振动及频谱分析基础.ppt

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1、振动的基础知识及振动测量振动的基础知识及振动测量n状态监测与故障诊断概述状态监测与故障诊断概述n简谐振动三要素简谐振动三要素n振动波形振动波形n频率分析和频谱图频率分析和频谱图n旋转机械振动测量框图旋转机械振动测量框图n传感器及其选用传感器及其选用n基频分量幅值和相位的测量基频分量幅值和相位的测量n旋转机械的振动图示旋转机械的振动图示n定转速：波形图、频谱图、定转速：波形图、频谱图、轴心轨迹轴心轨迹n变转速：波德图和极坐标图、三维频谱图、坎贝尔图、变转速：波德图和极坐标图、三维频谱图、坎贝尔图、轴心位置图轴心位置图n典型机械故障特征及频谱图典型机械故障特征及频谱图n现场动平衡原理现场动平衡原理

2、n诊断实例诊断实例状态监测状态监测和和故障诊断故障诊断n在设备运行运行中或在基本不拆卸基本不拆卸的情况下，n通过各种手段，掌握设备运行状态掌握设备运行状态，n判定产生故障的部位和原因故障的部位和原因，n并预测、预报设备未来的状态。什么是状态监测和故障诊断？什么是状态监测和故障诊断？_是防止事故和计划外停机的有效手段。_是设备维修的发展方向。简易诊断和精密诊断简易诊断和精密诊断状态监测（简易诊断）状态监测（简易诊断）内容：n识别有无故障n明确故障严重程度n作出故障趋势分析由设备维修人员在现场进行故障诊断（精密诊断）故障诊断（精密诊断）内容：n确定故障部位n确定故障原因n提出维修建议由设备诊断人员

3、在现场或中心进行状态监测和故障诊断的过程状态监测和故障诊断的过程检测缩小故障范围状态判别搜集征兆定期检测故障定位原因分析维修决策趋势分析正常参数开始尚可正常不可异常状态监测和故障诊断的作用状态监测和故障诊断的作用监测与保护监测与保护 监测机器工作状态。发现故障及时报警，并隔离故障。分析与诊断分析与诊断 判断故障性质、程度和部位。分析故障原因。处理与预防处理与预防 给出消除故障的措施。防止发生同类故障。停产一天的损失有多大？停产一天的损失有多大？300MW发电机组 损失电720万kWh，约￥144万元30万吨化肥装置 损失化肥1000t，约￥150万元三峡2号水轮机组700MW 停机4小时损失￥

4、400万元先进维修制度的作用先进维修制度的作用 保证机器精度，提高产品质量 减少意外停车引起的生产损失 防止事故，杜绝灾难性故障 减少维修时间和维修费用（人力和财力）改善环境，改善企业形象投资获得最大和最长远的回报投资获得最大和最长远的回报国家有关的条例摘录国家有关的条例摘录 逐步采用现代故障诊断和状态监测技术，发展以状态监测为基以状态监测为基础的预知维修体制础的预知维修体制。1983年国家经委国营公交设备管理试行条例 企业应当积极采用先进的设备管理方法和维修技术，采用以设以设备状态监测为基础的设备维修方法备状态监测为基础的设备维修方法，不断提高设备管理和维修技术的现代化水平。1987年国务院

5、全民所用制公交设备管理条例监测和诊断的各种手段监测和诊断的各种手段振动：振动：适用于旋转机械、往复机械、轴承、齿轮等。温度（红外）：温度（红外）：适用于工业炉窑、热力机械、电机、电器等。声发射：声发射：适用于压力容器、往复机械、轴承、齿轮等。油液（铁谱）油液（铁谱）：适用于齿轮箱、设备润滑系统、电力变压器等。无损检测：无损检测：采用物理化学方法，用于关键零部件的故障检测。压力：压力：适用于液压系统、流体机械、内燃机和液力耦合器等。强度：强度：适用于工程结构、起重机械、锻压机械等。表面：表面：适用于设备关键零部件表面检查和管道内孔检查等。工况参数：工况参数：适用于流程工业和生产线上的主要设备等。

6、电气：电气：适用于电机、电器、输变电设备、电工仪表等。n振幅振幅 A(Amplitude)偏离平衡位置的最大值。描述振动的规模。n频率频率f (Frequency)描述振动的快慢。单位为次/秒(Hz)或次/分(c/min)。周期周期 T=1/f 为每振动一次所需的时间，单位为秒。圆频率圆频率 =2 f为每秒钟转过的角度，单位为弧度/秒n初相角初相角 (Initial phase)描述振动在起始瞬间的状态。简谐振动的三要素简谐振动的三要素 什么是振动？什么是振动？振动传感器安装在轴承座上，传感器将拾取振动信号，并将此振动信号通过电缆线传入到振动分析仪，如上图所示，这个在机器轴承座上测量振动的过程

