机械振动理论基础及其应用作业

3.3 不对中
它可能在转速和两倍转速下造成径向和轴向的激振力。 但是绝不能因为没有上述现 象中的一种或两种而断定不存在对中问题。 各种手册和教科书中已介绍了大量的实用的 对中技术，这些技术对于旋转机械及其所驱动的设备均可适用。同时，还应该特别注意 考虑旋转机械及其所驱动的设备的热膨胀；对用螺栓联结的靠背轮联轴器，二联轴节之 间一定要留有间隙， 根据旋转机械设备的安装使用说明书和安装图， 一般为 1.5〜3mm。
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机械振动理论基础及其应用 表 4.2.2.1 幅值频率对应表
旋转机械振动与故障诊断研究综述
Hale Waihona Puke Baidu
幅值 频率
F1
0-0.5X
F2
0.5X
F3
0.5-1X
F4
1X
F5
2X
F6
3-5X
F7
3,5,7X
F8
>5X
F9
F10
F11
其中 X 为基频 本系统隶属函数用升半哥西分布，确定如下
0 uF1 2 2 K ( Fi - a) / 1 K ( Fi a)
3.2 共振
它存在于所有机械系统中。系统中的共振频率取决于其自由度数量；共振频率则由
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力学量中的质量、刚度和衰减系数决定。旋转机械最佳支承结构共振频率应远离任何激 振频率。 与旋转机械转速相应的共振频率应尽可能避开。对于新装置，可以向旋转机械制造 厂咨询所需地基刚度以达到此目的。对于共振频率与转速相同的现有装置，用户有两种 选择：或者最大限度地减少激振力，或者改变共振频率使其不接近转速。后者可以通过 改变系统刚度和增加系统质量来实现。处理共振问题时，最好改变共振频率，否则振动 问题可能再次发生。 请注意，尽管转速下的共振一般由不平衡引起，它也常常由不对中或机械和电气故 障而引起。转速下谐波下的共振频率也易造成故障。它们也可能由于不对中或机械和电 气故障而诱发。但是，与相同频率下的问题相比这些共振造成的问题并不常见。
旋转机械振动与 故障诊断研究综述
作 者 姓 名 ： 班 学 级 ： 号 ：
东北大学 2012 年 5 月
机械振动理论基础及其应用
摘要
旋转机械振动与故障诊断研究综述
摘 要
对旋转机械振动标准以及产生的原因进行了综述， 基于旋转机械在各行业的广泛应 用，旋转机械的故障诊断技术也倍受重视。综述了旋转机械故障诊断的模糊诊断法，信 号的处理方法中的小波包分析法，信息熵理论以及振动的防治。
4.2 旋转机械振动模糊诊断 4.2.1 振动模糊诊断基本原理
振动反映了系统状态及变化规律的主要信息， 统计资料表明： 机械设备的故障有 67 % 左右是由于振动引起的，并且能从振动和振动辐射出的噪声反映出来。回转机械的振动 信息尤其明显，且振动诊断具有快速、简便、准确和在线诊断等一系列优点，所以振动 诊断法是旋转机械状态识别和故障诊断的最有效、最常用的方法。 但是，由于机械系统本身的复杂性以及所摄取的振动信号强烈的模糊性，使故障之 间没有清晰的界限， 这时利用传统的振动频谱分析， 对一个故障可能有多个征兆来表现， 一个征兆也可能有多个故障原因的复杂现象，往往难定两者的对应关系进行指导维修。 振动模糊法，将模糊数学与振动诊断相结合，利用模糊综合评判技术，较好地处理了回 转机械故障的不确定性问题。
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1．前言
工业生产离不开回转机械，随着装置规模不断扩大，越来越多的高速回转机械应用 于工业生产，诸如高速离心压缩机、汽轮机发电机组。动态失稳造成的重大恶性事故屡 见不鲜。 急剧上升的振动可在几十秒之内造成机组解体,甚至祸及厂房， 造成巨大的经济 损失和人员伤亡。此外，机械振动可能降低设备机械性能，加速机械零部件的磨损，发 出的噪声损害操作者的健康。但是振动也能合理运用，如工业上常用的振动筛、振动破 碎等都是振动的有效利用。工程技术人员必须认真对待机械振动问题，当机组产生有害 的振动时，及时分析原因，坚持用合理的振动测试标准，采取科学的防治措施。
