开共振点，故在此状况下使用。,四、机械松动,1,A,型机械松动,这种频谱是机器,底脚,、,底板,或基础的,结构,松动减弱,引起的，,或者,由基础上恶化的水泥浆、松动的,地脚螺栓,，,或者,框架，,或者,基础,变形,，,即,软脚,引起的。,A,型机械松动,第一节 旋转机械典型故障的机理和特征,B,型机械松动,2,B,型机械松动,这种频谱通常是由,螺栓,松动,，,框架结构,或,轴承座,裂纹,引起的。,主要,以,2,倍转速频率,为特征，幅值有时不稳定。振动,只有伴随,其它故障如,不平衡或不对中,时才有表现，此时要消除平衡或对中将很困难。,在,间隙达到,出现碰撞前，,振动主要,是,1,倍转速频率,和,2,倍转速频率,；出现碰撞后，振动将出现大量谐频。,第一节 旋转机械典型故障的机理和特征,3,C,型机械松动,这种频谱,通常是,由,零部件之间配合不良,引起的。将产生许多谐波频率，而且往往引起精确的,0.5,倍或,1.5,倍,转速频率等,亚谐波频率,。,C,型松动往往是由轴承衬套在其盖内,松动,，轴承松动和在轴上旋转，滑动轴承或滚动轴承,间隙过大,，,叶轮在轴上松动,等引起的。,C,型机械松动,第一节 旋转机械典型故障的机理和特征,C,型机械松动实例,转子系统松动故障的诊断,波形出现许多毛刺。,谱图中,噪声水平高,。出现精确2,X，3X,等成分，,最高,可达16,X。,松动结合面两边，振幅有明显差别。,电机,水泵,PO,PI,转速的精确,倍频成分,最高可出现,16,X,成分,噪声水平高,五、转子摩擦,当旋转件与静止件相接触时，转子摩擦产生,类似于,机械松动产生的频谱。摩擦可能是,局部的,，,也可能,是,整个转子一周都摩擦,。通常，产生,一系列频率,，,往往,激起一个或多个共振。,根据转子,自然频率的位置,，常常激起转速的,整分数倍亚谐波,频率,0.5,，,1,，,1.5,，,2,，,，,4.5,倍等。,转子摩擦,可激起许多高频类似于,粉笔在黑板上拖动产生的宽带噪声,，如果轴与巴氏合金相接触引起摩擦时，它可能非常严重，非常短促。整个轴圆周全部角度摩擦可产生“,反进动,”，,即,转子以临界转速频率回转，,但是,，方向与轴的,旋转方向相反,，这是一种可,导致灾难性破坏,的不稳定的振动。,第一节 旋转机械典型故障的机理和特征,典型的碰磨故障的波形和频谱如图,5.15,所示。,A G,（,f,）,O t,f,（,a,）波形 （,b,）频谱,图,5-15,转子碰摩的波形和频谱图,第一节 旋转机械典型故障的机理和特征,转子摩擦的总体振动特征,转子,失稳前,频谱丰富,，波形畸变，,轴心轨迹不规则变化,，正进动；,转子,失稳后,波形,严重畸变或削波,，,轴心轨迹发散,，反进动；,轻微摩擦,时同频幅值波动，,轴心轨迹带有小圆环,；,碰摩严重,时，各频率成分,幅值迅速增大,；,系统的,刚度增加,，临界转速区展宽，各阶振动的,相位发生变化,；,工作转速,下发生的,轻微摩擦振动,，其振幅随时间,缓慢变化,，,相位逆转动,方向旋转。,第一节 旋转机械典型故障的机理和特征,六、滑动轴承故障,1,磨损或间隙等故障,如图,5.16,所示。,滑动轴承磨损,后期的证据通常是出现一个,完整,的系列的转速频率谐波直到,10,阶,20,阶，破碎的滑动轴承常产生比水平方向振动大的垂直方向的振动，也,可能只有转速频率一个明显的尖峰。,间隙过大的滑动轴承,可让小的不平衡、不对中,引起,大的振动，如果轴承间隙调整达到规定的要求，则振动很小。,滑动轴承松动,会产生,1/2,倍、,1/3,倍等成分，并且随负荷变化较大。乌金脱落会产生,1/2,倍及其谐频，幅值小于松动谱。