1、机械振动与故障诊断基本知识讲解旋转机械状态监测与故障诊断讲 义陈 国 远深圳市创为实技术发展有限公司2005年8月第一章 状态监测的基本知识一、有关的名词和术语机械振动是指物体围绕其平衡位置附近来回摆动并随时间变化的一种运动。机械振动通常以其幅值、周期（频率）和相位来描述，它们是描述振动的三个基本参量。以下介绍在振动测量和分析中经常用到的有关名词和术语。1. 振动的基本参量：幅值、周期（频率）和相位a幅值：表示物体动态运动或振动的幅度，它是机械振动强度的标志，也是机器振动严重程度的一个重要指标。机器运转状态的好坏绝大多数情况是根据振动幅值的大小来判别的。振幅的大小可以表示为峰峰值（PP）、单峰
2、值（0P）、有效值（RMS）或平均值（Average）。峰峰值等于正峰和负峰之间的最大偏差值，峰值等于峰峰值的1/2。只有在纯正弦波的情况下，均方根值才等于峰值的0.707倍，平均值等于峰值的0.637倍。而平均值在振动测量中一般则很少使用。图11 振动的峰峰值、单峰值、有效值和平均值它们之间的换算关系是：峰峰值2单峰值221/2有效值表述振动幅值的大小通常采用振动的位移、速度或加速度值为度量单位。一般在振动测量中，除特别注明外，振动位移（D）以峰峰值表示，单位一般是微米（m）或密耳（mil）；振动速度（V）常用有效值表示，单位用毫米秒（mm/s）或英寸秒（IPS）。振动速度的有效值又称为“振
3、动烈度”。有的行业的设备振动标准就是以“振动烈度”来作为基础的。振动加速度（A）积分一次即为振动速度；而振动速度再积分一次就成了振动位移。即： V2fD； A2fV（2f）2D以上仅仅是对简谐振动而言是正确的，因其频率f值为一常数；而对于一个复杂振动或波形来说，由于其振动频率f值的多重性而会带来误差。b周期：物体完成一个完整的振动所需要的时间，以T0表示。单位一般是用“秒”来表示。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。 c频率：是指振动物体在单位时间（1秒）内所产生振动的次数，即Hz，以f0表示。很显然，f01T0。对于旋转机械的振动来说，存在下述令人感
4、兴趣的频率：a）转动轴的旋转频率；b）各种振动分量的频率；c）机器自身和基础或其它附着物的固有频率。由于某些机器故障仅仅在某些特定的频率下才产生振动，这种现象就有助于区别各种不同种类的机器故障。例如：不平衡故障的结果一定会导致工频能量的异常升高。但是，反过来我们必须注意到，振动频率和机器故障的关系并不是一一相对应的。也就是说，某一特定频率的振动，可能和多种机器的故障有关联。因此，我们不要企图将某一固定的振动频率与某一特定的机器故障建立直接的联系。在对旋转机械进行振动分析与故障诊断时，振动的频率是非常重要的参量，是分析振动原因的重要依据，它有助于我们对机器的故障进行判别，根据振动频率可以初步查明
5、振动的性质和来源。但是，它仅仅只是一种参量而已。为了得到正确的诊断结论，我们还必须对机器所有的参量进行估计和分析。振动频率可采用赫兹（HZ）、周/ 分钟(CPM)、 转/分钟（RPM）等度量单位，或以相对于转速频率的倍数为度量单位， 如一倍频（1X）、二倍频（2X）、半频（0.5X）.，等等。d相位：是指旋转机械测量中某一瞬间机器的选频振动信号（如基频）与轴上某一固定标志（如键相器）之间的相位差。相位可用来描述某一特定时刻机器转子的位置，一个好的相位测量系统能够确定每一个传感器所在的机器转子上“高点”相对机器轴系上某一固定的标志点的位置。而平衡状态的变化将会引起“高点”位置的变化，这种变化也会
