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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流大型旋转机械的状态检测与故障诊断.精品文档.第六期全国设备状态监测与故障诊断实用技术培训班讲义大型旋转机械的状态检测与故障诊断沈立智中国设备管理协会设备管理专题交流中心2008年9月 南京目 录第一节 状态监测与故障诊断的基本知识6一、状态监测与故障诊断的意义及发展现状61. 状态监测与故障诊断的定义62. 状态监测与故障诊断的意义63. 状态监测与故障诊断的发展与现状8二、大机组状态监测与故障诊断常用的方法91. 振动分析法92. 油液分析法103. 轴位移的监测114. 轴承回油温度及瓦块温度的监测115. 综合分析法11三、有关振动的常
2、用术语111. 机械振动112. 涡动、进动、正进动、反进动113. 振幅123.1 振幅123.2 峰峰值、单峰值、有效值123.3 振动位移、振动速度、振动加速度133.4 振动烈度134. 频率154.1 频率、周期154.2倍频、一倍频、二倍频、0.5倍频、工频、基频、转频154.3 通频振动、选频振动154.4 故障特征频率165. 相位195.1 相位195.2 键相器195.3 绝对相位195.4 相位差、相对相位205.4 同相振动、反相振动215.5 相位的应用216. 刚度、阻尼、临界阻尼237. 临界转速248. 挠度、弹性线、主振型、轴振型259. 相对轴振动、绝对轴振
3、动、轴承座振动2610. 横向振动、轴向振动、扭转振动2611刚性转子、挠性转子、圆柱形振动、圆锥形振动、弓状回转（弯曲振动）2612. 高点、重点2713. 机械偏差、电气偏差、晃度2814. 同步振动、异步振动、亚异步振动、超异步振动2815. 谐波、次谐波（分数谐波）2816. 共振、高次谐波共振、次谐波共振2917. 简谐振动、周期振动、准周期振动、瞬态振动、冲击振动、随机振动2918. 自由振动、受迫振动、自激振动、参变振动3219. 旋转失速、喘振3320. 半速涡动、油膜振荡35四、振动传感器的基本知识361. 振动传感器的构成及工作原理362. 振动传感器的类型363. 磁电式
4、速度传感器374. 压电式加速度传感器375. 电涡流式位移传感器396. 常用振动传感器主要性能及优缺点40第二节 状态监测与故障诊断的基本图谱41一、常规图谱411. 机组总貌图412. 单值棒图413. 多值棒图424. 波形图435. 频谱图466. 轴心轨迹图467. 振动趋势图488. 过程振动趋势图529. 极坐标图5210. 轴心位置图5311. 全息谱图53二、启停机图谱541. 转速时间图542. 波德图553. 奈奎斯特图574. 频谱瀑布图585. 级联图59第三节 大型旋转机组常见振动故障的机理与诊断60一、不平衡60二、转子弯曲62三、不对中64四、轴横向裂纹69五
5、、支承系统连接松动71第四节 故障诊断的具体方法及步骤73一、故障真伪的诊断731. 首先应查询故障发生时生产工艺系统有无大的波动或调整732. 其次应查看仪表、主要是探头的间隙电压是否真实可信753. 应查看相关的运行参数有无相应的变化774. 应察看现场有无人可直接感受到的异常现象78二、故障类型的诊断801. 振动故障类型的诊断801. 1主要异常振动分量频率的查找步骤及方法801.2 根据异常振动分量的频率进行振动类型诊断822. 轴位移故障原因的诊断88三、 故障程度的评估89四、 故障部位的诊断92五、 故障趋势的预测93附件一 齿轮的故障诊断94一、齿轮的常见故障941. 断齿9
