设备故障的振动识别方法与实例Word格式.docx
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2.3故障分析与诊断……………………………………………(16)
2.3.1注意发展和变化……………………………………………(16)
2.3.2分析振动的频率成分………………………………………(16)
2.3.3分析振动的方向性和幅值稳定性…………………………(17)
2.3.4分析各频率成分的相位…………………………………(18)
2.3.5边频分析…………………………………………………(18)
2.3.6分析波形变化……………………………………………(19)
2.3.7分析轴心轨迹……………………………………………(20)
2.3.8全息谱分析………………………………………………(23)
2.3.9观察随转速的变化………………………………………(24)
3常见故障的识别及实例……………………………………(27)
3.l不平衡………………………………………………………(28)
实例l离心压缩机不平衡……………………………………(30)
实例2压缩机不平衡…………………………………………(31)
3.2不对中……………………………………………………(32)
实例l压缩机组对中不良……………………………………(33)
实例2电机——发电机组对中故障…………………………(35)
3.3机械松动…………………………………………………(36)
实例l电机不平衡及支承松动………………………………(38)
实例2发电机组汽轮机支承松动……………………………(39)
3.4转子或轴裂纹………………………………………………(40)
实验裂纹转子的振动特性及诊断………………………………(41)
实例合成气压缩机轴裂纹……………………………………(42)
3.5滚动轴承……………………………………………………(43)
实例l压缩机轴承损伤………………………………………(45)
实例2煤气排送机故障………………………………………(47)
实例3挖土机滚动轴承损坏…………………………………(48)
3.6滑动轴承…………………………………………………(50)
实例l离心压缩机油膜振荡…………………………………(52)
实例2二氧化碳压缩机停车事故……………………………(54)
3.7齿轮箱………………………………………………………(56)
实例lJCF.500齿轮箱的边频分析……………………………(58)
实例2大型水泥磨齿轮箱故障………………………………(60)
实例3立式车床变速箱故障…………………………………(61)
3.8传动皮带…………………………………………………(62)
3.9叶轮、叶片和旋翼…………………………………………(63)
实例叶片断裂故障…………………………………………(64)
3.10电机……………………………………………………(65)
实例冷凝液泵驱动电机故障………………………………(68)
3.11共振……………………………………………………(70)
实例变速风机的共振故障…………………………………(70)
1振动信号的波形和频谱
不同的振动信号具有不同的波形和频谱。
诊断设备故障时,为了根据已知的频谱和波形确定未知的振动类型和特点,需要掌握常见的几种波形、频谱与振动之间的对应关系。
1.1孤立的谱峰——单一频率信号
频谱中只有一个孤立的峰(图1-1),表明这是正弦振动。
它具有单一的频率分量,即峰值所在处的频率分量,是最简单的周期性振动。
频谱中除了一个主峰外,若还有其他孤立的峰,表明这已不是正弦振动,而是由几个频率分量合成的振动,每个峰代表一个频率分量。
若其他峰比主峰幅度小很多,则可近似的看作是正弦振动。
这种以单一频率为主的振动是处于不平衡状态下一台简单机器的振动,它的频谱在轴转速处(l×
RPM①)出现一个主峰。
