旋转机械转子不对中故障诊断技术研究.docx
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旋转机械转子不对中故障诊断技术研究
石家庄铁道大学毕业论文
旋转机械转子不对中故障诊断技术研究
StudyonFaultDiagnosisforRotorMisalignment
ofRotatingMachinery
2015届机械工程学院
专业机械设计制造及其自动化
学号20110842
学生姓名邵阳鑫
指导教师申永军
完成日期2015年5月29日
摘要
不对中故障是旋转机械最常见的故障之一,在过去20年中,国内外许多学者和工程师们对它的机理、振动特征及诊断方法进行了广泛的研究,然而,传统的不对中故障振动特征过于笼统,对实践排除不对中故障指导意义不太精确的弊端。
本课题将针对角度不对中的故障做进一步更加详细的振动特征分析。
在不同角度偏移的角度不对中下,研究速度和负载力等因素对振幅的影响。
本课题主要研究对象是柔性转子角度不对中,利用旋转机械振动及故障模拟实验平台,采集转子振动信号,再通过Matlab软件分析轴向、径向和水平方向上的振动波形图与频谱图的特征,最终根据分析结果确定转子不对中故障的振动特征。
关键词:
角度不对中;Matlab;振动特征;频谱图
Abstract
Theproblemofmisalignmentisoneofthemostcommonfailuresofrotatingmachinery.Inlast20years,manyscholarsandengineersbothhereandabroadhavecarriedoutextensiveresearchonthemechanism,vibrationcharacteristicsanddiagnosticmethodoffaults.However,thetraditionalfaultvibrationcharacteristicsofthefaultaretoogeneral,thefaultguidanceisnottooclearinthepracticalrule.Thispaperwillmakefurthereffortstoanalyzethevibrationfeatureoftheanglemisalignment.Underdifferentanglesofoffset,theinfluenceofthespeedandtheloadisstudied.
Themainresearchobjectofthispaperisrotoranglemisalignmentexperiment.Theexperimentaldataoftherotormisalignmentisacquiredbyusingtherotatingmachineryvibrationandfaultsimulationexperimentplatform.ThenthroughtheMatlabsoftware,thevibrationwaveformsandspectrumoftheaxial,radialandhorizontaldirectionsareanalyzed,andthevibrationcharacteristicsofthefaultsaredeterminedaccordingtotheresultsoftheanalysis.
Keywords:
anglemisalignment;Matlab;vibrationcharacteristics;spectrum
目录
第1章绪论1
1.1课题研究的目的意义1
1.2国内外研究现状1
1.3不对中机理分析2
第2章故障诊断试验平台系统说明4
2.1试验平台介绍4
2.2实验操作8
2.2.1准备工作8
2.2.2制造不对中状态8
2.2.3采集振动信号8
第3章振动信号处理10
3.1Matlab频谱分析的程序代码10
3.2包络图和FFT频谱图的比较11
3.3数据整理13
3.3转子对中正常与对中不正常的比较15
3.3.1高转速15
3.3.2中转速18
3.3.3低转速21
3.4速度对转子系统振动影响分析24
