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振動分析和故障診斷北京科之建公司

我們的目標(biāo)狀態(tài)檢測設(shè)備（資產(chǎn)）健康檢測設(shè)備（資產(chǎn)）健康管理提高設(shè)備可用率減少維修成本延長設(shè)備壽命機器狀態(tài)檢修的基礎(chǔ)是振動頻譜中包含機器零部件的機械狀態(tài)信息振動故障分析和診斷的任務(wù)

振動故障分析診斷的任務(wù)：從某種意義上講就是讀譜圖，把頻譜上的每個頻譜分量與監(jiān)測的機器的零部件對照聯(lián)系，給每條頻譜以物理解釋．1.振動頻譜中存在那些頻譜分量？2.每條頻譜分量的幅值多大？3.這些頻譜分量彼此中間存在什么關(guān)系？4.如果存在明顯的高幅值的頻譜分量，它的精確的來源？它與機器的零部件對應(yīng)關(guān)系如何？5.如果能夠測量相位，應(yīng)該檢查各測點信號之間的相位關(guān)系如何？振動監(jiān)測和診斷的注意事項振動監(jiān)測和診斷要想取得準確的結(jié)果必須考慮仔細整個系統(tǒng)的每一個環(huán)節(jié)：包括參數(shù)的選擇，傳感器及其固定方法，測點位置的選擇，儀器選擇以及分析參數(shù)的選擇等振動的三要素振動是個向量1.幅值2.頻率3.相位6快速傅里葉變化快速傅里葉分析(FFT)原理7典型波形的頻譜簡諧波形及其頻譜脈沖波形及其頻譜方波形及其頻譜簡諧拍波及其頻譜8濾波問題振動參數(shù)1.振動位移2.振動速度（國際標(biāo)準和國家標(biāo)準推薦通常采用的參數(shù)）3.振動加速度常見的設(shè)備故障由經(jīng)驗歸納總結(jié)的十七類46種機械和電氣故障的特征譜、特征時域信號和相位關(guān)系供診斷參考常見的設(shè)備故障一.質(zhì)量不平衡二.轉(zhuǎn)子偏心三.軸彎曲四.不對中五.共振六.機械松動七.轉(zhuǎn)子與定子摩擦八.滑動軸承故障九.滾動軸承故障1.力不平衡2.力偶不平衡3.動不平衡4.懸臂轉(zhuǎn)子不平衡1.聯(lián)軸器角不對中2.聯(lián)軸器平行不對中3.滾動軸承偏斜地固定在軸上1.A型松動2.B型松動3.C型松動1.磨擦或間隙故障2.油膜渦動3.油膜振蕩1.保持架故障2.滾動體故障3.外環(huán)故障4.內(nèi)環(huán)故障常見的設(shè)備故障十.流體動力機械故障十一.齒輪故障十二.交流電機故障十三.交流同步電機定子線圈松動十四.直流電動機及其控制故障十五.皮帶傳動故障十六.拍振十七.機器軟腳及與之相關(guān)的共振1.葉片通過頻率2.紊亂3.氣穴1.齒輪負載2.齒輪偏心和齒輪側(cè)隙反彈3.齒輪不對中4.齒斷或齒裂5.齒輪組合狀態(tài)問題6.齒輪擺動故障7.齒輪軸承松動1.定子偏心，鐵芯片短路或松動2.轉(zhuǎn)子偏心（動偏心）3.轉(zhuǎn)子故障（斷條等）4.相位故障（接頭松動）1.電樞繞組開裂接地故障或系統(tǒng)調(diào)諧故障2.起動卡故障和保險絲燒斷3.可控硅整流器故障控制卡斷路接頭松動保險絲斷4.比較器卡故障5.斷路電流通過滾動軸承故障1.皮帶磨損或不匹配2.皮帶輪偏心3.皮帶共振一質(zhì)量不平衡

A同頻占主導(dǎo)，相位穩(wěn)定。如果只有不平衡，1X幅值大于等于通頻幅值的80％，且按轉(zhuǎn)速平方增大。通常水平方向的幅值大于垂直方向的幅值，但通常不應(yīng)超過兩倍。同一設(shè)備的兩個軸承處相位接近。水平方向和垂直方向的相位相差接近90度。典型的頻譜相位關(guān)系力不平衡一質(zhì)量不平衡

