《旋转机械的振动监测与故障诊断.》由会员分享，可在线阅读，更多相关《旋转机械的振动监测与故障诊断.（144页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第4章 旋转机械的振动监测与故障诊断,目 录,振动的基础理论 振动诊断技术 机械振动标准及应用 旋转机械振动的监测参数与分析方法,振动的基础理论,第一部分,一 振动的基本理论知识 定义：机械振动是指物体围绕其平衡位置作往复交替的运动。,惯性力 阻尼力 弹性力 干扰力,振动的三个要素： 幅值、频率（周期）、相位,机器零件的制造公差 组装时的间隙 零件间的摩擦 旋转不平衡等 但有时也利用振动的特性来帮助我们工作,机械振动的来源,简谐振动 周期振动 （振动波形为单一的正弦波） 周期振动 确定性振动 （振动波形为多条正弦波的叠加） 准周期振动 非周期振动 （信号经过处理后，可以变换成周期振动） 机械振
2、动 过渡振动 （单发的一次性振动） 窄频带随机振动 平稳随机振动 （受频带限制的随机振动） 随机振动 宽频带随机振动 （白噪声） 不平稳的随机振动 （特殊的随机振动）,1.按振动规律分类,2、按产生振动的原因分类 机器产生振动的根本原因，在于存在一个或几个力的激励。不同性质的力激起不同的振动类型。据此，可将机械振动分为三种类型： 自由振动 给系统一定的能量后，系统所产生的振动。若系统无阻尼，则系统维持等幅振动；若系统有阻尼，则系统为衰减振动。 受迫振动 原件或系统的振动是由周期变化的外力作用所引起的，如不平衡、不对中所引起的振动。 自激励振动 在没有外力作用下，只是由于系统自身原因所产生的激励
3、引起的振动，如油膜振荡、喘振等。 因机械故障而产生的振动，多属于受迫振动和自激振动。,3、按振动频率分类 机械振动频率是设备振动诊断中一个十分重要的概念。在各种振动诊断中常常要分析频率与故障的关系，要分析不同频段振动的特点，因此了解振动频段划分与振动诊断的关系很有实用意义。按着振动频率的高低，通常把振动分为3种类型： 低频振动: f1000Hz,周期振动与简谐振动,周期振动一般可看作是多个简谐振动的叠加。 简谐振动是机械振动中最基本、最简单的一种形式，其轨迹可以看作是一个作匀速圆周运动的质点在坐标轴上的投影，可用后面的数学式表示。,X-质点位移 Xm-位移最大值，振幅(A) T-周期，质点重复
4、同一运行所需最短时间 f-频率，单位时间同一状态出现次数，1/T - 圆频率，2f -初始相位角 -圆频率（rad/s) ,f-频率（Hz) ,T-周期（s),振动几个术语,周期：振动一次所需的时间。 工作频率：单位时间内的振动次数（与周期互为倒数）。 频率（圆频率）：旋转向量的角速度，即体系在2秒内的振动次数。自由振动时的圆频率称为“自振频率”。 自振频率是体系本身的固有属性，与体系的刚度、质量有关，与激发振动的外部因素无关。,系统的固有频率和周期 系统的固有频率为： （3-1） 系统的频率为： （3-2） 系统的周期为： （3-3）,振动位移、速度、加速度,振动位移、速度、加速度 v =
5、Xmsin(t+ /2) a = 2 Xmsin(t+ ) 振动速度信号比位移超前90，幅值是位移信号倍；振动加速度信号比振动速度超前90，幅值是速度信号倍。,测试参数的选择原则,振动测量，要求选用对故障反映最敏感的的诊断参数来进行测量，这种参数被称之为“敏感因子”，即当机器状态发生小量变化时特征参数却发生较大的变化。由于设备结构千差万别，故障类型多种多样，因此对每一个故障信号确定一个敏感因子是不可能的。人们在诊断实践中总结出一条普遍性原则，即根据诊断对象振动信号的频率特征来选择诊断参数。常用的振动测量参数有加速度、速度和位移，一般按下列原则选用： 低频振动（1000Hz）采用加速度。,二.状