7、可模型化为一个质量块悬挂在弹簧上。在没有力的作用之前，它一直保持静止处于平衡位置处。振动就是机器或机器零件从其平衡位置所做的往复运动。振动有三个重要的可测量的参数：幅值、频率、相位。图1 质量块位于平衡位置且没有任何力的作用什么是振动什么是振动 当有一个作用力施加在质量块上时，如向上托起质量块，如图二所示，质量块向上运动，弹簧在这个力的作用下被压缩。图2 质量块被一个向上的力激励 一旦这个质量块达到上部极限位置时，撤除作用力，质量块开始下落。质量块将下落通过平衡位置而继续向下运动到它的下部极限位置处如图三所示。图3 撤除作用力后质量块的响应什么是振动？什么是振动？当质量块达到下部极限位置时，它

8、将停止向下运动，而再次改变方向通过平衡位置处移动到上部极限位置；然后停止而再返回到下部极限位置。如果将一只铅笔固定在这个作往复运动的质量块上，然后将记录带靠近它，这时质量块的振动响应就会被记录下来。图4 对施加的激励力连续响应图5 在恒速运动的记录纸上记录质量块的振动什么是振动？什么是振动？什么是振动频率？什么是振动频率？考察上图可见，在记录纸上画出的振动轨迹是一条有一定幅值的、比较标准的正弦曲线。由振动的周期（T）可以计算出振动的频率。如下图所示：频率的单位是用CPM或用Hz表示（1Hz60 CPM）。图6 振动波形的位移和频率什么是振动相位？什么是振动相位？振动相位是一个振动部件相对于机器

9、的另一个振动部件在某一固定参考点处的相对移动。也就是说振动相位是某一位置处的振动运动相对于另一位置处的振动运动，对所发生位置变化程度的度量。振动相位是一个很有用的设备故障诊断工具。如下图所示，给出了两个彼此同相位振动的系统，即两个振动系统以零度相位差运动。图9 两个同相位振动的质量块振动系统什么是振动相位？什么是振动相位？图10给出了，两个相位差为90度的振动系统，即#2质量块超前#1质量块1/4周（或90度）运动，或#1质量块相对滞后#2质量块90度。图11给出了同样的两个质量块，相位差为180度时的振动情况，在任何时刻，#1质量块向下运动的同时，#2质量块向上运动。图10两个相差90度相位

10、角振动的质量块系统图11 两个相差180度相位角振动的质量块系统什么是振动相位？什么是振动相位？振动相位是以角度为单位，通常是利用频闪灯或光电头测量得到。下图给出了，振动相位与机器振动间的关系。在左侧图中，机器上的轴承1和轴承2之间的振动相位差为0度（同相振动），而在右侧图中的机器，轴承1和轴承2之间的振动相位差为180度（反相振动）。图12 振动相位与机器振动间的关系什么是振动位移？什么是振动位移？位移就是质量块运动的总的距离，也就是说当质量块振动时，位移就是质量块上、下运动有多远。位移的单位可以用m 表示。进一步可以从振动位移的时间波形推出振动的速度和加速度值。图7 从振动时间波形中了解振

11、动速度什么是振动速度？振动速度是质量块在振荡过程中运动快慢的度量。质量块在运动波形的上部和下部极限位置时，其速度为0，这是因为质量块在这两点处，在它改变运动方向之前，必须停下来。质量块的振动速度在平衡位置处达到最大值，在此点处质量块已经加速到最大值，在此点以后质量块开始减速运动。振动速度的单位是用mm/s来表示。什么是振动加速度？什么是振动加速度？振动加速度被定义为振动速度的变化率，其单位是用有多少个g来表示。在海平面处1.0g9.8m/s2。由下图可见加速度最大值处是速度值最小值的地方，在这些点处质量块由减速到停止然后再开始加速。图8 从振动时间波形中了解振动加速度 当一个机器的轴承座振动时

12、，由于它连续不断地在前后运动中改变运动速度，所以它经受着力的加速作用。速度的变化率越大，也就是加速度值越大，施加在机器上的作用力也就越高。振动位移、速度、加速度之间的关系振动位移、速度、加速度之间的关系 n振动位移振动位移(Displacement)n速度速度(Velocity)n加速度加速度(Acceleration)l位移、速度、加速度都是同频率的简谐波。l三者的幅值相应为A、A、A 2。l相位关系：加速度领先速度90;速度领先位移90。xvaxva什么时候使用位移、速度或加速度？什么时候使用位移、速度或加速度？当对机器振动进行分析时，重要的一点是尽可能多地收集到有关该机器的资料（如轴承类

13、型和型号、每根轴的精确转速、齿轮的齿数、叶轮的叶片数等）。不了解这些信息资料将会影响振动分析的准确性。振动幅值是是振动分析中经常使用的重要振动参数之一，它于机器存在的潜在故障问题的严重程度成正比，并且它也是显示机器状态的首选参数之一。振动幅值的测量类型可以是位移、速度或加速度。但总的来说更比较常用的是速度。通常认为当测量的频率范围在600CPM(10Hz)以下时，采用位移测量单位是很有利的。振动幅值必须有相应的振动频率值做补充说明才能正确评估振动的严重程度。而只是简单地说“1X RPM 振动是2mils是不够的，没有足够的信息评价机器的状态是好还是不好。例如，在3600 CPM转速下振动2mi

