设备震动故障诊断分析

表4
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1×
转子部件缺损的振动特征
3 4
径向
2
5
突变后 稳定
6
椭圆
7
正进动
8
突变后 稳定
特征频率 常伴频率 振动稳定性 振动方向 相位特征 轴心轨迹 进动方向 矢量区域
突发性增 大后稳定
表5
1
振动随转 速变化
转子部件缺损的敏感参数
旋转机械常见故障产生的原因及其频谱特征
表1
故障来源
旋转机械故障的来源及主要原因
主要原因
1. 设计不当，动态特性不良，运行时发生强迫 振动或自激振动 2. 结构不合理，有应力集中 3. 工作转速接近或落入临界转速区 设计、制造 4. 运行点接近或落入运行非稳定区 5. 零部件加工制造不良，精度不够 6. 零件材质不良，强度不够，有制造缺陷 7. 转子动平衡不符合技术要求
一. 旋转机械故障诊断的特点
旋转机械 —— 指那些功能是由旋转运动完成 的机械。尤其指那些旋转速度较高的机械，如电动机、 离心式压缩机、汽轮发电机、以及离心式鼓风机、离 心式水泵、真空泵等，都属于旋转机械的范围。在对 它们进行诊断时，必须注意它的以下几个特点。
1. 转子特性 转子组件是旋转机械的核心部分，它
通常，轴承是监测振动最理想的部位，因为转子 上的振动载荷直接作用在轴承上，并通过轴承把 机器和基础联接成一个整体，因此轴承部位的振 动信号还反映了基础的状况。所以，在无特殊要 求的情况下，轴承是首选测点。如果条件不允许， 也应使测点尽量靠近轴承，以减小测点和轴承之 间的机械阻抗。此外，设备的地脚、机壳、缸体、 进出口管道、阀门、基础等，也是测振的常设测 点。
低频振动：f < 10 Hz 机械振动
中频振动：f = 10-1000 Hz
高频振动：f > 1000 Hz
振动的一般分类
构成一个确定性振动有3个基本要素，即 振幅d、频率f 和相位φ。 当然，振幅不仅用位移，还可以用速度 和加速度。要特别说明一个与振动有关的量 就是速度有效值 ，也常被称为速度均方根值。 这是一个经常用到的振动测量参数。目前许 多振动标准都是采用振动速度作为判别参数， 因为它最能够反映振动的烈度。
是由转轴及固装在其上的各类圆形盘状零部 件所组成。旋转机械的故障诊断主要是监测 诊断转子的运行状态。从转子动力学的角度 说，转子系统分为刚性转子和柔性转子。
刚性转子 —— 转子的转速低于其本 身第一阶临界转速的转子。 柔性转子 —— 转子的转速高于其本 身第一阶临界转速的转子。
2. 旋转机械振动的频率特征 旋转机械的振动信号大多数是一些周 期信号、准周期信号或平稳随机信号，旋 转机械振动故障的特征有一个共同点，就 是其故障特征频率都与转子的转速有关， 等于转子的回转频率（简称转频，又称工 频）及其倍频或分频。 分析振动信号的频率与转频的关系是诊 断旋转机械故障的金钥匙。
幅值反映振动的强度，振幅的平方常 与物质振动的能量成正比，振动诊断标准都 是用振幅来表示的。 同样的振幅其频率越高，对机组损坏程 度越大，因此不同转速的机组定义的振动标 准值不同。 当频率和频率一定时，相位的大幅偏移 就是故障（异常）的征兆。
现场测试诊断的实施步骤
诊断步骤概括为准备工作、诊断实施和决策验 证等3个环节，具体分为6个步骤来介绍。 一. 了解被诊断的对象 了解被诊断的对象是开展现场诊断的第一步。概括起 来，对一台被列为诊断对象的设备要着重掌握4个方 面的内容： ⒈设备的结构组成 1）搞清楚设备的基本组成部分及其联接关系。一 台完整的设备一般由三大部分组成，即：原动机（也 叫做辅机，大多数采用电动机，也有用内燃机、汽轮 机、水轮机）、工作机（也叫做主机）和传动系统。 要分别查明它们的型号、规格、性能参数及联接的形 式，画出结构简图。
