设备故障诊断整理 -上海海事大学

一含义:应用现代测试分析手段和诊断理论方法，对运行中的机械设备出现故障的机理、原因、部位和故障程度进行识别和诊断，并且根据诊断结论，确定设备的维修方案和防范措施...特性:多样性、层次性、多因素和相关性、延时性、不确定性.主要的维修方式：事后维修、定期维修、状态监测维修.内容：信号采集和状态监测,故障诊断,诊断决策。

故障类型：一、结构损伤性故障：裂纹、磨损、磨蚀、变形、断裂、剥落和烧伤。

二、运动状态劣化性故障：1-机械位置不良2-刚性不足3-摩擦4-流体激振5-非线性的谐波共振。

常用的监测与诊断技术：振动（应用最为普遍）、声信号、温度、润滑油、其它无损检测技术：无损探伤等设备故障状态的识别方法：信息比较诊断法、参数变化诊断法、模拟试验诊断法、函数诊断法、故障树分析诊断法、模糊诊断法、神经网络诊断法。

二定义：信号是表征客观事物状态或行为的信息的载体分类：（一）确定信号：周期信号（一般周期信号和谐波信号）和非周期信号，非确定信号：平稳随机信号（各态历经信号和非各态历经信号）和非平稳随机信号；连续信号和离散信号：时间离散而幅值连续时，称为采样信号；时间离散而幅值量化时，则称为数字信号。

数字信号是离散信号，而离散信号不一定是数字信号。

能量信号与功率信号：能量为有限值的信号称为能量信号，在区间（－∞,∞）内能量不是有限值，而平均功率P为不等于零的有限值，这种信号称为功率信号。

时域有限信号：在有限时间区间（t1，t2）内定义，而在区间外恒等于零。

频域有限信号：指信号经过傅里叶变换，在频域内占据一定带宽（f1，f2），在带宽外等于零。

显然，一个信号不能够在时域和频域上都是有限的。

信号的均值表示集合平均值或数学期望值，它描述了信号的静态量或直流分量，均方值，也称为平均功率，反映确定性信号作用强度的主要时域参数，方差是信号相对于均值波动的动态分量，反映了信号的分散程度。

变化量之间都是确定性的变量，则为函数关系；如果它们都是随机变量，则为一种相关关系。

两个随机变量x和y之间的相关性可用相关系数来描述，自相关函数是t的偶函数t=0时，自相关函数具有最大值，周期信号的自相关函数仍然是同频率的周期信号，但不具有原信号的相位信息，两周期信号的互相关函数仍然是同频率的周期信号，但保留了原信号的相位信息，两个非同频的周期信号互不相关。

幅值谱具有下列性质：1谐波性，各次谐波频率比为有理数。

即周期信号可以用有限或无限多个频率为基频整数倍的谐波信号来表示2离散性，即幅值谱是一条条离散的谱线。

3收敛性，即各次谐波分量随频率增加而衰减；周期矩形脉冲信号，求其复数形式的幅值谱和相位谱。

傅里叶正负变换离散傅里叶变换：1）把连续信号（包括时域、频域）改造为离散数据；2）把计算范围收缩到一个有限区间；3）实现正、逆傅里叶变换。

在此条件下的变换叫做离散傅里叶变换。

快速傅里叶变换简称FFT：为解决离散傅里叶变换运算量过大而提出的改进计算方法。

一般由计算机软件实现。

采样频率：采样时间间隔的倒数：fs≥2fc。

自功率谱密度函数的工程应用包括：动态信号的频率组成和频率结构分析（结构自振频率、振型测定等）故障的判断分析（各类大型设备的故障诊断）材料寿命试验（可反映出各频率振动能量与振幅，为确定载荷谱提供信息）医学上可测量的脑电波、心电图等进行自谱分析，用以研究病症和病理，在军事上的应用例如侦察并判名潜水艇的型号，识别和判别周期信号和随机信号；互功率谱密度函数的工程应用包括：通过互功率谱密度函数、自功率谱密度函数之间的关系，可以测量出系统的频率特性（或传递函数）滞后时间测量。

