振动故障诊断

定期维修体制
定义
按预订的时间间隔或检修周期，对 设备作维修、调整和更换备件。

优点
机器寿命较长。 减少意外停机。 备件库存较少。 意外停机引起生产损失。 过剩维修导致维修费用增加。 过剩维修引起人为维修故障。
缺点

预测维修体制
定义 有计划地对设备作检查和测试，以确定
其健康状态，必要时才进行维修。
PI PO
本例中最高 出现16X成分
电机

水泵
转速的精确 倍频成分 噪声水平高
波形出现许多毛刺。 谱图中噪声水平高。 出现精确的倍频2X， 3X…等成分。 松动结合面两边，振幅 有明显差别。

松动故障引起的间入谐量

未松动时的频 谱

松动时的频谱
出现0.5X，1.5X， 2.5X，3.5X...等 频率成分
状态监测为基础的预知维修体制。
1983年国家经委《国营公交设备管理试行条例》
企业应当积极采用先进的设备管理方法和维修技
术，采用以设备状态监测为基础的设备维修方法，
不断提高设备管理和维修技术的现代化水平。
1987年国务院《全民所用制公交设备管理条例》
监测和诊断的各种手段
★ 振动：适用于旋转机械、往复机械、轴承、齿轮等。
状态监测和故障诊断
的
仪 器
和
方 法
什么是状态监测和故障诊断？

在设备运行中或在基本不拆卸的情况下， 通过各种手段，掌握设备运行状态，


判定产生故障的部位和原因，
并预测、预报设备未来的状态。 是防止事故和计划外停机的有效手段。



是设备维修的发展方向。
简易诊断和精密诊断
状态监测（简易诊断）
内容：

优点

减少非计划停机损失。 维修时间间隔可以延长。 维修费用大为减少。 备件库存最小。 需要初始投资。 需学习和培训。
缺点


不同制度的维修成本的比较
大型钢铁企业
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
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维修费用化了多少？
• 美国1980年税收总额 $7500亿，维修费为 $2460亿,
传感器
微积分
选频网络
电池
数据采集器 及其工作框图
数据采集器 电 池 放 大 传 感 器 管理环节 显 示 存 贮 时 钟 接 口
屏 幕
计算机 打印机 存贮器 软件
计算机及外部设备
数据采集器的工作流程
新开巡检组 组 态 增减巡检组 增减设备和测点 更改测量参数 定巡检路线 定设备和测点 定测量参数 打印 组态表
转子不对中故障的频谱
MO
MI PI PO
2X 频率
电机

水泵
1X 频率

出现 2X 频率成分。 轴心轨迹成香蕉形或8 字形。 轴向振动一般较大。 本例中，出现叶片通过 频率。
叶片通 过频率
转子不对中的类型
正确对中 e = 0, = 0
平行不对中 e 0, = 0
角度不对中 e = 0, 0

定期维修，预防维修
定期地检查和大修。
(Preventive)

预测维修，视情维修
(Predictive)
周期的监测，必要时才去维修。
事后维修体制
定义
设备运行到坏了再进行修理。
优点
不需要安排计划。 对一些设备，更换比修理更便宜。
缺点
意外停机引起生产损失。 可能引起设备的二次损坏，甚至灾难性事故。 库存备件投资多。
★ 表面：适用于设备关键零部件表面检查和管道内孔检查等。 ★ 工况参数：适用于流程工业和生产线上的主要设备等。 ★ 电气：适用于电机、电器、输变电设备、电工仪表等。
监测和诊断仪器的分类和选用
仪器分类：

