旋转机械的状态监测与故障诊断-文档资料

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1、旋转机械的状态监视与故障诊断,主要内容,1 转子系统振动故障诊断 2 齿轮箱故障诊断 3 滚动轴承故障诊断,6.1 转子系统振动故障诊断,旋转机械的状态特征参数与测试 旋转机械振动评定标准 旋转机械振动故障分析常用方法 转子系统主要故障及其诊断,6.1 转子系统振动故障诊断,旋转机械是指主要功能由旋转运动来完成的机械，尤其是指主要部件作旋转运动的、转速较高的机械。 旋转机械种类繁多，有汽轮机、燃气轮机、离心式压缩机、发电机、水泵、水轮机、通风机以及电动机等。这类设备的主要部件有转子、轴承系统、定子和机组壳体、联轴器等组成，转速从每分钟几十到几万、几十万转。,6.1 转子系统振动故障诊断,旋转机

2、械的故障诊断，是在获取机器的稳态数据、瞬态数据以及过程参数和运行状态等信息的基础上，通过信号分析和数据处理提取机器特有的故障症兆及故障敏感参数等，经过综合分析判断，才能确定故障原因，做出符合实际的诊断结论，提出治理措施。,6.1 转子系统振动故障诊断,旋转机械的核心-转子系统（转轴组件），它包括： 转子（轴、齿轮传动件、叶轮、联轴器）； 滑动轴承、滚动轴承； 支座（定子、机座）； 密封、密封装置。,1）转子系统的振动分类： 横向振动-振动发生在包括转轴的横向xoy平面内，大多数故障所激发的振动为此类振动； 轴向振动-振动发生在转轴轴线z方向上，某些故障如不对中将会激发轴向 振动； 扭转振动-沿

3、转轴轴线发生的扭振，多盘转子的柔性轴将会产生扭振。,最简单的转子系统,2）系统分类以临界转速分类, 刚性转子系统-工作转速在一阶临界转速以下的系统： 一阶临界转速：转子系统有多个自振频率，当转速逐渐增大到横向振动的一阶自振频率时，将发生一阶共振，所对应的转速称为一阶临界转速。 判别依据：一般工作频率100Hz的机械系统属于刚性转子系统，该系统一般采用滚动轴承。 同步振动：工作频率=激振频率。 强迫振动：对线性系统，在周期激振下的稳态响应 一般采用滚动轴承,2）系统分类以临界转速分类, 柔性转子系统-工作转速在一阶临界转速以上的系统 判别依据：一般工作频率100Hz的机械系统属于柔性转子系统。

4、振动特点：振动频率（自激振动）工作频率，并与一阶横向自振频率有关。 自激振动：振动过程中，由于系统内部不断有能量输入而产生的共振现象，在设备诊断中又称为亚同步振动。 一般采用滑动轴承。,两种系统振动特点比较,3）故障分类,旋转机械故障分类,1 旋转机械的状态特征参数与测试,旋转机械的状态特征参数 1、振幅 2、振动频率 3、相位 4、转速 5、时域波形 6、轴心轨迹 7、轴向位置（轴位移）,1 旋转机械的状态特征参数与测试,1、振幅 振幅是描述设备振动大小的一个重要参数。运行正常的设备，其振动幅值通常稳定在一个允许的范围内，如果振幅发生了变化，便意味着设备的状态有了改变。因此对振幅的监测可以用

5、来判断设备的运行状态。 振幅可以分为位移振幅、速度振幅、加速度振幅。 在旋转机械状态监测实际应用中，位移振幅通常用双振幅，即峰-峰值（P-P值）来表示；速度振幅通常用单振幅有效值，即振动烈度（Vrms）来表示；加速度振幅通常用最大单峰值来表示。,1 旋转机械的状态特征参数与测试,2振动频率 振动频率可分为基频（周期的倒数）和倍频（各次谐波频率），它是描述机器状态的另一个特征参量，也是测量和分析的主要参数。 因为特定的振动频率往往对应一定的故障，所以对振动频率的监测和分析在评定设备状态过程中是必不可少的。 在旋转机械中，振动频率多以转子转速的整数倍或分数倍形式出现，因此振动频率除了可表示为每分钟