14、ls pk-pk 要比在300 CPM转速下振动2mils pk-pk 对设备的损坏程度要大得多（见图22）。所以，在整个频率范围内，单独使用位移值是不能对机器进行评估的。什么时候使用位移、什么时候使用位移、速度或加速度？速度或加速度？图20水平安装转动机械振动位移/速度等级图表什么时候使用位移、速度或加速度？什么时候使用位移、速度或加速度？加速度也有类似于位移的缺点，但它所支持的频率范围是高频。加速度在评价机器振动状态时也具有频率依赖性。例如，在18000 CPM时，2gs要比在180000 CPM（3000Hz）时的2gs振动程度要严重得多。如图21所示。加速度一般推荐应用在，当机器内部所

15、产生的振源频率超过300000 CPM（5000Hz）以上的场合。这些振源包括齿轮啮合频率、电机笼条通过频率、叶片通过频率等。不要忘记，这些振源在很多情况下会产生多阶谐频。而振动速度在从600至120000 CPM（102000Hz）的频率范围内几乎不存在对频率的依赖关系。所以当机器的振源频率范围是在300到300000 CPM（5到5000Hz）时，一般选择测量振动速度。振动速度的幅值直接与机器的状态有关，无论其频率是在10到1670 Hz之内何处。也就说一台转速为1800 RPM的机器，经历了0.30in/sec的振动似乎于另一台转速为10000 RPM，振动也为0.30in/sec的机器

16、，具有同样的振动损坏程度。什么时候使用位移、速度或加速度？什么时候使用位移、速度或加速度？图21水平安装转动机械振动加速度/速度等级图表振动为多大时认为超过了允许值？振动为多大时认为超过了允许值？图20是一个几年前推出的针对一般转动机械的典型的振动位移/速度等级图表。振动等级被分成“GOOD”,“FAIR”,“ROUGH”等，从这个图表可清楚地看出位移对频率的依赖程度。例如，一个2mils的pk-pk振动位移值，在相当的频率范围内其振动严重程度从优秀可以变化到非常严重。从此例中可见，为了准确评价机器的振动程度必须识别出频率的大小。（在400 CPM时，2mils的振动，机器的状态是优秀，而在3

17、600 CPM时，2mils的振动，机器的状态就变得很差。而在这张图中振动速度只需要幅值就可以评定机器的振动程度（如，从0.157到0.314in/sec的振动，都是振动较差）。图21是针对振动加速度的振动等级图。振动加速度分级也是具有频率依赖性。如例如，在18000 CPM时，2gs的振动是处于较差的范围内，而在180000 CPM（3000Hz）时的2gs振动侧是处于优秀的范围内。振动为多大时认为超过了允许值？振动为多大时认为超过了允许值？图22机械振动位移、加速度、速度比较 图22给出了振动位移、速度、加速度间的相互关系，在较宽的频率范围内振动速度是平坦的，而振动位移和振动加速度都分别趋

18、于降低和增高。注意在图22中可以看出，具有3种相等振动级别的振动幅值关系。振动为多大时认为超过了允许值？振动为多大时认为超过了允许值？图23给出了针对同一检测轴承故障的时域波形图，所进行的FFT变换（a）位移频谱图（b）速度谱（c）加速度谱图23 在一台300RPM的风机上测量振动位移、速度、加速度的比较振动为多大时认为超过了允许值？振动为多大时认为超过了允许值？注意在每一幅频谱图上，频率为300CPM处的峰值，这是工作转速频率（通常称为1X RPM)。然而，三个频谱图，从位移谱到速度谱再到加速度谱变化过程中，注意到1XRPM峰值变得越来越小。见图23A位移谱，显然1XRPM是占主导地位，而在

19、图23速度谱中，它只比第2或第3个峰高一点，在加速度谱中1XRPM峰值几乎消失。由图23可见，振动分析师能否在他的频谱图中看到极其重要的轴承故障频率，主要取决于他对测量幅值类型的选择。至于轴承故障频率4860CPM和9720CPM，你会注意到这个频率在速度和加速度谱图(图23B和图23C）中清楚可见，在4860CPM的左右等距离两侧存在着频率边带，频率边带的存在,一般说明存在轴承严重磨损问题，所以在频谱图中观察是否有频率边带的存在是很重要的。需要注意的是在位移频谱图中可以看出，几乎丢失了4860CPM的边带频率成分，甚至连轴承的第二个特征频率成分9720CPM也完全消失。其原因是，位移谱倾向于

20、“放大”或强调低频振动而压缩高频成分（如图22所示）。另一方面加速度谱强调的是高频成分，倾向于压缩低频成分。振动为多大时认为超过了允许值？振动为多大时认为超过了允许值？见图22注意到，对大多数转动设备，速度谱要比位移谱和加速度谱有着更宽的频率使用范围，考虑速度谱的这一特性和速度谱与振动强度的直接联系，公认振动速度是最好的振动测量单位（特别是当频率低于2000Hz时）。图22机械振动位移、加速度、速度比较振振 动动 的的 时时 域域 波波 形形 名 称 波 形 名 称 波 形 若干幅值参数的定义若干幅值参数的定义 n瞬时值瞬时值(Instant value)振动的任一瞬时的数值。n峰值峰值(Pe