状态，然后对存在异常的设备做进一步的分析，指出故 障的原因，部位和程度。
五. 做出诊断决策
通过测量分析、状态识别等几个程序，搞清 楚了设备的实际状态，也就为处理决策创造了 良好的条件。这时应当提出处理意见：或是继 续运行，或是停机修理。对需要修理的设备， 应当指出修理的具体内容，如待处理的故障部 位、所需要更换的零部件等。
三. 进行振动测量与信号分析 1. 测量系统
目前，有两种基本的简易振动诊断系统可用于现 场，它们分别代表了 简易诊断发展的不同的发展阶段。 一种是模拟式测振仪所构成的测量系统，一种是以数据 采集器为代表的数字式测振仪所构成的测量系统。 2. 振动测量信号分析
确定了诊断方案以后，根据诊断目的对设备进行 各项相关参数测量。一般来讲，如果现场条件允许，每 个测点都是测量三个方向的振动值。即水平、垂直和轴 向。而且要定点、定时地进行测量，以有利于进行比较。
3） 广泛搜集诊断知识，掌握一些常用设备的故障特征 频率和相应的振幅大小。
3. 确定测量参数 经验表明，根据诊断对象振动信号的频率 特征来选择参数。通常的振动测量参数有加速 度、速度和位移。一般按下列原则选用： 低频振动（<10Hz） 采用位移； 中频振动（10-1000Hz）采用速度；
高频振动（>1000Hz） 采用位移。
对大多数机器来说，最佳诊断参数是速 度，因为它是反映振动强度的理想参数， 国际上许多振动标准都采用速度有效值 作为判断参数，而国内一些行业大多采 用位移作为诊断参数。所以在选择测量 参数时，还须与所采用的判断标准使用 的参数相一致，否则判断状态时将无据 可依。
4. 选择诊断仪器 测振仪器的选择除了重视质量和可靠性外，最主要 的还要考虑两条： 1）仪器的频率范围要足够的宽，要求能记录下信 号内所有重要的频率成分，一般来说要在10-10000Hz 或更宽一些。对于预示故障来说，高频成分是一个重要 信息，机械早期故障首先在高频中出现，待到低频段出 现异常时，故障已经发生了。所以仪器的频率范围要能 覆盖高频低频各个频段。 2）要考虑仪器的动态范围。要求测量仪器在一定 的频率范围内能对所有可能出现的振动数值，从最高到 最低均能保证一定的显示精度。这种能够保证一定精度 的数值范围称为仪器的动态范围。对多数机械来说，其 振动水平通常是随频率变化的。
Ⅰ－原动机（电动机） Ⅱ－传动系统 Ⅲ－工作机（引风机） ①、②－电动机滚动轴承
③、④－引风机滚动轴承
2） 必须查明各主要零部件（特别是运动零
件）的型号、规格、结构参数及数量等，并
在结构图上表明或另予说明。这些零件包括： 轴承型式、滚动轴承型号、齿轮的齿数，叶 轮的叶片数、带轮直径、联轴器型式等。
有些设备的振动特征有明显的方向性，不同方 向的振动信号也往往包含着不同的故障信息。即水平 方向（H）、垂直方向（V）和轴线方向（A）。 垂直
轴向
水平
一般来说水平振动幅 值大于垂直方向幅值， 当轴承盖松动时就会 出现垂直方向幅值大 的现象，并伴随着高 次频率成份。
2. 预估频率和振幅 振动测量前，对所测振动信号的频率范围和幅值要做基 本的预估，防止漏检某些可能存在的故障信号而造成误 判或漏诊。通常可采取以下几种方法： 1）根据经验，估计各类常见多发故障的振动特征频率 和振幅。 2）根据结构特点、性能参数和工作原理计算出某些可 能发生的故障特征频率。
安装、维修
4. 5. 6. 1. 2.
运行操作
3. 4.
5.
故障来源
1. 2. 3. 4. 5.
