振动测试与故障诊断 课件

疲劳剥落 磨损 塑性变形 腐蚀 断裂 胶合
疲劳剥落
在滚动轴承中，滚道和滚动体表面既承 受载荷，又相对滚动。由于交变载荷的作 用，首先在表面一定深度处形成裂纹，继 而扩展到使表层形成剥落坑，最后发展到 大片剥落。这种疲劳剥落现象造成了运行 时的冲击载荷，使振动和噪声加剧。
磨损
滚道和滚动体间的相对运动及杂质异物 的侵入都引起表面磨损，润滑不良加剧了 磨损。磨损导致轴承游隙增大，表面粗糙， 降低了机器运行精度，增大了振动和噪声。
特征：啮合频率附近的1X 边频带 齿轮啮合侧隙会在啮合频 率附近产生轴转速频率边 频带，当存在这个问题的 时候，齿轮啮合侧隙波峰 和齿轮的固有频率波峰将 随着载荷的增加而减弱。
齿轮不对中


齿轮不对中时的频谱图
特征 ：齿 轮啮 合频 率谐波 附近的1X边频带 不对 中齿 轮会 在啮 合频率 处产 生带 有边 频带 的啮合 频率 振动 ，但 是有 啮合频 率的 谐波 是很 常见 的 ，在 二倍 和三 倍啮 合频 率处谐 波的蜂值还比较高。因此， 设置较高的频率范围 (Fmax) ， 使 所 有 要 测 量 的 频率 都能 看到 ，是 很重要 的。
五、振动测量实践



振动测量参数 传感器类型 传感器选择 传感器安放 测量参数设定
振动测量参数
振动测量的基本参数有：加速度、速度和位移
图中显示了振动测 量的基本参数:加速 度、速度和位移。
三者的相位关系是： 位移与加速度有180度 的相位差，与速度有 90度的相位差。
传感器类型

根据测量参数的不同，测量中用到的传 感器有以下几类：
断裂
载荷过大或疲劳会引起轴承零件的破裂。 热处理、装配引起的残余应力、运行时的 热应力过大业会引起断裂。
胶合
在润滑不良、高速重载下，由于摩擦发 热，轴承零件可以在极短时间内达到很高 的温度，导致表面灼伤，或某处表面上的 金属粘附到另一表面上。
滚动轴承故障诊断方法
1、共振解调 2、倒谱 3、功率谱


齿磨损时的频谱 图
齿轮啮合

特征：径向100/120 Hz处的 波峰 通常会在轴的转速频率和齿 轮啮合频率处出现波峰，但 是幅值不高。可能会出现2X 波峰，并且在齿轮啮合频率 附近有轴转速频率的边频带。 对于直齿轮主要的振动是在 径向，斜齿轮主要的振动是 在轴向。


齿轮啮合时的频谱图
齿负载
（1）共振解调
从时域信号中直接提取调制信号，分析 调制函数在齿轮故障影响下的变化，就是 共振解调法。 滚动轴承振动信号的解调包括对调幅、 调频两种调制的解调，但应用和研究较多 的是频率的解调。
（2）倒谱

倒谱的定义 倒谱定义为对数功率谱的频谱：
C P (q) F log S x ( f ) 其中，q 称为倒频率，具有时间的量纲。 工程上应用较多的是其算术平方根的定义形式， 即：
不稳定强迫振动：如碰摩。 A∝Р/Κ

式中：A—振幅；P—激振力；Κ—部件动刚度。
自激振动：强迫振动是存在外来的扰动力或部件 动刚度下降，而自激振动是系统内部存在能量反 馈环节 。强迫振动的频率与转子的工作频率有 关，而自激振动频率与固有频率有关。
频谱简介
快速傅立叶（FFT）
频谱绘制过程
波形分解
滚动轴承特征频率
2
C a (q) C p (q) F log S x ( f )

