旋转机械讲义

• 一个具有n个自由度的强迫振动系统的典型方程可以写做：
返回
机械振动与转子动力学的基本概念
5 转子振动的几个重要概念
– 固有频率 – 振型 – 临界转速 – 共振
固有频率
一根转子在一定的转速下，如果没有阻尼衰减 作用，此时给它一个扰动让其自由振动的话，那么 这个转子将按照一定的频率振动下去，这个振动的
– 频率 f = /2 单位时间同一状态出现的次数
– 相位 j 三个参数决定了系统的运动状态,称:振动的三要素
振动三要素
t
返回
机械振动与转子动力学的基本概念
3 振动形式的分类
– 自由振动 – 强迫振动 – 自激振动
自由振动
•自由振动是系统受到外界干扰，并去掉 激振后产生 的振动，又称自由响应。 •自由振动反映了系统内在的信息。
a 波形图 b 频谱图
• 常见的几种振动信号所对应的波形图与频 谱图
波形图
波形图就是将振动信号的时间历程表示出来。
从波形图可以看出振动信号是否平稳、毛刺、 削波、调频、调幅等异常现象。
返回
频谱图
当对时域波型数据进行频谱分析可以看到信号是由哪些 频率成分的分量组成的，以及各个分量的幅值情况。这
是目前进行故障诊断与分析最普遍使用的图形。
旋转机械
状态监测与故障故障
主 讲 人 简 介
轩建平博士
华中科技大学 控制科学与工程系博士后 机械与电子信息系副教授 中国振动工程学会故障诊断专业委员会理事
主要内容
一 旋转机械振动分析基础
二 旋转机械故障特征
三 旋转机械状态监测与故障诊断系统
四 旋转机械故障诊断实例
一 旋转机械振动分析基础
1. 机械振动与转子动力学的基本概念 2. 旋转机械振动测试的基本概念
返回
旋转机械振动测试的基本概念
4 常见振动测试的特征图形 两种连续的三维频谱图： c 瀑布图 d 级联图
瀑布图(时间－频率)
•用某一测点在连续时间范围内测的的频谱图按时间 顺序排列组成瀑布图（通常是在相同的转速下）。 •瀑布图中可以看到各种频率的组成与振幅是如何随 时间变化的。
返回
级联图(转速－频率)
有效值与振动烈度（3）
• 选用振动烈度的意义
例 转子振动由两个同相位的频率分量组成， 按位移与振动烈度考核，将得到有不同的结果： （按GB11347.1-89）
组成： 1X：30um 2X：30um 合成值 考核结果 振动位移 (um) 52.8 振动烈度 (mm/s) 7.45
•级联图是转速连续变化时的频谱图依次组成三维
连续的频谱图。他的Z轴是转速，各个频率的轴线
是倾斜的直线。 •级联图用来分析与转速相关的故障比较直观。
返回
旋转机械振动测试的基本概念
4 常见振动测试的特征图形 f 趋势图 g 波特图 h 极坐标图 I 轴心轨迹 j 全息图
趋势图
•趋势是观察的某个参数随时间的变化关系。 •分析机组的振动随时间、负荷等的变化时，趋势 图非常直观，对运行人员监视机组状况很有用。
返回
多自由度系统（1）
• 多自由度系统就是在任何时刻，系统的位 置需要两个以上坐标才能确定的系统。
多自由度系统（2）
1 c11 c12 x m11 m12 ... m1n m c m ... m x c 21 22 2 n 2 21 22 n cn1 cn 2 x mn1 mn 2 ... mnn k11 k12 ... k1n x1 f1 (t ) k x f (t ) k ... k 22 2n 2 21 2 k n1 k n 2 ... k nn xn f n (t ) 1 ... c1n x x 2 ... c2 n n ... cnn x
系统外部的非振动的 或振动的能量 振动系统
振动力
自激振动与参数振动（2）
• 参数振动是指振动系统内部的质量、阻尼、 弹性等元素随时间周期变化而引起的激振。
c(t ) x k (t ) x 0 m(t ) x
• 在这个振动系统中，质量、阻尼、弹性等 元素随时间变化，但系统不受到外界的激 励仍然可以有周期性的运动。
频率只取决于系统本身的质量、刚度，与外界的因
素无关，外界的扰动情况只能影响他振动的幅度， 但不会干扰他的振动频率。这个频率我们称：是这 根转子的固有频率。
返回
振型
又叫模态，是振动系统各点在固有频率下做简谐 振动时，波节与波腹的振动形态。或说沿轴向分 布的横向振动大小。振型有助于估算转子与固定 部件之间的内部间隙，并能估算出转轴上节点的 位置。节点为转轴上振幅为零的位置。
m r 2 y k 1
r
m y
4 (1 2 ) 2 n n
2 2
2
sin(t j )
n
转子的固有频率