6、42. 点蚀943. 磨损954. 胶合95二、齿轮故障的特征信息951. 啮合频率及其谐波952. 信号调制和边带分析971) 幅值调制972) 频率调制993. 齿轮振动信号的其它成分1001) 附加脉冲1002) 隐含成分1013) 滚动轴承信号及交叉调制1014. 齿轮常见故障与特征频率及其谐波、以及边频带的小结102三、齿轮故障的诊断方法1031. 细化谱分析法1042. 倒频谱分析法1043. 时域同步平均法1074. 自适应消噪技术108附件二 滚动轴承的故障诊断108一、滚动轴承的常见故障1081. 疲劳剥落（点蚀）1082. 磨损1093. 胶合1094. 断裂1095. 锈
7、蚀1096. 电蚀1097. 塑性变形（凹坑及压痕）1098. 保持架损坏110二、引起滚动轴承振动的原因及其特征频率1101. 由于结构特点引起的振动滚动体通过载荷方向时产生的通过频率1102. 由于轴承刚度非线性引起的振动1103. 由于制造及装配等原因引起的振动1111) 由于表面加工波纹引起的振动1112) 由于滚动体大小不均匀引起的振动1113) 由于轴承偏心引起的振动1114) 由于轴承装歪或轴弯曲引起的振动1115) 由于轴承装配过紧或过松引起的振动1114. 由于润滑不良引起的振动1115. 由于轴承工作表面上的缺陷引起的振动112三、滚动轴承振动的固有频率和缺陷间隔频率113
8、1. 滚动轴承的固有频率1131) 滚动轴承内、外圈固有频率的计算公式1142) 钢球固有频率的计算公式1142. 滚动轴承的缺陷间隔频率115四、滚动轴承故障振动的诊断方法1161. 合理选择分析频段的范围1161) 低频段（0 1 kHz）1162) 中频段（1 20 kHz）1163) 高频段（20 80 kHz）1172. 传感器位置的选择1173. 滚动轴承故障波形的评定指标及因数判断法1181) 有效值Xrms1182) 峰值Xp1183) 波峰因数Cf1194) 峭度与峭度系数K1194. 滚动轴承的诊断方法1201) 低频信号接收法1202) 冲击脉冲法(SPM)1213) 共
9、振解调法(IFD)1225. 轴承失效的四个阶段及各阶段内的主要特征频率成分124第一节 状态监测与故障诊断的基本知识一、状态监测与故障诊断的意义及发展现状1. 状态监测与故障诊断的定义通俗地说，状态监测与故障诊断就是给机器看病。人不可能不生病，机器在运行过程中出现故障也是不可避免的。人生了病需要求医就诊，机器出了故障也要找“医生”诊断病因。医生对病人的诊断是基于体征检查（先看体温，再进行验血、X光、心电图、B超、甚至CT等）基础上的分析判断，对机器故障的诊断同样也是基于状态监测（先看总振动值，再求助于频谱、波形、轴心轨迹、趋势图、波德图、全息谱图等）基础上的综合性分析判断。状态监测是指通过一
10、定的途径了解和掌握设备的运行状态，包括利用监测与分析仪器（在线的或离线的），采用各种检测、监视、分析和判别方法，对设备当前的运行状态做出评估（属于正常、还是异常），对异常状态及时做出报警，并为进一步进行的故障分析、性能评估等提供信息和数据。故障是指机械设备丧失了原来所规定的性能或状态。通常把设备在运行中所发生的状态异常、缺陷、性能恶化、以及事故前期的状态统统称为故障，有时也把事故直接归为故障。而故障诊断则是根据状态监测所获得的信息，结合设备的工作原理、结构特点、运行参数、历史状况，对可能发生的故障进行分析、预报，对已经或正在发生的故障进行分析、判断，以确定故障的性质、类别、程度、部位及趋势，对
11、维护设备的正常运行和合理检修提供正确的技术支持。2. 状态监测与故障诊断的意义状态监测与故障诊断技术的由来及发展，与十分可观的故障损失以及设备维修费密切相关，而状态监测与故障诊断的意义则是有效地遏制了故障损失和设备维修费用。具体可归纳如下几个方面： 及时发现故障的早期征兆，以便采取相应的措施，避免、减缓、减少重大事故的发生； 一旦发生故障，能自动纪录下故障过程的完整信息，以便事后进行故障原因分析，避免再次发生同类事故； 通过对设备异常运行状态的分析，揭示故障的原因、程度、部位，为设备的在线调理、停机检修提供科学依据，延长运行周期，降低维修费用； 可充分地了解设备性能，为改进设计、制造与维修水平
