往复机械故障的振动诊断法
往复式压缩机振动信号频谱分析与故障诊断
检测诊断 往复式压缩机振动信号频谱分析与故障诊断3王江萍 鲍泽富(西安石油大学机械工程学院) 摘要 从频域分析的角度入手,将机械设备故障诊断常用的频谱方法进行有机综合,以幅值谱和功率谱作为基本分析方法,以自回归谱和频率细化技术作为必要补充,对压缩机的振动信号作分析处理,进而提取反映压缩机工作状态的特征信息。
介绍了离散傅立叶变换、自功率谱和自回归模型及自回归谱的基本原理。
诊断的原理是将采集的离散信号输入到编制好的频率分析软件中,得到所要求的时域、频域图,再对各图形进行分析比较,进而判断压缩机的状态。
系统在对故障诊断时达到了预期效果,即初步确定了压缩机的故障状态。
关键词 往复式压缩机 频谱分析 幅值谱 功率谱 傅立叶变换 故障诊断引 言往复式压缩机是工业工程中使用最广泛的机器之一。
由于自身结构特点和运行工况的复杂性,压缩机工作时必然会产生振动,其内部零部件的性能状态信息通过一定的传递途径反映到壳体表面的振动信号中,故利用振动信号对压缩机进行不解体故障诊断是行之有效的方法之一[1]。
笔者将从频域分析角度入手,对压缩机的振动信号作分析处理,进而提取反映其工作状况的特征信息,对压缩机的工作状态作出准确判断。
将机械设备故障诊断常用的频谱方法进行有机综合,以幅值谱和功率谱作为基本分析方法,以自回归谱和频率细化技术作为必要补充,分析能够说明问题,具有实际应用价值。
往复式压缩机的振动分析作为一种典型的往复机械,往复式压缩机的振动主要由曲柄连杆机构运动引起的振动、气体的脉动、各部件之间的周期性撞击等组成,各种振动都会使机体产生周期性脉动[2]。
图1所示的阀盖振动信号中含有冲击成分,冲击源主要是进、排气阀以一定的频率撞击阀座所产生的激励,周期性、间歇性的进、排气引起管道内气体压力脉动所产生的气体压力波等综合响应。
振动能量是许多冲击信号在所测点叠加的结果,各信号相位不同,传到测点的时间也不同。
因此,叠加的结果可能使振动本应减弱的部分在某些频率上的能量变得很大或使振动本应加强的部分在某些频率上的能量变得很小。
设备震动故障诊断
1）对振动反映敏感
所选测点在可能时要尽量靠近振源，避开或减少 信号在传播通道上的界面、空腔或隔离物(如密封填料 等)最好让信号成直线传播。这样可以减少信号在传播 途的能量损失。 2）适合于诊断目的 3）符合安全操作要求 因为测量时，设备在运行，因此需要注意安全问 题。
4）适合于安置传感器
有足够的空间，有良好的接触，测点部位有足够 的刚度等。
4.设备基础型式及状况
搞清楚是刚性基础还是弹性基础等等。 5.主要资料档案资料 设备原始档案资料、设备检修资料、设 备故障记录档案等。
二. 确定诊断方案 在此基础上，接下来就要确定具体的诊断方案。 诊断方案应包括以下几方面的内容。 1. 选择测点 测点就是机器上被测量的部位，它是获，只有在对诊断对象充分了解 的基础上才能根据诊断目的恰当地选择测点，具体要 求如下：
通常，轴承是监测振动最理想的部位，因为转子 上的振动载荷直接作用在轴承上，并通过轴承把 机器和基础联接成一个整体，因此轴承部位的振 动信号还反映了基础的状况。所以，在无特殊要 求的情况下，轴承是首选测点。如果条件不允许， 也应使测点尽量靠近轴承，以减小测点和轴承之 间的机械阻抗。此外，设备的地脚、机壳、缸体、 进出口管道、阀门、基础等，也是测振的常设测 点。
三. 进行振动测量与信号分析 1. 测量系统
目前，有两种基本的简易振动诊断系统可用于现 场，它们分别代表了 简易诊断发展的不同的发展阶段。 一种是模拟式测振仪所构成的测量系统，一种是以数据 采集器为代表的数字式测振仪所构成的测量系统。 2. 振动测量信号分析
确定了诊断方案以后，根据诊断目的对设备进行 各项相关参数测量。一般来讲，如果现场条件允许，每 个测点都是测量三个方向的振动值。即水平、垂直和轴 向。而且要定点、定时地进行测量，以有利于进行比较。
往复机械运行状态的监测方法
往复机械运行状态的监测方法以往复机械运行状态的监测方法为题，我们将介绍一些常用的监测方法，通过这些方法可以及时了解机械设备的运行状态，确保设备的正常运行。
一、振动监测方法振动监测是一种常用的机械设备监测方法，通过测量机械设备的振动信号，可以判断设备的运行状态。