倒谱分析能够揭示谱图中的周期分量， 将原来谱图上成族的边频带谱线简化为单 根倒频谱线，在普通频谱中难以识别的周 期性，在倒谱中变得很明显，有利于滚动 轴承的故障诊断。
（3）功率谱分析
在齿轮箱上测取振动信号后，通过FFT 处理，对振动信号的功率谱进行分析，借 以监测和诊断齿轮的运行状况。
振动测试与设备故障诊断
侯永强
振动测试与设备故障诊断
一、概述 二、振动测试原理 三、振动测量实践 四、振动分析 五、典型设备故障诊断 六、汉能华风电振动测试产品简介
一、概述
设备故障诊断是通过掌握设备过去和现在运 行中或在基本不拆卸的情况下的状态量，判断有 关异常或故障的原因及预测对将来的影响，从而 找出必要对策的技术。 它是在动态情况下，利用机械设备劣化进程 中产生的信息（即振动、噪声、温度等）来进行 状态分析和故障诊断。 利用振动信号对故障进行诊断，是设备故障 诊断中最有效、最常用的方法。设备在运行过程 中的振动及其特征信息是反映系统状态及其变化 规律的主要信号。通过振动测试仪器拾取、记录 和分析振动信号，是进行故障诊断的主要途径。
时域波形分析
对时域波形进行分析主要有三个原因： 第一、你能在时域波形图中看到一些频谱中无法看到的现象。 第二、许多故障状态需要根据时域波形图来识别。
第三、我们可以利用时域波形来进行一些有用的计算。
频域波形分析
信号周期图
信号频谱图
频域波形分析
得到了频谱图，首先需要检查， 接着查找相 关的模式：谐波、边频带、峰丘等，然后开始查找 一些特殊的故障：不平衡、不对中和轴承故障、变 速箱故障等等。
频
单位时间内的循环次数。
率
频率（f）是具有周期性变化规律的物理量在 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=1×rpm 表示振动频率和机器的转速相同 0.43X=0.43×rpm 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。
相
位
相位(φ )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、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。
故障分类
根据故障机理分为强迫振动和自激振动。

稳定的强迫振动：基频振幅、相位不随运行时间 和运行工况变化而变化，如质量不平衡。
振动三要素：振幅、频率和相位 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(μ m)表示，现场也有 用丝为单位，1丝=10μ m；速度一般用mm/s表示， 加速度一般用m/s2或重力加速度g表示。 振幅一般是计算一段时间内振动波形的峰 峰值、平均值和均方根值（有效值）。速度的有 效值称为振动烈度，反映振动的能量大小。
塑性变形
轴承因受到过大的冲击载荷、静载荷、 落入硬质异物等，在滚道表面上形成凹痕 或划痕，而且一旦有了压痕，压痕引起的 冲击载荷会进一步使临近表面剥落。由载 荷的累积作用或短时超载会引起轴承的塑 性变形。
腐蚀
润滑油、水或空气中水分引起表面锈蚀， 轴承内部有较大电流通过造成到电腐蚀， 以及轴承套圈在座孔中或轴颈上微小相对 运动造成的微振腐蚀。
齿轮破裂或折断



齿轮破裂或折断时的频谱 图
特征：径向高强度的1X波 峰；齿轮固有频率；啮合 频率处的1X边频带 最好的方法是观察破裂或 折断的轮齿的时域波形， 如果齿轮有12个齿，那其 中一个齿的波形就会和其 他不同。脉冲的时间间隔 等于齿轮的旋转周期（齿 上一固定点重复啮合的时 间差）。
追逐齿频率
四、典型设备故障诊断
变速箱


滚动轴承
变速箱分析
齿面磨损 齿面胶合和擦伤 齿面接触疲劳 弯曲疲劳和断齿

齿面磨损

特征 ：齿 轮啮 合频 率附近 的1X边频带 当齿 轮的 齿开 始发 生磨损 的时候，会发生两件事情 ， 第一 件是 齿轮 啮合 频率处 边频 带的 幅值 升高 ， 而边 频带 的振 幅决 定于 齿轮的 转速 。第 二件 事情 是将出 现齿 轮固 有频 率的 振动 ， 固有 频率 振动 也会 有边频 带产 生 ， 并且 它有 很宽的 基频。


