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1、 机械设备振动状态监测机械设备振动状态监测 戴凤涛 2014.02 n 第一章 振动基础 n 第二章 旋转机械典型振动故障特征 识别 第一章第一章 振动基础振动基础 第一节第一节 振动概述振动概述 一一 振动的基本概念振动的基本概念 二二 振幅振幅 三三 频率频率 四四 相位相位 第二节第二节 机械设备振动监测机械设备振动监测 一一 设备振动监测方法设备振动监测方法 二二 设备振动标准与评价设备振动标准与评价 物体相对于平衡位置所作的往复运动称为机械振动。 简称振动。 例如，机器箱体的颤动、管线的抖动、叶片的摆动等 都属于机械振动。 振动用基本参数、即所谓“振动三要素” 振幅、 频率、相位加以
2、描述。 一 振动的基本概念 第一节第一节 振动概述振动概述 n振幅 A (Amplitude) 偏离平衡位置的数值。描述振动的规模。 n频率 f (Frequency) 描述振动的快慢。单位为次/秒(Hz) 或次/分(c/min) 。 周期 T = 1/f 为每振动一次所需的时间，单位为秒。 圆频率 = 2 f 为每秒钟转过的角度，单位为弧度/秒 n初相角 (Initial phase) 描述振动在起始瞬间的状态。 第一节第一节 振动概述振动概述 一 振动的基本概念 第一节第一节 振动概述振动概述 一 振幅 振幅是物体动态 运动或振动的幅度。 振幅是振动强 度和能量水平的标志，是评判机器运转状
3、态优 劣的主要指 标。 n瞬时值 (Instant value) 振动的任一瞬时的数值。 n峰值 (Peak value) 振动离平衡位置的最大偏离。 n平均绝对值 (Average absolute value) n均值 (Mean value) n 有效值 (Root mean square value) 振动的均方根值 xp x = x(t) 1 振幅的量值 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 n峰值 xp=A; 峰峰值 xp-p=2A n平均绝对值 xav=0.637A n有效值 xrms=0.707A n平均值 简谐振动的幅值参数 复
4、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 第一节第一节 振动概述振动概述 一 振幅 n振幅分别用振动位移、振动速度、振动加速度值加 以描述、度量，三者相互之间可以通过微分或积分 进行换算。 n在振动测量中，振动位移的量值为峰峰值，单位是 微米m或密耳mil； n振动速度的量值为有效值，单位是毫米/秒mm/s或英 寸/秒ips； n振动加速度的量值是单峰值，单位是重力加速度g 或米/秒平方m/s2，1g = 9.81m/s2。 2 振幅的描述 2 振幅的描述 位移振幅 物理意义物理意义 位移描述了质点偏移平衡位置的程度，反映了位移与质点 的位
5、能关系。位移大，质点的势能就大，因此，位移可监测位能对部 件的破坏作用； 工程意义工程意义 位移幅值对低频振动信号非常敏感，异常间隙故障、磨损 故障、非线性摩擦及松动等故障，都会激励起很大的位移响应。 1500rpm以下的低速设备，一定要关注位移振幅！ 第一节第一节 振动概述振动概述 速度振幅 物理意义 速度是位移对时间的变化率，描述了质点的运动速率， 速度越快，动能越大，即速度反映了质点的动能。 工程意义 速度反映了分析频段内时间历程信号的振动能量，即机 器的振动烈度，因此，速度的表征参数用有效值(mm/s)表示。不 论是低速设备，还是高速设备，都要关注对振动速度的测量分析。 滚动轴承出现磨
6、损故障时，会导致振动速度增大 2 振幅的描述 第一节第一节 振动概述振动概述 pp 加速度振幅 物理意义物理意义 加速度是速度对时间的变化率（v/t ），是描述物体 速度改变快慢的物理量。速度变化量为0 ，是匀速运动，加速度也 必然为“0”， 所以，加速度值与速度的大小没有必然联系。只有 在外力作用下速度发生改变时，才会使加速度增大。 工程意义工程意义 牛顿第二定律（a=F/m ）说明，加速度幅值反映了单位质量所 受合外力的状况，受到的合外力越大，瞬间产生的加速度就越大。由此推 断，如果振动加速度增大，振动系统必然是受到了外力干扰，因此，通过 监测加速度幅值的变化，可以分析系统中有冲击力特征的
7、振动故障。 2 振幅的描述 第一节第一节 振动概述振动概述 振动位移、速度、加速度之间的关系 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。 x v a xv a 加速度 (Acceleration) 速度 (Velocity) 振动位移 (Displacement) 什么时候使用位移、速度或加速度？ 在低频范围内(10Hz)，振动强度与位移成正比；在中频范围内，振动强 度与速度成正比；在高频范围内，振动强度与加速度成正比。因为频率低意 味着振动体在单位时间内振动的次数少、过程时间长，速度、加速度的数值
8、相对较小且变化量更小，因此振动位移能够更清晰地反映出振动强度的大小 ；而频率高，意味着振动次数多、过程短，速度、尤其是加速度的数值及变 化量大，因此振动强度与振动加速度成正比。 也可以认为，振动位移具体地反映了间隙的大小，振动速度反映了能量的 大小，振动加速度反映了冲击力的大小。 在实际应用中，大型旋转机械的振动用振动位移的峰峰值m表示，用装 在轴承上的非接触式电涡流位移传感器来测量转子轴颈的振动；一般转动设 备的振动用振动速度的有效值mm/s表示，用手持式或装在设备壳体上靠近 轴承处的磁电式速度传感器或压电式加速度传感器（如今主要是加速度传感 器）来测量；齿轮和滚动轴承的振动用振动加速度的单