振动信号的变化可以反映机械设备受到的力的大小和方向，从而判断设备是否发生了故障。
通常可以使用加速度传感器或振动传感器来测量振动信号，并通过数据采集系统进行数据采集和分析。
二、温度监测方法温度监测是一种常见的机械设备监测方法，通过测量机械设备的温度变化，可以判断设备的运行状态。
温度的变化可以反映机械设备的热量产生和散失情况，从而判断设备是否存在过热或过冷的问题。
通常可以使用温度传感器来测量设备的温度，并通过数据采集系统进行数据采集和分析。
三、噪声监测方法噪声监测是一种常用的机械设备监测方法，通过测量机械设备产生的噪声信号，可以判断设备的运行状态。
噪声信号的变化可以反映机械设备的运行平稳性和故障情况，从而判断设备是否存在异常声音。
通常可以使用声音传感器来测量设备的噪声，并通过数据采集系统进行数据采集和分析。
四、油液监测方法油液监测是一种常用的机械设备监测方法，通过测量机械设备的油液状态，可以判断设备的运行状态。
油液的变化可以反映机械设备的磨损和污染情况，从而判断设备是否存在润滑不良或泄漏的问题。
通常可以使用油液传感器来测量设备的油液状态，并通过数据采集系统进行数据采集和分析。
五、电流监测方法电流监测是一种常见的机械设备监测方法，通过测量机械设备的电流信号，可以判断设备的运行状态。
电流信号的变化可以反映机械设备的负载情况和电气故障，从而判断设备是否存在过载或短路的问题。
通常可以使用电流传感器来测量设备的电流，并通过数据采集系统进行数据采集和分析。
六、压力监测方法压力监测是一种常用的机械设备监测方法，通过测量机械设备的压力信号，可以判断设备的运行状态。
振动诊断汇总
频谱分析法
总结词
频谱分析法是一种通过分析振动信号的频率成分来诊断机械故障的方法。
详细描述
频谱分析法通过将振动信号分解成不同频率的分量，并分析这些分量的幅值和 相位，以识别不同频率下的振动特征。这些特征可以与已知的故障模式进行比 对，从而确定故障类型和位置。
波形分析法
总结词
波形分析法是一种通过分析振动信号的时域波形来诊断机械 故障的方法。
案例三：压缩机的振动诊断
总结词
压缩机的振动诊断通常涉及压缩机的机械系统和控制系 统，需要综合考虑气体动力学、热力学和机械应力等因 素。
详细描述
在压缩机运行过程中，由于气体的压缩、膨胀以及机械 传动系统的运转，可能导致压缩机壳体和轴承的振动。 诊断时，需对压缩机的进排气系统、轴承、润滑系统等 进行检查，同时分析振动的频率和幅值。常见故障包括 轴承磨损、转子不平衡、气体脉动等。根据诊断结果， 可进行相应的维修或更换部件。
通用机械的振动诊断
总结词
通用机械如泵、风机等在工业领域中应用广泛，通过振动诊断技术可以检测其运行状态 和故障。
详细描述
通用机械在运行过程中也会产生振动，这些振动信号与机械的运行状态密切相关。通过 测量和分析这些振动信号，可以判断机械的运行状态和故障类型，如叶轮磨损、轴承松
动等。通过及时发现并处理这些问题，可以延长机械的使用寿命，提高生产效率。
04 振动诊断案例分析
CHAPTER
案例一：离心泵的振动诊断
总结词
离心泵的振动诊断是工业中常见的故障排查 案例，主要涉及对泵体、轴承和驱动系统的 检查。
详细描述
离心泵在运行过程中，由于流体动力学、机 械应力、不平衡力等因素，可能导致泵体和 轴承的振动。通过振动频谱分析、波形分析 等手段，可以定位问题所在，如轴承磨损、 转子不平衡等，进而采取相应措施进行维修
往复机械故障分析及诊断方法
约往复式机械故障诊 断发展的技术难点 ， 并针对性地提 出了解决这些技术难点的方法或可能的发展 方向。 关键词 ： 往复机械 ； 故障诊 断； 态监测 ； 状 特征提取
