旋转机械的状态监测与故障诊断

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因为特定的振动频率往往对应一定的故障,所以对振动 频率的监测和分析在评定设备状态过程中是必不可少的。
在旋转机械中,振动频率多以转子转速的整数倍或分数 倍形式出现,因此振动频率除了可表示为每分钟的周期数 (r/min)或每秒钟的周期数(Hz)表示外,还可以简单地表示 为转速的整数倍或分数倍。
1 旋转机械的状态特征参数与测试
(6)标定和检测整个测试系统,特别是传感器和与其相连 的前置放大器。
(7)确定传感器的安装位置、方法以及安装固定件结构, 评价是否会因传感器附加质量的影响对测试对象造成影响(例 如:改变原有振动频率、振幅)。
(8)做好测试准备,包括安装传感器、连接各仪器的连线、 确认各仪器控制旋钮的位置、检查电源等。
x p-p
峰-峰值的测量方法
1)以轴承振动位移峰峰值作评定标准
2 旋转机械振动评定标准
2)以轴承振动烈度作为评定标准
Vrms
1 T v2 t dt
T0
式中:T v(t)曲线样本长度;
n
设:v(t) vk sin 2fkt k 1
其中:vk 1,2,3,n为各组成分量的幅值,
由此可导出:Vrms
1 旋转机械的状态特征参数与测试
3)旋转机械振动相位检测
是指基频(以转子转速为频率)信号相对于转轴上 某一确定相位标志之间的相位差。这样定义是因为旋转 机械的许多故障都与基频有关。确定标记在工程上通常 是键相槽位置,而检测键相槽位置所用的传感器是电涡 流传感器,因此而被称为“键相位传感器”。
1 旋转机械的状态特征参数与测试
1)轴的径向振动测量
测量轴颈的径向振动通常是在一个平面内相互垂 直的两个方向分别安装一个传感器。
2) 机壳(轴承座)的振动测量
测量点应尽量靠近轴承的承 载区,与被监测的转动部分最好 只有一个界面,尽可能避免多层 相隔,使振动信号在传递过程中 减少中间环节和衰减量。测量点 必须有足够的刚度,轴承座底部 和侧面往往是较好的测量点。
3.相位 许多设备故障单从幅值谱图上判断是不易区分的,这时
需要对相位信息进行进一步的分析,以做出正确判断。 例如,对于转子临时弓形弯曲、转子缺损和滑动轴承故
障,其频谱都以一倍频为主,不易区分。 如果进一步对其相位进行监测分析,则可以比较容易地
将它们区分开: 转子临时弓形弯曲时相位比较稳定地变化; 转子缺损时相位会发生突变,然后保持稳定; 轴承故障时相位在一定范围内不稳定地变化。
1 旋转机械的状态特征参数与测试
6)轴心轨迹测试
轴心轨迹非常直观地显示了转子在轴承中的旋转 和振动情况,是故障诊断中常用的非常重要的特征信 息。
1 旋转机械的状态特征参数与测试
正向进动(轴转向与轴心轨迹 转向一致)----例如:转子不 平衡、不对中、油膜失稳产生 的亚同步涡动、内摩擦激发的 涡动等均为正向进动。绝大多 数为正向进动。
旋转机械的状态特征参数
1、振幅 3、相位 5、时域波形 7、轴向位置(轴位移)
2、振动频率 4、转速 6、轴心轨迹
1 旋转机械的状态特征参数与测试
1、振幅
振幅是描述设备振动大小的一个重要参数。运行正 常的设备,其振动幅值通常稳定在一个允许的范围内, 如果振幅发生了变化,便意味着设备的状态有了改变。 因此对振幅的监测可以用来判断设备的运行状态。
振动特点:振动频率(自激振动)<工作频率,并与一阶 横向自振频率有关。
自激振动:振动过程中,由于系统内部不断有能量输入而 产生的共振现象,在设备诊断中又称为亚同步振动。
一般采用滑动轴承。
两种系统振动特点比较
激振原因
频率与工作 频率的关系
强迫振动(刚性系统)
由于外部激振力 或激振位移引起的
振动频率与工作频率同步
键相位传感器的安装
键相位信号是通过对键相标记(即在被测轴上设置的 一个凹槽或凸键)测量得到的,当这个凹槽或凸键转到探 头安装位置时,相当于探头与被测面间距突变,传感器会 产生一个脉冲信号。轴每转一圈,就会产生一个脉冲信号, 通过将脉冲与轴的振动信号比较,可以确定振动的相位角, 也可用于轴的动平衡分析以及设备的故障分析与诊断等方 面。