第4章结论与展望31
参考文献32
致谢34
第1章绪论
1.1课题研究的目的意义
不对中故障[1]是旋转机械最为常见的故障之一,超过70%的旋转机械振动问题都是有与不对中引起的[2]。
当转子系统联轴器不对中超过正常规定范围,其运动过程就会产生一系列不利于设备运行的动态效应,对系统的稳定运行危害极大。
因此,不对中一直备国内外受学者和工程师的关注。
大多数旋转机械都是由驱动件和被驱动件组成,它们之间通过各种联轴器联接来传递扭矩。
由于联轴器加工误差、安装误差、转子受力不均或温差引得的转子变形、以及机座高低偏差等因素会使联轴器不可能完全对中[3],使得系统中可能存在3种不对中—平行不对中、角度不对中和混合不对中[4-5]。
联轴器不对中超过一个量就会导致产生一系列对设备运行有害的动态效应,使旋转机械系统的振动明显增大。
根据已有的研究可知,联轴器不对中系统具有一些典型的特征,如不对中比较严重时会使轴承的油膜压力偏离正常值,联轴器的偏转,轴承的磨损,轴的挠曲变形等[6-7]。
现代化机器不断向复杂化和自动化方向发展,机械设备的故障诊断技术也越来越受到人们的重视[8-10]。
如果某一零件或者设备出现故障,没及时被发现和排除,其后果可能不仅仅是导致设备本身损坏,甚至导致重大整个公司生产线停止,给公司带来巨大经济损失和名誉损失[11]。
这就要求研究人员对联轴器不对中所产生振动的机理和现象进行更深的研究,找到分析不对中联轴器的有效途径和解决方法。
这对实践工程师提高旋转机械的故障诊断的准确性和转子系统运行的稳定性,以及对系统的动力学设计和振动的主动控制等方面具有十分重要的现实意义。
1.2国内外研究现状
在旋转机械中,转子不对中故障是一个广受关注的问题[12-13]。
为了满足理论研究和工程实际的需要,海内外很多学者和工程技术人员,尤其是中国和美国、印度,对不对中故障的机理、振动特征及诊断方法进行了广泛的研究[14-18]。
2002年,文献[19]中,K.M.AL-Hussain等人详细介绍了利用理论和数值分析的方法研究检查了两个旋转轴在平行不对中时对横向和扭转响应的影响,得到适合普遍状况的无量纲形式的运动方程式,并得出平行不对中是引发横向和扭振激励的来源。
2004年,王占林从时域波形、频率成分、相位特征、轴心轨迹、稳定性等方面给出了不对中故障的振动特征,并提供了如何区分平行不对中和角度不对中的方法[20]。
2014年,AlokKumarVerma,SomnathSarangi提出不用振动信号,只利用定子电流信号预测不对中的影响[21]。
2010年,陈宏等人把原来的转子系统不对中和轴承不对中融合在一起,提出了一种基于轴承状态的不对中分类方法。
将旋转机械不对中故障分为同侧轴承不对中、异侧轴承不对中和混合不对中3种形式,把这3种新的不对中形式与传统的不对中形式进行了比较,并总结出新的不对中形式的振动机理及特征[22]。
通过现场诊断案例证明了该分类方法的有效性。
1.3不对中机理分析
国内外有不少学者和技术人员从理论分析联轴器角度不对中的振动特征[23]。
联轴器角度不对中示意图及受力分析简化如下,本课题的试验平台所用的联轴器是柔性联轴器,由6根螺栓连接,中间塞有尼龙。
当轴旋转一周时,螺栓要经历一个压缩和拉伸过程,使转子轴同时受到径向力和轴向力。
若螺栓弹性力为F,角度不对中量为θ(本课题为了方便调节角度不对中量,将位移偏移量δ代替角度偏移θ作定量分析)。
则F在径向和轴向的分力可以表示为:
(1-1)
(1-2)
由上等式可以初步得到如下结论[23-26]:
(1)角度不对中将同时产生径向和轴向转动,并且由于角度偏移量一般都很小,所以径向振动小于横向振动;
(2)振动频率等于转动频率,转频
;
(3)夹角θ和负载增加时,角度不对中的振幅都增大。
图1-1联轴器角度不对中示意图
通过查找资料,可以整理得到角度不对中的故障特征如下:
表1-1角度不对中故障特征
时域波形
1X频与2X频叠加波形;
特征频率
1X频与2X频明显较高;
常伴频率
1X频、高次谐波;
振动方向
径向、轴向均较大
第2章故障诊断试验平台系统说明
2.1试验平台介绍
本次试验所用的平台是QPZZ-Ⅱ系列的旋转机械振动故障试验平台,是江苏千鹏诊断工程有限公司的一个产品。
