旋轉(zhuǎn)機械振動及頻譜分析

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1、振動的基礎(chǔ)知識及振動測量,狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷概述 簡諧振動三要素 振動波形 頻率分析和頻譜圖 旋轉(zhuǎn)機械振動測量框圖 傳感器及其選用 基頻分量幅值和相位的測量 旋轉(zhuǎn)機械的振動圖示 定轉(zhuǎn)速：波形圖、頻譜圖、 軸心軌跡 變轉(zhuǎn)速：波德圖和極坐標(biāo)圖、三維頻譜圖、坎貝爾圖、軸心位置圖 典型機械故障特征及頻譜圖 現(xiàn)場動平衡原理 診斷實例,狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷,在設(shè)備運行中或在基本不拆卸的情況下， 通過各種手段，掌握設(shè)備運行狀態(tài)， 判定產(chǎn)生故障的部位和原因， 并預(yù)測、預(yù)報設(shè)備未來的狀態(tài)。,什么是狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷？,是防止事故和計劃外停機的有效手段。 是設(shè)備維修的發(fā)展方向。,簡易診斷和精密診斷,狀態(tài)監(jiān)測（簡易診

2、斷） 內(nèi)容： 識別有無故障 明確故障嚴(yán)重程度 作出故障趨勢分析 由設(shè)備維修人員在現(xiàn)場進行,故障診斷（精密診斷） 內(nèi)容： 確定故障部位 確定故障原因 提出維修建議 由設(shè)備診斷人員在現(xiàn)場或中心進行,狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷的過程,狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷的作用,監(jiān)測與保護 監(jiān)測機器工作狀態(tài)。發(fā)現(xiàn)故障及時報警，并隔離故障。 分析與診斷 判斷故障性質(zhì)、程度和部位。分析故障原因。 處理與預(yù)防 給出消除故障的措施。防止發(fā)生同類故障。,停產(chǎn)一天的損失有多大？,300MW發(fā)電機組 損失電720萬kWh，約￥144萬元 30萬噸化肥裝置 損失化肥1000t， 約￥150萬元 三峽2號水輪機組700MW 停機4小時

3、損失￥400萬元,先進維修制度的作用, 保證機器精度，提高產(chǎn)品質(zhì)量 減少意外停車引起的生產(chǎn)損失 防止事故，杜絕災(zāi)難性故障 減少維修時間和維修費用（人力和財力） 改善環(huán)境，改善企業(yè)形象 投資獲得最大和最長遠的回報,國家有關(guān)的條例摘錄,逐步采用現(xiàn)代故障診斷和狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)，發(fā)展以狀態(tài)監(jiān)測為基礎(chǔ)的預(yù)知維修體制。 1983年國家經(jīng)委國營公交設(shè)備管理試行條例 企業(yè)應(yīng)當(dāng)積極采用先進的設(shè)備管理方法和維修技術(shù)，采用以設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測為基礎(chǔ)的設(shè)備維修方法，不斷提高設(shè)備管理和維修技術(shù)的現(xiàn)代化水平。 1987年國務(wù)院全民所用制公交設(shè)備管理條例,監(jiān)測和診斷的各種手段, 振動：適用于旋轉(zhuǎn)機械、往復(fù)機械、軸

4、承、齒輪等。 溫度（紅外）：適用于工業(yè)爐窯、熱力機械、電機、電器等。 聲發(fā)射：適用于壓力容器、往復(fù)機械、軸承、齒輪等。 油液（鐵譜） ：適用于齒輪箱、設(shè)備潤滑系統(tǒng)、電力變壓器等。 無損檢測：采用物理化學(xué)方法，用于關(guān)鍵零部件的故障檢測。 壓力：適用于液壓系統(tǒng)、流體機械、內(nèi)燃機和液力耦合器等。 強度：適用于工程結(jié)構(gòu)、起重機械、鍛壓機械等。 表面：適用于設(shè)備關(guān)鍵零部件表面檢查和管道內(nèi)孔檢查等。 工況參數(shù)：適用于流程工業(yè)和生產(chǎn)線上的主要設(shè)備等。 電氣：適用于電機、電器、輸變電設(shè)備、電工儀表等。,振幅 A (Amplitude) 偏離平衡位置的最大值。描述振動的規(guī)模。 頻率 f (Frequency)

5、 描述振動的快慢。單位為次/秒(Hz) 或次/分(c/min) 。 周期 T = 1/f 為每振動一次所需的時間，單位為秒。 圓頻率 = 2 f 為每秒鐘轉(zhuǎn)過的角度，單位為弧度/秒 初相角 (Initial phase) 描述振動在起始瞬間的狀態(tài)。,簡諧振動的三要素,什么是振動？,振動傳感器安裝在軸承座上，傳感器將拾取振動信號，并將此振動信號通過電纜線傳入到振動分析儀，如上圖所示，這個在機器軸承座上測量振動的過程可模型化為一個質(zhì)量塊懸掛在彈簧上。在沒有力的作用之前，它一直保持靜止處于平衡位置處。,振動就是機器或機器零件從其平衡位置所做的往復(fù)運動。 振動有三個重要的可測量的參數(shù)：幅值、頻

6、率、相位。,圖1 質(zhì)量塊位于平衡位置且沒有任何力的作用,什么是振動,當(dāng)有一個作用力施加在質(zhì)量塊上時，如向上托起質(zhì)量塊，如圖二所示，質(zhì)量塊向上運動，彈簧在這個力的作用下被壓縮。,圖2 質(zhì)量塊被一個向上的力激勵,一旦這個質(zhì)量塊達到上部極限位置時，撤除作用力，質(zhì)量塊開始下落。質(zhì)量塊將下落通過平衡位置而繼續(xù)向下運動到它的下部極限位置處如圖三所示。,圖3 撤除作用力后質(zhì)量塊的響應(yīng),什么是振動？,當(dāng)質(zhì)量塊達到下部極限位置時，它將停止向下運動，而再次改變方向通過平衡位置處移動到上部極限位置；然后停止而再返回到下部極限位置。,如果將一只鉛筆固定在這個作往復(fù)運動的質(zhì)量塊上，然后將記錄帶靠近它，這時質(zhì)量塊的振動響

7、應(yīng)就會被記錄下來。,圖4 對施加的激勵力連續(xù)響應(yīng),圖5 在恒速運動的記錄紙上記錄質(zhì)量塊的振動,什么是振動？,什么是振動頻率？,考察上圖可見，在記錄紙上畫出的振動軌跡是一條有一定幅值的、比較標(biāo)準(zhǔn)的正弦曲線。由振動的周期（T）可以計算出振動的頻率。如下圖所示：頻率的單位是用CPM或用Hz表示（1Hz60 CPM）。,圖6 振動波形的位移和頻率,什么是振動相位？,振動相位是一個振動部件相對于機器的另一個振動部件在某一固定參考點處的相對移動。也就是說振動相位是某一位置處的振動運動相對于另一位置處的振動運動，對所發(fā)生位置變化程度的度量。振動相位是一個很有用的設(shè)備故障診斷工具。如下圖所示，給出了兩個彼此同

8、相位振動的系統(tǒng)，即兩個振動系統(tǒng)以零度相位差運動。,圖9 兩個同相位振動的質(zhì)量塊振動系統(tǒng),什么是振動相位？,圖10給出了，兩個相位差為90度的振動系統(tǒng)，即#2質(zhì)量塊超前#1質(zhì)量塊1/4周（或90度）運動，或#1質(zhì)量塊相對滯后#2質(zhì)量塊90度。 圖11給出了同樣的兩個質(zhì)量塊，相位差為180度時的振動情況，在任何時刻，#1質(zhì)量塊向下運動的同時，#2質(zhì)量塊向上運動。,圖10兩個相差90度相位角振動的質(zhì)量塊系統(tǒng),圖11 兩個相差180度相位角振動的質(zhì)量塊系統(tǒng),什么是振動相位？,振動相位是以角度為單位，通常是利用頻閃燈或光電頭測量得到。 下圖給出了，振動相位與機器振動間的關(guān)系。 在左側(cè)圖中，機器上的軸

