旋转机械的监测诊断10年.ppt

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1、,第五章 旋转机械的振动监测与故障诊断,内容,5.1 旋转机械的结构5.2 转子振动的测量5.3 转子振动评估标准5.4 转子振动监测特征参数5.5 旋转机械故障原因5.6 转子的常见分析方法5.7 转子典型故障机理与特征,5.1 旋转机械的结构,旋转机械-由转动部件和非转动部件构成的(汽轮机、发电机、压缩机组、电动机、水轮机、航空发动机等设备)主要构成部件有转子、支承转子的轴承（滑动轴承）、定子或机器壳体、连轴器等转速范围一般为几千r/min到几万r/min之间（水轮机组只在100r/min）旋转机械的关键部件-运动部件（转子）,轴流压缩机,多级汽轮机转子,转子是由合金钢锻件整体精加工，并且

2、在装配上叶片后，进行全速转动试验和精确动平衡,滑动轴承,主要由轴承座1（或壳体）和轴瓦2组成滑动轴承结构,向心轴承,向心推力轴承,整体式向心轴承,剖分式向心推力轴承,1、轴承座2、轴承盖3、4轴瓦,常见的剖分式轴瓦结构有油孔、油槽；用于输送和分布润滑油，其中油槽不应开在油膜承载区，否则会破坏油膜的承载能力，造成滑动表面的严重磨损为提高轴瓦的使用寿命，通常在一般材料制成的轴瓦内贴一层减摩材料（即轴衬）轴瓦和轴衬的主要要求：具有良好的减摩、抗摩性；一定的强度；易于加工等。常用的材料：青铜、轴承合金、粉末冶金（含油轴承）和非金属材料（塑料、尼龙）等,5.1.1 转子振动的类型,由于旋转机械的结构、零

3、部件加工、安装方面的缺陷，使得机器在运行时引起振动。横向振动过大的横向振动往往是机器损坏主要原因，所以成了振动监测的主要对象，也是机组状态判断的主要依据刚性转子运行转速低于一阶横向（固有）频率，如常见的电动机转子柔性转子运行转速高于一阶横向（固有）频率，如常见的燃气轮机转子、压缩机转子轴向振动扭转振动,5.1.1 转子振动的类型,强迫振动凡在外力激励下强迫发生的振动,如不平衡、不对中、碰摩其主要特征是振动频率等于简谐驱动力的频率在诊断中，其振动频率为转子的回转频率及其倍频强迫振动的长期行为与初始状态无关振动幅值在临界转速以下时，随着转速的增加而增大，超过临界转速，则随转速的增加而减小，在临界转

4、速处，有共振峰值。其激励原因主要是由转子不平衡（转子的质心与回转轴线偏离）产生的离心力，其大小取决于不平衡程度,5.1.1 转子振动的类型,自激振动由外部条件变化（如喘振、流体激励等）引发的自身振动，其振动频率为系统自身的固有振动频率。自激振动的形成却依赖于初始振动的存在，若没有初始振动，就没有可以反馈的信号，系统不能“起振”这种振动常常在某个转速下突然发生，因此对旋转机械具有极大的危害性。对环境条件的变化十分敏感，机器的微小差异，其稳定性可能具有极大的差异,油膜振荡,机床切削颤振,琴弦的振动（提琴、胡琴）摩擦引起,上满发条的钟,5.1.2 转子的临界转速,旋转机械在起停车过程中，转子的振幅随

5、转速增大而增大，到某一转速（或某几个）时振幅达到最大值（共振），超过这一转速后振幅随转速增大逐渐减小，且稳定在某一范围内，这一转子振幅最大的转速称为转子的临界转速。,5.1.2 转子的临界转速,在无阻尼的情况下转子的临界转速等于其横向固有频率，因此转子的临界转速个数与转子的自由度相等，对于实际转子来说，理论上有无穷多个临界转速，但由于转子的转速限制，往往只能遇到有限个临界转速。在有阻尼的情况下升速时，转子的临界转速略高于其横向固有频率；在降速时，测量所得到的临界转速略小于横向固有频率；根据转子的转速 n 与其第一阶临界转速 ncr1间的关系，可划分n0.5ncr1 刚性转子0.5ncr1n0.

6、7ncr1 准刚性转子n0.7ncr1 柔性转子,动力学特性不同动平衡时区别对待,5.2 转子振动的测量,1、常 用 的 测 量 仪 器频 谱 分 析 仪数 据 采 集 器振 动 传 感 器示 波 器,2、测 量 单 位 及 检 测 类 型 位移（Pk-Pk）：适合于低频范围 速度（Rms,Pk）：适合于中频段 加 速 度（Pk）：适合于高频段,5.2.1 测振传感器（一次仪表）分类,1.测振传感器的作用把被测对象的机械振动量（d，v，a）在要求的范围内准确地接收下来，并把它们转变成电信号输出。2.测振传感器的分类(按所测参数形式分)位移传感器速度传感器加速度传感器,5.2.2 测振传感器性能