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3．振动产生的原因
旋转机械振动的产生主要有以下四个方面原因，转子不平衡，共振，转子不对中和 机械故障。下面简单介绍一下这四方面原因：
3.1 转子不平衡
它是最常见的振动原因，简单的有：转子制造不良；安装精度不够；转子叶片上异 物的堆积，如锅炉引风机上粘附烟垢等，还有几种旋转机械振动常见的原因。例如：电 动机大修后在维修厂以 1 000r· p· m 的速度进行转子低速动平衡。但是，电机转子低速动 平衡正常并非就总能保证电动机全速度运行时也处于许可的振动幅度。 对于双级电机 （3 600r· p· m） 尤其如此，这种电机常常还需要做现场平衡调整。 不平衡造成较大振动的另一个原因是设备底座刚度较差或发生共振。 这种情况是指， 在制造厂中能满足振动规范要求的旋转机械，现场安装后出现了不能允许的振动。如果 地基与旋转机械转动时发生共振，不平衡力就会因共振而增大，此又称之为不平衡力响 应。 键和键槽也是导致不平衡振动的另一个原因。 旋转机械安装人员在把联轴器装到轴 上时，常常会把键切割得与联轴器端部齐平（或旋转机械厂家随机提供） ，这样就剩下 一段键槽空着，从而造成不平衡。 旋转机械在制造厂或维修厂进行动平衡时， 通常对键槽作半填充以防止不平衡效应 发生。可见，正确的联轴器安装方法应该是加装一个阶梯键，使联轴器位置全高度充填. 而联轴器未覆盖部分键槽为半高度充填。 转轴热弯曲是引起转子不平衡的另一种现象。 一般热弯曲引起的不平衡振动随负荷 变化而略有变化，与时间也有一定的关系。但如果设备基础与其转动发生共振，则极有 可能发生剧烈振动。因此，预防的关键，一是转轴的材质必须满足要求；二是旋转机械 机座必须坚实可靠，抗振力强。
4.1 转子不平衡振动的故障特征
当发生不平衡振动时，其故障特征主要表现在如下方面： 1 ）不平衡故障主要引起转子或轴承径向振动，在转子径向测点上得到的频谱图 ,
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转速频率成分具有突出的峰值。 2 ）单纯的不平衡振动，转速频率的高次谐波幅值很低，因此在时域上的波形是一 个正弦波。 3 ）转子振幅对转速变化很敏感，转速下降，振幅将明显下降。 4 ）转子的轴心轨迹基本上为一个圆或椭圆，这意味着置于转轴同一截面上相互垂 直的两个探头，其信号相位差接近 90° 。
4.2.2 旋转机械振动模糊诊断法的实现
隶属函数的确定 回转机械的能量在频谱图中主要集中于倍频和工倍的分数倍频带内， 故可将频谱图 中的各部分能量分布的变化作为衡量机器振动状态的基础， 通过模糊识别技术观察状态 变化的相关性来反映机械故障的特征。为了体现故障的特征，对于小于 0.5 倍频部分选 最大的幅值为 F1 ；0.5 倍频部分的幅值为 F2 ；…… F9 为滚动轴承内圈的固有频率处的幅 值； F10 为外圈的固有频率的幅值； F11 为钢球固有频率的幅值，如表 4.2.2.1 所示。
4．旋转机械振动故障诊断
故障是指机器的功能失效， 即其动态性能劣化， 不符合技术要求。 如机械运行失稳， 产生异常振动和噪声， 工作转速、 输出功率发生变化， 介质的温度、 压力、 流量异常等。 机械发生故障的原因不同导致反映出的信息也不一样， 根据这些特有的信息可以对故障 进行诊断。由于旋转机械的结构及零部件设计加工、安装调试、维护检修等方面的原因 和运行操作方面的失误，使得机械在运行过程中会引起振动，其振动类型可分为径向振 动、轴向振动和扭转振动三类，其中过大的径向振动往往是造成机械损坏的主要原因， 也是状态监测的主要参数和进行故障诊断的主要依据。目前，旋转机械应用振动信号进 行故障诊断的方法不仅简单可行，而且经过不断地实践、研究，积累的经验和技术相对 比较成熟。
关键词：旋转机械；故障诊断；振动；小波包；信息熵