仪器选用原则：
被监测对象在生产中的地位
生产的规模和产量 预计的投资 设备管理人员的水平和素质
结果及解释

推理机 人机对话 用 户
故障对策

专家系统是一个故障 诊断的专用程序。 用户可以把其中积累 的诊断专家的知识用 于诊断工作。
精密诊断的方法

频谱分析法 趋势分析法
通频值趋势分析、频谱趋势分析
其他数学方法
• 模式识别法 • 模糊诊断法 • 故障树诊断法 • 神经网络法

时域分析法
波形分析、相关函数分析
★ 温度（红外）：适用于工业炉窑、热力机械、电机、电器等。
★ 声发射：适用于压力容器、往复机械、轴承、齿轮等。 ★ 油液（铁谱） ：适用于齿轮箱、设备润滑系统、电力变压器等。
★ 无损检测：采用物理化学方法，用于关键零部件的故障检测。
★ 压力：适用于液压系统、流体机械、内燃机和液力耦合器等。
★ 强度：适用于工程结构、起重机械、锻压机械等。
转动机械常见故障的频率特征
故障名称 不平衡 热弯曲 频率特征 1×R 1×R 2×R 2N×R N 为磁极对数 1×R, 2×R 等 也 有 1.5 × R, 2.5×R 等 啮合频率等于 齿数×R ， 边带频率… 外环故障… 内环故障… 滚珠故障… 转动特征 同步正进动 同步正进动 正进动 正进动 故障名称 油膜涡动 油膜振荡 气隙振荡 内腔积液 频率特征 (0.4~0.49)×R 等于 低 阶 固 有 频率 等于 低 阶 固 有 频率 失稳前 0.5×R 失稳 后 为 低 阶 固有频率 失稳前 0.5×R 失稳 后 为 低 阶 固有频率 失稳 前 小 于 低 阶固有频率 失稳 后 等 于 低 阶固有频率 失稳 前 小 于 低 阶固有频率 失稳 后 等 于 低 阶固有频率 转动特征 正进动 正进动 正进动 正进动
主 菜 单
巡检准备
输入组态信息
清除内存
数据比较
校对时钟
巡检报表
出发巡检
数据处理
下载数据
频谱分析
轨迹分析
频谱图
轨迹图 显示和打印
显示和打印
趋势分析
调用存储数据
趋势分析和
谱趋势分析
典型的表盘式监测系统
水泵的监测系统
振动传感器在瓦盖上
双通道振动表 推力瓦位和瓦温表
典型的表盘式监测系统
离心压缩机 监测系统
综合不对中 e 0, 0
不同联轴节的情况
联轴节类型 刚性联轴节 不对中形式 平行不对中 角度不对中 振动特征 有2X成分 轴向振动1X成分大 轴向振动大，有2X及高次谐波 径向振动可能有2X、3X、4X… 联轴节两侧振动的相位常相反 有nX 成分（n为螺钉数）
齿式联轴节
膜片联轴节
转子系统松动故障的频谱
估计其中过剩维修费为 $750亿。
• 我国1987年国营公交企业40万个，固定资产￥7000亿,
维修费约为固定资产的 3～5％。
• 我国2002年规模以上企业共有固定资产￥8800万亿，
维修费有多少？能节省多少？
停产一天的损失有多大？
300MW发电机组 损失电720万kWh，约￥144万元
30万吨化肥装置 损失化肥1000t， 约￥150万元
1 d (1 cos ) R 2 D
节圆直径 滚珠直径 接触角 滚珠数 轴的转速频率
保持架碰外环
f
保持架碰内环
f 1 d (1 cos ) R 2 D
滚动轴承故障的频谱
PI
PO
1X 2X 频率 故障基本 频率6.71X
电机

离心泵


轴承每一种零件有其特 殊的故障频率。 随着故障发展，它的幅 值增加，并有谐波；谐 波两边产生边频。 还可用非频率域的诊断 方法，如共振解调。
分析
尚 可
决策
定期检测 缩小故障范围
状态监测和故障诊断的作用
监测与保护
监测机器工作状态。发现故障及时报警，并隔离故障。
分析与诊断
判断故障性质、程度和部位。分析故障原因。
处理与预防
给出消除故障的措施。防止发生同类故障。
设备维修制度的发展

事后维修，故障维修
设备坏了后才去修理。
(Break down)
关键 设备
完全停产 ~100%
计算机化 的 监测系统
数十万元 以上
重要 设备 一般 设备
部分停产 50~100% 部分停产 或不停产 0~50%
表盘式的 监测系统 数据 采集器 便携 测振表
几万～ 数十万元 几万元 几千元
测振表的外形和原理框图
输入
阻抗变换 前置放大 交流输出 主放大 灵敏度 调节 直流输出 检波 指示
单一计算机完成数据采集、管理、数据分析、人机对话 等功能。
汽轮发电机组的监测系统框图
振动信号 （快变）
键相信号 适调放大 光电隔离 同步采样 限幅整形 光电隔离 适调放大 光电隔离 采样
温度、压力信号 （慢变）
上位机
通讯
显示存贮
分析处理
下位机
人机对话
联网
故障诊断的专家系统框图
传感器信号 征兆获取 设备参数库 征兆事实库 领域专家 知识获取 诊断知识库 工作存贮器
Displacement in m pk to pk 10.0
不平衡
7.5 不对中 5.0 松动引起的谐波
2.5
0
0
2
4
6
8
10
12
14
16
Frequency in order
齿轮箱
BS 输 入 轴