7、,3.三类传感器的频率特性与动态范围比较(1)加速度传感器的频响特性与动态范围最宽（10-20KHz）(2)速度传感器一般在101000Hz(3)位移传感器从理论上可到0.1 10000Hz，一般在2kHz以下,5.2.3 测振传感器位移传感器,4.电涡流式位移传感器1)特点：非接触2)适用范围：旋转机械的振动监测(具有表面线速度的转子的振动)3)优点：a.线性度好、频率范围宽(DC-10000Hz)；c.线性范围内灵敏度不随初始间隙的大小改变；d.能长时间连续可靠的工作；e.长距离传输抗干扰能力强；f.能在油、气及某些化学成分介质中工作。4)结构类型a.变间隙型电涡流传感器；b.变面积型电涡

8、流传感器。,5.2.3 测振传感器位移传感器,5)原理：在传感器的端部有一线圈，线圈通以高频(一般12MHz)的交变电流。当线圈平面靠近一导体面时，穿过导体的磁通量随时间而变化，在导体表面感应出电涡流，涡流产生的磁通又穿过原线圈。所以原线圈与产生涡流的导体相当于两个具有互感的线圈，互感的大小与线圈离导体表面的间隙有关。,5.2.3 测振传感器位移传感器,6)被测物体尺寸及材料对测量性能的影响a尺寸的影响当被测物体为圆柱，且传感器中心线垂直于被测物体轴线，要求：D3d（d为探头头部直径）如果Dd，灵敏度会下降70左右。b.表面加工质量的影响不规则的表面会给实际测量造成附加误差。一般被测表面的粗糙

9、度Ra要求在0.40.8m之间（磨或抛光）c.材料的影响当被测物体为导磁材料（如普通钢）时，由于磁效应和涡流效应同时存在，且磁效应与涡流效应相反，会抵消一部分涡流效应，使灵敏度变低。,5.2.3 测振传感器位移传感器,7)涡流传感器的安装a.探头间的距离b.探头与安装面的距离,5.2.3 测振传感器位移传感器,5.2.3 测振传感器位移传感器,9)使用时的注意事项安装时要注意平均间隙的选取，即平均间隙加上振动间隙(总间隙)应处于传感器的线性范围内，否则会引起测量误差及波形失真。一般平均间隙选在线性中点。选用传感器时要注意传感器的动态特性、频率范围。,测 绝 对 振 动,测 相 对 振 动,振

10、动 的 测 试 方 式,测 点 位 置 的 选 取,三个方向 设测点,给测点位置作记号 设备表面的处理,尽量靠近轴承,测量部位应选在设备上对振动敏感的部分。一般都把轴承处选为主要测点，把机壳、箱体、基础的部位选作辅助测点,对于低频振动，一般应在水平、垂直和轴向三个方向测量；对于高频振动，只需在一个方向（径向）测量。其原因在于低频信号的方向性较强，而高频信号方向不敏感数字序列从驱动器非驱动侧的轴承座开始，赋予其数字001，朝着被驱动设备进行数字排列，直到第一根轴线的最后一个轴承,测 点 编号原则,武钢大型厂加热助燃风机机组,该机组由直流电机和风机两部分组成，其中风机为单轴悬臂结构，支撑部位采用滚

11、动轴承，与电机采用直连方式,5.3、旋转机械振动评定标准,目前最常采用的是通频振幅来衡量机械运行状态，根据所使用的传感器种类分为：轴承振动评定：利用接触式传感器（如压电式振动加速度传感器）放置在轴承座上进行测量轴振动评定：利用非接触式（如涡流式传感器）测量轴相对于机壳的振动值或轴的绝对振动值。评定参数可用振动位移峰峰值和振动烈度（即均方根值，它代表了振动能量的大小）来表示。,5.3、旋转机械振动评定标准,1、以轴承振动位移峰峰值作为评定标准特点：转速低时，允许的振动值大，转速高时，允许的振动值小。原因：同样的振动值，高速机组比低速机组更易出现故障,1959年水电部颁发的电力工业技术管理法规关于

12、汽轮机组轴承的振动标准要求机组垂直、水平和轴向均满足该标准,5.3、旋转机械振动评定标准,“轴承振动位移峰峰值评定标准”存在的问题：在制定上述标准时，假设：机组振动为单一频率的正弦波振动轴承振动和转子振动基本上有一固定的比值，因此，可用轴承振动来代表转子振动轴承座在垂直、水平方向上的刚度基本相等，即各向同性实际与假设不尽相符，所测得的振动多数是由多种频率的振动合成的；轴承座水平刚度明显低于垂直刚度；转子振动和轴承座振动的比值在250倍，它和轴承类型、间隙、油膜特性等有关。因此，为了全面反映机组的振动情况，必须制定其他的振动标准。,5.3、旋转机械振动评定标准,2、以轴承振动烈度作为评定标准国际

13、标准化组织ISO3945给出了用振动烈度评定功率大于300KW，转速为600-12000 转的大型原动机和其他具有旋转质量的大型机器振动特性的国际标准。如电动机和发电机、蒸气轮机和燃气轮机、涡轮压缩机等,刚性支承是指机器支架系统的第一阶固有频率高于主激振频率,5.3、旋转机械振动评定标准,振动烈度是振动速度的均方根值（有效值）；振动烈度值与信号所含的能量关系密切，受频率变化的影响较小，对机组常发生的非表面损伤类故障或渐进性故障比较敏感。计算：振动由几个不同频率的简谐振动所合成，由频谱分析可知，加速度、速度或位移幅值（aj、vj、Aj，j=1,2,n）是角速度j的函数。根据加速度幅值aj、位移幅