9、承1和軸承2之間的振動相位差為0度（同相振動），而在右側(cè)圖中的機器，軸承1和軸承2之間的振動相位差為180度（反相振動）。,圖12 振動相位與機器振動間的關(guān)系,什么是振動位移？,位移就是質(zhì)量塊運動的總的距離，也就是說當(dāng)質(zhì)量塊振動時，位移就是質(zhì)量塊上、下運動有多遠。位移的單位可以用m 表示。進一步可以從振動位移的時間波形推出振動的速度和加速度值。,圖7 從振動時間波形中了解振動速度,什么是振動速度？,振動速度是質(zhì)量塊在振蕩過程中運動快慢的度量。質(zhì)量塊在運動波形的上部和下部極限位置時，其速度為0，這是因為質(zhì)量塊在這兩點處，在它改變運動方向之前，必須停下來。質(zhì)量塊的振動速度在平衡位置處達到最大值，在

10、此點處質(zhì)量塊已經(jīng)加速到最大值，在此點以后質(zhì)量塊開始減速運動。振動速度的單位是用mm/s來表示。,什么是振動加速度？,振動加速度被定義為振動速度的變化率，其單位是用有多少個g來表示。在海平面處1.0g9.8m/s2。由下圖可見加速度最大值處是速度值最小值的地方，在這些點處質(zhì)量塊由減速到停止然后再開始加速。,圖8 從振動時間波形中了解振動加速度,當(dāng)一個機器的軸承座振動時，由于它連續(xù)不斷地在前后運動中改變運動速度，所以它經(jīng)受著力的加速作用。速度的變化率越大，也就是加速度值越大，施加在機器上的作用力也就越高。,,振動位移、速度、加速度之間的關(guān)系,振動位移 (Displacement) 速度 (Velo

11、city) 加速度 (Acceleration),位移、速度、加速度都是同頻率的簡諧波。 三者的幅值相應(yīng)為A、A、A 2。 相位關(guān)系：加速度領(lǐng)先速度90; 速度領(lǐng)先位移90。,,,x,v,a,x,v,a,,,,,,,,,什么時候使用位移、速度或加速度？,當(dāng)對機器振動進行分析時，重要的一點是盡可能多地收集到有關(guān)該機器的資料（如軸承類型和型號、每根軸的精確轉(zhuǎn)速、齒輪的齒數(shù)、葉輪的葉片數(shù)等）。不了解這些信息資料將會影響振動分析的準(zhǔn)確性。 振動幅值是是振動分析中經(jīng)常使用的重要振動參數(shù)之一，它于機器存在的潛在故障問題的嚴(yán)重程度成正比，并且它也是顯示機器狀態(tài)的首選參數(shù)之一。振動幅值的測量類型可以是位移、速

12、度或加速度。但總的來說更比較常用的是速度。 通常認(rèn)為當(dāng)測量的頻率范圍在600CPM(10Hz)以下時，采用位移測量單位是很有利的。振動幅值必須有相應(yīng)的振動頻率值做補充說明才能正確評估振動的嚴(yán)重程度。而只是簡單地說“1X RPM 振動是2mils是不夠的，沒有足夠的信息評價機器的狀態(tài)是好還是不好。例如，在3600 CPM轉(zhuǎn)速下振動2mils pk-pk 要比在300 CPM轉(zhuǎn)速下振動2mils pk-pk 對設(shè)備的損壞程度要大得多（見圖22）。所以，在整個頻率范圍內(nèi)，單獨使用位移值是不能對機器進行評估的。,什么時候使用位移、速度或加速度？,圖20水平安裝轉(zhuǎn)動機械振動位移/速度等級圖表,什么時候

13、使用位移、速度或加速度？,加速度也有類似于位移的缺點，但它所支持的頻率范圍是高頻。加速度在評價機器振動狀態(tài)時也具有頻率依賴性。例如，在18000 CPM時，2gs要比在180000 CPM（3000Hz）時的2gs振動程度要嚴(yán)重得多。 如圖21所示。加速度一般推薦應(yīng)用在，當(dāng)機器內(nèi)部所產(chǎn)生的振源頻率超過300000 CPM（5000Hz）以上的場合。這些振源包括齒輪嚙合頻率、電機籠條通過頻率、葉片通過頻率等。不要忘記，這些振源在很多情況下會產(chǎn)生多階諧頻。 而振動速度在從600至120000 CPM（102000Hz）的頻率范圍內(nèi)幾乎不存在對頻率的依賴關(guān)系。所以當(dāng)機器的振源頻率范圍是在300到

14、300000 CPM（5到5000Hz）時，一般選擇測量振動速度。振動速度的幅值直接與機器的狀態(tài)有關(guān)，無論其頻率是在10到1670 Hz之內(nèi)何處。也就說一臺轉(zhuǎn)速為1800 RPM的機器，經(jīng)歷了0.30in/sec的振動似乎于另一臺轉(zhuǎn)速為10000 RPM，振動也為0.30in/sec的機器，具有同樣的振動損壞程度。,什么時候使用位移、速度或加速度？,圖21水平安裝轉(zhuǎn)動機械振動加速度/速度等級圖表,振動為多大時認(rèn)為超過了允許值？,圖20是一個幾年前推出的針對一般轉(zhuǎn)動機械的典型的振動位移/速度等級圖表。振動等級被分成“GOOD”,“FAIR”,“ROUGH”等，從這個圖表可清楚地看出位移對頻率的依

15、賴程度。例如，一個2mils的pk-pk振動位移值，在相當(dāng)?shù)念l率范圍內(nèi)其振動嚴(yán)重程度從優(yōu)秀可以變化到非常嚴(yán)重。從此例中可見，為了準(zhǔn)確評價機器的振動程度必須識別出頻率的大小。（在400 CPM時，2mils的振動，機器的狀態(tài)是優(yōu)秀，而在3600 CPM時，2mils的振動，機器的狀態(tài)就變得很差。而在這張圖中振動速度只需要幅值就可以評定機器的振動程度（如，從0.157到0.314in/sec的振動，都是振動較差）。 圖21是針對振動加速度的振動等級圖。振動加速度分級也是具有頻率依賴性。如例如，在18000 CPM時，2gs的振動是處于較差的范圍內(nèi)，而在180000 CPM（3000Hz）時的2g

16、s振動側(cè)是處于優(yōu)秀的范圍內(nèi)。,振動為多大時認(rèn)為超過了允許值？,圖22機械振動位移、加速度、速度比較,圖22給出了振動位移、速度、加速度間的相互關(guān)系，在較寬的頻率范圍內(nèi)振動速度是平坦的，而振動位移和振動加速度都分別趨于降低和增高。注意在圖22中可以看出，具有3種相等振動級別的振動幅值關(guān)系。,振動為多大時認(rèn)為超過了允許值？,圖23給出了針對同一檢測軸承故障的時域波形圖，所進行的FFT變換 （a）位移頻譜圖 （b）速度譜 （c）加速度譜,圖23 在一臺300RPM的風(fēng)機上測量振動位移、速度、加速度的比較,振動為多大時認(rèn)為超過了允許值？,注意在每一幅頻譜圖上，頻率為300CPM處的峰值，這是工作轉(zhuǎn)速頻

17、率（通常稱為1X RPM)。然而，三個頻譜圖，從位移譜到速度譜再到加速度譜變化過程中，注意到1XRPM峰值變得越來越小。見圖23A位移譜，顯然1XRPM是占主導(dǎo)地位，而在圖23速度譜中，它只比第2或第3個峰高一點，在加速度譜中1XRPM峰值幾乎消失。 由圖23可見，振動分析師能否在他的頻譜圖中看到極其重要的軸承故障頻率，主要取決于他對測量幅值類型的選擇。至于軸承故障頻率4860CPM和9720CPM，你會注意到這個頻率在速度和加速度譜圖(圖23B和圖23C）中清楚可見，在4860CPM的左右等距離兩側(cè)存在著頻率邊帶，頻率邊帶的存在,一般說明存在軸承嚴(yán)重磨損問題，所以在頻譜圖中觀察是否有頻率邊

