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1、0教学内容教学内容0 0、课程准备、课程准备1 1、绪、绪 论论3 3、监测与诊断系统、监测与诊断系统2 2、信号分析及处理基础、信号分析及处理基础4 4、旋转机械的振动监测与诊断、旋转机械的振动监测与诊断5 5、滚动轴承的故障监测和诊断、滚动轴承的故障监测和诊断6 6、齿轮箱的监测和诊断、齿轮箱的监测和诊断 1教学内容教学内容第四章第四章旋转机械的振动监测与诊断旋转机械的振动监测与诊断4.1 4.1 旋转机械的振动及故障概论旋转机械的振动及故障概论4.2 4.2 诊断信息的表达与分析诊断信息的表达与分析4.3 4.3 简易诊断方法简易诊断方法4.4 4.4 精密诊断原理及典型故障分析精密诊断
2、原理及典型故障分析4.5 4.5 现场平衡技术现场平衡技术2教学内容教学内容u 重点与难点重点与难点A旋转机械故障诊断原理；旋转机械故障诊断原理；A旋转机械振动诊断信息的表达与分析；旋转机械振动诊断信息的表达与分析；u 学习目标学习目标A了解现场故障系统的控制技术；了解现场故障系统的控制技术；A掌握旋转机械故障诊断分析方法；掌握旋转机械故障诊断分析方法；A故障控制技术。故障控制技术。3旋旋转转机械的振机械的振动动及故障概及故障概论论4.1、旋转机械的振动及故障概论、旋转机械的振动及故障概论1)1)机械设备振动的特点：机械设备振动的特点：4.1.1 4.1.1 旋转机械的振动及故障概论旋转机械的
3、振动及故障概论振动存在的广泛性；振动存在的广泛性；振动监测的有效性；振动监测的有效性；振动的可识别性；振动的可识别性；振动识别的复杂性。振动识别的复杂性。42)2)振动信号的系统特征振动信号的系统特征故障振动特征不仅取决于故障，而且还受到系统故障振动特征不仅取决于故障，而且还受到系统特性的影响，从系统的观点来分析，有利于对问题进特性的影响，从系统的观点来分析，有利于对问题进性描述。性描述。系统输入输出关系表达为：系统输入输出关系表达为：旋旋转转机械的振机械的振动动及故障概及故障概论论54.1.2 4.1.2 转子系统、转子振动和转子故障的分类转子系统、转子振动和转子故障的分类 按转子系统在坐标
4、平面内发生的振动形式按转子系统在坐标平面内发生的振动形式分为如下三种：分为如下三种：横向振动横向振动-振动发生在包括转轴的横向平面内；振动发生在包括转轴的横向平面内；轴向振动轴向振动-振动发生在转轴的轴线方向上；振动发生在转轴的轴线方向上；扭转振动扭转振动-沿转轴轴线发生的扭振；沿转轴轴线发生的扭振；旋转机械故障所旋转机械故障所激发的振动多为激发的振动多为横向振动。横向振动。以临界转速为分界可把转子系统分为两种：以临界转速为分界可把转子系统分为两种：刚性转子系统刚性转子系统-工作转速在（一阶）临界以下的工作转速在（一阶）临界以下的转子系统转子系统 ；柔性转子系统柔性转子系统-工作转速在（一阶）
5、临界转速以工作转速在（一阶）临界转速以上的转子系统上的转子系统 。旋旋转转机械的振机械的振动动及故障概及故障概论论6 按转子类型及其振动性质不同，可将旋转按转子类型及其振动性质不同，可将旋转机械主要故障作以下分类，见下图：机械主要故障作以下分类，见下图：旋旋转转机械的振机械的振动动及故障概及故障概论论74.2、诊断信息的表达与分析、诊断信息的表达与分析4.2.1 4.2.1 波形分析法波形分析法波形分析方法主要是通过观察振动波形的特波形分析方法主要是通过观察振动波形的特征来获取诊断信息。征来获取诊断信息。诊诊断信息的表达与分析断信息的表达与分析84.2.2 4.2.2 频谱分析法频谱分析法频谱
6、图是用频谱分析法提取诊断信息的一种方法，频谱图是用频谱分析法提取诊断信息的一种方法，常采用常采用FFT来对采样序列进行计算。来对采样序列进行计算。诊诊断信息的表达与分析断信息的表达与分析截头余弦91 1）幅值谱及相位谱）幅值谱及相位谱振动信号中主要由哪些频率成分及谐波分振动信号中主要由哪些频率成分及谐波分量所组成量所组成 ；组成的谐波分量中哪些频率成分的幅值最组成的谐波分量中哪些频率成分的幅值最为突出，这提示着和故障的某种关系。为突出，这提示着和故障的某种关系。诊诊断信息的表达与分析断信息的表达与分析102 2）阶比幅值谱）阶比幅值谱将频谱图中的频谱轴（横坐标）改用工作频率的倍将频谱图中的频谱