14、值Aj或速度幅值vj，可计算出振动速度的均方根值：,5.3、旋转机械振动评定标准,3、以轴振动的位移峰峰值作为评定标准在轴承座上测量机组的振动较为方便，然而机组转子的振动要通过油膜传到轴承座，所测得的振动幅值受油膜刚度和轴承刚度的影响，因此，直接测量转轴的振动值以判断转子的振动特性将能更确切地反映振动的实质。以上振动标准不能机械套用，还应结合机组的振动趋势综合考虑，如长期振动较小的机组或测点，当其振动值增加但还未超过振动标准时，这也是故障征兆，应给予足够的重视。,国际电工委员会IEC推荐的汽轮机振动标准,5.4 旋转机械振动监测特征参数,对于设备来说，有许多物理量可以测量，由于机器的振动情况直

15、接反映了机器运行状态的优劣，机器的许多故障都以振动形式反映出来，振动为故障诊断提供了重要信息，因此振动是故障诊断必须监测的参数之一。此外，与之相关的过程参数，工艺参数也是故障诊断的有用参数。,监测参数1）动态参数：振幅、振动烈度、相位2）静态参数：轴心位置、轴向位置、差胀、对中度、温度、润滑油压,5.4 旋转机械振动监测特征参数,1.振幅位移振幅常用：峰峰值(PP值)表示；速度振幅常用：有效值（振动烈度）Vrms来表示；加速度振幅常用：峰值表示。振幅（A）一般用振动的位移、速度或加速度表示。位移一般用微米(m)表示，现场也有用丝为单位，1丝=10m；速度一般用mm/s表示，加速度一般用m/s2

16、或重力加速度g表示。,5.4 旋转机械振动监测特征参数,2.频 率频率（f）是具有周期性变化规律的物理量在单位时间内的循环次数。由于振动频率趋向于机器转速的整数倍或分数倍，通常表示为机器转速的倍数，如：1X=1rpm 表示振动频率和机器的转速相同 0.43X=0.43rpm 表示振动频率是机器转速的43频率是用来分析设备故障的主要参数。有些故障通常表现为特定的频率，但振动频率和故障之间并不存在简单的一一对应关系。,5.4 旋转机械振动监测特征参数,3.相 位相位()是用角度来表示的两个信号之间的计时关系。振动相位指从键相器信号触发到振动信号第一个正峰值之间的角度。相位的测量对于确定转子上的高点

17、、转子的临界转速以及诊断故障和进行动平衡等都是非常重要的。许多设备故障从幅值谱上不易区分时，需对相位作进一步的分析。由于转子各类故障带来的直接后果是破坏了转子的对称性，使转子同一截面水平和垂直方向的振动信号的相位差不再是90度。4.转速旋转机械的转速变化与设备的运行状态有非常密切的关系。当设备发生故障时，转速也会相应地变化。离心式压缩机中：喘振 转速波动；动静碰磨 转速波动。,5.4 旋转机械振动监测特征参数,5.轴位移（轴向位置）轴向位置是止推盘和止推轴承之间的相对位移。例如：转子动静部件之间的轴向摩擦是旋转机械常见的故障之一，同时也是最严重的故障喘振等都会引起轴向位置的变化。为判断设备的负

18、载状态和冲击状态提供必要的信息6.轴心位置轴心位置是描述安装在轴承中的转轴平均位置的特征参量。例如：轴承座磨损 轴颈偏心。（机器转轴在油压阻尼的作用下，在设计确定的位置浮动，但当轴瓦磨损或转轴受到内部或外部的预加负载时、导致偏心）而涡流传感器的直流分量变化反映轴心位置的变化。,5.4 旋转机械振动监测特征参数,7.差胀、机壳膨胀对大型旋转机械，由于转子较长，在起动过程中转子受热快，沿轴向膨胀量比汽缸大，两者的热膨胀差称为“差胀”。转子的热膨胀汽缸的热膨胀，称为“正差胀”；转子的热膨胀汽缸的热膨胀，称为“负差胀”。正差胀多出现在开机过程，负差胀多出现在停机过程。差胀变化大的影响因素：暖机不当，如

19、升速过快或暖机时转子与汽缸温度相差悬殊。增减负荷速度过快。空负荷或低负荷运行时间过长(尤其由满负荷降至空负荷时，差胀向负方向显著增大)。汽温、真空短时突变，如真空突然下降，引起低压缸部分膨胀造成负压差胀，水冲击造成汽温突然下降。,5.4 旋转机械振动监测特征参数,8.慢转偏心距慢转偏心距指的是机器静止时的弯曲量，如果在允许的范围内，机器可以起动。测量方法：起动时用涡流传感器测得的信号中的交流信号峰峰值表示。9.姿态角：转子中心与轴瓦中心连线与y轴（垂直方向）的夹角。10.温度轴瓦温度反映轴承运行情况11.润滑油压反映滑动轴承油膜的建立情况12.电流、电压等,静止,工作,5.5 旋转机械故障的原