18、帶的存在是很重要的。需要注意的是在位移頻譜圖中可以看出，幾乎丟失了4860CPM的邊帶頻率成分，甚至連軸承的第二個特征頻率成分9720CPM也完全消失。其原因是，位移譜傾向于“放大”或強調(diào)低頻振動而壓縮高頻成分（如圖22所示）。另一方面加速度譜強調(diào)的是高頻成分，傾向于壓縮低頻成分。,振動為多大時認(rèn)為超過了允許值？,見圖22注意到，對大多數(shù)轉(zhuǎn)動設(shè)備，速度譜要比位移譜和加速度譜有著更寬的頻率使用范圍，考慮速度譜的這一特性和速度譜與振動強度的直接聯(lián)系，公認(rèn)振動速度是最好的振動測量單位（特別是當(dāng)頻率低于2000Hz時）。,圖22機械振動位移、加速度、速度比較,振 動 的 時 域 波 形,名 稱 波

19、形 名 稱 波 形,若干幅值參數(shù)的定義,瞬時值 (Instant value) 振動的任一瞬時的數(shù)值。 峰值 (Peak value) 振動離平衡位置的最大偏離。 平均絕對值 (Average absolute value) 均值 (Mean value) 又稱平均值或直流分量。 有效值 (Root mean square value),xp,x = x(t),各幅值參數(shù)是常數(shù)，彼此間有確定關(guān)系 峰值 xp=A; 峰峰值 xp-p=2A 平均絕對值 xav=0.637A 有效值 xrms=0.707A 平均值,簡諧振動的幅值參數(shù),復(fù)雜振動的幅值參數(shù),各幅值參數(shù)隨時間變化， 彼

20、此間無明確定關(guān)系,振動監(jiān)測的特征值,位移峰峰值：正、負(fù)兩方向間的最大振動距離 速度有效值：振動速度的均方根值，直接反映振動的能量。一臺設(shè)備上不同位置測量的速度有效值中最大的一個稱為該設(shè)備的振動烈度 加速度峰值：常用于評價滾動軸承和齒輪的狀態(tài),按頻帶選擇測量參數(shù)的指南,傳感器常用安裝方法及特點,磁座使用方便而性能適中，是最常用的方法,汽輪機 齒輪增速箱 壓縮機 渦流傳感器 速度傳感器 加速度傳感器 鍵相傳感器,旋轉(zhuǎn)機械振動測量框圖,磁電速度傳感器,接收形式：慣性式 變換形式：磁電效應(yīng) 典型頻率范圍：10Hz1000Hz 典型線性范圍：02mm 典型靈敏度 ：20mV/mm/s,測量非轉(zhuǎn)動部件的絕

21、對振動的速度。 不適于測量瞬態(tài)振動和很快的變速過程。 輸出阻抗低，抗干擾力強。 傳感器質(zhì)量較大，對小型對象有影響。 在傳感器固有頻率附近有較大的相移。,典型的磁電速度傳感器及其特性,壓電加速度傳感器,接收形式：慣性式 變換形式：壓電效應(yīng) 典型頻率范圍：0.2Hz10kHz 線性范圍和靈敏度隨各種不同型號可在很大范圍內(nèi)變化。,測量非轉(zhuǎn)動部件的絕對振動的加速度。 適應(yīng)高頻振動和瞬態(tài)振動的測量。 傳感器質(zhì)量小，可測很高振級。 現(xiàn)場測量要注意電磁場、聲場和接地回路的干擾。,壓電加速度傳感器的典型結(jié)構(gòu),壓電加速度傳感器的典型特性,渦流位移傳感器,不接觸測量，特別適合測量轉(zhuǎn)軸和其他小型對象的相對位移。 有

22、零頻率響應(yīng)，可測靜態(tài)位移和軸承油膜厚度。 靈敏度與被測對象的電導(dǎo)率和導(dǎo)磁率有關(guān)。 相移很小。,接收形式：相對式 變換形式：電渦流 典型頻率范圍：020kHz 典型線性范圍：05mm 典型靈敏度 ：8.0V/mm (對象為鋼),,渦流位移傳感器 及前置器,渦流傳感器的工作原理,輸出電壓 u 正比于間隙 d 且與測量對象的材質(zhì)有關(guān),渦流位移傳感器的典型特性,傳感器與轉(zhuǎn)軸之間的間隙,前置器輸出電壓（直流伏）,軸承振動的測點布置,軸振動的測點布置,軸承振動與軸振動的比較,基頻是轉(zhuǎn)速頻率。 基頻分量的幅值和轉(zhuǎn)子的不平衡大小有關(guān)。 基頻分量的相位和不平衡在轉(zhuǎn)子上的方位有直接對應(yīng)關(guān)系。,旋轉(zhuǎn)機械振動的基頻分

23、量的幅值和相位的測量,鍵相與相位參考脈沖,在轉(zhuǎn)子上布置鍵相標(biāo)記K ，在軸承座上布置鍵相傳感器K（光電式或渦流式），其輸出為相位參考脈沖。 參考脈沖是測量相位的基準(zhǔn)。 參考脈沖也可用于測量轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。,,,,,,,,K,K,,,,1轉(zhuǎn),t,參考脈沖,振動相位與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角的關(guān)系,從參考脈沖到第一個正峰值的轉(zhuǎn)角 定義振動相位。 振動相位與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動角度一一對應(yīng)。在平衡和故障診斷中有重要作用。,振動信號,參考脈沖,波形圖 (Wave) 時間域內(nèi)的振動波形 頻譜圖 (Spectrum) 組成振動的各諧波成分 軸心軌跡 (Orbit) 轉(zhuǎn)軸中心的振動軌跡，由水平和鉛垂兩方向波形合成,旋轉(zhuǎn)機械的振動圖示

24、 (定轉(zhuǎn)速),波形圖、頻譜圖及軸心軌跡,軸心軌跡的測定,軸心軌跡(Orbit)是診斷旋轉(zhuǎn)機械故障的有力工具。 軸心軌跡可用基頻檢測儀和示波器得到，也可以用計算機完成。,軸心軌跡陣 波德圖與極坐標(biāo)圖 (Bode & Polar Plot) 升（降）速時，基頻幅值和相位的變化 三維頻譜圖 (Cascade) 坎貝爾圖 (Campber) 各轉(zhuǎn)速下的頻譜圖的另一種表示 軸心位置 判定軸頸靜態(tài)工作點和油膜厚度,旋轉(zhuǎn)機械的振動圖示 (變轉(zhuǎn)速),軸心軌跡陣圖,汽輪發(fā)電機組一個軸承在不同轉(zhuǎn)速下的軸心軌跡陣,波德圖和極坐標(biāo)圖,波德圖(Bode Plot)和極坐標(biāo)圖(Polar Plot)兩者所含信息相同

25、，都表示基頻振動的幅值和相位隨機器轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律。,三維頻譜圖是頻譜的集合。 本圖的第三個坐標(biāo)是轉(zhuǎn)速。 本圖表明在升、降速過程中振動頻譜的變化。 第三坐標(biāo)也可是時間、工藝參數(shù)等。,三維頻譜圖 （譜陣圖）,本圖的第三個坐標(biāo)是時間(日期)，反映頻譜的趨勢。,三維頻譜圖 （譜陣圖）,坎貝爾(Campber)圖,注：圓圈直徑代表振動的大小；斜線代表諧波次數(shù)。,軸心位置的測定,軸心位置可以用計算機及其外設(shè)來繪制。,,軸心位置的變化,,汽輪發(fā)電機中壓缸軸承 升速時軸心位置逐漸升高。 到工作轉(zhuǎn)速時，偏心率為0.66；偏位角32。屬正常。 以后數(shù)月，軸承基礎(chǔ)下沉，導(dǎo)致軸心上浮，偏心率減少，偏位角接近90。 發(fā)

26、生了油膜振蕩。 監(jiān)測軸心位置有助于發(fā)現(xiàn)機器的故障。,故障診斷的方法及典型故障特征分析,,精密診斷的方法,頻譜分析法 趨勢分析法 通頻值趨勢分析、頻譜趨勢分析 時域分析法 波形分析、相關(guān)函數(shù)分析 倒頻譜分析法 模態(tài)分析法 隨機減量法,其他數(shù)學(xué)方法 模式識別法 模糊診斷法 故障樹診斷法 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法 小波分析法 灰色系統(tǒng)法 分形幾何法,精密診斷最常用的方法,頻譜分析法 每種故障有其對應(yīng)的特征頻率。 據(jù)此確定機器的故障性質(zhì)和嚴(yán)重程度。 趨勢分析法、頻譜趨勢分析法 根據(jù)劣化曲線，振動的通頻幅值(特征頻率幅值)隨故障的發(fā)展而增大。 據(jù)此監(jiān)視機器的健康狀態(tài)，并推測其壽命。,振動信號的頻率分析,把振動信號

