旋转机械振动分析案例

本例的特点在于，齿轮故障的频率特征很明显， 随着故障的排除，故障特征频率发生了很大的变化， 有的消失，有的减弱。这再一次证明利用频率分析 诊断齿轮故障是很有成效的。本例的另一个特点是 将故障处理前后的振动值及其频率特征作对比分析，
这是故障诊断中应当坚持的基本原则，值得借鉴。
●振动故障识别方法
－主频识别法 实例1 某钢铁厂化铁炉除尘风机，型号D28，电动机功 率800Kw，转速750 rpm ，结构简图如下。
式中：
n径-滚、动α-体接数触、角f、r-内ffi0、外f环o12几相f分r (对1别转为Dd速内co频外s率环) 、转d速-滚频动率体，直二径者、方D向-节一圆致直
取正号，方向相反则取负f号b 。
fb
1 2
D d
fr
[1
(
d D
)2
cos2 ]
实例
一台单级并流式鼓风机，由30KW电动机减速后拖 动，电动机转速1480r/min,风机转速900r/min。两 个叶轮叶片均为60片，同样大小的两个叶轮分别装在两 根轴上，中间用联轴器链接，每轴由两个滚动轴承支承， 风机结构如图所示。
所示。
从时域波形图上可以看出，高速轴（测点（1））振动 波形属常规振动（见图4－58a），低速轴（测点（2）） 的时域波形有明显的冲击信号（见图4－58b），其脉冲间 隔 为 1176ms ， 相 当 频 率 值 0.85Hz （ 1000÷1176 ＝ 0.85Hz）, 即为低速轴转频。
为了进一步查明原因，把电动机转速调至500r/min， 对测点（2）垂直方向作频谱分析，其频谱图如图。其实， 213Hz频率依然存在，它不随转速而变化。此时，该频率
轴承的特征频率计算： 鼓风机转速频率： ＝fr n/60=900/60=15(Hz)； 轴承内圈通过频率：88Hz 轴承外圈通过频率：61Hz
滚动体通过频率：40.6Hz
测点③的时域波形和高低两个频段的频谱。
高频
低频
波形
在图a所显示的高频段加速度的频谱图上，出现
1kHz以上的频率成分1350Hz和2450Hz，形成小段高频峰
机组1992年8月中修后运行了一段时间振动逐渐增 大，到1993年1月，测点①水平方向同振动值达到 15.15mm/s。当时在现场作了频谱分析，谱图如图所示。
波形出现“削顶” 丰富的高次谐波
滚动轴承故障的振动诊断及实例
1. 滚动轴承信号的频率结构 滚动轴承主要振动频率有：
（1）通过频率 当滚动轴承元件出现局部损
伤时（如图中轴承的内外圈或 滚动体出现疲劳剥落坑），机 器在运行中就会产生相应的振 动频率，称为故障特征频率， 又叫轴承通过频率。
各元件的通过频率分别计算 如下：
测点A水平方向振动信号的频谱结构图
机械松动
地脚松动引起振动的方向特征及频率结构
实例 某发电厂1＃发电机组，结构如图。
1-汽轮机 2-减速机 3-发电机 4-励磁机 ①－后轴承 ②－前轴承
汽轮机前后轴承振动值
①
②
um P－P
um P－P
H
85
30
V
15
6
A
28
28
振动信号所包含的主要频率成分都是奇数倍转频，尤以3倍 频最突出。另外，观察其振动波形振幅变化很不规则，含有 高次谐波成分。根据所获得的信息，判断汽轮机后轴承存在 松动。
该机组自1986年1月30日以后，测点③的振 动加速度从0.07g逐渐上升，至6月19日达到 0.68g，几乎达到正常值的10倍。为查明原因， 对测点③的振动信号进行频谱分析。
轴承的几何尺寸如下： 轴承型号：210； 滚动体直径：d＝12.7mm； 轴承节径：D＝70mm； 滚动体个数：z＝10； 压力角：＝00。
频谱图上没有出现啮合频率fm （fm＝0.85×148＝ 125.8Hz），却出现了213Hz这个突出的峰值。然后对 213Hz附近的频段作细化谱分析，谱图如图所示。这时 发现，213Hz的两旁的边频间隔为0.85Hz，恰好是低 速轴转频。
测点②垂直方向频谱 测点②垂直方向细化频谱
与此同时，在该转速下，对测点（1）（2）垂直方 向的振动信号作时域波形分析，其波形图分别如图a、b
③
④