1 旋转机械的状态特征参数与测试
4)旋转机械的转速检测
齿式轮盘测速 转速测量一般是在轴的测量圆周上设置多个凹槽
或凸键标己或者在轴上安装一个齿轮盘使每转产生多 个脉冲。
1 旋转机械的状态特征参数与测试
5)轴向位移检测
测量转子的轴 向位移时,测量面 应该与轴是一个整 体,这个测量面以 探头中心线为中心。
1 旋转机械的状态特征参数与测试
现场测试的准备步骤及测试中应注意的问题
(1)了解测试对象的原理和结构,例如,被测对象是旋转 机械还是往复机械或其他机械,是滚动轴承还是滑动轴承,是 否存在外来激励振动,可能出现的故障及故障反映在哪些部位, 哪些参数的变化上最为敏感。
(2)了解被测对象的运行状况,例如,易发故障,曾经发 生过的故障履历。
随转速的变化振幅有突发变化的可 能(增大或减小)
3)故障分类
不平衡
刚性转子
不对中
同步振动(强迫振动)装 轴配 弯件 曲或基础松动
转子与定子摩擦
转子横向裂纹
旋转机械故障
油膜涡动
亚同步振动(自激振动)油旋膜转振失荡速
柔性转子
喘振
顶隙激振
旋转机械故障分类
1 旋转机械的状态特征参数与测试
(3)确定满足测量的目的需要哪些数据,应对哪些参量进 行测定。
(4)估计被测对象的振动类型、振级和可能产生的最低和 最高频率,同时根据环境条件(如温度、湿度、电磁场等)确定 传感器类型及与其相配套的中间变换器和显示记录仪器。
1 旋转机械的状态特征参数与测试
(5) 画 出 测 试 系 统 的 工 作 框 图 及 仪 器 的 连 接 草 图 , 标 出 所 用仪器的型号和序号,以便于测试系统的安装、校准和编制测 试报告。
(11)对测量数据进行处理和分析时,应查阅测试过程的原 始记录,如有特殊影响因素,应采取手段消除其影响或剔除混 有伪信号的数据,以保证得到正确的结果。
2 旋转机械振动评定标准
1)以轴承振动位移峰峰值作评定标准
位移的峰-峰值
x(t)
x p-p可以从一般的 测振仪中读出。
用于汽轮机、压
0
t
缩机初步状态评判。
1 旋转机械的状态特征参数与测试
旋转机械的振动检测
大型旋转设备发生故障时,转子振动的变化比轴 承座要敏感,其振动信息更为直接、有效。对于轴承 和齿轮等零部件的故障,轴系的振动反映也明显得多。 因此在对旋转机械进行振动检测时,测量转子振动是 首选,但在不具备条件时也可以测量外壳或轴承座的 振动情况。
1 旋转机械的状态特征参数与测试
测点数量与布置
原则:通过对整个机组结构特性的全面了解和认真分 析,以最少的传感器,最灵敏地测出整个机组系统的工况。
注意:对于在机壳(轴承座)上的振动测量,测点的 选择应考虑环境因素,避免选择高温、高湿度、出风口和 温度变化剧烈的地方作为测量点,以保证测量的有效性。
注意:为降低系统成本,对于高频的随机振动和冲击 振动可以只确定一个方向为测量点。但对于低频段的确定 性振动(常为低频振动)必须同时测量水平和垂直两个方 向,有条件时还应增加轴向测点。
凹槽或凸键要足够大,以保证产生的脉冲峰值不小于 5V。一般若采用φ8mm探头,则这一凹槽或凸键宽度应大 于7.6mm,深度或高度应大于1.5mm,长度应大于10mm。
1 旋转机械的状态特征参数与测试
键相位传感器的安装
1 旋转机械的状态特征参数与测试
相位角的定义
定义如下:如图所示,假设 在轴上键槽位置为O’,传感器安 装位置为O,O’转至与O重合时 得到 一键相脉冲信号,这一脉 冲信号即作为相位的参考 脉冲信 号。若将任意测点经过滤波后的 基频信号描绘在同一时间轴上, 就可以按参考脉冲信号来定出基 频信号的相位。
1 T
n
vk2
k 1
1 2
v12 v22 vn2
频率与转速 振动频率随转速之变化而变化, 变化的关系 显比例关系。
振幅与转速 变化的关系
振幅随转速之增加而增加,达到 临界转速时振幅出现峰值,然后 则随转速之增加而减小,趋于某 定值。
自激振动(柔性系统)
在振动过程中,由于系统内部有能 量输入而引起的。
振动频率一般低于工频
振动频率在一定范围内可能存在某 种比例关系,但超过一定范围后则 主要与转子的一阶自振频率有关