21、ak value)振动离平衡位置的最大偏离。n平均绝对值平均绝对值(Average absolute value)n均值均值(Mean value)又称平均值或直流分量。n有效值有效值(Root mean square value)xpx=x(t)正峰值负峰值平均绝对值有效值平均值峰峰值各幅值参数是常数，彼此间有确定关系F峰值峰值xp=A;峰峰值峰峰值xp-p=2AF平均绝对值平均绝对值xav=0.637AF有效值有效值 xrms=0.707AF平均值平均值简谐振动的幅值参数简谐振动的幅值参数复杂振动的幅值参数复杂振动的幅值参数各幅值参数随时间变化，彼此间无明确定关系正峰值负峰值峰峰值xrms

22、振动监测的振动监测的特征值特征值n位移峰峰值：正、负两方向间的最大振动距离n速度有效值：振动速度的均方根值，直接反映振动的能量。一台设备上不同位置测量的速度有效值中最大的一个称为该设备的振动烈度振动烈度n加速度峰值：常用于评价滚动轴承和齿轮的状态按频带选择测量参数的指南传感器常用安装方法及特点磁座使用方便而性能适中，是最常用的方法磁座使用方便而性能适中，是最常用的方法磁带记录仪频谱分析仪打印机存储设备绘图仪测量电路基频检测仪记录仪数据采集和分析系统汽轮机齿轮增速箱压缩机涡流传感器速度传感器加速度传感器键相传感器旋转机械振动测量框图旋转机械振动测量框图磁电速度传感器磁电速度传感器接收形式：惯性式

23、变换形式：磁电效应典型频率范围：10Hz1000Hz典型线性范围：02mm典型灵敏度：20mV/mm/sn测量非转动部件的绝对绝对振动振动的速度。n不适于测量瞬态振动瞬态振动和很快的变速过程变速过程。n输出阻抗低，抗干扰力强。n传感器质量较大，对小型对象有影响。n在传感器固有频率附近有较大的相移。典型的磁电速度传感器及其特性典型的磁电速度传感器及其特性压电加速度传感器压电加速度传感器接收形式：惯性式变换形式：压电效应典型频率范围：0.2Hz10kHz线性范围和灵敏度随各种不同型号可在很大范围内变化。n测量非转动部件的绝对振绝对振动动的加速度。n适应高频振动高频振动和瞬态振动瞬态振动的测量。n传

24、感器质量小，可测很高振级。n现场测量要注意电磁场、声场和接地回路的干扰。压电加速度传感器的典型结构压电加速度传感器的典型结构晶体片晶体片质量块预紧环出线口底座出线口三角剪切型三角剪切型 中心压缩型中心压缩型预压簧片三角柱压电加速度传感器的典型特性压电加速度传感器的典型特性预紧环底座质量块出线口晶体片涡流位移传感器涡流位移传感器n不接触测量不接触测量，特别适合测量转轴和其他小型对象的相对位移。n有零频率响应零频率响应，可测静态位移和轴承油膜厚度。n灵敏度与被测对象的电导率和导磁率有关。n相移很小。接收形式：相对式变换形式：电涡流典型频率范围：020kHz典型线性范围：05mm典型灵敏度：8.0V

25、/mm(对象为钢)涡涡流流位位移移传传感感器器及及前前置置器器涡流传感器的工作原理涡流传感器的工作原理输出电压 u 正比于间隙 d且与测量对象的材质有关涡流位移传感器的典型特性涡流位移传感器的典型特性传感器与转轴之间的间隙前置器输出电压（直流伏）轴轴承承振振动动的的测测点点布布置置轴振动的测点布置轴振动的测点布置轴承振动与轴振动的比较轴承振动与轴振动的比较n基频是转速频率。n基频分量的幅值和转子的不平衡大小不平衡大小有关。n基频分量的相位和不平衡在转子上的不平衡在转子上的方位方位有直接对应关系。旋转机械振动的旋转机械振动的基频分量的幅值和相位的测量基频分量的幅值和相位的测量键相与相位参考脉冲键

26、相与相位参考脉冲n在转子上布置键相标记K，在轴承座上布置键相传感器K（光电式或涡流式），其输出为相位参考脉冲。n参考脉冲是测量相位的基准。n参考脉冲也可用于测量转子的转速。KK1转t参考脉冲振动相位与转子转角的关系振动相位与转子转角的关系n从参考脉冲到第一个正峰值的转角 定义振动相位。n振动相位与转子的转动角度一一对应。在平衡和故障诊断中有重要作用。振动信号参考脉冲n波形图波形图(Wave)时间域内的振动波形n频谱图频谱图(Spectrum)组成振动的各谐波成分n轴心轨迹轴心轨迹(Orbit)转轴中心的振动轨迹，由水平和铅垂两方向波形合成旋转机械的振动图示旋转机械的振动图示(定转速定转速)波形

