机械故障诊断基础知识.doc

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1、机械故障诊断基础知识北京化大凯达科技发展有限公司 2010年6月 北京 目录第一章绪论51.1 机械故障诊断的意义51.2 现代机器故障诊断技术的发展背景61.3 维修制度的革新71.3.1 设备维修的经济性分析71.3.2 实行状态监测维修制的相应措施91.4 石化设备智能巡检仪及预知维修管理系统101.5 石化设备监测诊断及维修决策信息系统111.5.1 石油化工设备的可靠性及最佳维修方式111.5.2 设备运行状态监测及故障诊断12第二章 振动监测主要参数及故障诊断常用标准132.1 机械设备振动监测的主要参数、定义132.1.1 振动参量132.1.2 位置参量152.1.3 转速16

2、2.2 故障诊断常用标准162.2.1 振动标准162.2.2 动平衡标准212.2.3 对中标准222.3 振动诊断标准242.3.1 振动诊断标准的用途及制订方法242.3.2 振动诊断标准的使用方法282.3.3 常用振动标准292.3.4 振动诊断标准进展41第三章 滚动轴承的检测技术和诊断方法443.1 设备故障诊断的主要环节443.2 低频信号接收法443.3 冲击脉冲法（SPM）453.4 共振解调法493.4.1 共振解调技术简介493.4.2 共振解调法故障诊断技术特点503.4.3 常用的共振解调法513.4.4 共振解调法故障诊断实例523.5 峰值能量法533.5.1

3、峰值能量法概述533.5.2 峰值能量的信号处理过程543.5.3 峰值能量测量中的问题553.6 包络分析技术56第四章 机械振动故障机理及诊断方法594.1 机械设备振动分析的主要手段594.1.1 时域分析594.1.2 频域分析594.1.3 开停车分析594.2 旋转机械振动故障机理及诊断方法604.2.1 旋转机械振动故障原因及识别特征研究604.2.2旋转机械同频振动机理及故障识别特征66第一类 同频振动原因67转子自身引起的径向旋转矢量激振力671. 转子质量偏心672. 永久性轴弯曲683. 暂时性轴弯曲684. 轴裂纹引起的变化的旋转激振力68第二类 同频振动原因：转子轴系

4、引起的激振力695. 联轴节引起的轴系质量偏心：696. 转子中心线角不对中引起的轴向交变激振力697. 刚性联轴节误差引起的旋转周期支承力708. 弹性联轴节偏差引起的旋转矢量激振力70第三类 同频振动原因：轴承偏心或轴承损伤719. 径向轴承偏心7110. 轴承损伤71第四类 同频振动原因：71转子与定子或传动件间相互作用引起的激振力7111. 静气隙偏心引起的不均匀电磁力7112. 动气隙偏心引起的不均匀电磁力7213. 轴磁化引起的激振力7214. 皮带偏拉力引起的激振力7315. 齿轮偏心作用产生的激振力74第五类 同频振动原因：流体动力激振力7416. 轴流叶轮偏心旋转引起的自激力

5、7417. 倾斜隔板引起的转子激振力74第六类 同频振动原因：转子一定子干摩擦引起的7518. 转子一定子干摩擦引起的反向周期激振力75第七类 同频振动原因：临界转速问题7519. 转子和轴承系统临界7520. 联轴器临界7621. 悬臂临界问题76第八类同频振动原因：机壳基础扭曲7622. 机壳变形7623. 暂时机壳变形7624. 基础变形76第九类同频振动原因：共振7725. 结构共振7726. 邻近振源的影响77第一章 绪论1.1 机械故障诊断的意义机械故障诊断技术是近年来国内外发展较快的一门新兴学科，它所包含的内容比较广泛，诸如机械状态量（力、位移、振动、噪声、温度、压力和流量等）的

6、监测，状态特征参数变化的辨识。机器发生振动和机械损伤时的原因分析、振源判断、故障防治，机械零部件使用期间的可靠性分析和剩余寿命的估计等等，都属于机器故障诊断的范畴。一台机械设备像人体一样，有其生老病死的过程。人生活在世界上不可能不生病，机械设备在使用过程中出现故障也是不可避免的人生了病需要求医就诊，同样机械设备的运行功能失常（即出了故障），也要一些“医生”去帮助分析和诊断病因，因此机器的故障诊断技术是模拟了医学界的疾病诊断而提出来的，它的基本思路是来自于仿生学医学上根据人体不同部位发生的各种病症而划分很多科目，相应地在机械设备上也要按不同机器产生不同的故障症状进行分类诊断和研究。人体疾病是由一

