1、第四章 旋轉(zhuǎn)機(jī)械的振動(dòng)監(jiān)測(cè)與診斷,目錄,4.1 旋轉(zhuǎn)機(jī)械的振動(dòng)及故障概論 4.2 旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障的診斷信息的表達(dá)和分析 4.3 旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障的簡(jiǎn)易診斷與方法 4.4 旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障的精密診斷及典型故障分析 4.5 滾動(dòng)軸承的振動(dòng)診斷方法 4.6 齒輪和齒輪箱的監(jiān)測(cè)與診斷方法 4.7 其他分析方法簡(jiǎn)介,1.概述 機(jī)械設(shè)備的種類很多，粗的分類也有幾十種，按產(chǎn)品分有幾千種。各種機(jī)械設(shè)備雖都有其本身個(gè)性，故障的模式各有特點(diǎn)，但就其故障診斷方法原理而言，共性是主要的，方法是一致的。然而大多數(shù)故障是隨機(jī)的，也必須具體問題具體分析，也就是說學(xué)習(xí)工況監(jiān)測(cè)與故障診斷的方法首先必須掌握診斷方法的基本原理。,旋轉(zhuǎn)機(jī)械式

2、各種類型機(jī)械設(shè)備中數(shù)量應(yīng)用最廣泛的一類機(jī)械，如電動(dòng)機(jī)、離心式風(fēng)機(jī)、水泵以及各種加工機(jī)床等，特別是一些大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械，如離心式壓縮機(jī)、汽輪機(jī)、球磨機(jī)、大型轉(zhuǎn)機(jī)等在石化、電力、冶金等支持國家經(jīng)濟(jì)命脈的一些工業(yè)部門是屬于關(guān)鍵設(shè)備。因此，對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械的監(jiān)測(cè)和診斷是很必要的。它愈來愈受到普遍的重視，例如大型汽輪發(fā)電機(jī)組合、大型離心式壓縮機(jī)組的監(jiān)測(cè)和診斷技術(shù)已被列為“八五”國家科技攻關(guān)項(xiàng)目。,4.1 旋轉(zhuǎn)機(jī)械的振動(dòng)及故障概論,4.1.1 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)、轉(zhuǎn)子振動(dòng)和轉(zhuǎn)子故障之間的關(guān)系 機(jī)械設(shè)備的振動(dòng)的特點(diǎn)： 1）廣泛性 2）有效性 3）可識(shí)別性 4）復(fù)雜性,1） 廣泛性,任何機(jī)械設(shè)備在動(dòng)態(tài)下都會(huì)或多或少地產(chǎn)生一定的振

3、動(dòng)，人們將這種在動(dòng)態(tài)下表現(xiàn)出的振動(dòng)稱為振動(dòng)存在的廣泛性。如：發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)所產(chǎn)生的周期振動(dòng)；機(jī)床在工作時(shí)所產(chǎn)生的各種隨機(jī)振動(dòng)等。,2） 有效性,當(dāng)設(shè)備發(fā)生異常或故障時(shí)，振動(dòng)將會(huì)發(fā)生變化，一般表現(xiàn)為振幅加大。這一特點(diǎn)使從振動(dòng)信號(hào)中獲取診斷信息變?yōu)榭赡?，因此稱為振動(dòng)監(jiān)測(cè)的有效性。,3）可識(shí)別性,隨著信號(hào)分析技術(shù)的發(fā)展，人們還看到有不同類型、性質(zhì)、原因和部位產(chǎn)生的故障所激發(fā)的振動(dòng)將具有不同的特征。這些特征可表示為頻率成分、幅值大小、相位差別、波形形狀、能量分布狀況等。這一特點(diǎn)是人們從振動(dòng)信號(hào)中識(shí)別故障成為可能。因此稱為振動(dòng)的可識(shí)別性。,4）復(fù)雜性,進(jìn)一步研究表明，振動(dòng)信號(hào)性質(zhì)，特征不僅與故障有關(guān)，而且