瓦块损坏会产生,1/3,倍涡动，调节油温有预防效果。,图,5.16,滑动轴承磨损,/,间隙过大频谱,（噪声水平说明间隙过大,/,松动）,第一节 旋转机械典型故障的机理和特征,2,油膜涡动和油膜振荡,当,转子,在滑动轴承轴瓦中转动时，在转子与轴瓦之间的,间隙中形成油膜,，,不但避免,了转子表面与轴瓦表面之间的直接接触，,减少,了两表面间的摩擦和动耗，,而且,同时油膜的流体动压力又使油膜具有承载能力。,当,油膜的,承载力与外载荷,平衡,时，转子处于平衡位置；,当转子,受到,某种外来扰动时，,转子中心,就会在静平衡位置附近发生,涡动,。,第一节 旋转机械典型故障的机理和特征,对于转子在外界偶然扰动下所发生的任一偏移，轴承油膜,除了,产生沿偏移方向的,弹性恢复力,以保持和外载荷平衡外，,还要,产生一垂直于偏移方向的,切向失稳分力,，这个失稳分力会驱动转子作,涡动运动,:,当阻尼力,大于,切向失稳分力时，这种涡动是,收敛的,，即转子在轴承内的转动是,稳定的,。,当切向分力,大于,阻尼力时，涡动是,发散的,，转子的运动是,不稳定的,，,产生,油膜振荡,。,介于,两者之间的是涡动轨迹为封闭曲线，,油膜涡动,就是这种情况。,油膜涡动是转子中心绕轴承中心转动的亚同步现象，其回转频率即,振动频率,约为,转子回转频率,的,一半,，所以常称为,半速涡动或半频涡动,。产生原因：,第一节 旋转机械典型故障的机理和特征,由于,在大多数情况下，轴瓦不旋转，,轴瓦表面,的,油膜速度,为,零,，转子,轴颈表面,的,油膜速度,与轴颈表面的速度,相同,。因此，在层流假设下，油膜的,平均周向速度,为轴颈表面速度的,一半,，即转子旋转时，油膜将以轴颈表面速度之,半的平均速度,环绕运动。,实际上，由于轴颈表面,比,轴瓦表面,光滑,及轴瓦与轴颈之间润滑油的,端泄,等因素的影响，一般涡动频率略小于转速的一半，约为转速的,0.400.48,倍（编者按：有些文献记载为,0.420.46倍），如下图所示。,图,5.17,油膜涡动不稳定,第一节 旋转机械典型故障的机理和特征,实际产生涡动频率约为：,流入,B,侧的流量分,成,3,部分：,A,侧流出部分,轴承两端泄露部分,油膜下不由于涡动,增加部分。,半速涡动。,第一节 旋转机械典型故障的机理和特征,一般说，转子的转速在,失稳转速,以,前,转动是平稳的，当达到失稳转速,后,即发生,油膜涡动,。随着转子转速的提高，油膜涡动的频率也提高，两者保持一个近乎不变的恒定比，即,约为,2,。,但是，当转子回转频率约为,其一阶临界转速,的,两倍时,，由于此时油膜涡动的涡动速度与转子的一阶临界转速相重合即产生,共振,，表现为,强烈的振动现象,，油膜可能不再具有支承能力，称为,油膜振荡,。,油膜振荡一旦发生之后，随着转子转速的提高，,涡动频率,就将,保持不变,，而且,等于,该转子一阶临界转速，,产生,以转子临界转速频率的,横向正进动亚谐波振动,。这是一种可导致灾难性破坏的固有的不稳定的振动。,第一节 旋转机械典型故障的机理和特征,油膜振荡的转速特性如图,5.18,所示。,（,a,）图表示失稳转速在,一阶临界转速,之,前,。,（,b,）图表示失稳转速在,一阶临界转速,之,后,，这两种情形的油膜振荡都在,稍高于,二倍临界转速,的某一转速时发生。,（,c,）图表示失稳转速在,二倍临界转速,之,后,，转速在,稍高于,二倍临界转速时，转子并没有失稳，直到比二倍临界转速高出,较多,时，转子才失稳；而,降速时,油膜振荡消失的,转速,要比升速时发生油膜振荡的转速,低,，表现出油膜振荡的一种“惯性”现象。