7、系列复杂的物理、化学变化结果通过各部位组织器官反映出一定的症状（例如发烧、疼痛、麻癣、吐泻、失控、昏迷等等），医疗系统对病人的治理首先通过各种理化检验，从检查病情出发，进行综合性分析判断，以诊断出病人的疾病类型、性质和程度，然后对症下药，采取有效的治疗措施。对于机器的故障诊断也是同样的“疾病”治理过程，首先要检测机器的“健康”状况，通过对机器状态参数的处理和分析，诊断出机器的故障类型、故障程度、故障部位和故障原因，然后根据诊断结果确定维修方案或防范措施。工程领域内对机械设备故障诊断的含义也和医学界有相同的理解：“故障”-就是机械设备丧失工作效能的程度，或者按日本的定义，“故障”是指对象（机械设

8、备）丧失了它所要求的规定性能或状态。但是各种机械对象由于其制造精密程度、操作时的性能要求以及设计、操作时的规范不同，对“故障”的含义有不同理解，有些把机器运行中的状态异常（即不正常）、缺陷、性能劣化和故障前期状态作为故障，也有的故障概念是指事故，因此判定机器是否已发生故障，必须明确规定出机器的性能范围。“诊断”-是指采用各种测试、分析手段和处理方法来确定故障的性质、类别和部位，并研究故障产生机理的一门科学。机器故障诊断的前提是必须了解机器的工作状态（或称“健康状况”) ，掌握机器各部位和零部件的性能是出于良好状态，劣化状态还是故障状态，为进一步诊断提供可靠的信息，而对机器工作性能状态的了解是通

9、过各种监测手段和分析系统来实现的。60 年代初期，欧美国家把故障诊断技术称为状态监测（Condition on Monitoring ）或机器健康监测（Machine Health Monitoring）。后来，日本把这一技术命名为机器状态诊断技术（Machine Condition Diagnostic Technique），并把这一技术定义为“能定量地监测机器的状态（指故障、劣化、强度和性能等），并能预测其未来的技术”。目前，在国内一般称为设备状态监测与诊断技术或机器故障诊断技术（ Machine Fault Diagnostic Technique ) ，不论名称如何，实际上它所包含的内

10、容总是指机械设备运行中的“状态监测”与“故障诊断”两部分。由于现代化生产的连续性以及生产系统的复杂性，机械设备发生故障会影响到各个方面，因此诊断技术的发展一改以往所采用离线的、静态诊断的概念，而代之以在线的或动态诊断的概念，即在设备运行中或基本不拆卸的情况下，根据设备运行过程中产生的各种物理的、化学的信号作为信息资料，进行数据采集、存储、处理和分析，掌握设备的运行现状，对它已经形成或将要形成的故障进行分析诊断，判定故障的部位和产生原因，预测预报设备未来的技术状况，这就是现代设备诊断技术的概念。1.2 现代机器故障诊断技术的发展背景任何一台机械设备在投入使用以后，都可能会遇到各种各样的故障。设备

11、出了故障，不能弃之不用（除非认为该设备已不值得使用），就需要寻找故障并进行适当维修，这是人们在日常生产中的概念。早期工业生产因为规模不大，一台设备出了故障影响面不广，大多数生产部门对容易出故障的机器还设有备机，以保证生产不会中断。另外如因为机械装备的技术要求不高，需要的维修费用也不会很大，所以机器的故障诊断大多采用耳听、手摸、眼看等简单方法，使用的检测仪器也很简单。维修方法是遇到故障而无法运行时采取事后维修，或者按计划每隔一定周期停机维修。从 70 年代开始，世界各主要工业国家为了极大限度地提高工业生产水平和经济效益（包括提高生产率、降低成本、减少操作管理人员等），生产规模不断扩大，生产装备向

12、着大型化、高速化、自动化和连续化发展，因而对机械设备性能的要求越来越高，一次性投资也越来越大，很多大型石油、化工、石化、电力、钢铁等部门都采用单机、满负荷、连续性的生产操作方式，一些大型机械成了现代化大规模生产装置中的关键设备，如果一旦出现停机故障，将导致全厂停产，其经济损失是十分巨大的。例如，我国化工、石化系统引进的年产 30 万吨合成氨装置和 30 万吨乙烯装置，均拥有多种类型的大型机组（工艺汽轮机、压缩机和泵等），如因机器故障而停产一天，产值损失在 50-100万元以上。电力部门中一台 30 万千瓦的发电机组因故障停机一天，少发电 720 万度，以每度 0 . 2 元计，则每天直接经济损