有时振动信号中包含直流分量,可以通过交流耦合输入方式(AC方式)将直流成分滤掉。
直流成分在频谱分析中并不重要,一般不予考虑。
1.2谐波——一般周期信号
机器产生的振动基本上都是周期性振动,即波形为无限重复的形式。
一般周期性振动信号的频谱由一系列彼此有关的峰
(a)(b)
图1-1正弦振动的波形和频谱
a—波形;
b—频谱
组成,每个峰代表一个频率分量。
代表信号中最长的波形重复率的称为基频或基波,其他各峰位于基频的整数倍处,依次称为二次谐波、三次谐波等等。
上节讨论过的单一频率的振动是最简单的周期性振动,其二次以上的谐波为零。
周期信号的一个例子是方波(图1-2)。
方波的基频是波形中基本方形的重复频率,理想方波的频谱只包含奇次谐波(一、三、五等次谐波)。
如果方波不完全理想,也可能包含一些较小的偶次谐波。
奇次谐波的幅值与谐波次数成反比,即三次谐波幅值是一次谐波幅值的1/3,五次谐波幅值是一次谐波幅值的1/5等等。
①RPM代表转速
1.3边频——调制的单频信号
1.3.1调幅
一个单一频率的振动,其幅值随时间周期性地变化,称为调幅。
其单一频率的振动信号为载波信号。
而幅值随时间变化的信号为调制信号。
所以,调幅就是由调制信号对载波信号进行幅值调制。
(a)
(b)
图1-2方波的波形和频谱
最简单的情况是,调制信号是直流信号加上一个单一频率的信号,其频率与载波信号频率不同。
这种调幅信号的频谱在载波峰两侧各有一个幅值相同的峰,此即边频(图1-3)。
设载波频率为fc,调制频率为fs,则边频的频率为fc±
fs。
其中,fc+fs为上边频,fc-fs为下边频,它们与载波峰的频率间隔都是fs。
如果调制信号是一般的周期信号,它包含多个谐波分量,则每个谐波分量对载波信号调制的结果都在载波峰两侧产生一对边频,最终组成边频族。
最靠近载波峰的一对边频由调制信号的基频产生,再往外一对由调制信号的二次谐波产生,如此等等。
相邻边频的间距等于调制信号频率,各边频幅值比例
图1-3调幅信号的波形和频谱
与调制信号各次谐波幅值比例相同。
在调制信号中不含直流分量的特殊情况下,载波峰幅值可能为零,也就是说,只剩上边频和下边频。
1.3.2调频
一个单一频率信号的幅值保持不变,但是频率随时间周期性的变化,称为调频(频率调制)。
最简单的情况是调制信号单一频率的正弦信号(图1-4),但即使这种最简单的情况,频谱也十分复杂。
载波峰两边等间隔地分布着边频族,相邻边频的间距等于调制频率。
图1-4调频信号波形和频谱
a—调频信号的波形;
b—调频信号的频谱
只有频率调制而不存在幅值调制时,载波峰两侧左右对称。
但实际上两种调制往往同时存在,使载波峰两侧一般不对称、不规则,而且载波峰和某些边频的幅值有可能很小,甚至为零,这使得在某些情况下难于确认究竟哪个是载波峰。
若调制信号不是单一频率,而是一般周期信号,则频谱更加复杂。
但是,相邻边频的间距仍然等于调制信号的基本频率。
例如,齿轮齿距的改变、载荷波动、局部缺陷以及连成片的缺陷都会对啮合频率产生调制作用(图1-5)。
其中,齿轮局部缺陷激发的是窄脉冲,其频谱在较宽的频率范围内具有相等而较小的幅值。
连成片的缺陷激发的脉冲较宽,其频谱的频率
图1-5齿轮有缺陷时的波形和频谱
a—局部缺陷;
b—连续缺陷;
fm—啮合频率
范围窄,幅值衰减较快。
由上述两种缺陷的调制作用而形成的边带也不同:
局部缺陷情况下,边带范围宽,幅值小,变化平缓;
连成片的缺陷情况下,边带范围窄,集中于载波峰附近,幅值较大,衰减较快。
1.4.1脉冲信号
机器运转中常有冲击现象,冲击产生脉冲信号。
一个单独的脉冲通常持续很短的时间,波形很尖的常称为窄脉冲。
窄脉冲有频带很宽的连续频谱,没有明显的峰值(图1-6)。
图1-6窄脉冲的波形和频谱
a—窄脉冲的波形;
b—窄脉冲的频谱
每个实际脉冲的频谱,其幅度随频率的增加而减小,脉冲越窄,减小得越慢(图1-7)。
所以,从频谱幅值减小的快慢可估计出脉冲的宽窄。
第一个凹陷处的频率等于脉冲宽度的倒数,在此频率的整数倍处还有第二、第三凹陷。