,图,5.18,油膜振荡的转速特性,第一节 旋转机械典型故障 的机理和特征,油膜振荡的振动特征：,油膜振荡,总是发生在转速,高于,转子系统,一阶临界转速,的,2,倍,以上；,油膜振荡的频率,接近,转子的,一阶临界转速,，,即使,转速再升高，其频率基本不变；,油膜振荡时，转子的挠曲呈,一阶振型,；,油膜振荡时，振动的波形发生畸变，在工频的基波上,叠加,了,低频成分,，有时低频分量占主导地位，低频振动的幅值，轴承座振动可达,40m,以上，轴振动可达,100150m,以上，且振幅不稳，,轴心轨迹发散,；,油膜振荡时，转子涡动方向与转子转动方向,相同,，,轴心轨迹呈,花瓣形,，正进动；,第一节 旋转机械典型故障的机理和特征,油膜振荡的发生和消失具有,突然性,，并具有,惯性效应,，即,升速时,产生振荡的转速比,降速时,振荡消失的转速要,大,；,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,；,油膜振荡对,转速和油温,的变化,较敏感,，一般当机组发生油膜振荡时，随着,转速,的,增加,，振动不下降，随着转速的降低，振动也不立即消失，称为,滞后现象,；,提高,进油温度，振动一般有所,降低,；,轴承,载荷,越小,或,偏心率,越小,，,越易,发生,油膜振荡,。,第一节 旋转机械典型故障的机理和特征,油膜振荡的预防和消除,对于石化企业，油膜振荡是,空气压缩机,等大型机组需要重点防范的问题。为了预防和消除油膜振荡，可以根据转子系统的实际情况采取以下若干措施：,消除油膜振荡的诱发因素,：,改善,转子的,平衡状态,，,限制,振幅放大因子,；,消除,转子,不对中,故障，,限制,低次谐波分量,；,保证,轴承的,结构参数,，,防止,轴承工作状态恶化；,消除,动静间隙不均匀,，,限制,非线性激振力。,改变轴承参数,：,提高,轴承,比压,；,降低润滑油粘度,；,使轴承,相对间隙,处于,最佳范围,。,改变轴承型号,：根据轴承类型和结构尺寸的不同，每种轴承都有其,稳定工作的范围,。,增加转子系统刚度,，,提高,转子系统的,临界转速,，转子,固有频率,越高,，发生油膜振荡的失稳转速也,越高,。,第一节 旋转机械典型故障的机理和特征,实例：带滑动轴承的机械的频谱特点,不对中,松动引起的谐波,不平衡,油膜涡动、碰摩,0 2,4 6 8 10 12 14,FREQUENCY IN ORDER,七、转轴裂纹,（转轴裂纹的总体振动特征）,各阶临界转速,较,正常时要,小,，,尤其,在,裂纹,严重,时；,由于裂纹,造成,刚度,变化,且,不对称,，转子的共振转速,扩展,为一个区；,裂纹转子轴系在,强迫响应,时，一次分量的,分散度,比,无裂纹时,大,；,转速,超过,临界转速,后，一般各高阶谐波振幅,较,未超过时,小,；,恒定转速下，,各阶谐波幅值,1,倍，,2,倍和,3,倍及其相位不稳定，,且,尤以,2,倍突出,；,裂纹引起,刚度不对称,，,使,转子,动平衡,发生困难，往往多次试重也,达不到,所要求的,平衡精度,。,第一节 旋转机械典型故障的机理和特征,八、流体动力激振,泵,、,风机,和,压缩机,统称为,流体动力机械,，它们在通用设备中占有,重要地位,，因此有必要对其异常的振动形式,流体动力激振作一讨论。,在流体动力机械中，,叶片通过频率,（转子,叶片通过频率,或,静子,叶片通过频率）总是有的，通常不成为故障。,然而,，如果泵中旋转叶片和静止的扩压器之间的,间隙,在圆周方向上,不均匀,，那么可能,产生,大幅值的叶片通过频率,及其,谐波频率,，如图所示。,图,5.19,流体动力激振,第一节 旋转机械典型故障的机理和特征,而且,，有时,叶片通过频率或其谐波频率,与,系统的某,自然频率,一致,，即,产生大的振动,。