6、通过相位角的变化而表示出来。相位的度量单位为度（），通常振动相位在0360范围之间变化。振动的相位在振动分折中十分重要，它不仅反映了不平衡分量的相对位置，在动平衡中必不可少，而且在故障诊断中也能发挥重要作用。下面专门说一下振动位移、速度、加速度三者之间的相位关系。以单摆的简谐振动为例：图12 振动位移、速度、加速度三者之间的相位关系把一个单摆横向来看，当重锤向上摆，通过起始点0时，其位移为零，而速度为正方向最大，加速度为零；当重锤运动到上死点时，位移为正方向最大，此时速度为零，加速度为负方向最大；重锤向下回零时，位移为零，速度为负方向最大，加速度为零；当重锤运动到下死点时，位移为负方向最大，而
7、此时速度为零，加速度为正方向最大。结论：振动速度相位超前振动位移90； 振动加速度相位超前振动速度90； 振动加速度相位超前振动位移180。相位如果没有明确指明，其角度增加的方向总是与转子的转动方向相反。2. 通频振动、选频振动、工频振动通频振动表示振动原始波形的振动幅值。选频振动表示所选定的某一频率正弦振动的幅值。工频振动表示与所测机器转子的旋转频率相同的正弦振动的幅值。对于工作转速为6000r/min的机器，工频振动频率是100HZ。工频振动又叫基频振动。3. 径向振动、水平振动、垂直振动、轴向振动径向振动是指垂直于机器转轴中心线方向的振功。径向振动有时也称为横向振动。水平振动是指与水平方
8、向一致的径向振动。垂直振动是指与垂直方向一致的径向振动。轴向振动是指与转轴中心线同一方向的振动。4. 同步振动、异步振动同步振动是指与转速频率成正比变化的振动频率成分。一般情况（但不是全部情况）下，同步成分是旋转频率的整数倍或者整分数倍，不管转速如何，它们总保持这一关系，如一倍频（1X），二倍频（2X），三倍频（3X），半频（1/2X）,三分之一倍频（1/3X）等。异步振动是指与转速频率无关的振动频率成份，也可称为非同步运动。5. 谐波、次谐波、亚异步、超异步一个复杂振动信号所含频率等于旋转频率整数倍的信号分量，也称谐波、超谐波或同步。一个复杂振动信号中所含频率等于旋转频率分数倍的信号分量，也
9、称为次谐波或分数谐波。亚异步振动是指频率低于旋转频率的非同步振动分量。超异步振动是指频率高于旋转频率的非同步振动分量。6. 相对轴振动、绝对轴振动、轴承座振动转子的相对轴振动是指转子轴颈相对于轴承座的振动，它一般是用非接触式电涡流传感器来测量。转子的绝对轴振动是指转子轴相对于大地的振动，它可用接触式传感器或用一个非接触式电涡流传感器和一个惯性传感器组成的复合传感器来测量。两个传感器所测量的值进行矢量相加就可得到转子轴相对于大地的振动。轴承座振动是指轴承座相对于大地的振动，它可用速度传感器或加速度传感器来测量。7. 自由振动、受迫振动、自激振动、随机振动自由振动一般是指力学体系在经历某一初始扰动
10、（位置或速度的变化）后，不再受外界力的激励和干扰的情形下所发生的振动。根据扰动的类型，力学体系以自身的一种或多种固有频率发生自由振动。受迫振动是指在外来力函数的激励下而产生的振动。通常，受迫振动按照激励力的频率振动。自激振动是指由振动体自身所激励的振动。维持振动的交变力是由运动本身产生或控制的。自激振动通常有下述特点：1 振动频率为亚异步或超异步，与转子转速不同步。2 自激振动的频率以转子的固有频率为主。3 多数为径向振动。4 振幅可能发生急剧上升，直到受非线性作用以极限圆为界。5 振幅的变化与转速或负荷关系密切。6 失稳状态下的振动能量来源于系统本身。随机振动是指当描述系统振动的状态变量不能
