旋转机械讲义教材

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1、旋转机械 状态监测与故障故障 主 讲 人 简 介 轩建平博士 华中科技大学 控制科学与工程系博士后 机械与电子信息系副教授 中国振动工程学会故障诊断专业委员会理事 一 旋转机械振动分析基础 二 旋转机械故障特征 三 旋转机械状态监测与故障诊断系统 四 旋转机械故障诊断实例 主要内容 一 旋转机械振动分析基础 1. 机械振动与转子动力学的基本概念 2. 旋转机械振动测试的基本概念 机械振动与转子动力学的基本概念 1. 什么是振动 在特指的机械系统中，我们把所有由质量 与弹性的物体组成一个动力系统（不是静 态的）产生的震荡运动称为振动。 振动 返回 机械振动与转子动力学的基本概念 2 振动的三要素

2、 所有复杂振动均可分解成多个简谐运动的合成。 最基本的简谐运动形式: Y=Acos(t+j) 振幅 A 位移的最大值 频率 f = /2 单位时间同一状态出现的次数 相位 j 三个参数决定了系统的运动状态,称:振动的三要素 振动三要素 返回 机械振动与转子动力学的基本概念 3 振动形式的分类 自由振动 强迫振动 自激振动 自由振动是系统受到外界干扰，并去掉 激振后产生 的振动，又称自由响应。 自由振动反映了系统内在的信息。 自由振动 返回 强迫振动 强迫振动： 系统在外界干扰作用下的振动响应。 外激励力 ：确定性 周期振动 外激励力 ：非确定性 随机振动 返回 自激振动与参数振动（1） 自激振

3、动是非振动性能量在系统内部变成 了振动性的激励而产生的振动。 产生振动的直接原因是振动力，它是由振动体 自身而产生的，且取决于振动体本身的振动， 这种振动力是由外部供给的非振动的或振动的 能量而产生的。 系统外部的非振动的 或振动的能量 振动系统振动力 参数振动是指振动系统内部的质量、阻尼 、弹性等元素随时间周期变化而引起的激 振。 在这个振动系统中，质量、阻尼、弹性等 元素随时间变化，但系统不受到外界的激 励仍然可以有周期性的运动。 自激振动与参数振动（2） 自激振动与参数振动（3） 参数振动属于自激振动的一种。 电厂中常见的自激振动有： 轴承的油膜振荡。 转子的汽流激振。 泵及管道的喘振。

4、 返回 机械振动与转子动力学的基本概念 4 振动系统的分类 系统简化后得到一个振动系统的组成模型， 按照需要确定系统在空间运动时的几何位置 所需要独立坐标的个数可以将振动系统分成 ： 单自由度系统 多自由度系统 单自由度系统 定，可以用一个方程就描述它的运动。 为惯性项 为阻尼项 为弹性恢复项 为外激力 所谓单自由度系统就是 在任何时刻，系统的位置 只需要一个坐标就可以确 返回 对于简化的只受 偏心激励力作用 的转子，按单自 由度振动方程得 到的转子稳态解 是： 转子的固有频率 转子的转速 共振共振 单自由度系统的幅频、相频特性 返回 当干扰力的频率接近系统固有频率时，振动迅速增 大，此时系统

5、处于共振状态。 对于有阻尼系统，阻尼的耗能作用使共振振幅变小 ，阻尼越大，共振振幅越小。 多自由度系统（1） 多自由度系统就是在任何时刻，系统的位 置需要两个以上坐标才能确定的系统。 多自由度系统（2 ） 一个具有n个自由度的强迫振动系统的典型方程可以写做 ： 返回 机械振动与转子动力学的基本概念 5 转子振动的几个重要概念 固有频率 振型 临界转速 共振 固有频率 一根转子在一定的转速下，如果没有阻尼衰减 作用，此时给它一个扰动让其自由振动的话，那么 这个转子将按照一定的频率振动下去，这个振动的 频率只取决于系统本身的质量、刚度，与外界的因 素无关，外界的扰动情况只能影响他振动的幅度， 但不

