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1、典型机械故障的典型机械故障的振动分析及诊断振动分析及诊断 m xc xk xft() 惯性力 阻尼力 弹性力 干扰力表征振动的三个要素：表征振动的三个要素：振动幅值、频率（周期）、相位振动幅值、频率（周期）、相位 有阻尼的强迫振动及其特性有阻尼的强迫振动及其特性W/WoW/Wo 用振动分析方法监测设备状态用振动分析方法监测设备状态n幅值分析：振动总值（振动水平、列度）、变化幅值分析：振动总值（振动水平、列度）、变化趋势、机械动态特性趋势、机械动态特性n频谱分析：引起设备振动原因的具体分析频谱分析：引起设备振动原因的具体分析n相位分析：设备振动原因的进一步确认、共振相位分析：设备振动原因的进一步
2、确认、共振（相频特性）、动平衡分析（相频特性）、动平衡分析n波形分析：振动总值（峰值、峰峰值波形分析：振动总值（峰值、峰峰值）、周期、）、周期、拍节拍节n峰值能量谱分析：轴承、齿轮峰值能量谱分析：轴承、齿轮振动分析的过程：振动分析的过程：问诊问诊 监测监测 诊断诊断 措施措施问诊：问诊：了解设备背景，列出可能引起振动的原因了解设备背景，列出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、负荷设备运行工况，过程参数：
3、温度、压力、转速、负荷设备维修档案设备维修档案监测监测: : 确定振动监测和分析方案确定振动监测和分析方案 测试的工况（转速、负荷）；测点位置；测试参数（振动位移、测试的工况（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、相对振动速度、加速度）；绝对振动、相对振动测试振动的方向（测试振动的方向（H/V/AH/V/A）数据类型（幅值、频谱、波形、相位）数据类型（幅值、频谱、波形、相位）信号检测类型：峰值、峰峰值、有效值信号检测类型：峰值、峰峰值、有效值振动分析的过程：振动分析的过程：问诊问诊 监测监测 诊断诊断 措施措施诊断：诊断：引起振动的原因和部位引起振动的原因和部位
4、 振动幅值趋势分析振动幅值趋势分析 振动波形识别振动波形识别频谱分析、峰值能量谱分析频谱分析、峰值能量谱分析 频响特性与相干分析频响特性与相干分析瞬时频率变化与相位分析瞬时频率变化与相位分析措施：措施：给出结论给出结论 继续运行；还能运行多久继续运行；还能运行多久? ?维修、检查；部位维修、检查；部位? ? 力不平衡 力偶不平衡 动不平衡 悬臂转子不平衡 角不对中 平行不对中 轴承不对中 联轴节故障 结构框架/底座松动 轴承座松动 轴承等部件松动 齿轮磨损 齿轮偏心 齿轮不对中 同频占主导，相位稳定。如果只有不平衡，同频占主导，相位稳定。如果只有不平衡，1X1X幅值大于等于通频幅值的幅值大于等
5、于通频幅值的8080，且按转速，且按转速平方增大。平方增大。 通常水平方向的幅值大于垂直方向的幅值，通常水平方向的幅值大于垂直方向的幅值，但通常不应超过两倍。但通常不应超过两倍。 同一设备的两个轴承处相位接近。同一设备的两个轴承处相位接近。 水平方向和垂直方向的相位相差接近水平方向和垂直方向的相位相差接近9090度。度。 典型的频谱 相位关系力力 不不 平平 衡衡 典型的频谱 相位关系力力 偶偶 不不 平平 衡衡动不平衡是前两种不平衡的合成结果。动不平衡是前两种不平衡的合成结果。仍是同频占主导，相位稳定。仍是同频占主导，相位稳定。 两支承处同方向振动相位差接近两支承处同方向振动相位差接近 典型
6、的频谱 相位关系动动 不不 平平 衡衡 悬臂转子不平衡在轴向和径向都会引起较大悬臂转子不平衡在轴向和径向都会引起较大1X1X振动。振动。 轴向相位稳定，而径向相位会有变化。轴向相位稳定，而径向相位会有变化。 悬臂式转子可产生较大的轴向振动，轴向振动悬臂式转子可产生较大的轴向振动，轴向振动有时甚至超过径向振动。有时甚至超过径向振动。 两支承处轴向振动相位接近。两支承处轴向振动相位接近。 往往是力不平衡和力偶不平衡同时出现往往是力不平衡和力偶不平衡同时出现 典型的频谱 相 位 关 系悬悬 臂臂 转转 子子 不不 平平 衡衡 当旋转的当旋转的皮带轮、齿轮、电机转子皮带轮、齿轮、电机转子等有几何偏心等