12、提供有力证据。自上世纪七十年代以来，国内外石化、化工、电力、钢铁等行业为了极大限度地提高经济效益，生产规模不断扩大，生产装置向着大型化、高速化、自动化、连续化、单系列化发展，装置中的关键设备均无备机，一旦出现故障停机，将导致整个装置停产，所造成的经济损失是十分巨大的。例如，一个年加工原油500万吨的炼油厂，停产一天的经济损失达二千多万元；一个年产30万吨合成氨的化肥厂，停产一天的经济损失达二百五十万元；一台30万千瓦的发电机组，停产一天的经济损失达二百万元。由于大型转动设备的检修周期较长、备件价格昂贵，一次故障停机的总经济损失多数都在千万元以上。设备维修费在生产成本中所占的比重很大，对于工业发
13、达的国家来说，任何一家公司的维修费都是一个可观的数字。国外研究表明，维修费随设备技术含量的提高而增加，并且与维修体制密切相关。在日本，由于较为重视状态监测与故障诊断工作，上世纪九十年代初工业装置的维修费为年销售额的610，加上库存的备品备件，总维修费达销售额的25；在美国，根据美国国家统计局发布的资料：1980年美国工业设备的维修费达2460亿美元，几乎占了中央和地方税收总额（7500亿美元）的三分之一，而其中的750亿美元是因不当维修，包括缺乏正确的状态监测与故障诊断给浪费了；在我国的石化行业，伴随着维修体制的逐步改进、以及状态监测与故障诊断工作的逐步开展和提高，维修费所占的比重呈逐步下降趋
14、势，上世纪八十年代为年产值的20左右，九十年代为15左右，近年来为10左右、甚至略低。维修体制的变革经历了故障维修、预防性维修和预知性维修三个阶段。最初是故障维修，又称为事后维修，“小车不倒只管推” ，设备什么时候坏了、什么时候修，盲目、无计划、设备损坏程度大、维修费用高。长期以来，大多数工厂沿用的是定期的预防性维修体制，也称计划维修，它是根据生产计划和经验，规定在设备运行一确定时间后停下，进行解体、检查、修理、更换零部件。这种维修制度下，无论设备有无毛病都要解体，是一种过剩维修，浪费人工、物料；机器过多拆卸，既容易降低原有精度又容易发生人为故障。因此，预防性维修带有很大的盲目性，既不经济又不
15、合理。预知性维修是以状态监测与故障诊断技术为基础、以设备实际状况为依据、根据生产需要制定出预知性维修计划的维修体制。预知性维修要求：不断地测知表征设备实际状态的参数；对测得参数进行分析、判断，做出是否发生故障以及故障类型、故障程度的评价；推测机器状态的发展趋势，估算出最佳的维修时机。预知性维修的目标是：需要停车时才停车；需要换件时才换件；需要维修什么项目（如某处轴承、某根转子、某处对中、某个齿轮、）才维修什么项目。显然，预知性维修比较先进、经济。据日本资料介绍，采用设备故障诊断技术，故障停机时间可降低75，每年设备维修费可减少2550。无怪国外有些专家认为，把少量美元花费在状态监测上，比把上百
16、万美元花费在因设备严重损坏而引起强迫停机后的检修上更有价值。从开展此项工作中尝到甜头的国内设备专家则说，开展状态监测与故障诊断工作是花小钱、省大钱，购置监测仪器是花了一些钱，但有效地降低了故障损失和设备维修费，反而节省了大钱。3. 状态监测与故障诊断的发展与现状状态监测与故障诊断技术是近三十年来国内外发展较快的一门新兴学科。我国状态监测与故障诊断技术起源于上世纪七十年代末。那时，建国后首批从西方工业发达国家成套引进的13套大化肥装置，以及随后不久引进的大化纤、大乙烯等装置正处于建成后的试车、开车阶段，由于某些机组事故频发，促进了高校及科研单位对这项技术的理论研究和实际应用。国外某些大公司的监测
17、与诊断部门也同时开展了一些服务与交流，客观上起到了一定的推动作用。79年起，有些企业开始研究西方设备维修体制，从中感受到状态监测与预知性维修的重要意义。79年到83年，一些受故障损失严重困扰的石化企业，购置了国外先进的频谱分析仪等状态监测仪器，进入了初步的实践阶段，1983年，原国家经委下达了国营工业交通设备管理试行条例，明确提出：“逐步采用现代故障诊断和状态监测技术，发展以状态监测为基础的预知性维修体制” ，从而把故障诊断纳入企业管理法规，对发展故障诊断技术具有极为重要的意义。自1984年起，石化企业逐步建立起以总公司、公司（总厂）、厂的三级状态监测机构，配置人员，购置仪器，培训学习，相互交