B典型的頻譜相位關(guān)系力偶不平衡總存在一轉(zhuǎn)速頻率，在頻譜上占優(yōu)勢．振幅按轉(zhuǎn)速平方增大。需進行雙平面動平衡。偶不平衡在機器兩端支承處均產(chǎn)生振動，有時一側(cè)比另一側(cè)大較大的偶不平衡有時可產(chǎn)生較大的軸向振動。兩支承徑向同方向振動相位相差180。一質(zhì)量不平衡

C動不平衡是前兩種不平衡的合成結(jié)果。仍是１X轉(zhuǎn)速頻率在振動頻譜中占主導(dǎo)。兩支承處同方向振動相位差接近典型的頻譜相位關(guān)系動不平衡一質(zhì)量不平衡

Ｄ懸臂轉(zhuǎn)子不平衡在軸向和徑向都會引起較大1X振動。軸向相位穩(wěn)定，而徑向相位會有變化。懸臂式轉(zhuǎn)子可產(chǎn)生較大的軸向振動，軸向振動有時甚至超過徑向振動。兩支承處軸向振動相位接近。往往是力不平衡和偶不平衡同時出現(xiàn)。典型的頻譜相位關(guān)系懸臂轉(zhuǎn)子不平衡二轉(zhuǎn)子偏心

當(dāng)旋轉(zhuǎn)的皮帶輪、齒輪、電機轉(zhuǎn)子等有幾何偏心時，會在兩個轉(zhuǎn)子中心連線方向上產(chǎn)生較大的1X振動；偏心泵除產(chǎn)生1X振動外，還由于流體不平衡會造成葉輪通過頻率及倍頻的振動。垂直與水平方向振動相位相差為0或180。采用平衡的辦法只能消除單方向的振動。典型的頻譜相位關(guān)系三

軸

彎

曲

彎曲的軸產(chǎn)生較大的軸向振動．如果彎曲接近軸的中部，占優(yōu)勢的是一倍頻；若彎曲接近力偶，則占優(yōu)勢的是二倍頻．振動隨轉(zhuǎn)速增加迅速增加，過了臨界轉(zhuǎn)速也一樣。典型的頻譜相位關(guān)系四不對中有資料表明現(xiàn)有企業(yè)在役設(shè)備30％－50％存在不同程度的不對中，嚴重的不對中會造成設(shè)備部件的過早損壞，同時會造成能源的浪費．不對中既可產(chǎn)生徑向振動,又會產(chǎn)生軸向振動；既會造成臨近聯(lián)軸節(jié)處支承的振動,也會造成遠離聯(lián)軸節(jié)的自由端的振動。不對中易產(chǎn)生2X振動，嚴重的不對中有時會產(chǎn)生類似松動的高次諧波振動.不對中分為角向不對中，平行不對中，軸承不對中．四不

對

中

A

角不對中產(chǎn)生較大的軸向振動，頻譜成分為1X和2X；常見1X、2X或3X都占優(yōu)勢的情況。如果2X或3X超過1X的30％到50％，則可認為是存在角不對中。嚴重的角向不對中激起1×轉(zhuǎn)速頻率的許多諧波頻率．聯(lián)軸節(jié)兩側(cè)軸向振動相位相差180.典型的頻譜相位關(guān)系角不對中四不

對

中

B典型的頻譜相位關(guān)系平行不對中平行不對中的振動特性類似角不對中，但徑向振動較大。頻譜中2X較大，常常超過1X，這與聯(lián)軸節(jié)結(jié)構(gòu)類型有關(guān)。.角不對中和平行不對中嚴重時，會產(chǎn)生較多諧波的高諧次（4X~8X）振動。甚至出現(xiàn)類似機械松動時出現(xiàn)完整系列的高頻諧波．聯(lián)軸節(jié)兩側(cè)相位相差也是180。四不

對

中

C軸承不對中或卡死將產(chǎn)生1X,2X軸向振動，如果測試一側(cè)軸承座的四等分點的振動相位，對應(yīng)兩點的相位相差180。通過找對中無法消除振動，只有卸下軸承重新安裝。典型的頻譜相位關(guān)系軸承不對中五

共

振傳動強迫振動頻率與系統(tǒng)的自然頻率一致時出現(xiàn)共振，使振動急劇放大，導(dǎo)致過早損壞或災(zāi)難性的破壞．這可能是轉(zhuǎn)子的自然頻率，也常常起源于支承框架，基礎(chǔ)齒輪箱或皮帶．如果轉(zhuǎn)子處在或接近共振，由于很大的相位飄移，幾乎不可能平衡掉，往往需要提高或降低自然頻率來改變自然頻率．自然頻率通常不隨轉(zhuǎn)速的變化而變化．六機械松動松動本身不是純粹的故障,不會直接產(chǎn)生振動，但它可放大故障的作用。A

結(jié)構(gòu)框架或底座松動B軸承座松動C

軸承等部件配合松動A.