27、中所包含的各種頻率成分分別分解出來的方法。 頻率分析的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)是傅里葉變換和快速傅里葉算法（FFT）。 頻率分析可用頻率分析儀來實現(xiàn)，也可在計算機上用軟件來完成。 頻率分析的結(jié)果得到各種頻譜圖，這是故障診斷的有力工具。,各種振動的頻譜圖,名稱 波 形 頻 譜 名稱 波 形 頻 譜,時間域 頻率域,轉(zhuǎn)動機械常見故障的頻率特征,強迫振動類故障,自激振動類故障,R: 轉(zhuǎn)動頻率,轉(zhuǎn)子不平衡故障的頻譜,波形為簡諧波，少毛刺。 軸心軌跡為圓或橢圓。 1X頻率為主。 軸向振動不大。 振幅隨轉(zhuǎn)速升高而增大。 過臨界轉(zhuǎn)速有共振峰。,轉(zhuǎn)子不平衡的類型,轉(zhuǎn)子不對中故障的頻譜,出現(xiàn) 2X 頻率成分。 軸心軌跡

28、成香蕉形或8字形。 軸向振動一般較大。 本例中，出現(xiàn)葉片通過頻率。,轉(zhuǎn)子不對中的類型,正確對中 e = 0, = 0,平行不對中 e 0, = 0,角度不對中 e = 0, 0,綜合不對中 e 0, 0,不同聯(lián)軸節(jié)的情況,聯(lián)軸節(jié)類型 不對中形式 振 動 特 征 剛性聯(lián)軸節(jié) 平行不對中 有2X成分 角度不對中 軸向振動1X成分大 軸向振動大，有2X及高次諧波 齒式聯(lián)軸節(jié) 徑向振動可能有2X、3X、4X 聯(lián)軸節(jié)兩側(cè)振動的相位常相反 膜片聯(lián)軸節(jié) 有nX 成分（n為螺釘數(shù)）,轉(zhuǎn)子系統(tǒng)松動故障的頻譜,波形出現(xiàn)許多毛刺。

29、譜圖中噪聲水平高。 出現(xiàn)精確的倍頻2X，3X等成分。 松動結(jié)合面兩邊，振幅有明顯差別。,松動故障引起的間入諧量,未松動時的頻譜 松動時的頻譜 出現(xiàn)0.5X，1.5X，2.5X，3.5X...等頻率成分,D 節(jié)圓直徑 d 滾珠直徑 接觸角 z 滾珠數(shù) R 軸的轉(zhuǎn)速頻率,滾動軸承故障的特征頻率,外環(huán)故障頻率 內(nèi)環(huán)故障頻率 滾珠故障頻率 保持架碰外環(huán) 保持架碰內(nèi)環(huán),典型的軸承故障發(fā)展過程,滾動軸承故障發(fā)展過程的四階段,滾動軸承四種類型故障頻率 1.隨機的，超聲頻率 ,HFD ,SPM； 2.軸承零部件自振頻率-500至2000赫茲范圍，與轉(zhuǎn)速無關(guān)； 3.旋轉(zhuǎn)的故障頻率-內(nèi)環(huán)BPFI，外環(huán)BPFO

30、，滾動體BSF和保 持架FTF故障頻率 4.和頻與差頻-軸承若干故障頻率之間及其它振源頻率相加或相減得出的頻率,滾動軸承故障發(fā)展過程四階段典型特征,第一階段：1.噪聲正常；2.溫度正常；3.可用超聲，振動解調(diào)譜、聲發(fā)射測量出來，軸承外環(huán)有缺陷；4.振動總量較小，無離散的軸承故障頻率尖峰；5.軸承剩余壽命大于B-10規(guī)定的百分之十。 第二階段：1.噪聲略增大；2.溫度正常；3.超聲，聲發(fā)射，振動解調(diào)譜通頻值明顯增大，軸承外環(huán)有缺陷；4.振動總量略增大(振動加速度總量和振動速度總量)；5.在對數(shù)刻度的頻譜上可清楚地看到軸承故障頻率，而在線性刻度的頻譜上則很難看到；噪聲地平明顯提高；6.軸承剩余壽命

31、大于B-10規(guī)定的百分之五。 第三階段：1.可以聽到噪聲；2.溫度略升高；3.非常高的超聲，聲發(fā)射，解調(diào)譜通頻值，軸承外環(huán)有故障；4.振動加速度總量和振動速度總量大增；5.在線性刻度頻譜上清楚地看出軸承故障頻率及其諧波頻率和邊帶頻率；6.振動頻譜的噪聲地平明顯提高；7.軸承剩余壽命大于B-10規(guī)定的百分之一。 第四階段：1.噪聲的強度改變；2.溫度明顯升高；3.超聲，聲發(fā)射，振動解調(diào)譜通頻值迅速增大，隨后逐漸減小，軸承外環(huán)處于損壞之前的故障狀態(tài)；4.振動速度總量和振動位移總量明顯增大，振動加速度總量減小；5.頻率較低的軸承故障頻率尖峰占優(yōu)勢，振動頻譜中噪聲地平非常高；6.軸承剩余壽命大于B-1

32、0規(guī)定的百分之零點二。,滾動軸承故障發(fā)展的四個階段,,第一階段,第二階段,第三階段,第四階段,A.僅出現(xiàn)滾動軸承故障頻率(沒有1X邊帶頻率) B.滾動軸承跑道圓周上出現(xiàn)輕微磨損時，便出現(xiàn)軸承故障頻率的諧波頻率 C.磨損明顯時軸承故障頻率兩側(cè)出現(xiàn)1X轉(zhuǎn)速邊帶頻率，還可出現(xiàn)其它的軸承故障頻率,只是 解調(diào)demo值有明顯指示,解調(diào)demo值明顯增大，開始出現(xiàn)軸承零件共振頻率并伴有1X轉(zhuǎn)速頻率邊帶,解調(diào)demo值開始時減小，卡死前可能劇增。出現(xiàn)高頻隨機譜，軸承壽命成問題。,滾動軸承故障發(fā)展的四個階段,Stage 1,Stage 2,Stage 3,Stage 4,no apparent change

33、on typical velocity spectrum,defects harmonic frequencies appear,defects fundamental frequencies also appear and may exhibit sidebands,defects harmonic frequencies develop multiple sidebands (haystack), fundamental freqs. grow and also develop sidebands,defects “fund.” frequency range,defects “harmo

34、nic” frequency range,滾動軸承故障的頻譜,軸承每一種零件有其特殊的故障頻率。 隨著故障發(fā)展，它的幅值增加，并有諧波；諧波兩邊產(chǎn)生邊頻。 還可用非頻率域的診斷方法，如共振解調(diào)。,電機,離心泵,帶滾動軸承的機械的頻譜特點,帶滑動軸承的機械的頻譜特點,齒輪故障的頻譜,齒輪嚙合頻率GMF等于齒數(shù)乘以齒輪轉(zhuǎn)速頻率。 齒輪嚙合頻率兩邊有邊頻，間距為1X。 隨著齒輪故障發(fā)展，邊頻越來越豐富，幅值增加。 可用倒頻譜作進一步分析。,齒輪箱,上輥,下輥,輸入軸,,齒輪振動的特點,評定齒輪狀態(tài)的關(guān)鍵頻率之一是齒輪的嚙合頻率(齒輪的齒數(shù)X轉(zhuǎn)速)。然而，應(yīng)該指出，齒輪的嚙合頻率(GMF)不像軸承故障