测点 H V A H V A
A 7.0 6.6 21.5 10.7 13.7 21.5
对测点③、④水平方向的振动信号作频谱分析， 频谱结构分别如图a和图b。
检修前
检修后
两测点振动信号的频率结构基本一致，主要频率有 齿轮啮合频率fm（fm＝1485÷60×24＝594Hz）及其2 倍 频 （ 2fm=594×2=1188Hz ） 和 3 倍 频 （3fm=594×3=1782Hz），且2、2次谐波分量幅值较 大，同时啮合频率及其倍频两旁还有较多的边频成分以 及 低 次 谐 波 。 边 频 间 距 为 24.4Hz ， 与 小 齿 轮 的 转 频 24.75Hz基本一致，边频成分分布比较几种，呈分布故 障特征。据此，判断小齿轮存在较为严重的磨损故障。 在揭盖检查时，得到了验证，实际情况与分析结论基本 一致。修理时更换了小齿轮，振动值下降到正常水平。 检修后的频谱图分别如图b。其时啮合频率的谐波分量大 为减弱或消失，边频已不复存在，说明齿轮的运行状况 有所改善。
从测值看，测点（2）、（4）（低速轴轴承） 的振动值均大于高速轴。
电动机转速为150r/min时减速器振动值（单位：mm/s）
测点
① VA
② VA
③ VA
④ VA
Vrms
6.5 7.8 14.4 12.6 9.5 8.3 13.3 11.8
注：V为垂向；A为轴向
电动机转速为150r/min时，对测点（2）垂直方向 （V）作频率分析，其时低速轴转速为51r/min，转频 为0.85Hz，谱图如图4－56所示。
wk.baidu.com
后来停机检查发现，轴承内、外圈都存在很 长的轴向裂纹，与诊断结论一致。经查明，引起 该轴承振动并导致产生裂纹的原因是轴承座刚性 不足以及皮带的拉力不合适造成的。
本例的特色在于从高、低两个频段分析故障 轴承的频率特征，同时又从时域波形得到进一步 印证，这种多方位的分析方法，也可以在其它故 障诊断中加以应用。
实例2
某有色金属加工厂的一台3W－1B1型高压水泵， 通过减速器把电动机与水泵的曲轴连接起来。电动机 转速1485r/min，减速器小齿轮齿数z1为24齿，大齿 轮齿数z2为155齿，其结构简图如图。
该机在检修前进行了振动测量分析，发现减速器小齿 轮轴承测点③、④振动值较大，见表。
机组检修前加速度有效值m/s*s
群，这是轴承元件的固有频率。图b是低频段的频谱， 图中清晰地显示出转速频率（15Hz），外圈通过频率 （61Hz），内圈通过频率（88Hz）及外圈通过频率的2 次、3次谐波（122Hz和183Hz），图c是加速度时域波 形 ， 图上 显示出间 隔为 5.46ms的波峰 ， 其频率亦 为 183Hz（1000÷5.46＝183Hz），即为外圈通过频率的 三次谐波，与频谱图显示的频率相印证（见图4－ 38b），据两个频段分析所得到的频率信息，判断轴承 外圈存在有故障，如滚道剥落、裂纹或其它伤痕。同时 估计内圈也有一些问题。
（26Hz）
V 5.5 3.4 1.0 － 4.5
A 3.7 2.4 1.6 － －
H、V、A分别代表水平、垂直和轴向
测点①水平方向频谱
从频率结构看，测点 ①水平方向的频率结 构非常简单，几乎只 存在风机的转速频率 （26Hz近似于转频）。 对比表中测点①、② 振值，可见测点②的 振值比测点①要小得 多。测点①最靠近风 机叶轮，其振动值最 能反映风机叶轮的振 动状态。据此判断风 机叶轮存在不平衡故 障。
摩擦
高次谐波及其分数倍谐波是摩擦的主 要频谱特征
实例：
某厂一台3W－1B1型高压水泵的电动机， 转速1485r/min，泵轴转速225r/min，水 泵的轴承为滑动轴承，设备运行中发现水泵 轴承的垂直方向（V）振动强烈。其振动信 号的时域波形、频谱如图所示。
水泵轴承垂直方向的振动波形成单边“截 头”状，频谱结构主要是转频及其高次谐波， 都呈典型的摩擦特征。后经检查发现，该轴 承由于润滑油路堵塞而形成干摩擦。如此可 见，频率分析结合波形观察，是诊断摩擦故 障的有效方法。
齿轮机构故障的振动诊断