齿轮故障的频谱
上辊
啮合频率 GMF
1X频率(铅垂)
1X频率(水平)
过临界转速有共振峰。
转子不平衡的类型
不平衡类型 质量不平衡 初始弯曲 热弯曲 部件位移或脱落 部件结垢 联轴器不平衡 低速晃动小 低速晃动大 振动随负荷增大，但有滞后 振动阶跃增加，然后稳定 特 征 消除措施 平衡 静态校直 低速盘车 停车检查
振动缓慢增加，轴向振动和轴 清垢 向推力增大，机器效率降低 相邻轴承振动大，相位相同 平衡
强 迫 振 动 类 故 障
不对中 磁拉力 不平衡 松 动
转子内阻
正进动
自 激 振 动 类 故 障
齿轮故障
径向摩擦
反进动
滚动轴承
轴向摩擦
R: 转动频率
转子不平衡故障的频谱
TO TI
轴向很小
透平

齿轮箱 风机
1X频率(铅垂) 1X频率(水平) 轴向很小
波形为简谐波，少毛刺。
轴心轨迹为圆或椭圆。 1X频率为主。 轴向振动不大。 振幅随转速升高而增大。
推力瓦温 传感器 轴向位置 传感器
90度布置的 两涡流传感器 键相传感器
径向瓦温 传感器
前置器 双通道轴位表 推力瓦温表 双通道轴振表 键相信号
径向瓦温表 报警信号输出
计算机化的监测系统框图
监测仪表
适调
切换
装置
A/D 变换器
屏 幕 计算机 打印机 软件 存贮器
放大
来自传感器

最简单的计算机化监测系统。
滚动轴承故障的特征频率
外环故障频率
f z d (1 cos ) R 2 D
d D
D— d — — z — R —
内环故障频率
f z d (1 cos ) R 2 D

滚珠故障频率
f D d 1 ( ) 2 cos2 R d D

故障诊断（精密诊断）
内容：

识别有无故障 明确故障严重程度 作出故障趋势分析
确定故障部位 确定故障原因 提出维修建议
由设备维修人员在现场进行
由设备诊断人员在现场或中心进行
状态监测和故障诊断的过程
开始 检测
正常 参数 搜集 征兆
状态 判别
正 常
异 常 故障定位
维修
不 趋势 可
原因分析
便携式测振表 数据采集器 表盘式的监测系统 计算机化监测系统



监测和诊断仪器的分类和选用 振动监测系统的分类和选择
设备 类型 损坏后果 推荐监测手段 主 要 功 能 振动幅值、频谱的连续监测 数据存储、数据比较，数据文件管理 趋势分析、谱趋势分析 启、停车等瞬态过程数据收集 超限报警、保护，事故记忆 故障诊断，人工智能，联网，远程等 振动幅值的连续监测 超限报警、保护 数据存储、比较，趋势分析 振动幅值、频谱的周期采集 数据存储和管理 数据比较，趋势分析 振动幅值的采集 简单的频率分析 大约价格
基本频率的 四个谐波
带滚动轴承的机械的频谱特点
3.5
3.0 Velocity in mm/s pk
不平衡
不对中
2.5
2.0
松动
滚动轴承故障频率
1.5
1.0
0.5
0
0
5
10
15
20 25 30 35 40 45 50×R Frequency in order
带滑动轴承的机械的频谱特点
12.5
油膜涡动、碰摩
三峡2号水轮机组700MW 停机4小时损失￥400万元
先进维修制度的作用
保证机器精度，提高产品质量 减少意外停车引起的生产损失
防止事故，杜绝灾难性故障
减少维修时间和维修费用（人力和财力）
改善环境，百度文库善企业形象
投资获得最大和最长远的回报
国家有关的条例摘录
逐步采用现代故障诊断和状态监测技术，发展以

倒频谱分析法 模态分析法 随机减量法
• 小波分析法
• 灰色系统法 • 分形几何法
精密诊断最常用的方法

频谱分析法
每种故障有其对应的特征频率。 据此确定机器的故障性质和严重程度。

趋势分析法、频谱趋势分析法
根据劣化曲线，振动的通频幅值(特征频率幅值) 随故障的发展而增大。 据此监视机器的健康状态，并推测其寿命。