7、轴（横坐标）改用工作频率的倍数来表示，而纵坐标仍表示幅值，称为阶比幅值谱。数来表示，而纵坐标仍表示幅值，称为阶比幅值谱。诊诊断信息的表达与分析断信息的表达与分析113 3）(自自)功率谱功率谱信号自功率谱表示信号样本中所含能量沿频率轴的信号自功率谱表示信号样本中所含能量沿频率轴的分布状况。多用于随机信号分析中。分布状况。多用于随机信号分析中。诊诊断信息的表达与分析断信息的表达与分析12诊诊断信息的表达与分析断信息的表达与分析134.2.3 4.2.3 轴心轨迹分析法轴心轨迹分析法1 1）轴心轨迹的测量）轴心轨迹的测量采集两个相互垂直的方向上轴心相对于轴采集两个相互垂直的方向上轴心相对于轴承的位
8、移信号承的位移信号 ，将信号放大并消除直流分，将信号放大并消除直流分量后即可在示波器上或量后即可在示波器上或x-yx-y绘图仪上合成为绘图仪上合成为轴心轨迹轴心轨迹 。诊诊断信息的表达与分析断信息的表达与分析142 2）轴心轨迹的分析方法）轴心轨迹的分析方法u轴心轨迹的形状轴心轨迹的形状轴心轨迹的形状与机器的运行状态及发生故障的类型轴心轨迹的形状与机器的运行状态及发生故障的类型有密切关系，主要包括几种典型轴心轨迹图。有密切关系，主要包括几种典型轴心轨迹图。不平衡不平衡-不平衡引起的轴心轨迹理论上应为圆形，但由于轴承不平衡引起的轴心轨迹理论上应为圆形，但由于轴承油膜刚度在油膜刚度在x x、y y
9、方向上的差别，以及其他一些因素的影响，实方向上的差别，以及其他一些因素的影响，实际上是一个椭圆际上是一个椭圆 。如下图为汽轮发电机过程中的基频分量的仿。如下图为汽轮发电机过程中的基频分量的仿真轴心轨迹图真轴心轨迹图 。诊诊断信息的表达与分析断信息的表达与分析15诊诊断信息的表达与分析断信息的表达与分析16不对中不对中-不对中轴心轨迹主要由二倍频、四倍频谐波分量由计不对中轴心轨迹主要由二倍频、四倍频谐波分量由计算机仿真合成。下图为存在不同程度不对中缺陷时的轴心轨迹。算机仿真合成。下图为存在不同程度不对中缺陷时的轴心轨迹。随着不对中的增大，轨迹由椭圆变为随着不对中的增大，轨迹由椭圆变为香蕉形香蕉形
10、，最后，最后变为变为“8 8”字字形形。亚同步振动亚同步振动由于涡动频谱并非恰为转子旋转频率的一半以及由于涡动频谱并非恰为转子旋转频率的一半以及内摩擦失稳等原因造成的。内摩擦失稳等原因造成的。诊诊断信息的表达与分析断信息的表达与分析17油膜涡动轴心轨迹在线显示油膜涡动轴心轨迹在线显示诊诊断信息的表达与分析断信息的表达与分析18油膜涡动轴心轨迹提取油膜涡动轴心轨迹提取诊诊断信息的表达与分析断信息的表达与分析19油膜振荡轴心轨迹油膜振荡轴心轨迹诊诊断信息的表达与分析断信息的表达与分析20转子与静止部件的碰撞和摩擦转子与静止部件的碰撞和摩擦-图图a a、b b、c c、d d为转子与静止件为转子与静
11、止件产生不同程度的产生不同程度的碰撞和摩擦碰撞和摩擦时的轴心轨迹。时的轴心轨迹。诊诊断信息的表达与分析断信息的表达与分析21u轴心轨迹的旋转方向轴心轨迹的旋转方向若轴的旋转方向与轴心轨迹旋转方向一致，称为若轴的旋转方向与轴心轨迹旋转方向一致，称为正向进动；反之，称为逆向进动。一般情况下为正向进动；反之，称为逆向进动。一般情况下为正向进动。转子和定子之间的干摩擦和某些具有正向进动。转子和定子之间的干摩擦和某些具有螺旋桨的旋转机械由于叶片的动力作用，则会产螺旋桨的旋转机械由于叶片的动力作用，则会产生逆向进动。生逆向进动。u轴心轨迹的稳定性轴心轨迹的稳定性一般情况下，轴心轨迹保持稳定。一旦发生形状一
12、般情况下，轴心轨迹保持稳定。一旦发生形状大小的变化或轨迹紊乱，则提示着机器运行状态大小的变化或轨迹紊乱，则提示着机器运行状态已发生了变化或进入异常状态。已发生了变化或进入异常状态。诊诊断信息的表达与分析断信息的表达与分析22小小结结本讲小结本讲小结A掌握故障分析的系统分析方法；掌握故障分析的系统分析方法；A掌握故障的分类及其形成原因；掌握故障的分类及其形成原因；A掌握频谱分析方法和轴心轨迹分析方法。掌握频谱分析方法和轴心轨迹分析方法。A掌握故障信息的表达与分析方法；掌握故障信息的表达与分析方法；234.2.4 4.2.4 转速跟踪分析方法转速跟踪分析方法转转速跟踪分析方法速跟踪分析方法设备诊断