可以利用该产品做滚动轴承故障模拟、齿轮故障模拟、轴系故障模拟和可变速模拟在不同速度条件下的故障特征等试验。
试验平台铭牌如图2-1所示,平台结构如图2-2所示。
图2-1实验平台铭牌
图2-2实验平台结构
图2-3轴系平台位置调节螺栓、轴系平衡定位销、轴系平台紧固螺栓
试验通过用扳手调节轴系平台位置调节螺栓,使千分表达到指定读数,从而实现定量控制角度不对中偏移量。
如图2-4所示:
图2-4百分表调节偏移量
试验中所用的联轴器是柔性联轴器,联轴节之间通过六个螺栓连接,如图2-5所示
图2-5柔性联轴器
通过旋转机械模拟装置控制器控制面板可以实现马达的启动、停止和调速,马达变速范围为75~1450rpm,利用数字接触式测速仪可以准确测量转子转速。
旋转机械模拟装置控制器控制面板如图2-6,数字接触式测速仪如图2-7所示。
图2-6旋转机械模拟装置控制器
图2-7数字接触式测速仪
2.2实验操作
2.2.1准备工作
将检查制动器的电源是否处于OFF状态;检查各螺栓、螺钉松动没有;检查各部分布线有否正确;作空载运行,看旋转方向是否正确;先运行1~2个小时,检查机械的振动,噪音及温度变化是否正常,如果有什么异常,让马达单独运行,看问题是因为马达,还是平台。
2.2.2制造不对中状态
取出定位销轴系平衡定位销(如图2-3中的2);松动2个轴系平台位置调节螺栓(如图2-3中的1)的地方;松动轴系底座四个紧固螺栓(如图2-3中的3)的地方;把你眼前的轴系平台位置调节螺栓向右转动(参照百分表如图2-4);把先前松开轴系平台位置调节螺栓的2个地方拧紧,把松开的紧固螺栓拧紧;接通旋转机械模拟装置控制器面板上的启动按钮,使装置开动起来。
2.2.3采集振动信号
(a)一切就绪后,按上面的操作制造角度不对中状态,使百分表的读数为0.4mm;
(b)接通旋转机械模拟装置控制器面板上的启动按钮,使装置开动起来;
(c)调节旋转机械模拟装置控制器面板上的调速按钮,使显示“40”;
(d)待系统运行稳定,利用数字接触式测速仪测转子速度(如图2-7),并记录;
(e)打开电脑上的LabVIEW界面,将采样率改为20000,其他配置不更改;
(f)单击“开始”采集信号,采样点数为65536,单击“停止”按钮,后台将采集好的数据以txt格式将保存到指定位置;
(g)将步骤(c)中的“40”依次改成“30”和“20”,重复(d)(e)(f)操作;(将(e)中的20000改成10000)
(h)将步骤(a)中的偏移量0.4mm依次,改成0.8mm和1.4mm;
(i)重复(b)~(g)操作。
注:
为了后期方便的处理数据,将文本名改0X-0X-0X-0X格式,第一个数是实验号,第二个数是通道(01表示横向通道,02表示竖直通道,03表示水平通道),第三个是转速,第四个是加载状况(01表示未加载,02表示轻载,03表示重载)。
具体如下表:
表2-1实验代码及相应参数
实验序号
实验代码
偏转距离
转速(r/min)
采样频率
采样点数
1
01-01-01-01
0.4
1171
20K
65536
01-02-01-01
01-03-01-01
2
02-01-02-01
0.4
871
10K
65536
02-02-02-01
02-03-02-01
3
03-01-03-01
0.4
577
10K
65536
03-02-03-01
03-03-03-01
4
04-01-04-02
0.8
1166
20K
65536
04-02-04-02
04-03-04-02
5
05-01-05-02
0.8
872
10K
65536
05-02-05-02
05-03-05-02
6
06-01-06-02
0.8
577
10K
65536
06-02-06-02
06-03-06-02
7
07-01-07-03
1.4
1163
20K
65536
07-02-07-03
07-03-07-03
8
08-01-08-03
1.4
872
10K
65536
08-02-08-03
08-03-08-03
9
09-01-09-03
1.4
577
10K
65536
09-02-09-03
09-03-09-03
第3章振动信号处理
3.1Matlab频谱分析的程序代码
