故障诊断培训讲义

（载荷）应力 St（f）
故障机理 M（f）
E（f） 异常(故障) 模型向量
传递函数 H（f）
状态向量
X(f)
载荷（应力）的检 测及评价技术
系统特性的检测及评价技 术（数学模型）
状态的检测及评价 技术
综合诊断：①异常和故障的原因、部位、程度 ③性能优劣、使用好坏的评价
②可靠性和寿命预测 ④决定改善和维修的方法
全厂资产管理系统。
7.1 工厂资产管理级别—1
P18
“保护及基本趋势”
7.2 工厂资产管理级别—2
P27
“对关键旋转机械进行在线状态监测”
7.3 工厂资产管理级别—3
P42
“对所有旋转机械进行资产状态管理”
7.4 工厂资产管理级别—4
P44
“对工厂所有资产进行状态管理”
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4.3 不对中和裂纹转子
4.3.1不对中
不对中是常发生的一种引起机械故障的原因，特别是在透平压缩机组、
泵机组的安装过程中，常常出现这类情况。除人为因素引起的安装误差外，
还存在机器在热运转状态下，不同缸体之间的相对位置变化而引起的不对
中。
不对中既可能有垂直方向，也可能是水平方向等。然而，其轴心线均是
2.1 设备诊断技术 所谓的设备诊断技术，其基本含义是：“定量地掌握设备状 态（①设备所受的应力，②故障及劣化③强度及性能等），预 测设备的性能和可靠性；如果存在异常，则对其异常和故障的 原因、部位、程度进行认别和评价，决定其改善和维修的方法 ”（如图1）。
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异常或故障的检测评价技术
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方向每转被推回两次，也就是每转产生两次动作，这是产生 2 倍频振动的原
因。
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4.3.2裂纹转子 轴的横向裂纹，将会激起附加的振动频率，主要表征为
2倍频的附加振动，这是由于轴在重力的作用下的下垂，振幅 和相位均会产生周期性变化，且各个分量的比率决定于裂纹 的形状和深度。如果在运行工况不变的情况下，轴振动、相 位在若干天中逐步增加，则表明有正在扩大的裂纹。裂纹转 子的振动响应在垂直方向比水平方向大，特别是2X、4X分量 的响应变化最明显。
图（1）设备状态检测及故障诊断模型
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2.设备诊断技术的基本构成 设备诊断技术主要包括两个部分：一是诊断设备健康状况的
初级技术，主要是由现场作业人员实施的简易诊断技术；二是 评估决策，由专业人员实施的精密诊断技术。 2.2.1简易诊断技术应具备的主要功能 (1)设备所受应力（载荷）的趋向控制及异向应力的检测。 (2)设备劣化、故障的趋向控制及早期发现。 (3)设备的性能、效力的趋向控制以异常检测。 (4)设备的检测及保护。 (5)指出有问题的设备（发现隐患）。
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二是将我们在实践中所遇到的典型事例（包括成功的、失败 的）汇编，不断提高，不断补充。 2.3.2 诊断实施管理（步骤） (1)信号检测：即通过传感器将设备的状态变量转换成工程中能
够处理的量。 (2)特征提取（信号处理）：即消除各种与故障无关的噪声，把
故障特征提取出来。通常由各种测振仪器和动态数据管理系 统来完成。 (3)状态的认别：将提取出来的故障特征与故障档案或专家系统 进行对比分析，判明故障的性质。 (4)诊断决策：根据分析判断的结果，作出相应的改善和维修措 施。
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4.4.2摩擦 在大多数场合，局部摩擦产生到全摩擦之前，局部摩擦
往往是“碰撞”和“弹回”间的变化，总的振动量增加，这 是由于摩擦点使轴承变成新的干而无润滑的轴承（非常差） 引起的，导致弹性系数和交叉耦合摩擦迅速增大，使碰撞与 弹回轨迹中弹回频率和环的紧密度增加。
局部摩擦、轴心轨迹是紊乱变化的正进动，频谱中次谐 波很丰富。当全摩擦出现时，波形严重畸变，振值超差，除 1X外各种谐波振值也增大。
6.2 振动分析征表
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7. 故障诊断技术的展望
旋转设备故障诊断技术是一门新学科、新技术，自70年代
初兴起以来，发展很快，特别是计算机技术的发展和应用，加
