旋轉(zhuǎn)機(jī)械的振動(dòng)監(jiān)測與診斷6-1旋轉(zhuǎn)機(jī)械的振動(dòng)及故障概論旋轉(zhuǎn)機(jī)械的核心----轉(zhuǎn)軸組件，它包括：轉(zhuǎn)子、軸、齒輪傳動(dòng)件、葉輪、聯(lián)軸器；

滑動(dòng)軸承、滾動(dòng)軸承；

支座、定子、機(jī)座；

密封、密封裝置。6-1-1轉(zhuǎn)子系統(tǒng)、轉(zhuǎn)子振動(dòng)和轉(zhuǎn)子故障間的關(guān)系1、機(jī)械設(shè)備振動(dòng)特點(diǎn)

振動(dòng)存在的廣泛性

振動(dòng)監(jiān)測的有效性

振動(dòng)的可識(shí)別性

振動(dòng)識(shí)別的復(fù)雜性----振動(dòng)特性受系統(tǒng)、故障的影響（系統(tǒng)固有特性不同、故障激勵(lì)傳遞通道不同、測點(diǎn)不同及其傳遞通道不同等）。2、系統(tǒng)、振動(dòng)、故障間的關(guān)系6-1-2轉(zhuǎn)子系統(tǒng)、轉(zhuǎn)子振動(dòng)和轉(zhuǎn)子故障的分類1、振動(dòng)分類橫向振動(dòng)----振動(dòng)發(fā)生在包括轉(zhuǎn)軸的橫向xoy平面內(nèi)，大多數(shù)故障所激發(fā)的振動(dòng)為此類振動(dòng)；軸向振動(dòng)----振動(dòng)發(fā)生在轉(zhuǎn)軸軸線z方向上，某些故障如不對中將會(huì)激發(fā)軸向振動(dòng)；扭轉(zhuǎn)振動(dòng)----沿轉(zhuǎn)軸軸線發(fā)生的扭振，多盤轉(zhuǎn)子的柔性軸將會(huì)產(chǎn)生扭振。2、系統(tǒng)分類----以臨界轉(zhuǎn)速分類⑴剛性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)----工作轉(zhuǎn)速在一階臨界轉(zhuǎn)速以下的系統(tǒng)。一階臨界轉(zhuǎn)速：轉(zhuǎn)子系統(tǒng)有多個(gè)自振頻率，當(dāng)轉(zhuǎn)速逐漸增大到橫向振動(dòng)的一階自振頻率時(shí)，將發(fā)生一階共振，所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速稱為一階臨界轉(zhuǎn)速。判別依據(jù)：一般工作頻率<100Hz的機(jī)械系統(tǒng)屬于剛性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，該系統(tǒng)一般采用滾動(dòng)軸承。同步振動(dòng)：工作頻率=激振頻率。強(qiáng)迫振動(dòng)：對線性系統(tǒng)，在周期激振下的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)⑵柔性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)----工作轉(zhuǎn)速在一階臨界轉(zhuǎn)速以上的系統(tǒng)判別依據(jù)：一般工作頻率>100Hz的機(jī)械系統(tǒng)屬于柔性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)。振動(dòng)特點(diǎn)：振動(dòng)頻率（自激振動(dòng)）<工作頻率，并與一階橫向自振頻率有關(guān)。自激振動(dòng)：振動(dòng)過程中，由于系統(tǒng)內(nèi)部不斷有能量輸入而產(chǎn)生的共振現(xiàn)象，在設(shè)備診斷中又稱為亞同步振動(dòng)。

⑶兩種系統(tǒng)振動(dòng)特點(diǎn)比較3、故障分類6-2旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷信息的表達(dá)和分析6-2-1波形分析法波形分析法是通過觀察振動(dòng)波形的特征來獲取診斷信息。振動(dòng)波形：振動(dòng)位移、速度或加速度隨時(shí)間變化的曲線。與同步振動(dòng)有關(guān)的各種故障所激發(fā)的振動(dòng)都屬于周期函數(shù)，其基本成分是以基頻（工作頻率）成分為主及若干高次諧波函數(shù)再附加隨機(jī)噪聲所組成，如圖6-4所示。6-2-2頻譜分析法1、頻譜分析的類型1)幅值譜與相位譜