,如果,叶轮摩擦环,卡住,轴承,，或者焊接固定的,扩压器叶片,损坏,，则,可能产生,大的,叶片通过频率振动,。,管道,的突然弯曲、妨碍流体流动的,障碍物、阻尼器,或者如果泵或风机转子与其壳体,中心不重合,都会,引起,叶片通过频率的大的振动,。,图,5.19,流体动力激振,第一节 旋转机械典型故障的机理和特征,1,紊流（又称旋转失速）,紊流,时压缩机叶片,受到,一种周期性的,激振力,，如紊流的频率与叶片的,固有频率,相吻合,，则将引起,强烈振动,，使叶片疲劳损坏,造成,事故。,几种特别的流体动力激振形式：,紊流,、,喘振,、,气穴,、,涡动,等,图,5.20,紊流,第一节 旋转机械典型故障的机理和特征,旋转失速,发生在压气机上；,振动幅值,随,出口压力,的增加,而,增加；,振动发生在,流量减小,时，且随着,流量的减小,而增大,；,振动频率与,工频之比,为,小于,1,的常值,；,转子的轴向振动,对,转速和流量,十分敏感,；,一般,排气端的振动,较大,；,排气压力有,波动现象,；,机组的,压比有所下降,，,严重时,压比突降,。,紊流的振动特征：,第一节 旋转机械典型故障的机理和特征,2,喘振,紊流,使压气机中的流动情况恶化，,压比下降,，流量及压力随时间波动。,在一定转速下，当入口流量减少到某一值,Q,min,时，机组会产生,强烈的紊流,。强烈的紊流会进一步,引起,整个压缩机组系统,的一种危险性更大的不稳定的气动现象，,即,喘振。,第一节 旋转机械典型故障的机理和特征,压缩机,总是和,管网,联合工作的。为了保证一定的流量通过管网，,必须维持,一定,压力,，用来克服管网的,阻力,。,机组正常工作时的,出口压力是与管网阻力,相平衡,的。,但,当压缩机的流量减少到某一值,Q,min,时，出口压力会很快,下降,，然而由于,惯性作用,，管网中的压力,并不马上降低,，于是，,管网中的气体压力,反而大于,压缩机的出口压力,，因此，管网中的气体就,倒流回,压缩机,，一直到管网中的压力,下降到,低于压缩机出口压力,为止。,这时，压缩机又,开始,向管网供气，压缩机的,流量增大,，,恢复到,正常的工作状态。,但,当管网中的压力,又回到原来,的压力时，压缩机的流量,又减少,，系统中的流体又倒流。如此周而复始产生了气体,强烈的低频脉动现象,喘振,。,第一节 旋转机械典型故障的机理和特征,喘,振,的,振,动,特,征,诊断对象,为压气机组或其它带长导管、容器的流体动力机械；,振动发生时，机组的,入口流量,小于相应转速下的最小流量；,振动的频率一般在,0-10Hz,之内，也可能出现随机的,宽带高频振动,（见图,5-20,）；,机组及与之相连的管道都发生,强烈振动,；,有,倒流,现象；,出口压力（压力表）呈,大幅度的波动,；,机组的功率（表指针）呈,周期性的变化,；,振动前有,失速现象,；,振动时有,周期性的吼叫声,；,机组的,工作点,在喘振区（或附近）。,第一节 旋转机械典型故障的机理和特征,3,气穴,气穴通常指示进口,压力不够,、,缺乏流体,的现象。如果不采取措施排除，气穴对泵内部可能十分有害，它可能局部侵蚀叶轮的叶片。,存在气穴时，常常发出象“,卵石,”通过泵时的,声音,。气穴通常是,进口流量,不够引起的，可能这次测量时出现，下次测量时没有了，如果改变进口阀门的设定的话。,气穴通常产生随机的较高,频率宽带,能量，有时叠加叶片通过频率的,谐波频率,。如图所示：,图,5.21,气穴频谱,第一节 旋转机械典型故障的机理和特征,迷宫密封是一种常见的,密封形式,。