6、会干扰他的振动频率。这个频率我们称：是这 根转子的固有频率。 返回 振型 又叫模态，是振动系统各点在固有频率下做简谐 振动时，波节与波腹的振动形态。或说沿轴向分 布的横向振动大小。振型有助于估算转子与固定 部件之间的内部间隙，并能估算出转轴上节点的 位置。节点为转轴上振幅为零的位置。 返回 55型国产200MW机组发电机转子二阶振型 55型国产200MW机组低压转子一阶振型 临界转速（wcr） ISO定义：系统共振时发生主响应的特征 转速。 wcr=wn（固有频率） 旋转机械振动测试的基本概念 4 常见振动测试的特征图形 所有的信号都可以分类成 时域图形和频域 图形。 最常用的就是： a 波形

7、图 b 频谱图 常见的几种振动信号所对应的波形图与频 谱图 波形图 波形图就是将振动信号的时间历程表示出来。 从波形图可以看出振动信号是否平稳、毛刺、 削波、调频、调幅等异常现象。 返回 频谱图 当对时域波型数据进行频谱分析可以看到信号是由哪些 频率成分的分量组成的，以及各个分量的幅值情况。这 是目前进行故障诊断与分析最普遍使用的图形。 以频率为横坐标，以振幅为纵坐标，将分析结果绘制在 图上就可以得到某一时刻的频谱。 返回 常见振动信号对应的波形与频谱图(1) 以工频为主的振动 常见振动信号对应的波形与频谱图(2) 有低频的次谐波振动 常见振动信号对应的波形与频谱图(3) 有高频的超谐波振动

8、常见振动信号对应的波形与频谱图(4) 随机振动 常见振动信号对应的波形与频谱图(5) 返回 拍振 旋转机械振动测试的基本概念 4 常见振动测试的特征图形 两种连续的三维频谱图： c 瀑布图 d 级联图 瀑布图(时间频率) 用某一测点在连续时间范围内测的的频谱图按时间 顺序排列组成瀑布图（通常是在相同的转速下）。 瀑布图中可以看到各种频率的组成与振幅是如何随 时间变化的。 返回 级联图(转速频率) 级联图是转速连续变化时的频谱图依次组成三维 连续的频谱图。他的Z轴是转速，各个频率的轴线 是倾斜的直线。 级联图用来分析与转速相关的故障比较直观。 返回 旋转机械振动测试的基本概念 4 常见振动测试的

9、特征图形 f 趋势图 g 波特图 h 极坐标图 I 轴心轨迹 j 全息图 趋势图 趋势是观察的某个参数随时间的变化关系。 分析机组的振动随时间、负荷等的变化时，趋势 图非常直观，对运行人员监视机组状况很有用。 返回 波特图（幅值、相位转速） 表示振动的幅值、相位随着转速变化的图形。 通常用来确定机组的临界转速。另一个重要用处就是 在进行动平衡时有助于用来分析转子不平衡质量所处 的轴向位置、不平衡振型的阶数。 返回 极坐标图 极坐标图又叫做奈奎 斯特图。就是把波特 图的结果绘制在极坐 标上，得到的振幅 转速曲线是一条环形 线。 判断转子的临界转速，容易得到模态参数。 用涡流传感器测试轴振动时，很

10、容易得到原始的 晃度矢量。 返回 轴心轨迹图 轴心轨迹就是将转子 在轴承中运转情况以二 维轨迹形式表示出来。 必须在一个平面安装 两个互相垂直的涡流传 感器。 可以帮助判断摩擦、油膜涡动、油膜振荡等具有 不同轴心轨迹特征的故障。 返回 全 息 谱 将转子各轴承横断面的振动信 息加以集成 完全充分地利用各频率分量下 的幅值、频率和相位信息 旋转机械振动测试的基本概念 1 振动测试的物理量与传感器的选择 位移 速度 加速度 涡流传感器性能 1.可以直接测量转轴振动 2. 采用非接触测量方式，避免了接触磨损 3. 能做静态和动态测量。可以测量2Hz以下的低频振动 ，适用于绝大多数机器环境。 4. 输

11、出信号与振动位移成正比。 5. 结构简单可靠，尺寸小，没有活动部件。 6. 可作为转速测量与振动相位测量的键相信号 7. 材料不同影响传感器线形范围和灵敏度，须重新标 定。 8. 需外加电源和前置器，安装复杂。 返回 速度传感器的性能 1. 安装简单，适用于大多数机器环境，对于汽轮发 电机组振动，有合适的频响范围。 2. 无须外加电源，振动信号可不经处理传送直需要 的地方 3. 体积、重量较大，活动部件易损坏，低频响应不 好，15Hz以下误差较大。 4. 标定较麻烦，只可作动态测量，价格较贵。 返回 加速度传感器的性能 1. 体积小，重量轻，适用于受附加质量影响显著的 振动系统测量，如汽机叶片