往复机械主要包括 ： 复式压缩机 、 往 内燃 机 （ 柴油机及 汽油机） 、往 复泵等。其故障主要分 为： 结构性故障和性能故障。结构性故障是指零 件磨 损、 裂纹 、 装配 不当、 动静件间 的碰磨 、 油路 堵塞 等 ；性 能故障表现在机器性能指标达 不到 要求 ， 如功率不足、 油耗量大等 。 １ 常用监测信号及其应用 １１ ．振动信号及其应用 许 多机械故障都表现为振动异常 ，而且 所 需 监测设备相对简单 ，信号分析技术 也 比较成 熟 ，这种诊断方法 已成为机械故 障诊 断的主要 手段。但因为往复机械转速低 、 结构 复杂 、 运动 件多 ， 工作时振动激励源多 ， 以利用 振动信号 所 进行分析比旋转机械困难的多 。 往复式压缩机的振动监测 ：利用 机器 表面 振动信号诊断活塞 、 汽缸磨损 、 阀漏 气和主轴 气 承状态 ；利用润滑油管路 内的压力波 信号诊断 往复式压缩机轴 承故 障 、 利用 气缸 头振动信号 诊断缸内故障等 。但 由于背景噪声干扰大 、 缺乏 可靠 的传感器及 振动信号 的非平稳 性等 原因 ， 振动分析法在实时监测往复式 压缩 机工况方面 仍需继续研究 。 内燃机的振动监测 ：从机身表 面或者缸套 的振动信号中 ， 提取不同的活塞一 缸套 间隙下 的 频 率特征 ，判断活塞一 缸套 系统 的磨损状 态 ； 从 缸盖表面 的振动信号 中 ， 提取 气门漏气故障 的 频域特征 ， 判断气 门的工作情况 ； 喷油器和高 从 压油泵上 的振动信号 中 ， 提取 反映喷油过程各
往复式压缩机的6大构造、5大监测方法、10大故障
往复式压缩机6大构造、5大监测方法、10大故障往复式压缩机是指通过气缸内活塞或隔膜的往复运动使缸体容积周期变化并实现气体的增压和输送的一种压缩机。
属容积型压缩机。
根据作往复运动的构件分为活塞式和隔膜式压缩机。
往复式压缩机工作时，曲轴带动连杆，连杆带动活塞，活塞做上下运动。
活塞运动使气缸内的容积发生变化，当活塞向下运动的时候，汽缸容积增大，进气阀打开，排气阀关闭，空气被吸进来，完成进气过程；当活塞向上运动的时候，气缸容积减小，出气阀打开，进气阀关闭，完成压缩过程。
通常活塞上有活塞环来密封气缸和活塞之间的间隙，气缸内有润滑油润滑活塞环。
由于往复压缩机结构的复杂性，所以出现故障的零部件较多，引起故障的原因不一。
往复压缩机特征参数信号主要包括热力信号、振动信号以及噪声信号等，其中热力信号又包括各部件温度、排气量、排气压力、气缸内压力等。
通过对特征信号的监测分析，识别判断压缩机的故障类型，是故障诊断技术的核心思想。
往复式压缩机6大部件结构往复式压缩机是容积式压缩机的一种，其主要部件包括气缸、曲柄连杆机构、活塞组件、填料（也就是压缩机的密封件）、气阀、机身与基础、管线及附属的设备等。
1、气缸气缸是压缩机主要零部件之一，应有良好的表面以利于润滑和耐磨，还应具有良好的导热性，以便于使摩擦产生的热能以最快的速度散发出去；还要有足够大的气流通道面积及气阀安装面积，使阀腔容积达到恰好能降低气流的压力脉动幅度，以保证气阀正常工作并降低功耗。
余隙容积应小些，以提高压缩机的效率。
2、曲柄连杆机构该机构包括十字头、连杆、曲轴、滑导等——它是主要的运转和传动部件件，将电机的圆周运动经连杆转化为活塞的往复运动，同时它也是主要的受力部件。
3、活塞组件主要有活塞头、活塞环、托瓦和活塞杆。
活塞的形状和尺寸与气缸有密切关系，分为双作用和单作用活塞。
活塞环用以密封气缸内的高压气体，防止其从活塞和气缸之间的间隙泄漏。
托瓦的作用顾名思义是起支撑活塞的作用，所以托瓦也是易损件，托瓦材质的好坏也直接影响压缩机的使用寿命。
振动标准及机器振动测量与评价标准简介
Expert
1）ISO/DIS 13374-2, 机器状态监测与诊断 数据处 理、通信与表示 第2部分： 数据处理 2）ISO/DIS 18434-1机器状态监测与诊断 热成像 第 1部分：一般指南 在“ISO 18436, 机器状态监测与诊断 人员培训与认 证的要求”总标题如下的： 3）ISO/CD 18436-3, 第3部分：对培训团体的要求 4）ISO/WD 18436-4, 第4部分：工业润滑分析 5）ISO/WD 18436-8, 第8部分：热成像 6）ISO/CD 18436-9, 第9部分：声发射 7）ISO/AWI 22096-1,机器状态检测与诊断 声技术 第1部分：声发射
Expert
0 引言(续)
目前，国内外大多数重要机器设备上都配置了监测诊 断装置或系统，但各家公司采用的状态监测与故障诊断方 法和评定准则各不相同。状态检测与故障诊断技术与系统 的推广与应用，迫切需要制订相应的标准。否则，监测结 果将难以进行比对和评估，提高诊断与预报的准确性更困 难。如果没有协同一致的标准，测量结果只有实施的人才 明白，就更难以实现远程诊断。 为了实现技术和经济发展的需要，上述技术领域的标 准化工作在国际上由ISO/TC108(机械振动与冲击技术 委员会)负责。国内有全国机械振动与冲击标准化技术委 员会（代号SAC/TC53）归口。