振動(dòng)信號(hào)的x(t)付氏變換：階比幅值譜

（自）功率譜圖----信號(hào)的自功率密度函數(shù)Sx(f)

Sx(f)表示信號(hào)樣本中所含能量沿頻率軸的分布情況，多用于以隨機(jī)信號(hào)為主的信號(hào)分析中，其提供的信息與幅值譜基本相同

優(yōu)點(diǎn)：能量集中的譜峰突出、能顯示頻帶能量分布水平、用途廣泛。

例：滾動(dòng)軸承的功率譜圖如圖6-9所示,其中有三個(gè)能量集中敏感帶，0~8Hz，24~30Hz，68~72Hz。2、頻譜分析方法頻譜的最基本信息：譜峰的高低和頻率特征分析方法：譜圖分段：<fr區(qū)、fr區(qū)、>fr區(qū)不同位置（水平、垂直）的頻譜圖對比不同地點(diǎn)的譜圖差別6-2-3軸心軌跡分析法

軸心軌跡----轉(zhuǎn)子軸心點(diǎn)相對于軸承座運(yùn)動(dòng)而形成的軌跡軸心軌跡的分析方法

軸心軌跡攜帶的診斷信息表現(xiàn)為：

軸心軌跡的形狀

軸心軌跡的旋轉(zhuǎn)方向

軸心軌跡的穩(wěn)定性1）軸心軌跡的形狀

軸心軌跡的形狀與機(jī)器設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)及發(fā)生故障的類型有密切關(guān)系，以下是幾種典型故障的軸心軌跡。

不平衡----軸心軌跡理論上為圓形，但由于軸承油膜剛度在x,y方向上的差別，以及其它因素的影響，實(shí)際上為一橢圓。圖6-11為汽輪發(fā)電機(jī)啟動(dòng)過程中基頻分量的仿真軸心軌跡圖。橢圓長軸傾角的變化主要是受到啟動(dòng)過程中溫度升高所致不對中亞同步振動(dòng)2）軸心軌跡的旋轉(zhuǎn)方向正向進(jìn)動(dòng)（軸轉(zhuǎn)向與軸心軌跡轉(zhuǎn)向一致）----例如：轉(zhuǎn)子不平衡、不對中、油膜失穩(wěn)產(chǎn)生的亞同步渦動(dòng)、內(nèi)摩擦激發(fā)的渦動(dòng)等均為正向進(jìn)動(dòng)。絕大多數(shù)為正向進(jìn)動(dòng)。逆向進(jìn)動(dòng)（軸轉(zhuǎn)向與軸心軌跡轉(zhuǎn)向相反）----干摩擦等少數(shù)情況下發(fā)生3）軸心軌跡的穩(wěn)定性一般情況下，軸心軌跡保持穩(wěn)定，一旦發(fā)生形狀大小的變化或軌跡紊亂。則揭示機(jī)器設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)已發(fā)生變化或進(jìn)入異常。6-2-4轉(zhuǎn)速跟蹤分析方法----瞬態(tài)分析方法1、奈奎斯特（Nyquist）圖和波德圖(Bode)

定義：起停車的每個(gè)轉(zhuǎn)速瞬間，取振動(dòng)信號(hào)的基頻分量的幅值為極坐標(biāo)的模，其基準(zhǔn)相位角為幅角，而構(gòu)成極坐標(biāo)平面上的一個(gè)點(diǎn)，這些形成極坐標(biāo)曲線稱為奈奎斯特圖。將各轉(zhuǎn)速下的基頻分量的幅值和基準(zhǔn)相位角分別繪制在轉(zhuǎn)速—幅值、轉(zhuǎn)速—相位兩個(gè)直角對數(shù)坐標(biāo)系的圖上，稱為波德圖。Nyquist圖和Bode圖用于系統(tǒng)動(dòng)態(tài)參數(shù)（臨界轉(zhuǎn)速、阻尼等）性質(zhì)和系統(tǒng)故障的預(yù)測。上述兩圖可用于區(qū)分不平衡對系統(tǒng)的影響。兩種圖形所攜帶的診斷信息基本相同，僅是表現(xiàn)形式不同，具體如下：圖中描述了在整個(gè)轉(zhuǎn)速變化范圍內(nèi)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)對不平衡激勵(lì)的響應(yīng)變化情況；根據(jù)圖中的共振峰或最大向徑可以確定轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速；根據(jù)共振峰的高度可以導(dǎo)出系統(tǒng)的阻尼值；根據(jù)低轉(zhuǎn)速下的幅值和相位可以確定軸的彎曲程度。例如圖6-16中170度處的12.7