27、图、频谱图及轴心轨迹波形图、频谱图及轴心轨迹轴心轨迹的测定轴心轨迹的测定n轴心轨迹(Orbit)是诊断旋转机械故障的有力工具。n轴心轨迹可用基频检测仪和示波器得到，也可以用计算机完成。n轴心轨迹阵轴心轨迹阵n波德图与极坐标图波德图与极坐标图(Bode&Polar Plot)升（降）速时，基频幅值和相位的变化n三维频谱图三维频谱图(Cascade)n坎贝尔图坎贝尔图(Campber)各转速下的频谱图的另一种表示n轴心位置轴心位置判定轴颈静态工作点轴颈静态工作点和油膜厚度油膜厚度旋转机械的振动图示旋转机械的振动图示(变转速变转速)轴心轨迹阵图轴心轨迹阵图汽轮发电机组一个轴承在不同转速下的轴心轨迹阵

28、波德图和极坐标图波德图和极坐标图n波德图(Bode Plot)和极坐标图(Polar Plot)两者所含信息相同，都表示基频振动的幅值和相位随机器转速的变化规律。n三维频谱图是频频谱的集合谱的集合。n本图的第三个坐标是转速转速。n本图表明在升、降速过程中振动频谱的变化。n第三坐标也可是时间、工艺参数等。三维频谱图三维频谱图（谱阵图）（谱阵图）本图的第三个坐标是时间时间(日期)，反映频谱的趋势。三维频谱图三维频谱图（谱阵图）（谱阵图）机器转速振动频率坎贝尔坎贝尔(Campber)图图 注：圆圈直径代表振动的大小；斜线代表谐波次数。轴心位置的测定轴心位置的测定n轴心位置可以用计算机及其外设来绘制。

29、涡流传感器的输出信号动态部分静态部分轴心轨迹轴心位置间隙变化平均间隙轴心位置的变化轴心位置的变化汽轮发电机中压缸轴承汽轮发电机中压缸轴承n升速时轴心位置逐渐升高。n到工作转速时，偏心率为0.66；偏位角32。属正常。n以后数月，轴承基础下沉，导致轴心上浮，偏心率减少，偏位角接近90。n发生了油膜振荡。n监测轴心位置有助于发现机器的故障。故障诊断的方法及故障诊断的方法及典型故障特征分析典型故障特征分析精密诊断的方法精密诊断的方法n频谱分析法n趋势分析法通频值趋势分析、频谱趋势分析n时域分析法波形分析、相关函数分析n倒频谱分析法n模态分析法n随机减量法其他数学方法 模式识别法 模糊诊断法 故障树诊

30、断法 神经网络法 小波分析法 灰色系统法 分形几何法精密诊断最常用的方法精密诊断最常用的方法n频谱分析法频谱分析法每种故障有其对应的特征频率。据此确定机器的故障性质和严重程度。n趋势分析法、频谱趋势分析法趋势分析法、频谱趋势分析法根据劣化曲线，振动的通频幅值(特征频率幅值)随故障的发展而增大。据此监视机器的健康状态，并推测其寿命。振动信号的频率分析振动信号的频率分析n把振动信号中所包含的各种频率成分各种频率成分分别分解出来的方法。n频率分析的数学基础是傅里叶变换傅里叶变换和快速傅里叶算法（FFT）。n频率分析可用频率分析仪频率分析仪来实现，也可在计算机上用软件来完成。n频率分析的结果得到各种频

31、谱图频谱图，这是故障诊断的有力工具。各种振动的频谱图各种振动的频谱图名称 波 形 频 谱 名称 波 形 频 谱时间域时间域 频频率域率域FFTIFFT转动机械常见故障的频率特征转动机械常见故障的频率特征强强迫迫振振动动类类故故障障自自激激振振动动类类故故障障R:转动频率转子不平衡故障的频谱转子不平衡故障的频谱n波形为简谐波，少毛刺。n轴心轨迹为圆或椭圆。n1X频率为主。n轴向振动不大。n振幅随转速升高而增大。n过临界转速有共振峰。透平风机TOTI齿轮箱1X频率(水平)1X频率(水平)1X频率(铅垂)1X频率(铅垂)轴向很小轴向很小转子不平衡的类型转子不平衡的类型转子不对中故障的频谱转子不对中故

32、障的频谱 n出现 2X 频率成分。n轴心轨迹成香蕉形或8字形。n轴向振动一般较大。n本例中，出现叶片通过频率。电机水泵POPIMOMI1X 频率2X 频率叶片通过频率转子不对中的类型转子不对中的类型正确对中e=0,=0平行不对中e 0,=0角度不对中e=0,0综合不对中e 0,0不同联轴节的情况不同联轴节的情况联轴节类型不对中形式振动特征刚性联轴节平行不对中有2X成分角度不对中轴向振动1X成分大轴向振动大，有2X及高次谐波齿式联轴节径向振动可能有2X、3X、4X联轴节两侧振动的相位常相反膜片联轴节有nX成分（n为螺钉数）转子系统松动故障的频谱转子系统松动故障的频谱n波形出现许多毛刺。n谱图中噪