13、失 144万元。因此，机械设备大型化和生产装置连续化，固然在降低成本，提高生产率，减少生产操作费用等方面带来很大的经济效益，但是因设备故障而造成的损失却成比例地增长。以我国不同时期建造的化肥厂为例， 50 年代的小化肥厂，年产量为 800 - 5000 吨； 60年代的中化肥厂，每套装置年产量为 l -5 万吨； 70 年代的大化肥厂，每套装置年产 20 一 30 万吨。设备故障停机损失以小化肥厂为基准的话，则中化肥厂增长了 10 倍，大化肥厂增长到近 100 -200 倍之巨。据统计，我国在1977 年和 1978 年已投产的 6 一 7 个大化肥厂中，由于大机组的故障停机，仅在这两年之内所

14、损失的化肥产量，相当于一个大厂的全年产量（ 30 万吨合成氨、 48 万吨尿素）。在现代化生产中，某些机械设备一旦发生故障还可能招致重大事故。本世纪内发生的前苏联切尔诺贝利核电站爆炸和美国三里岛核电站放射性物质外逸，印度博帕尔市农药厂的毒气泄漏，美国航天飞机“挑战者”号的失事，是近代设备重大事故中的典型例子。我国也经历过不少技术上的设备事故，例如，电力部门先后有二台 20 万千瓦的汽轮发电机组发生重大的灾难性事故，其中一台转子系统断成七段，一个联轴节飞出竟打穿 4 堵墙壁。化工和石化部门也曾经发生过大机组的严重振动故障和破坏性事故，给生产上造成巨大损失。当然，要求机械设备不出故障是不现实的，绝

15、对安全可靠的东西是不存在的。美国保险实验研究协会（ Underwriters Laboratories Ins ）罗伯特 w 西尔贝茨曾说过：“完全安全的东西恐怕就不实用，不能卖出，也不能创造出来。”说明最好的设备也不可能永远不出故障，重要的是要求我们能及时发现设备的异常或故障，把握住它的发展趋势，以便及早采取有效的防治措施，机器故障诊断技术就是为适应这一需要而发展起来的一门学科。1.3 维修制度的革新现代化大型石油化工企业，具有高温、高压。高速，介质易燃、易爆、易腐蚀，自动化程度高等特点，且技术复杂，连续生产，许多关键设备、大机组无备台。设备一旦发生故障给生产和质量造成的影响往往大得难以计算

16、。象许多其他流程工业一洋，设备维修与生产和经济效益是密切相关的。在某种意义上可以讲，生产的数量和质量取决于生产能力和设备的有效利用率即： P(生产量)=C(生产能力) A(设备有效利用率) 而设备的有效利用率A，一般用下式表示： ATup /(Tup+TDM) 式中：Tup为设备有效的生产时间 TDM为设备停机维修时问由此可见，维修对设备的有效利用率进而对生产的数量和质量影响极大。如果设备可靠性差、故障率高、大修时间长，产值和产量无法提高；反之。则生产的高效益就有了物质基础的保证。因此，修好，用好设备是生产的关键。1.3.1 设备维修的经济性分析l、设备维修方式的分类现行的设备维修大体可分类如

17、下：故障维修(BM)预防维修(PM)以时间为基础的维修设备维修(TBM)以状态为基础的维修设备维修(CBM) (1)故障维修(Breakdown Maintenance ：BM)是最原始的维修方式。亦称事后维修，即机器运转直至故障停车才进行修理。(2)预防维修(Predictive Maintenance ：PM)分为两种。其一是以时间为基础的维修(Time Based Maintenance： TBM)，通常称作定期计划预检修，这种维修方式不需要对机器的状态进行检查，检测，大、中，小修是按照预定的对间 间隔(即检修周期)进行计划修理。(3)是以状态监测为基础的维修(Condition Bas

18、ed Maintenance：CBM)或称预知维修(Predictive Maintenance： PRM)这种维修方式不规定检修周期，而是要对设备进行状态监测，描监测，诊断的结果，视设备奄无劣化或故障征兆。安排在必要时进行适当的和必要的修理。这三种不同的维修方式。在平均检修周期上的差别如图l所示(1)。图1 三种维修方式的平均检修周期示意图2、设备维修经济性的评价标准对生产来讲，要取得高的效益，重要的一环就是要以尽可能低的代价来获取高的设备利用率及长的设备寿米命周期。我们可用图2来说明这一问题(2)。在图2中，斜线区下线之下表示设备寿命周期费用(Life Cycle Cost：LCC)，它包

