旋转机械的状态监测与故障诊断PPT课件
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旋转机械故障诊断PPT讲稿
旋转机械振动及故障概述
• 振动的分类
– 横向振动：振动发生在包括转轴的横向xoy平 面内，大多数故障所激发的振动为此类振动
– 轴向振动：振动发生在转轴轴线z方向上，某些 故障如不对中将会激发轴向振动
– 扭转振动：沿转轴轴线发生的扭振，多盘转子 的柔性轴将会产生扭振x
• 产生扭转振动的根本原0因是旋转机械的z 主动力矩与
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。
多转子轴系的2临00界MW转汽速轮和发电振机型组轴系
单个 转 子 高压转子 中压转子 低压转子
发电机转子
刚性支承 1805 1316 1965 1053 3149
弹性支承 1693 1221 1740 943 2654 多跨 轴 系 高压转子型 中压转子型 低压转子型 发电机转子型 刚性支承 2284 1643 2592 1142 3444 弹性支承 1936 1470 2014 1002 2678
• 正进动时，回转力矩可以提高转子的刚度，临界转
支承临界 刚度对临界转速的影响
转 速
临界转速 : c
k m
0
小
支承刚度
大
K
支承刚度降低，临界转速随之下降
单转子的临界转速和振型
• 单转子的临界转速和振型
650MW 发电机转子
n1= 604 r/min
n2= 1840 r/min
n3= 4651 r/min 多自由度转子有多个临界转速和相应的振型
– 支承刚度 • 只有在支承完全不变形的条件下，支点才会在转子
运动过程中保持不动。考虑支承的弹性变形时，就 相当于弹簧与弹性转轴相串联。
工学Chapter旋转机械故障诊断PPT课件
3.1.3 转子不平衡振动的故障特征
3、频谱图上转子转速频率对应的振幅具有突出的峰值，因为 不平衡故障主要引起转子或轴承径向振动。
典型的转子不平衡振动频谱和轴心轨迹
4、三维全息图中，转频的振幅椭圆较大，其它成份较小。
第13页/共205页
3.1.3 转子不平衡振动的故障特征
5、转子的进动方向为同步正进动。 6、转子振幅对转速变化很敏感，转速下降，振幅将明显下降。 7、除了悬臂转子之外，对于普通两端支承的转子，不平衡在 轴向上的振幅一般不明显。 8、敏感参数（振幅）具有如下特征： ①振幅随转速变化明显，这是因为，激振力与转速ω是平方指 数关系。 ②当转子上的部件破损时，振幅会突然变大。例如某烧结厂 抽风机转子焊接的合金耐磨层突然脱落，造成振幅突然增大。
第19页/共205页
3.1.4.2 转子运行中的不平衡
转子运行过程中的不平衡，可分成： 1、转子弯曲：
1）临时性弯曲 2）永久性弯曲 2、原始平衡状态破坏： 1）转子上零件破裂或飞离 2）固体杂质在叶轮上沉积 3）叶轮除锈后产生的不平衡 4）轴上零件松动
第20页/共205页
3.1.4.2.1 转轴临时性弯曲
3.1.1 转子不平衡的类型
旋转机械的转子由于受材料的质量分布、加工误差、装配因 素以及运行中的冲蚀和沉积等因素的影响，致使其质量中心与 旋转中心存在一定程度的偏心距，使得转子在工作时形成周期 性的离心力干扰，在轴承上产生动载荷，从而引起机器振动的 现象，就是不平衡故障。
不平衡可分为静不平衡、偶不平衡和动不平衡。
另外又从转子过程的极坐标图上看出， 转子在做高速动平衡时，也曾显示9700～ 11000r/min之间具有明显峰值。
Ⅵ375测点的极坐标图
设备状态监测与故障诊断技术旋转机械故障诊断技术ppt文档
第一节 旋转机械典型故障的机理和特征
一、转子不平衡