快了诊断技术的发展,以美国BENTLY公司为例,诊断系统DDM TDM DM2000 System1™。今天主要介绍System 1™
不平衡负载一般是产生与转子同步的力，因此其振动频率和 转动频率相等,即产生1X的振动分量，其波形为正弦波，相位在 速度一定时比较稳定。轴心轨迹的形状，一般取决于轴承的各 向同性还是异向同性,当轴和轴承均为各向同性时，不平衡引起 的轴心轨迹为一个圆（对称力）；而当轴承为各向异性时，轴 心轨迹为椭圆（不对称力）。另一种产生不平衡是温度梯度使 转子产生运动或漂移，这种现象常在启动大型蒸汽涡轮时出现， 因不均匀受热引起转子弯曲而产生不平衡（启动前的暖机，就 是克服产生大的温度梯度）。
非光滑过渡，造成联轴节受力不均，改变了轴承的负载分配，给转轴施加了
上预载力。预载力的直接结果迫使轴压向轴承的一个扇区，导致一个非线性
约束。 在这个区域中， 轴承的刚度系数要比预载高得多， 其方向垂直于预
载。如果增加了预载力，其轴心轨迹变成椭圆形，然后变成香蕉形，再变成
“8”字形成“双圆环”，正是这种非线性的约束产生2倍频分量，即轴朝着 力的
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1/2倍转速频率（1/2X）：振动频率为设备转速的一半。 0.43倍转速频率（0.43X）：振动频率为设备转速的43%。 (3)相位角 ——相角的测量是描述转子在某一瞬间所在位置的一种方法。 精确的相角测量在转子平衡、临界转速测定以及在故障诊断 中非常重要（通过键相器测量）。 (4)转速 ——测量旋转设备速度的大小，通常用rpm或Hz表示。测量 振动与转速的相互关系，是对于性能分析和故障诊断的重要 参数。
油膜涡动和油膜振荡主要是由油膜力的波动引起，也可 以理解为转子在运行过程中，由于某种因素的激励，使其轴 心线偏离转子的静态中心，转子载荷和油膜支反力的合力不 通过旋转中心，从而形成一个和自转方向相同力矩推动转子 涡动。
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当油膜涡动超过正常轴承间隙的一半时，则应采取改善 措施，消除或减少油膜涡动及振荡对设备正常运行的影响。 安装合适间隙的新轴承瓦块 改变内油压，给轴承加预负荷 升高或降低油温，改变油的粘度 使外部对中变位，给轴承加预负荷（如加热或冷却支座）
静止部件在运行中也可能因各种缘故产生松动，如轴承 箱松动、基座松动，均能在一定条件下引起自激振动。
机械松动，在作动态分析中较为显著的特点是：轴心轨 迹大小在不断的变化，一会大，一会小，频谱图上出现很多 次谐波，即出现较多1X以下的分量。在低速时低分数倍频分 量多些，高速时靠近1X的高分数倍频分量多些。在一定条件 下会引起较大的振动，比较严重时将会影响设备的安全运行。
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1.概述
随着现代科学技术的日新月异，生产的规模越来越大， 维系生产所必需的装备日益向大型化、高速化、连续化、 复杂化方向发展。在石油、化工、电力、冶金等行业的现 代化生产装置中，工业汽轮机、燃气轮机、离心式压缩机 、发电机等大型旋转设备得到了广泛的应用。以我公司的 两套大型化肥装置为例，这些大型旋转机械在生产装置中 都是举足轻重的关键设备，对整个装置安全、稳定、长周 期运行有着十分重要的作用。因此，开好、管好这些设备 ，对于提高设备的管理水平，保障设备及人身安全，提高 生产装置的运转率及经济效益的最大化都有十分重要的意 义。
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3.2 图谱分析 (1) 时基图/轴心轨迹(1X)
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(2) 频谱图
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(3) 趋势图
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(4)波德图
故障诊断与设故障，转动系统本身无校正能力，必须确定造 成摩擦的激励力源，通常需要拆开机组，检查摩擦部位，以 制止损坏的扩展，当然不是以所有摩擦都必须拆开机组检修。
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5.案例分析 (1)某中压转子在低转速时轴振值较高（159um pp），并且冷 态与热态的轴振值变化情况相似，说明转子存在弯曲。
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2. 设备的故障诊断技术 在故障诊断学中，设备的状态是指设备的工况，通常设备的