1.4.2周期脉冲信号
若脉冲信号以一定的周期重复,波形和幅值不变,则这是周期信号(图1-8)。
它的频谱中有一系列等间距的峰,基频与相邻谐波的间距等于脉冲重复频率。
谐波峰幅度随频率的增加而减小,整个频谱的形状类似于单个脉冲的频谱形状。
1.4.3瞬态信号
瞬态信号与脉冲信号类似之处在于,它们都是突然间开始
图1-7不同脉冲频谱比较
a—一般脉冲;
b—窄脉冲;
c—很窄的脉冲
的,不同之处是,瞬态信号并不突然停止,而是在一段时间内逐步衰减(图1-9),一台机器或一个构件突然受到一次冲击后的振动即是这种瞬态信号,它是对一个脉冲信号的响应。
象脉冲信号一样,瞬态信号的频谱也是宽带连续的。
频谱的特点是有一个明显的峰,称为共振峰,其频率为结构的共振频率。
共振频率决定于结构的物理特性,尤其是结构的刚度和质量。
刚度越大,质量越小,其共振频率越高。
共振峰的宽度
图1-8周期脉冲的波形和频谱
a—周期脉冲的波形;
b—周期脉冲的频谱
决定于结构阻尼大小(即振动能量消耗的快慢)。
对周期脉冲信号的响应是另一种周期信号,其频谱是一系列重复频率的谐波。
各次谐波的幅值等于单个瞬态响应信号对应频谱的幅值。
1.4.4随机信号
宽带频谱中还有随机信号。
随机信号是一种非确定性的信号,这种不确定性是指对每单个信号的不可预测性和不重复性。
例如,由于各种激励和影响因素的复杂和多变,摩擦产生的振动便是一种随机振动。
但是,大量的随机信号存在着统计规律性,即存在着稳定的平均性质。
图1-9瞬态信号的波形和频谱
a—瞬态信号的波形;
b—瞬态信号的频谱
随机信号的频谱是宽带连续的(图1-10),它不象周期信号那样有孤立峰,而是能量分布在很宽的频率范围内。
在频谱中可能有峰,但通常与系统共振有关,而不一定代表系统中存在周期性故障激励信号,峰的宽度决定于结构共振频率和阻尼。
实际工作中测量的信号常常是上述各种信号组成的组合信号,其频谱也不象上述每一种信号的频谱那么单纯,而是由叠加而成的复杂频谱(图1-11)。
但是,在许多情况下,为主的是一种或两种信号,频谱中可以明显地找出它们的特征。
有时还可通过滤波等方法消除掉次要成分,然后利用上述关于波形和频谱的知识,将主要信号(故障信号)鉴别出来。
现将常见波形和频谱总结列表如下:
频谱形式
振动波形
孤立峰
简谐振动
谐波族
周期振动
围绕孤峰的边频族
调制的单一频率振动
围绕谐频的边频族
调制的周期性振动
宽带频谱
脉冲瞬态或随机振动
混合频谱
组合振动
图1-10随机信号的波形和频谱
a—随机信号的波形;
b—随机信号的频谱
图1-11组合信号的波形和频谱
a—组合信号的波形;
b—组合信号的频谱
2识别故障的一般方法和步骤
2.1搜集和掌握有关的知识和资料
(1)机器结构性能资料:
包括机器的工作原理,机器在整个生产过程中的地位和作用,重要的动态参数,如驱动功率、流量、压力、转速变化范围、电流、电压、温度等,机器结构组成和参数,如轴承型式、密封结构、联轴节结构、齿轮齿数、叶片数、共振频率、临界转速等等。
(2)操作运行情况:
包括负荷及其变化情况、润滑情况、起动和停机情况、工艺参数变化情况等。
(3)机器周围环境的影响:
包括温度、湿度、与其他机器的关联、地基沉降、电压波动等因素对机器性能的影响。
(4)故障与维修情况:
包括上次大修时间、大修时作过哪些调整、运转以来发生故障及对故障处理情况的记录和档案、机器的薄弱环节及预计容易发生故障的类型和部位、同型号、同工作条件下其他机器的故障情况等。
2.2振动数据采集
2.2.1仪器配置
设备振动诊断系统可以是微机系统,也可以是专用仪器。
由于微机系统具有很多优点,越来越被广泛采用。
图2-1是以便携式微机为主机的离线设备监测和诊断系统。
图2-2是在线监测和诊断的计算机系统。
设备
加器放
速内大
度装器
传集
感成
数
据
采
集
器
便
携
式
微
机
监测和诊断软件
数据管理软件
图2-1离线振动监测和诊断系统
电位
涡移