13、分析包括：稳态分析方法；转速跟踪分析法。设备诊断分析包括：稳态分析方法；转速跟踪分析法。1 1）奈奎斯特）奈奎斯特(Nyquist)(Nyquist)图和波德图和波德(Bode(Bode）图）图奈奎瑟特图奈奎瑟特图是极坐标表示法，取振动信号是极坐标表示法，取振动信号基频分量的幅值为极坐标的模，基准相位角基频分量的幅值为极坐标的模，基准相位角为幅角，构成极坐标平面上的一个点为幅角，构成极坐标平面上的一个点。波德图波德图是各转速下基频分量的幅值和基准是各转速下基频分量的幅值和基准相位角分别绘制在相位角分别绘制在转速转速-幅值幅值和和转速转速-相位相位两两个直角对数坐标系的图上个直角对数坐标系的图上
14、。242 2）瀑布图和坎贝尔图）瀑布图和坎贝尔图瀑布图又称瀑阵图瀑布图又称瀑阵图是将振动信号的功率谱或是将振动信号的功率谱或幅值谱随着转速的变化叠置而成的三维谱图幅值谱随着转速的变化叠置而成的三维谱图。转转速跟踪分析方法速跟踪分析方法25坎贝尔图坎贝尔图是横坐标为转速，纵坐标为频率，斜是横坐标为转速，纵坐标为频率，斜线为各倍频分量频率的阶次比线为各倍频分量频率的阶次比f f/f fr r。转转速跟踪分析方法速跟踪分析方法264.2.5 4.2.5 统计分析方法统计分析方法统计分析方法是对振动信号中各频率分量的统计分析方法是对振动信号中各频率分量的综合影响用统计方法进行量化处理的一种方法。综合影
15、响用统计方法进行量化处理的一种方法。1 1）常用的诊断指标）常用的诊断指标振动峰峰值（振动峰峰值（值）值）：常用的峰峰值为：常用的峰峰值为振动位移和加速度的峰峰值振动位移和加速度的峰峰值x xp-pp-p和和a ap-pp-p；统计统计分析方法分析方法27振动烈度（振动速度的均方根，或有效值）振动烈度（振动速度的均方根，或有效值）v vrmsrms。v vrmsrms是根据振动速度曲线的均方根值求是根据振动速度曲线的均方根值求出的；出的；振动烈度振动烈度表征着振动的威力或破坏能力，故称振表征着振动的威力或破坏能力，故称振动烈度。它是一种比较敏感的诊断指标，广泛应用于动烈度。它是一种比较敏感的诊
16、断指标，广泛应用于各种测振标准中，特别在设备的简易诊断中应用最为各种测振标准中，特别在设备的简易诊断中应用最为广泛。广泛。统计统计分析方法分析方法28无量纲指标。无量纲指标。波形指标峰值指标脉冲指标裕度指标均方根值均方根值样本的绝样本的绝对平均值对平均值统计统计分析方法分析方法29功率谱图导出的诊断指标功率谱图导出的诊断指标谱图均方值谱图重心峰值指标谱图方差MSMS，C C及及R R用于描绘谱图主峰位置的变化，而用于描绘谱图主峰位置的变化，而V V则用于描则用于描述谱图能量分布的分散程度。实践表明，计算上述诊断述谱图能量分布的分散程度。实践表明，计算上述诊断指标比计算功率谱快且比较敏感。指标比
17、计算功率谱快且比较敏感。统计统计分析方法分析方法304.3、旋转机械故障的简易诊断方法、旋转机械故障的简易诊断方法简易法是通过便携测振仪拾取信号，并直接由简易法是通过便携测振仪拾取信号，并直接由信号的某些参数或统计量构成诊断指标。信号的某些参数或统计量构成诊断指标。4.3.1 4.3.1 振动信号的测定振动信号的测定1 1）正确地选择测定方式和测定参数）正确地选择测定方式和测定参数A低频范围低频范围(10100Hz):位移参数（位移参数（xp-p，xp，xrms等）；等）；A中频范围中频范围(101000Hz):速度参数（速度参数（xrms等）；等）；A高频范围高频范围(1kHz):加速度参数
18、（加速度参数（arms，ap-p等）；等）；简简易易诊诊断方法断方法312 2）合理地布置测点）合理地布置测点A主要测点布置：主要测点布置：反映振动特征最敏感的部位即反映振动特征最敏感的部位即轴承部位轴承部位；A辅助测点的布置：辅助测点的布置：可布置在机壳、箱体、基础可布置在机壳、箱体、基础等部位（参看课本等部位（参看课本p83）；A测定振动时的注意事项：测定振动时的注意事项：应遵循如下原则，即应遵循如下原则，即每次测量要在同一测点进行，否则会因传递通每次测量要在同一测点进行，否则会因传递通道不同造成结果误差；其次，保证工况相同；道不同造成结果误差；其次，保证工况相同；测量的参数相同；使用的仪