18、流，全面开展了状态监测与故障诊断工作，整体水平得到提高。九十年代起，火力发电行业开始开展大型汽轮发电机组的在线状态监测与故障诊断工作，并且发展较为迅速。进入本世纪以来，在钢铁、炼铝、水力发电、风力发电、空分等行业内，伴随着技术先进的大型转动设备的投入使用，状态监测与故障诊断技术也开始得到重视与应用，并呈现出上升的趋势。状态监测与故障诊断技术自身的发展过程，大致可归纳为以下三个阶段： 离线的FFT分析仪阶段上世纪八十年代初、中期，通过磁带记录仪到现场记录振动信号，然后回实验室输入FFT（快速傅里叶变换）分析仪回放，进行频谱分析，只有功率谱（幅值谱）及波形，少数配置双通道时才能看到轴心轨迹，分析方
19、法单一，基本上只能查幅值、频率。 离线或在线的计算机辅助监测、诊断阶段上世纪八十年代末期至九十年代中期，通过计算机完成信息采集、信号分析、数据库管理、甚至给出诊断结论，有各种图谱，分析方法多样，更加注重幅值、频率、相位信息的全面、综合利用，还涌现出专家辅助诊断系统。 网络化监测、诊断阶段上世纪九十年代末以来，充分利用企业内部局域网和Internet网络，做到资源共享、节省投资、远程诊断，所监测的参数不再局限于振动、轴位移、转速，进一步扩展到流量、压力、温度等工艺过程量，对设备运行状态的把握更加全面、准确，实现了真正意义上的专家远程诊断。如今，在对设备当前运行状态的监测以及故障原因的诊断方面，可
20、以说国内外状态监测与故障诊断产品（无论是在线的、还是离线的）的性能都达到了较为令人满意的水平。然而，用户现场人员最关心的是设备当前故障的严重程度如何、今后的发展趋势怎样、还能否继续运行下去、还能运行多久等问题，恰恰在对故障程度的评估上以及故障趋势的预报上，各家产品都显得欠缺。因此，状态预报是目前监测诊断技术中较为薄弱的环节。 二、大机组状态监测与故障诊断常用的方法可作为机械设备状态监测与故障诊断的信息是多种多样的，主要有：振动、声音、变形、应力、裂纹、磨损、腐蚀、温度、压力、流量、电流、转速、扭矩、功率、等等。大机组状态监测与故障诊断常用的方法，主要有以下几种。1. 振动分析法振动分析法是对设
21、备所产生的机械振动（对大机组来说，主要是是转子相对于轴承的振动）进行信号采集、数据处理后，根据振幅、频率、相位及相关图谱所进行的故障分析。振动分析法是大机组状态监测与故障诊断所使用的主要方法。一方面，由于在大机组的所有故障中，发生振动故障的概率最高；另一方面，振动信号所函括的设备状态的信息量最大，它既包含了转子、轴承、联轴器、齿轮、壳体、基础、管线等机械零部件自身运行状态的信息，又包含了诸如转速、流量、压力、温度、介质组分、润滑油（主要是油温）等工艺及运行参数影响机组运行状态的信息，因为机械零部件或运行参数的非正常变化，都会引起振动值增大，振动信息量如此之丰富，是其它任何信息所无法比拟的；第三
22、，振动信号易于拾取，便于在不影响机组运行的情况下实行在线监测和诊断。因此，振动分析法是转动设备故障诊断中运用最广泛、最有效的方法。采用振动分析法，可以对旋转机械大部分的故障类型进行准确的诊断，例如转子不平衡、轴弯曲、轴横向裂纹、滑动轴承不良（间隙过大、磨损严重、刚度差异大、轴颈偏心、轴承不对中、轴瓦或油挡错位、瓦面接触差、瓦背紧力不足、可倾瓦摇摆性差等）、油膜涡动及油膜振荡、摩擦、转子部件或支承部件松动、轴系不对中、结构共振、旋转失速及喘振、流体激振、电磁力激振、临界转速、联轴器缺陷、齿轮缺陷、滚动轴承缺陷、皮带轮偏心等等。振动分析法是大机组状态监测与故障诊断所使用的主要方法。2. 油液分析法
23、油液分析法是对润滑油本身以及油中微小颗粒所进行的理化分析，也是大型旋转机械状态检测与故障诊断中的一个重要方法。油液分析法分为两大类，一类是润滑油油液本身的常规理化分析，另一类是对油中所含有的微小颗粒所进行的铁谱分析、光谱分析、颗粒计数等。通过对润滑油油液的粘度、闪点、酸值、破乳化度、水分、机械杂质、液相锈蚀试验、抗氧化安全性等各项主要性能指标的检验分析，可以准确地掌握润滑油本身的性能信息，也可以大概地了解到机组轴承、密封的工作状况。通过对油液中不溶物质、主要是微小固体颗粒所进行的铁谱分析、光谱分析、颗粒计数，不仅可以定性、而且可以定量地测定磨损颗粒的元素成分及含量、以及大小颗粒各自所占的浓度。