20、因,设计、制造方面设计不当，动态性能不良，运行时发生强迫振动或自激振动；结构不合理，应力集中；工作转速接近或落入临界转速区；零部件加工、制造不良，精度不够；零部件材质不良，制造缺陷；转子动平衡不符合技术要求。,5.5 旋转机械故障的原因,安装维修方面安装不当，零部件错位，预负荷大；轴系对中不良；机器几何参数(如配合间隙、过盈量及相对位置)调整不当；管道应力大，机器在工作状态下改变了动态特性和安装精度；转子长期放置不当，改变了动平衡精度；安装或维修过程中破坏了机器原有的配合精度。,5.5 旋转机械故障的原因,运行操作方面机器在非设计状态下运行(如超转速、超负荷等)改变机器工作特性；润滑或冷却不良

21、；旋转体局部损坏或结垢；工艺参数(温度、压力、流量、负荷等)操作不当，机器运行失稳；启、停车过程中操作不当，暖机不够，热膨胀不均匀或临界区停留时间长。,5.5 旋转机械故障的原因,机器劣化方面长期运行转子挠度增大；旋转体局部损坏、脱落或产生裂纹；零部件磨损、点蚀或腐蚀等；配合面受力劣化，产生过盈不足或松动等，破坏了配合性质；机器沉降不均匀，机器壳体变形。,强迫振动不平衡（叶片脱落、结垢、质量不平衡、弯曲等）不对中（平行、角度、平行角度不对中等）碰摩裂纹管道激振自激振动油膜涡动、振荡旋转脱离喘振轴承座松动流体激励密封磨损,5.6 旋转机械振动分析方法,转子常见典型故障,5.6 旋转机械振动分析方

22、法,旋转机械常见分析方法稳态频域分析振动频率、多重频率、脉冲激发、拍、频率和差、轴心轨迹、涡动暂态（起停车）频域分析波徳图、极坐标图和瀑布图趋势分析基于频谱插值技术的全息谱分析,5.6 旋转机械振动分析方法,1、稳态频域分析振动频率：线性系统中振动的频率应等于激振力的频率，而激振力又是零部件故障产生的，因此，测量了转轴组件的振动频率，就可以找到激励源。当转轴组件对中不良、松动或过载时，系统出现非线性刚度，振动频率中会包含有激振频率的高次谐波。一台在管道共振区附近运行的汽轮机，由于内部质量不平衡造成过载，从而迫使轴承在非线性区域工作，出现了激振频率的高次谐波。,5.6 旋转机械振动分析方法,多重

23、频率：如果振动传感器测量的信号是两个信号的迭加，则此两个信号的频率可以在谱图上区分取来。转速为800转的大型水泵振动频谱。由于水泵的叶轮上有四个叶片，每个叶片上的水量不等（不平稳）而产生基频信号，频率54.4Hz(413.6)是叶片与水撞击形成的。,5.6 旋转机械振动分析方法,脉冲激发：当机器受到冲击载荷时，机器就会按其固有频率进行振动图中所示的功率谱中有一谱峰位于机器的固有频率处。若机器中零件的缺陷比较严重，则此固有频率还将被缺陷的频率 f1所调制而产生边频，这方面典型的例子是齿轮传动系统,激发脉冲,振动谱图,5.6 旋转机械振动分析方法,拍：拍的现象在旋转机械振动中经常出现，当两种振动频

24、率相近且幅值相等时，叠加起来就会产生拍时域信号的包络相当于频率等于(w1-w2)/2的缓慢波动。在功率谱上，可以分辩处两个频率十分接近，高度又接近相等的谱峰。,5.6 旋转机械振动分析方法,频率和差规律：是指设备功率谱图上各个谱峰的中心频率等于两个频率的和或差值。如(w2-w1),(w1+w2),(w1+2w2),(2w2-w1),(2w1-w2)等。这种现象是当时域信号形成拍并且单边削平时经频域变换得到的(频率分量的多少，取决于削平的程度)故障原因：故障（对中、松动、刚度）使得振动幅值增加和输入激励不是线性关系，即突变增加，导致转子的振动与定子的振动发生干涉,5.6 旋转机械振动分析方法,例

25、子：225KW电动机的振动频谱，当滚动轴承产生缺陷时，谱图上出现一系列和频和差频。随着滚道上缺陷的不断增大，由于单边削平的深度增加，和频和差频的数目也随之增加。图中为内圈滚道上有剥落情况下出现的一群谱峰。这些谱峰所在的中心频率都是钢球通过内滚道的频率(fi=148Hz)与转轴组件回转频率（f129.6Hz）之和差。这两种频率是分别由内滚道缺陷和转轴组件质量失衡所引起的。,129.6Hz(f1)2118.4Hz(fi-f1)3184Hz(2f0)4266.4Hz(2fi-f1)5325.6HZ(2fi+f1),5.6 旋转机械振动分析方法,总结上述5种情况都是以频域分析为基础，亦即是以激振频率来