結(jié)構(gòu)框架/底座松動振動特征:

類似不平衡或不對中,頻譜主要以1X為主。振動具有局部性,只表現(xiàn)在松動的轉(zhuǎn)子上。相位分析可以揭示在螺栓或機器底角與基礎(chǔ)底板或基礎(chǔ)本身的垂直方向測量之間的相位差約90到100度。包括如下幾方面的故障支腳、底板、水泥底座松動/強度不夠；框架或底板變形；緊固螺絲松動。B.

由于結(jié)構(gòu)/軸承座晃動或開裂引起的松動振動特征:主要以2X為特征(主要是徑向2X超過1X的50%)幅值有時不穩(wěn)定振動只有伴隨其它故障如不平衡或不對中時才有表現(xiàn),此時要消除平衡或?qū)χ袑⒑芾щy.在間隙達到出現(xiàn)碰撞前,振動主要是1X和2X；出現(xiàn)碰撞后,振動將出現(xiàn)大量諧頻。包括如下幾方面的故障

結(jié)構(gòu)或軸承座開裂支承件長度不同引起的晃動部件間隙出現(xiàn)少量偏差時(尚無碰撞)

緊固螺絲松動。C.

軸承在軸承座內(nèi)松動或部件配合松動振動特征:由于松動的零部件對轉(zhuǎn)子的動態(tài)力產(chǎn)生非線性的響應(yīng)，常常出現(xiàn)大量的高次諧頻,有時10X，甚至20X，松動嚴重時還會出現(xiàn)半頻及諧頻(0.5X,1.5X..)成分。半頻及諧頻往往隨不平衡或不對中等故障出現(xiàn)。振動具有方向性和局部性。振動幅值變化較大，相位有時也不穩(wěn)定。包括如下幾方面的故障