7、有几何偏心时，会在两个转子中心连线方向上产生较大的时，会在两个转子中心连线方向上产生较大的1X1X振动；偏心振动；偏心泵泵除产生除产生1X1X振动外，还由于流体不平振动外，还由于流体不平衡会造成叶轮通过频率及倍频的振动。衡会造成叶轮通过频率及倍频的振动。 垂直与水平方向振动相位相差为垂直与水平方向振动相位相差为0 0或或180180。 采用平衡的办法只能消除单方向的振动。采用平衡的办法只能消除单方向的振动。 典型的频谱 相 位 关 系 振动特征类似动不平衡，振动以振动特征类似动不平衡，振动以1X1X为主，如果弯曲为主，如果弯曲靠近联轴节，也可产生靠近联轴节，也可产生2X2X振动。类似不对中、通
8、常振动。类似不对中、通常振幅稳定，如果振幅稳定，如果2X2X与供电频率或其谐频接近，则可与供电频率或其谐频接近，则可能产生波动。能产生波动。 轴向振动可能较大，两支承处相位相差轴向振动可能较大，两支承处相位相差180180度。度。 振动随转速增加迅速增加，过了临界转速也一样。振动随转速增加迅速增加，过了临界转速也一样。 典型的频谱 相位关系有资料表明现有企业在役设备有资料表明现有企业在役设备30305050存存在不同程度的不对中，严重的不对中会造成在不同程度的不对中，严重的不对中会造成设备部件的过早损坏，同时会造成能源的浪设备部件的过早损坏，同时会造成能源的浪费。费。不对中既可产生径向振动，又
9、会产生轴向振不对中既可产生径向振动，又会产生轴向振动；既会造成临近联轴节处支承的振动，也动；既会造成临近联轴节处支承的振动，也会造成远离联轴节的自由端的振动。不对中会造成远离联轴节的自由端的振动。不对中易产生易产生2X2X振动，严重的不对中有时会产生类振动，严重的不对中有时会产生类似松动的高次谐波振动。似松动的高次谐波振动。 相位是判断不对中的最好判据。相位是判断不对中的最好判据。 角不对中产生较大的轴向振动，频谱成分为角不对中产生较大的轴向振动，频谱成分为1X1X和和2X2X；还常见；还常见1X1X、2X2X或或3X3X都占优势的情况。都占优势的情况。 如果如果2X2X或或3X3X超过超过1
10、X1X的的3030到到5050，则可认为是，则可认为是存在角不对中。存在角不对中。 联轴节两侧轴向振动相位相差联轴节两侧轴向振动相位相差180180度。度。 典型的频谱 相位关系角角 不不 对对 中中 典型的频谱 相 位 关 系平平 行行不不 对对 中中平行不对中的振动特性类似角不对中，但平行不对中的振动特性类似角不对中，但径向振动较大。径向振动较大。频谱中频谱中2X2X较大，常常超过较大，常常超过1X1X，这与联轴节，这与联轴节结构类型有关。结构类型有关。角不对中和平行不对中严重时，会产生较角不对中和平行不对中严重时，会产生较多谐波的高谐次（多谐波的高谐次（4X8X4X8X）振动。）振动。联
11、轴节两侧相位相差也是联轴节两侧相位相差也是180180度。度。 轴承不对中或卡死将产生轴承不对中或卡死将产生1X, 2X1X, 2X轴向振动，如轴向振动，如果测试一侧轴承座的四等分点的振动相位，对果测试一侧轴承座的四等分点的振动相位，对应两点的相位相差应两点的相位相差180180度。度。 通过找对中无法消除振动，只有卸下轴承重新通过找对中无法消除振动，只有卸下轴承重新安装。安装。 典型的频谱 相位关系轴轴 承承 不不 对对 中中 如果联轴节的短节过长或过短，通常会产生明显的如果联轴节的短节过长或过短，通常会产生明显的3X3X振动。振动。 齿型联轴节卡死会引起轴向和径向振动，通常轴向大齿型联轴节