当转子因挠曲、偏磨、安装偏心或旋转产生涡动运动时，,密封腔内,周向的,间隙不均匀,，即使密封腔内,入口处,的,压力周向分布是均匀,的，在该腔的出口处却形成了,不均匀的周向压力,分布形成了一个作用于,转子上的合力,，此力在与转子偏心位移,相垂直方向,上的,切向分力相互作用,，就将激励转子作,进一步的涡动,，成为转子一个不稳定的激励力，可能,导致转子失稳,。,失稳时的频率因不同的,气体状态,及迷宫,几何形状,而不相同。,4,迷宫密封气流激振（涡动）,第一节 旋转机械典型故障的机理和特征,迷宫密封气流涡动的振动特征：,涡动频率一般为,0.6,0.9,倍工频；,轴心轨迹,呈椭圆形，正进动,；,强振时有可能激发转子的,一阶自振频率,，表现为自激振动；,转速,存在一个“,阀门值,”，在其值附近可导致,强烈振动,；,负荷,也存在一个“,阀门值,”，在其值附近可导致,强烈振动,；,强振时的主频为转子的,一阶固有频率,，频带较宽；,振动的,再现性强,；,一般在,转子不平衡,、,不对中,、,偏心,时易发生。,第一节 旋转机械典型故障的机理和特征,振动频率为,0.60.9,倍工频；,转子有偏心弯曲造成的,间隙不均,；,振动对,气流压力,、,流量的改变非常敏感,；,负荷,存在一个“,阀门值,”，在其值附近可导致,剧烈振动,；,在一个由多个转子组成的轴系中，气流涡动,常发生,在,气流压力高,的转子上，如在汽,轮发电机组,中，,蒸汽振荡,主要发生于高压转子。,5,不均匀气流涡动,（,不均匀气流涡动的振动特征,）,第一节 旋转机械典型故障的机理和特征,九、拍频振动,拍频振动简称拍振，是,两个频率非常接近,、振幅近似相同的,简谐波叠加,时，彼此同步进入和退出的结果。,宽带频谱通常将表示为一个,尖峰脉冲幅值,上下波动。,当对这个尖峰进行细化谱分析时，发现实际上有两个,很靠近的尖峰,，这,两个尖峰频率之差就是拍振,。在平常频率范围的测量中常常看不到这个拍频，因为拍频都是,低频的,。,第一节 旋转机械典型故障的机理和特征,右图中，两简谐波的合成包络波形即,拍振,，其振幅随时间作,周期性的缓慢变化,，在宽带频谱中显示其本身，并且当一个频率的时域波形与另一个频率的时域波形,同相位,进入时产生,最大振动,，而当这两个频率,相位差,180,度时产生,最小振动,。,第一节 旋转机械典型故障的机理和特征,扬州某石油化工厂主压缩机组在,超负荷,20%,工作条件下运转时，整体出现,较强噪音,，噪音体现为,低频的“嗡,嗡”声和高频的连续噪音,。测点布置如图,5.23,所示：,实例：拍频振动,P1 P4 P6 P9 P12 P15 P18,P2 P3 P5 P7 P8 P10 P11 P13 P14 P16 P17 P19 P20,电机 增速器 压缩机,图,5-23,扬州某石油化工厂主风机测点布置图,P4,测点的时,/,频域波形如图所示。从电机机身水平及,垂直方向,拾取的振动数据分析，“嗡,嗡”噪音的振动频率应为,1Hz,，其振动是由于电机的,电磁力矩频率,（,99.9Hz,）与,电机转子旋转频率的二倍频,（,98.9Hz,）之间形成的一种,拍频振动,现象。第一节 旋转机械典型故障的机理和特征,分析引起拍频的,原因,，,一是,电机转子与定子间,气隙不均匀,、,磁场中心偏移,、,定子绕组松动,、,转子断条,等造成磁场不平衡，,引起,电磁力矩,加大，,二是,转子的,不平衡,、,不对中,、,弯曲,引起,转子旋转频率的二倍频成分振动,增大。,解决方案,一是,对转子,做,动平衡,、,矫直,，,调整对中,，,二是,检查,定子绕组及转子鼠,笼条,，,调整,定子,、转子,同心,等。,第一节 旋转机械典型故障的机理和特征,十、机器软,脚,及与之相关的共振,1,软脚,固定螺栓松动到可以用,手动拧紧程度,，机器的底脚大大,翘曲,，这时便出现软脚。