35、頻率那樣的重要。所有嚙合的齒都產(chǎn)生一定幅值的嚙合頻率和其他頻率。此外，所有嚙合頻率都有一定幅值的配對齒輪的或每個齒輪的轉(zhuǎn)速的邊帶。然而，如果齒輪狀態(tài)良好，并且彼此恰當(dāng)?shù)貙?zhǔn)(沒有明顯的不對中，齒輪游移或齒輪偏心)，則齒輪嚙合頻率(GMF)及其諧波頻率和那些邊帶頻率的幅值應(yīng)該很小，尤其是那些邊帶。,用振動分析可以檢測齒輪的故障,1齒輪的齒的磨損 2齒輪的齒承受過大的負(fù)載 3齒輪偏心或齒隙游移 4裂的、破裂的或斷的齒輪的齒 5齒輪組合狀態(tài)問題 6. 齒輪的齒擺動故障,,對于齒輪振動分析的若干說明,1應(yīng)該在每個可達的軸承座上進行振動測量。圖 表示在位置3處雙列軸承及位置4到位置7的四個錐形

36、滾棒軸承上進行振動測量。重要之點是，振動傳感器應(yīng)該盡可能固定在靠近支承本身的地方。往往會遇到，在距軸承有一定距離的地方測量振動。然而，這種情況下，應(yīng)確保框架或內(nèi)部腹板直接連到軸承座上，在這些地方布置傳感器并盡可能接近，進行振動測量。 2應(yīng)該在三個方向(水平，垂直和軸向方向)進行振動測量，尤其是當(dāng)某些齒輪主要在一個方向產(chǎn)生力，或者根據(jù)負(fù)載，一次監(jiān)測與下一次監(jiān)測可能不一樣的其他情況下。,傘齒輪，兩級減速齒輪箱分析的典型設(shè)置,對于齒輪振動分析的若干說明,3通常，遇到螺旋，斜齒和傘齒輪時，在軸向方向產(chǎn)生明顯的振動。 這些類型齒輪最佳的狀態(tài)監(jiān)測往往在軸向方向。 4通常，對直齒圓柱齒輪，在徑向方向評定最好

37、，但有時可能會存在 明顯的軸向振動，尤其是如果齒的對準(zhǔn)有問題時。為了評定齒輪的狀 態(tài)，往往必須測量非常高頻率的振動。至少要評定3X嚙合頻率的頻率 范圍Fmax=3.25 X GMF，經(jīng)常遇到在齒嚙合頻率基頻(GMF)處沒有什 么振動，但是在2X齒嚙合頻率或3X齒嚙合頻率(2GMF或3GMF)處，出現(xiàn) 比在GMF基頻處振動10倍大得多的振動。因此，如果不測量這些高頻率 范圍內(nèi)的信號，必將忽略了潛在的，明顯的故障。 5在大多數(shù)利用計算機軟件的預(yù)測維修程序中，因為在低速諧波頻率與 齒輪嚙合頻率本身之間頻率變化很廣，所以在每個齒輪位置必須進行 兩個頻率范圍的兩種測量。這些情況下，用低的頻率范圍評定諸如

38、不 平衡、不對中、松動和電氣故障等，用另一高頻率范圍評定齒輪的狀 態(tài)。,,齒輪振動頻譜分量的識別,,,,齒輪正常時的頻譜,,,,正常齒輪的頻譜表示高速齒輪和低速齒輪的轉(zhuǎn)速，齒輪的嚙合頻率(GMF)和非常小的齒輪嚙合頻率的諧波頻率。齒輪的嚙合頻率(GMF)通常在它們的兩側(cè)有高、低速齒輪的轉(zhuǎn)速頻率邊帶。所有尖峰的幅值都很小，沒有激起齒輪的自然頻率。已知齒輪的齒數(shù)時，建議頻率范圍Fmax設(shè)定為3.25XGMF(最低)，如果不知道齒輪的齒數(shù)，把頻率范圍Fmax設(shè)定為每根軸的轉(zhuǎn)速的200倍。,齒輪磨損故障,,,,齒磨損的關(guān)鍵指示是激起齒輪的自然頻率 (Fn)和在此齒輪自然頻率兩側(cè)伴有磨損的齒的轉(zhuǎn)速頻率邊

39、帶。當(dāng)齒磨損明顯時，雖然邊帶的幅值高并且在齒輪嚙合頻率(GMF)兩側(cè)出現(xiàn)的邊帶數(shù)增多，但是齒輪嚙合頻率(GMF)的幅值可能變化也可能不變化。邊帶是比齒輪嚙合頻率(GMF)本身更好的齒磨損的指示。而且，雖然齒輪嚙合頻率的幅值是可以接受的，但是2GMF或3GMF(尤其是3GMF)的幅值經(jīng)常很高。,,齒輪承受大的負(fù)載,齒輪嚙合頻率(GMF)往往對齒的負(fù)載非常敏感。齒輪嚙合頻率(GMF)的幅值高未必一定指示有故障，尤其是如果邊帶頻率幅值保持較小，沒有激起齒輪自然頻率的時候。為了頻譜比較有意義，每次測量分析都應(yīng)該在系統(tǒng)處于最大負(fù)載下運轉(zhuǎn)時進行。,,,齒輪在大負(fù)載下的作用下振動頻譜的特征,,齒輪偏心和齒隙

40、游移,1偏心和齒隙游移兩者激起齒輪自振頻率和齒輪嚙合頻率。它們也可能在齒輪自振頻率和齒輪嚙合頻率兩側(cè)產(chǎn)生許多邊帶。 2如果某齒輪偏心，它將調(diào)制齒輪自振頻率和齒輪嚙合頻率，齒輪自振頻率和齒輪嚙合頻率兩側(cè)都有偏心的齒輪1X轉(zhuǎn)速頻率的邊帶。如果偏心齒輪與嚙合的齒輪一起被強制壓向齒底下的話，偏心的齒輪可產(chǎn)生很大的力，應(yīng)力和振動。,,,齒輪偏心和齒隙游移的頻譜,,,,齒輪不對中,齒輪不對中幾乎總是激起第二階或高階齒輪嚙合頻率(GMF)諧波頻率，并且它們都伴有轉(zhuǎn)速邊帶。往往只顯示小的齒輪嚙合頻率 (GMF)的幅值，但是2 x(GMF)或3(GMF)的幅值較高。設(shè)定足以采集至少3(GMF)諧波頻率的F m

41、ax最高頻率范圍很重要。而且，2(GMF)兩側(cè)常伴有2轉(zhuǎn)速頻率邊帶。請注意， 由于齒不對中，齒輪嚙合頻率(GMF)及其諧波頻率的左側(cè)和右側(cè)的邊帶頻率的幅值不等，引起不均勻磨損。,,,,,,齒輪的破碎或斷齒,有一個裂紋的，破碎或斷的齒輪將產(chǎn)生這個齒輪1X轉(zhuǎn)速及齒輪自振頻率，并且，在齒輪自振頻率兩側(cè)有齒輪轉(zhuǎn)速的邊帶大的振動。這個特性與有大的、明顯的剝落的齒的齒輪的特性一樣。當(dāng)然，不平衡的齒輪也會引起1X轉(zhuǎn)速頻率的大振動。因此，如下圖所示的時域波形對確定主要問題是不平衡還是齒輪的斷齒問題大有幫助。,,,狀態(tài)良好的齒輪與有一個裂的或斷齒的齒輪的時域波形的比較,,,,齒輪的破碎或斷齒,如上圖所示，發(fā)現(xiàn)狀

42、態(tài)良好的齒輪顯示平穩(wěn)的，正弦波形(假定支 承該齒輪軸的軸承沒有故障)。然而，裂的，破碎的或斷的齒，齒輪每 次進入和退出嚙合時，產(chǎn)生一個明顯的尖峰。觀察時域波形，可以確定 故障是齒輪的齒或是像滾動軸承故障那樣其他沖擊事件造成的。在滾動 軸承情況下，如果兩次沖擊之間的時間間隔相當(dāng)于該齒輪的轉(zhuǎn)速，這就 代表了齒故障的強有力證據(jù)。例如，參見圖11.6，如果轉(zhuǎn)速為600轉(zhuǎn)/的 齒輪，顯示每O10秒一個尖峰(0.10秒周=10周秒=600周分)，則 這就是裂的，破碎的或斷的齒的強有力的證據(jù)。 如果在一根裝有一個以上齒輪的軸上采集頻譜，并且顯示明顯的時 域波形和頻譜中伴有斷齒齒輪轉(zhuǎn)速邊帶的自振頻率，這未必