33、声水平高。n出现精确的倍频2X，3X等成分。n松动结合面两边，振幅有明显差别。电机水泵POPI转速的精确倍频成分本例中最高出现16X成分噪声水平高松动故障引起的间入谐量松动故障引起的间入谐量n未松动时的未松动时的频谱频谱n松动时的频松动时的频谱谱出现0.5X，1.5X，2.5X，3.5X.等频率成分D 节圆直径d 滚珠直径 接触角z 滚珠数R 轴的转速频率滚动轴承故障的特征频率滚动轴承故障的特征频率 dD外环故障频率内环故障频率滚珠故障频率保持架碰外环保持架碰内环典型的轴承故障发展过程典型的轴承故障发展过程DetectionbyLubricantAnalysisDetectionbyListe

34、nandFeelDetectionbyVibrationDetectionbyAcousticEmissions 滚动轴承故障发展过程的四阶段滚动轴承故障发展过程的四阶段通常约百分之八十至九十的轴承寿命通常约百分之八十至九十的轴承寿命12341X234阶段轴承剩余寿命的百分之十至二十阶段轴承剩余寿命的百分之五至十阶段轴承剩余寿命的百分之一至五阶段一小时至轴承剩余寿命的百分之一灾难性破坏灾难性破坏累积的损伤时间滚动轴承四种类型故障频率1.随机的，超声频率,HFD,SPM；2.轴承零部件自振频率-500至2000赫兹范围，与转速无关；3.旋转的故障频率-内环BPFI，外环BPFO，滚动体BSF和保

35、 持架FTF故障频率4.和频与差频-轴承若干故障频率之间及其它振源频率相加或相减得出的频率滚动轴承故障发展过程四阶段典型特征n第一阶段第一阶段：1.噪声正常；2.温度正常；3.可用超声，振动解调谱、声发射测量出来，轴承外环有缺陷；4.振动总量较小，无离散的轴承故障频率尖峰；5.轴承剩余寿命大于B-10规定的百分之十。n第二阶段第二阶段：1.噪声略增大；2.温度正常；3.超声，声发射，振动解调谱通频值明显增大，轴承外环有缺陷；4.振动总量略增大(振动加速度总量和振动速度总量)；5.在对数刻度的频谱上可清楚地看到轴承故障频率，而在线性刻度的频谱上则很难看到；噪声地平明显提高；6.轴承剩余寿命大于B

36、-10规定的百分之五。n第三阶段第三阶段：1.可以听到噪声；2.温度略升高；3.非常高的超声，声发射，解调谱通频值，轴承外环有故障；4.振动加速度总量和振动速度总量大增；5.在线性刻度频谱上清楚地看出轴承故障频率及其谐波频率和边带频率；6.振动频谱的噪声地平明显提高；7.轴承剩余寿命大于B-10规定的百分之一。n第四阶段第四阶段：1.噪声的强度改变；2.温度明显升高；3.超声，声发射，振动解调谱通频值迅速增大，随后逐渐减小，轴承外环处于损坏之前的故障状态；4.振动速度总量和振动位移总量明显增大，振动加速度总量减小；5.频率较低的轴承故障频率尖峰占优势，振动频谱中噪声地平非常高；6.轴承剩余寿命

37、大于B-10规定的百分之零点二。滚滚动动轴轴承承故故障障发发展展的的四四个个阶阶段段第一阶段第一阶段第二阶段第二阶段第三阶段第三阶段第四阶段第四阶段A.仅出现滚动轴承故障频率(没有1X边带频率)B.滚动轴承跑道圆周上出现轻微磨损时，便出现轴承故障频率的谐波频率C.磨损明显时轴承故障频率两侧出现1X转速边带频率，还可出现其它的轴承故障频率只是 解调demo值有明显指示解调demo值明显增大，开始出现轴承零件共振频率并伴有1X转速频率边带 解调demo值开始时减小，卡死前可能剧增。出现高频随机谱，轴承寿命成问题。滚动轴承故障发展的四个阶段滚动轴承故障发展的四个阶段Stage 1Stage 2Sta

38、ge 3Stage 4noapparentchangeontypicalvelocityspectrumdefectsharmonicfrequenciesappeardefectsfundamentalfrequenciesalsoappearandmayexhibitsidebandsdefectsharmonicfrequenciesdevelopmultiplesidebands(haystack),fundamentalfreqs.growandalsodevelopsidebandsdefects“fund.”frequencyrangedefects“harmonic”frequ