24、其中，光谱分析能够迅速、准确、简便地测定出金属或非金属颗粒的元素成分及含量，但是对大颗粒（大于5m）测定的准确性会降低，尤其是不能进行磨粒的大小颗粒计数。尽管铁谱分析只能够在一定程度上对化学元素进行定性、定量分析，但是，铁谱分析仪（具体有分析式、直读式、在线式、旋转式）能够定量地测出含铁大小磨粒各自数量的象征性读数DL、DS，即大小磨粒各自所占的浓度，而且通过铁谱显微镜等还能够观察到磨损颗粒具体的形貌、尺寸，从而可以对磨粒的来源、产生的原因以及零部件当前磨损的程度进行科学的分析与诊断。因为，正常磨损的磨粒为鱼鳞状，表面光滑，周边圆滑，长轴尺寸为0.515m（多数小于5m），厚0.151m，长轴
25、与厚度之比为310；而非正常磨损磨粒的形貌则由于不同的产生原因分别形成为带状、球状、晶体型层状、螺旋状、弯曲状等，表面有划痕，周边不圆滑或有锐利的棱边，磨粒的尺寸（除了滚动轴承疲劳磨损的球状磨粒直径为15m外）均大于5m、多数在20m以上、较为严重时大于100m、甚至更大，磨粒的长轴与厚度之比降低，大磨粒浓度DL读数与小磨粒浓度DS读数之差显著增大。总之，根据元素成分和浓度来判断哪些零部件（如轴颈、轴承、油封、浮环、机械密封、齿轮、齿式联轴器等）发生了非正常磨损，根据大小磨粒的浓度以及磨粒的形貌、尺寸来判断其当前的磨损程度。3. 轴位移的监测在某些非正常的工况下，旋转机械的转子会因轴向力过大而
26、产生较大的轴向位移，严重时会引起推力轴承磨损，进而发生转子端面与隔板或缸体摩擦碰撞；汽轮机在启动和停车过程中，会因转子与缸体受热和冷却不均而产生差胀，严重时会发生轴向动静摩擦。尽管转子轴位移故障的概率不是很高，但也常有发生，一旦发生往往是灾难性的。对轴位移进行在线监测和故障诊断很有必要。此外，轴位移监测技术还被用于往复式机械，通过监测活塞杆的横向位移，来诊断活塞支承环或活塞环的磨损量，从而避免发生拉缸故障以及打气量不足。4. 轴承回油温度及瓦块温度的监测对于滑动轴承，检修或运行不当都会造成轴承工作不良，从而引起轴承回油温度及瓦块温度升高，严重时会造成烧瓦，因此对轴承回油温度、瓦块温度进行监测非
27、常必要。API（美国石油协会标准）规定，轴承进出口润滑油的正常温升应小于28，轴承出口处的最高油温应小于76(原为82)。另外，用铂电阻在距轴承合金1mm处测量瓦块温度时，一般不应超过110115。由于具体测量的方法、位置等各不相同，温度反映往往滞后，因此应具体情况具体分析。5. 综合分析法对转动设备的状态监测与故障诊断，此外还有噪声分析法、热红外分析法、应力分析法等，以及观察设备内部情况的激光、光纤和设备成像技术，分析介质成分的气相色谱技术，检验金属内部缺陷的X光射线、超声波探伤技术等。在进行转动设备实际状态监测与故障诊断时，往往是以振动分析法为主、相应配合以上一些方法连同工艺及运行参数的监
28、测与分析一起进行综合分析的。运行参数的监测与分析一起进行综合分析的。三、有关振动的常用术语1. 机械振动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、相位加以描述。2. 涡动、进动、正进动、反进动转动物体相对于平衡位置所作的圆周运动称为涡动。物体涡动时，是在绕着自身对称轴旋转（自转）的同时，对称轴又进一步在绕着某一平衡位置旋转（公转），所以涡动又称为进动。例如，水中的漩涡、玩具陀螺、转子的运动等都属于涡动。旋转机械转子的实际运动状态是，在以角速度（即转速n）绕着自身轴线AC