26、查找激振原因但有些不能在频谱中明显地反映出来得特征能够在时域信息中表现出来。如轴弯曲和不对中的削波频谱中有基频分量和高次谐波，而线性和的波形频谱中也有基频分量和高次谐波频域分析必须和时域识别密切结合。,轴弯曲和不对中,5.6 旋转机械振动分析方法,轴心轨迹转子在轴承中高速旋转时不只围绕自身中心旋转，还环绕某一中心作涡动运行。产生涡动运动的原因可能是转子不平衡、对中不良、动静碰磨等，这种涡动运动的轨迹称为轴心轨迹。获取：一般采用两个互成90度安置的涡流式传感器，在各自方向上测量转轴组件相对机座的振动，并去除直流分量后加以合成得到的。,进动方向转子转动时，由于离心惯性力的作用，转子产生动挠度。此时

27、，转子有两种运动：1）转子自身的转动，即圆盘挠轴线AOB的转动；2）弓形转动，即弯曲的轴心线AOB与AOB组成的平面绕AB转动。通过分析轴心轨迹的运行方向和转轴的旋转方向，可以确定转轴的进动方向（正进动或反进动）正进动：转子的涡动方向与转子转动角速度同向；反进动：转子的涡动方向与转子转动角速度反向。,5.6 旋转机械振动分析方法,5.6 旋转机械振动分析方法,5.6 旋转机械振动分析方法,2、暂态频域分析将机械系统的启停车过程称为暂态过程。由于转轴组件从启动、升速到达额定转速的过程经历了全部各种转速，在各个转速下的振动状态可以用来对临界转速、固有频率、阻尼系数各个参数辨识之用因此，启车和停车过

28、程包含了丰富的信息，是稳态运行状态下所无法获得的，对暂态过程进行频域分析常采用以下3种图形分析法波德图：幅频和相频的关系曲线极坐标图：幅频和相频的综合表现瀑布图：各频率成分的幅值频率变化关系,5.6 旋转机械振动分析方法,5.6 旋转机械振动分析方法,波德（Bode）图是机器振幅与频率（转速）、相位与频率（转速）的关系曲线。波德图上的幅值是将信号经过同步跟踪数字式滤波器过滤得到的，只包含有与转速相同的一个基频分量，其他高次谐波均已滤除。由于基频分量主要是由转子失衡引起的，因此，波德图也称为失衡响应图。,从波德图上可以得到如下的信息：转子系统在各个转速下的振幅和相位；振幅峰值和相位偏移时的转速，

29、可以判断共振频率（临界转速）确定出阻尼系数,5.6 旋转机械振动分析方法,极坐标图（Nyquist图）：是把波德图中的幅频特性曲线和相频特性曲线综合在极坐标上表示出来。即在转轴组件启动过程中，当转速增加时，将不同转速下的幅值和相位作在极坐标平面上所连成的曲线。,从极坐标图上可以得到：转轴在整个运行范围内对失衡的响应；共振频率一般来说，极坐标图比较直观地反映出轴心的暂态位置，使用也比较方便，因此较波德图更常用。,波特图-极坐标图,显示振幅及相位随转速的变化。从中可确定临界转速及由于摩擦、轴裂纹等故障。,瀑布图实质是在启动或停车过程中，在不同转速下振动的功率谱图的迭置，即由不同转速下的多个功率谱形

30、成的三维瀑布图,5.6 旋转机械振动分析方法,瀑布图反映的信息回转频率及其各次谐波下谱峰的高度可以判断机器的临界转速还可以看到转子零件的自振频率（不随转速改变的谱峰）可以判断转子失衡情况,3、趋势分析把所测得的特征数据值和预报值按时间顺序列起来进行分析。特征数据可以是通频、1X振幅、轴心位置等时间顺序可以按采样前后、按小时、按天等,5.6 旋转机械振动分析方法,5.6 旋转机械振动分析方法,4、全息谱分析“全息谱技术是针对国民经济重大、关键机械设备的运行状态进行监测和故障诊断而开发的一项技术，其所以命名为全息谱，是因为它在频域中集成了机组转子振动的幅值、频率和相位信息，从而大大提高了对故障的识

31、别能力。”机械故障的全息诊断原理（屈梁生院士著）,5.6 旋转机械振动分析方法,国内外对大型回转机械故障诊断应用广泛的方法仍然是FFT幅值谱、轴心轨迹、瀑布图、趋势图等，这些方法的主要缺点是：分析结果不直观，幅值谱和相位谱分离；相位谱由于误差太大基本不用；转子在垂直和水平两个方向的振动分别孤立地考虑，因此对转子在一个支承截面内的振动，很难根据分析的结果得到一个完整的印象；在时域中，轴心轨迹往往有很大的噪声干扰，对于复杂的轨迹，不能提取故障特征。,传统诊断技术的问题,全息诊断的特点,全息诊断是一种新的分析方法，将转子在一个支承截面上的综合振动情况即精确又直观地表达出来。其中，二维全息谱就能很好地

32、反映转子一个支承面的振动情况;另外，三维全息谱还能反映整根转子的振动情况和在任意转速下的振形；最后，由全息谱衍生出来地其他技术，如提纯轴心轨迹、合成轴心轨迹、滤波轴心轨迹等，也在大机组的故障诊断中发挥其各自的作用。,基于全息诊断技术的旋转机械信号采集及分析基本步骤Step1：信号采集Step2：FFT变换Step3：频率、幅值和相位校正（内插技术）Step4：全息诊断技术二维三维轴心轨迹,全息诊断原理的构成,全息谱是一种将机组的振动信号在完成频域转换后，进一步将频谱上的谱线加以集成而形成的谱图或轴心轨迹。是以傅立叶变换为基础，处理的对象主要是平稳信号。由于全息谱是在数据层对信息进行融合，所以对