4、還與系統(tǒng)的固有特性有關(guān)。具體表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面： 1）同一故障對(duì)不同的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，由于系統(tǒng)固有頻率特性不同，其振動(dòng)的幅值和相位可能相差很大。 2） 同一故障發(fā)生在不同的部位，其振動(dòng)的特征相同，但因故障激勵(lì)傳遞通道的不同（即傳遞函數(shù)不同），將會(huì)對(duì)振動(dòng)有較大影響。 3）同一故障在不同部位布置測(cè)點(diǎn)，由于傳遞通道的不同，其振動(dòng)宜會(huì)有較大的差別。 這三點(diǎn)表明振動(dòng)特征不僅取決于故障而且還受到系統(tǒng)特性的影響，這一特點(diǎn)稱為振動(dòng)識(shí)別的復(fù)雜性。,故障（輸入）,振動(dòng)信號(hào)（輸出）,轉(zhuǎn)子系統(tǒng) （傳遞函數(shù)）,圖 4-1 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，轉(zhuǎn)子故障和轉(zhuǎn)子故障間的關(guān)系,根據(jù)振動(dòng)的以上幾個(gè)特點(diǎn)，從工程控制論的觀點(diǎn)，我們可以把轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，轉(zhuǎn)

5、子振動(dòng)和轉(zhuǎn)子故障間的關(guān)系用一下框圖來描述（圖4-1）。其中故障相當(dāng)于系統(tǒng)地輸入或激勵(lì)，振動(dòng)則相當(dāng)于系統(tǒng)的輸出或相應(yīng)，而系統(tǒng)的特性則可以通過系統(tǒng)地輸入和輸出來求出。,設(shè)系統(tǒng)為定常線性系統(tǒng)，其輸入為x(t)，輸出為y(t)。它們的拉氏變換分別為：X(s)和Y(s)，即：,(4-1),其中 為復(fù)變量。,則可定義： 為系統(tǒng)的傳遞函數(shù)， 用以描述系統(tǒng)的特性。,由于傅氏變換只是拉氏變換的一種特殊情況( )。這時(shí) 成為系統(tǒng)的頻響函數(shù)。由于FFT運(yùn)算很方便，因此實(shí)際上傳遞函數(shù) 常用頻響函數(shù) 來代替。這時(shí)系統(tǒng)特性可以表示為：,由此可得：,（4-3）,（4-4）,上式為圖4-1的具體數(shù)學(xué)表達(dá)式。它表明設(shè)備的振動(dòng)的

6、振動(dòng)現(xiàn)象是由故障激勵(lì)和系統(tǒng)特性所共同決定的。,4.1.2 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，轉(zhuǎn)子振動(dòng)和轉(zhuǎn)子故障的分類 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)是一種多自由度振動(dòng)系統(tǒng)，它具有多個(gè)自振頻率。當(dāng)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速達(dá)到橫向振動(dòng)的一階自振頻率時(shí)，將會(huì)發(fā)生一階共振。此時(shí)的轉(zhuǎn)速稱為（一階）臨界轉(zhuǎn)速。接近臨界轉(zhuǎn)速時(shí)將會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的振動(dòng)現(xiàn)象即共振。越過臨界轉(zhuǎn)速后，運(yùn)行在兩個(gè)臨界轉(zhuǎn)速之間時(shí)，機(jī)械會(huì)運(yùn)行的更平穩(wěn)些，特別是對(duì)于細(xì)長(zhǎng)軸的轉(zhuǎn)子效果更好。,以臨界轉(zhuǎn)速為界，當(dāng)前人們把轉(zhuǎn)子系統(tǒng)分為兩種： 剛性轉(zhuǎn)子系統(tǒng) 柔性轉(zhuǎn)子系統(tǒng), 剛性轉(zhuǎn)子系統(tǒng),剛性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)是指工作轉(zhuǎn)速在(一階)臨界轉(zhuǎn)速以下的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)！目前大多數(shù)低速(工作頻率100Hz)機(jī)械均屬于剛性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)。 剛性轉(zhuǎn)子系

7、統(tǒng)一般采用滾動(dòng)軸承，其故障激勵(lì)大多與轉(zhuǎn)速同步(即激振頻率等于工作頻率)。因此產(chǎn)生的振動(dòng)稱為同步振動(dòng)。, 柔性轉(zhuǎn)子系統(tǒng),柔性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)是指工作轉(zhuǎn)速在(一階)臨界轉(zhuǎn)速以上的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)。一些大型高速(工作頻率100Hz)旋轉(zhuǎn)機(jī)械。 柔性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)主要應(yīng)用于大型高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械，因此多采用流體動(dòng)壓滑動(dòng)軸承。其故障激起的振動(dòng)一般屬于自激振動(dòng)。自激振動(dòng)是一種在振動(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。其振動(dòng)頻率一般低于工作頻率并與系統(tǒng)的一階橫向自振頻率有關(guān)，故自激振動(dòng)在設(shè)備診斷中又稱為亞同步振動(dòng)。,例題,圖4-3為由于摩擦引起的自激振動(dòng)的簡(jiǎn)單例子。,圖4-3 干摩擦引起的自激振動(dòng),m,k,v,滑動(dòng)摩擦系