29、B旋转（自转）的同时，整个轴线又以角速度绕着轴承中心线AOB在做圆周运动（公转）。转子实际上是做旋转状的涡动，并不是往复状的机械振动。由于这种涡动在径向上所测得的振幅、频率、相位在数值上与机械振动相同，因此可以沿用机械振动的许多成熟的理论、方法，所以旋转机械转子的涡动通常仍然称作振动。但是，在研究旋转机械转子的振动时，应该时刻牢记转子的振动实际上是涡动的这一基本特点。正进动是指涡动方向与转子旋转方向相同的涡动。反进动是指涡动方向与转子旋转方向相反的涡动。因为转子的实际振动是涡动，其涡动轨迹通常为不规整的椭圆，因此需要配置两个相互垂直的探头才能较为准确地测出转子真实的振动。3. 振幅3.1 振幅
30、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，是评判机器运转状态优劣的主要指标。3.2 峰峰值、单峰值、有效值振幅的量值可以表示为峰峰值（pp）、单峰值（p）、有效值（rms）或平均值（ap）。峰峰值是整个振动历程的最大值，即正峰与负峰之间的差值；单峰值是正峰或负峰的最大值；有效值即均方根值。只有在纯正弦波(如简谐振动)的情况下，单峰值等于峰峰值的1/2，有效值等于单峰值的0.707倍，平均值等于单峰值的0.637倍；平均值在振动测量中很少使用。它们之间的换算关系是：峰峰值2单峰值221/2有效值。此换算关系并无多大的实用价值，只是说明振幅在表示为峰峰值、峰值、有效值时，数值
31、不同、相差很大。3.3 振动位移、振动速度、振动加速度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。在振动测量中，除特别注明外，习惯上，振动位移的量值为峰峰值，单位是微米m或密耳mil；振动速度的量值为有效值，单位是毫米/秒mm/s或英寸/秒ips；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。可以认为，在低频范围内，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、加速度的数值相对较
32、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峰值g表示，用加速度传感
33、器来测量。3.4 振动烈度振动烈度是振动标准中的通用术语，是描述一台机器振动状态的特征量。在我国及国际振动标准中，几乎都规定振动烈度的度量值为振动速度的有效值。因此，可以认为振动烈度就是振动速度的有效值。所以，在对一般转动设备进行振动监测时，应测量振动速度的有效值（并要求在靠近轴承位置处的水平、垂直、轴向三个方向上进行测量，取最大值），因为只有振动烈度才有振动标准可以参照（大机组不完全如此），评定机器运转状态的优劣时才能做到有据可依。对大型旋转机组转子振动的评定标准，我国及国际振动标准几乎都规定用在靠近轴承处轴颈振动位移的峰峰值进行度量。评定标准的具体数值，由于各类型机器在转速上相差较大，难以
34、统一。对石油化工用离心式压缩机及汽轮机，API617、API612标准规定，在制造厂进行机械运转试验时，转子振动位移的峰峰值Xpp不应超过A 值或25.4m中的较小值，A = 25.4(12000/n)1/2，n为最大连续工作转速。对石化大机组，转子实际运行中振幅的许可值应该遵照制造商的规定。在无制造商规定时，也可以认为：XppA时，为优良状态，A为25.4(12000/n)1/2 及25.4m中的较小值；AXppB时，为合格状态，B(1.62.5)A，转速较低时取大值，转速高时取小值，B为低报警值；BXppC时，为不合格状态，C1.5B，C为高报警值或连锁值；XppC时，为不允许状态。另外，
35、当振动值变化的增量超过报警值（B值）的25时，应受到关注。右图为中石化旋转机械振动标准SHS 01003-2004关于机器振动烈度的评定等级表。我国及国际其它振动标准关于机器振动烈度的评定等级也大致如此。例如，ISO 3945对转速为60012000 r/min，功率大于300kW的大型旋转机械的标准与此完全相同；德国工程师协会VDI 2056标准与此基本相同（低一格）。其中，根据输出功率、机器支承系统的刚性等将旋转机械分为如下4类：小型转机，如15 kW以下的电机；安装在刚性基础上的中型转机，功率在300 kW以下；大型转机，机器支承系统为刚性支承状态；大型转机，机器支承系统为挠性支承状态。