33、集成的信号有严格的要求。归纳起来，主要有以下几个方面：传感器安装条件及特性相同；采样频率相同；起始采样的时间一致；各分量的幅值、频率和相位数值精确（利用内插技术比值校正法）。,二维全息谱的构成,二维全息谱是在频域中集成了转子一个支承截面内X，Y两个方向信号的幅值谱和相位谱的谱图。它综合地反映了转子在一个支承截面内地振动情况；在两个方向上振动的幅值和它们之间的相位关系。二维全息谱的基本组成是以阶次（频率）为横坐标，在横坐标上排列各阶的振动椭圆（偏心率不等）。在特殊情况下，椭圆可退化为直线或圆。相位差90或270度时，成圆；相位差180或0度时，成直线,二维全息谱的应用界面,用于模式分类,二维全息

34、谱的特点,与时域中的轴心轨迹一样，在频域中，二维全息谱上椭圆的形状与传感器安装的位置无关。传感器的测点位置不同，但椭圆的形状，各个椭圆的相对位置不变。反映的是转子在一个支承面上的各阶振动在频域的变换。,三维全息谱的构成,是把一根轴系上全部支承处的转频椭圆串起来所形成的全息谱。因此，其基本组成是转频椭圆、转频椭圆上的初相点和连接个转频椭圆的创成线。（因为，椭圆运动不是等速运动，所以在绘制创成线时必须按顺序将相应的采样点连接起来。）,三维全息谱的构成,由频域变换衍生的轴心轨迹,傅立叶谱上的每一根就是一个正弦分量。因此，如果把 X 方向和 Y 方向的两个傅立叶谱上相应的谱线有选择性地重新合成起来，就

35、可以得到新的轴心轨迹，称为合成轴心轨迹，其目的是突出故障的特点。如果把全部谱线重新合成起来，所得到的轨迹称为提纯轴心轨迹，其目的是消除原始轴心轨迹中的噪声。如果对信号的一个频带进行保相滤波，所合成的轴心轨迹称为滤波轴心轨迹，主要目的用于分析分倍频区中的有色噪声。,合成轴心轨迹故障诊断实例：不对中,原始轴心轨迹 合成轴心轨迹,转子对中缺陷(1X、2X、4X合成),合成轴心轨迹（1，2，4）中的特征：呈香蕉形或8字形，但香蕉形并不意味着机组不对中程度较8字形轻；当四倍频分量增大时，轴心轨迹还可能出现双8字形。,滤波轴心轨迹故障诊断实例：汽封磨损,为了减少压缩机内的气体泄漏，以及级与级间的串气，设置

36、密封，级间密封一般为迷宫式，由320个靠得进的梳齿组成，梳齿与轴的径向间隙一般为，使得通过间隙的泄漏减少到最小。这些密封是靠流体的动压力而工作的，其内部的流体正常情况下与轴承中的都是层流的，当气封磨损后，气流在密封腔中从进口流向出口时随着截面间隙的不断变化，流体沿其流动方向上的压力也不断发生变化，因而在转子周围形成不均匀的分布，造成回转腔内的流体流动变得紊乱，从而使转子产生异常振动。,A为整体式密封、BC为镶嵌式密封,滤波轴心轨迹故障诊断实例：气封磨损,原始轴心轨迹图中轨迹比较复杂，不易识别；选取滤波频带：1,16Hz经滤波后的轴心轨迹图的效果较好，表现为工频圆的晃动。符合气封磨损的轴心轨迹特

37、征。,原始轴心轨迹 滤波轴心轨迹,常 见 的 设 备 故 障,质量不平衡悬臂转子轴弯曲不 对 中松 动转子与定子摩擦,力 不 平 衡 力 偶 不 平 衡 动 不 平 衡,联轴器不对中 平行不对中 偏角不对中 平行偏角不对中 轴承不对中,结 构 框 架/底 座 松 动 轴 承 座 松 动 轴 承 等 部 件 松 动,5.7 转子典型故障机理与特征,不 平 衡,转子不平衡,质量不平衡所有不平衡都可归结为转子的质量偏心转子的质量不平衡产生的离心力始终作用在转子上，其振动频率就是转子的转速频率，在频谱分析时，首先要确定工频分量刚性转子：质量不平衡产生的离心力Fmrw2与转速的平方成正比，测得的振动随转

38、速增大而增大，但不一定与转速平方成正比（轴承与转子的非线性）,转子不平衡,柔性转子：转子的稳态振动是一个与转速同频的强迫振动，振幅随转速按振动理论中的共振曲线规律变化，转速频率的高次谐波幅值较低，在临界转速处达到最大值。时域波形接近于正弦函数突出表现为1倍频振动幅值大。,质 量 不 平 衡A,工频占主导，相位稳定。如果只有不平衡，1X幅值大于等于通频幅值的80，且按转速平方增大。通常水平方向的幅值大于垂直向的幅值，但通常不应超过两倍。水平方向和垂直方向的相位相差接近90度,典型的频谱,相 位 关 系,力 不 平 衡,质 量 不 平 衡B,典型的频谱,相 位 关 系,力 偶 不 平 衡,工频占主