不平衡是旋转机械最常见的故障。引起转子不平衡的原因 有：结构设计不合理，制造和安装误差，材质不均匀，受 热不均匀，运行中转子的腐蚀、磨损、结垢、零部件的松 动和脱落等。
转子不平衡故障包括：①转子质量不平衡、 ②转子偏心、 ③轴弯曲、 ④转子热态不平衡、 ⑤转子部件脱落、 ⑥转子 部件结垢、 ⑦ 联轴器不平衡等，不同原因引起的转子不平 衡故障规律相近，但也各有特点。
第一节 旋转机械典型故障的机理和特征
2．转子偏心：皮带轮、齿轮、轴承和电动机框架等旋转中心与 几何中心线偏离时出现偏心。最大的振动出现在两个转子中心 连线方向上 。
3．轴弯曲：弯曲的轴引起大的轴向振动，如果弯曲接近轴的中 部，占优势的振动出现在转子转速频率，如果弯曲接近力偶， 则占优势的振动出现在2倍转速频率。用千分表可以证实轴的 弯曲。在汽轮发电机组中，通常是在盘车时和盘车后测量晃动 度的大小来判断转子是否存在初始弯曲。
实例三：转子不平衡故障的诊断
电机
齿轮箱 喂入轮
图5.4 喂入机传动示意图
图5.5 喂入机轮不平衡速度谱图
在涤纶短纤维生产工艺流程中有这样一台瓶颈设备——喂入 机，纤维丝束从喂入轮绕过，由于其结构和用途的特殊性，喂入 轮不平衡现象频发。它们的共同频谱特征是：喂入轮转速频率占 绝对优势。
实例三：转子不平衡故障的诊断
轴向很小 1X频率(铅垂) 1X频率(水平) 轴向很小 1X频率(铅垂) 1X频率(水平)
实例二：转子不平衡故障的诊断
电机
MO
MI
FI FO
风机
图5.2 燃烧风机传动示意图
某化纤公司聚酯装置一台热媒加热炉燃烧风机，2002年9月 26日采集的径向速度频谱图中转速频率占绝对优势，是典型的转 子（叶轮）不平衡信息，此时振动幅值相对不大，无需修理。
机械故障诊断学钟秉林第10章旋转机械的状态检测与故.pptx
二、振动基础
振动测试的3个基本参数：幅值、频率和相位。
✓ 幅值 幅值是振动强度大小的标志，它可以
用不同的方法表示，如单峰值、有效 值、平均值等；
✓ 频率 为周期的倒数。通过频谱分析可以确 定主要频率成分及其幅值大小，从而 可以寻找振源，采取措施；
✓ 相位 振动信号的相位信息十分重要，利用 相位关系确定共振点、振型测量、旋 转件动平衡、有源振动控制、降噪等。
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一、概述
旋转机械运行速度一般较高，且往往是关键设备，其工况状 态影响机器设备自身的安全稳定、甚至可能导致重大经济损 失、机毁人亡的事故。
随着科学技术和现代工业的发展，旋转机械正朝着大型、高 速和自动化方向发展，这对提高安全性和可靠性，发展先进 的状态监测与故障诊断技术，提出了迫切要求。
利用接触式传感器(例如磁电式振动速度传感器或 压电式振动加速度传感器)放置在轴承座上进行测量；
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三、 转子系统振动故障诊断
✓ 轴振动值评定 这可利用非接触式传感器(例如电涡流式传感器) 测
量轴相对于机壳的振动值或轴的绝对振动值。
➢ 评定参数可用振动位移峰峰值和振动烈度(即均方根 值，它代表了振动能量的大小)来表示。
✓ 在有阻尼的情况下，转子的临界转速略高 于其横向固有频率。
✓ 转子的临界转速个数与转子的自由度相等。 对实际转子来说，理论上有无穷多个临界 转速，但由于转子的转速限制，往往只能 遇见数个临界转速。
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二、振动基础
根据转子的工作转速n与其第一阶临界转速nin1)
≤6500
≤10000
>10000 -16000
≤40
机械故障诊断—Ch旋转机械的振动监测与诊断授课PPT
旋转机械的故障可能导致生产 中断、设备损坏和安全事故。
振动监测与诊断的方法
