振动基础与故障分析

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◆ 频 率 单位时间内振动循环的次数，即周期的倒数，单位：Hz。 我们常说X倍频，如1X为一倍频，表示与转子转速频率相等的 频率。 一般来讲，在振幅相同的情况下，频率越高或者结构越复 杂，对机械设备的损坏越显著。 在传统的时域(如：时间波形)和频域(如：幅值谱)分析基础 上，产生了现代信号处理方法，可以对信号进行时频域分析， 如： Wigner分布、小波变换等，多用于对非平稳信号进行分 析。
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◆ 电涡流位移传感器 工作原理及组成： 电涡流传感器利用导体的“涡流效应”，通过探头与轴表 面的间隙变化来接收振动量的变化。由探头、延伸电缆和前置 器三部分组成。部件更换时，延伸电缆和前置器必须与原系统 中的规格指标一致。 使用范围： 径向振动和轴心轨迹测量、转速测量、 相位测量、转子现 场动平衡、轴向位置和轴向振动量测量、滑动轴承油膜厚度的 测量。
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1.4 传 感 器 的 选 用：
测量振动量时，通常所使用的传感器有三种，即：位移、速度、 加速度传感器；其中，位移传感器对安装条件要求较高，多用于 在线监测，而速度、加速度传感器由于使用方便、灵活，多用于 点、巡检配套使用。另外，常用的还有光电传感器(测速或相位) 以及红外温度传感器(测设备表面温度)等。
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1.2 如 何 描 述 振 动？
振动三要素：幅值、频率、相位 ◆ 幅 值 距离平衡位置的最大响应值。根据测量方式不同，可 分为：位移(P—P值，μm) 、速度(RMS，mm/s)和加速度 (P 值，g)三种幅值。 三者之间从数学角度上来看，加速度两次积分得到位 移，一次积分得到速度，但是，三者之间所表达的物理意 义是有一定区别的。
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2011
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主要内容 一、旋转机械振动测试 二、常见故障分析
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一. 旋 转 机 械 振 动 测 试
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电涡流传感器的优缺点：
◆ 优点：灵敏度高，频响范围宽，可测直流量；

直接测量转子相对振动； 应用范围广(特别对于滑动轴承)； 易于获得信噪比高的信号；
◆ 缺点：对被测表面状态要求较高；安装要求高 。
安装时应注意： ◆ 传感器探头附近除了被测物体表面外，不能有其它导体 与之靠近； ◆ 应考虑到被测转子的材料特性以及温度等参数在工作过 程中对测量的影响。
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★ 振动测量中容易出现的问题：
1. 传感器使用不当； 传感器的频率响应范围应满足实际信号的测量要求。如用频响上 限为5KHz的传感器去测量啮合频率为7KHz的齿轮箱振动信号。 2. 过分相信信号的正确性； 一般，随机干扰容易识别，但某些固定干扰较难识别，但这类干 扰对正确识别故障特征影响很大。譬如：转子被测轴颈表面的缺陷对 电涡流传感器得到的信号就有着固定干扰。 3. 对不同位置的测量值或者同一测点不同工况下的测量值进行对比。 有资料说，在360°范围内，测量数值差别最大可达6倍。
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◆
采样定理
采样的基本问题是如何确定合理的采样间隔△t以及采样长度 T，以保证采样所得的数字信号能真实地代表原来的连续信号 x(t)。 当采样长度一定时，采样频率fs越高，数据量N越大，所需 的存储量和计算量就越大；反之，当采样频率降低到一定程度， 就会丢失或歪曲原来信号的信息。 Shannon采样定理规定了带限信号不丢失信息的最低采样频 率为： fs≥2fm或者ωs≥2ωm
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利用速度、加速度传感器对壳体进行振动测量时，多选取在轴 承座上测量，若轴承座是外露的，测点应直接选在轴承座上； 若 轴承座是非外露的，测点应选在靠近轴承座且刚性较好的部位或者 直接选择在基础上。
需要注意的是， 一旦测点确定，应该做好标记，以后测量时，都 应该在标记处进行测量。另外需要说明的是，不同测点得到的振动 量一般不能进行对比分析，更不能成为诊断的主要依据。
其中，fm为信号的最高频率成分的频率
若不满足此采样定理，将产生频率混淆现象。
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★ 机械振动检测时应注意的几点： ◆ 根据振动可能的频率范围选择合适的测振传感器； 如：滚动轴承、齿轮故障特征频率比转子故障特征频率要高，应根 据可能的最高频率进行选取。 ◆ 合理设置采样频率和采样长度，保证合理的分辨率； 如：转子相关振动，多采用32点/转×32转=1024点的采集模式； ◆ 基于不同的机器、部件组成以及振动特点，选择合理的分析工具； ◆ 重视趋势，重视变化率； ◆ 与其它参数共同分析机器设备的状态；
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1.3 测 试 对 象 和 部 位 的 选 取
故障类型不同，在各个方向上所产生的响应也是不同的；因此，在 条件允许的情况下，要对被测对象进行三个方向上的测量。
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1.1 为 什 么 要 进 行 振 动 检 测？
振动的产生： 振动是力通过刚度产生的。在刚度相同的前提下，如果 受 力较大，则激励起的振动幅值就较大；反之，较小。因而，对 机械设备损坏影响最大的并不是振动，而是产生振动的原因── 力，即力是导致机械故障的根源。 机械振动： 多数情况下，机械振动对设备的正常运行是有害的.由于 力的测量在高速旋转机械中不容易做到，所以才把振动这一二 次信息作为评价机械运行状态的参数。