19、器和测量方法相同。测量的参数相同；使用的仪器和测量方法相同。简简易易诊诊断方法断方法323 3）选择合适的测定周期）选择合适的测定周期A高速旋转机械（压缩机、透平机）：高速旋转机械（压缩机、透平机）：每月测定每月测定；A一般旋转机械（风机、水泵、机床等）：一般旋转机械（风机、水泵、机床等）：每月测定每月测定；测点方向选择测点方向选择:低频振动一般都要从径向水平、径向垂径向水平、径向垂直和轴向直和轴向三个方向来评定振动状况，这是因为载荷的影响和故障的变化，造成测点的三个方向的振动不一样，总有一个或两个方向反应敏感。简简易易诊诊断方法断方法334.3.2 4.3.2 简易诊断方法原理简易诊断方法原
20、理1 1）统计分析法和劣化趋势图）统计分析法和劣化趋势图位移峰峰值位移峰峰值Xp-p及振动烈度及振动烈度Vrms用得最多。用得最多。按规定的周期，将测定的数据（统计量）按时间顺序排按规定的周期，将测定的数据（统计量）按时间顺序排列即可获得劣势趋势图，并可识别和预测设备的状态。列即可获得劣势趋势图，并可识别和预测设备的状态。简简易易诊诊断方法断方法342 2）简易诊断判别标准的制定）简易诊断判别标准的制定绿区：正常使用，状态良好；绿区：正常使用，状态良好；黄区：过渡状态，注意维护；黄区：过渡状态，注意维护；红区：严重危险，随时停机。红区：严重危险，随时停机。A设备劣化曲线。设备劣化曲线。简简易易
21、诊诊断方法断方法35A绝对标准绝对标准 将测定的数据或统计量直接与标准阈值相比较以判将测定的数据或统计量直接与标准阈值相比较以判断设备所处的状态。断设备所处的状态。简简易易诊诊断方法断方法A相对标准相对标准相对标准是以正常状态的测定值为初值，以当前相对标准是以正常状态的测定值为初值，以当前实测数据达到初值的倍数为阈值来判断设备当前实测数据达到初值的倍数为阈值来判断设备当前所处的状态。所处的状态。相对标准中初值的确定极为重要，一般至少要取六相对标准中初值的确定极为重要，一般至少要取六个有效数据进行平均后作为初值。个有效数据进行平均后作为初值。36A类比标准类比标准对同规格型号、同运行工况的若干设
22、备，在缺乏对同规格型号、同运行工况的若干设备，在缺乏必要的标准时可采用类比标准进行状态判别。必要的标准时可采用类比标准进行状态判别。类比标准：对数台设备的同一部位进行测定，并对类比标准：对数台设备的同一部位进行测定，并对测定值进行相互比较，而判定某台设备是否发生异常。测定值进行相互比较，而判定某台设备是否发生异常。类比标准只能用于结构及工况比较简单的小型机械类比标准只能用于结构及工况比较简单的小型机械上（如水泵）。对于大型高速的旋转机械，其可比的条上（如水泵）。对于大型高速的旋转机械，其可比的条件相差很大，不宜采用类比标准。件相差很大，不宜采用类比标准。方法优先顺序：方法优先顺序：绝对标准绝对
23、标准 相对标准相对标准 类比标准类比标准简简易易诊诊断方法断方法37简易诊断案例：简易诊断案例：1）设备简图及测点布置：）设备简图及测点布置：各测点均配各测点均配置涡流式位置涡流式位移传感器移传感器2）故障简况：）故障简况：T1 T1 发现中压气缸进口端测点发现中压气缸进口端测点4 4表头显示轴振动由表头显示轴振动由19um19um增至增至65um65um，超过预设报警值，超过预设报警值38um38um，跳车停机。为避，跳车停机。为避免贸然停机，采用免贸然停机，采用Vm-63Vm-63便携式振动计进行监测。便携式振动计进行监测。简简易易诊诊断方法断方法383）监测方法：）监测方法：振动计用于监
24、测轴承的绝对振动。测量中以中压缸振动计用于监测轴承的绝对振动。测量中以中压缸的进口端的进口端3 3，测定餐位为，测定餐位为VrmsVrms及及Xp-pXp-p，并分别测试垂直，并分别测试垂直（V)V)和水平（和水平（H H）两个方向的数据。）两个方向的数据。根据监测趋势图，测点振动数据基本保持稳定，而根据监测趋势图，测点振动数据基本保持稳定，而未超出给定的阈值。未超出给定的阈值。4）趋势图分析：）趋势图分析：大修检查结果：中压缸止推轴承推力盘磨损，副推大修检查结果：中压缸止推轴承推力盘磨损，副推力瓦基破裂，因而引起振动。此外，发现转子与隔板摩力瓦基破裂，因而引起振动。此外，发现转子与隔板摩擦造