m大小的慢滾動(dòng)向量就是由彎軸引起的。2、瀑布圖和坎貝爾（Compbell）圖瀑布圖是將振動(dòng)信號(hào)的功率譜或幅值譜隨著轉(zhuǎn)速的變化疊置而成的三維譜圖.它可以顯示各種諧波成分譜圖隨著轉(zhuǎn)速變化的情況，如圖6-18所示.

坎貝爾圖如圖6-19所示,其中橫坐標(biāo)為轉(zhuǎn)速,縱坐標(biāo)為頻率,斜線為各倍頻分量的階次比(f/fr),而分量的振幅則用圓圈的大小來表示,它與瀑布圖提供共同的信息,但不如瀑布圖形象.瀑布圖同坎貝爾圖的共同缺點(diǎn)是沒有提供相位信息.6-2-5統(tǒng)計(jì)分析方法----量化處理方法量化指標(biāo)=診斷指標(biāo)可直接從振動(dòng)參數(shù)獲取，也可從波形曲線或頻譜圖中獲取。在簡易診斷中可用于狀態(tài)監(jiān)測，在精密診斷中可組成特征向量進(jìn)行模式識(shí)別1、振動(dòng)峰峰值（p-p值）常用的峰-峰值為位移xp-p值和加速度的峰-峰ap-p值，它可以從一般的測振儀中讀出。用于汽輪機(jī)、壓縮機(jī)初步狀態(tài)評(píng)判。3、無量綱指標(biāo)4、根據(jù)功率譜圖Sx(f)導(dǎo)出的一些診斷指標(biāo)6-2-6診斷信息研究的新發(fā)展如何全面地從信號(hào)中提取診斷信息并以更直觀醒目的形式進(jìn)行表達(dá)是信號(hào)處理技術(shù)的主要任務(wù)之一。近年來在這方面取得了新方法為全息譜及全息瀑布圖的分析方法。1、二維全息譜及其應(yīng)用前述一些分析存在的不足：如譜分析法是幅值譜和相位譜分離，垂直方向和水平方向分別考慮，很難形成統(tǒng)一的、比較形象的圖象。又如當(dāng)振動(dòng)比較復(fù)雜時(shí)，軸心軌跡雖然是兩個(gè)方向的合成的結(jié)果，但也難反映振動(dòng)的特點(diǎn)和故障的原因。二維全息譜：對轉(zhuǎn)子的某一支承面的垂直、水平方向的振動(dòng)信號(hào)作FFT后，可從幅值譜、相位譜中提取各主要頻率分量的幅值和相位，然后做復(fù)合處理，可得各頻率分量對應(yīng)的振動(dòng)軌跡，并將其按順序排列在一長譜圖上，得一張二維全息譜。