Expert
Expert
第5部分 水力发电厂和泵站机组 （GB/T6075.5-2002 idt ISO 10816-5:2000）
本标准规定了水力发电厂和泵站机组在非旋 转部件上振动的测量和评价准则。 本标准适用于水力发电厂和泵站机组，其额 定转速为（60-1800）r/min,轴瓦类型为筒式或分 块瓦式轴承，主机功率大于或等于1MW。轴线的 位置可以使垂直、水平或与这两个方向成任意角 度。 如：水轮机和水轮发电机、水泵-水轮机和电 动机-发电机。
“对称完全平衡”型往复压缩机机械振动法故障诊断
图１
对的 干扰 因素较 少 、信 号也 比较稳 定 ，是一 种 有发
展前途 的诊 断 方 法 ，但 往 复 压 缩机 因其 结 构 复 杂 ，
零 部 件运 动形 式多 样 ，激振力 源较 多 ，信号 分析 难 度 大 ，从 而其 故 障诊断 技术 ，尤其 是振 动诊 断分 析 技术 ，较旋 转 机械 发展 缓慢 。本文 试 图从 轴承座 受
构成 振 动的各频 率 的成 分，较好 地 反映 和 区别 了各
和 方 向改变 时 ，其合 力不 为零 ，且合 力 的方 向通过 振动相 位变 化 可 以得 到 。合 力 不 为零 又 有 两 种 情 况 ， 力 的大 小变 化而 方 向不变化 和力 的大 小和 方 向
都 变 化 。前者与 两缸 内压 力变化 有关 ，压 力变化 与 气 阀 或活塞 环变化 有关 。后 者反 映 了来 自连杆 的力
维普资讯
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压 缩机 技 术
２０ 年第 ５ （ ０６ 期 总第 １９ ９ 期）
文章编号 ：１ ０ ．９ １（０ ６ ５０ １．３ ０ ６２ ７ ２ ０ ）０ ．０ ８０
“ 称 完 全 平衡 ” 型 往 复 压 缩 机 机 械 振 动法 故障 诊 断 对
力 分 析入手 ， 运用 振 动 方 法 就受 力 状 况 较 为 简 单 、 使用 较 为 普 遍 的 对 称 平衡 型压 缩 机 中 的 特 例— —
图 ２
从 以上特 点 看 出，理 论 上 ， “ 称 完全 平 衡 ” 对
往 复压 缩机 的 曲轴 轴承座 上 的合 力是 零 。但 由于 受 制造 精 度 ，各 配件 质量 和介质 情 况 的影 响，其 合力
往复机械的故障诊断
往复机械的故障诊断
本章重点： 本章重点： 1、气阀故障的信号特征 、 2、敲缸故障原因及信号特征 、 3、拉缸故障原因及信号特征 、 4、主轴瓦拉伤故障原因及信号特征 、 5、气流脉动的原因及治理措施 、
第八章
往复机械的故障诊断
第八章
往复机械的故障诊断
往复机械通常需要利用一系列机构将回转运动转换成 往复运动（往复压缩机） 往复运动（往复压缩机）或者将往复运动转换成回转运动 （内燃机），因而其机械结构往往比较复杂，运动形式也 内燃机） 因而其机械结构往往比较复杂， 较为复杂。与旋转机械相比，其特点如下： 较为复杂。与旋转机械相比，其特点如下： (1)系统比较复杂 ， 运动部分 （ 活塞 － 曲轴机构 ） 既 系统比较复杂， 运动部分（ 活塞－ 曲轴机构） 系统比较复杂 有旋转运动引起的振动，又有往复运动产生的振动， 有旋转运动引起的振动，又有往复运动产生的振动，还有 燃烧时冲击造成的振动， 燃烧时冲击造成的振动，众多的频率范围宽广的激励力比 较难以识别； 较难以识别；
第八章
往复机械燃机工作过程中存在各种各样的冲击激励， 内燃机工作过程中存在各种各样的冲击激励，由于每次 撞击力的大小都具有不稳定性， 撞击力的大小都具有不稳定性 ， 所以引起的振动瞬态响应 的幅值和持续时间也不相同。 的幅值和持续时间也不相同。 5、各种激励相互作用对振动响应的影响 、 柴油机工作中承受的各种各样的激励力几乎都是同时发 生的， 这些同时发生的撞击在时域上的持续时间不同 在时域上的持续时间不同； 生的 ， 这些同时发生的撞击 在时域上的持续时间不同 ； 在 频域上，其谱结构和相位也不同。 频域上，其谱结构和相位也不同。 6、辅助机械对振动响应的影响 、 内燃机一般都带有许多辅助机械， 内燃机一般都带有许多辅助机械，这些辅助机械在工作 过程中产生的振动和结构噪声必然会从不同的路径传递到 测点，干扰被测信号，甚至淹没所要提取的有用信号。 测点，干扰被测信号，甚至淹没所要提取的有用信号。