25、成转子失衡而加剧了振动。擦造成转子失衡而加剧了振动。简简易易诊诊断方法断方法39本讲小结本讲小结A掌握转速跟踪分析方法原理；掌握转速跟踪分析方法原理；A掌握转速跟踪法诊断信息的表达；掌握转速跟踪法诊断信息的表达；A掌握旋转机械故障的简易诊断方法。掌握旋转机械故障的简易诊断方法。A掌握了解全息谱的表达原理；掌握了解全息谱的表达原理；小小结结404.4、精密诊断方法与典型故障分析、精密诊断方法与典型故障分析4.4.1 4.4.1 精密诊断方法原理精密诊断方法原理故障诊断需要通过诊断信息所提供的振动特征与典型故故障诊断需要通过诊断信息所提供的振动特征与典型故障的振动特征相互联系才能对故障的类型、性质
26、和产生障的振动特征相互联系才能对故障的类型、性质和产生的部位和原因进行识别，为诊断决策提供依据。的部位和原因进行识别，为诊断决策提供依据。精密精密诊诊断方法与典型故障断方法与典型故障41精密诊断方法的核心问题是振动特征的模式识别，通过精密诊断方法的核心问题是振动特征的模式识别，通过从诊断信息中提取若干（从诊断信息中提取若干（n个）诊断指标（统计量）构成个）诊断指标（统计量）构成一个一个n维向量，即特征向量。维向量，即特征向量。模式识别基本原理：模式识别基本原理：模式识别模式识别把待检模式把待检模式XtXt与与k k种典型故障模式种典型故障模式X Xi i（i i=1=1，2 2，,k k)进行
27、比较、分类的方法。进行比较、分类的方法。精密精密诊诊断方法与典型故障断方法与典型故障42模式识别方法分类：模式识别方法分类：A直接观察法；直接观察法；把待检模式的典型特征与典型模式的特征进行直观的比把待检模式的典型特征与典型模式的特征进行直观的比较、分析后进行分类，以确定故障的类型、性质、原因和部较、分析后进行分类，以确定故障的类型、性质、原因和部位等。位等。A计算机辅助诊断法；计算机辅助诊断法；模式识别理论基础模式识别理论基础聚类分析法聚类分析法；以计算机为基础的新；以计算机为基础的新方法主要有：方法主要有：时序诊断法；模糊诊断法；灰色系统诊断法时序诊断法；模糊诊断法；灰色系统诊断法等，等，
28、主要用于解决模式边界不太清晰的问题。主要用于解决模式边界不太清晰的问题。A计算机自动识别法。计算机自动识别法。计算机自动识别法又称故障诊断专家系统，通过将专家计算机自动识别法又称故障诊断专家系统，通过将专家知识和各种故障诊断信息掌握在知识库中，由计算机自动识知识和各种故障诊断信息掌握在知识库中，由计算机自动识别。别。精密精密诊诊断方法与典型故障断方法与典型故障43精密精密诊诊断方法与典型故障断方法与典型故障44精密精密诊诊断方法与典型故障断方法与典型故障典型分析仪器：典型分析仪器：45精密精密诊诊断方法与典型故障断方法与典型故障464.4.2 4.4.2 旋转机械的典型故障分析旋转机械的典型故
29、障分析典型故障的振动特征是旋转机械故障模式识别的必要典型故障的振动特征是旋转机械故障模式识别的必要条件。条件。1 1）转子不平衡（失衡）及原因）转子不平衡（失衡）及原因A材料和结构问题；材料和结构问题；A安装问题；安装问题；A配合松动；配合松动；A轴弯曲或轴变形（受热不匀，水平存放过久等轴弯曲或轴变形（受热不匀，水平存放过久等)；A运行过程中旋转零件磨损、腐蚀、剥落或介质沉积不运行过程中旋转零件磨损、腐蚀、剥落或介质沉积不匀匀；A旋转零件的断裂。旋转零件的断裂。精密精密诊诊断方法与典型故障断方法与典型故障47精密精密诊诊断方法与典型故障断方法与典型故障转子不平衡的振动分析转子不平衡的振动分析设