43、清楚指示 就是軸上齒輪有故障問題。這種情況下，對軸上每個齒輪進行沖擊自振 頻率試驗，并識別嚙合的齒輪中哪個齒輪有故障問題。,,,,齒輪組合狀態(tài)問題,,,,,齒輪組合狀態(tài)數(shù) 低速齒輪齒數(shù)為15 高速齒輪齒數(shù)為9 因此將產(chǎn)生三種不同的 磨損圖象： 低速齒輪的齒號將接觸高速齒輪的齒: 1-10-4-13-7 1-7-4 2-11-5-14-8 2-8-5 3-12-6-15-9 3-9-6 第一種組合為: 低速齒輪1#齒與高速齒輪l#齒嚙合。低速齒輪I#齒將只能與高速齒輪的l#，7#和4#齒嚙合。低速齒輪l#齒不可能與高速齒輪的其他齒嚙合。 第二種組合： 低速l#齒與高速2#齒嚙合。

44、則低速l#齒將只能與高速2#。8#和5#齒嚙合不可能與其他高速齒嚙合。 第三種組合： 低速l#齒與高速3#齒嚙合，則低速l#齒將只能與高速3#，9#和6#齒嚙合，不可能與高速齒輪的其他齒嚙合。,齒輪組合狀態(tài)問題,,,,,這對齒輪開始組裝低速1#齒和高速1#齒嚙合：如果下次重新安裝時，變?yōu)榈退?#齒與高速2#齒嚙合。那么將產(chǎn)生一種新的磨損圖象。這樣標(biāo)準(zhǔn)的嚙合頻率fm很明顯。此外還有13嚙合頻率分量。此分量原來的磨損圖象與新產(chǎn)生的磨損圖象相互作用造成復(fù)雜的嚙合作用結(jié)果。形成許多和頻及差頻幅值和頻率調(diào)制。 齒輪組合狀態(tài)通過頻率fa fa=fm/Na 赫茲 以上例子，低速齒輪齒數(shù)為15，高速齒輪齒

45、數(shù)為9，則Na=3(這對齒輪齒數(shù)的最大公約數(shù)為3，即只有3種組合的可能)。所以，這對齒輪的組合狀態(tài)通過頻率為 fa=fm3。,,,,齒輪組合狀態(tài)問題,,,,,齒輪組合狀態(tài)頻率(GAPF)可產(chǎn)生齒輪嚙合頻率的分?jǐn)?shù)倍頻率(如果NA大于1)。這字面上意味著(TpNA)齒輪的齒將接觸，產(chǎn)生NA磨損圖象，這里，給定齒輪組合狀態(tài)中的N A等于大齒輪齒數(shù)和小齒輪齒數(shù)的最大公約數(shù)(NA=組合狀態(tài)因子)。如果齒輪有制造缺陷，則將出現(xiàn)齒輪組合狀態(tài)頻率(GAPF)(或其諧波頻率)。如果污染顆粒通過齒輪嚙合，導(dǎo)致吸入污染顆粒時嚙合的齒進入和退出嚙合中或者重新定位齒輪時使嚙合的齒損壞，于是在定期監(jiān)測的頻譜中突然出現(xiàn)齒輪

46、組合狀態(tài)頻率(GAPF)。,,,齒擺動故障,,,,,如果低速齒輪和高速齒輪都有故障，高、低速齒輪的各自的故障同時進入嚙合時，將對振動產(chǎn)生最大的影響，這就是齒擺動頻率。齒擺動頻率非常低，一般在次聲(低于20赫茲)范圍。由于頻率非常低，因此，常規(guī)振動傳感器及頻譜分析儀難以檢測，需要低頻檢測技術(shù)。,,,,,齒擺動故障,,,,大齒輪和小齒輪兩者存在故障時出現(xiàn)齒擺動頻率(fHT），大小齒輪的故障可能在制造時造成的，或由于錯誤的處理，或在現(xiàn)場造成的。它可引起十分大的振動，但是由于它主要出現(xiàn)在低于600轉(zhuǎn)/分的低頻范圍內(nèi)，所以常被測量不當(dāng)丟失。有這種齒重復(fù)故障的齒輪裝置通常從松動中發(fā)出“轟鳴”聲。有故障的小

47、齒輪和大齒輪的兩者同時進入嚙合時發(fā)生最大效應(yīng)，(在某些傳動中，可能僅每10到20轉(zhuǎn)出現(xiàn)一次，取決于fHT公式)。請注意，T大齒輪和T小齒輪分別指大齒輪和小齒輪的齒數(shù)。N A是以上定義的組合狀態(tài)因子，常常調(diào)制齒輪嚙合頻率(GMF)和齒輪轉(zhuǎn)速頻率尖峰兩者。,,,,,,,,兩級螺桿式空氣壓縮機測點分布,齒輪故障分析舉例,齒輪故障分析舉例,1. 如上圖所示是一臺兩級螺桿式壓縮機。其結(jié)構(gòu)包括一個驅(qū)動大齒輪、在低壓級和高壓級上的兩個從動齒輪、及兩對用于齒輪潤滑的帶動油泵的傳動齒輪組成。 我們已經(jīng)知道，齒輪已經(jīng)磨損了的特征之一是齒輪嚙合頻率成分的基頻（1XGMF）及其諧頻幅值增大，然而，僅考察齒輪嚙合頻率

48、成分幅值的變化所帶來的問題是，齒輪嚙合頻率成分的幅值有時隨著負(fù)荷的變化而大幅度變化。,,,,,,齒輪磨損,齒輪負(fù)荷增大,齒輪故障分析舉例,2、但是值得關(guān)注的是，當(dāng)齒輪嚙合頻率成分的幅值增加的同時在齒輪嚙合頻率成分的周圍的邊頻帶數(shù)量也增加。這些邊頻帶成分是以與之相互嚙合齒輪的轉(zhuǎn)速頻率相間隔的。請見圖6.11D，這里有3個齒輪嚙合頻率成分，分別是齒輪油泵的嚙合頻率OPMF及其諧頻2X OPMF和3X OPMF。值得注意的是，只是在2X OPMF兩側(cè)有4個邊帶頻率成分是存在，其間隔頻率近似為2719 RPM，為油泵驅(qū)動軸的轉(zhuǎn)速頻率，見圖6.11C Fop。,,,,圖6.11D,齒輪故障分析舉例,3、

49、通常，當(dāng)齒輪是處于完好的狀態(tài)，并且相互嚙合的兩齒輪安裝對中良好，那么，齒輪嚙合頻率的基頻（1X GMF）成分的幅值與其2X GMF和3X GMF的幅值相比是最高的。此外，通常，在齒輪嚙合頻率的基頻（1X GMF）成分兩側(cè)也只有一簇邊帶成分存在，其間隔為每個齒輪的轉(zhuǎn)速RPM。例如參見圖6.11C，齒數(shù)為55的齒輪工作轉(zhuǎn)速為1780 RPM，齒數(shù)為36的齒輪工作轉(zhuǎn)速為2719 RPM，為油泵軸的工作轉(zhuǎn)速。此時該對齒輪的嚙合頻率為（GMFop）97900CPM（55X1780RPM）。如果這對齒輪齒形狀態(tài)和對中狀況良好，那么在該對齒輪的嚙合頻率為（GMFop）97900 CPM 及其諧頻處，通常有較

50、低的幅值出現(xiàn)，同時來自輸入軸的轉(zhuǎn)速1780 RPM和來自輸出軸的轉(zhuǎn)速2719 RPM，在嚙合頻率為（GMFop）97900的兩側(cè)所形成的邊帶幅值也是很低的。,,,,,處于完好狀態(tài)的齒輪嚙合,齒輪故障分析舉例,而見圖6.11D，在2X油泵齒輪嚙合頻率（2X OPMF）處，有4個邊頻帶簇存在，每個邊頻帶都是以油泵的轉(zhuǎn)速頻率2719 RPM相間隔。這個現(xiàn)象顯示出有潛在問題的存在。由圖可見，由于油泵齒輪嚙合頻率的基頻（1X OPMF）成分的幅值和3X OPMF的幅值都較低，又由于在2X油泵齒輪嚙合頻率（2X OPMF）的兩側(cè)存在如此多的2719 RPM邊頻帶，由此得出結(jié)論，油泵齒輪相互之間的對中情況可