振动监测是通过测量和分析设备 的振动信号来评估其运行状态的
方法。
振动诊断则是基于监测数据，通 过信号处理、特征提取和模式识 别等技术，对设备的故障进行诊
断和预测。
振动监测与诊断是实现旋转机械 故障预警和预防性维护的重要手
段。
基于人工智能的方法
神经网络
神经网络是一种模拟人脑神经元结构的计算模型，可以通过训练 学习识别出非线性、复杂的故障特征。
支持向量机
支持向量机是一种分类器，可以通过训练学习将正常状态和故障状 态进行分类和识别。
决策树
决策树是一种基于规则的分类器，可以通过训练学习将故障特征进 行分类和识别。
CHAPTER 05
CHAPTER 02
旋转机械的振动原理
旋转机械振动的类型
强迫振动
由外部周期性干扰力引起 的振动，如不平衡的转子 、不均匀的气流等。
自激振动
由机械内部某种自激力引 起的振动，如油膜振荡、 流体激振等。
随机振动
受到多种随机因素影响的 振动，如环境振动、地震 等。
旋转机械振动的产生原因
转子不平衡
转子质量分布不均匀， 导致转动时产生离心力
振幅
监测机械振动的幅度，判断机械运转的稳定 性。
相位
监测机械振动的相位，判断机械运转的协调 性。
振动监测的频率范围
低频
通常在10Hz以下，用于监测大 型旋转机械和往复机械的振动。
中频
通常在10Hz-1kHz之间，用于监 测大多数旋转机械的振动。
高频
通常在1kHz以上，用于监测精 密机械和高速旋转机械的振动。
基于模型的方法
旋转机械的状态监测与故障诊断PPT课件
6.1 转子系统振动故障诊断
旋转机械的核心----转子系统（转轴组件），它包 括：
转子（轴、齿轮传动件、叶轮、联轴器）； 滑动轴承、滚动轴承； 支座（定子、机座）； 密封、密封装置。
1）转子系统的振动分类：
横向振动----振动发生在包括转轴的横向xoy平面内，大多 数故障所激发的振动为此类振动；
x p-p
峰-峰值的测量方法
1）以轴承振动位移峰峰值作评定标准
2 旋转机械振动评定标准
2）以轴承振动烈度作为评定标准
V rms
1 T v 2 t dt
T0
式中： T v ( t )曲线样本长度；
n
设： v ( t ) v k sin 2 f k t k 1
其中： v k 1，2，3， n 为各组成分量的幅值，
1 旋转机械的状态特征参数与测试
测点数量与布置
原则：通过对整个机组结构特性的全面了解和认真分 析，以最少的传感器，最灵敏地测出整个机组系统的工况。
注意：对于在机壳（轴承座）上的振动测量，测点的 选择应考虑环境因素，避免选择高温、高湿度、出风口和 温度变化剧烈的地方作为测量点，以保证测量的有效性。
注意：为降低系统成本，对于高频的随机振动和冲击 振动可以只确定一个方向为测量点。但对于低频段的确定 性振动（常为低频振动）必须同时测量水平和垂直两个方 向，有条件时还应增加轴向测点。
键相位传感器的安装
键相位信号是通过对键相标记（即在被测轴上设置的 一个凹槽或凸键）测量得到的，当这个凹槽或凸键转到探 头安装位置时，相当于探头与被测面间距突变，传感器会 产生一个脉冲信号。轴每转一圈，就会产生一个脉冲信号， 通过将脉冲与轴的振动信号比较，可以确定振动的相位角， 也可用于轴的动平衡分析以及设备的故障分析与诊断等方 面。
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旋转机械的状态监视与故障诊断
主要内容
1 转子系统振动故障诊断 2 齿轮箱故障诊断 3 滚动轴承故障诊断
6.1 转子系统振动故障诊断
旋转机械的状态特征参数与测试 旋转机械振动评定标准 旋转机械振动故障分析常用方法 转子系统主要故障及其诊断
6.1 转子系统振动故障诊断
旋转机械是指主要功能由旋转运动来完成的机械， 尤其是指主要部件作旋转运动的、转速较高的机 械。