19、括设备投资费用，操怍费用和维修费用；斜线区上线之下表示设备寿命周期收益(Life Cycle Revenue：LCR)。而设备寿命周期效益(Life Cycle Profit。 LCP)则为LCRLCC，即图中有斜线部分。由此可见，当设备本身投资，操作费用及设计有效利用率一定的场合，设备寿命周期效益LCP取决于设备维修费用及实际有效利用率(即故障停机损失)。因此，设备维修的经济性可用下式衡量(3)：设备维修效益 = 设备的实际有效利用率 / 维修费用这表明，花费低的维修费用，得到高的设备有效利用率会取得满意的维修效益。3、各种维修方式的经济性对比(1)故障维修方式这种方式是将设备运转直至发生故

20、障停车时才检修,因此这种方式平均检修周期可能最长(如图l所示)。但是由于不是预防性维修，发生故障时往往造成机器的损坏，既不安全，又延长了检修时间，其费用也比较昂贵。其弊端如图3“冰山”所示，表面上看仅是故障停车检修，但内含着惊人的经济损失。这是一种最原始的检修制度，对现代化大型、高速、自动化程度高，连续运行的设备应尽力避免这种维修方式。(2)定期计划预修方式这种方式可以大大减少故障停车损失，但是由于检修周期的确定不是按机器本身状态?而是按经验或统计结果确定的，一般它要求检修间隔时间比设备零部件的真实寿命要短，为安全可靠往往把检修周期确定得比较短(如图l所示)。因此，不可避免地要有“过剩维修”，

21、从而也提高了设备维修费用，缩短了设备运行时间。 (3)状态监测维修方式改进了“过剩维修”和换件费用高的问题，对设备或零部绰的状态进行监测，据监测的结果以设备实际状态为基础实施修理，这种维修方式检修停工时间与换件费用均能达到最少。图4是状态监测维修方式与定期计划预终方式的对比示意图(4)。综上所述，推行状态监测维修不仅仅是为了提高设备维修的经济效益，而且是今后石化炼油生产要取得高效益所必须采取的关键性措施。而实行状态监测维修制度的前题是要推广应用先进的设备状态监测及诊断技术。1.3.2 实行状态监测维修制的相应措施在理论上讲，对单台设备，应用设备诊断技术，实行状态监测维修是完全可行的，但对具有数

22、十个生产装置及复杂的公用工程系统的公司来讲，要使多个装置甚至全公司同步检修，如何变定期计划预检修为状态监测检修，这是一个极为复杂的问题。工业发达国家从七十年代起已经这样做了，可以肯定，在我国工业企业全面推行状态监测及诊新技术，若措施得当按设备状态进行检修是可以逐步实现的。起码可以突破大机组两年一大修，装置一年一大修的传统方法。为了延长检修周期，压缩大修时间，从企业实际出发还应采取如下相应措施：1、尽量减少停车大修的检测工程量，代之以运行中对设备状态监测、检测。如在压力容器、管道保温层上预留检测孔。用高温测厚仪定点，定期测厚存档；用声发射监测容器的裂纹扩展：用红外热成象检测运行中炉衬状况，换热器

23、有否堵塞、电气设备有无接触不良；用铁谱分析监测机器有无磨损等。2、开发、应用处理设备故障的应急措施，以解决现场关键设备技术问题。如采用带压堵漏、现场动平衡、转动机械消震等措施；即使设备有了问题，也能使其维持一段时间从而与其他设备同步检修。也要注意利用好“窗口检修”。 3、开展技术攻关，对设备的隐患，如易振动，易腐蚀、易泄漏、易堵塞等薄弱环节要千方百计采取改进措施，延长其运行时间。对运行周期特别短的设备，要进行必要的技术改造或更新。贯彻大修大改、小修小改，逢修必改的原则。对易损坏的设备要有备台。 4、狠抓润滑油、水质，蒸汽质量、工艺介质的监控，防止劣化、结垢，腐蚀。贯彻“防重于治”的原则可以事半

24、功倍。5、对备件、检修质量要坚持高标准，要确保尽可能长期使用，突破8300小时，停车大检修时。不仅要搞好修。而且更要重视“检”，抓紧时机，集中力基搞好检测工作，提高机械设备，压力容器可靠性，安全度。6、全员管理设备，特别是操作者要正确使用设备，要效仿关键机组特护监测考评的方法将操作工和机。电、仪维修工人，技术人员捆在一起共同对设备负责，确保长周期运行者奖。7、要管设备的一生，把好基建、技措工程的设备造型关，质量关，让优质、高效设备投入生产，确保长周期运行。1.4 石化设备智能巡检仪及预知维修管理系统设备振动检测的发展经历了手模、耳听、模拟振动表、数字振动表、波形记录仪、频谱分析仪、巡检仪、智能