振动诊断汇总
轴心轨迹分析主要关注转子在旋转过程中的动态行为，通过观察轴心轨迹的形 状、大小和方向等信息，可以判断出转子是否存在不平衡、不对中、碰摩等故 障。这种方法对于诊断旋转机械的故障非常有效。
轴向振动分析
总结词
轴向振动分析是通过测量轴的轴向位移 和振动加速度来诊断旋转机械故障的方 法。
VS
轨道交通的振动诊断主要是通过监测和分析车辆、轨道和 桥梁等结构的振动信号，判断车辆和轨道的磨损状况、桥 梁的稳定性以及线路状况，预防事故发生和提高运输效率 。
04
振动诊断案例
案例一：旋转机械的故障诊断
总结词
通过振动分析，准确诊断出旋转机械的故障 类型和位置，提高设备运行效率。
详细描述
振动诊断的原理
振动诊断基于物理学、动力学和信号 处理原理，通过测量和分析设备或结 构的振动信号，提取有关其运行状态 的信息。
关键参数如振幅、频率、相位和波形 用于评估设备的状态，并识别异常模 式。
振动诊断的流程
数据预处理
包括滤波、放大、去噪等，以 提高信号质量。
状态评估与故障诊断
将提取的特征与已知的正常和 故障模式进行比较，评估设备 的状态并诊断潜在故障。
振动信号的采集
使用传感器采集设备或结构的 振动信号。
特征提取
从振动信号中提取关键参数， 如峰值、均方根值、频率等。
决策与建议
根据诊断结果，制定相应的维 护或维修措施，确保设备安全 、高效运行。
02
振动诊断技术
频谱分析
总结词
频谱分析是振动诊断中常用的方法之一，通过分析振动信号的频率成分，可以识 别出机器的故障类型和部位。
旋转机械是工业领域中常见的设备类型，如 电机、压缩机、涡轮机等。当这些设备出现 故障时，通常会伴随着振动异常。通过对振 动数据的采集和分析，可以准确地判断出故 障的类型和位置，例如轴承磨损、转子不平 衡等，从而及时进行维修和更换，提高设备
往复式压缩机故障分析和管道振动
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往复压缩机故障分析 压缩机热力参数异常-压缩机各部位温度不正常的原因
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往复压缩机故障分析
压缩机热力参数异常-油路故障
压缩机油路包括油泵、注油器以及油路系统中的过滤器、冷却器、管路 压力表等部分。
故障主要表现在油压偏低、偏高、油温过高，油量不足，局部润滑不良， 注油不正常等方面。
3 ——开启角。指阀片在气体推力作用下克服弹簧力到达全开的瞬时 位置开始，到活塞运动止点这段时间所对应的曲柄转角，(。)。
物理意义:
阀片在实际关闭过程中，既受到弹簧力的作用。又受到气体的阻挡，因此阀片 关闭时，θ2必须大于θ1，否则将产生较大的延时关闭，降低阀片使用寿 命。
另外，如果出现θ2>θ3的情况，表示气阀没有充分开启，产生颤抖现象，同 样也会降低阀片使用可靠性。
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常见故障——螺纹断裂（二）
故障现象：同心阀30R/54C中心螺栓断裂，阀片断裂。 分故障析：阀体上外圆有明显的磨擦痕迹，应是气阀安装不紧，在阀窝及 分故障析：压阀罩内转动所致。 方故障案：实行正确的气阀安装。
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常见故障——阀片外缘断裂
因此符合上述要求的气阀基本上都是良好的;不符合上述要求的气阀虽然不一 定不好，但如果背离此关系较远时，其工作状态肯定有问题
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往复压缩机故障分析
建立这两个可靠性准则的主要意义在于用来分析和修正一些 故障很多的气阀。如果这些气阀不符合该准则，而且经常 出现故障时，处理的方法有:
设备震动故障诊断分析
安装、维修
4. 5. 6. 1. 2.
运行操作
3. 4.
5.
故障来源
1. 2. 3. 4. 5.
