振动分析基础和典型机械故障诊断.ppt

典型机械故障的典型机械故障的振动分析及诊断振动分析及诊断 振动的基本概念振动的基本概念 惯性力 阻尼力 弹性力 干扰力表征振动的三个要素：表征振动的三个要素：振动幅值、频率（周期）、相位振动幅值、频率（周期）、相位 有阻尼的强迫振动及其特性有阻尼的强迫振动及其特性W/WoW/Wo现场设备实际的振动波形现场设备实际的振动波形 振动信号的采集与处理振动信号的采集与处理快速富里叶分析(FFT)原理用振动分析方法监测设备状态用振动分析方法监测设备状态分析方法分析方法n幅值分析：振动总值（振动水平、列度）、变化幅值分析：振动总值（振动水平、列度）、变化趋势、机械动态特性趋势、机械动态特性n频谱分析：引起设备振动原因的具体分析频谱分析：引起设备振动原因的具体分析n相位分析：设备振动原因的进一步确认、共振相位分析：设备振动原因的进一步确认、共振（相频特性）、动平衡分析（相频特性）、动平衡分析n波形分析：振动总值（峰值、峰峰值波形分析：振动总值（峰值、峰峰值）、周期、）、周期、拍节拍节n峰值能量谱分析：轴承、齿轮峰值能量谱分析：轴承、齿轮振动分析的过程：振动分析的过程：问诊问诊 监测监测 诊断诊断 措施措施问诊：问诊：了解设备背景，列出可能引起振动的原因了解设备背景，列出可能引起振动的原因 设设备备结结构构（传传动动链链参参数数，如如齿齿轮轮齿齿数数、轴轴承承型型号号、皮皮带带轮轮直直径径 等）、设备的动态特性等信息等）、设备的动态特性等信息;设备运行工况，过程参数：温度、压力、转速、负荷设备运行工况，过程参数：温度、压力、转速、负荷设备维修档案设备维修档案监测监测:确定振动监测和分析方案确定振动监测和分析方案 测试的工况（转速、负荷）；测点位置；测试参数（振动位移、测试的工况（转速、负荷）；测点位置；测试参数（振动位移、速度、加速度）；绝对振动、相对振动速度、加速度）；绝对振动、相对振动测试振动的方向（测试振动的方向（H/V/AH/V/A）数据类型（幅值、频谱、波形、相位）数据类型（幅值、频谱、波形、相位）信号检测类型：峰值、峰峰值、有效值信号检测类型：峰值、峰峰值、有效值振动分析的过程：振动分析的过程：问诊问诊 监测监测 诊断诊断 措施措施诊断：诊断：引起振动的原因和部位引起振动的原因和部位 振动幅值趋势分析振动幅值趋势分析 振动波形识别振动波形识别频谱分析、峰值能量谱分析频谱分析、峰值能量谱分析 频响特性与相干分析频响特性与相干分析瞬时频率变化与相位分析瞬时频率变化与相位分析措施：措施：给出结论给出结论 继续运行；还能运行多久继续运行；还能运行多久?维修、检查；部位维修、检查；部位?不同设备故障的振动特点不同设备故障的振动特点常常 见见 的的 设设 备备 故故 障障不不 平平 衡衡偏偏 心心 转转 子子轴轴 弯弯 曲曲不不 对对 中中松松 动动转子与定子摩擦转子与定子摩擦滑滑 动动 轴轴 承承滚滚 动动 轴轴 承承齿齿 轮轮 故故 障障 力不平衡 力偶不平衡 动不平衡 悬臂转子不平衡 角不对中 平行不对中 轴承不对中 联轴节故障 结构框架/底座松动 轴承座松动 轴承等部件松动 齿轮磨损 齿轮偏心 齿轮不对中质质 量量 不不 平平 衡衡A A同同频频占占主主导导，相相位位稳稳定定。如如果果只只有有不不平平衡衡，1X1X幅幅值值大大于于等等于于通通频频幅幅值值的的8080，且且按按转转速速平方增大。平方增大。