转子的转速
单自由度系统的幅频、相频特性

n




频率接近系统固有频率时，振动迅速增 大，此时系统处于共振状态。 •对于有阻尼系统，阻尼的耗能作用使共振振幅变小， 阻尼越大，共振振幅越小。
4. 输出信号与振动位移成正比。 5. 结构简单可靠，尺寸小，没有活动部件。 6. 可作为转速测量与振动相位测量的键相信号
7. 材料不同影响传感器线形范围和灵敏度，须重新标 定。
8. 需外加电源和前置器，安装复杂。
返回
速度传感器的性能
1. 安装简单，适用于大多数机器环境，对于汽轮发
电机组振动，有合适的频响范围。
a. 单峰值
b. 峰峰值 c .有效值与振动烈度 • 选用振动烈度的意义：速度的均方根值，振动能 量
振动幅值的度量
Vms Vp_p 有效值 峰峰值
Vp _ p Vm s 2 2
单峰值就是振动的最大点到平衡位置之间的距离。 峰峰值实际上就是振动的波峰与波谷的距离。振动测 量仪器输出的位移振动振幅通常都是峰峰值。 有效值又叫均方根值，对于速度振幅的度量，又叫做 振动烈度。
返回
波特图（幅值、相位－转速）
•表示振动的幅值、相位随着转速变化的图形。 •通常用来确定机组的临界转速。另一个重要用处就是 在进行动平衡时有助于用来分析转子不平衡质量所处 的轴向位置、不平衡振型的阶数。
返回
极坐标图
•极坐标图又叫做奈奎 斯特图。就是把波特 图的结果绘制在极坐 标上，得到的振幅— 转速曲线是一条环形 线。
T
0
Vp _ p 2 sin(t ) 2 dt
1 Vp _ p 2 8 /
Vp _ p Vm s 2 2
返回
有效值与振动烈度（2）
• 选用振动烈度的意义
转子故障时的振动频率成分复杂，大量振动失效分 析表明：不同频率的振动有不同的危害，在相同的 振幅下，振动频率越高，产生的危害越大。同时由 于振动的能量与速度的平方成正比，为充分考虑高 频振动对机组运行安全的影响，在机组振动状态的 评定中更多采用振动烈度。
自激振动与参数振动（3）
• 参数振动属于自激振动的一种。
• 电厂中常见的自激振动有：
– 轴承的油膜振荡。
– 转子的汽流激振。 – 泵及管道的喘振。
返回
机械振动与转子动力学的基本概念
4 振动系统的分类
系统简化后得到一个振动系统的组成模型，
按照需要确定系统在空间运动时的几何位置 所需要独立坐标的个数可以将振动系统分成： – 单自由度系统 – 多自由度系统
2. 无须外加电源，振动信号可不经处理传送直需要
的地方
3. 体积、重量较大，活动部件易损坏，低频响应不 好，15Hz以下误差较大。 4. 标定较麻烦，只可作动态测量，价格较贵。
返回
加速度传感器的性能
1. 体积小，重量轻，适用于受附加质量影响显著的
振动系统测量，如汽机叶片的振动测量。
2. 结构紧凑、牢靠，不易损坏。
55型国产200MW机组发电机转子二阶振型
55型国产200MW机组低压转子一阶振型
返回
临界转速（wcr）
• ISO定义：系统共振时发生主响应的特征 转速。
• wcr>=wn（固有频率）
旋转机械振动测试的基本概念
4 常见振动测试的特征图形 所有的信号都可以分类成 时域图形和频域 图形。 最常用的就是：
2 1
0
0.5
-2 -2 2
0
2
0
0
100
200
0
-2
0
100
200
300
400
常见振动信号对应的波形与频谱图(3)
•有高频的超谐波振动
2 1.5 1 0 0.5 -2 -2 2 0
-1
0
1
2
0
100
200
300
400
0
-2
0
50
100
150
200
250
300
350
400
常见振动信号对应的波形与频谱图(4)
•判断转子的临界转速，容易得到模态参数。
•用涡流传感器测试轴振动时，很容易得到原始的 晃度矢量。
返回
轴心轨迹图
•轴心轨迹就是将转子 在轴承中运转情况以二 维轨迹形式表示出来。
•必须在一个平面安装 两个互相垂直的涡流传 感器。 •可以帮助判断摩擦、油膜涡动、油膜振荡等具有 不同轴心轨迹特征的故障。
返回
返回
有效值与振动烈度（1）
• ISO规定：频率在10Hz到1000Hz范围内振 动速度的均方根值叫做振动烈度。
1 T 2 • 速度均方根值： Vm s v (t )dt T 0