36、当支座的固有频率大于转子轴承系统的固有频率时，为刚性支承状态；当支座的固有频率小于转子轴承系统的固有频率时，为挠性支承状态。振动烈度Xrms与振动位移Xpp、振动加速度Xp的换算关系式为：Xrms(2f/(221/2)10-3Xpp 2.2210-3 Xppf mm/sXrms(21/2/2)/2f )9.81103Xp 1.11103Xp/f mm/s 式中，Xpp振动位移峰峰值，m； Xp振动加速度单峰值，g；f主振动的频率，通常取工频，Hz。在实际应用中，应该以实际测得数据为准，尽量避免运用以上换算关系。4. 频率4.1 频率、周期频率f是物体每秒钟内振动循环的次数，单位是赫兹 Hz。频
37、率是振动特性的标志，是分析振动原因的重要依据。周期T是物体完成一个振动过程所需要的时间，单位是秒 s 。例如一个单摆，它的周期就是重锤从左运动到右，再从右运动回左边起点所需要的时间。频率与周期互为倒数，f1/T。对旋转机械来说，转子每旋转一周就是完成了一个振动过程，为一个周期，或者说振动循环变化了一次。因此转速n、角速度都可以看作频率，称为旋转频率、转速频率、圆频率，或n、f不分，都直接简称为频率，它们之间的换算关系为：f = n/60，2f2n/600.1n，其中转速n的单位为转/分钟r/min，角速度的单位为弧度/秒rad/s。4.2倍频、一倍频、二倍频、0.5倍频、工频、基频、转频振动频
38、率也可以用转速频率的倍数来表示。倍频就是用转速频率的倍数来表示的振动频率。如果振动频率为机器实际运行转速频率的一倍、二倍、三倍、0.5倍、0.43倍、时，则称为一倍频（习惯上又称为1X，或1）、二倍频（2X、2）、三倍频（3X、3）、0.5倍频（0.5X、0.5）、0.43倍频（0.43X、0.43）、等。其中，一倍频，即实际运行转速频率又称为工频、基频、转频，0.5倍频又称为半频。例如，某机器的实际运行转速n为6000 r/min，那么，转速频率n/606000/60100Hz，其工频为100Hz，二倍频为200Hz，半频为50Hz。4.3 通频振动、选频振动通频振动是原始的、未经傅里叶变换
39、分解处理的、由各频率振动分量相互迭加后的总振动。其振动波形是复杂的波形。选频振动是从通频振动中所分解出来的、振动波形是单一正弦波的、某一选定频率的振动（如工频、0.5倍频、二倍频、）。4.4 故障特征频率各种不同类型的故障所引起的振动都有各自的特征频率。例如，转子不平衡的振动频率是工频，齿式联轴器（带中间齿套）不对中的振动频率是二倍频，油膜涡动的振动频率是0.5倍频(实际上要小一点)，等等。由各频率成分的幅值大小和分布情况，从中查找出发生了异常变化的频率，再联系故障特征频率探索构成振动激振力的来源，是判别振动故障类型通常采用的诊断方法。但是反过来，某种振动频率又和多种类型的故障有关联。例如，动
40、不平衡的特征频率是工频，但不能说工频高就是发生了动不平衡，因为某些轴承及不对中等其他故障的振动频率也是工频。因此，频率和振动故障的对应关系并不是唯一的。为了得到正确的诊断结论，需要对各种振动信息进行综合分析。常见的故障特征频率及相应的故障类型，简要介绍如下： 工频工频成分在所有情况下都存在，工频幅值几乎总是最大，应该在其发生异常增大的情况下才视为故障特征频率。工频所对应的故障类型相对较多。多数（60以上）为不平衡故障，即突发性不平衡（断叶片、叶轮破裂等）、渐发性不平衡（结垢、腐蚀等）、初始不平衡，以及轴弯曲等；同时，相当数量（接近40）为轴承偏心类故障，如间隙过大、轴承合金磨损、轴承不对中、轴
41、承座刚度差异过大等；此外，还有刚性联轴器的角度（端面）不对中；支座、壳体、基础的松动、变形、裂缝等支承刚度异常引起的振动或共振；运行转速接近临界转速；发电机及电动机转子偏心等。 二倍频二倍频成分在所有情况下也都存在，幅值往往低于工频的一半，常伴有呈递减状的三倍频、四倍频、，也应该在异常增大的情况下视为故障特征频率。二倍频所对应的故障类型较为集中。绝大多数为不对中故障，如齿式联轴器（带中间短接）和金属挠性（膜盘、叠片）联轴器的不对中、刚性联轴器的平行（径向）不对中，其中，既有安装偏差大所产生的冷态不对中，又有由温差产生的支座升降不均匀、管道力、电机转子偏心等所引起的热态不对中，以及联轴器损伤故障