12、卡死会引起轴向和径向振动，通常轴向大于径向，频谱以于径向，频谱以1X1X为主，兼有其它谐频，也有出现为主，兼有其它谐频，也有出现4X4X为主的实例。为主的实例。 振动随负荷而变，振动随负荷而变，1X1X明显。明显。 松动的联轴节将引起啮合频率及叶片通过频率的振动松动的联轴节将引起啮合频率及叶片通过频率的振动，其周围分布，其周围分布1X1X旁瓣。旁瓣。联联 轴轴 节节 故故 障障 松动本身不是纯粹松动本身不是纯粹 的故障，不会直接的故障，不会直接 产生振动，但它可产生振动，但它可 放大故障的作用。放大故障的作用。A 结 构 框 架 或 底 座 松 动B 轴 承 座 松 动C 轴 承 等部 件 配
13、 合松 动振动特征振动特征: : 类似不平衡或不对中，频谱主要以类似不平衡或不对中，频谱主要以1X1X为主。为主。振动具有局部性，只表现在松动的转子上。振动具有局部性，只表现在松动的转子上。同轴承径向振动垂直，水平方向相位差同轴承径向振动垂直，水平方向相位差0 0或或180180度。度。底板连接处相邻结合面的振动相位相差底板连接处相邻结合面的振动相位相差180180度。度。如果轴承紧固是在轴向，也会引起类似不对中的轴向如果轴承紧固是在轴向，也会引起类似不对中的轴向振动。振动。 包括如下几方面的故障 支脚、底板、水泥底座松支脚、底板、水泥底座松动动/ /强度不够；强度不够； 框架或底板变形；紧固
14、螺框架或底板变形；紧固螺丝松动。丝松动。振动特征振动特征: :主要以主要以2X2X为特征为特征( (主要是径向主要是径向2X2X超过超过1X1X的的50%)50%)幅值有时不稳定幅值有时不稳定振动只有伴随其它故障如不平衡或不对中时才有表现，振动只有伴随其它故障如不平衡或不对中时才有表现，此时要消除平衡或对中将很困难。此时要消除平衡或对中将很困难。在间隙达到出现碰撞前，振动主要是在间隙达到出现碰撞前，振动主要是1X1X和和2X2X；出现碰；出现碰撞后，振动将出现大量谐频。撞后，振动将出现大量谐频。 包括如下几方面的故障 结构或轴承座开裂结构或轴承座开裂 支承件长度不同引起的晃动支承件长度不同引起
15、的晃动 部件间隙出现少量偏差时部件间隙出现少量偏差时( (尚无碰撞尚无碰撞) ) 紧固螺丝松动。紧固螺丝松动。振动特征振动特征: :常常出现大量的高次谐频，有时常常出现大量的高次谐频，有时10X10X，甚至，甚至20X20X，松，松动严重时还会出现半频及谐频动严重时还会出现半频及谐频 (0.5X, 1.5X.) (0.5X, 1.5X.) 成成分。分。半频及谐频往往随不平衡或不对中等故障出现。半频及谐频往往随不平衡或不对中等故障出现。振动具有方向性和局部性。振动具有方向性和局部性。振动幅值变化较大，相位有时也不稳定。振动幅值变化较大，相位有时也不稳定。包括如下几方面的故障轴承在轴承座内松动轴承
16、在轴承座内松动轴承内圈间隙大轴承内圈间隙大轴承保持架在轴承盖内松动轴承保持架在轴承盖内松动轴承松动或与轴有相对转动轴承松动或与轴有相对转动转子在转动过程中与定子的摩擦会造成严重的设备故障转子在转动过程中与定子的摩擦会造成严重的设备故障在摩擦过程中在摩擦过程中, , 转子刚度发生改变从而改变转子系统的固有频率转子刚度发生改变从而改变转子系统的固有频率, , 可能造成系统共振。可能造成系统共振。往往会激起亚谐波振动往往会激起亚谐波振动(1/2X, 1/3X.), (1/2X, 1/3X.), 严重时出现大量的谐频严重时出现大量的谐频(1/2X, 1.5X, 2.5X.)(1/2X, 1.5X, 2
17、.5X.)，并伴随有噪音。，并伴随有噪音。轴径和滑动轴承钨金干摩轴径和滑动轴承钨金干摩电动机转子与定子接触电动机转子与定子接触叶轮与扩压器口接触叶轮与扩压器口接触汽轮机叶片与静叶汽轮机叶片与静叶严严 重重 摩摩 擦擦轻轻 微微 摩摩 擦擦轴与汽封摩擦轴与汽封摩擦联轴器罩摩轴联轴器罩摩轴皮带摩擦皮带罩皮带摩擦皮带罩叶片摩擦外罩叶片摩擦外罩 典型的摩擦波形 有资料显示仅有有资料显示仅有10102020的轴承达到或接近设计的轴承达到或接近设计寿命寿命. . 其余部分因为如下其余部分因为如下各种原因达不到设计寿命各种原因达不到设计寿命: : 润滑不当, 使用错误的润滑剂；润滑剂或轴承内混入赃物或杂质；