互功率谱密度函数的相位给出了系统输入和输出信号在频率w 处的相位差。

因此，互功率谱密度函数可以用来确定各频率成分的相位关系和时间滞后，测量滤波器的特性，预测最佳线性。

通过输入信号与输出信号之间的自功率谱密度函数和互功率谱密度函数，可以确定滤波器的特性。

频率分辨率可以理解为在使用DFT时，在频率轴上的所能得到的最小频率间隔，其中N为采样点数，为采样频率，为采样间隔。

所以就是采样前模拟信号的时间长度T，所以信号长度越长，频率分辨率越好。

而且采样点数的多少与要求多大的频率分辨率有关，不是越多越好。

测振传感器：压电式加速度传感器，磁电式速度传感器，电涡流位移传感器。

轴心轨迹定义：轴心运动轨迹一般是指轴心相对于轴承座在其与轴线垂直的平面内的运动轨迹，简称轴心轨迹。

反应：这一轨迹是一平面曲线，比之振幅或幅频曲线，它更加直观地反映了转轴的运动情况轴心轨迹的形状，直接而形象地描述了机械转子的运动状态，是获取诊断信息的有效手段，因此在旋转机械的故障诊断中具有重要作用。

此外，轴心轨迹还可以用来确定转子系统的临界转速、空间振型，图片见77页，有临界转速附近、油膜涡动、油膜振荡，还有轻度、中度、重度不对中和碰磨。

振动监测的基本参数：振动的时间历程，振幅，振动频率，相位。

转子振型，是指转子轴线上各点的振动位移所连成的一条空间曲线，轴颈涡动中心，波特图，极坐标图，三维坐标图（三维瀑布图）。

全息谱方法克服了传统振动分析存在局限，综合考虑了振动信号振幅、频率和相位信息，真实地反映了机组振动状态。

一根直线是由两个相位差为0°或180°的垂直和水平分量合成的，直线的倾角取决于两分量的比值；当两个分量的幅值相等并且相位差为90°或270°时，在二维全息谱上合成一个圆，在其余情况下，二维全息谱将得到偏心率不同的椭圆，椭圆的偏心率和长轴方向也不同程度地表征了该分量的振动情况。

全息瀑布图则是升速或降速时各转速下二维全息谱的叠置。

三转子不平衡故障诊断定义：其质量中心和旋转中心线之间存在一定量的偏心距，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（径向振动）。

特征：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中，转速频率成分具有突出的峰值，在总振值中占有绝对优势。

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）转子的轴心轨迹形状基本上为一个圆或椭圆，这意味着置于同一截面上相互垂直的两个探头，其信号相位差接近90°4）转子的进动方向为同步正进动。

5）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。

6）转子振幅对转速变化很敏感，转速下降，振幅将明显下降，转子运行中的不平衡分转子弯曲和转子平衡状态破坏两种松动。

原因：转子运行中的不平衡分转子弯曲（临时和永久）和转子平衡状态破坏（零件碎裂或飞离，固体杂质沉积，工艺气体和固体杂质对叶轮基体金属的冲蚀，带有各种零件的转子在运转中可能发生松动）3.1定向振动与不平衡振动故障的鉴别:1转子质量不平衡将在转子径向方向上形成一个旋转离心力，轴心轨迹形状接近于一个圆或椭圆，不平衡离心力将在轴承的水平和垂直方向上产生接近90°的相位差。

2机体变形、皮带轮或齿轮偏心、机座松动、结构共振等故障，虽然轴承或机体上的振动频率也像不平衡振动那样，表现以转速频率为主，然而在振动方向上并不是按照旋转力的方向变化，而是在某一个方向上出现同相位或接近180°反相位的振动，这种称为“定向振动”。