25、巡检仪等发展过程，随着当代的嵌入式技术的发展，便携式巡检仪也有了较大的发展，但鉴于以前嵌入式系统（如单片机、DSP系统等）处理速度或处理数据能力等方面的原因，原有的巡检仪很难满足大量设备状态巡检的需要，特别是针对目前先进的设备与落后的维修能力这一矛盾，已日益严重地困扰着企业，成为企业设备现代化管理的瓶颈,因此，现代化企业必须建立先进的设备维修管理机制。近年来的企业发展表明，随着设备的技术进步，企业的设备操作人员不断减少，而维修人员保持不变或不断增加。另一方面，操作的技术含量逐渐下降，而维修的技术含量却年年上升，当代的设备维修已经是传统意义上的维修工难以胜任的工作,这就要求我们不断发展完善设备维

26、修制度，以适应现代化企业的发展要求。建立基于可靠性为中心的设备安全运行管理体制（RCM），将事后维修、预防维修、向预知维修（也称状态维修）发展，预知维修能防止不足维修而导致的事故，避免过剩维修造成的浪费，它能提高设备使用的合理性、运行安全性和经济性，从而实现设备使用、维修、生产的现代化。而设备的状态监测是预知维修的实现基础。准确全面的设备监测信息是实现预知维修的可靠保证。设备状态点检模式是目前获取设备监测信息的常用手段，然而常规的点检存在很多不足： 1. 设备状态信息获取不足，它的信息收集方式单一，主要依赖检测人员的主观经验。2. 设备状态信息缺乏有效的描述方式与交流途径，它主要是以书面报告、

27、口头报告为主的信息交流方式，不能保证设备准确及时传递，并且中、高层技术人员和企业管理人员无法及时了解设备状况，从而不能保证设备故障及时维修。3. 巡检仪器功能不足，难以满足较多设备快速巡检并将数据规范管理以便与PC机数据库同步；4. 巡检仪体积大不便携带；5. 巡检仪待机时间和采集时间较短，难以满足长时间现场巡检的需要。针对这一现状，开发高性能和可操作性强的便携式智能巡检仪势在必行。现已开发出设备智能巡检仪及预知维修网络化信息管理系统，解决了上述巡检中存在的问题，为推行RCM管理和实现预知维修提供了强有力的工具。1.5 石化设备监测诊断及维修决策信息系统1.5.1 石油化工设备的可靠性及最佳维

28、修方式现代石油化工生产是典型的流程作业，生产线上的设备能否保持高效率和较长时间的无故障运行，这在很大程度上取决于设备的可靠性。 但是，设备运行一段时间后就会发生磨损、腐蚀、结垢、冲蚀、裂纹、振动、松动等，随着设备可靠性的降低，故障停机次数要增多，甚至还会发生爆炸、着火等恶性事故。因此，研究维修决策，寻求最佳维修方式，以最少的生产损失和维修费用来保持或恢复设备的可靠性是十分重要的。如果用无故障运行时间代表每台设备的可靠性的话，那么在同一生产线上各台设备的可靠性相差是极大的。石油化工厂停车大检修，主要是对可靠性最差的设备、管道进行检修或更换，并进行设备预防性检测，以消除隐患，确保安全。如图1所示，

29、大检修好比一个堤坝，其作用在于阻止潜在的故障隐患转化为运行中的实际故障。设备连续生产的时间越长，即大修堤坝越低，则由潜在故障变成实际故障的可能性越大；反之，大检修堤坝越高，则设备运行的时问越短，而运行中的故障减少，但停车检修的次数增多，显然经济效益要降低。 古典的事后维修、传统的定期计划检修显然不是最佳的维修方式。预知维修即CBM(condition based maintenance)是维修发展的方向，其实施的关键在于能否在生产运行中深测出具体设备及其部位存在的隐患(潜在故障)。“预知”可提供有用信息，指导维修决策，做到超前预防和超前准备，以采取应急措施或在大检修时“对症下药”：从而取得事半

30、功倍的效果。运用现代技术成果开发出来的设备状态监测及诊断技术，为实现CBM维修提供了手段。1.5.2 设备运行状态监测及故障诊断石油化工厂的旋转机械(泵、压缩机、风机、透平机等)和炼油化工设备(反应器、炉、塔、换热器等)在各种苛刻条件(如动静负荷、高温、极低温、高压、腐蚀环境)下工作，往往会产生各种各样的异常和缺陷，如振动、发热、腐蚀、裂纹、冲蚀、泄漏、烧损、结焦、松驰、变形、剥离等。而要探测或预知设备的上述异常或缺陷首先应弄清如下关系：这也就是说，如何通过设备故障的征兆参数来识别、预测设备异常、设备缺陷及其部位，这是诊断、预测机械故障的关键。一般应选择对设备异常、缺陷最敏感的参数作为征兆参数