6、的周期数（r/min）或每秒钟的周期数(Hz)表示外，还可以简单地表示为转速的整数倍或分数倍。,1 旋转机械的状态特征参数与测试,3相位 许多设备故障单从幅值谱图上判断是不易区分的，这时需要对相位信息进行进一步的分析，以做出正确判断。 例如，对于转子临时弓形弯曲、转子缺损和滑动轴承故障，其频谱都以一倍频为主，不易区分。 如果进一步对其相位进行监测分析，则可以比较容易地将它们区分开： 转子临时弓形弯曲时相位比较稳定地变化； 转子缺损时相位会发生突变，然后保持稳定； 轴承故障时相位在一定范围内不稳定地变化。,1 旋转机械的状态特征参数与测试,4转速 旋转机械的转速变化与设备的运行状态有着非常密切的

7、关系，它不仅表明了设备的负荷，而且当设备发生故障时，通常转速也会有相应的变化。 例如： 当离心式压缩机组发生喘振时，转速会有大幅度的波动； 当转子与静止件发生碰磨时，转速也会表现得不稳定。 因此，转速通常是设备状态监测与故障诊断中比较重要的参数。,旋转机械的振动检测 大型旋转设备发生故障时，转子振动的变化比轴承座要敏感，其振动信息更为直接、有效。对于轴承和齿轮等零部件的故障，轴系的振动反映也明显得多。因此在对旋转机械进行振动检测时，测量转子振动是首选，但在不具备条件时也可以测量外壳或轴承座的振动情况。,1 旋转机械的状态特征参数与测试,1 旋转机械的状态特征参数与测试,测点数量与布置 原则：通

8、过对整个机组结构特性的全面了解和认真分析，以最少的传感器，最灵敏地测出整个机组系统的工况。 注意：对于在机壳（轴承座）上的振动测量，测点的选择应考虑环境因素，避免选择高温、高湿度、出风口和温度变化剧烈的地方作为测量点，以保证测量的有效性。 注意：为降低系统成本，对于高频的随机振动和冲击振动可以只确定一个方向为测量点。但对于低频段的确定性振动（常为低频振动）必须同时测量水平和垂直两个方向，有条件时还应增加轴向测点。,1）轴的径向振动测量 测量轴颈的径向振动通常是在一个平面内相互垂直的两个方向分别安装一个传感器。,2） 机壳（轴承座）的振动测量,测量点应尽量靠近轴承的承载区，与被监测的转动部分最好

9、只有一个界面，尽可能避免多层相隔，使振动信号在传递过程中减少中间环节和衰减量。测量点必须有足够的刚度，轴承座底部和侧面往往是较好的测量点。,3）旋转机械振动相位检测 是指基频（以转子转速为频率）信号相对于转轴上某一确定相位标志之间的相位差。这样定义是因为旋转机械的许多故障都与基频有关。确定标记在工程上通常是键相槽位置，而检测键相槽位置所用的传感器是电涡流传感器，因此而被称为“键相位传感器”。,1 旋转机械的状态特征参数与测试,1 旋转机械的状态特征参数与测试,键相位传感器的安装 键相位信号是通过对键相标记（即在被测轴上设置的一个凹槽或凸键）测量得到的，当这个凹槽或凸键转到探头安装位置时，相当于

10、探头与被测面间距突变，传感器会产生一个脉冲信号。轴每转一圈，就会产生一个脉冲信号，通过将脉冲与轴的振动信号比较，可以确定振动的相位角，也可用于轴的动平衡分析以及设备的故障分析与诊断等方面。 凹槽或凸键要足够大，以保证产生的脉冲峰值不小于5V。一般若采用8mm探头，则这一凹槽或凸键宽度应大于7.6mm，深度或高度应大于1.5mm，长度应大于10mm。,键相位传感器的安装,1 旋转机械的状态特征参数与测试,相位角的定义,定义如下：如图所示，假设在轴上键槽位置为O，传感器安装位置为O，O转至与O重合时得到 一键相脉冲信号，这一脉冲信号即作为相位的参考 脉冲信号。若将任意测点经过滤波后的基频信号描绘在

11、同一时间轴上，就可以按参考脉冲信号来定出基频信号的相位。,1 旋转机械的状态特征参数与测试,4）旋转机械的转速检测,1 旋转机械的状态特征参数与测试,齿式轮盘测速,转速测量一般是在轴的测量圆周上设置多个凹槽或凸键标己或者在轴上安装一个齿轮盘使每转产生多个脉冲。,5）轴向位移检测,测量转子的轴向位移时，测量面应该与轴是一个整体，这个测量面以探头中心线为中心。,1 旋转机械的状态特征参数与测试,6）轴心轨迹测试 轴心轨迹非常直观地显示了转子在轴承中的旋转和振动情况，是故障诊断中常用的非常重要的特征信息。,1 旋转机械的状态特征参数与测试,正向进动（轴转向与轴心轨迹转向一致）-例如：转子不平衡、不对