6、态监测常用分析方法简介 幅值分析：（振动总值、烈度）、变化趋势 波形分析：峰值变化、周期性特点 频谱分析：振动能量的频率分布分析 倒频谱分析 伯德图 三维谱图,1.幅值分析,振动总值、（列度）的分析判断 与标准允许值比较 与历史统计值比较 与同类机组振动值比较 振动值变化趋势的分析判断 总量值的趋势 频段值的趋势 通常情况振动信号包含很多简谐振动成分，当频率成分较多时，从振动波形中很难直接看出波形中包含的频率成分。作傅里叶变换求出频率。频谱图将这些频率成分和大小表示出来。,2.频谱分析 频谱分析是旋转机械故障诊断中使用得最广泛的信号处理方法之一，大多数旋转机械一般都产生带有周期的振动信号，并不
7、是都只含有单一频率成分的简谐运动，而是包含有多种的频率成分，这些频率成分往往直接与机器中各零部件的机械物理特性联系在一起。频域分析的基础是频率分析方法，利用傅里叶变换，将复杂的信号分解为简单信号的叠加。,0.5x 1x 2x 3x 4x 5x,伯德图 ：转速与振幅、相位之间的关系。,瀑布图,将不同时刻的频谱图叠加在一起，以时间作为坐标得到的三维图形。x轴振动频率，y轴时间，z轴振幅。 根据瀑布图可以直观看到不同时刻的振动频谱，了解异常振动故障发生时频谱及幅值变化情况。 可以判断机器临界转速、振动原因以及系统的阻尼等情况 由频谱分析仪或信号处理装置直接显示出来。,趋势图,将振动幅值和相位随时间变
8、化情况表示出来。可以对一段时间内的振动变化情况进行分析，判断机组是否稳定、有没有周期性等。,高中压转子碰磨轴振动2y赋值/相位变化情况,趋势分析,特征数据值和预报值按一定的时间顺序排列起来 进行分析。可以是通频振动、1X振幅、2X振幅、0.5X振幅、轴心位置等，时间顺序可以按前后各自采样、按小时、按天等。,停机门限值,报警门限值,振动峰峰值/m,日期/d,三、振动分析的过程 问诊 监测 诊断 措施 问诊：了解设备背景，运行环境、可能引起振动的原因 设备结构（传动链参数，如齿轮齿数、轴承型号、皮带轮直径等） 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 设备维修档案,监测
9、: 确定振动测试分析方案 测试（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 测试振动的方向（H/V/A） 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,诊断：引起振动的原因和部位 振动幅值趋势分析 振动波形识别 频谱分析、峰值能量谱分析 频响特性与相干分析 瞬时频率变化与相位分析 措施：给出结论 继续运行；还能运行多久? 维修、检查；部位?,振动诊断技术,第二部分,振动监测系统的组成,测振传感器与信号调理器,信号记录仪,信号分析与处理设备,观测对象,结果,振动测试系统组成,振动加速度传感器050kHz 有静电加速度传感器、激光加速度
10、传感器、电磁加速度传感器、压电加速度传感器等到。 其中压电加速度传感器具有很多优点：体积小、质量轻、灵敏度高、测量范围大、频响范围宽、线性度好、安装简便等。,1.测振传感器,如图是一个纵效应型的一种,压电加速度传感器的工作原理,m,k,C,Xr,xs= xosint,1 2 3 4,1-螺母 2-质量块 3-压电元件 4-底座,机构原理图,力学模型图,等效电路如图：,压电式传感器的等效原理图,A 等效静电和发生器,B 等效电容器,（1）湿度影响 环境的湿度增大，会使传感器的绝缘电阻（泄漏电阻）减少，从而使传感器的低频响应特性变坏。因此传感器的有关部份的绝缘一定要有保证。对长期在潮湿环境或水下工
11、作的传感器，应采取防潮密封措施，易进水的线接头要加以密封。 （2）温度影响 石英常用于标准传感器是因为石英晶体对温度不敏感，而温度对压电陶瓷的压电系数和介电常数的影响则大得多，采用压电陶瓷作为传感器，一般要进行人工老化处理。,加速度传感器使用注意事项,（3）电缆噪声 电缆受到突然的扰动或振动时，自身会产生噪声由于压电式传感器电电容性的，在低频时其内阻抗极高，电缆里产生的噪声不会很快消失，成为一种干扰信号。为减少电缆噪声常采用以下办法：一是选用特制的低噪声电缆，二是在测量过程中将电缆固定以避免相对运动。,（4）接地回路噪声 不同接地点之间易存在电位差U，该电位差会在接地回路中形成回路电流，在测量