11、用确切的时间函数来表述，无法确定状态变量在某瞬时的确切数值，其物理过程具有不可重复性和不可预知性时，也就是在任何时刻，其振动的大小不能正确预知的振动。8. 高点和重点高点是指当转轴和振动传感器之间的距离最近时，转轴上振动传感器所对应的那一点任一时刻的角位置。也意味着当振动传感器产生正的峰值振动信号时，转轴表面振动传感器对应点的位置。高点可能随转子的动力特性的变化（如转速变化）而移动。重点是指在转轴上某一特定横向位置处，不平衡矢量的角位置。重点一般不随转速变化。在一定的转速下，重点和高点之间的夹角称为机械滞后角。9. 刚度、阻尼和临界阻尼刚度是一种机械或液压元件在负载作用下的弹性变化量。一般机械
12、结构的刚度包括静刚度和动刚度两个部分，静刚度决定于结构的材料和几何尺寸，而动刚度既与静刚度有关，也与连接刚度和共振状态有关。阻尼是指振动系统中的能量转换（从机械能转换成另一种能量形式，一般是热能），这种能量转换抑制了每次振荡的振幅值。当转轴运动时，阻尼来自轴承中的油、密封等。临界阻尼是指能够保证系统回到平衡位置而不发生振荡所要求的最小阻尼。10. 共振、临界转速、固有频率共振是振幅和相位的变化响应状态，由对某一特殊频率的作用力敏感的相应系统所引起。一个共振通常通过振幅的显著增加和相应的相位移动来识别。在共振发生时，当激振频率稍有变化（频率上升或下降）时，其振动响应就会明显地减小。每一个转子，连
13、同支持它的轴承组成的系统，都有若干阶横向振动的固有频率，每一阶固有频率又有它所对应的振型。在一定的转速下，某一阶固有频率可以被转子上的不平衡力激起，这个与固有频率一致的转速就被称为临界转速。当系统作自由振动时，其振动的频率只与系统本身的质量（或转动惯量）、刚度和阻尼有关。这个由系统的固有性质所决定的振动频率，称为系统的固有频率。11. 分数谐波共振、高次谐波共振和参数激振当以频率f激振，因频率f/n（n等于2及其以上的正整数）接近于系统的固有频率而引起的共振称为分谐波共振。当以频率f激振，因频率nf（n等于2及其以上的正整数）接近于系统的固有频率而引起的共振称为高次谐波共振。参数激振是指由质量
14、、弹性等因素随时间周期变化的激振。由极不对称的截面或由此引起的不同的抗弯强度可能产生参数振动。12. 涡动、正进动和反进动转轴的涡动（或称为进动）常定义为转轴的中心围绕轴承的中心所作的转动。 正进动是指与转轴转动方向相同的涡动。反进动是指与转轴转动方向相反的涡动。13. 同相振动和反相振动在一对称转子中，若两端支持轴承在同一方向（垂直或水平）的振动相位角相同时，则称这两轴承的振动为同相振动。若两端支持轴承在同一方向（垂直或水平）的振动相位角相差180时，则称这两轴承的振动为反相振动。 根据振动的同相分量和反相分量可初步判断转子的振型。14. 轴振型和节点轴振型是在某一特定转速下，作用力所引起的
15、转子合成偏离形状，是转子沿轴向的偏离的三维表示。节点是在所给定的振型中，轴上的最小偏离点。由于残留不平衡状态的改变，或其它力函数的改变，或者约束条件的改变（如轴承间隙的变化），节点都可能图13 振型和节点很容易地沿轴向改变它的位置。节点也常指轴上最小绝对位移点。节点两边的运动相角差180。15. 转子挠曲转子挠曲是指转子弹性弯曲值，现场习惯称为挠度。转子挠曲分为静挠曲和动挠曲，静挠曲是静止状态的转子在自重或预载荷作用下产生的弹性弯曲值，沿转子轴线上不同的点，静挠曲值不同；动挠曲是旋转状态的转子在不平衡力矩和其它交变力作用下产生的弹性弯曲值，转子动挠曲又分同步挠曲和异步挠曲两种，这两种挠曲将直接