18、运输或存放不当；选型不当、安装错误等. 振动监测的最终目的是通振动监测的最终目的是通过跟踪轴承状态了解何时过跟踪轴承状态了解何时需要更换轴承需要更换轴承. .位移：不易用于轴承的位移：不易用于轴承的监测。监测。加速度：可早期发现轴加速度：可早期发现轴承的故障征兆，应与速承的故障征兆，应与速度联用。度联用。使用包络技术或使用包络技术或gSEgSE监 测 参 数 的 选 择 轴承故障出现在超声段轴承故障出现在超声段2020 60KHz, 60KHz, 它们可用它们可用gSEgSE、高频、高频(HFD)g(HFD)g来测量、评定。例如：来测量、评定。例如：某轴承在第一阶段的尖峰能某轴承在第一阶段的尖
19、峰能量值为量值为0.25gSE(0.25gSE(实测数值与实测数值与测试位置和机械转速有关测试位置和机械转速有关) )。 轻微的轴承故障开始轻微的轴承故障开始“敲击敲击”出轴承元件的固有频率段，出轴承元件的固有频率段，一般在一般在5005002KHz2KHz范围内；本范围内；本阶段后期表现为，在固有频阶段后期表现为，在固有频率 附 近 出 现 边 频 （ 例 ：率 附 近 出 现 边 频 （ 例 ：0.25gSE 0.25gSE 0.5gSE 0.5gSE ）滚 动 轴 承 故 障 谱 特 征 (1)第三阶段第三阶段： 轴承出现磨损故障频率和轴承出现磨损故障频率和谐波出现；谐波出现； 磨损发展
20、时磨损发展时出现更多故障频率谐波，出现更多故障频率谐波，并且边带数目增多，振动并且边带数目增多，振动尖峰能量值继续增大。尖峰能量值继续增大。第四阶段：第四阶段： 这一阶段甚至影响这一阶段甚至影响1X1X分量，分量，并引起其它倍频分量并引起其它倍频分量2X2X、3X3X等的增大。轴承故障频等的增大。轴承故障频率和固有频率开始率和固有频率开始“消失消失” ” 被随机振动或噪音代替，被随机振动或噪音代替，高频量和尖峰能量值很大。高频量和尖峰能量值很大。滚 动 轴 承 故 障 谱 特 征 (2)滚 动 轴 承 故 障 频 谱滚 动 轴 承 故 障 前 后gSE 谱滑动轴承摩擦后期通常出现一系列滑动轴承
21、摩擦后期通常出现一系列倍频成分（多达倍频成分（多达10X10X20X20X）。）。老的滑动轴承往往产生垂直方向比老的滑动轴承往往产生垂直方向比水平方向振幅更大的振动。水平方向振幅更大的振动。间隙过大的滑动轴承可能会导致不间隙过大的滑动轴承可能会导致不平衡、不对中等引起的振动更大。平衡、不对中等引起的振动更大。摩擦/间隙过大的频谱油膜振荡 松动松动，1/2X, 1/3X1/2X, 1/3X等成等成分，随负荷变化较大分，随负荷变化较大 乌金脱落乌金脱落，1/2X1/2X及谐频及谐频，幅值小于松动谱，幅值小于松动谱 瓦块损坏瓦块损坏，1/3X1/3X涡动，涡动，调油温有效调油温有效滑 动 轴 承 损
22、 坏 及 松 动 频 谱 正常正常的频谱出现所有转轴的频谱出现所有转轴的的1X1X和啮合频率和啮合频率(GMF)(GMF)。 齿轮啮合频率的两侧有转齿轮啮合频率的两侧有转速边带，其峰值较小。速边带，其峰值较小。 齿磨损：齿轮固有频率出齿磨损：齿轮固有频率出现，且有磨损齿轮所在轴现，且有磨损齿轮所在轴的转速边带的转速边带 磨损明显时，啮合频率附磨损明显时，啮合频率附近也会出现较高峰值的边近也会出现较高峰值的边带。带。正常齿轮的频谱齿轮磨损时的频谱 齿轮偏心：啮合频率附齿轮偏心：啮合频率附近有较高幅值的边带往近有较高幅值的边带往往说明齿轮偏心、游隙往说明齿轮偏心、游隙或轴不平行。或轴不平行。 啮合频率峰值随负载的啮合频率峰值随负载的增大而增大。增大而增大。 齿轮不对中：几乎总是齿轮不对中：几乎总是激起啮合频率二次或更激起啮合频率二次或更高谐次的振动，且高谐次的振动，且2X2X或或3X3X啮合频率处峰值较大啮合频率处峰值较大；它们都有转速的边带；它们都有转速的边带频率。频率。齿轮偏心的频谱齿轮不对中时的频谱