39、encyrange滚动轴承故障的频谱滚动轴承故障的频谱 n轴承每一种零件有其特殊的故障频率。n随着故障发展，它的幅值增加，并有谐波；谐波两边产生边频。n还可用非频率域的诊断方法，如共振解调。电机离心泵PIPO1X2X频率故障基本频率6.71X基本频率的四个谐波带滚动轴承的机械的频谱特点带滚动轴承的机械的频谱特点 不平衡不对中松动滚动轴承故障频率0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50RFrequency in order3.53.02.52.01.51.00.50Velocity in mm/s pk带滑动轴承的机械的频谱特点带滑动轴承的机械的频谱特点不对中松动引起的谐波不

40、平衡油膜涡动、碰摩0 2 4 6 8 10 12 14 16Frequency in orderDisplacement in m pk to pk12.510.07.55.02.50齿轮故障的频谱齿轮故障的频谱n齿轮啮合频率GMF等于齿数乘以齿轮转速频率。n齿轮啮合频率两边有边频，间距为1X。n随着齿轮故障发展，边频越来越丰富，幅值增加。n可用倒频谱作进一步分析。OUBSISOL齿轮箱上辊下辊输入轴啮合频率GMF上边频下边频2X齿轮振动的特点齿轮振动的特点 评定齿轮状态的关键频率之一是齿轮的啮合频率(齿轮的齿数X转速)。然而，应该指出，齿轮的啮合频率(GMF)不像轴承故障频率那样的重要。所有

41、啮合的齿都产生一定幅值的啮合频率和其他频率。此外，所有啮合频率都有一定幅值的配对齿轮的或每个齿轮的转速的边带。然而，如果齿轮状态良好，并且彼此恰当地对准(没有明显的不对中，齿轮游移或齿轮偏心)，则齿轮啮合频率(GMF)及其谐波频率和那些边带频率的幅值应该很小，尤其是那些边带。用振动分析可以检测齿轮的故障用振动分析可以检测齿轮的故障1齿轮的齿的磨损 2齿轮的齿承受过大的负载 3齿轮偏心或齿隙游移 4裂的、破裂的或断的齿轮的齿 5齿轮组合状态问题 6.齿轮的齿摆动故障对于齿轮振动分析的若干说明对于齿轮振动分析的若干说明1应该在每个可达的轴承座上进行振动测量。图 表示在位置3处双列轴承及位置4到位置

42、7的四个锥形滚棒轴承上进行振动测量。重要之点是，振动传感器应该尽可能固定在靠近支承本身的地方。往往会遇到，在距轴承有一定距离的地方测量振动。然而，这种情况下，应确保框架或内部腹板直接连到轴承座上，在这些地方布置传感器并尽可能接近，进行振动测量。2应该在三个方向(水平，垂直和轴向方向)进行振动测量，尤其是当某些齿轮主要在一个方向产生力，或者根据负载，一次监测与下一次监测可能不一样的其他情况下。伞齿轮，两级减速齿轮箱分析的典型设置对于齿轮振动分析的若干说明对于齿轮振动分析的若干说明3通常，遇到螺旋，斜齿和伞齿轮时，在轴向方向产生明显的振动。这些类型齿轮最佳的状态监测往往在轴向方向。4通常，对直齿圆

43、柱齿轮，在径向方向评定最好，但有时可能会存在 明显的轴向振动，尤其是如果齿的对准有问题时。为了评定齿轮的状 态，往往必须测量非常高频率的振动。至少要评定3X啮合频率的频率 范围Fmax=3.25 X GMF，经常遇到在齿啮合频率基频(GMF)处没有什 么振动，但是在2X齿啮合频率或3X齿啮合频率(2GMF或3GMF)处，出现 比在GMF基频处振动10倍大得多的振动。因此，如果不测量这些高频率 范围内的信号，必将忽略了潜在的，明显的故障。5在大多数利用计算机软件的预测维修程序中，因为在低速谐波频率与 齿轮啮合频率本身之间频率变化很广，所以在每个齿轮位置必须进行 两个频率范围的两种测量。这些情况下

44、，用低的频率范围评定诸如不 平衡、不对中、松动和电气故障等，用另一高频率范围评定齿轮的状 态。齿轮振动频谱分量的识别齿轮振动频谱分量的识别齿轮齿轮正常正常时时的的频谱频谱 正常齿轮的频谱表示高速齿轮和低速齿轮的转速，齿轮的啮合频率(GMF)和非常小的齿轮啮合频率的谐波频率。齿轮的啮合频率(GMF)通常在它们的两侧有高、低速齿轮的转速频率边带。所有尖峰的幅值都很小，没有激起齿轮的自然频率。已知齿轮的齿数时，建议频率范围Fmax设定为3.25XGMF(最低)，如果不知道齿轮的齿数，把频率范围Fmax设定为每根轴的转速的200倍。齿轮齿轮磨磨损损故障故障 齿磨损的关键指示是激起齿轮的自然频率(Fn)