通通常常水水平平方方向向的的幅幅值值大大于于垂垂直直方方向向的的幅幅值值，但通常不应超过两倍。但通常不应超过两倍。同一设备的两个轴承处相位接近。同一设备的两个轴承处相位接近。水平方向和垂直方向的相位相差接近水平方向和垂直方向的相位相差接近9090度。度。典型的频谱 相位关系力力 不不 平平 衡衡质质 量量 不不 平平 衡衡B B 典型的频谱 相位关系力力 偶偶 不不 平平 衡衡同同频频占占主主导导，相相位位稳稳定定。振振幅幅按按转转速速平平方方增大。需进行双平面动平衡。增大。需进行双平面动平衡。偶偶不不平平衡衡在在机机器器两两端端支支承承处处均均产产生生振振动动，有时一侧比另一侧大有时一侧比另一侧大较较大大的的偶偶不不平平衡衡有有时时可可产产生生较较大大的的轴轴向向振振动。动。两支承径向同方向振动相位相差两支承径向同方向振动相位相差180180。质质 量量 不不 平平 衡衡C C动不平衡是前两种不平衡的合成结果。动不平衡是前两种不平衡的合成结果。仍是同频占主导，相位稳定。仍是同频占主导，相位稳定。两支承处同方向振动相位差接近两支承处同方向振动相位差接近 典型的频谱 相位关系动动 不不 平平 衡衡质质 量量 不不 平平 衡衡悬悬臂臂转转子子不不平平衡衡在在轴轴向向和和径径向向都都会会引引起起较较大大1X1X振动。振动。轴向相位稳定，而径向相位会有变化。轴向相位稳定，而径向相位会有变化。悬悬臂臂式式转转子子可可产产生生较较大大的的轴轴向向振振动动，轴轴向向振振动动有时甚至超过径向振动。有时甚至超过径向振动。两支承处轴向振动相位接近。两支承处轴向振动相位接近。往往是力不平衡和力偶不平衡同时出现往往是力不平衡和力偶不平衡同时出现 典型的频谱 相 位 关 系悬悬 臂臂 转转 子子 不不 平平 衡衡 偏偏 心心 转转 子子当当旋旋转转的的皮皮带带轮轮、齿齿轮轮、电电机机转转子子等等有有几几何何偏偏心心时时，会会在在两两个个转转子子中中心心连连线线方方向向上上产产生生较较大大的的1X1X振振动动；偏偏心心泵泵除除产产生生1X1X振振动动外外，还还由由于于流流体体不不平平衡会造成叶轮通过频率及倍频的振动。衡会造成叶轮通过频率及倍频的振动。垂直与水平方向振动相位相差为垂直与水平方向振动相位相差为0 0或或180180。采用平衡的办法只能消除单方向的振动。采用平衡的办法只能消除单方向的振动。典型的频谱 相 位 关 系 轴轴 弯弯 曲曲振振动动特特征征类类似似动动不不平平衡衡，振振动动以以1X1X为为主主，如如果果弯弯曲曲靠靠近近联联轴轴节节，也也可可产产生生2X2X振振动动。类类似似不不对对中中、通通常常振振幅幅稳稳定定，如如果果2X2X与与供供电电频频率率或或其其谐谐频频接接近近，则则可可能能产产生生波动。波动。轴向振动可能较大，两支承处相位相差轴向振动可能较大，两支承处相位相差180180度。度。振动随转速增加迅速增加，过了临界转速也一样。振动随转速增加迅速增加，过了临界转速也一样。典型的频谱 相位关系不不 对对 中中有有资资料料表表明明现现有有企企业业在在役役设设备备30305050存存在在不不同同程程度度的的不不对对中中，严严重重的的不不对对中中会会造造成成设设备备部部件件的的过过早早损损坏坏，同同时时会会造造成成能能源源的的浪浪费。费。不不对对中中既既可可产产生生径径向向振振动动，又又会会产产生生轴轴向向振振动动；既既会会造造成成临临近近联联轴轴节节处处支支承承的的振振动动，也也会会造造成成远远离离联联轴轴节节的的自自由由端端的的振振动动。