39、导，相位稳定。振幅按转速平方增大。偶不平衡在机器两端支承处均产生振动，有时一侧比另一侧大较大的偶不平衡有时可产生较大的轴向振动。两支承径向同方向振动相位相差180。,质 量 不 平 衡C,动不平衡是前两种不平衡的合成结果。仍是工频占主导，相位稳定。两支承处同方向振动相位差接近。,典型的频谱,相 位 关 系,动 不 平 衡,悬 臂 转 子 不 平 衡,悬臂转子不平衡在轴向和径向都会引起较大1X振动。悬臂式转子可产生较大的轴向振动，轴向振动有时甚至超过径向振动。两支承处轴向振动相位接近。往往是力不平衡和力偶不平衡同时出现。,典型的频谱,相 位 关 系,轴 弯 曲,振动特征类似动不平衡，振动以1X

40、为主，如果弯曲靠近联轴节，也可产生2X 振动。类似不对中、通常振幅稳定。轴向振动可能较大，两支承处相位相差180。振动随转速增加迅速增加，过了临界转速也一样。,典型的频谱,相 位 关 系,不 对 中,有资料表明现有企业在役设备3050存在不同程度的不对中，严重的不对中会造成设备部件的过早损坏，同时会造成能源的浪费。不对中既可产生径向振动,又会产生轴向振动；既会造成临近联轴节处支承的振动,也会造成远离联轴节的自由端的振动。不对中易产生2X振动，严重的不对中有时会产生类似松动的高次谐波振动（严重时发生干涉）.相位是判断不对中的最好判据。,转子不对中的类型,正确对中 e=0,=0,平行不对中 e 0

41、,=0,角度不对中 e=0,0,综合不对中 e 0,0,理论分析,平行不对中,联轴器运动,对求导,K点的线速度,联轴器不对中 A,典型的频谱,相 位 关 系,平 行不 对 中,定义：当转子轴线之间存在径向位移。平行不对中的振动特性类似角不对中，但径向振动较大。频谱中2X较大，常常超过1X，这与联轴节结构类型有关。角不对中和平行不对中严重时，会产生较多谐波的高次（4X8X）振动。联轴节两侧径向振动相位差180。,联轴器不对中B,定义：当转子轴线之间存在偏角位移。角不对中产生较大的轴向振动，频谱成分为1X和2X；还常见1X、2X 或3X 都占优势的情况。如果2X或 3X超过 1X 的 30到 50

42、，则可认为是存在角不对中联轴节两侧轴向振动相位相差180.,典型的频谱,相 位 关 系,角 不 对 中,轴承不对中 C,轴承不对中实际上反映的是轴承座标高和左右位置的偏差，由于结构上的原因，轴承在水平和垂直方向上具有不同的刚度和阻尼，不对中的存在加大了这种差别。虽然油膜能够在一定程度上弥补不对中的影响，但不对中过大时，会使轴承的工作条件发生改变，在转子上产生附加的力和力矩，甚至使转子失稳或产生碰磨。轴承不对中同时使轴颈中心和平衡位置发生变化，使轴系的载荷重新分配，负荷较大的轴承油膜呈现非线性，在一定条件下出现高次谐波振动；负荷较轻的轴承易引起油膜涡动进而导致油膜振荡,典型的频谱,相 位 关 系

43、,轴 承 不 对 中,对中不良设备的轴心轨迹,全息谱中的特征：特征频率为二倍频，伴随一、三倍频；二倍频椭圆大，偏心率小；四倍频椭圆的偏心率也小，其长轴与二倍频椭圆的长轴接近垂直；三倍频椭圆相对地小。提纯轴心轨迹（1，2，4）中的特征：呈香蕉形或8字形，但香蕉形并不意味着机组不对中程度较8字形轻；当四倍频分量增大时，轴心轨迹还可能出现双8字形。,故障案例a)机组来源：荆门炼油厂b)故障设备：烟机c)设备状态：转速：924 rpm；采样频率：1K,机 械 松 动,松动本身不是纯粹 的故障,不会直接 产生振动，但它可 放大故障的作用。,A 结 构 框 架 或 底 座 松 动,B 轴 承 座 松 动,

44、C 轴 承 等部 件 配 合松 动,A.结 构 框 架/底 座 松 动,振动特征:类似不平衡或不对中,频谱主要以1X 为主。振动具有局部性,只表现在松动的转子上。底板连接处相邻结合面的振动相位相差180。如果轴承紧固是在轴向,也会引起类似不对中的轴向振动.,包括如下几方面的故 障 支脚、底板、水泥底座松动/强度不够；框架或底板变形；紧固螺丝松动。,B.由于结构/轴承座晃动或开裂引起的松动,振 动 特 征:主要以2X为特征(主要是径向 2X 超过1X的50%)幅值有时不稳定振动只有伴随其它故障如不平衡或不对中时才有表 现,此时要消除平衡或对中将很困难.在间隙达到出现碰撞前,振动主要是1X和2X；