8、數(shù)： 、,振幅為：A,顯然：,因此振子將產(chǎn)生自激振動(dòng)，振幅將會(huì)不斷增大，自激振動(dòng)的頻率為振子的自振頻率。,圖4-2表示為一最簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)。按其在坐標(biāo)平面發(fā)生的振動(dòng)形式，轉(zhuǎn)子的振動(dòng)可分為以下三種： 橫向振動(dòng) 振動(dòng)發(fā)生在包括轉(zhuǎn)軸的橫向平面內(nèi)（例如x、y平面）。 軸向振動(dòng) 振動(dòng)發(fā)生在轉(zhuǎn)軸的軸向方向上（x軸）。 扭轉(zhuǎn)振動(dòng) 沿轉(zhuǎn)軸軸線發(fā)生的扭振,旋轉(zhuǎn)機(jī)械大多數(shù)故障所激發(fā)的振動(dòng)為橫向振動(dòng)，是我們研究的主要對(duì)象，某些故障如不對(duì)中將會(huì)激發(fā)軸向振動(dòng)，而多盤轉(zhuǎn)子的柔性軸將會(huì)產(chǎn)生扭振等。,按轉(zhuǎn)子類型及其振動(dòng)性質(zhì)的不同，可將旋轉(zhuǎn)機(jī)械的主要故障做以下分類：,旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障,剛性轉(zhuǎn)子,柔性轉(zhuǎn)子,同步振動(dòng),亞同步振動(dòng),(強(qiáng)

9、迫振動(dòng)),(自激振動(dòng)),不平衡,不對(duì)中,軸彎曲,裝配件或基礎(chǔ)松動(dòng),轉(zhuǎn)子與定子摩擦,轉(zhuǎn)子橫向裂紋,油膜渦動(dòng),油膜震蕩,旋轉(zhuǎn)失速,喘振,頂隙激振,圖4-4 旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障分類,從振動(dòng)信號(hào)中全面地提取診斷信息并以直觀和清晰的形式表達(dá)出來是信號(hào)處理的基本任務(wù)和最終目標(biāo)。本節(jié)則著重對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷中有關(guān)信息的一些特定的表達(dá)形式和分析方法以及某些新發(fā)展做扼要的論述。,4.2 旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障的診斷信息的表達(dá)和分析,4.2.1 波形分析法,振動(dòng)波形是振動(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)都是屬于周期函數(shù)，其基本成分以基頻（工作頻率）成分為主以及若干高次諧波函數(shù)再附加以隨即噪

10、聲所組成。圖4-5為含有周期成分的振動(dòng)波形。,圖4-5 含有周期成分的振動(dòng)波形,圖4-6 經(jīng)平滑處理后的振動(dòng)波形,波形分析方法主要是通過觀察振動(dòng)波形的特征來獲取診斷信息的，例如將圖4-5用時(shí)間域平均法進(jìn)行平滑處理后可得曲線如圖4-6所示。其為一典型的周期為T的正弦曲線。若其頻率( )與轉(zhuǎn)子的工作頻率相等時(shí)，則可初步判定振動(dòng)與不平衡有關(guān)。,4.2.2 頻譜分析（FFT分析）法,4.2.2.1 頻譜分析的類型,頻譜分析目前是在計(jì)算機(jī)上用快速傅氏變換(FFT)來實(shí)現(xiàn)的，因此又稱為FFT分析法。頻譜圖是用頻譜分析法提取診斷信息的一種表達(dá)方式。在旋轉(zhuǎn)機(jī)械診斷中，常用的頻譜圖有以下幾種：,A 幅值圖及相位

11、圖 B 階比幅值譜 C 自功率譜圖,A 幅值譜及相位譜,設(shè) 為振動(dòng)信號(hào) 的傅氏變換，即：,一般情況下 為一復(fù)數(shù)函數(shù)，令,則：,其中： 稱為幅值譜或FFT譜，它表示信號(hào)中個(gè)頻率成分的幅值大小沿頻率軸的分布情況。 稱為相位譜，它表示信號(hào)中各頻率成分的相位沿頻率軸的變化狀況。,圖4-7為一臺(tái)透平壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)的幅值譜。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 (工作頻率 ),圖 4-7 幅值譜,幅值譜可以提供以下的診斷信息： 1）振動(dòng)信號(hào)中主要有哪些頻率成分及諧波分量所組成，圖中除包括工作頻率的基頻外還有 等高次諧波分量及 的低頻分?jǐn)?shù)諧波分量。 2）組成的諧波分量中哪些成分的幅值最為突出，這提示著和故障的某種聯(lián)系。如圖中 及 分量