旋转机械故障分类
1 旋转机械的状态特征参数与测试
旋转机械的状态特征参数
1、振幅
2、振动频率
3、相位
4、转速
5、时域波形
6、轴心轨迹
7、轴向位置（轴位移）
1 旋转机械的状态特征参数与测试
1、振幅
振幅是描述设备振动大小的一个重要参数。运行正 常的设备，其振动幅值通常稳定在一个允许的范围内， 如果振幅发生了变化，便意味着设备的状态有了改变。 因此对振幅的监测可以用来判断设备的运行状态。
判别依据：一般工作频率<100Hz的机械系统属于刚性转子 系统，该系统一般采用滚动轴承。
同步振动：工作频率=激振频率。 强迫振动：对线性系统，在周期激振下的稳态响应 一般采用滚动轴承
2）系统分类——以临界转速分类
⑵ 柔性转子系统--工作转速在一阶临界转速以上的 系统
判别依据：一般工作频率>100Hz的机械系统属于柔性转 子系统。
旋转机械种类繁多，有汽轮机、燃气轮机、离心 式压缩机、发电机、水泵、水轮机、通风机以及 电动机等。这类设备的主要部件有转子、轴承系 统、定子和机组壳体、联轴器等组成，转速从每 分钟几十到几万、几十万转。
6.1 转子系统振动故障诊断
旋转机械的故障诊断，是在获取机器的稳态数据、 瞬态数据以及过程参数和运行状态等信息的基础上， 通过信号分析和数据处理提取机器特有的故障症兆 及故障敏感参数等，经过综合分析判断，才能确定 故障原因，做出符合实际的诊断结论，提出治理措 施。
因为特定的振动频率往往对应一定的故障，所以对振动 频率的监测和分析在评定设备状态过程中是必不可少的。
在旋转机械中，振动频率多以转子转速的整数倍或分数 倍形式出现，因此振动频率除了可表示为每分钟的周期数 （r/min）或每秒钟的周期数(Hz)表示外，还可以简单地表示 为转速的整数倍或分数倍。
1 旋转机械的状态特征参数与测试
轴向振动----振动发生在转轴轴线z方向上，某些故障如不 对中将会激发轴向 振动；
扭转振动----沿转轴轴线发生的扭振，多盘转子的柔性轴将
会产生扭振。
x
0
z
y 最简单的转子系统
2）系统分类——以临界转速分类
⑴ 刚性转子系统----工作转速在一阶临界转速以下的 系统：
一阶临界转速：转子系统有多个自振频率，当转速逐渐增 大到横向振动的一阶自振频率时，将发生一阶共振，所对 应的转速称为一阶临界转速。
频率与转速 振动频率随转速之变化而变化， 变化的关系 显比例关系。
振幅与转速 变化的关系
振幅随转速之增加而增加，达到 临界转速时振幅出现峰值，然后 则随转速之增加而减小，趋于某 定值。
自激振动（柔性系统）
在振动过程中，由于系统内部有能量 输入而引起的。
振动频率一般低于工频
振动频率在一定范围内可能存在某种 比例关系，但超过一定范围后则主要 与转子的一阶自振频率有关
随转速的变化振幅有突发变化的可能 （增大或减小）
3）故障分类
旋转机械故障
刚性转子 柔性转子
同步振动（强迫振动） 亚同步振动（自激振动
不平衡 不对中 轴弯曲 装配件或基础松动 转子与定子摩擦 转子横向裂纹
油膜涡动 ）油旋膜转振失荡速 喘振 顶隙激振
振动特点：振动频率（自激振动）<工作频率，并与一阶 横向自振频率有关。
自激振动：振动过程中，由于系统内部不断有能量输入而 产生的共振现象，在设备诊断中又称为亚同步振动。
一般采用滑动轴承。
两种系统振动特点比较
激振原因
频率与工作 频率的关系
强迫振动（刚性系统）
由于外部激振力 或激振位移引起的
振动频率与工作频率同步
1 旋转机械的状态特征参数与测试
旋转机械的振动检测
大型旋转设备发生故障时，转子振动的变化比轴 承座要敏感，其振动信息更为直接、有效。对于轴承 和齿轮等零部件的故障，轴系的振动反映也明显得多。 因此在对旋转机械进行振动检测时，测量转子振动是 首选，但在不具备条件时也可以测量外壳或轴承座的 振动情况。