優(yōu)點(diǎn)：反映了兩個(gè)方向振動(dòng)的信號(hào)幅值及它們之間的相位關(guān)系。2、三維全息譜3、全息瀑布圖

將二維全息譜按轉(zhuǎn)速的變化進(jìn)行疊置，構(gòu)成全息瀑布圖，表示轉(zhuǎn)子某一支承截面的振動(dòng)信號(hào)各組成分量的幅值和相位跟蹤轉(zhuǎn)速變化的狀況它將有效揭示轉(zhuǎn)子起停過程中的振動(dòng)特征，如圖6-23所示6-3旋轉(zhuǎn)機(jī)械的簡易診斷方法簡易診斷方法是采用一些便攜式測振儀拾取信號(hào)，并直接由信號(hào)的某些參數(shù)或統(tǒng)計(jì)量構(gòu)成診斷指標(biāo)，根據(jù)對診斷指標(biāo)的分析以判定設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)是正?；蚴钱惓?。6-3-1振動(dòng)信號(hào)的測定正確選澤測定方式和參數(shù)方式：在線、離線；參數(shù)：低頻范圍（10~100Hz）----位移（xp-p,xp,xrms等）中頻范圍（10~1000Hz）----速度（Vrms振動(dòng)烈度等）高頻范圍（>1kHz）----加速度（arms,ap等）2、合理布置測點(diǎn)1)主要測點(diǎn)布置測軸承的振動(dòng)（絕對值）：測量時(shí)采用速度或加速度傳感器，要同時(shí)把測點(diǎn)布置在垂直Y、水平X和軸向Z三個(gè)方向上進(jìn)行測定。對于監(jiān)測引起同步振動(dòng)的一些故障，如不平衡、不對中、松動(dòng)等常采用這種布置。測軸位移（相對值）：測量時(shí)采用電渦流位移傳感器。一般，測點(diǎn)布置在垂直（V）和水平（H）兩個(gè)方向上，或450互成垂直的方向上。必要時(shí)也在軸向（A）布置測點(diǎn)。對于監(jiān)測引起亞同步振動(dòng)的一些故障，如半速渦動(dòng)、油膜振蕩以及旋轉(zhuǎn)失速、喘振等常采用這種布置方式。2)輔助測點(diǎn)布置

對于結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械，還必要根據(jù)具體情況增加輔助測點(diǎn)來全面反映所有的診斷信息。如壓縮機(jī)的增速箱或網(wǎng)管系統(tǒng)的振動(dòng)、風(fēng)機(jī)機(jī)殼的振動(dòng)、基礎(chǔ)的共振等，一般可布置在機(jī)殼、箱體、基礎(chǔ)等部位。

3)注意事項(xiàng)

為了保證所測數(shù)據(jù)的可比性，在測定數(shù)據(jù)時(shí)應(yīng)遵循以下原則：每次測量要在同一測點(diǎn)、每次測量機(jī)器工況相同、每次測量所使用的儀器、傳感器及測量方法相同3、選定合適的測定周期測定周期為每次采集信號(hào)的間隔時(shí)間，它與機(jī)械的類型及故障發(fā)展的速度有關(guān)。例如對于高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械的與亞同步振動(dòng)有關(guān)的故障應(yīng)保持較短的測定周期，而一般低速旋轉(zhuǎn)機(jī)械或與磨損有關(guān)的故障，則采用較長的測定周期，但一發(fā)現(xiàn)故障進(jìn)程較快時(shí)，就應(yīng)縮短測定周期。高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械（壓縮機(jī)、透平機(jī)等）每周測定；一般旋轉(zhuǎn)機(jī)械（風(fēng)機(jī)、水泵、機(jī)床）每月測定。6-3-2簡易診斷方法原理2、簡易診斷判別標(biāo)準(zhǔn)的制定絕對標(biāo)準(zhǔn)----將測定值與標(biāo)準(zhǔn)值比較來判斷設(shè)備狀態(tài)。絕對標(biāo)準(zhǔn)有國際ISO標(biāo)準(zhǔn)德國VDI2056標(biāo)準(zhǔn)英國BS4175標(biāo)準(zhǔn)中國風(fēng)機(jī)專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（JB/TQ334-87、JB/TQ433-85等）加拿大CAD/MS/NVSH107標(biāo)準(zhǔn)相對標(biāo)準(zhǔn)----將正常值作為初值，實(shí)測值為初值的倍數(shù)作為閥值判斷。

類比標(biāo)準(zhǔn)----同類型測試值比較，倍數(shù)為閥值。各類標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)先順序----絕對標(biāo)準(zhǔn)>相對標(biāo)準(zhǔn)>類比標(biāo)準(zhǔn)6-3-3簡易診斷方法舉例----壓縮機(jī)的簡易診斷