主要原因
长期运行，转子挠度增大 旋转体局部损坏、脱落或产生裂纹 零、部件磨损、点蚀或腐蚀等 配合面受力劣化，产生过盈不足或松动等， 破坏了配合性质和精度 机器基础沉降不均匀，机器壳体变形
机器恶劣
表2
1
3） 广泛搜集诊断知识，掌握一些常用设备的故障特征 频率和相应的振幅大小。
3. 确定测量参数 经验表明，根据诊断对象振动信号的频率 特征来选择参数。通常的振动测量参数有加速 度、速度和位移。一般按下列原则选用： 低频振动（<10Hz） 采用位移； 中频振动（10-1000Hz）采用速度；
高频振动（>1000Hz） 采用位移。
通常，轴承是监测振动最理想的部位，因为转子 上的振动载荷直接作用在轴承上，并通过轴承把 机器和基础联接成一个整体，因此轴承部位的振 动信号还反映了基础的状况。所以，在无特殊要 求的情况下，轴承是首选测点。如果条件不允许， 也应使测点尽量靠近轴承，以减小测点和轴承之 间的机械阻抗。此外，设备的地脚、机壳、缸体、 进出口管道、阀门、基础等，也是测振的常设测 点。
三. 进行振动测量与信号分析 1. 测量系统
目前，有两种基本的简易振动诊断系统可用于现 场，它们分别代表了 简易诊断发展的不同的发展阶段。 一种是模拟式测振仪所构成的测量系统，一种是以数据 采集器为代表的数字式测振仪所构成的测量系统。 2. 振动测量信号分析
确定了诊断方案以后，根据诊断目的对设备进行 各项相关参数测量。一般来讲，如果现场条件允许，每 个测点都是测量三个方向的振动值。即水平、垂直和轴 向。而且要定点、定时地进行测量，以有利于进行比较。
振动分析和故障诊断
第十五类、 第十五类、皮带传动故障
1.皮 1.皮 带 磨 损 或 不 匹 配 2.皮 2.皮 带 轮 偏 心 3.皮 3.皮 带 共 振
第十六类、拍振 第十六类、 第十七类、 第十七类、机器软脚及与之相关的共振
第 一类 质 量 不 平 衡
力不平衡
径向
1.1 力 不 平 衡
力 产 速 速 是 中 个 轴 与 近 方 不 平 衡 是 同 相 位 和 稳 定 的 。 不 平 衡 生 的 振 动 幅 值 在 转 子 第 一 阶 临 界 转 以 下 随 转 速 的 平 方 增 大 ( 例 如 ， 转 升 高 3倍 ， 则 振 动 幅 值 增 大 9 倍)。 总 存 在 1 × 转 速 频 率 ， 并 且 通 常 在 频 谱 占 优 势 。 在 转 子 重 心 平 面 内 只 用 一 平 衡 修 正 重 量 便 可 修 正 之 。 在 内 侧 承 与 外 侧 轴 承 水 平 方 向 及 内 侧 轴 承 外 侧 轴 承 垂 直 方 向 的 相 位 差 应 该 接 0度 。 不 平 衡 转 子 的 每 个 轴 承 上水 平 向 与 垂 直 方 向 的 相 位 差 应 该 接 近 90
12075 10150
6000
800
1475
可用的频率范围为传感器固定自振频 可用的频率范围 率Fn的约50%
振动监测中的一些技术细节要点
振动传感器固定方式的影响
螺纹固定
磁铁座固定 手持探杆固定
胶粘结固定
• 关键因素 : 固定的自振频率 • 可用的频率范围为传感器固定自振频率Fn的 可用的频率范围 约50%
振动监测中的一些技术细节要点
• 振动加速度传感器的频响特性 频响特性
低频振动区( 低频振动区(通常需要使用专 用的低频加速度传感器) 用的低频加速度传感器) 振 动 幅 值 振动加速度传感器 固定自振频率Fn 固定自振频率Fn
往复式压缩机出口管系振动及减振的研究
三、管系振动研究
管系的振动问题主要是由流体的流动和外部机械力的作用引起的。管系的振动 特性与流体的性质（如流量、流速、压力等）、管材的特性（如弹性模量、泊 松比等）、支撑和约束条件以及外部机械力的作用等因素有关。为了降低管系 的振动，需要从以下几个方面进行考虑：
1、优化管系布局：合理安排管系的走向和支撑，避免形成振动节点。
故障诊断方法研究
故障诊断是往复式压缩机振动信号特征分析的重要应用之一。通过故障诊断， 可以及时发现压缩机存在的故障，避免事故的发生，保证生产过程的稳定性和 安全性。
1、基于神经网络的故障诊断方 法
神经网络是一种非线性映射方法，能够模拟人脑对信息的处理过程。基于神经 网络的故障诊断方法可以使用BP神经网络、RBF神经网络等，将采集到的振动 信号特征作为输入，将压缩机的故障类型和状态作为输出，通过训练神经网络 建立输入与输出之间的映射关系。
2、基于支持向量机的故障诊断 方法
支持向量机是一种二分类器，能够将输入数据分成两个类别。基于支持向量机 的故障诊断方法可以使用支持向量机对不同状态的振动信号进行分类，通过训 练模型将正常状态和故障状态分别映射到两个不同的类别中，从而实现故障诊 断。
3、基于深度学习的故障诊断方 法