基本状态有：正常状态、异常状态和故障状态三种。设备故障 往往是由于某种缺陷不断扩大，经由异常然后再进一步发展而 形成的。设备的故障有很多种，不同的故障对应着状态信号中 的一系列特征信息（又称为症状），这是设备状态或故障能被 认识和诊断的客观基础。
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4.4 油膜波动和摩擦 4.4.1油膜波动
油膜涡动及油膜振荡常常称为油膜波动，它是动压轴承 中油膜失稳造成的。油膜失稳的主要特征为，振幅上升、相 位不断变化，产生正向涡动不规则的轴心轨迹，频率表征为 1X及0.43X（0.4~0.46X）等组成的次谐波很丰富，若升高油 压，振幅增大并出现流体冲击油膜破裂吼叫声；升高转速则 涡动加剧；载荷越轻，越易发生油膜失稳。
由F= meω2可知，加在轴上的不平衡负载离心力F，与不 平衡质量m成正比,与质量偏心e成正比，与轴的转动角速度 成正比；因此，当不平衡量确定之后，质量偏心e也基本确定， 则不平衡负载与转速的平方成正比， 即转速越快， 离心力 （F）越大，不平衡负载的作用越强，振动越激烈。
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2.2.2精密诊断技术应具备的主要功能 (1) 确定异常的型式和种类。 (2) 分析异常的原因 (3) 分析危险程度，预测其发展趋势。 (4) 决定改善和维修的方法。 2.3 设备诊断技术管理的内容
它主要包括诊断文档管理和诊断实施管理两大部分： 2.3.1文档管理
一是从大量的设备状态的各种正常、异常、故障的特征信 息提取出来，建立设备故障档案库，这就是诊断文档的建立过 程，它包括国内外专家、同行所总结出来的经验、图表、资料 等。
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3. 旋转设备诊断的基础知识简介及图谱分析 3.1 常用基本参数 (1)振幅
——表示旋转设备振动的严重程度（或烈度），振幅一般以 峰/峰值密耳（mil）或峰/峰值微米（μm）位移值来表示。 振动的型式又分为径向振动和轴向振动，是测量振动的重要 指标之一。 (2)频率 ——旋转设备的振动频率一般用速度的倍数频率来表示，并 且多以机械转速的整倍或分数倍形式出现，常用的振动频率 表示方法为： 1倍转速频率（1X）：振动频率与设备转速相同。 2倍转速频率（2X）：振动频率二倍于设备转速。
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（2）某转子在运行中出现“8”字形成“双圆环”轴心轨迹，可 能 发生转子碰摩或转子裂纹。
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通过波德图观测，不断变化的相位更证实了环行碰摩的存在
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6. 常见故障征表 6.1 旋转机械常见故障征表
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不平衡包括以下三个方面： （1）静不平衡— 力作用一个方向上的不平衡； （2）偶不平衡— 不平衡重量位于转子相对的两侧上的不平衡； （3）动不平衡— 转子既有静不平衡又有偶不平衡。
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4.2 机械松动 转子上的叶轮、叶片、平衡盘、止推瓦等零部件，由于
在高速旋转、大扭矩、高温作用下，可能因预紧力不足而造 成联接件松动现象，在接触摩擦或微冲击的作用下，可能出 现自激振动。
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(6)瀑布图
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(7) 可接受区域图
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(8) 轴平均中心线图
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4. 几种常见的机械故障 4.1 转子不平衡
转子不平衡是经常存在的振因，不平衡质量的存在和产生质 量偏心e,引起的不平衡量me，使产生离心力F=meω2（w为 角速度），使轴承承受一个不平衡的负载，这个负载取决于 不平衡沿轴向的分布情况，从而产生了除静态位移之外的动 态位移。