9、峰值g表示，用加速 度传感器来测量。 频率f是物体每秒钟内振动循环的次数，单位是赫兹 Hz。 频率是振动特性的标志，是分析振动原因的重要依据。 机器振动故障的发生、发展，都会引起信号频率结构的变化，并且不同故 障所生成的频率成分之间，交叉叠加。因此，振动信号的幅值分析，尚不 能对其振动性质、内在变化、动态行为、故障原因等根本问题作出确定性 结论，这些问题的最终解决，都需要把复杂的时间历程信号，由时域分析 转换到频域分析频谱分析技术。 1 1 频谱分析的内涵频谱分析的内涵 频谱分析是机械故障诊断中最常用的信号处理技术之一，主要解决四项问题： 观察振动信号中的频率成分和分布范围； 计算频率幅值（或
10、能量）的大小； 确定影响设备状态的主要激振频率； 识别振动信号的相位信息（相位谱）。 二 频率 第一节第一节 振动概述振动概述 t x(t) 二二 关于频率关于频率 2 2 频谱分析的基本原理频谱分析的基本原理 t 50Hz X(t1) t 75Hz X(t2) t 100Hz X(t3) 通过数学计算的方法，把复杂的时间历程信号分解成一系列相对应的简 谐信号，再从频域观察、分析各谐波信号的频率结构和幅值。 f X(f) 50 75 100 振幅反映了设备的振动状况，频谱揭示了设备振动的频率结构和可能的故障原因 第一节第一节 振动概述振动概述 三三 相位相位 在旋转机械中，相位具有特定的明确含
11、义：在旋转机械中，相位具有特定的明确含义： 指基频信号的正最大指基频信号的正最大 处相对于转轴上某一确定标记的相位差。处相对于转轴上某一确定标记的相位差。 这是标准制式这是标准制式 1 1 相位的含义相位的含义 t +p s p +s t +p p 2 2 相位测量与标注相位测量与标注 通过涡流涡流或光电光电传感器方法测量，有4种标注方式 +p 正峰点相位； p 负峰点相位； +S 正零点相位； S 负零点相位 1 - 9 18 27 第一节第一节 振动概述振动概述 第二节第二节 机械设备振动监测机械设备振动监测 一 设备振动监测方法 1 1 测点选择测点选择 轴相对振动测量轴相对振动测量 选
12、用涡流传感器测量轴的相对振动位移选用涡流传感器测量轴的相对振动位移 轴承座振动测量轴承座振动测量 用加速度或速度传感器在轴承座上测量绝对振动用加速度或速度传感器在轴承座上测量绝对振动 振动测点首选每个支承轴承部位；振动测点首选每个支承轴承部位； 测点信号能反映设备的动态力，即灵敏反映设备的实际振动状况；测点信号能反映设备的动态力，即灵敏反映设备的实际振动状况； 测点部位不能存在局部共振和放大；测点部位不能存在局部共振和放大； 43主变流机组基本结构与振动测点示意图 励磁机 交流机 220KW 直流机 220KW 23 4 615 5U190-4 J02-H-81/L3 55Kw/3000r/m
13、in 主滑油泵结构见图 1 2 3 4 一 设备振动监测方法 2 2 测点方向选择测点方向选择 每个测点都要在每个测点都要在 X X、Y Y、Z Z 三个主方向进行测量，尤其三个主方向进行测量，尤其 存在故障时，更要测量轴系的轴向振动；存在故障时，更要测量轴系的轴向振动； 对立式安装设备，要在规定测点的两个水平主方向进行对立式安装设备，要在规定测点的两个水平主方向进行 振动测量；振动测量； 第二节第二节 机械设备振动监测机械设备振动监测 一 设备振动监测方法 3 3 测量参数选择测量参数选择 振动位移振动位移 D D 转速转速1800 r/min时，按规定转子 必须要求作动平衡； 二 不平衡振
14、动故障机理分析 6 刚性转子的平衡方法 平衡机法（固定式/移动式） 力传感器 轴承架 硬支承摆架 传感器 弹簧板 或钢丝带 摆架 软支承摆架 优点：精密优点：精密 适用于新建造的转动部件；不能在现场和工作适用于新建造的转动部件；不能在现场和工作 转速下进行平衡；大中修时吊出机器的转子等转速下进行平衡；大中修时吊出机器的转子等 1 不平衡测量分析系统2 万向节电机拖动系统 5 可移动支承摆架 6 平衡部件 7 传感器 3 万向联轴节 2 3 4 5 6 5 1 21g350 50g1550 A B 8 7 8 光电式相位传感器 动平衡机基本结构及其检测平衡模式 4 拖动电机 二 不平衡振动故障机
15、理分析 6 刚性转子的平衡方法 平衡机法（固定式/移动式） 二 不平衡振动故障机理分析 6 刚性转子的平衡方法 特殊环境机械设备做动平衡遇到的问题特殊环境机械设备做动平衡遇到的问题 大机组大机组转子出厂做平衡困难；转子出厂做平衡困难； 牵连工程大、维修周期长、工作效率低牵连工程大、维修周期长、工作效率低 轴系平衡问题无法解决；轴系平衡问题无法解决； 大直径叶轮不能随转子移动导致平衡失效大直径叶轮不能随转子移动导致平衡失效 XX机组 泵组安装环境 3 1712 1 3 0 L: 320 : 350 直流机转子重850KG L: 660 : 460 L : 9 0 820 主变流机组直流机转子结构示意图 二 不平衡振动故障机理分析 6 刚性转子的平衡方法 平衡机法（固定式/移动式） 现场动平衡方法 大机组转子出厂做平衡困难；大机组转子出厂做平衡困难； 牵连工程大、维修周期长、工作效率低牵连工程大、维修周期长、工作效率低 轴系平衡问题；轴系平衡问题； 大直径叶轮