16、叠加到转轴振动上。16. 电气偏差、机械偏差、晃度电气偏差系非接触式电涡流传感器系统输出信号误差的来源之一，转轴每转一圈，该偏差就重复一次。传感器输出信号的变化并不是来自探头所测间隙的改变（动态运动或位置的变化），而通常是来自于转轴表面材料电导率的变化或转轴表面上某些位置局部磁场的存在。（转子磁化后，其频谱特征为2X、4X、6X等比较高，且差不多高。）机械偏差也是电涡流传感器系统输出信号误差的来源之一。传感器所测间隙的变化，并不是由转轴中心线位置变化或转轴动态运动所引起的，通常来源于转轴的椭圆度、损坏、键标记、凹陷、划痕、锈斑或由转轴上的其它结构所引起的。转轴的晃度，或称为轴的径向偏差，是电气
17、偏差和机械偏差的总和。在轴的振动标准中规定，其数值不能超过相当于许用振动位移的25或6m这两者中的较大值。通常涡流传感器在低转速（约工作转速的10左右）下测得的轴的振值基本就相当于转轴的晃度值。大部分情况下，晃度与振动为同一方向，相反的情况很少。17. 偏心和轴心位置在转子平衡领域，偏心是指转子质量中心偏离转轴回转中心的数值，此偏心是引起转轴振动最主要的激振力；而在机组运行监测中偏心是指轴颈中心偏离轴瓦中心的距离，也称为偏心位置或轴心位置，通过对偏心的监测可以发现转子承受的外加载荷和轴瓦工作状态。18. 间隙电压、油膜压力间隙电压是指电涡流传感器测量的直流电压，其值反映了轴颈和探头间的间隙。由
18、此可给出转子扬度、支承载荷、轴心位置等有关信息。油膜压力反映了轴承支承油膜的厚度及稳定性，该压力能帮助诊断轴瓦稳定性等方面的问题。二、传感器的基本知识1. 振动传感器现场振动测试采用的传感器一般有非接触式电涡流传感器、速度传感器、加速度传感器和复合传感器（它是由一个非接触传感器和一个惯性传感器组成）四种。每一种传感器都有它们固有的频响特性，其决定了各自的工作范围。如果采用的传感器在超出其线性频响区域工作时，测量得到的读数会产生较大的偏差。下表列出了振动测量中常用的一些传感器的性能和适用范围及优、缺点等。表11 常用的振动传感器及其性能和适应范围传感器种类频响特性测量适用范围优点缺点电涡流传感器
19、05000HZ或010000Hz转轴相对振动轴心轨迹轴承油膜厚度轴位移和胀差转速和相位非接触测量测量范围宽灵敏度高抗干扰能力强不受介质影响结构简单对被测材料敏感存在机械偏差和电气偏差的可能及影响安装较复杂速度传感器10500Hz 或101000HZ轴承座的绝对振动不需电源，简单方便灵敏度高输出信号大、输出阻抗低，电气性能稳定性好，不受外部噪声干扰 动态范围有限尺寸和重量大弹簧件易失效受高温影响较大加速度传感器0.210000HZ或更高轴承座的绝对振动频响范围宽体积小、重量轻灵敏度高不易在高温环境下使用装配困难、成品率低复合传感器02000HZ转轴绝对振动转轴相对振动轴承座的绝对振动转轴在轴承间
20、隙内的径向位移非接触测量无磨损牢固可靠对被测材料敏感安装较复杂2. 电涡流振动位移传感器的工作原理图14 电涡流传感器结构图 图15 电涡流传感器原理图由前置放大器的高频振荡器向传感器的头部线圈供给一个高频电流，线圈所产生的交变磁场在具有铁磁性能的被测物体的表面就会产生电涡流，由该电涡流所产生的磁场在方向上与传感器的磁场相反，因而对传感器具有阻抗。当传感器与被测物体的表面间隙较小的时候，电涡流也较强，阻抗较大，传感器最终的输出电压变小；当传感器与被测物体的表面间隙变大的时候，电涡流会变弱，阻抗变小，传感器最终的输出电压变大。涡流的强弱与间隙的大小成正比，因而，传感器的输出与振动位移成正比。3.