31、，然后应用设备诊断技术对其进行分析识别，以查明异常原因和缺陷部位。第二章 振动监测主要参数及故障诊断常用标准2.1 机械设备振动监测的主要参数、定义2.1.1 振动参量(1)振幅一般说来，振幅(简写为A)是表示设备振动严重程度的指标，通常根据使用的传感器性质用振动的位移、速度或加速度表示，一般是计算一段时间内振动波形的峰峰值、峰值、平均值和均方根值(有效值)，对于齿轮和滚动轴承，还可以计算歪度、峭度和波峰因子等波形的特征数据。常用的涡流传感器测量的是转 轴相对于轴承的振动位移,一般用微米(um)或密耳(mil)表示，lmil=254 um，在现场也有用丝为单位，1丝=10 um。速度传感器测量

32、的是轴承的振动速度，一般 用mms表示，振动速度的有效值也称为振动烈度，振动速度经过一次软件积分或硬件积分可以得到振动位移(经过硬件积分的速度传感器直接输出振动位移)。加速度传感器测量的是轴承和机器外壳的振动加速度，一般用ms2或重力加速度g表不，1g=98 ms2，振动加速度经过一次积分可以得到振动速度，再经过一次积分可以得到振动位移。根据振幅可以判断设备运行是否平稳。 (2)频率振动频率通常表示为机器转速的倍数。其原因主要是由于机器的振动频率趋向于机器转速的整数倍或分数倍。这样就给我们提供了表达振动频率的一种方便形式。通过这种方式，我们不必要将所有振动频率表示为赫兹，而是表示为机器转速的一

33、倍、两倍或43等。进行振动测量时，振幅和频率是用来分析设备故障的主要参数。有些机器故 障通常在某些特定的频率下发生，这样就有助于我们区分这些故障的类型。另外， 我们必须认识到，频率和故障的关系并不是相互对应的，这就是说，某一特定频 率的振动通常和多种机器故障相联系，在振动频率和机器故障之间并不存在一一 对应的关系。我们不应简单地企图将某一特定频率和某一设备故障直接联系起来。在对机械设备进行分析时，频率是重要的参数，它有助于我们对机器故障进行分类，但是它仅是一种参量。如果我们要得到正确的结果，还必须对所有参量进行分析。表示频率的通常方式有：1X=1rpm：振动频率和机器的转速相同； 2X=2rp

34、m：振动频率是机器的转速两倍； 12X=12rpm：振动频率是机器转速的一半；43X=0.43rpm：振动频率是机器转速的43。下面简单介绍旋转机械几种振动的性质及其有关的频率问题：转子的振动问题按机械振动的性质大体上分为三类：第一类是属于强迫振动问题。这是指有外来确定的扰动力引起的振动问题而 振动本身并不反过来影响扰动力。比如由于质量不平衡引起的强迫振动，发电机 转子不均匀拉力而引起的强迫振动等。强迫振动的特点在于振动的频率总是等于 扰动力频率。由质量不平衡引起的强迫振动其频率恒等于转速。由3000rpm二极发电机不均匀磁拉力引起的强迫振动，其频率为6000rpm即100Hz。第二类是属于自

35、激振动问题。自激振动的引起归之于转子支撑系统中存在某一机械能量的反馈环节。这一反馈环节使转子从转动中获取能量，并转变为某一 特定频率下的横向振动能量(一般不等于转速)，而这一横向振动又通过反馈环节进一步从转动中取得能量，从而加剧了横向振动，直至获取的能量等于消耗于阻尼的能量，则振动稳定在某一极限环节上。实际上，有时自激振动未达到极限环之前，转子已不允许运转或已引起破坏。这些在转子支撑系统中出现的自激振动现象有油膜涡动和油膜振荡；由于转子的内阻而引起的不稳定白激振动；由于动部分间的干摩擦而引起的自激振动以及由于不均匀蒸汽泄漏所引起的汽流激振等。第三类是属于非定常强迫振动。这一类问题在性质上是属于

36、强迫振动，因为 振动仍然是由外来干扰力所引起的，而且与扰动力具有相同的频率。但不同的是 振动本身又反过来影响扰动力的大小与相位。这样，它虽属强迫振动，但强迫振 动的幅值与相位是在变化的。比如转轴上某一局部出现不均匀变形，它相当于给 转子增添了不平衡质量，从而使强迫振动的幅值和相位都发生了变化，而当强迫 振动的幅值和相位发生变化时，反过来又影响转子上局部不均匀变形的部位。这 样表现出来的强迫振动，其幅值和相位都在连续不断地变化。这里暂且将这类强 迫振动称之为不定常强迫振动，并单列为一类。(3)相位相位测量可用来描述某一特定时刻机器转子的位置。测量相位的最准确可靠的方法是利用一个键相器(转轴参考系