逆向进动(轴转向与轴心轨迹 转向相反)----干摩擦等少数 情况下发生。
1 旋转机械的状态特征参数与测试
7)轴承温度测量
轴承温度是指示轴承状 态和负荷变化的最敏感的参 数,轴承温度也是一个快速、 灵敏、易于测量的参数。
测量径向轴承轴瓦温度 的热电偶温度传感器或者热 电阻温度传感器应安装在轴 承下瓦块的最大负荷区,一 般在旋转方向上偏离中心线 大约20°处。
旋转机械的状态监视与故障诊断
主要内容
1 转子系统振动故障诊断 2 齿轮箱故障诊断 3 滚动轴承故障诊断
6.1 转子系统振动故障诊断
旋转机械的状态特征参数与测试 旋转机械振动评定标准 旋转机械振动故障分析常用方法 转子系统主要故障及其诊断
6.1 转子系统振动故障诊断
旋转机械是指主要功能由旋转运动来完成的机械, 尤其是指主要部件作旋转运动的、转速较高的机 械。
振幅可以分为位移振幅、速度振幅、加速度振幅。
在旋转机械状态监测实际应用中,位移振幅通常用 双振幅,即峰-峰值(P-P值)来表示;速度振幅通常用 单振幅有效值,即振动烈度(Vrms)来表示;加速度 振幅通常用最大单峰值来表示。
1 旋转机械的状态特征参数与测试
2.振动频率
振动频率可分为基频(周期的倒数)和倍频(各次谐波 频率),它是描述机器状态的另一个特征参量,也是测量和 分析的主要参数。
1 旋转机械的状态特征参数与测试
4.转速 旋转机械的转速变化与设备的运行状态有着非常密切的关
系,它不仅表明了设备的负荷,而且当设备发生故障时,通常 转速也会有相应的变化。 例如:
当离心式压缩机组发生喘振时,转速会有大幅度的波动; 当转子与静止件发生碰磨时,转速也会表现得不稳定。 因此,转速通常是设备状态监测与故障诊断中比较重要的 参数。
轴向振动----振动发生在转轴轴线z方向上,某些故障如不 对中将会激发轴向 振动;
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扭转振动----沿转轴轴线发生的扭振,多盘转子的柔性轴将
会产生扭振。
x
0
z
y 最简单的转子系统
2)系统分类——以临界转速分类
⑴ 刚性转子系统----工作转速在一阶临界转速以下的 系统:
一阶临界转速:转子系统有多个自振频率,当转速逐渐增 大到横向振动的一阶自振频率时,将发生一阶共振,所对 应的转速称为一阶临界转速。
旋转机械种类繁多,有汽轮机、燃气轮机、离心 式压缩机、发电机、水泵、水轮机、通风机以及 电动机等。这类设备的主要部件有转子、轴承系 统、定子和机组壳体、联轴器等组成,转速从每 分钟几十到几万、几十万转。
6.1 转子系统振动故障诊断
旋转机械的故障诊断,是在获取机器的稳态数据、 瞬态数据以及过程参数和运行状态等信息的基础 上,通过信号分析和数据处理提取机器特有的故 障症兆及故障敏感参数等,经过综合分析判断, 才能确定故障原因,做出符合实际的诊断结论, 提出治理措施。
1 旋转机械的状态特征参数与测试
(9)测试过程中应对测试环境做出详细记录,以便在数据分 析时参考和及时发现一些偶然因素。
(10)在测试过程中应经常检查测试系统的“背景噪声”, 在分析时再除掉这部分因素,在实测中,背景噪声至少应小于 所测振动的1/3。也就是说, “背景噪声”至少应低于所测振 级的10dB。
6.1 转子系统振动故障诊断
旋转机械的核心----转子系统(转轴组件),它包 括:
转子(轴、齿轮传动件、叶轮、联轴器); 滑动轴承、滚动轴承; 支座(定子、机座); 密封、密封装置。
1)转子系统的振动分类:
横向振动----振动发生在包括转轴的横向xoy平面内,大多 数故障所激发的振动为此类振动;
判别依据:一般工作频率<100Hz的机械系统属于刚性转子 系统,该系统一般采用滚动轴承。
同步振动:工作频率=激振频率。 强迫振动:对线性系统,在周期激振下的稳态响应 一般采用滚动轴承
2)系统分类——以临界转速分类
⑵ 柔性转子系统--工作转速在一阶临界转速以上的 系统
判别依据:一般工作频率>100Hz的机械系统属于柔性转 子系统。
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