流传
式感
器
预
处
理
台
监测和
诊断软件
数据
管理软件
图2-2在线振动监测和诊断系统
2.2.2参数设置
采集振动数据时,首先要设置仪器的数据采集参数,这些参数主要有:
最高分析频率、采样频率、采样点数(数据长度)、触发方式、放大倍数、AC/DC选择、传感器灵敏度等。
简单说明如下:
(1)最高分析频率Fm指需要分析的最高频率,也是经过抗混滤波后的信号最高频率。
根据采样定理,Fm与采样频率Fs之间的关系一般可取为:
Fs=2.56Fm
最高分析频率Fm的选取决定于设备转速和故障性质。
例如,诊断常见故障不平衡、不对中、机械松动及电机转子故障时,特征信息包含在频谱的10×
RPM范围内;
滚动轴承的故障信息在内外滚道、保持架及滚子等的故障特征频率及其低次谐频处,这些故障特征频率与机器转速及轴承构造参数有关;
滚动轴承疲劳故障信息在与转速有关的某些高频区域;
滑动轴承油膜涡动引起的振动频率主要在(0.42~0.48)×
RPM区域;
齿轮箱故障信息在齿轮啮合频率以及齿轮的固有频率附近;
而叶轮叶片故障信息则在叶片通过频率、转频及它们的谐频处等等。
最高分析频率应适当高于上述各故障信息所在的频率范围。
〈2〉采样点数N与谱线数M有以下关系:
N=2.56×
M
谱线数M与频率分辨率⊿F及最高分析频率Fm有以下关系:
⊿F=Fm/M
或M=Fm/⊿F
所以有N=2.56Fm/⊿F
由此可知,采样点数的多少与要求多大的频率分辨率有关。
当最高分析频率已经确定,要考虑诊断中读谱的频率分辨率是多少,然后由上式计算采样点数,并将采样点数设置为最接近计算值的2的n次幂。
例如,机器转速R=3000r/min=50Hz,欲分析8倍频以下振动信号,要求频率分辨率⊿F=1Hz,则采样频率和采样点数设置如下:
最高分析频率Fm=8×
R=8×
50Hz=400Hz;
采样频率Fs=2.56×
Fm=2.56×
400Hz=1024Hz;
采样点数N=2.56×
Fm/⊿F=2.56×
400Hz/1Hz;
=1024=210;
谱线数M=N/2.56=1024/2.56=400(条)。
若对于频谱的频率分辨率没有太高的要求,一般来说,采样点数设为1024(400条谱线)便足够了。
有时需要作时间频率三维谱图,采样点数可设置为8192(213)甚至更多。
(3)触发方式一般设置为内触发。
在作现场动平衡需要测量相位时,或作阶比分析时,要求以转速脉冲信号适当分频后作为数据采集的外触发信号。
此时,应设置为外触发,同时在外触发端口引入触发信号。
(4)放大倍数一般能够自动改换,即根据信号幅度自动选择放大倍数,以使放大后的信号幅度满足模/数转换的要求。
如果仪器不能自动转换放大倍数,则需预先测试或估计出信号的最大可能幅度,然后人工设定放大倍数,使放大后的最大信号幅度不超过允许幅值。
(5)AC/DC选择一项,在作动态测量时应设置为AC。
(6)传感器灵敏度(或工程单位)设置一项,在输入传感器灵敏度数值后,时域和频域幅值谱纵坐标单位为与灵敏度相应的力学单位,若不输入灵敏度数值,则时域和频域纵坐标为伏。
例如,加速度传感器灵敏度以[V/(m/s2)]为单位时,时域和频域幅值谱纵坐标单位为m/s2;
加速度传感器灵敏度以[V/g]为单位时,时域和频域纵坐标单位为重力加速度g。
2.2.3辅助测试
有些情况下,为了确定或排除某些可能的故障,需要进行一些辅助测试。
这些辅助测试包括:
变转速振动测试;
变负荷振动测试;
变润滑系统参数(油温、油压)振动测试;
起动或停车过程振动测试;
共振频率测试;
机壳、基座或管道某些部件的测试。
2.3故障分析与诊断
根据振动信号识别设备故障是件难度很大的工作。
这主要因为:
同一故障可以表现出多种症候,同一症候可由不同故障引起,不同类型的机器其故障与症候的对应关系可能不完全一样,这种关系又与运行条件、环境条件、故障历史及维修情况有密切联系。
在故障诊断中,熟悉和掌握机器的结构、特性、使用和维修情况以及实际诊断经验都是很重要的。