30、转子旋转的角速度为设转子旋转的角速度为，则有，则有：因不平衡产生的离心力为：因不平衡产生的离心力为：48精密精密诊诊断方法与典型故障断方法与典型故障离心力在离心力在x，y轴上的分量分别为：轴上的分量分别为：所以，在所以，在x，y方向的激振力基本相同，相角相差方向的激振力基本相同，相角相差90。因此，任选一方向研究即可。因此，任选一方向研究即可。振动微分方程式表示为：振动微分方程式表示为：归一化后得：归一化后得：49精密精密诊诊断方法与典型故障断方法与典型故障其中：其中：为阻尼系数；为阻尼系数；称为转子系统自振频率（固有频率）。称为转子系统自振频率（固有频率）。方程的通解为：方程的通解为：暂态解
31、暂态解稳态解稳态解50精密精密诊诊断方法与典型故障断方法与典型故障系统响应为：系统响应为：幅频响应函数：幅频响应函数：相频响应函数：相频响应函数：51精密精密诊诊断方法与典型故障断方法与典型故障说说明：明：1）幅频和相频函数均受阻尼因数）幅频和相频函数均受阻尼因数的影响。阻尼值越大共振峰的影响。阻尼值越大共振峰值越低，当值越低，当=0.7时，共振峰消失。时，共振峰消失。2）当临界转速时，相角）当临界转速时，相角与阻尼无关且与阻尼无关且=/2。当转子超越临。当转子超越临界转速运行时与低临界转速时相比，其相角趋于相反。界转速运行时与低临界转速时相比，其相角趋于相反。52转子不平衡的振动分析转子不平
32、衡的振动分析A频率特征频率特征振动的激振频率为单一的旋转频率（即振动的激振频率为单一的旋转频率（即工作频率），而无其它倍频成分；工作频率），而无其它倍频成分；A相位特征相位特征在工作频率下相位稳定；在工作频率下相位稳定；A转速跟踪动态特征转速跟踪动态特征在单自由度模型情况下，转子启在单自由度模型情况下，转子启动时，振幅随转速之增大而增大。临界转速出现峰值，动时，振幅随转速之增大而增大。临界转速出现峰值，超过临界转速，振幅趋于定值，即偏心值；超过临界转速，振幅趋于定值，即偏心值；精密精密诊诊断方法与典型故障断方法与典型故障53精密振动的注意事项精密振动的注意事项A注意刚性转子和柔性转子的区别注意
33、刚性转子和柔性转子的区别；A注意转子不平衡与基础共振的区别注意转子不平衡与基础共振的区别；A采用涡流式位移传感器时，区别轴弯曲及轴颈椭圆采用涡流式位移传感器时，区别轴弯曲及轴颈椭圆度对振幅的影响度对振幅的影响；2 2）转子不对中）转子不对中 转子不对中指转子中心与轴承中心不对中，转子不对中指转子中心与轴承中心不对中，或多转子系统中各转子的轴线不对中。或多转子系统中各转子的轴线不对中。精密精密诊诊断方法与典型故障断方法与典型故障54转子不对中的类型及不对中的危害转子不对中的类型及不对中的危害A导致滚动轴承滚动体载荷的不均而产生振动噪声、过度磨损或导致滚动轴承滚动体载荷的不均而产生振动噪声、过度磨
34、损或轴承卡死轴承卡死；A滑动轴承油膜动压失稳而导致半速涡动和油膜振荡滑动轴承油膜动压失稳而导致半速涡动和油膜振荡；A严重的不对中直接导致油膜破裂而烧损轴瓦严重的不对中直接导致油膜破裂而烧损轴瓦；A机床不对中引起径向及轴向的振动降低加工精度。机床不对中引起径向及轴向的振动降低加工精度。精密精密诊诊断方法与典型故障断方法与典型故障55产生不对中原因的分析产生不对中原因的分析产生转子不对中的原因主要有以下几方面产生转子不对中的原因主要有以下几方面A转子及支座安装不良转子及支座安装不良；A轴承支座由不均匀膨胀引起变形轴承支座由不均匀膨胀引起变形；A地基下沉地基下沉；由不对中引起的转子振动特征由不对中引
35、起的转子振动特征A振动形态的特征振动形态的特征平行不对中平行不对中径向振动，角度不对中径向振动，角度不对中径向径向和轴向振动和轴向振动；综合不对中（实际）。；综合不对中（实际）。A振动频率的特征振动频率的特征刚性联轴器及齿轮联轴器，径向激振频率以刚性联轴器及齿轮联轴器，径向激振频率以基频及二倍和四倍频率为主，尚伴有高次倍频。基频及二倍和四倍频率为主，尚伴有高次倍频。A转速跟踪幅值动态变化特征转速跟踪幅值动态变化特征不对中振动幅值对转速的变化不不对中振动幅值对转速的变化不敏感，因此影响不太明显。敏感，因此影响不太明显。精密精密诊诊断方法与典型故障断方法与典型故障56不对中的诊断方法不对中的诊断方