21、 电动力式振动速度传感器的工作原理图16 振动速度传感器的结构示意图固定在壳体内部的永久磁铁，随着外壳与振动物体一起振动，同时，由于内部由弹簧固定着的线圈不能与磁铁同步运动，磁铁的磁力线被线圈以一定的速度切割，从而产生了电动势输出。而所输出的电动势的大小则与磁通量的大小和线圈参数（在此处均系常数）以及线圈切割磁力线的速度成正比，所以我们可以得到和磁铁的运动速度成正比的输出电动势，即：传感器的输出电压与被测物体的振动速度成正比。 压电式加速度传感器的工作原理压电式加速度传感器是以某些晶体元件受力后会在其两个表面产生不同电荷的压电效应为转换原理。图17 压电式加速度传感器某些晶体，当沿着一定的方向
22、受到外力的作用的时候，其内部的晶格会发生变化，产生极化现象，同时在晶体的两个表面上便产生了符号相反的电荷；当外力去掉以后，就又恢复到原来的不带电状态；当作用力方向改变时，所产生的电荷的极性也随之改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比，而力的大小与物体的运动加速度大小成正比：Fma，上述现象称为正压电效应。反之，如对晶体施加一交变电场，晶体本身将产生机械变形，这称为逆压电效应，亦称电致伸缩效应（应用在电声器材如喇叭、超声波探头等）。压电加速度计的频响范围极宽，最高可达几十KHz，测量范围特大，最大可达十几万个g，多用于高频振动检测中，如齿轮、滚动轴承等的接触式测量中。一般需与电荷放大器配
23、合使用，且电荷放大器前的连接电缆较易受到干扰。现在，有些加速度传感器（如PCB）把放大电路集成到传感器内，这样一来，外界干扰的影响极小，可靠性也得到了大幅度的提高。第二章 状态监测常用图谱1波德图波德图是反映机器振动幅值、相位随转速变化的关系曲线，见图21。图形的横坐标是转速，纵坐标有两个，一个是振幅的峰峰值，另一个是相位。从波德图上我们可以得到以下信息：1 转子系统在各种转速下的振幅和相位；2 转子系统的临界转速；3 转子系统的共振放大系数(Q=Amax)；一般小型机组Q在35甚至更小，而大型机组在57；超过上述数值，很可能是不安全的；4 转子的振型；5 系统的阻尼大小；6 转子上机械偏差和
24、电气偏差的大小；7 转子是否发生了热弯曲。由这些数据可以获得有关转子的动平衡状况和振动体的刚度、阻尼特性等动态数据。图21 波德图2极坐标图极坐标图是把振幅和相位随转速变化的关系用极坐标的形式表示出来，见图22。图中用一旋转矢量的点代表转子的轴心，该点在各个转速下所处位置的极半径就代表了轴的径向振幅，该点在极坐标上的角度就是此时振动的相位角。这种极坐标表示方法在作用上与波德图相同，但它比波德图更为直观。振幅转速曲线在极坐标图中是呈环状出现的，临界转速处在环状振幅最大处，且此时从弧段上标记的转速应该显示出变化率为最大。用电涡流传感器测试轴的振动时，在极坐标图中可以很容易得到轴的原始晃度矢量，即与
25、低转速所对应的矢量。从带有原始晃度的图形要得到扣除原始晃度后的振动曲线也很容易做到，为此，只要将极坐标系的坐标原点平移到与需要扣除的原始晃度矢量相对应的转速点，原图的曲线形状保持不变。这样，原曲线在新坐标系中的坐标即是扣除原始晃度后的振动响应。图22 极坐标图3频谱瀑布图用某一测点在启停机（或正常运行中）时连续测得的一组频谱图按时间顺序组成的三维谱图就是频谱瀑布图，见图23。图中Z轴是时间轴相同阶次频率的谱线集和Z轴是平行的。从图中可以清楚地看出各种频率的振幅随时间是如何变化的。图23 频谱瀑布图4极联图极联图是在启停机转速连续变化时，不同转速下得到的频谱图依次组成的三维谱图。它的Z轴是转速，
26、工频和各个倍频及分频的轴线在图中是都以0点为原点相外发射的倾斜的直线。在分析振动与转速有关的故障时是很直观的。该图常用来了解各转速下振动频谱变化情况，可以确定转子临界转速及其振动幅值、半速涡动或油膜振荡的发生和发展过程等。图24 极联图5轴心位置图轴心位置图用来显示轴颈中心相对于轴承中心位置。这种图形提供了转子在轴承中稳态位置变化的观测方法，用以判别轴颈是否处于正常位置。图25 轴心位置图当轴心位置超出一定范围时，说明轴承处于不正常的工作状态，从中可以判断转子的对中好坏、轴承的标高是否正常，轴瓦是否磨损或变形等等。如果轴心位置上移，则预示着转子不稳定的开始。通过对轴颈中心位置变化的监测和分析，