不不对对中中易易产产生生2X2X振振动动，严严重重的的不不对对中中有有时时会会产产生生类类似松动的高次谐波振动。似松动的高次谐波振动。相位是判断不对中的最好判据。相位是判断不对中的最好判据。不不对对中中A A角角不不对对中中产产生生较较大大的的轴轴向向振振动动，频频谱谱成成分分为为1X1X和和2X2X；还常见还常见1X1X、2X2X或或3X3X都占优势的情况。都占优势的情况。如如果果2X2X或或3X3X超超过过1X1X的的3030到到5050，则则可可认认为为是是存在角不对中。存在角不对中。联轴节两侧轴向振动相位相差联轴节两侧轴向振动相位相差180180度。度。典型的频谱 相位关系角角 不不 对对 中中不不对对中中 B B 典型的频谱 相 位 关 系平平 行行不不 对对 中中平平行行不不对对中中的的振振动动特特性性类类似似角角不不对对中中，但但径向振动较大。径向振动较大。频频谱谱中中2X2X较较大大，常常常常超超过过1X1X，这这与与联联轴轴节节结构类型有关。结构类型有关。角角不不对对中中和和平平行行不不对对中中严严重重时时，会会产产生生较较多谐波的高谐次（多谐波的高谐次（4X8X4X8X）振动。振动。联轴节两侧相位相差也是联轴节两侧相位相差也是180180度。度。不不对对中中 C C轴轴承承不不对对中中或或卡卡死死将将产产生生1X,1X,2X2X轴轴向向振振动动，如如果果测测试试一一侧侧轴轴承承座座的的四四等等分分点点的的振振动动相相位位，对对应两点的相位相差应两点的相位相差180180度。度。通通过过找找对对中中无无法法消消除除振振动动，只只有有卸卸下下轴轴承承重重新新安装。安装。典型的频谱 相位关系轴轴 承承 不不 对对 中中不不对对中中 D D如如果果联联轴轴节节的的短短节节过过长长或或过过短短，通通常常会会产产生生明明显显的的3X3X振动。振动。齿齿型型联联轴轴节节卡卡死死会会引引起起轴轴向向和和径径向向振振动动，通通常常轴轴向向大大于于径径向向，频频谱谱以以1X1X为为主主，兼兼有有其其它它谐谐频频，也也有有出出现现4X4X为主的实例。为主的实例。振动随负荷而变，振动随负荷而变，1X1X明显。明显。松松动动的的联联轴轴节节将将引引起起啮啮合合频频率率及及叶叶片片通通过过频频率率的的振振动动，其周围分布其周围分布1X1X旁瓣。旁瓣。联联 轴轴 节节 故故 障障 对 中 不 良 设 备 的 轴 心 轨 迹机机 械械 松松 动动松动本身不是纯粹松动本身不是纯粹 的故障，不会直接的故障，不会直接 产生振动，但它可产生振动，但它可 放大故障的作用。放大故障的作用。A 结 构 框 架 或 底 座 松 动B 轴 承 座 松 动C 轴 承 等部 件 配 合松 动A.结 构 框 架/底 座 松 动振动特征振动特征:类似不平衡或不对中，频谱主要以类似不平衡或不对中，频谱主要以1X1X为主。为主。振动具有局部性，只表现在松动的转子上。振动具有局部性，只表现在松动的转子上。同轴承径向振动垂直，水平方向相位差同轴承径向振动垂直，水平方向相位差0 0或或180180度。度。底板连接处相邻结合面的振动相位相差底板连接处相邻结合面的振动相位相差180180度。度。如如果果轴轴承承紧紧固固是是在在轴轴向向，也也会会引引起起类类似似不不对对中中的的轴轴向向振动。振动。