12、比較突出且存在著 ，由以后可知，這一診斷信息提示著轉(zhuǎn)子可能存在著不平衡、不對(duì)中及半速渦動(dòng)。,B 階比幅值譜,在同步振動(dòng)中其基頻成分與轉(zhuǎn)子的工作頻率即旋轉(zhuǎn)頻率 相等，為了便于識(shí)別各頻率成分（包括基頻、倍頻、及分?jǐn)?shù)頻等）與故障的聯(lián)系，常將頻譜圖的頻率軸（橫坐標(biāo)）該用工作頻率的倍數(shù)來表示，而縱坐標(biāo)仍表示幅值，這種譜圖成為階比幅值譜。,圖4-8 階比幅值譜,圖4-8為圖4-7的階比幅值譜,兩圖形狀相似，僅在橫軸方向比例有所改變，因此兩者提供的診斷信息量相同。,C 自功率譜圖,信號(hào)的自功率譜密度 簡(jiǎn)稱為自功率譜。它表示信號(hào)樣本中所含能量沿頻率軸的分布狀況，多用于以隨機(jī)信號(hào)為主的信號(hào)分析中。例如，有摩擦故

13、障或由軸承、齒輪激起的全頻帶振動(dòng)的分析中。功率譜提供的診斷信息與幅值譜基本相同，但具有更多的優(yōu)點(diǎn)：,1）它可以把能量集中的譜峰更加突出表現(xiàn)出來。,2）它還可以研究某一段帶范圍內(nèi)能量分布的水平。,3）它比幅值譜有更加廣泛的用途；如隨機(jī)振動(dòng)中輸入、輸出譜，人機(jī)工程中的環(huán)境譜，醫(yī)療中的心電圖、腦電圖、肌電圖的譜分析等。,圖4-9為滾動(dòng)軸承的功率譜圖，其中06Hz及6872Hz有三個(gè)能量集中的敏感地帶，這將為軸承振動(dòng)檢測(cè)方法的研究、傳感器的設(shè)計(jì)等提供依據(jù)。,圖4-9 滾動(dòng)軸承的功率譜圖,4 .2. 3軸心軌跡分析法,軸心軌跡是指轉(zhuǎn)子軸心點(diǎn)相對(duì)于軸承座運(yùn)動(dòng)而形成的軌跡。柔性轉(zhuǎn)子均采用流體動(dòng)壓滑動(dòng)軸承，其

14、軸與軸承之間的間隙為軸心軌跡的形成構(gòu)成了條件。 實(shí)驗(yàn)證明，軸心軌跡攜帶著豐富的診斷信息，特別是與亞同步振動(dòng)有關(guān)的一些故障的診斷信息。,軸心軌跡攜帶的診斷信息表現(xiàn)為其形狀、旋轉(zhuǎn)方向和穩(wěn)定性等方面。,A 軸心軌跡的形狀,B 軸心軌跡的旋轉(zhuǎn)方向,C 軸心軌跡的穩(wěn)定性,A 軸心軌跡的形狀,軸心軌跡的形狀與機(jī)器的運(yùn)行狀態(tài)及發(fā)生故障的類型有密切關(guān)系。根據(jù)實(shí)驗(yàn)及研究的結(jié)果以下列出幾種典型故障的軸心軌跡圖。,a：不平衡,b：不對(duì)中,c：亞同步振動(dòng),d：轉(zhuǎn)子與靜止部件的碰撞和摩擦,a 不平衡,由不平衡引起的軸心軌跡理論上應(yīng)為圓形,但由于軸承油膜剛度在x、y方向上的差別以及其他一些因素的影響，實(shí)際上是一個(gè)橢圓。圖

15、4-10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(zhǎng)軸傾角的變化主要是受到啟動(dòng)過程中溫度升高所致。,b,a,c,d,e,f,g,h,i,j,圖4-10 發(fā)電機(jī)啟動(dòng)過程基頻軸心軌跡,不對(duì)中軸心軌跡主要由二倍頻、四倍頻諧波分量由計(jì)算機(jī)仿真合成。圖4-11為存在不同程度不對(duì)中缺陷時(shí)的軸心軌跡。隨著不對(duì)中的增大軌跡由橢圓形變?yōu)橄憬缎危詈蟪蔀椤?”字形。,圈411存在不同程度的不對(duì)中缺陷時(shí)的軸心軌跡,b 不對(duì)中,C 亞同步振動(dòng),圈4一12的內(nèi)“8”字形為典型的半速渦動(dòng)的軸心軌跡。由于渦動(dòng)頻率并非恰為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)頻率的一半，所以渦動(dòng)軌跡并不完全重復(fù)大多數(shù)亞同步自激振動(dòng)的軸心軌跡都具有上述的特征。,