振幅可以分为位移振幅、速度振幅、加速度振幅。
在旋转机械状态监测实际应用中，位移振幅通常用 双振幅，即峰-峰值（P-P值）来表示；速度振幅通常用 单振幅有效值，即振动烈度（Vrms）来表示；加速度 振幅通常用最大单峰值来表示。
1 旋转机械的状态特征参数与测试
2．振动频率
振动频率可分为基频（周期的倒数）和倍频（各次谐波 频率），它是描述机器状态的另一个特征参量，也是测量和 分析的主要参数。
3．相位 许多设备故障单从幅值谱图上判断是不易区分的，这时需
要对相位信息进行进一步的分析，以做出正确判断。 例如，对于转子临时弓形弯曲、转子缺损和滑动轴承故障，
其频谱都以一倍频为主，不易区分。 如果进一步对其相位进行监测分析，则可以比较容易地将
它们区分开： 转子临时弓形弯曲时相位比较稳定地变化； 转子缺损时相位会发生突变，然后保持稳定； 轴承故障时相位在一定范围内不稳定地变化。
6.1 转子系统振动故障诊断
旋转机械的核心----转子系统（转轴组件），它包 括：
转子（轴、齿轮传动件、叶轮、联轴器）； 滑动轴承、滚动轴承； 支座（定子、机座）； 密封、密封装置。
1）转子系统的振动分类：
横向振动----振动发生在包括转轴的横向xoy平面内，大多 数故障所激发的振动为此类振动；
1 旋转机械的状态特征参数与测试
4．转速 旋转机械的转速变化与设备的运行状态有着非常密切的关
系，它不仅表明了设备的负荷，而且当设备发生故障时，通常 转速也会有相应的变化。 例如：
当离心式压缩机组发生喘振时，转速会有大幅度的波动； 当转子与静止件发生碰磨时，转速也会表现得不稳定。 因此，转速通常是设备状态监测与故障诊断中比较重要的 参数。
主要内容
1 转子系统振动故障诊断 2 齿轮箱故障诊断 3 滚动轴承故障诊断
6.1 转子系统振动故障诊断
旋转机械的状态特征参数与测试 旋转机械振动评定标准 旋转机械振动故障分析常用方法 转子系统主要故障及其诊断
6.1 转子系统振动故障诊断
旋转机械是指主要功能由旋转运动来完成的机械， 尤其是指主要部件作旋转运动的、转速较高的机 械。
旋转机械故障分类
1 旋转机械的状态特征参数与测试
旋转机械的状态特征参数
1、振幅
2、振动频率
3、相位
4、转速
5、时域波形
6、轴心轨迹
7、轴向位置（轴位移）
1 旋转机械的状态特征参数与测试
1、振幅
振幅是描述设备振动大小的一个重要参数。运行正 常的设备，其振动幅值通常稳定在一个允许的范围内， 如果振幅发生了变化，便意味着设备的状态有了改变。 因此对振幅的监测可以用来判断设备的运行状态。
判别依据：一般工作频率<100Hz的机械系统属于刚性转子 系统，该系统一般采用滚动轴承。
同步振动：工作频率=激振频率。 强迫振动：对线性系统，在周期激振下的稳态响应 一般采用滚动轴承
2）系统分类——以临界转速分类
⑵ 柔性转子系统--工作转速在一阶临界转速以上的 系统
判别依据：一般工作频率>100Hz的机械系统属于柔性转 子系统。
旋转机械种类繁多，有汽轮机、燃气轮机、离心 式压缩机、发电机、水泵、水轮机、通风机以及 电动机等。这类设备的主要部件有转子、轴承系 统、定子和机组壳体、联轴器等组成，转速从每 分钟几十到几万、几十万转。
6.1 转子系统振动故障诊断
旋转机械的故障诊断，是在获取机器的稳态数据、 瞬态数据以及过程参数和运行状态等信息的基础上， 通过信号分析和数据处理提取机器特有的故障症兆 及故障敏感参数等，经过综合分析判断，才能确定 故障原因，做出符合实际的诊断结论，提出治理措 施。
因为特定的振动频率往往对应一定的故障，所以对振动 频率的监测和分析在评定设备状态过程中是必不可少的。
在旋转机械中，振动频率多以转子转速的整数倍或分数 倍形式出现，因此振动频率除了可表示为每分钟的周期数 （r/min）或每秒钟的周期数(Hz)表示外，还可以简单地表示 为转速的整数倍或分数倍。