36、法A简易诊断可以以轴向振动为标志进行判断简易诊断可以以轴向振动为标志进行判断；A精密诊断时主要以分析精密诊断时主要以分析FFT谱或功率谱中二倍频或四倍频成谱或功率谱中二倍频或四倍频成分来判定不对中分来判定不对中；A为区别与其他故障与不对中二倍频故障特征，可采用全息谱为区别与其他故障与不对中二倍频故障特征，可采用全息谱方法。方法。精密精密诊诊断方法与典型故障断方法与典型故障573 3）基座或装配松动）基座或装配松动 基座或装配松动常和转子不平衡相伴生，表现基座或装配松动常和转子不平衡相伴生，表现为非线性的振动特征。其振动形式以径向垂直振动为非线性的振动特征。其振动形式以径向垂直振动为主。从谱分析
37、中可以发现其激振频率除基频为主。从谱分析中可以发现其激振频率除基频 f fr r 外，还存在高次谐波成分外，还存在高次谐波成分 3 3f fr r、5 5f fr r、7 7f fr r 及及分数谐波成分（分数谐波成分（0.30.50.30.5）f fr r 等。当增速时振幅等。当增速时振幅变化有跳跃现象，即突然增大或减小变化有跳跃现象，即突然增大或减小 。如下图所示：。如下图所示：精密精密诊诊断方法与典型故障断方法与典型故障584 4）油膜涡动及油膜振荡）油膜涡动及油膜振荡油膜失稳故障机理：油膜失稳故障机理：载荷与油膜动压平衡与失衡的动态作用。载荷与油膜动压平衡与失衡的动态作用。精密精密诊诊
38、断方法与典型故障断方法与典型故障59油膜涡动特点：油膜涡动特点：涡动理论速度为：涡动理论速度为：=/2/2，实际涡动速度为：，实际涡动速度为：=(0.42-0.48=(0.42-0.48），-半速涡动半速涡动当转子转速达到当转子转速达到2 2倍临界转速时（倍临界转速时（=2=2c c），），将发生涡动共振将发生涡动共振涡动频率与旋转频率无关涡动频率与旋转频率无关。涡流轨迹呈螺旋线发散；由于偏心距增加，涡流轨迹呈螺旋线发散；由于偏心距增加，使油膜刚度进入非线性区导致涡流轨迹形成极使油膜刚度进入非线性区导致涡流轨迹形成极限环限环。稳定涡动时轴心轨迹为封闭的稳定涡动时轴心轨迹为封闭的8 8字形；当油
39、字形；当油膜振荡时其涡动频率与转速无关而等于转子的膜振荡时其涡动频率与转速无关而等于转子的一阶自振频率一阶自振频率。精密精密诊诊断方法与典型故障断方法与典型故障605 5）旋转失速和喘振）旋转失速和喘振故障发生的机理：故障发生的机理：流体机械，由于工艺参数调整不当引起；是由流体机械，由于工艺参数调整不当引起；是由于涡流堵塞叶片通道而产生的气流脉冲振动。于涡流堵塞叶片通道而产生的气流脉冲振动。特点：特点：涡流堵塞气团是逐渐发展和传播的，其方涡流堵塞气团是逐渐发展和传播的，其方向与叶轮旋转方向相反。向与叶轮旋转方向相反。类型：类型：渐变型和突发型。当突发型旋转失速进一渐变型和突发型。当突发型旋转失
40、速进一步发展时，整个出口管道为涡流所堵塞，造成出口压步发展时，整个出口管道为涡流所堵塞，造成出口压力突然下降，同时管道内气流向压缩机倒流。由此所力突然下降，同时管道内气流向压缩机倒流。由此所引起的管网的巨大脉动冲击和强烈振动所发出的低频引起的管网的巨大脉动冲击和强烈振动所发出的低频噪声，称为喘振。噪声，称为喘振。精密精密诊诊断方法与典型故障断方法与典型故障61特征：特征：旋转失速的频率约为旋转失速的频率约为0.50.8fr；而喘振频；而喘振频率一般与旋转频率无关，而与网管的容积有关，一般率一般与旋转频率无关，而与网管的容积有关，一般均低于均低于1Hz。精密精密诊诊断方法与典型故障断方法与典型故
41、障62小小结结本讲小结本讲小结A掌握旋转机械的精密诊断原理；掌握旋转机械的精密诊断原理；A掌握旋转机械的典型故障及其分析方法；掌握旋转机械的典型故障及其分析方法；634.5 4.5 现场平衡技术现场平衡技术据统计，旋转机械的振动问题有30以上都是由于转子不平衡所引起。对于线性系统而言，失衡引起的振动，其频率等于转子的旋转频率。而当系统具有非线性时，失衡将引起以转子旋转频率为基频，以及带有一系列高阶谐波成分的振动644.5 4.5 现场平衡技术现场平衡技术实际不平衡转子校正质量：人为地在转子的某一平面上加上或减去一些质量，这些质量我们称为校正质量。654.5 4.5 现场平衡技术现场平衡技术刚性
