3-典型机器故障振动特征分析(一)平衡与对中

典型机器故障振动特征分析 （一）
• • • • • 转子不平衡 轴线不对中 偏心 轴弯曲 机械松动
转子不平衡
不平衡定义： 转子质量中心线与转轴中心线不重合时便产生不平衡 。
力不平衡
力偶不平衡
悬臂转子不平衡 动不平衡
不平衡产生的原因
不平衡振动特征
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不平衡转子呈现如下特征：
1. 不平衡振动总是显示出不平衡部件转速频率的一倍频率的振动（但 是1x转速频率的并不总是不平衡)。通常，这个1X转速频率的振动尖 峰在频谱中占优势。
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动不平衡
动不平衡定义为：质量中心线与轴几何中心线轴线既不平行也不相交 的不平衡状态。 � 动不平衡基本上是力不平衡和力偶不平衡两者的组合。它至少需要在 垂直于轴中心线轴线的两个平面上才能修正平衡。
动不平衡特征
1 ．动不平衡产生 1X 转速频率较大的振动，但是，在外侧轴 承座上的振动幅值与在内侧轴承座上的振动幅值略不相同。 假定没有其他明显的故障的话，它们仍然在相同的幅值量 级或者小于3比1的比例。 2 ．与力不平衡和力偶不平衡一样，当动不平衡为主时，振 动相位还是稳定的和可重复的。 3 ．虽然外侧轴承与内侧轴承之间的水平方向振动相位差可 能是0度至180度的任一角度，这个相位差还是近似等于垂 直方向振动相位差。动不平衡至少需要两个平衡面才能修 正之。 4.不管力不平衡或力偶不平衡谁占优势轴承 1和2处水平方向 振动相位差应该近似等于这两个轴承处垂直方向振动相位 差（如果水平方向振动相位差约 150度，表示大的力偶不 平衡，则垂直方向振动相位差也约为150度）。
轴线不对中
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不对中的问题是引入大的振动导致昂贵的机器部件的过早损坏和增大 对能耗的要求。不对中现在也许是轴承故障的主要原因。 � 不对中问题的种类：
不对中的危害及特征
1．由于不对中造成机器零部件损坏 不对中会引起联轴器损坏，还会损坏其他机器部件。如会对轴承 施加过大的力，而引起轴承过早损坏。同样会起引起包括齿轮，皮带， 皮带轮，叶片等其它机器零部件有害的影响。 2．引起对自由端(或外侧)的作用 由于不对中从联轴器引入的力可能足够强大，其作用不仅是在最 靠近联轴器的轴承上，同样也作用在机器的自由端或外侧端。 3．引起2X转速频率振动 不对中经常会产生大于正常值的2X转速频率振动，它不仅作用在 轴向方向，还作用在径向方向。2X转速频率分量是最好的不对中指示 4．引起轴向方向振动
力不平衡
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力不平衡也称为“静不平衡”： 力不平衡就是质量中心线离开且平行于轴中心线的一 种转子不平衡状态。可采用静平衡法修正之。 力不平衡的典型频谱及相位关系统：
力不平衡特征
1．以1X转速频率旋转的相同的不平衡力通常都差不多同 时出现在内侧和外侧转子轴承座上(然而，根据每个方 向的支承刚性，水平和垂直方向的响应可能略不同。 2．在纯的力不平衡情况下，外侧水平方向振动相位等于 同一轴上内侧水平方向振动相位。 3．同样，同一轴上外侧轴承的垂直方向振动相位也近似 等于内侧轴承的垂直方向振动相位。 4．力不平衡只需在通过转子重心 (CG)的单一平面内加一 个反作用的重量便可修正之。 5．内侧和外侧轴承水平方向振动相位差应该大致等于内 侧和外侧轴承垂直方向振动相位差。
2. 当故障仅限于不平衡时，1X转速频率的振动尖峰的幅值通常大于或 等于振动总量幅值的80％(如果除了不平衡之外还有其他故障，则可 能仅为振动总量幅值的5％到80％)。
3. 振动幅值与质量中心离轴中心线的距离成正比。此外，当低于转子 第一阶临界转速运转时，振动幅值将随转速的平方成比例变化。即： 转速升高3倍，将导致不平衡振动增大9倍。
典型机器故障振动特征分析
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典型机器故障