包括如下几方面的故障 支脚、底板、水泥底座松支脚、底板、水泥底座松动动/强度不够；强度不够；框架或底板变形；紧固螺框架或底板变形；紧固螺丝松动。丝松动。B.由于结构/轴承座晃动或开裂引起的松动振动特征振动特征:主要以主要以2X2X为特征为特征(主要是径向主要是径向2X2X超过超过1X1X的的50%)50%)幅值有时不稳定幅值有时不稳定振振动动只只有有伴伴随随其其它它故故障障如如不不平平衡衡或或不不对对中中时时才才有有表表现现，此时要消除平衡或对中将很困难。此时要消除平衡或对中将很困难。在在间间隙隙达达到到出出现现碰碰撞撞前前，振振动动主主要要是是1X1X和和2X2X；出出现现碰碰撞撞后，振动将出现大量谐频。后，振动将出现大量谐频。包括如下几方面的故障 结构或轴承座开裂结构或轴承座开裂 支承件长度不同引起的晃动支承件长度不同引起的晃动 部件间隙出现少量偏差时部件间隙出现少量偏差时(尚尚无碰撞无碰撞)紧固螺丝松动。紧固螺丝松动。C.轴承在轴承座内松动或部件配合松动振动特征振动特征:常常常常出出现现大大量量的的高高次次谐谐频频，有有时时10X10X，甚甚至至20X20X，松松动动严严重重时时还还会会出出现现半半频频及及谐谐频频 (0.5X,(0.5X,1.5X.)1.5X.)成成分。分。半频及谐频往往随不平衡或不对中等故障出现。半频及谐频往往随不平衡或不对中等故障出现。振动具有方向性和局部性。振动具有方向性和局部性。振动幅值变化较大，相位有时也不稳定。振动幅值变化较大，相位有时也不稳定。包括如下几方面的故障轴承在轴承座内松动轴承在轴承座内松动轴承内圈间隙大轴承内圈间隙大轴承保持架在轴承盖内松动轴承保持架在轴承盖内松动轴承松动或与轴有相对转动轴承松动或与轴有相对转动转 子 摩 擦转子在转动过程中与定子的摩擦会造成严重的设备故障转子在转动过程中与定子的摩擦会造成严重的设备故障在在摩摩擦擦过过程程中中,转转子子刚刚度度发发生生改改变变从从而而改改变变转转子子系系统统的的固固有有频频率率,可能造成系统共振。可能造成系统共振。往往往往会会激激起起亚亚谐谐波波振振动动(1/2X,(1/2X,1/3X.),1/3X.),严严重重时时出出现现大大量量的的谐谐频频(1/2X,1.5X,2.5X.)(1/2X,1.5X,2.5X.)，并伴随有噪音。并伴随有噪音。轴径和滑动轴承钨金干摩轴径和滑动轴承钨金干摩电动机转子与定子接触电动机转子与定子接触叶轮与扩压器口接触叶轮与扩压器口接触汽轮机叶片与静叶汽轮机叶片与静叶严严 重重 摩摩 擦擦轻轻 微微 摩摩 擦擦轴与汽封摩擦轴与汽封摩擦联轴器罩摩轴联轴器罩摩轴皮带摩擦皮带罩皮带摩擦皮带罩叶片摩擦外罩叶片摩擦外罩 典型的摩擦波形 润 滑 油 不 足 引 起 的 频 谱滚 动 轴 承有有资资料料显显示示仅仅有有10102020的的轴轴承承达达到到或或接接近近设设计计寿寿命命.其其余余部部分分因因为为如如下下各各种原因达不到设计寿命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.振振动动监监测测的的最最终终目目的的是是通通过过跟跟踪踪轴轴承承状状态态了了解解何何时时需需要更换轴承要更换轴承.位位移移：不不易易用用于于轴轴承承的的监测。监测。加加速速度度：可可早早期期发发现现轴轴承承的的故故障障征征兆兆，应应与与速速度联用。度联用。