深度学习是一种基于神经网络的机器学习方法，能够自动学习输入数据中的特 征。基于深度学习的故障诊断方法可以使用卷积神经网络、循环神经网络等深 度学习模型对振动信号进行特征提取和分类，通过训练模型实现故障诊断。
一、往复式压缩机出口管系振动 的原因
往复式压缩机出口管系的振动主要是由于压缩机的工作原理和管道系统自身的 特性所引起的。在往复式压缩机的运行过程中，活塞在气缸内往复运动，周期 性地改变气体压力，从而产生脉动流体。这种脉动流体在管道系统中产生机械 振动，进而引发管道系统的振动。此外，管道系统的振动还可能受到管道内部 流体的不稳定流动、管道支撑的刚度及阻尼等因素的影响。
振动基本知识及故障诊断
高压转子 中压转子
低压转子
发电机转子
200MW 汽轮发电机组轴系
发电机转子型 n1 =1002 r/min
中压转子型 n2 = 1470 r/min
高压转子型 n3 = 1936 r/min
低压转子型 n4 = 2014 r/min
发电机转子型 n5 = 2678 r/min
轴系各阶振型中，一般有一个转子起主导作用。
ωd为阻尼自由振动的圆频率
d n 12
d
2 T
阻尼比：
Mi、Mi+1分别为阻尼自由振动的相邻超调量。
四、单自由度系统强迫振动
（一）谐激励的强迫振动
外 加 作 用 力 ： f(t)F0sin(t) dd2 t2 y2nd dyt2ny2nY0sin(t)
Y0为质量块上作用有静力F0时的静位移 Y0 =F0 /k
位移、速度、加速度都是同 频率的简谐波。
三者的幅值相应为A、A、 A 2。
相位关系：加速度领先速度 90º; 速度领先位移90º。
复杂振动的幅值参数
峰峰值 正峰值
xrms
负峰值
各幅值参数随时间变化， 彼此间无明确定关系
若干幅值参数的定义
瞬时值 (Instant value) 振动的任一瞬时的数值。
位，是为该阶共振状态。 共振峰大小决定于该阶阻尼值和激励的位置。 作用在某阶节点上的激励力，不能激起该阶振动。
中篇：振动测试
一、振动基本量的测量
1.振动幅值测量——位移、速度和加速度
平均绝对值
正峰值
有效值 峰峰值
负峰值
简谐振动各幅值参数是常数，彼此间有确定关系
峰值 xp=A; 峰峰值 xp-p=2A
合振动：xA co 0s t ()
振动测量相位分析基础知识
不平衡的相位 表现
图44诊断静不平衡、 力偶不平衡、动不平 衡的典型测量
不平衡的相位表现
如图44所示，比较在输入端和输出端轴承座上水平和垂直相 位差角，来确认是否有不平衡问题的存在。比较好的做法是测量 和比较输入端和输出端轴承座上水平方向的相位差角的值，如果 存在一定程度的不平衡问题，1XRPM振动幅值肯定是较高的，并且 在两个轴承座上水平方向的振动相位差等于垂直方向的振动相位 差（±30°）。这说明，转子的运动状态在水平方向和垂直方向 是相同的，否则，其主要问题可能就不会是不平衡问题了。例如， 见图44的表C，注意到在电机的两个轴承上，水平方向的振动相位 差是90°-30°=60°，垂直方向的相位差是180°-120°=60°， 这强有力地说明是不平衡问题。
如何测量振动相位？
使用光电头测量振动相位要比手持闪光灯的测量方法精确得多， 手持闪光灯是由人通过参考标记来读取相位角，所以误差较大。 为了有效地测量相位角，必须首先将频闪灯调到你所要求的闪光 频率（通常是轴的转速频率），振动幅值和相位读数必须同时记录。 振动传感器必须从一个轴承座移到另一个轴承座，测量水平、垂直、 和轴向方向的数据。在每次将传感器移到一新位置或方向时，这时 就要找到和记录相位参考标记新的位置的角度。测量时操作闪光灯 能更清楚地观察到参考标记，但此时振动传感器必须牢固地安装在 每个测量位置或方向上。 然而，使用光电头进行相位测量，光电头和振动传感器必须都 可靠固定好，在进行不同位置和不同方向测量时，只需将振动传感 器移动到下一个位置。
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往复机械故障的振动诊断法
过程装备与控制工程B09360212 胡极诸
摘要：往复机械种类很多，应用范围十分广泛，对往复机械进行状态监测与故障诊断同样具有十分重要的意义。
往复机械结构往往比较复杂，利用振动诊断法分析困难比较多，但近年由于振动分析技术的发展，已日益得到更多的应用。
振动诊断主要借助于传递函数法、能量谱法、时域特征量法及缸体表面振动加速度总振级方法等，综合运用各方法可以有效地确定气缸—活塞组的各种故障。
关键词：往复机械振动诊断法拉缸
1、往复机械
往复机械种类很多，有往复压缩机、内燃机（柴油机及汽油机）、往复泵等，其应用范围十分广泛。
因此，对往复机械进行状态监测与故障诊断同样具有十分重要的意义。