51、能出現(xiàn)了問題。接下來的解體檢查發(fā)現(xiàn)，由磨損痕跡可清楚看出，全部油泵的負(fù)荷只是由每個齒輪全部齒寬的25%到30%傳遞的。檢修修正了齒輪的對中情況，從而大大增加了油泵的工作壽命。,,,,圖6.11D,,齒輪不對中,齒輪故障分析舉例,為了便于比較，見圖6.11E是在就近的另一臺相同結(jié)構(gòu)的壓縮機上、相同位置處測量的頻譜圖，由圖可見其2X OPMF（59565 CPM）的幅值是相當(dāng)?shù)偷?。在圖6.11E中還可以看到在圖在設(shè)置了窄帶報警，用于發(fā)現(xiàn)象#3壓縮機一樣任何振動成分的報警問題。,,,,圖6.11E,齒輪故障分析舉例,4、通常，在齒輪磨損初期，通過嚙合頻率的3X可檢測得到齒輪的磨損問題，這時，不僅你可

52、以注意到3X GMF幅值的顯著增加，同時也可以注意到在它周圍的邊頻帶的幅值也是大幅度增加的，在接下去的檢測中，你也會發(fā)現(xiàn)在3X GMF的周圍有越來越多的邊頻帶出現(xiàn)。 5、如果有一個以上的齒輪對出現(xiàn)磨損問題，那么在嚙合頻率兩側(cè)就會有邊頻帶出現(xiàn)，其與嚙合頻率的間距是每個已經(jīng)磨損齒輪的工作轉(zhuǎn)速。例如，參加見圖6.11C，如在高壓級齒數(shù)為32和齒數(shù)為48的配對齒輪出現(xiàn)磨損問題，那么在高壓級兩嚙合齒輪的嚙合頻率為366171 CPM（GMFhp）及其諧頻的兩側(cè)就會出現(xiàn)具有32個齒的11443 RPM的邊頻帶和具有48個齒的7629 RPM的邊頻帶。,,,,趨勢分析法的理論根據(jù),監(jiān)視機器的劣化過程 預(yù)測機

53、器的失效時間,,“浴盆曲線”,轉(zhuǎn) 子 平 衡 的原 理 和 方 法,轉(zhuǎn)子不平衡的原因和危害 轉(zhuǎn)子不平衡的分類 剛性轉(zhuǎn)子和撓性轉(zhuǎn)子 平衡機 硬支承平衡機 軟支承平衡機,本 章 內(nèi) 容,剛性轉(zhuǎn)子的平衡方法 靜平衡 單面動平衡 雙面動平衡,轉(zhuǎn)子不平衡的原因和危害, 不平衡的原因 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)不對稱。 材質(zhì)不均勻，制造誤差、安裝誤差。 運行中零部件的變形、移位、結(jié)垢、破損。 不平衡的危害 轉(zhuǎn)子振動和應(yīng)力大，運行不安全。 惡化環(huán)境，浪費能源。 產(chǎn)品數(shù)量和質(zhì)量下降。,轉(zhuǎn)子平衡的方法和設(shè)備, 剛性轉(zhuǎn)子 撓性轉(zhuǎn)子 靜平衡 影響系數(shù)法。 單面平衡 振型平衡法（模態(tài)平

54、衡法）。 雙面平衡。 其他綜合方法。 平衡設(shè)備 平衡機：專用、通用，硬支承、軟支承，臥式、 立式，機電式、計算機化，等。 現(xiàn)場平衡：平衡儀 其他設(shè)備：平行導(dǎo)軌、滾輪架、平衡搖架等。,剛性轉(zhuǎn)子與撓性轉(zhuǎn)子,n 0.7nc1 稱為撓性轉(zhuǎn)子。 其中, nc1 為第一階臨界轉(zhuǎn)速， n 為轉(zhuǎn)子的工作轉(zhuǎn)速。 剛性轉(zhuǎn)子和撓性轉(zhuǎn)子有完全不同的平衡方法。 如能正確選擇平衡平面和平衡轉(zhuǎn)速，準(zhǔn)剛性轉(zhuǎn)子常可采用剛性轉(zhuǎn)子的平衡方法。,剛性轉(zhuǎn)子不平衡的形式,靜不平衡 離心慣性力系有合力,動不平衡 = 靜不平衡 + 偶不平衡 離心慣性力系合成為一合力和一合力偶,偶不平衡 離心慣性力系有合

55、力偶,,,,,,,,,不平衡向兩個平面的分解,剛性轉(zhuǎn)子的 任意不平衡可 以向兩個平面 內(nèi)分解。 故剛性轉(zhuǎn)子 都可以用兩個 校正質(zhì)量來達 到平衡。,靜平衡的布置,,,W,水平導(dǎo)軌,滾輪架,水平導(dǎo)軌,轉(zhuǎn)子,轉(zhuǎn)子,滾輪架,平衡機的原理,硬支承和軟支承平衡機,硬支承平衡機的擺架 軟支承平衡機的擺架,硬支承和軟支承平衡機的對比,現(xiàn)場動平衡的優(yōu)點,無需拆裝轉(zhuǎn)子，平衡快捷方便，省時省力，可以達到立竿見影的效果 工作轉(zhuǎn)速下平衡，彌補平衡機低速平衡不足 支撐系統(tǒng)不發(fā)生變化，符合實際工作條件，這也是平衡機無法做到的,單面平衡的布置和方法,1.選擇加重平面、選擇測點。 畫鍵相標(biāo)記，逆轉(zhuǎn)向畫360相位刻度盤

56、。 2.測得原始振動A0(幅值和相位)。 3.在平衡平面內(nèi)加試重Q，測得振動A1。 4.計算影響系數(shù),5.按下式求得校正質(zhì)量P。,單面平衡的作圖解法,,作A0和A1 ，求其差為A1- A0 。 量A1- A0 和 A0之間的夾角為 。 把試重Q 按 的方向轉(zhuǎn)動一 角，此即為校正重的正確方位。 校正重 P 的大小為：,雙面平衡的布置和方法,,1.測原始振動A0，B0。 2.平面I 內(nèi)加試重Q1，測得振動A1，B1。 3.計算影響系數(shù),4.平面II 內(nèi)加試重Q2，測得振動A2，B2。 5.計算影響系數(shù),6.按下式求得校正質(zhì)量P1，P2。,,信號的混淆 平均 動態(tài)范圍 窗處理,信號處理,信號混淆問

57、題,,為了弄懂混淆的問題，我們必須先關(guān)注一下采樣過程，雖然來自傳感器測得的信號是連續(xù)的，但是采樣時間片段并不是連續(xù)的，它只是一個數(shù)字序列。我們只是可以將這些數(shù)字序列所代表的點連接起來，所構(gòu)成的圖形看上去象是一個波形，然后FFT分析就是利用這些數(shù)字序列樣本進行它的計算。,信號混淆問題,,在這個室內(nèi)溫度波動的曲線中我們可以看到，每30分鐘波動一次。如果我們能夠正確對這個溫度波動曲線采樣，在頻譜圖的30分鐘處應(yīng)該有一個峰值存在。但是如果我們只是每30分鐘對這個溫度波動曲線采樣一次會有什么發(fā)生呢？此我們只是得到一條平坦的曲線。,如果我們稍微改變一下采樣的方式，每隔15分鐘采樣一次，其結(jié)果又會怎樣呢？結(jié)

58、果基本是一樣的，是一條平坦的曲線。我們并沒有進行足夠快速的采樣，以至于可以看到真實的溫度變化。,信號混淆問題,這就是由所謂的混淆現(xiàn)象引起的，見下面的例子，為了能夠得到一組能夠代表如下模擬信號的數(shù)字信號該如何去做呢？當(dāng)然，你需要以較高的采樣速率進行采樣。實際上我們只需要以大于模擬信號頻率兩倍以上的采樣頻率就可以做到這一點。我們有一個周期為30分鐘的模擬信號，而用15分鐘的采樣速率進行采樣是不夠的。,信號混淆問題,例如，下面有一個65Hz的信號，但我們可處理的頻率范圍只為25Hz（這就意味著我們的采樣速率為每秒64點）。結(jié)果在頻譜圖上這個信號是在1Hz處出現(xiàn)一個峰值。注：我們采4096個樣，采樣頻