使用包络技术或使用包络技术或gSEgSE监 测 参 数 的 选 择第一阶段第一阶段：轴轴承承故故障障出出现现在在超超声声段段2020 60KHz,60KHz,它它们们可可用用gSEgSE、高高频频(HFD)g(HFD)g来来测测量量、评评定定。例例如如：某某轴轴承承在在第第一一阶阶段段的的尖尖峰峰能能量量值值为为0.25gSE(0.25gSE(实实测测数数值值与与测试位置和机械转速有关测试位置和机械转速有关)。第二阶段第二阶段：轻轻微微的的轴轴承承故故障障开开始始“敲敲击击”出出轴轴承承元元件件的的固固有有频频率率段段，一一般般在在5005002KHz2KHz范范围围内内；本本阶阶段段后后期期表表现现为为，在在固固有有频频率率 附附 近近 出出 现现 边边 频频（例例：0.25gSE 0.25gSE 0.5gSE 0.5gSE）滚 动 轴 承 故 障 谱 特 征(1)第三阶段第三阶段：轴轴承承出出现现磨磨损损故故障障频频率率和和谐谐波波出出现现；磨磨损损发发展展时时出出现现更更多多故故障障频频率率谐谐波波，并并且且边边带带数数目目增增多多，振振动动尖峰能量值继续增大。尖峰能量值继续增大。第四阶段：第四阶段：这这一一阶阶段段甚甚至至影影响响1X1X分分量量，并并引引起起其其它它倍倍频频分分量量2X2X、3X3X等等的的增增大大。轴轴承承故故障障频频率率和和固固有有频频率率开开始始“消消失失”被被随随机机振振动动或或噪噪音音代代替替，高高频频量量和和尖尖峰峰能能量量值值很大。很大。滚 动 轴 承 故 障 谱 特 征(2)滚 动 轴 承 故 障 频 谱滚 动 轴 承 故 障 前 后gSE 谱滑滑 动动 轴轴 承承滑滑动动轴轴承承摩摩擦擦后后期期通通常常出出现现一一系系列列倍倍频成分（多达频成分（多达10X10X20X20X）。）。老老的的滑滑动动轴轴承承往往往往产产生生垂垂直直方方向向比比水水平方向振幅更大的振动。平方向振幅更大的振动。间间隙隙过过大大的的滑滑动动轴轴承承可可能能会会导导致致不不平平衡、不对中等引起的振动更大。衡、不对中等引起的振动更大。摩擦/间隙过大的频谱油膜振荡松松动动，1/2X,1/2X,1/3X1/3X等等成成分分，随负荷变化较大随负荷变化较大乌乌金金脱脱落落，1/2X1/2X及及谐谐频频，幅值小于松动谱幅值小于松动谱瓦瓦块块损损坏坏，1/3X1/3X涡涡动动，调调油温有效油温有效滑 动 轴 承 损 坏 及 松 动 频 谱齿齿 轮轮 故故 障障 (1)正正常常的的频频谱谱出出现现所所有有转转轴轴的的1X1X和啮合频率和啮合频率(GMF)(GMF)。齿齿轮轮啮啮合合频频率率的的两两侧侧有有转转速边带，其峰值较小。速边带，其峰值较小。齿齿磨磨损损：齿齿轮轮固固有有频频率率出出现现，且且有有磨磨损损齿齿轮轮所所在在轴轴的转速边带的转速边带磨磨损损明明显显时时，啮啮合合频频率率附附近近也也会会出出现现较较高高峰峰值值的的边边带。带。正常齿轮的频谱齿轮磨损时的频谱齿齿 轮轮 故故 障障 (2)齿齿轮轮偏偏心心：啮啮合合频频率率附附近近有有较较高高幅幅值值的的边边带带往往往往说说明明齿齿轮轮偏偏心心、游游隙隙或轴不平行。或轴不平行。啮啮合合频频率率峰峰值值随随负负载载的的增大而增大。增大而增大。齿齿轮轮不不对对中中：几几乎乎总总是是激激起起啮啮合合频频率率二二次次或或更更高高谐谐次次的的振振动动，且且2X2X或或3X3X啮啮合合频频率率处处峰峰值值较较大大；它它们们都都有有转转速速的的边边带带频频率。率。齿轮偏心的频谱齿轮不对中时的频谱