12、中、油膜失稳产生的亚同步涡动、内摩擦激发的涡动等均为正向进动。绝大多数为正向进动。 逆向进动（轴转向与轴心轨迹转向相反）-干摩擦等少数情况下发生。,1 旋转机械的状态特征参数与测试,7）轴承温度测量,轴承温度是指示轴承状态和负荷变化的最敏感的参数，轴承温度也是一个快速、灵敏、易于测量的参数。 测量径向轴承轴瓦温度的热电偶温度传感器或者热电阻温度传感器应安装在轴承下瓦块的最大负荷区，一般在旋转方向上偏离中心线大约20处。,1 旋转机械的状态特征参数与测试,1 旋转机械的状态特征参数与测试,现场测试的准备步骤及测试中应注意的问题 (1)了解测试对象的原理和结构，例如，被测对象是旋转机械还是往复机械

13、或其他机械，是滚动轴承还是滑动轴承，是否存在外来激励振动，可能出现的故障及故障反映在哪些部位，哪些参数的变化上最为敏感。 (2)了解被测对象的运行状况，例如，易发故障，曾经发生过的故障履历。 (3)确定满足测量的目的需要哪些数据，应对哪些参量进行测定。 (4)估计被测对象的振动类型、振级和可能产生的最低和最高频率，同时根据环境条件(如温度、湿度、电磁场等)确定传感器类型及与其相配套的中间变换器和显示记录仪器。,1 旋转机械的状态特征参数与测试,(5)画出测试系统的工作框图及仪器的连接草图，标出所用仪器的型号和序号，以便于测试系统的安装、校准和编制测试报告。 (6)标定和检测整个测试系统，特别是

14、传感器和与其相连的前置放大器。 (7)确定传感器的安装位置、方法以及安装固定件结构，评价是否会因传感器附加质量的影响对测试对象造成影响(例如：改变原有振动频率、振幅)。 (8)做好测试准备，包括安装传感器、连接各仪器的连线、确认各仪器控制旋钮的位置、检查电源等。,1 旋转机械的状态特征参数与测试,(9)测试过程中应对测试环境做出详细记录，以便在数据分析时参考和及时发现一些偶然因素。 (10)在测试过程中应经常检查测试系统的“背景噪声”，在分析时再除掉这部分因素，在实测中，背景噪声至少应小于所测振动的13。也就是说， “背景噪声”至少应低于所测振级的10dB。 (11)对测量数据进行处理和分析时

15、，应查阅测试过程的原始记录，如有特殊影响因素，应采取手段消除其影响或剔除混有伪信号的数据，以保证得到正确的结果。,2 旋转机械振动评定标准,1）以轴承振动位移峰峰值作评定标准,位移的峰-峰值x p-p可以从一般的测振仪中读出。 用于汽轮机、压缩机初步状态评判。,1）以轴承振动位移峰峰值作评定标准,2 旋转机械振动评定标准,2）以轴承振动烈度作为评定标准,2）以轴承振动烈度作为评定标准,2 旋转机械振动评定标准,3）以轴振动的位移峰峰值作为评定标准。,美国石油协会标准：中小型涡轮机械轴,3 旋转机械振动故障分析常用方法,针对旋转机械特点，有多种图形分析方法： 时域波形图 波特图 极坐标图 瀑布图

16、 轴心位置图 轴心轨迹图 频谱图 相位分析图 趋势分析图,1）时域波形图,波形分析法是通过观察振动波形的特征来获取诊断信息。 振动波形：振动位移、速度或加速度随时间变化的曲线。,1）时域波形图,与同步振动有关的各种故障所激发的振动都属于周期函数，其基本成分是以基频（工作频率）成分为主及若干高次谐波函数再附加随机噪声所组成。,含有周期成分及随机噪声的振动波形,例：对曲线经平滑处理后的振动波形，如图所示。若其频率f=1/T与转子的工作频率相等，则可初步判定振动与不平衡有关。,2）波特图,波德图是描述某一频带下振幅和相位与频率的关系曲线。,3）极坐标图,极坐标图实质上就是振动向量图。极坐标图除了记录转子在升速或降速过程中系统幅值与相位的变化规律外，也可以描述在定速情况下，由于工作条件或负荷变化而导致的基频或其他谐波幅值与相位的变化规律。,4）轴心轨迹图,轴心轨迹-转子轴心点相对于轴承座运动而形成的轨迹