12、系统中就产生了噪声。防止接地回路中产生噪声信号的办法是整个测量系统在一点接地。 接地点最好选在记录设备的输入端。安装时要将传感器和放大器对地隔离。,前置放大器,记录设备,传感器,绝缘,（5)传感器安装方式的影响,1、诊断对象的确定 必须经过充分的调查研究，有重点地选定用作监测对象的设备 (1) 一般是连续作业和流程作业中设备。 (2) 停机或存在故障会造成很大损失的设备。 (3) 故障发生后，会就成环境污染的设备。,三、振动诊断技术的实施过程,(4) 维修费用高的设备。 (5) 设有备用机组的关键设备。 (6) 价格昂贵的大型精密和成套设备。 (7) 容易造成人身安全事故的设备。 (8) 容易
13、发生故障的设备。,A、选择测点 选择最佳的测量点并采用合适的检测方法是获取设备运行状态的重要条件。测量点选择的正确与否，关系到能否对设备故障作出正确的诊断。 确定测量点数量及方向的总原则是：能对设备振动状态作出全面的描述；应是设备振动的敏感点；应是离机械设备核心部位最近的关键点；应是容易产生劣化现象的易损点。,2、诊断方案的确定,对于一般的旋转机械，测轴振动和测轴承的振动是两种常见的振动测定方法。一般而言，对于非高速旋转体，以测定轴承的振动为主；对于高速旋转体，则以测定轴的振动位移居多。 在测轴承的振动时，测量点应尽量靠近轴承的承载区；与被监测的转动部件最好只有一个界面，测量点必须要有足够的刚
14、度。,对于低频振动，应在水平和垂直两个方向同时进行测量，必要时，还应在轴向进行测量；而对于高频振动，则只需在一个方向进行测量。因高频信号对方向不敏感，低频信号的方向性强。 尽可能地避免选择高温、高湿、出风口和温度变化剧烈的地方作为测量点，以保证测量结果的有效性。,测量点一经选定，就必须进行标记，如打上样冲眼或加工出固定传感器的螺孔，以保证在同一点进行测量。研究表明，在测高频振动时，微小的偏移（几毫米），将会造成测量值相差几倍（高达6倍）。,B、预估频率和振幅 振动测量前，应估计一下所测振动信号的频率范围和幅值的大小，对于选择传感器、测量仪器和测量参数非常必要，同时防止漏检某些可能存在的故障信号
15、。采用以下几种方法。 （1）根据积累的现场诊断经验，对设备常见故障的振动 特征频率和振幅作一个基本估计。,（2）根据设备的结构特点、性能参数和工作原理计算出某些可能发生的故障特征频率。 （3）广泛搜集诊断知识，掌握一些常用设备的故障特征频率和相应的幅值大小。 （4）利用便携式振动测量仪，在正式测量前对设备进行重点分块测试，找到一些振动烈度较大的部位，通过改变测量频段和测量参数进一步测量，也可以大致确定其敏感频段和幅值范围。,在机械设备振动诊断工作中，位移、速度和加速度是三种可测量的幅值参数。选择时应考虑两方面的因素：一是振动频率的构成；二是主要的振动表象。 从频率角度看，高频信号常选加速度作为
16、测量参数，低频信号选位移作为测量参数，居于其间选速度作为参数。,3、测量参数的确定,加速度、速度v和位移x三者之间存在如下关系式 =v=2x 简谐振动的频率，Hz。 按频带选定测量参数：位移010Hz， 速度10HzkHz， 加速度1kHz。,对振动检测最重要的要求之一，就是测量范围应能包含所有主要频率分量的全部信息，包括不平衡、不对中、滚动体损坏、齿轮啮合、叶片共振、轴承元件径向共振、油膜涡动和油膜振荡等有关的频率成分，其频率范围往往超过1kHz。很多典型的测试结果表明，在机器内部损坏还没有影响到机器的实际工作能力之前，高频分量就已包含了缺损的信息。为了预测机器是否损坏，高频信息是非常重要的。因此，测量加速度值的变化及其