转子不平衡 轴线不对中 转子偏心 轴弯曲 机械松动 共振 轴承故障 流体引起的振动 齿轮故障 交流感应电动机 拍振问题
不平衡 不对中
叶片磨损 轴承故障 松动
振动特征分析
振动特征分析
：从某种意义上讲，就是读谱
图，把频谱上的每个频谱分量与监测的机器的零部件对
1．在纯的力偶不平衡中，转子是静平衡的。但是力偶不平 衡的转子还是会产生1X转速频率的明显的振动。 2．力偶不平衡在外侧轴承座和内侧轴承座上产生1X转速频 率的大的振动，可能一个轴承座上振动略大于另一外轴 承座上的振动。 3．明显的力偶不平衡有时可能产生大的轴向振动。 4．内侧和外侧轴承座上水平方向振动相位差将近似为 180 度，因为两端的摇动运动彼此方向相反。 5．同样地，外侧和内侧轴承座垂直方向相位差约为 180 度。 6．如果故障是力偶不平衡（不是不对中)，则同一轴承的 水平和垂直方向的相位差应该彼此相差90度。
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力不平衡特征概括如下：
力偶不平衡
� 质量中心线轴线与轴几何中心线轴线相交于转子的重心处的一种 不平衡状态。 � 在转子的每一端彼此相差180度处，有两个质量相等的重点产生一 力偶。明显的力偶不平衡可以引起转子严重的不稳定，使之前后 摆动(像以转子重心(CG)处为支点的“跷跷板”)。
力偶不平衡特征
照联系，给每条频谱以物理解释。
1. 2. 3. 4. 振动频谱中存在哪些频谱分量？ 每条频谱分量的幅值多大？ 这些频谱分量彼此之间存在什么关系？ 如果存在明显的高幅值的频谱分量，它的精确的来源？它 与机器的零部件对应关系如何？ 5. 如果能测量相位，应该检查相位是否稳定？各测点信号之 间的相位关系如何？
不对中的危害及特征
5．引较高次谐波
不对中还可能引起大量的高次谐波，使振动频谱呈现为像松动或 间隙过大的故障。关键的区别特征仍然是轴向方向 2X转速频率的大的 幅值的振动。 6．相位是不对中的最佳指示 虽然同样存在1X转速频率与2X转速频率的振动，但不对中时的相 位特点是：联轴器两侧的相位差接近 180 度(±40 到50 度) ，不对中程 度愈严重，愈接近这个180度相位差。同样，诸如不平衡，偏心距， 共振等其他故障不明显时，愈接近这个180度相位差。 在比较同一转子的水平方向相位差与垂直方向相位差时，约百分 之九十的不对中机器将表现垂直方向相位差与水平方向相位差之间的 差值接近18O度。例如，如果外侧轴承与内侧轴承之间水平方向相位 差约为30 度，大多数不对中转子的垂直方向相位差为约 210度。不平 衡的转子不会表现这种相位差特性，因为不平衡的转子，水平方向出 现的相位差非常接近垂直方向相位差。
不对中的危害及特征
在不对中的响应中，相位特性可概括为如下： a．也许不对中故障的最佳指示是对联轴器两侧的振动相位的评定。这 里，检查主动轴及其联轴器的一半如何相对于被动轴及其联轴器的一半 反作用。当联轴器两侧的相位差接近180度(±40 到50度) 时，常常说明 是不对中，尤其是当不对中程度愈严重时，愈接近这个180度相位差。 同样，诸如不平衡，偏心距，共振等其他故障不明显时，愈接近这个 180度相位差。这里，重要的是不仅要测量振动的频谱，还应该在可以 达到的每个轴承座的水平，垂直和轴向方向测量相位。 b.在研究转子(恰如电动机，泵，风机等) 其中之一的轴承座相位差时， 有明显不对中的径向方向相位差或是0度或是180度(±30度)。这与不平 衡不同，不平衡故障中这种相位差可能接近90度(即水平和垂直方向相 位差可能为70度)。这里的关键是不对中的相位差接近0度或180度。 c.在比较同一转子联轴器两端的轴承座上水平方向相位差与垂直方向 相位差时，约百分之九十的不对中机器，将表现垂直方向与水平方向之 间的相位差接近18O 度。例如，如果外侧轴承与内侧轴承之间水平方向 相位差约为30度，大多数不对中转子的垂直方向相位差为约210度。不 平衡的转子不会表现这种相位差特性，因为不平衡的转子，水平方向出 现的相位差非常接近垂直方向相位差。
4. 质量不平衡产生一个均匀的旋转力，此力的方向连续变化，但是始 终作用在径向方向上。因此，轴和支承轴承趋向于以某圆周轨道运 动，然而由于轴承的垂直方向刚性比水平方向刚性强，所以通常振 动响应是一定程度的椭圆轨迹。因此，水平方向振动通常略大于垂 直方向振动，一般范围在2至3倍左右。当水平方向与垂直方向振动 之比大于6比1时，通常说明是其他故障，尤其是共振。