12、的振动测量。 2. 结构紧凑、牢靠，不易损坏。 3. 环境的噪声、传感器的安装方法、导线的铺设方 式，对测试结果有较大影响。 4. 标定困难，只能做动态测量。 5. 价格较贵，需设电荷放大器。 返回 旋转机械振动测试的基本概念 3 振动幅值的度量 当我们测量出来振动的位移、速度、加速度后 ，需要对这些量进行度量，常用的有这样的一 些：单峰值，峰峰值，有效值。 a. 单峰值 b. 峰峰值 c .有效值与振动烈度 选用振动烈度的意义：速度的均方根值，振动能 量 振动幅值的度量 单峰值就是振动的最大点到平衡位置之间的距离。 峰峰值实际上就是振动的波峰与波谷的距离。振动测 量仪器输出的位移振动振幅通常

13、都是峰峰值。 有效值又叫均方根值，对于速度振幅的度量，又叫做 振动烈度。 Vms 有效值 Vp_p 峰峰值 返回 有效值与振动烈度（1） ISO规定：频率在10Hz到1000Hz范围内振 动速度的均方根值叫做振动烈度。 速度均方根值： 简谐振动 v(t)=1/2*Vp_psin(wt)，利用上述 定义，可以得到： 返回 有效值与振动烈度（2） 选用振动烈度的意义 转子故障时的振动频率成分复杂，大量振动失效分 析表明：不同频率的振动有不同的危害，在相同的 振幅下，振动频率越高，产生的危害越大。同时由 于振动的能量与速度的平方成正比，为充分考虑高 频振动对机组运行安全的影响，在机组振动状态的 评定

14、中更多采用振动烈度。 有效值与振动烈度（3） 选用振动烈度的意义 例 转子振动由两个同相位的频率分量组成 ，按位移与振动烈度考核，将得到有不同的结 果：（按GB11347.1-89） 返回 振动烈度与振动位移的换算 简谐振动下的振动烈度与振动位移的换算 单位 : 振动位移 um 振动烈度 mm/s 转速 转/分 例：3000转时，振动烈度是 6mm/s，换算出来， 振动位移是：54um。 返回 旋转机械振动测试的基本概念 2 振动相位的测量与键相信号 在旋转机械振动测量领域内，相位的含义是：振动信号 的某一点（高点或零点），与基准脉冲信号之间在时间 上的关系。 脉冲测相法：在转子上贴一条反光带

15、或开键槽，用光电 传感器或涡流传感器产生一个与转速完全同步的脉冲信 号，求脉冲信号前沿与振动信号上某一点之间的时间距 离，即为振动相位。 脉冲测相法 图中j 是脉冲信号导前振动信号高点的 角度，即振动相位。 返回 转子平衡的基本概念与方法 转子平衡的概念 平衡是通过检测和调整转子的质量分布，即在转子 的适当地方加上（或减去）一定大小的质量，来减 少转子的惯性主轴与旋转轴线的偏离，使机组振动 降到容许的范围，保障机组安全、可靠运行。 刚性转子与柔性转子的区分 刚性转子的平衡 柔性转子的平衡 二 旋转机械故障特征 转子(也称转轴组件)是大型旋转机械的主 要部件，其振动主要分为： 1、横向振动：对机

16、器的影响最大，是振 动监测的主要对象 2、轴向振动 3、扭转振动 刚性转子与柔性转子的区分 转子转速在远低于它的第一阶临界转速时，由振动引 起的挠曲变形较小，转子不平衡力的产生主要是由于 不平衡质量偏离转子原始曲线，其偏心距不会因为转 子的转动发生变化，这种转子可以认为是刚性转子。 按ISO的规定，如果转子的最高工作转速与第一临界 转速之比小于0.7，就平衡而言，转子可以被认为是刚 性的。 转子转速接近于它的临界转速时，由于共振转子发生 挠曲变形，不平衡质量与原始轴线的距离随转速变化 ，即运转过程中发生变形的转子称为柔性转子。 两种振动形式 (1)同步振动(又称强迫振动)：振动的频率 为转子的回转频率及其谐波。倍频，主要