Matlab是MatrixLaboratory的缩写,是一个可视化的计算程序,具有使用简单,功能强大等特点,备受各行各业学者和研究人员的青睐。
利用Matlab编写程序[27-30],可以将振动信号以图像的形式展现,下面编写的调用函数与主程序是实现波形图,FFT频谱图和包络图。
调用函数:
%%%%%%%%%%x---输入信号,dt--采样时间
%%%%%%%%%%p--单边谱,f--单边频率
function[p,f]=my_fft(x,dt);
n=length(x);%计算信号长度
p1=fft(x);%信号的快速傅里叶变换
p2=(abs(p1)).^2/n;%信号的快速傅里叶变换取模、平方、除以长度
nn=fix(n/2);%长度的一半,取整
p=p2(2:
(nn+1));%单边谱
fre1=(1:
n)/n/dt;%横轴频率
f=fre1(1:
nn);%单边频率
主程序:
clearall
load01-01-01-01.txt;%读入数据
x=X01_01_01_01;%简化输入信号名称
dt=1/20000;%采样时间间隔,为采频率倒数
t=0:
dt:
(length(x)-1)*dt;
figure
(1)
plot(t,x)%波形图
[p,f]=my_fft(x,dt);
figure
(2)
plot(f,p)%FFT频谱图
y=Hilbert(x);
yy=abs(y);
[p1,f1]=my_fft(yy,dt);
figure(3)
plot(f1,p1)%包络图
3.2包络图和FFT频谱图的比较
本次试验所研究的频率主要分布在低频域段,信号中存在较多的高频信号干扰,而包络图有较好的滤高频波的优点。
从图3-108-03-08-03的包络图和FFT频谱图的比较和图3-209-03-09-03的包络图和FFT频谱图的比较可以看出,包络图特征频率更明显突出,有利于实践工程师和维修人员快速锁定故障类型。
所以本课题主要通过分析包络图研究角度不对中的频谱特性。
a.08-03-08-03FFT频谱图
b.08-03-08-03包络图
图3-108-03-08-03的包络图和FFT频谱图的比较
a.09-03-09-03FFT频谱图
b.09-03-09-03包络图
图3-209-03-09-03的包络图和FFT频谱图的比较
3.3数据整理
不对中的旋转频率就是故障的特征频率,通过转子的旋转速度,可以计算出该系统的转频:
(3-1)
式中,
——转频(Hz);
n——旋转轴的转速(r/min);
分析Matlab应用程序和Matlab频谱分析的程序代码生成的包络图,通过整理得到各振动信号的特征频率和2X,3X,4X,5X频率及其所对应的加速度电压值:
表3-1转频与倍频
文件号
转频
2X
3X
4X
5X
频率
加速度
电压
频率
加速度
电压
频率
加速度
电压
频率
加速度
电压)
频率
加速度
电压
1148
19.16
20.2
38.41
0.7
57.57
0.9
76.54
0.8
870
14.65
17.2
28.92
0.47
43.33
0.3
57.66
0.7
588
9.826
2.6
19.57
0.45
29.39
0.3
39.3
0.2
01-01-01-01
19.53
212
39.08
36
58.59
54
97.96
26
01-02-01-01
19.53
92
39.06
38
58.59
15
97.96
27
01-03-01-01
19.53
184
39.06
95
58.59
13
97.66
29
02-01-02-01
14.65
20
29.14
16
43.79
7
58.14
4
73.7
4
02-02-02-01
14.65
10
29.14
8
43.79
3
58.9
4
73.85
5
02-03-02-01
14.65
359
29.14
245
43.79
45
58.29
104
72.94
94
03-01-03-01
9.613
12
19.68
3
03-02-03-01
9.613
4
03-03-03-01
9.613
7
19.38
12
04-01-04-02
19.53
94
04-02-04-02