由于往复机械通常需要利用一系列机构将回转运动转换成往复运动（例如往复压缩机）或者将往复运动转换成回转运动（例如内燃机），因而其机械结构往往比较复杂，运动形式也较为复杂。
往复机械的故障主要有两种：一种是结构性的故障，另一种是性能方面的故障。
结构性故障是指零件的磨损、裂纹、装配不当、动静部件间的碰磨、油路堵塞等；而性能方面故障表现在机器性能指标达不到要求，如功率不足、油耗量大、转速波动较大等。
显然，结构性故障会反映在机器的性能中，通过性能的评定，也可反映结构性故障的存在和其严重程度。
2、振动诊断法
往复机械的故障诊断方法主要有性能分析法、油样光谱分析法和振动诊断分析法。
性能分析法通过对汽缸的压力检测，柴油机的温度信号、启动性能、动力性能、增压系统以及进排气系统的检测来了解汽缸、气阀、活塞等的工作状况，通过性能变化判别其故障的存在。
油样光谱分析法是指用原子吸收或原子发射光谱分析润滑油重金属的成分和含量，判断磨损的零件和磨损的严重程度的方法。
振动诊断法在往复机械中的应用不如旋转机械那样广泛和有效，其原因是往复机械转速第，要求传感器有良好的低频特性，因而在传感器选用方面有一定的限制。
此外，由于往复机械结构复杂，运动件多，工作时振动激励源多，对不同零部件，这些激励源的作用是不同的，因而利用振动信号进行分析困难较多。
但在实际工作中，由于采用性能分析法诊断故障属于间接诊断，一方面不直接，影响因素较多，另一方面，采用性能分析法难度也比较大，所用传感器价格昂贵，寿命较短，而油样光谱分析检测故障种类有限，而近年由于振动分析技术的发展，在往复机械的监测和诊断中日益得到更多的应用。
振动诊断法主要包含传递函数法、能量普法和时域特征法等。
其方法都是通过对正常情况下往复机械的动态特性、能量数据进行采集，从而得到传递函数、参考能量谱、时域特征量等。
再将实测的振动信号与之进行比较，判别出故障的存在。
除了以上几种方法外，其他如评定缸体表面振动加速度总振级方法，综合运用上述各种方法可以有效地确定汽缸—活塞组的各种故障。
3、拉缸
本文以柴油机拉缸时的故障判别为例具体说明振动诊断法的应用。
拉缸是柴油机活塞组件与气缸套配合工作表面相互剧烈作用（产生干摩擦），在工作表面上产生过度磨损、拉毛、划痕、擦伤、裂纹或者咬死的现象，拉缸是在缺乏润滑条件的情况下产生的不同程度的粘着磨损。
拉缸轻时，使气缸套、活塞组件受损，严重时会造成咬缸的恶性机损事故。
其主要症状为：
1、柴油机运转声音不正常，发出“吭吭”声或“嗒嗒”声；
2、柴油机转速下降乃至自动停车——应为气缸内摩擦功大增；
3、曲柄箱或扫气箱冒烟或着火；
4、排烟温度、冷却水温度和润滑油温度均显著升高；
5、吊缸检查可以发现气缸套和活塞环、活塞工作表面呈蓝色或暗红色，有纵向拉痕；气缸套、活塞环，甚至活塞裙异常磨损，磨损量和磨损率很高，远远超过正常值。
运用振动诊断，如图1所示，为某柴油机发生拉缸时的故障信号与正常信号的对比情况。
柴油机的气缸盖上振动加速度响应的功率谱分布在0～4.5kHz之间，大致可划分为如下三个频带：①0~1.5kHz；②1.5～3.0kHz；③3.0~4.5kHz。
正常工作情况下，能量主要均布在第一和第二个频带内，如图1（a）所示。
当柴油机拉缸时，第一和第二个频带比正常情况下略有增加，第三频带比正常时有所拓宽，而且能量也比正常时有明显增加。
同时，总振级测量值明显小于基准值。
如图1(b)所示。
图1 某柴油机正常信号与拉缸故障信号对比
发生拉缸故障后，缸套内壁油膜被破坏，活塞环与气缸套在油膜被破坏的区域成为干摩擦，金属表面被拉伤，粗糙度大大增加，因而活塞环对气缸套由于摩擦而产生的激励为高频激励，这就是功率谱中第三个频带比正常时有所拓宽、能量也有明显增加的原因。
4、小结
对往复机械设备进行故障诊断首先应对设备的结构和运行的动力特性有比较全面的了
解，还应掌握机械设备发生故障的机理。
为了能够深入掌握整个机械设备在运行过程中出现的各种症状，有必要对各个分离部件进行故障机理的研究，在此基础上才有可能对系统的故障机理进行研究。
在应用振动检测的同时，还须应用温度监测、铁谱分析技术以及性能参数的测定等方法。
尽可能采用多种检测手段进行综合检测，并进行谨慎细致的分析，以便尽可能早地发现故障，准确地诊断故障原因，采取切实可行的处理对策，避免重大事故的发生。
参考文献
【1】王江萍、徐爱荣，《机械设备故障诊断技术及应用》，西北工业大学出版社，2001.8
【2】/view/57418.htm，2011.12.18
【3】/view/471f698fa0116c175f0e48cd.html，2011.12.18
【4】/thread-786488-1-1.html,，2011.12.18。