軸承在軸承座內(nèi)松動軸承內(nèi)圈間隙大軸承保持架在軸承蓋內(nèi)松動軸承松動或與軸有相對轉(zhuǎn)動七轉(zhuǎn)子摩擦轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)動過程中與定子的摩擦?xí)斐蓢乐氐脑O(shè)備故障在摩擦過程中,轉(zhuǎn)子剛度發(fā)生改變從而改變轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的固有頻率,可能激起一個或多個共振。往往會激起亞諧波振動(1/2X,1/3X.),嚴重時出現(xiàn)大量的諧頻(1/2X,1.5X,2.5X...)，并伴隨有噪音。（類似粉筆在黑板上拖動時產(chǎn)生的寬帶噪聲）軸徑和滑動軸承鎢金干摩電動機轉(zhuǎn)子與定子接觸葉輪與擴壓器口接觸汽輪機葉片與靜葉嚴重摩擦輕微摩擦軸與汽封摩擦聯(lián)軸器罩摩軸皮帶摩擦皮帶罩葉片摩擦外罩典型的摩擦波形八滑動軸承滑動軸承摩擦后期通常出現(xiàn)一系列完整的轉(zhuǎn)速頻率諧波（多達10X～20X）。破碎的滑動軸承往往產(chǎn)生垂直方向比水平方向振幅更大的振動。間隙過大的滑動軸承可能會導(dǎo)致不平衡、不對中引起的振動更大。噪聲地平說明間隙過大／松動松動，1/2X,1/3X等成分，隨負荷變化較大烏金脫落，1/2X及諧頻，幅值小于松動譜瓦塊損壞，1/3X渦動，調(diào)油溫有效油膜窩動振蕩不穩(wěn)定油膜窩動頻譜油膜窩動不穩(wěn)定出現(xiàn)在（0.4-0.8）×轉(zhuǎn)速頻率范圍內(nèi)，常常比較嚴重；油膜窩動由油膜激起的振動正常的工作狀態(tài)的偏移使油楔推軸在軸承內(nèi)作環(huán)繞運動．油膜窩動是不穩(wěn)定的，因為它增大離心力，離心力增大窩動力，可使油膜不能再支承軸．如果機器處在或高于2×轉(zhuǎn)子自然頻率運轉(zhuǎn)時可能出現(xiàn)油膜振蕩，轉(zhuǎn)子進入兩倍鄰界轉(zhuǎn)速時，油膜窩動頻率將非常接近鄰界轉(zhuǎn)速頻率，引起過大的振動，油膜可能不再具有支承能力．窩動速度實際將鎖定在轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速，雖然機器轉(zhuǎn)速升高，但是這個尖峰不能通過它，產(chǎn)生以轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速頻率的橫向正進動亞諧波振動．九滾動軸承有資料顯示僅有10％～20％的軸承達到或接近設(shè)計壽命.其余部分因為如下各種原因達不到設(shè)計壽命.潤滑不當(dāng),使用錯誤的潤滑劑；潤滑劑或軸承內(nèi)混入贓物或雜質(zhì)；運輸或存放不當(dāng)；選型不當(dāng)、安裝錯誤等.振動監(jiān)測的最終目的是通過跟蹤軸承狀態(tài)了解何時需要更換軸承.位移,不易用于軸承的監(jiān)測。加速度,可早期發(fā)現(xiàn)軸承的故障征兆,應(yīng)與速度聯(lián)用。使用包絡(luò)技術(shù)或g扴E監(jiān)測參數(shù)的選擇第一階段：滾動軸承故障初始階段，出現(xiàn)在超聲段20K～60KHz,它們可用g扴E、高頻(HFD)g來測量、評定。例如：某軸承在第一階段的尖峰能量值為0.25g扴E(實測數(shù)值與測試位置和機械轉(zhuǎn)速有關(guān))。第二階段：滾動軸承的輕微故障階段，開始“敲擊”出軸承元件的自有頻率(fn)，一般在500～2KHz（30K到120K轉(zhuǎn)／分）范圍內(nèi)；振動尖峰能量的總量值增大（從0.25gsE增加到0.50gsE）滾動軸承故障四個階段第三階段：滾動軸承宏觀故障階段，出現(xiàn)磨損故障頻率和諧波出現(xiàn)，（有FFT,BSF,BPFO,BPFI及其諧波的出現(xiàn)）；同時邊帶頻率的數(shù)量增加．第四階段：軸承故障的最后階段，這一階段甚至影響1X分量，并引起其它倍頻分量2X、3X等的增大。軸承故障頻率和固有頻率開始“消失”被隨機的寬帶高頻噪音地平代替，高頻量和尖峰能量值很大。滾動軸承故障四個階段滾動軸承的四種故障頻率及四個區(qū)域滾動軸承保持架故障頻率：FTF滾動軸承滾動體旋轉(zhuǎn)故障頻率：BSF滾動軸承外環(huán)故障頻率：BPFO滾動軸承內(nèi)環(huán)故障頻率：BPFI*A區(qū)域：常規(guī)機械故障頻率區(qū)*B區(qū)域：滾動軸承故障頻率區(qū)*C區(qū)域：軸承零部件自振頻率區(qū)*D區(qū)域：振動尖峰能量gsE區(qū)振動尖峰能量gsE技術(shù)振動尖峰能量gsE利用高通濾波濾掉常規(guī)機械振動故障（不平衡，不對中，松動等）頻率，只檢測高頻振動，此頻率范圍內(nèi)滾動軸承缺陷脈沖能激起機器零部件或結(jié)構(gòu)或振動加速度計安裝固定共振頻率，作為載頻調(diào)制軸承故障頻率，并利用峰峰檢波檢測并保持高頻脈沖峰值，用衰減時間常數(shù)確定gsE頻譜的最高頻率Fmax．這樣既保持了故障的嚴重程度，又突出了故障頻率基頻及其諧波頻率．參見振動分析和故障診斷74頁．滾動軸承故障頻譜滾動軸承故障前后gSE譜十流體動力激振葉片通過頻率（BPF）＝葉片數(shù)目×轉(zhuǎn)速頻率．在泵，風(fēng)機和壓縮機中，這種葉片通過頻率總是有的，通常不成為故障．然而如果泵中旋轉(zhuǎn)葉片與靜止的擴壓器之間在圓周方向上不均勻，那么可能產(chǎn)生大幅值的葉片通過頻率及其諧波．而且，有時葉片通過頻率及其諧波與系統(tǒng)的某自然頻率一致，產(chǎn)生大的振動．如果葉輪摩擦環(huán)卡住軸承，或者焊接固定的擴壓器葉片