这不总是会引起大的振动增大。然而，如果软脚影响了对中或电动机气隙、同心度，则会引起,明显的振动增大,。,2,弹性脚,弹性脚会,引起,大的,框架变形,，,导致,振动和力增大，框架中轴承座等应力增大。在试图调整底脚水平度时，强制把弹性脚的,固定螺栓向下拧紧,，会出现这种情况。,3,相关脚,与把固定螺栓或螺栓,组合,松开到,可,手动拧紧程度,时相比较，相关脚的共振可以使振动幅值剧烈,增大,五倍,到,十倍,甚至,更大,。拧紧时，这个固定螺栓可,明显改变,该底脚或机器框架本身的,自然频率,。,第一节 旋转机械典型故障的机理和特征,第二节 滚动轴承故障诊断技术,有资料显示仅有,10%,20%,的轴承达到或接近设计寿命。其余部分因为如下各种原因,达不到设计寿命,：,润滑不当,，使用错误的润滑剂；润滑剂或轴承内,混入赃物或杂质,；,运输或存放不当,；,选型不当,、安装错误等。,总体来讲，滚动轴承异常的,基本形式,有,六种,。,一、滚动轴承异常的基本形式,1,疲劳剥落,在滚动轴承中，滚道和滚动体表面,既承受载荷,，,又相对滚动,。由于交变载荷的作用，,首先,在表面一定深度处形成,裂纹,，,继而,扩展到使,表层形成剥落坑,，,最后,发展到,大片剥落,。这种疲劳剥落现象造成了运行时的冲击载荷，使振动和噪声加剧。,2,磨损,滚道和滚动体间的相对运动及杂质异物的侵入都引起,表面磨损,，润滑不良加剧了磨损。磨损导致轴承,游隙增大表面粗糙，,降低了,机器运行精度，,增大了,振动和噪声。,3,塑性变形,轴承因受到,过大的,冲击载荷,、,静载荷,、落入硬质异物等在滚道表面上形成凹痕或划痕，而且一旦有了压痕，压痕引起的,冲击载荷,会进一步使邻近表面剥落。由载荷的累积作用或短时超载会引起轴承的,塑性变形,。,第二节 滚动轴承故障诊断技术,4,腐蚀,润滑油、水或空气中水分,引起,表面锈蚀,，轴承内部有较大电流通过,造成,的,电腐蚀,，以及轴承套圈在座孔中或轴颈上微小相对运动,造成,的,微振腐蚀,。,5,断裂,常因载荷过大或疲劳引起轴承零件,破裂,。热处理、装配引起的,残余应力,，运行时的,热应力,过大,也会引起断裂。,6,胶合,在润滑不良，,高速重载,下，,由于,摩擦发热,，轴承零件可以在极短时间内达到,很高的温度,，,导致,表面烧伤,，或某处表面上的金属粘附到另一表面上。,第二节 滚动轴承故障诊断技术,二、滚动轴承的振动诊断方法,1,有效值和峰值判别法,有效值,适用于,磨损,这类异常，但,不宜用于,剥落、压痕,这类具有,瞬变冲击振动,的异常，此时峰值比有效值适用。,2,峰值因数法,优点,是不受轴承,尺寸,、,转速,、,负荷,的影响，也不受振动信号绝对水平的影响，但这种方法对,磨损,这类异常几乎无检出能力。,3,概率密度分析法,轴承,由于,磨损,、疲劳、,腐蚀,、断裂、压痕、,胶合,等因素会使轴承振幅,增大,，振动谐波增多，高密度区增高，而两旁的,低密度区,向外,扩展,。此时利用峭度作为诊断特征量将很有效。,4,低频信号接收法,直接测量因,精加工表面形状误差,或,疲劳剥落,而出现的,脉冲频率,。由于,很难发现,轴承早期故障，仅在简单机器中采用。,第二节 滚动轴承故障诊断技术,5,中频带通滤波法,设定相应,带通滤波频带,，检测轴承外环,一阶径向固有振动频率,，根据其出现与否作出诊断。,6,谐振动信号接收法,此法以（,3040,）,kHz,作为监测频带，,捕捉,轴承其它元件的,固有振动信号,作为诊断依据。此法对,传感器频响特性,要求很高,。值得一提的是，合理利用加速度传感器系统的一阶谐振频率作为监测频带，