37、)。使用一个非接触式电涡流传感器或一个光电传感器，就能得到这一键相器。在使用键相器作为相位参考标志时，我们定义相位为键相器脉冲和振动的第一正峰之间的度数。第一正峰相应于机器转子上高点位置。通过确定机器转子上高点的位置，我们就可能确定机器的平衡状态和机器转子上残留的非平衡重量的位置。机器转子平衡状态的改变将引起高点的变化，这种变化通过相位变化显示出来。目前，不论是在转子平衡过程中，还是在振动分析过程中，相位作为一个重要参量正在日益受到人们的重视。振动形式是分析振动数据的重要方法。通过对振动形式的观测，能直观地了解某机器的运行状态。上面讨论的振幅、频率和相位等参数是可测量的参数并能在仪表上显示出来

38、，而振动形式是显示在屏幕上的原始振动波形。振动波形可以分为两种：时基形式是把振动信号实时显示在屏幕上。一般振动信号为正弦波形，它是转轴的位置与水平时间轴的关系曲线。轴心轨迹是由两个互成90。的非接触式传感器接受的振动信号，合成后以X-Y模式显示在屏幕上。在这种模式中，所显示的是对应于两传感器的轴截面中心线的运动。如果传感器安装在轴承上则轴心轨迹是轴的中心线相对于轴承的运动关系。这两种形式对振动分析是很有用的。通过观测时基振动形式，就能够确定基本的振幅、频率和相位。通过观测轴心轨迹，能够了解轴的实际运动情况。所以振动形式无论对预防性维修和预测性维修都是最根本的参数。(4)振型所谓振型是转轴在一定

39、的转速下，沿轴向的一种变形。测量振型的方法是沿轴的轴向每隔一定间距放置一组X-Y(互成90度)传感器，分别测得相应转轴截面的中心线振动情况。综合所测得的这些数据便得到转轴的振型。振型有助于估算转子与固定部件之间的内部间隙，并能估算出转轴上“节点”的位置。对振型的正确认识有助于确定传感器的安装位置和选择合理的动平衡方法。2.1.2 位置参量在分析机器总的运行情况时，我们还应测量另外一些参数，这些参数属于位置测量的范围。对某些特殊机器及其故障进行分析时，这些参量特别重要。下面我们将对这类位置参量进行讨论。(1)径向位置所谓径向位置，是指转子在轴承中的径向平均位置。在转轴没有内部和外部负荷的正常运转

40、情况下，大多数转轴会在油压阻尼作用下，在设计确定的位置浮动。然而，一旦机器承受一定的外部或内部的预加负荷(稳态力)，轴承内的轴颈就会出现偏心。这种偏心是测量轴承磨损和预加负荷状态(例如不对中)的一种振动形式指示。定期测量偏心位置是必要的，因为在出现重大负荷情况下，偏心较大，振幅无法增加，在振幅没有报警的情况下，可能由于偏心太大而发生故障。因此必须及时地检查偏心位置，才能对故障作出早期预报。在机器启动期间，也应该密切注意偏心位置。机器在启动时，由于油流的作用，转轴一般会从轴承底部逐渐向轴承中心处升起。油膜厚度常常约为转轴预加负荷方向的轴承间隙的13。偏心位置的测量是通过安装在轴承处的监测径向振动

41、的同一个传感器进行的，其输出信号的直流成分即代表偏心位置(径向间隙)。因为偏心位置随机器负荷和轴线对中情况而改变，所以电涡流传感器要有足够大的线性范围，使偏心位置的改变不致使转轴越出传感器的测量范围。收集整理机组的“冷态”偏心位置和“热态”偏心位置的数据，建立一个参考系统，对以后比较偏心位置是很重要的。(2)轴向位置轴向位置测量可用来描述止推环法兰和止推轴承之间的相对位置。对于一台汽轮机或压缩机来说，轴向位置可能是最重要的测量参量。轴向位置监测的主要目的是为了保证消除机器转子和定子之间的轴向磨擦。轴向止推轴承的故障可能是最严重的故障。因此，应该认真地进行监测，以防止发生这种类型的故障。我们至少