16、圖4-12 油膜渦動(dòng)時(shí)的仿真軸心軌跡,圖4-13為由內(nèi)摩擦失穩(wěn)而引起的亞同步振動(dòng)的軸心軌跡。,圖 4-13 內(nèi)摩擦失穩(wěn)時(shí)的軸心軌跡,d：轉(zhuǎn)子與靜止部件的碰撞和摩擦,圖4-14a、b，c、d為轉(zhuǎn)子與靜止部件產(chǎn)生不同程度的碰撞和摩擦?xí)r的軸心軌跡.,圖 4-14 碰撞彈回的摩擦軌跡,(a),(b),(c),(d),B：軸心軌跡的旋轉(zhuǎn)方向,若軸的旋轉(zhuǎn)方向與軸心軌跡旋轉(zhuǎn)方向一致，稱為正向進(jìn)動(dòng)。反之，稱為逆向進(jìn)動(dòng)。絕大多數(shù)情況下為正向進(jìn)動(dòng)。飼如，當(dāng)轉(zhuǎn)子具有不平街，不對(duì)中故障時(shí)，或當(dāng)轉(zhuǎn)子在軸承或密封裝置流體動(dòng)力激振下(油膜激振、氣膿激振、蒸汽激振等)由于油膜失穩(wěn)產(chǎn)生的亞同步渦動(dòng)均為正向進(jìn)動(dòng)。此外由于轉(zhuǎn)子內(nèi)封

17、存有殘余液體廈由f軸彎曲時(shí)的內(nèi)摩擦所激發(fā)的涓動(dòng)亦為正向進(jìn)動(dòng)。在少數(shù)情況下，例如轉(zhuǎn)予和定子之間的干摩擦和某些具有螺旋漿的旋轉(zhuǎn)機(jī)械由于葉片的動(dòng)力作用，剛會(huì)產(chǎn)生逆向進(jìn)動(dòng)。 上述產(chǎn)生正反向進(jìn)動(dòng)的機(jī)理將在本章后半部分或在有關(guān)專門文獻(xiàn)中進(jìn)行分析。,C：軸心軌跡的穩(wěn)定性,一般情況下,軸心軌跡保持穩(wěn)定。一但發(fā)生形狀大小的變化或軌跡紊亂，則揭示機(jī)器運(yùn)行狀態(tài)已發(fā)生變化或進(jìn)入異常。,4.2.4轉(zhuǎn)速跟蹤分析方法,上述分析方法都是在機(jī)器的轉(zhuǎn)速不變的條件下進(jìn)行的，因此均屬于穩(wěn)態(tài)分析方法。但是很多情況下，只有當(dāng)工況改變時(shí)特別是啟停車時(shí)轉(zhuǎn)速變化的過程中，某些重要的診斷信息才能充分顯示來這種方法稱為轉(zhuǎn)速跟蹤分析方法，是屬于瞬態(tài)

18、分析方法的,轉(zhuǎn)速跟蹤分析方法是在一些穩(wěn)態(tài)分析法的基礎(chǔ)上考慮到轉(zhuǎn)速變化的影響而構(gòu)成的。它主要由以下幾種圖形來表示。,a 奈奎斯持(Nyquist)圖和波德(Bode)圖,b 瀑布圖和敢貝爾(Campbell)圖,4.2.5統(tǒng)計(jì)分析方法,統(tǒng)計(jì)分析方法是對(duì)振動(dòng)信號(hào)中各頻率分量的綜合影響用統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行量化處理的一種方法，量化指標(biāo)稱為診斷指標(biāo)，它可以直接從振動(dòng)參數(shù)中獲得也可以從波形曲線或頻譜圖中獲取。診斷指標(biāo)可以單獨(dú)使用例如在簡(jiǎn)易診斷中用于狀態(tài)監(jiān)測(cè)。也可以組合成特征向量進(jìn)行模式識(shí)別，用于精密診斷中。,常用的診斷指標(biāo)有以下幾種： 1)：振動(dòng)的峰-峰值(p-p值)。常用的峰-峰值為振動(dòng)位移和加速度的峰-峰值