主要原因
长期运行，转子挠度增大 旋转体局部损坏、脱落或产生裂纹 零、部件磨损、点蚀或腐蚀等 配合面受力劣化，产生过盈不足或松动等， 破坏了配合性质和精度 机器基础沉降不均匀，机器壳体变形
机器恶劣
表2
1
获取旋转机械故障信号的主要途径：
1） 振动频率分析 旋转机械的每一种故障都各自的特征频率，在现场对其振 动信号做频率分析是诊断旋转机械故障最有效的方法。 2）分析振幅的方向特征 在有些情况下，旋转机械不同的故障类型在振动表现上有 比较明显的方向特征。所以只要条件允许，对其测点进行振动测 量时，都应该测量3个方向，因为不同的方向表现出不同的故障 特征。 3） 分析振幅随转速变化的关系 旋转机械有相当一部分故障的振动幅值与转速变化有密切 的关系，所以现场测量时，在必要的时候，要尽量创造条件，在 改变转速的过程中测量机器的振幅值。
3. 数据记录整理 测量数据一定要作详细记录。记录数据 要有专用的表格，做到规范化，完整而不遗 漏。最好将数据分类整理，每个测点按方向 整理，用图形或表格表示，这样做有利于抓 住特征，也便于发现一些问题。
四. 实施状态判断 根据测量数据和信号分析所得到的特征信息，对设 备的运行状态做出判断。首先，判断机器是否处于正常
设备震动技术基 础 知 识
什么是震动
振动是物体运动的一种形式，通常是指物体 经过其平衡位置而往复变化的过程。 振动有时对人类是有害的，但有时人们可以利 用振动来为我们服务。 只要是运转的机器，都或多或少地发生振动， 因此，振动诊断在各种诊断方法中所占的比例最 大，一般可达60%-70%。
按振动频率分类
2. 机器的工作原理及运行特性 主要了解以下内容： 1）各主要零部件的运动方式：旋转运动还 是往复运动；
2）机器的运动特性：平稳运动还是冲击性 运动；
3）转子运行速度：低速(< 10 Hz)、中速 (10-1000 Hz)还是高速(>1000 Hz)，匀速 还是变速等等。
3. 机器的工作条件
1）载荷性质：均载还是冲击载荷； 2）工作介质：有无尘埃、颗粒性杂质或 腐蚀性气体（液体）； 3）周围环境：有无严重的干扰（或污染） 源存在，如振源，粉尘、热源等。
1×
转子质量偏心的振动特征
3
稳定
2
4
径向
5
稳定
6
椭圆
7
正进动
8
不变
特征频率 常伴频率 振动稳定性 振动方向 相位特征 轴心轨迹 进动方向 矢量区域
表3
1
振动随转 速变化
转子质量偏心的敏感参数
3
振动随油温 变化
2
振动随负 荷变化
4
振动随流 量变化
5
振动随压力 变化
6
其它识别方法
明显
不明显
不变
不变
不变
低速时振幅 趋于零
1）对振动反映敏感
所选测点在可能时要尽量靠近振源，避开或减少 信号在传播通道上的界面、空腔或隔离物(如密封填料 等)最好让信号成直线传播。这样可以减少信号在传播 途的能量损失。 2）适合于诊断目的 3）符合安全操作要求 因为测量时，设备在运行，因此需要注意安全问 题。
4）适合于安置传感器
有足够的空间，有良好的接触，测点部位有足够 的刚度等。
4.设备基础型式及状况
搞清楚是刚性基础还是弹性基础等等。 5.主要资料档案资料 设备原始档案资料、设备检修资料、设 备故障记录档案等。
二. 确定诊断方案 在此基础上，接下来就要确定具体的诊断方案。 诊断方案应包括以下几方面的内容。 1. 选择测点 测点就是机器上被测量的部位，它是获取诊断信 息的窗口。诊断方案正确与否关系到能否所需要的真 实完整的设备状态信息，只有在对诊断对象充分了解 的基础上才能根据诊断目的恰当地选择测点，具体要 求如下：
5. 选择与安装传感器
用于测量振动的传感器有三种类型，一般都 是根据所测量的参数类型来选用：测量位移采用 涡流式位移传感器，测量速度采用电动式速度传 感器，测量加速度采用压电式加速度传感器。在 现场主要是使用压电式加速度传感器测量轴承的 绝对振动。
6. 做好其它相关事项的准备
测量前的准备工作一定要仔细。为了防止测量失误， 最好在正式测量前做一次模拟测试，以检验仪器是否 正常，准备工作是否充分。比如检查仪器的电量是否 充足，这看似小事，但也决不能疏忽，在现场常常发 生因仪器无电而使诊断工作不得不终止的情况。各种 记录表格也要准备好，真正做到“万事俱备”。
故障来源
1. 2. 3.
主要原因
机器安装不当，零部件错位，预负荷大 轴系对中不良（对轴系热态对中考虑不够） 机器几何参数（如配合间隙、过盈量及相对位置）调 整位置不当 管道压力大，机器在工作状态下改变了动态特性和安 装精度 转子长期放置不当，破坏了动平衡精度 安装或维修工程破坏了机器原有的配合性质和精度 机器在非设计状态下运行（如超转速、超负荷或低负 荷运行），改变了机器工作特性 润滑或冷却不良 旋转体局部损坏或结垢 工艺参数（如介质的温度、压力、流量、负荷等）不 当，机器运行失稳 启动、停机或升降速过程操作不当，暖机不够，热膨 胀不均匀或在临界区停留时间长