追逐齿频率的频谱 图
特征：追逐齿频和2XHT "追逐齿频率 "是一个齿轮 的一 个齿 与另 外一 个齿轮 的某 一特 定齿 相啮 合的频 率。 如果 齿轮 传动 比是整 数（例如1，2，3）追逐齿 频率就等于大齿轮的转速 ， 每旋 转一 周相 同的 齿轮会 啮合一次。
滚动轴承



归纳一下特征频率的计算步骤： 1.首先确定每个轴的相对转速； 2.分析各个轴上的元件并计算 它们的扰动频率（如轴承频 率、叶片通过频率和齿轮啮 合频率等）。同时不要忘记 考虑轴的转速。
三、振动分析



振动分析的四个阶段 时域波形分析 频谱分析
振动分析的四个阶段
检测阶段
分析阶段
故障根源分析
确认阶段
必要性


维修制度从事故、定期向预知维修的转变 设备老化，故障率增加 大量新设备投运，容量增大，复杂性增加
提高经济效益
可能性

故障诊断理论、技术的不断发展 和完善 传感器、信号分析和计算机技术的发展
二、振动测试原理
振动三要素与分类 时域波形 频谱 特征频率



振动三要素与分类

特征：齿轮啮合频率处高 强度波峰 齿轮啮合频率处振幅的大 小决定于带动这个齿轮的 轴的对中程度和齿轮上的 载荷。齿轮啮合频率处的 有波峰并不一定意味着存 在故障。 齿轮啮合频率=齿数x轴的 转速；输出转速=输入转 速x主动轮齿数/被动轮齿 数


齿负载时的频谱 图

齿轮啮合侧隙



齿轮啮合侧隙时的频谱 图
位移传感器 速度传感器 加速度传感器


传感器稳定时间
传感器选择
一般选择非接触式 涡流“ 位移 ”传感器 、 速度传感器或加速度 传感器来对振动进行 测量。它们具有各自 不同的特性，特别是 频率响应特性。这些 差异会在时域波形图 中显示出来。
传感器的安放
传感器的安放原则是： 1.选择的安装位置必须要能够保证使用数据采集仪时的工 作安全 ； 2.在振源（轴承）和传感器间必须有一个良好的机械传输 路径。机器上的许多部件都会产生振动，传感器安装时应 选择振源和传感器间的最短路径。 机器上的测点位置和方位应该与机器主应力的传播方向相吻 合。 对于水平安装的机器，其测量读数通常取自水平面上，但其 主要部件（电机、泵、风扇等）上至少采集一个垂直方向的 数据。轴向上的数据在延伸方向上采集。然而，轴向应力通 常都是均匀地传播到主轴位置。
变速箱特征频率
啮合频率
计算齿轮啮合频率，齿轮啮 合频率等于齿数与轴速的乘 积。在这个例子当中，输入 端齿轮有12个齿，输出端有 24个齿。其齿轮啮合频率为 输入速度的12倍，或输出速 度的24倍。
多级变速箱特征频率
输出速度的计算需要考虑每一个齿轮的作用，齿 轮啮合频率等于齿数和齿轮转速的乘积，对于多 级变速箱同时我们还必须考虑中间轴的作用。
测量参数设定
2、测量参数设置
频率范围和时域波形的范围呈反比。下面是它们的实际关系：
时间间隔＝样本的数量 / （频带宽度*2.56） 频带宽度＝样本的数量 /电振动测试产品简介
汉能华科技自主研发了风电专用数据采集器 及振动分析系统 主要特点： 多通道数据采集与显示 强大的分析功能 携带方便，可灵活配置 可靠性高