42、应该安装一个，最好是两个电涡流探头，以便更可靠地测量轴向位置，从而对机器起到保护作用。利用电涡流探头进行轴向位置测量的另一优点是，轴向振动数据能够从同一电涡流探头上测出。尽管轴向振动对于一般设备来说不需要进行连续监测，但是在分析诊断某些特殊故障时却非常有用。如果监测轴向振动，那么观测表面必须光滑并垂直于转子中心线。这样做有助于减少对探头输出的影响，并提供准确的轴向振动数据。(3)偏心度峰峰值偏心度峰峰值是对转轴在静态时弯曲的测量。对于大型汽轮发电机组，经常需要测量偏心度峰峰值。当转轴在启动时，弯曲量可以用电涡流传感器测量的直流峰峰值信号来表示。当峰峰值处于允许的范围以内时，机器可以启动，而无须

43、考虑因残余弯曲及相应的不平衡引起的密封件与转轴之间的摩擦影响。慢转速偏心度最好由安装在远离轴承处的传感器来测量，以测得最大的弯曲偏差。2.1.3 转速在对机械运行状态分析中找出振动和转速之间的关系是特别重要的。在设计时，它的转速运行范围应避开机器的平衡共振，并且使其运行转速也不激发机器的这些特殊共振。机器启动时的数据在确定平衡共振时是重要的，这些数据可表示为振幅和相位与机器转速之间的关系曲线，在描绘这种曲线和寻找这些参量之间的关系时，可以很容易地确定机器的平衡共振(临界共振)。2.2 故障诊断常用标准2.2.1 振动标准2.2.1.1 ISO 2372-1974(E)振动烈度测量和评定标准 本

44、标准仅适用于评定单独一台机器的机械振动。而且仅限于研究机器表面上、轴承上或固定点上的频率为101000Hz的振动(转速范围则限于60060000rmin)。 显然，在表面上作振动测量仅能提供一台机器的总体振动。它不能给出关键零部件实际振动和振动应力的数据，也不能保证机器本身不发生过大的局部振动。尤其是机器表面上所测得的振动常常不能准确地反映旋转零部件的扭转振动。 虽然存在上述各种复杂因素，若对上述因素作出全面的理论分析再来确定规范，往往导致不必要的复杂化，甚至不适应于实际应用。因而，采用一个单项值来确定机器在试验时的振动状态是可取的。 此国际标准中，术语“振动烈度”(Vibration Sev

45、erity)是描述一台机器振动状态的简明而又综合的特征量，它提供了一个可靠而仅需作简单测量的评定方法。它与发生在实践中的大多数机器振动情况大致相同，即其评定结果不应与已有的经验相抵触。“振动烈度”一词是描述机械振动的通用术语。其量值可用最大值、平均值或有效值表示。此标准确定为最大速度的均方根值。振动速度的均方根值可按下式计算，即： 一般来讲，选用振动速度的均方根值表示振动烈度，并不排除其它参数的测量。常用的几种传感器仍可继续使用，其所测数据可方便地换算为振动速度有效值。假定，根据频谱分析，已知加速度、速度、位移的幅值单边峰值(aj、vj、sj ，j=1，2，n)，均可用角速度(1、2、 n)

46、的函数加以确认，从而求出振动速度的均方根值，其关系式如下：为了衡量种类繁多的各种机器的振动程度，需要制订一个“振动烈度”等级表。此标准以“振动烈度”作为特征量，在101000Hz范围内给出了振动烈度推荐界限值(见附表1)。表中等级之间的比例为1：16，其振动烈度等级差值为4dB，此表可作机器振动分类的基础。 在此标准的附录中，作为一个应用实例，对普通机器进行了分类，并给出了典型类别的许用“振动烈度”界限值范围。按所推荐的界限值，其类别划分按如下定义： 类：在正常运行条件下，与整机连成一体的发动机或机器的单独驱动部件，功率15kW或15kW以下的电动机是这类机器的典型例子；类：无专用基础的中型机

47、器(功率为1575kW的电动机)、刚性安装的发动机和安装在专用基础上的机器(功率可达100kW)；类：安装在振动测量方向上相对刚度很小的重型基础上的大型原动机和其它大型旋转机械；类：安装在振动测量方向上相对刚度很小的基础上的大型原动机和其它大型旋转机械(如透平发动机组，特别是轻型结构基础上的这种机组)；V类：安装在振动测量方向上相对刚度很大的基础上的具有往复运动零部件、而惯性力又不能平衡的机械驱动装置和机器； 类：安装在振动测量方向上相对刚度很小的基础上的具有往复运动零部件、而惯性力又不能平衡的机器和机械驱动装置，和具有松动连接的旋转机械，例如磨粉机、研磨机、振动筛、动力疲劳试验机和激振器等，以及诸如离心机那样无具体连接件而工作时不平衡量又变化的机器。