27、可以预测到某些故障的来临，为故障的防治提供早期预报。一般来说轴心位置的偏位角应该在2050之间。6轴心轨迹图轴心轨迹一般是指转子上的轴心一点相对于轴承座在其与轴线垂直的平面内的运动轨迹。通常，转子振动信号中除了包含由不平衡引起的基频振动分量之外，还存在由于油膜涡动、油膜振荡、气体激振、摩擦、不对中、啮合等等原因引起的分数谐波振动、亚异步振动、高次谐波振动等等各种复杂的振动分量，使得轴心轨迹的形状表现出各种不同的特征，其形状变得十分复杂，有时甚至是非常地混乱。图26 轴心轨迹图（提纯）7振动趋势图在机组运行时，可利用趋势图来显示、记录机器的通频振动、各频率分量的振动、相位或其它过程参数是如何随时
28、间变化的。图27 振动趋势图这种图形以不同长度的时间为横坐标，以振幅、相位或其它参数为纵坐标。在分析机组振动随时间、负荷、轴位移或其它工艺参数的变化时，这种图给出的曲线十分直观，对于运行管理人员来说，用它来监视机组的运行状况是非常有用的。8波形频谱图图28 波形频谱图在对振动信号进行分析时，在时域波形图上可以得到一些相关的信息，如振幅、周期（即频率）、相位和波形的形状及其变化。这些数据有助于对振动起因的分析及振动机理的研究。但由于从波形图上不能直接得到我们所需要的精确数据，现在已经很少有人用它来确定振动参数。但它可以在实时监测中作为示波器用来观察振动的形态和变化。我们知道，对于一个复杂的非谐和
29、的周期性的振动信号，可以用傅立叶级数展开的方法得到一系列的频率成分。对振动波形进行FFT处理则得到振动的频谱分布，即频谱图，该图反映了振动的频率结构。图29 频谱分析的示意图第三章 旋转机械的故障诊断1. 不平衡不平衡是各种旋转机械中最普遍存在的故障。引起转子不平衡的原因是多方面的，如转子的结构设计不合理、机械加工质量偏差、装配误差、材质不均匀、动平衡精度差；运行中联轴器相对位置的改变；转子部件缺损，如：运行中由于腐蚀、磨损、介质不均匀结垢、脱落；转子受疲劳应力作用造成转子的零部件（如叶轮、叶片、围带、拉筋等）局部损坏、脱落，产生碎块飞出等。不平衡转子的振动信号，其时间波形和频谱图一般具有如下
30、典型特征：1 原始时域波形的形状接近一个纯正弦波；2 振动信号的频谱图中，谐波能量主要是集中在转子的工作频率（1X）上，即基频振动成分所占的比例很大，而其它倍频成分所占的比例相对较小；3 在升降速过程中，当转速低于临界转速时，振幅随转速的增加而上升。当转速越过临界转速之后，振幅随转速的增加反而减小，并趋向于一个较小的稳定值。当转速等于或接近临界转速时，转子将会产生共振，此时的振幅具有最大峰值；4 当工作转速一定时，振动的相位稳定；5 转子的轴心轨迹图呈椭圆形；6 转子的涡动特征为同步正进动；7 纯静不平衡时支承转子的两个轴承同一方向的振动相位相同，而纯力偶不平衡时支承转子的两个轴承振动呈反相，
31、即相位差180。但实际转子一般既存在一定的静不平衡，又存在一定的力偶不平衡（即存在动不平衡），此时支承转子的两个轴承同一方向振动相位差在0180之间变化；8 在外伸转子不平衡情况下可能会产生很大的轴向振动。在转子外伸端不平衡时，支承转子的两轴承的轴向振动相位相同；9 因介质不均匀结垢时，工频幅值和相位是缓慢变化的。图31 汽轮机转子不平衡的波形频谱图2. 不对中转子不对中通常是指相邻两转子的轴心线与轴承中心线的倾斜或偏移程度。转子不对中可分为联轴器不对中和轴承不对中。联轴器不对中又可分为平行不对中、偏角不对中和平行偏角不对中三种情况。平行不对中时振动频率为转子工频的两倍。偏角不对中使联轴器附加一个弯矩，以力图减小两个轴中心线的偏角。轴每旋转一周，弯矩作用方向就交变一次，因此，偏角不对中增加了转子的轴向力，使转子在轴向产生工频振动。平行偏角不对中