2.3.1注意发展和变化
在分析和诊断故障时,应注意从发展变化中得出准确的结论。
单独一次测量往往难于对故障判断有较大把握,反复多次的追踪测量分析能使诊断更接近于真实情况。
为此,应注意积累和研究机器正常运行状态下的振动数据,包括基频的幅值和相位、次谐波和高次谐波的幅值和相位、其他重要频率分量的幅值、时域波形以及轴心轨迹的形状、大小和旋转方向等。
对当前机器的振动信号进行各种观察和分析时,应与正常运行状态下的振动进行比较,注意哪些参数发生了变化及变化程度如何。
例如,基频分量变化不大而2倍频幅值明显增大可能说明不对中加剧,喘振使轴向振动变化明显,而不平衡增大使水平和垂直方向振动同步增长。
趋势分析也是有效的方法,不但分析振动有效值或峰-峰值变化趋势,而且分析基频、1/2倍频、2倍频等各频率分量的变化趋势,从而得出振动是稳定不变、逐渐上升、时升时降还是迅速增大等信息。
例如,不平衡加大使振动缓慢而稳定上升,叶片断落则使振动幅值突然上升。
2.3.2分析振动的频率成分
每一种引发异常振动的故障源都产生一定频率成分的振动,可能是单一频率,也可能是一组频率或某个频带。
根据振动信号的频率组成,可以很快排除一批不可能出现的故障,将注意力集中在几个可能的故障原因上。
一般说来:
不平衡主要引起基频振动;
不对中不但影响基频振动,还可引起2倍频及其他高倍频振动;
滑动轴承油膜涡动的振动频率为(0.42~0.48)×
RPM,油膜振荡的振动频率为转子一阶临界转速频率;
转子与固定部件之间的摩擦激发较宽频带的振动,可能包括基频、倍频、次谐波、转子零部件固有频率;
转子组件松动的振动频率以基频为主,可能伴有倍频或1/2×
RPM、1/3×
RPM等分数倍频。
为了更好地知道各频率成分的主次,有时可列出频率结构表(表2-1),表中有以mV为单位读出的通频幅值和各频率成分的幅值,根据各频率成分与通频的幅值比,可以清楚地看出各频率成分的强弱顺序和它们在总振动中所占的份量。
表2-1某电机振动信号的频率结构
通频幅值
频率结构
444.2mV
频率Hz
50
150
250
350
倍频
F0
3f0
5f0
7f0
幅值mV
170.4
374.9
140
40
倍频与通频幅值比
0.3836
0.8440
0.315
0.090
强弱顺序
2
1
3
4
在研究频谱的频率成分时,为了突出主要频率成分,减弱干扰和噪声,可以利用自功率谱(简称自谱)。
由于自功率谱的纵坐标与幅值的平方成正比,使幅值谱中的高峰更突出而小的峰变得更不明显,所以能使频率结构更清晰,如图2-3所示。
图2-3振动信号的幅值谱和自功率谱
a—振动信号;
b—幅值谱;
c—自功率谱
2.3.3分析振动的方向性和幅值稳定性
不平衡量增大,则径向水平、垂直两个方向的振幅同时增长;
不对中径向振幅增大,但同时还可引起轴向振动;
基座松动时垂直方向振动明显大于水平方向振动;
转子组件松动引起的振动,其幅值不稳定;
油膜涡动和油膜振荡则以径向振动为主,振幅不稳定;
转子裂纹引起的2倍频振动,水平方向和垂直方向的振幅大小相近。
2.3.4分析各频率成分的相位
不平衡引起的基频振动分量与转轴相位标志之间的角度(即基频分量的相位)保持不变,水平方向与垂直方向振动相位相差约90°
。
平行不对中引起的径向振动在轴两端反向,即相位相差180°
;
角不对中引起的径向振动在轴两端同向,即相位差为零。
2.3.5边频分析
在齿轮箱(以及电机)故障诊断中,常见到具有复杂周期结构的振动频谱[图2-4(a)]。
频谱中有轴转动频率fr及其谐波,有齿轮啮合频率fm及其谐波,还有fr与fm之间调制产生的边频族。
实际上,一对齿轮的啮合频率fm及其谐波频率是载波频率,而齿轮偏心、齿间游隙、齿的个别损伤及轴本身故障产生的每周一次振动(频率为fr)成为调制信号,调制结果使fm两边产生出频率间隔彼此相
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