实例1 某厂一台轧机减
速器，1994年4月大 修，投入运行后振动 很大，对其进行简易 振动诊断。减速器结 构如图。电动机为可 调速电动机，工作转 速500r/min，功率 970kw，小齿轮齿数 50，大轮齿数148。
当电动机转速调至150r/min时，减速器振 动值Vrms见表4－11。
不平衡故障的典型 频谱特征是工频分 量占主导地位
实例2：
某 引 风 机 ， 型 号 Y2805-4 型 ， 转 速 1480r/min，功率75kW，结构简图见图。
①、②－引风机轴承测点 ③～⑤－电机测点
引风机振动速度有效值（mm/s rms）
测点 ①
②
③
④
⑤
方位
H 20.0 4.6 2.5 2.4 －
停机检查时发现汽轮机后轴承的一侧有两颗 地脚螺栓没有上紧，原因在于预留热膨胀间隙过 大。后来按要求旋紧螺母，振幅则从85μm下降 至27μm，其余各点的振动值也有所下降，实现 了平稳运行。
这个实例的振动过程完整，它给我们的启示 在于，判断松动故障，频率特征仍是最重要的信 息。此例中因为轴承一侧的螺栓没有上紧，却表 现出水平振动大的现象，这再一次证明，振动的 方向特征是有条件的，只能作为判断时的参考， 应用时必须小心。
滚动轴承故障的振动诊断及实例
a.外环损坏： b.内环损坏：
f (Hz)fi nfr (1 d cos / D) / 2 f (Hz) nfr (1 d cos / D) / 2
c.滚动体损坏： f (Hz ) fr (D / d ){1 [d (cos ) / D]2}/ 2
d.保持架故障： f (Hfz0 ) { fi [1 d (cos) / D] fo[1 d (cos) / D]} / 2
后来经过了解，该机在大修时，由于没有新齿 轮备件更换，只得用一对使用过的旧齿轮稍加修理 后代用，所以造成这种被动的局面。
本例从振动幅值的变化，分析了故障频率特征， 并对时域波形进行观察，然后通过改变转速测量， 查明了故障原因，最后揭盖检查得到了验证，诊断 过程完整，思路清晰，是一个很典型的现场实例。
的边频谱线的间隔为2.5Hz，等于低速轴转频。
可以推测，213Hz这个不随转速而改变的频率是齿 轮的固有频率。机器运行中，由于齿轮啮合的强烈冲击 （见图4－58b）激发了齿轮以固有频率振动。
根据所获得的信息，可以推断齿轮存在严重故障（ 如轮齿变形等），而且主要振源在大齿轮上。
在检修处理时拆开减速器检查，发现两个齿轮的轮 齿表面的錾锉痕迹很显眼，凹凸不平，这样粗糙的齿面 在轮齿啮合时必然产生严重冲击。另外，大齿轮有5个 轮齿的齿顶边缘因长期挤撞而呈台阶突起，高达5～ 6mm，齿轮在运转时必然出现大齿轮的轮齿顶撞小齿 轮的轮齿根部，齿轮在这种恶劣的状态下运行，激起齿 轮固有频率是理所当然的。强劲的固有频率分量湮没了 齿轮啮合频率的分量，所以在谱图中没有出现啮合频率 分量的谱线。
转子不对中
联轴器不对中 轴承不对中
带轮不对中
平行不对中
角度不对中
实例：
某厂一台离心压缩机，结构如图所示。电动机 转速1500r/min（转频为25Hz）。该机自更换减 速机后振动增大，A点水平方向振动烈度值为 6.36mm/s，位移D=150μm，超出正常水平。
明显的2X特征
重新对中后2X 基本消失
振动分析技术
目录：
1、旋转机械常见故障的案例分析 2、振动故障识别方法
●旋转机械常见故障的案例分析
——转子不平衡 转子不平衡产生的原因及频率特征
不平衡 类型
不平衡 频谱
转子不平衡
实例1：
某公司有一台电动机，额定转速3000r/min， 运行中发现振动异常，测取轴承部位的振动信号作频 谱分析，其谱图如右下图所示。以电动机转频 （50Hz）最为突出，判断电动机转子存在不平衡。 在作动平衡测试时，转子不平衡量达5000g.cm，远 远超过标准允许值150g.com。经动平衡处理后，振 动状态达到正常。 这个实例，故障典型，过程完整。它的价值在于印 证了不平衡故障的一个最重要特征，激振频率等于转 频，又通过动平衡测试处理进一步验证了诊断结论的 正确性。