不对中也许是大的轴向方向振动的最常见的原因，当然还有若干 其它来源也可产生轴向方向振动，它们包括：
不对中的危害及特征
可产生轴向方向振动原因： a．弯曲的轴： b．处于共振回转的轴； c. 卡住在轴上的不对中的轴承(见第四章，第三节)； d. 轴向方向某些机器零部件共振； e. 推力轴承磨损； f. 磨损的螺旋齿轮或斜齿轮； g. 装滑动轴承的电动机相对于其磁力中心摆动； h. 联轴器的零部件不对中； 因此，当出现大的轴向方向振动时，不要很快草帅地得出 故障就是不对中的结论。而是，应该特别分析振动相位信 息，然后分析振动频谱。
悬臂转子不平衡
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被驱动转子位于轴承 1 和 2的外侧 (如果转子位于两个轴承 之间，称这种转子为简支转子)。
悬臂转子不平衡特征
1．悬臂转子可产生1X转速频率的轴向力，引起轴向振动， 这种轴向振动等于或者大于径向振动幅值。 2 ．悬臂转子往往除了产生力不平衡之外，还产生大的力偶 不平衡，这两种不平衡必须都要修正之。 3．对于单纯悬臂转子不平衡，在轴承1处的轴向方向振动相 位将近似等于轴承 2处的轴向方向振动相位 ( 士 30度 )。这 里的振动相位差还是取决于与其他的诸如不对中、共振等 故障相比较，不平衡故障占优势的程度。 4 ．通常，首先处理力不平衡分量，然后再处理剩下的相位 差接近 180 度的力偶不平衡分量，最终修正悬臂转子的不 平衡。因此力偶分量需要在两个平面内彼此相差约 180 度 处加修正重量来修正之。
不平衡振动特征
5.当不平衡超过其他故障成为主要振动原因时，则轴承上水平方向与垂 直方向振动相位差约为 90 度（+/-30度），因此，如果存在1X 转速频 率较大的振动，但是，水平方向与垂直方向振动相位差为 0度或接近 180度，通常这说明是其他故障源，例如偏心。 6．如果存在明显的不平衡，则内侧轴承与外侧轴承的水平方向振动的 相位差应该接近垂真方向振动的相位差。即，不是比较同一轴承座上 水平方向与垂直方向的相位差，而是比较内侧轴承与外侧轴承水平方 向振动相位差与垂直方向振动相位差。 7．当不平衡占优势时，径向方向( 水平方向和垂直方向 )振动通常比轴 向方向振动大许多(除了悬臂转子之外，这将在后面章节中讨论)。 8．不平衡转子通常在径向方向呈现稳定的、可重复的振动相位。 9．共振有时可能受不平衡的影响较大。 10.不平衡对转子产生过大振动的影响可能很大。事实上，在有些刚度较 低的轴承座上，不平衡的转子，尽管很小的残余不平衡量，也还会出 现不平衡振动，但是，动平衡还是可明显减小松动引起的振动。但是， 往往无法平衡有松动的转子。
7．其他故障源的影响 当与不对中同时存在诸如不平衡，弯曲的轴，共振等 其他故障时，不仅会影响振动频谱，还会影响相位特性。 例如，如果存在不平衡和不对中故障，可能会表现出大幅 值的 1X转速频率和 2X 转速频率的振动，加上径向相位差根 据每种故障的严重程度可能或不能接近 150 度到180 度，这 种情况下，联轴器两侧的轴向方向相位差仍将接近180度。 概括说来，如果机器有大的1X转速频率和2X转速频率 振动，总是应该测量相位数据，因为相位将是不对中还是 有类似症兆的其他不同故障源差别的关键指示。诸如大的 轴向方向振动和谐波振动也是很好的不对中症兆，如果振 动大，不要简单认为是不对中故障，而应该仔细分析振动 相位信息后再作决定，例如，如果相位指示是不对中，但 是轴向方向振动不指示是不对中，则应该依据相位数据作 决定。
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不对中的危害及特征
角向不对中
1．角向不对中主要产生大的轴向方向振动，尤其是1X和2X转速频率。
2. 然而，假定存在大的振动前提下，振动是轴向方向 2X 转速频率或3X 转速频率，其幅值约是1X转数频率幅值的30％到50％时，说明是角向 不对中。 3．如下图所示，联轴器两侧的轴向方向相位变化约为180度，是最好的 检测角向不对中的指示。如果一侧的每个轴承都向一个方向移动，另 一侧的轴承向相反方向移动，则是角向不对中的可能性较大。