45、和在此齿轮自然频率两侧伴有磨损的齿的转速频率边带。当齿磨损明显时，虽然边带的幅值高并且在齿轮啮合频率(GMF)两侧出现的边带数增多，但是齿轮啮合频率(GMF)的幅值可能变化也可能不变化。边带是比齿轮啮合频率(GMF)本身更好的齿磨损的指示。而且，虽然齿轮啮合频率的幅值是可以接受的，但是2GMF或3GMF(尤其是3GMF)的幅值经常很高。齿轮承受大的负载齿轮承受大的负载 齿轮啮合频率(GMF)往往对齿的负载非常敏感。齿轮啮合频率(GMF)的幅值高未必一定指示有故障，尤其是如果边带频率幅值保持较小，没有激起齿轮自然频率的时候。为了频谱比较有意义，每次测量分析都应该在系统处于最大负载下运转时进行。齿

46、轮在大负载下的作用下振动频谱的特征齿轮偏心和齿隙游移齿轮偏心和齿隙游移 1偏心和齿隙游移两者激起齿轮自振频率和齿轮啮合频率。它们也可能在齿轮自振频率和齿轮啮合频率两侧产生许多边带。2如果某齿轮偏心，它将调制齿轮自振频率和齿轮啮合频率，齿轮自振频率和齿轮啮合频率两侧都有偏心的齿轮1X转速频率的边带。如果偏心齿轮与啮合的齿轮一起被强制压向齿底下的话，偏心的齿轮可产生很大的力，应力和振动。齿轮偏心和齿隙游移的频谱齿轮齿轮不不对对中中 齿轮不对中几乎总是激起第二阶或高阶齿轮啮合频率(GMF)谐波频率，并且它们都伴有转速边带。往往只显示小的齿轮啮合频率(GMF)的幅值，但是2 x(GMF)或3(GMF)

47、的幅值较高。设定足以采集至少3(GMF)谐波频率的F max最高频率范围很重要。而且，2(GMF)两侧常伴有2转速频率边带。请注意，由于齿不对中，齿轮啮合频率(GMF)及其谐波频率的左侧和右侧的边带频率的幅值不等，引起不均匀磨损。齿轮的破碎或断齿齿轮的破碎或断齿 有一个裂纹的，破碎或断的齿轮将产生这个齿轮1X转速及齿轮自振频率，并且，在齿轮自振频率两侧有齿轮转速的边带大的振动。这个特性与有大的、明显的剥落的齿的齿轮的特性一样。当然，不平衡的齿轮也会引起1X转速频率的大振动。因此，如下图所示的时域波形对确定主要问题是不平衡还是齿轮的断齿问题大有帮助。状态良好的齿轮与有一个裂的或断齿的齿轮的时域波

48、形的比较 齿轮的破碎或断齿齿轮的破碎或断齿 如上图所示，发现状态良好的齿轮显示平稳的，正弦波形(假定支承该齿轮轴的轴承没有故障)。然而，裂的，破碎的或断的齿，齿轮每次进入和退出啮合时，产生一个明显的尖峰。观察时域波形，可以确定故障是齿轮的齿或是像滚动轴承故障那样其他冲击事件造成的。在滚动轴承情况下，如果两次冲击之间的时间间隔相当于该齿轮的转速，这就代表了齿故障的强有力证据。例如，参见图11.6，如果转速为600转/的齿轮，显示每O10秒一个尖峰(0.10秒周=10周秒=600周分)，则这就是裂的，破碎的或断的齿的强有力的证据。如果在一根装有一个以上齿轮的轴上采集频谱，并且显示明显的时域波形和频

49、谱中伴有断齿齿轮转速边带的自振频率，这未必清楚指示就是轴上齿轮有故障问题。这种情况下，对轴上每个齿轮进行冲击自振频率试验，并识别啮合的齿轮中哪个齿轮有故障问题。齿轮组齿轮组合状合状态问题态问题 齿轮组合状态数 低速齿轮齿数为15 高速齿轮齿数为9 因此将产生三种不同的 磨损图象：低速齿轮的齿号将接触高速齿轮的齿:1-10-4-13-7 1-7-4 2-11-5-14-8 2-8-5 3-12-6-15-9 3-9-6第一种组合为:低速齿轮1#齿与高速齿轮l#齿啮合。低速齿轮I#齿将只能与高速齿轮的l#，7#和4#齿啮合。低速齿轮l#齿不可能与高速齿轮的其他齿啮合。第二种组合：低速l#齿与高速2

50、#齿啮合。则低速l#齿将只能与高速2#。8#和5#齿啮合不可能与其他高速齿啮合。第三种组合：低速l#齿与高速3#齿啮合，则低速l#齿将只能与高速3#，9#和6#齿啮合，不可能与高速齿轮的其他齿啮合。齿轮组齿轮组合状合状态问题态问题 这对齿轮开始组装低速1#齿和高速1#齿啮合：如果下次重新安装时，变为低速1#齿与高速2#齿啮合。那么将产生一种新的磨损图象。这样标准的啮合频率fm很明显。此外还有13啮合频率分量。此分量原来的磨损图象与新产生的磨损图象相互作用造成复杂的啮合作用结果。形成许多和频及差频幅值和频率调制。齿轮组合状态通过频率齿轮组合状态通过频率fafa fafa=fm/Na=fm/Na