45、出现碰撞后,振动将出现大量谐频。,包括如下几方面的故障 结构或轴承座开裂 支承件长度不同引起的晃动 部件间隙出现少量偏差时(尚无碰撞)紧固螺丝松动。,C.轴承在轴承座内松动或部件配合松动,振动特征:常常出现大量的高次谐频,有时10X，甚至20X，松动严重时还会 出现半频及谐频(0.5X,1.5X.)成分。半频及谐频往往随不平衡或不对中等故障出现。振动具有方向性和局部性。振动幅值变化较大，相位有时也不稳定。,包括如下几方面的故 障 轴承在轴承座内松动 轴承内圈间隙大 轴承保持架在轴承盖内松动 轴承松动或与轴有相对转动,转 子 摩 擦,轴径和滑动轴承钨金干摩电动机转子与定子接触叶轮与扩压器口接触汽

46、轮机动叶片与静叶片接触,严 重 摩 擦,轻 微 摩 擦,轴与汽封摩擦联轴器罩摩轴皮带摩擦皮带罩叶片摩擦外罩,轴流压缩机由汽轮机拖动，整个转子1支于止推支持轴承3及支持轴承2上压缩机的通流部分由静叶4和动叶5组成。气体经进气管8，收敛器10、进气导流器11，在级组中压缩后，经出口导流器12、扩压器13，再由出气管9排出,转子摩擦的影响,转子碰磨是一复杂的过程，从机理上分析、摩擦振动对转子的影响：1）直接影响：转子运行可分为自传和进动。摩擦对自传的影响在于附加了一个力矩，因此，在原有力矩不变的条件下有可能使转子转速发生波动。对于进动来说，由于摩擦力的干预可能改变进动方式。对于全摩擦来说，引起自激振

47、动,转子摩擦的影响,2）间接影响：摩擦的作用使动静部件相互接触，相当于增加了转子的支承条件，增大了系统的刚度，改变了转子的临界转速和振型，这种附件支承是不稳定的，从而可引起不稳定振动及非线性振动3）冲击影响：局部摩擦可以产生冲击作用，其直观效应是给予转子施加了一个瞬态激振力，激发转子的固有频率，由于碰磨随转子的旋转产生周期性的冲击激励作用，在一定条件下使得转子振动成为叠加自由振动的复杂振动。4）热变形：可引起转子弯曲，加大偏心量，增加振动,转子摩擦的频谱表现,转子碰磨的定量分析比较困难，一般来说，转子与静止件发生摩擦时，转子受到静止附加作用力，它是非线性的和时变的，因此，转子产生非线性振动，在

48、频谱上表现出丰富的分量，工频和高次谐波,工频,转 子 摩 擦,转子在转动过程中与定子的摩擦会造成严重的设备故障在摩擦过程中,转子刚度发生改变从而改变转子系统的固有频率,可能造成系统共振。往 往 会 激 起 亚 谐 波 振 动(1/2X,1/3X.),严重时出现大量 的谐频(1/2X,1.5X,2.5X.)，并伴随有噪音。,典型的摩擦波形,其它常见典型故障,油膜涡动油膜振荡旋转失速,油膜涡动,油膜涡动是滑动轴承中油膜力学特性引起的自激振动。它是一种转子的中心绕着轴承中心转动的自激振荡现象。在滑动轴承中，当轴颈在轴瓦中转动时，在轴颈和轴瓦之间的间隙形成油膜，油膜的流动压力使轴颈具有承载能力。当转子

49、受到外界瞬时干扰力的作用使轴径偏移，该处的油膜反力与轴径载荷不相等，可分解为弹性恢复力和涡动力，弹性恢复力力图把轴径推回到原处，而涡动力有推动轴径绕平衡中心继续旋转的趋势。,油膜涡动,当轴径转速不太高时，即使受到一个偶然的外部干扰力的作用，轴径仍能回到平衡位置（图a）；如果涡动力小于油膜阻尼，轴径的涡动是稳定的（沿着一近似椭圆的封闭轨迹涡动图b）反之，则轴心轨迹继续扩大，这种涡动是不稳定的（沿某一不规则的扩散曲线振荡图c）。,理论分析,轴径表面的油流速与轴径的线速度相同，为rw，在轴瓦表面处油流速为0BB进口流量：rwb(c+e)/2AA出口流量：rwb(c-e)/2由于涡动，轴径中心从o1涡

50、动到o1位置，这样轴径下端就会形成空隙（图中阴影），其大小为：(e)(2rb)收敛楔隙内流体容积的增加必定被进口流量的油充满，rwb(c+e)/2 rwb(c-e)/2(e)(2rb)w/2可见，油膜涡动速度（频率）等于转子转速的一半，可称为“半速涡动”,a)机组来源：山西化肥厂；b)设备名称：CO2压缩机高压缸；c)测量位置：联轴节端；d)设备状态：转速：12500 rpm；采样频率：2K；e)故障原因：油膜涡动。全息谱特征：1）由于轴承端泄漏等因素的影响，涡动频率略小于转速的一半，通常为0.450.5倍频回转频率；2）在此频率上是较大的圆形；,二维全息谱诊断案例：油膜涡动,油膜振荡,油膜涡