旋转机械的振动监测与诊断(一)

4）复杂性
进一步研究表明，振动信号性质，特征不仅与故 障有关，而且还与系统的固有特性有关。具体表现为以 下几个方面：
1）同一故障对不同的转子系统，由于系统固有频率 特性不同，其振动的幅值和相位可能相差很大。
2） 同一故障发生在不同的部位，其振动的特征相 同，但因故障激励传递通道的不同（即传递函数不同）， 将会对振动有较大影响。
以临界转速为界，当前人们把转子系 统分为两种：
⑴ 刚性转子系统 ⑵ 柔性转子系统
⑴ 刚性转子系统
刚性转子系统是指工作转速在(一阶)临界 转速以下的转子系统！目前大多数低速(工作 频率<100Hz)机械均属于刚性转子系统。
刚性转子系统一般采用滚动轴承，其故障 激励大多与转速同步(即激振频率等于工作频 率)。因此产生的振动称为同步振动。
例题
图4-3为由于摩擦 引起的自激振动的简 单例子。
k m
v
振幅为：A
滑动摩擦系数： 左 、 右
显然：左 右
图4-3 干摩擦引起的自激振动
Wf左2mg左A
因此振子将产生自激振
Wf右2mg右A
动，振幅将会不断增大，自 激振动的频率为振子的自振
E2m gA (左 右 ) 频率。
⑵ 柔性转子系统
柔性转子系统是指工作转速在(一阶)临界 转速以上的转子系统。一些大型高速(工作频 率>100Hz)旋转机械。
柔性转子系统主要应用于大型高速旋转 机械，因此多采用流体动压滑动轴承。其故 障激起的振动一般属于自激振动。自激振动 是一种在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。其振动频率一般 低于工作频率并与系统的一阶横向自振频率 有关，故自激振动在设备诊断中又称为亚同 步振动。
图4-2表示为一最简单的转子系统。按其在坐标 平面发生的振动形式，转子的振动可分为以下三种：
⑴ 横向振动
振动发生在包括转轴的横向平面内（例如x、 y平面）。
⑵ 轴向振动
振动发生在转轴的轴向方向上（x轴）。 ⑶ 扭转振动
3）同一故障在不同部位布置测点，由于传递通道的 不同，其振动宜会有较大的差别。
这三点表明振动特征不仅取决于故障而且还受到系 统特性的影响，这一特点称为振动识别的复杂性。
根据振动的以上几个特点，从工程控制论
的观点，我们可以把转子系统，转子振动和转 子故障间的关系用一下框图来描述（图4-1）。 其中故障相当于系统地输入和输出来求出。
2） 有效性
当设备发生异常或故障时，振 动将会发生变化，一般表现为振幅 加大。这一特点使从振动信号中获 取诊断信息变为可能，因此称为振 动监测的有效性。
3）可识别性
随着信号分析技术的发展，人们还看到 有不同类型、性质、原因和部位产生的故障 所激发的振动将具有不同的特征。这些特征 可表示为频率成分、幅值大小、相位差别、 波形形状、能量分布状况等。这一特点是人 们从振动信号中识别故障成为可能。因此称 为振动的可识别性。
则可定义：H (s) Y (s) 为系统的传递函数， X (s)
用以描述系统的特性。
由于傅氏变换只是拉氏变换的一种特殊情况
(0时 ， si)。这时 H(s)H(i) 成为系统的
频响函数。由于FFT运算很方便，因此实际上传递
函数 H ( s ) 常用频响函数 H (i ) 来代替。这时系统
4.1 旋转机械的振动及故障概论
4.1.1 转子系统、转子振动和转子故障之间的关系
机械设备的振动的特点：
1）广泛性 2）有效性 3）可识别性 4）复杂性
1） 广泛性
任何机械设备在动态下都会或多 或少地产生一定的振动，人们将这种 在动态下表现出的振动称为振动存在 的广泛性。如：发动机工作时所产生 的周期振动；机床在工作时所产生的 各种随机振动等。
1.概述
机械设备的种类很多，粗的分类也有几十种， 按产品分有几千种。各种机械设备虽都有其本 身个性，故障的模式各有特点，但就其故障诊 断方法原理而言，共性是主要的，方法是一致 的。然而大多数故障是随机的，也必须具体问 题具体分析，也就是说学习工况监测与故障诊 断的方法首先必须掌握诊断方法的基本原理。
第四章 旋转机械的振动监测与诊断
目录
4.1 旋转机械的振动及故障概论 4.2 旋转机械故障的诊断信息的表达和分析 4.3 旋转机械故障的简易诊断与方法 4.4 旋转机械故障的精密诊断及典型故障分析 4.5 滚动轴承的振动诊断方法 4.6 齿轮和齿轮箱的监测与诊断方法 4.7 其他分析方法简介
故障（输入）
转子系统 （传递函数）
振动信号 （输出）
图 4-1 转子系统，转子故障和转子故障间的关系
设系统为定常线性系统，其输入为x(t)，输
出为y(t)。它们的拉氏变换分别为：X(s)和Y(s)，
即：
X(s) x(t)estdt 0
(4-1)
Y(s) y(t)estdt 0
其中 si为复变量。
特性可以表示为：
H(i) Y(i) X (i)
（4-3）
由此可得： Y(i)H (i)X(i) （4-4）
上式为图4-1的具体数学表达式。它表明设备的 振动的振动现象是由故障激励和系统特性所共同决 定的。
4.1.2 转子系统，转子振动和转子故障的分类
转子系统是一种多自由度振动系统，它 具有多个自振频率。当转子的转速达到横向 振动的一阶自振频率时，将会发生一阶共振。 此时的转速称为（一阶）临界转速。接近临 界转速时将会发生强烈的振动现象即共振。 越过临界转速后，运行在两个临界转速之间 时，机械会运行的更平稳些，特别是对于细 长轴的转子效果更好。
旋转机械式各种类型机械设备中数量应用最 广泛的一类机械，如电动机、离心式风机、 水泵以及各种加工机床等，特别是一些大型 旋转机械，如离心式压缩机、汽轮机、球磨 机、大型转机等在石化、电力、冶金等支持 国家经济命脉的一些工业部门是属于关键设 备。因此，对旋转机械的监测和诊断是很必 要的。它愈来愈受到普遍的重视，例如大型 汽轮发电机组合、大型离心式压缩机组的监 测和诊断技术已被列为“八五”国家科技攻 关项目。