在轴心轨迹上是一条倾斜的直接或接近一条直线形状。

3.2转子不对中故障的特征1)改变了轴承中的油膜压力。

2)轴承的振动幅值随转子负荷的增大而增高。

3)平行不对中主要引起径向振动，角度不对中主要引起轴向振动。

4)不对中使刚性联轴节两侧的转子振动产生相位差。

5)对于刚性联轴节，平行不对中易激起二倍频的振动，同时也存在工频（转速频率）和多倍频的振动成分；角度不对中易激起工频轴向振动，同时也存在多倍频振动。

对于挠性联轴节，按其结构型式、安装和负荷不同，所表现的振动频率是不同的。

6)大型涡轮机械上多跨转子的不对中，一般伴随有其它故障因素。

7)转子之间的不对中，在不对中方向上产生了一个预加载荷，轴颈运动的轴心轨迹形状为椭圆形。

随着预加载荷的增大，轨迹形状将变为香蕉形、“8”字形或外圈中产生一个内圈等形状。

不对中故障的监测方法（1）打表法（2）激光对中法（3）联轴节表面状态检测法（4）振动诊断法（5）Dodd棒测量法（6）电涡流绝对值测量法（7）轴承油膜压力测量法。

3.3滑动轴承按其工作原理分类，可分为静压轴承与动压轴承两类。

（两者区别）。

在间隙内积聚的油层就是油膜，油膜压力把转子轴颈抬起。

当油膜压力与外载荷相平衡时，轴颈就在轴承内不发生接触的情况下稳定地旋转，旋转时的轴心位置由于收敛形油楔作用，略向一侧偏移，这便是流体动压轴承的工作原理。

3.3.2滑动轴承常见故障的原因：1)巴氏合金松脱2)轴承异常磨损、刮伤、拉毛3)轴承疲劳4)轴承腐蚀5)轴承气蚀6)轴承壳体配合松动7)轴承间隙不适当8)轴承温度过高。

Fu与轴颈位移方向相垂直，它有推动轴颈围绕平衡中心继续旋绕的趋势，这种旋绕运动就称为“涡动”，F u称为涡动力（或称切向力）。

如果涡动力等于或小于油膜阻尼力，则轴心轨迹不扩大，成为一个稳定的封闭图形，这种涡动是稳定的。

如果涡动力超过阻尼力，则轴心轨迹继续扩大，这种涡动是不稳定的。

处于失稳状态下的转子，在瞬时内将出现强烈的振动。

如果转子轴颈主要是由油膜力的激励作用引起涡动，则轴颈的涡动角速度近似为转速的二分之一，所以称为“半速涡动”。

油膜振荡的机理及其故障诊断：(1).油膜振荡是一种自激振动，维持振动的能量是由轴本身在旋转中产生，它不受外部激励力的影响。

(2).对于高速轻载转子，发生油膜振荡的转速总是高于转子系统的一阶临界转速二倍以上。

对于稳定性较差的转子轴承系统，一般在发生油膜振荡转速之前的较低转速下就已出现了半速涡动频率。

(3).油膜振荡是一种非线性的油膜共振，激烈的振动会激发起油膜振荡频率和转速频率的多倍频成分以及这两个主振频率的和差组合频率成分。

4).发生油膜振荡时，轴心轨迹形状紊乱、发散，很多不规则的轨迹线叠加成花瓣形状。

5).发生油膜振荡时，由于转子发生激烈的自激振动，引起轴承油膜破裂，因而会同时发生轴颈和轴瓦的碰撞摩擦，时而发生巨大的吼叫声。

6).当转子转速一旦进入油膜共振区，升高转速，振荡频率不变，振幅并不下降。

油膜不稳定的防治措施1)避开油膜共振区域，设计时就要避免转子工作转速在一阶临界转速的两倍附近运转；2)增加轴承比压，增加比压值等于增大轴颈的偏心率，提高油膜的稳定性；①用车削方法缩短轴承宽度；②在轴承下瓦开环向槽或沟槽，减小瓦块接触面积，改善油楔内的油压分布；③减小下瓦接触角，在下瓦开泄油槽，可增加轴颈的偏心率；④减小上瓦油槽宽度或在上瓦设置油坝，用以提高上瓦油压；⑤改变油楔形式，例如对圆柱轴承，可降低顶隙，适当增加侧隙，变为椭圆形轴承，提高轴颈在轴承中的稳定性。