2、故障簡況1989年12月發(fā)現(xiàn)中壓缸進(jìn)口端測點(diǎn)4的表頭顯示的軸振動(dòng)逐漸由19

m增至65

m，已超過本機(jī)預(yù)設(shè)計(jì)報(bào)警值38

m，而跳車停機(jī)。恢復(fù)生產(chǎn)后，軸振動(dòng)繼續(xù)上升至93

m，12月底達(dá)滿量程127

m。操作人員感到極大威脅，但又不能貿(mào)然決定停機(jī)（停機(jī)每日損失70萬元）。因此決定采用Vm-63便攜式振動(dòng)計(jì)，用簡易診斷方法監(jiān)測運(yùn)行狀態(tài)是否繼續(xù)惡化，以便進(jìn)一步采取對策3、監(jiān)測方法振動(dòng)計(jì)主要用于測量軸承的絕對振動(dòng)，單因測點(diǎn)4的軸承位于機(jī)殼筒體內(nèi)部，與筒體之間還有一環(huán)形空腔，不能直接測試軸承振動(dòng)，因此改用中壓缸進(jìn)口端作為測點(diǎn)，來代替測點(diǎn)4，測定參數(shù)為Vrms及xp-p，并分別測試垂直（V）和水平（H）兩個(gè)方向的數(shù)據(jù)4、趨勢圖分析圖6-26為1989年12月底至1991年6月監(jiān)測數(shù)據(jù)Vrms及xp-p值的劣勢趨勢圖。參照ISO-2372標(biāo)準(zhǔn)及本機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將危險(xiǎn)閥值定為Vrms=3mm/s及xp-p=10

m，根據(jù)Bently5000表頭數(shù)據(jù)表明，中壓缸肯定處于異常狀態(tài)。但由監(jiān)測趨勢圖發(fā)現(xiàn)，測點(diǎn)的振動(dòng)數(shù)據(jù)基本保持穩(wěn)定，而未超出給定的域值。因此直到1991年8月大修時(shí)才停機(jī)檢查，為國家節(jié)約了大量的財(cái)富。5、檢修結(jié)果及故障原因分析1991年8月大修拆機(jī)檢查結(jié)果為中壓缸止推軸承推力盤磨損，副推力瓦基環(huán)碎裂，因而引起振動(dòng)。此外還發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子與隔板摩擦造成轉(zhuǎn)子失衡而加劇了振動(dòng)。6-4旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障的精密診斷原理及典型故障分析6-4-1旋轉(zhuǎn)機(jī)械的精密診斷原理1、兩種診斷原理比較2、模式識(shí)別方法原理3、模式識(shí)別方法----其理論基礎(chǔ)是聚類分析法直接觀察法（經(jīng)驗(yàn)法）：將待檢模式的特征與典型模式的特征進(jìn)行直觀比較、分析后進(jìn)行分類。計(jì)算機(jī)輔助診斷法：有時(shí)序診斷法、模糊診斷法、灰色系統(tǒng)診斷法等，解決模式邊界不太清晰問題。

計(jì)算機(jī)自動(dòng)識(shí)別法：又稱診斷專家系統(tǒng)。由專家知識(shí)、各種故障全部診斷信息組成知識(shí)庫，通過計(jì)算機(jī)自動(dòng)識(shí)別和診斷的方法。6-4-2旋轉(zhuǎn)機(jī)械的典型故障分析1、轉(zhuǎn)子不平衡（失穩(wěn)）轉(zhuǎn)子不平衡原因分析：材質(zhì)不均、安裝不良、配合松動(dòng)、軸變形、零件磨損、斷裂等。轉(zhuǎn)子不平衡振動(dòng)分析：如圖6-29所示單盤轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，由于質(zhì)心與旋轉(zhuǎn)中心不重合而產(chǎn)生不平衡3)轉(zhuǎn)子不平衡振動(dòng)特征

頻率特征：激振頻率單一=旋轉(zhuǎn)頻率相位特征：工作頻率下相位穩(wěn)定

轉(zhuǎn)速跟蹤動(dòng)態(tài)特征：單自由度，振幅隨

增加而增加，當(dāng)

/

n≌1（臨界轉(zhuǎn)速）時(shí)出現(xiàn)共振峰；多自由度，超過臨界轉(zhuǎn)速（在一階和二階共振峰之間）時(shí)振幅逐漸減小而趨向于一定值，既偏心值，它與轉(zhuǎn)速及阻尼水平有關(guān)。注意事項(xiàng)剛性轉(zhuǎn)子與柔性轉(zhuǎn)子的區(qū)別：剛性轉(zhuǎn)子的額定轉(zhuǎn)速在臨界轉(zhuǎn)速以下運(yùn)行，故振幅隨轉(zhuǎn)速增大而增大；柔性轉(zhuǎn)子的額定轉(zhuǎn)速在臨界轉(zhuǎn)速以上運(yùn)行，故振幅