1 旋转机械的状态特征参数与测试
轴向振动----振动发生在转轴轴线z方向上，某些故障如不 对中将会激发轴向 振动；
扭转振动----沿转轴轴线发生的扭振，多盘转子的柔性轴将
会产生扭振。
x
0
z
y 最简单的转子系统
2）系统分类——以临界转速分类
⑴ 刚性转子系统----工作转速在一阶临界转速以下的 系统：
一阶临界转速：转子系统有多个自振频率，当转速逐渐增 大到横向振动的一阶自振频率时，将发生一阶共振，所对 应的转速称为一阶临界转速。
频率与转速 振动频率随转速之变化而变化， 变化的关系 显比例关系。
振幅与转速 变化的关系
振幅随转速之增加而增加，达到 临界转速时振幅出现峰值，然后 则随转速之增加而减小，趋于某 定值。
自激振动（柔性系统）
在振动过程中，由于系统内部有能量 输入而引起的。
振动频率一般低于工频
振动频率在一定范围内可能存在某种 比例关系，但超过一定范围后则主要 与转子的一阶自振频率有关
随转速的变化振幅有突发变化的可能 （增大或减小）
3）故障分类
旋转机械故障
刚性转子 柔性转子
同步振动（强迫振动） 亚同步振动（自激振动
不平衡 不对中 轴弯曲 装配件或基础松动 转子与定子摩擦 转子横向裂纹
油膜涡动 ）油旋膜转振失荡速 喘振 顶隙激振
振动特点：振动频率（自激振动）<工作频率，并与一阶 横向自振频率有关。
自激振动：振动过程中，由于系统内部不断有能量输入而 产生的共振现象，在设备诊断中又称为亚同步振动。
一般采用滑动轴承。
两种系统振动特点比较
激振原因
频率与工作 频率的关系
强迫振动（刚性系统）
由于外部激振力 或激振位移引起的
振动频率与工作频率同步
1 旋转机械的状态特征参数与测试
旋转机械的振动检测
大型旋转设备发生故障时，转子振动的变化比轴 承座要敏感，其振动信息更为直接、有效。对于轴承 和齿轮等零部件的故障，轴系的振动反映也明显得多。 因此在对旋转机械进行振动检测时，测量转子振动是 首选，但在不具备条件时也可以测量外壳或轴承座的 振动情况。
振幅可以分为位移振幅、速度振幅、加速度振幅。
在旋转机械状态监测实际应用中，位移振幅通常用 双振幅，即峰-峰值（P-P值）来表示；速度振幅通常用 单振幅有效值，即振动烈度（Vrms）来表示；加速度 振幅通常用最大单峰值来表示。
1 旋转机械的状态特征参数与测试
2．振动频率
振动频率可分为基频（周期的倒数）和倍频（各次谐波 频率），它是描述机器状态的另一个特征参量，也是测量和 分析的主要参数。
3．相位 许多设备故障单从幅值谱图上判断是不易区分的，这时需
要对相位信息进行进一步的分析，以做出正确判断。 例如，对于转子临时弓形弯曲、转子缺损和滑动轴承故障，
其频谱都以一倍频为主，不易区分。 如果进一步对其相位进行监测分析，则可以比较容易地将
它们区分开： 转子临时弓形弯曲时相位比较稳定地变化； 转子缺损时相位会发生突变，然后保持稳定； 轴承故障时相位在一定范围内不稳定地变化。
6.1 转子系统振动故障诊断
旋转机械的核心----转子系统（转轴组件），它包 括：
转子（轴、齿轮传动件、叶轮、联轴器）； 滑动轴承、滚动轴承； 支座（定子、机座）； 密封、密封装置。
1）转子系统的振动分类：
横向振动----振动发生在包括转轴的横向xoy平面内，大多 数故障所激发的振动为此类振动；
1 旋转机械的状态特征参数与测试
4．转速 旋转机械的转速变化与设备的运行状态有着非常密切的关
系，它不仅表明了设备的负荷，而且当设备发生故障时，通常 转速也会有相应的变化。 例如：
当离心式压缩机组发生喘振时，转速会有大幅度的波动； 当转子与静止件发生碰磨时，转速也会表现得不稳定。 因此，转速通常是设备状态监测与故障诊断中比较重要的 参数。