59、率為每秒采64個樣。所以頻率范圍為：4096/(64*2.56)=25Hz,混淆問題的解決,總之，采樣規(guī)律是：采樣頻率必須大于兩倍以上的最高信號頻率。這個規(guī)律也稱為奈奎斯特定律。 但當(dāng)我們進行測量時，我們并不知道被測信號中的頻率是多少，實際上，測量前我們總是能夠估計到信號中所包含能夠在頻譜圖中引起折疊的信號成份。所以由于這個原因，所有頻譜分析儀和便攜式的數(shù)采器大都采用了抗混濾波器，這是一個低通濾波器，它可以將超過采樣頻率以上的信號濾掉。,信號混淆問題,讓我們再來看另外一個例子，確信你已經(jīng)弄懂了這個道理。我們再回到基礎(chǔ)知識一節(jié)中風(fēng)扇的例子，我們曾有一個1Hz和一個8Hz的信號。,顯而易見，

60、如果以1Hz的采樣頻率進行采樣，我們會得到一條平坦的曲線。如果我們一秒鐘內(nèi)采樣兩次，我們?nèi)匀坏玫降氖且粭l平坦的曲線。 根據(jù)奈奎斯特原理，如果我們每秒鐘內(nèi)采樣三次，我們就會有足夠的數(shù)據(jù)分辨率來識別1Hz的信號，但仍然不能采集到8Hz的信號。,信號混淆問題,如果我們預(yù)測到這個8Hz的信號，并且想測量它，我們必須以每秒鐘采樣大于16次的頻率進行采樣。但是如果我們不知道有這個8Hz的信號存在，只是以每秒鐘3次的采樣速率進行采樣的話，在頻譜圖上就會有一個來自8Hz信號的幽靈頻率峰值。,所以，唯一的解決辦法是將在有效數(shù)據(jù)范圍以上的頻率成份統(tǒng)統(tǒng)濾掉，如果我們以每秒3次的采樣速率進行采樣時，我們就會將6

61、Hz（3*26）以上的信號濾掉。,信號混淆問題,不幸的是，濾波器并不是十分理想，它并不能使低于某一頻率成份的信號都通過，而使高于這個頻率成份的所有信號全部阻隔（對于高通濾波器也是一樣） 如果我們有一個理想的濾波器，那么高于采樣頻率以上的所有頻率成份會被全部清除掉，但在實際應(yīng)用中，濾波器都達不到這種理想程度。仍然有一部分高于采樣頻率以上的成份通過，所以這樣的頻譜圖我們不能使用。,信號混淆問題,在一個采樣時間段內(nèi)，如果我們采樣N個點，那么我們就會產(chǎn)生一個具有N/2條譜線的FFT圖。如，一個具有2048個采樣點的采樣時間段，會產(chǎn)生一個具有1024條譜線的FFT圖。但是由于實際的抗混濾波器并不是

62、理想的，所以我們在FFT圖中只有800條譜線，這是一條已被接受的規(guī)則，就是在FFT圖中的譜線數(shù)等于在采樣時間段內(nèi)的采樣點數(shù)除以2.56。,信號混淆問題,同樣，頻率范圍等于時間范圍除以2.56。如當(dāng)每秒采樣1024點時，我們可以得到一個頻率范圍為400Hz的頻譜。由于有這一規(guī)律的存在，大多數(shù)采器和頻譜分析儀都提供了特定的采樣頻率和與之相對應(yīng)的抗混濾波器，這樣也就決定了可測量的頻率范圍。,平均問題,如果振動源沒有噪音干擾，并且振源的振動是穩(wěn)定，那么我們就可以直接采集這一振動信號的時間采樣片段，由此產(chǎn)生出FFT并將其保存。 但不幸的是，通常振動總是有隨機噪聲信號存在的，并且在大多數(shù)情況下，振源

63、的振動也并不是十分穩(wěn)定的，這次測量和下一次測量，多少有一定的變化。,平均問題,信號的處理過程,重疊平均,我們使用不多的時間波形片段，產(chǎn)生成頻譜圖。由下圖可以看出，重疊平均處理后可節(jié)省的時間是多少，我們可以不必采集由灰色表示的數(shù)據(jù)，這就意味著我們可以在機器旁不會太長的時間。,峰值保持平均,還有另一種使用頻譜對數(shù)據(jù)進行平均處理的方法，并不是利用一系列頻譜數(shù)據(jù)計算出振動的平均值，這一方法是保持峰值不被刷新，也就是說在頻譜圖上顯示的是每條譜線上的最大值。,峰值保持的應(yīng)用啟停車試驗,如果你打算啟動機器（或停止已啟動的機器），以自由運轉(zhuǎn)方式開始一個測量，你會看到頻譜峰值隨著機器轉(zhuǎn)速的變化在數(shù)采器上移動。振

64、動的幅值會隨著機器的轉(zhuǎn)速通過其自振頻譜而發(fā)生變化（當(dāng)自振被激發(fā)起來以后，在自振頻譜下的振動幅值會增加），因為當(dāng)轉(zhuǎn)速降低時，做用力也隨著降低。 如果你將數(shù)采器設(shè)置成峰值保持方式，在不同頻率下測量的最大值將被保存下來，隨著主導(dǎo)頻率成份的峰值（如1X,2X等）移動通過頻率軸時，你就會得到一系列小的趨勢。幅值將隨著頻率接近機器的自振頻率而增加。,峰值保持的應(yīng)用轉(zhuǎn)速變化試驗,如果在一段擴展的時間內(nèi)，你將數(shù)采器設(shè)置成峰值保持方式，你不僅可以看到幅值是如何變化的，你也可以看到速度是如何變化的。如一臺機器開始運行時是以1750 CPM ,逐漸漂移到1740 CPM(也許是因為負(fù)荷的變化引起)，在頻譜圖上其

65、結(jié)果會有較寬峰值。它們的寬度指示出速度變化了有多少。,峰值保持的應(yīng)用撞擊試驗,我們比較感興趣的是，想知道機器的自振頻率。如果機器沒有運行，你可以使用一塊大的木棒或一個橡膠錘撞擊機器，這時機器就會以它的自振頻率振動起來。 如果你將數(shù)采器設(shè)置成峰值保持方式，然后撞擊機器，在頻譜圖上就會出現(xiàn)機器的自振頻率的峰值，這些峰值代表了機器的自振頻率。,峰值保持的應(yīng)用撞擊試驗,你可以重復(fù)多次做這個試驗，分別將傳感器以垂直、水平和軸向方向安裝，這樣你可以得到一個完整的機器自振頻率特性。 注意：因為Hanning窗、Hamming窗和平頂窗將信號的時間采樣片段首尾數(shù)據(jù)剔除掉了，所以這三種窗函數(shù)是不適于進行暫態(tài)

66、試驗的，在信號的時間采樣片段首尾處包含了關(guān)鍵的振動數(shù)據(jù)。出于這個原因，進行這項試驗時應(yīng)采用矩形窗（無窗）。,時間同步平均,到目前我們已經(jīng)討論了頻域的平均問題，線性平均實際上并不能除掉噪聲，它只是對噪聲譜線的影響進行了改善。 而在時域上對時間信號進行平均處理，真正能夠減少噪聲的水平，并且不會掩蓋低幅值的被噪聲信號所淹沒的振動信號。,動態(tài)范圍,在前面我們談到的對輸入信號如何快速采樣問題中，我們并沒有考慮信號的幅值精度問題，在來自機器的振動信號中包含了大量的信息，其中有些信號的幅值相對于主導(dǎo)頻率成份信號的幅值要低得多。 當(dāng)我們對振動信號進行分析時，我們不要只關(guān)注頻譜圖中高峰值的信號，我們同樣也要關(guān)注低幅值的信號。例如，軸承故障的諧頻信號幅值，通常是很低的，但是它對故障診斷過程是很重要的。,動態(tài)范圍,當(dāng)數(shù)采器對輸入信號進行數(shù)字化處理時，它只能指派有限個數(shù)字化量對時間采樣片段進行數(shù)字化處理。舉例，如有一個只有5個bit的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，它對采樣信號具有1/32的數(shù)字化量。,如果信號的最大電壓是1volt, 也稱其為輸入范圍，我們就會得到幅值分辨率為31.25mV（1/32*1000）。所以可測