The Summary of Vibration and Fault Diagnosis for Rotating Machinery Abstract The standards of rotating machinery vibration and reasons were reviewed in summary. Based on the rotating machineries are widespread used in many fields, more and more attentions are drawn by fault diagnosis technology for rotating machinery. Summarize the method of fuzzy diagnosis for fault diagnosis of rotating machinery, the method of wavelet packet analysis used in the signal processing, the information entropy theory and the restrictions of vibration. Keywords: Rotating machinery；fault diagnosis；vibration；wavelet packet； information entropy
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承温度升高，以至损坏轴承。 4）支座软弱是描述旋转机械 4 个支脚不在同一平面上的状态术语。旋转机械用螺 栓紧固在这 4 点时， 如果各轴承相互不对中， 必然造成剧烈振动， 甚至会损坏整个设备。 因此， 防止的方法是， 旋转机械安装时， 应该先用适当力矩对称拧紧几个紧固点。 然后， 每次松开一个紧固点， 并用千分表测量该点垂直变形量。 如果垂直变形量大于 0.05mm， 应在此支脚下加垫片，其厚度等于所测的变形量。进行下―个紧固点前，要检查每个点 并再次紧固。重复以上过程，直到松开时每个点垂直变形量小于 0.05mm 为止。 5）旋转机械底座和地基的问题有可能是振动过大的直接原因。如果不消除这类振 动，地脚螺栓可能拉断，地基可能龟裂，转轴不对中，振动将逐渐加大甚至“飞车” 。 因此，旋转机械地脚螺栓必须强度足够，混凝土基础结实无空洞，旋转机械运行中要经 常检査地脚螺栓是否松动、断裂，支脚垫铁是否滑出，发现松动、滑出，必须及时停机 拧紧复位；旋转机械的附属连接设施支承是否牢靠，如，锅炉引风机出口烟道支承是否 脱焊等。
3.4 机械故障
如质量低劣的联轴器、轴承、润滑不良以及支座不坚固，都是产生不同频率和幅值 的激振力的起因。 1）质量低劣的联轴器主要表现在铸造质量差、连接螺孔偏斜、毛刺，橡皮垫圏很 快损坏，使联轴器由螺孔橡皮垫圈软连接变为金属硬连接，产生振动、磨损。 2）对于径向轴承的更换，用户一般是简单地拿掉磨损轴承，换上新轴承，这样很 容易发生轴承 “跑” 外圈而产生振动。 且高负荷将使轴承迅速损坏， 因此， 换新轴承时， 应对轴承接触是否合适作图色检査，如果接触面积很小，则需处理轴承座。 3）轴向波动是造成旋转机械，包括联轴器、轴承在内的另一振动问题的起因。一 般旋转机械的轴向推力必须靠它的止推轴承来约束。但是，如果旋转机械设备的轴向对 中不良，且转子允许与其轴向止点相接触，则可能会产生剧烈的轴向振动，且伴随着轴
2．旋转机械振动标准
旋转机械分类： Ⅰ类：为固定的小机器或固定在整机上的小电机，功率小于 15KW。 Ⅱ类：为没有专用基础的中型机器，功率为 15~75KW。刚性安装在专用基础上功率 小于 300KW 的机器。 Ⅲ类：为刚性或重型基础上的大型旋转机械，如透平发电机组。 Ⅳ类：为轻型结构基础上的大型旋转机械，如透平发电机组。 机械振动评价等级： 好：振动在良好限值以下，认为振动状态良好。 满意：振动在良好限值和报警值之间，认为机组振动状态是可接受的（合格） ，可长 期运行。 不满意：振动在报警限值和停机限值之间，机组可短期运行，但必须加强监测并采 取措施。 不允许：振动超过停机限值，应立即停机。