42、转子的单面动平衡刚性转子的单面动平衡刚性转子的现场动平衡方法主要分为单面动平衡和双面动平衡。单面动平衡是针对转子静不平衡的一种平衡方法，适用于盘状旋转体或者转子的横向宽度b与转子直径D之比(b/D)0.2的场合。664.5 4.5 现场平衡技术现场平衡技术刚性转子的单面动平衡刚性转子的单面动平衡平衡的一般方法步骤如下：测量原始不平衡振动的振幅和相位1。不平衡振动相位的测量需要一个基准相位，要在转子上做一个基准相位标记，可以用传感器测量，生成一个每转一圈一个脉冲的键相信号。在圆盘的某一位置加一确定的试验质量Mt(其质量和相位已知)。设由Mt引起的振动由表示，由原始不平衡和试验质量引起的振动合成由
43、表示。在同样的转速下测量振幅和相位2；方法同步骤。检验剩余不平衡量。重新按步骤的方法检验剩余不平衡量是否达到要求。674.5 4.5 现场平衡技术现场平衡技术我们需要得出Vu/Vw的比值以及角度b684.5 4.5 现场平衡技术现场平衡技术刚性转子的单面动平衡举例刚性转子的单面动平衡举例离心式鼓风机的简单结构示意图：风机叶轮直径约600mm，质量约90kg。用18.5kw的异步电动机驱动，工作转速为1470r/min.694.5 4.5 现场平衡技术现场平衡技术刚性转子的单面动平衡举例刚性转子的单面动平衡举例风机叶轮的宽度相对于叶轮的直径很小，可以认为是圆盘状转子，所以我们采用单平面平衡机叶轮
44、内侧背板作为校正平面1，因为这个平面靠近重心平面。采用焊接方法把平衡配重加到这个平面上。用具有磁力座的振动传感器直接吸附在电机上靠近风机的一侧作为不平衡振动测量平面A。测量方向选择水平方向，因为垂直方向的支撑刚度比水平方向高，所以垂直振动较小。704.5 4.5 现场平衡技术现场平衡技术刚性转子的单面动平衡举例刚性转子的单面动平衡举例安装测试仪器反光胶片粘在电机风扇轮断面上测量风机原始不平衡振动平衡转速:1470r/min；测点A的振动：40.5um(P-P)354在风机1平面上加试验配重(简称试重)检修孔R=300mm，试验质量为Mt:65.7g15试验运转平衡转速：1470r/min测点A
45、的振动：156um(P-P)305714.5 4.5 现场平衡技术现场平衡技术刚性转子的单面动平衡举例刚性转子的单面动平衡举例计算校正质量（作图法）将测量的原始不平衡振动的数据40.5um(p-p)354按一定比例画在图中，从坐标原点O沿原始不平衡相位角354画一条直线。其长度比例取OA/40.5=500,则40.5um原始不平衡矢量的长度为20.25mm，如图7.2.6中OA所示。将测量的试验运转不平衡振动的数据156um(p-p)305用同样的方法同一比例画在图中。即在305方向上画OB直线，其长度为OB=156500=78mm，如图7.2.6中OB所示。然后连接A点和B点，有矢量，它表示
46、了加上试验质量65.7g15后原始不平衡矢量的变化。计算平衡配重，测量AB两点的距离，AB=66mm，其平衡配重的量为：M=Mt(OA/OB)=65.7(20.55/66)=20.3g式中Mt为试验配重质量。本例是逆着转子旋转方法分度的，试验运转相位(305)超前于原始振动相位(354)的情况下。用角度尺(半圆仪)测量角为119，试验加重角度15，则校正角度为=15-119=-104(即360-104=256)724.5 4.5 现场平衡技术现场平衡技术刚性转子的单面动平衡举例刚性转子的单面动平衡举例检验运转平衡转速：1470r/min计算在校正平面1 的剩余不平衡配重：2.7g272剩余不平
47、衡量的评价查GB/T9239-1988，n=1470r/min，转子质量m=90kg，校正半径R=300mm：G6.3等级最大剩余不平衡量是：U=1000GmR/(n)=10006.390300/(1470)=3683(gmm)最大允许偏心(不平衡)度是：允许剩余不平衡质量实际的剩余不平衡质量2.7g允许剩余不平衡质量12.3(g)达到标准的要求。734.5 4.5 现场平衡技术现场平衡技术其它动平衡方法(3)解析法、对称配重法、三圆法、复数法74试简述幅值谱分析法的物理意义及其提供有哪些诊断信息？下图为一风机振动幅值谱，风机旋转频率=12.7Hz，请用所学过的知识来分析一下该风机可能出现的故障类型，并说出你判断的理由思考题思考题75实验转子的振动加速度信号幅值谱，转子旋转频率fr=13Hz思考题思考题