19.53
104
39.06
18
98.27
71
04-03-04-02
19.53
127
39.06
13
58.59
24
98.27
29
05-01-05-02
14.65
11
29.3
5
43.95
7
58.59
3
05-02-05-02
14.65
15
29.3
3
43.95
6
58.59
3
05-03-05-02
14.65
213
29.3
485
06-01-06-02
9.613
1
06-02-06-02
9.613
5
3
06-03-06-02
9.613
26
19.38
91
28.99
87
38.6
2
07-01-07-03
19.53
58
39.06
14
58.9
11.2
79.04
32
98.27
36
07-02-07-03
19.53
38
39.37
26
58.29
16
79.04
19
98.27
64
07-03-07-03
19.53
82
0
58.29
54
0
97.35
120
08-01-08-03
14.65
4
0
58.75
4
08-02-08-03
14.8
5
43.95
6
58.44
2
73.25
8
08-03-08-03
14.5
46
29.14
242
43.64
58
58.29
30
72.78
30
09-01-09-03
9.613
59
19.23
3
28.99
5
38.45
4
09-02-09-03
9.613
2
19.23
1
28.99
1
38.45
2
09-03-09-03
9.613
11
19.23
1
28.84
5
38.91
3
48.22
6
表注:
1.频率单位为Hz,加速度单位为mV。
3.4转子对中正常与对中不正常的比较
我们需要的频率集中在低频处,所以只对低频信号进行分析。
3.4.1高转速
先从高转速开始分析,将转子对中正常与对中不正常的包络图和特征频率整理如下:
图注:
50Hz所对应的加速度电压异常大,是电源信号,本课题直接忽视这个信号。
a.转速1148对中正常的包络图
b.01-03-01-01径向振动包络图
c.04-03-04-02径向振动包络图
d.07-03-07-03径向振动包络图
图3-3高速旋转时转子对中正常与对中不正常的频谱比较
表3-2高速旋转时转子对中正常与对中不正常的特征值比较
文件号
转速(r/min)
转频
2X
3X
4X
5X
频率
加速度电压
频率
加速度电压
频率
加速度电压
频率
加速度电压
频率
加速度电压
1148
1148
19.16
20.2
38.41
0.7
57.57
0.9
76.54
0.8
01-03-01-01
1171
19.53
184
39.06
95
58.59
13
97.66
29
04-03-04-02
1166
19.53
127
39.06
13
58.59
24
98.27
29
07-03-07-03
1163
19.53
82
58.29
54
97.35
120
表注:
1.文件号1148的数据采样频率为10000Hz其他均为20000Hz;
2.不对中量从上到下依次为0mm,0.4mm,0.8mm,1.4mm依次递增;
3.负载从上到下依次为未加载,轻载,重载依次递增;
4.频率单位为Hz,加速度单位为Mv。
可以看出:
(1)当转子系统对中正常时,系统的振动比较小。
即使转子以1148r/min的高速度运转,主频加速度电压也只有0.0202V,相对于存在角度不对中的主频所对应的加速度电压0.184V和0.127V,0.082V显得非常小;
(2)转子系统对中正常情况下,特征频率非常明显,其2X、3X、4X、5X、nX频和其他频率没区别都很小(图a中频率为50Hz时,振幅异常大,是电源信号,和本次课题研究无关),符合正常转子的频率特征;
(3)不对中偏移量越大,
所占比值越大;
(4)水平振动对负荷变化敏感,负载越大特征频率的倍数频更加明显,所占比值也越大。
3.4.2中转速
从中转速分析,将转子对中正常与对中不正常的包络图
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- 旋转 机械 转子 不对 故障诊断 技术研究