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◆
机械振动标准举例 ISO2372该标准颁布于1974年，主要适用于：转速为 600~12000r/m，振动频率为10~1000Hz，机器振动烈度的等级评 定。 它将机器分成四类 ： Ⅰ类：小机器或固定在整机上的小电机，功率小于15KW； Ⅱ类：没有专用基础的中型机器，功率在15~75KW，或者刚性 安装在专用基础上且功率小于300KW的机器； Ⅲ类：刚性或重型基础上的大型旋转机械； Ⅳ类：轻型基础上的大型旋转机械。 一般情况下，各类机器都有A，B，C，D四个品质级。在品质级相 同，机器类型不同的情况下，所对应的振动烈度可能存在较大的差异。 具体如下所示：
正确的信号采集方法是保证正确分析和正确诊断的关键环 节。振动信号采集与机组运行工况密切相关，采集时应注意以 下几点：
◆ 振动信号采集模式取决于机组当时的工作状态，如稳态、
瞬态等；
◆ 变转速运行设备的振动信号采集在有条件时应采取同步整
周期采集；
◆ 所有工作状态下的采集均应符合采样定理。
影响振动信号采集精度的因素主要有：采集方式(同步整 周期采集)、采样频率(受制于信号最高频率)、量化精度(A/D转 换的位数)。
1.1 为 什 么 要 进 行 振 动 检 测 1.2 如 何 描 述 振 动 1.3 测 试 对 象 和 部 位 的 选 取 1.4 传 感 器 的 选 用 1.5 信 号 采 集 方 式 的 选 取 1.6 通 用 振 动 标 准 简 介
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技术交流专用 ◆ 常用传感器安装方式及频响范围(参考)：
传感器类型 位移传感器 速度传感器 加速度传感器
单位 μm mm/s mm/s^2 或g
频响范围 0-10KHz 4.5-1000Hz 0.2Hz-1KHz 1KHz-2KHz 2KHz-10KHz
③齿轮箱： 齿轮的啮合频率（Fm）=齿数（Z）×轴的旋转频率（X） 采样频率(Fs)=7Fm,分析频率=3.5Fm 优先考虑用加速度传感器或位移，采样参数设置 2048 128或4096 256
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1.5 信 号 采 集 方 式 的 选 取
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◆ 相 位
相位表示在给定时刻振动部件相对于某一固定参考点或者 其它振动部件的位置；即相位是一个相对量值。 相位计量的准确性与算法有关，当采用触发信号的下降沿 或者上升沿作为参考点时，是存在一定差异的，但这个差异 在工程应用中是允许的。 衡量振动必须完整说明其幅值、频率和相位；另外，还要 考虑到振动的方向性；单纯的振动幅值并不能完全描述振动 对设备的影响程度，还要考虑到频率结构、振动能量等。
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★测量方式的选择
对于旋转机械来说，主要的测量方式有： ◆ 绝对量的测量（轴承座振动） ◆ 相对轴振动测量（转子相对轴承的振动） ◆ 轴向位移测量（电涡流传感器测量转子轴向窜动） ◆ 偏心测量 ◆ 转速测量 ◆ 相位测量 ◆ 相对/绝对热膨胀测量 在实际测量中，可以根据不同的测量需要，选择相应的传感器。
安装方式 打孔 壳体磁座吸附式 不建议 磁座吸附 双头螺栓
注：最 高 分 析 频 率 不 能 超 过 所 使 用 传 感 器 的 频 率 响 应 范 围。
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参数设置对应表（参考）： ① 滑动轴承： 6000 Rpm以下：1024 32 速度传感器或位移 6K—12K Rpm ：1024 32 加速度传感器或位移 ② 滚动轴承：1.2K 1.2K-2K 2K-12K Rpm以下： 2048 128 速度传感器或位移 Rpm ： 2048 128 加速度吸附或位移 Rpm : 2048 128 加速度固定或位移
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◆ 速度传感器
工作原理与组成： 速度传感器利用电磁感应原理，产生与相对运行速度成正比的 电动势，从而测得振动速度值。频率范围一般为4.5Hz—1KHz。 应用范围： 通用设备的振动烈度检测以及巡检仪器的配套使用。 优缺点： ◆ 优点：无需电源，简单方便；高灵敏度，可测量微小振动； 直接与国家/国际标准相对应；信号输出大，电气性能稳定性好， 不易受外界噪声干扰。 ◆ 缺点：动态范围有限；尺寸和重量较大；低端产品弹簧件易 失效，寿命较短。
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1.6 通 用 振 动 标 准 简 介
◆ 报警值和危险值
确定报警值和危险值的方法： (1) 绝对法：是用于判断实测振动值是否超过绝对量值的方法， 主要依据：国际标准(ISO)、国家标准(GB)、行业标准(API)等。 (2) 相对法：是对一台机组同一部位定期进行振动检测，并按时 间先后进行比较，以机组无故障情况下的振动值为基准，根据实 测振值与该基准振值相互比较进行判别。 报 警 值＝（2～3）×正 常 值 危 险 值＝（4～6）×正 常 值 (3) 类 比 法：类比法是对若干台同一型号的机组，在相同的条件 下，在同一部位进行振动检测，并将振动值相互比较进行判别的 方法。
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◆ 压 电 式 加 速 度 传 感 器：
工作原理及组成： 压电式加速度传感器利用“压电效应”，通过压电晶体产生电荷的 大小来判别基座振动加速度的量值。按受力方式可分为：压缩式和剪 切式。频率范围一般为0.2Hz-10KHz, 灵敏度为100mv/g。 应用范围：滚动轴承振动测量、齿轮振动检测、普通测振仪配套使用。 优缺点： ◆ 优点：体积小、重量轻；可选择范围宽；动态范围大；安装方式 灵活。 ◆ 缺点：低频响应差，频响受安装方式影响，易受干扰。