42、等；此外，还有概率较小的其它故障，如转动部件松动，转子刚度不对称（横向裂纹），支承刚度在水平、垂直方向上相差过大等。 低频（低于工频的频率）正常情况下，低频成分往往不存在或者以微量幅值（一般不大于3m）存在，在其大于35m的情况下，就应该以故障特征频率的预兆加以关注了。低频所对应的故障类型相对复杂。可进一步分为两种类型：一种是分数谐波振动，如1/2倍频、1/3倍频、，且频率成分较多，多数为摩擦及松动故障，如密封、油封、油挡的摩擦，轴承紧力不足等；另一种是亚异步振动，对应的为流体激振类故障，如旋转失速、喘振、油膜涡动、油膜振荡、密封流体激振，此外还有进汽（气）激振等，其中油膜振荡、密封流体激振为
43、自激振动，是一种很危险、能量很大的振动，一般发生在转速高于第一临界转速之后，多数是在二倍第一临界转速以上，频率成分较为单一。 转子的临界转速转子的临界转速就是转子的固有频率，其所对应的故障类型有油膜振荡、密封流体激振、临界转速区共振，对于老机组、成熟机型发生的概率较低。 机器自身和基础或其它附着物的固有频率 齿轮故障的特征频率由于齿轮的轮齿在进入和脱离啮合时，载荷突变、碰撞加剧，瞬时的高频冲击振幅与周期性变化的转频振幅相互叠加而产生幅值调制；制造时的轮齿分度不均匀、即周节误差使旋转速率发生变化则产生了频率调制。齿轮振动的特征频率为：fm i f ， i为正整数（i1，2，3，）式中，fm啮合频
44、率，为载波频率， fmf1z1f2z2，其中， f1、f2、z1、z2分别为主动轮、从动轮的转速频率及齿数； f齿轮的转速频率，为调制频率。表现在频谱图上，是以啮合频率fm为中心、以齿轮转速频率f为间隔，较为对称地分布于fm的两侧（对称度与周节误差相关），两侧称为边频带、边带。如果缺陷分布较均匀、如磨损，频谱图上的边频带则显现为窄、高、起伏大；如果发生断齿或大的局部性缺陷，边带则宽、低、平。 滚动轴承故障的特征频率滚动体的通过频率对于滚动轴承来说，由于轴承游隙的存在，滚动体在通过载荷方向时受力最大，反方向时最小或无。因此，每个滚动体在通过载荷方向时就会发生一次力的变化，内圈及轴颈、外圈及轴承座
45、也同时受到一次激励，此激励频率称为滚动体的通过频率fe。显然，fez fc，其中，z滚动体个数，fc滚动体的公转频率、也就是保持架的旋转频率。滚动轴承的缺陷间隔频率由于润滑不良、载荷过大、异物侵入、锈蚀等原因，会引起轴承工作表面上的剥落、胶合、裂纹、腐蚀凹坑、压痕等离散型缺陷或损伤。滚动体在通过内、外圈上的缺陷点或转过自身的缺陷点时，就会与缺陷凹坑发生碰撞，而产生冲击振动。同时由于持续时间极短，能量分散在极宽的频率范围上，完全可以激发起轴承各元件以其固有频率的振动，就像用小锤轻轻敲击大钟可以使钟发出声音（固有频率的振动）一样。因此，这种由局部缺陷所产生的冲击脉冲振动信号，其频率成分不仅有反映滚
46、动轴承故障特征的间隔频率（即通过缺陷处的冲击频率），同时还包含有反映滚动轴承各元件固有频率的高频成分。由局部缺陷引起的冲击振动的间隔频率的计算公式见下表。式中，D滚动体中心圆（节圆）直径，mm； d滚动体直径，mm； 接触角，角度或弧度； z滚动体的个数； n轴的转速，r/min。除转速n外，D、d、z均可根据轴承型号由轴承样本查出。 由于外圈是固定不动的，所以外圈的间隔频率fo就是滚动体的通过频率fe，而滚动体间隔频率fb则是滚动体的自转频率。滚动轴承的特征频率右图是外圈、内圈、滚动体上的缺陷所产生的振动波形图。波形图显示：外圈存在缺陷时，周期为外圈间隔频率的倒数1/fo；内圈存在缺陷时，周期为内圈间隔频率的倒数1/fi，并出现了对fi的幅值调制，调制频率为滚动体的公转频率fc（即保持架旋转频率）或转速频率f；滚动体存在缺陷时，周期为滚动体间隔频率的倒数1/fb，调制频率为fc