机械故障诊断讲义

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1、机械设备工况监测和故障诊断讲座文稿机械状态监测和故障诊断方法杨国安1 状态监测和故障诊断系统WME基于web的远程在线工况监测故障诊断系统和MFD302、303便携式状态监测和智能维护系统，是杨国安教授经过多年的探索，结合在故障诊断领域的研究成果，积多年现场经验，汲取同类产品优点，自行设计并开发的在线及便携式旋转机械状态监测和故障自动诊断系统。其组态化设计，特点鲜明，运行平稳。该系统不求功能多而全，只求简捷、可靠，具有针对性。界面直观明了，故障自动诊断，便于操作。基本做到免培训。任何事物均有其发展完善过程，状态监测和故障诊断是一门实践性非常强的学科，它的发展、完善离不开现场工作人员的参与和配合

2、，恳望辛劳工作在现场第一线的操作人员反馈信息、心得体会，以便我们共同进步，在此，我表示诚挚的谢意。2设备维修的发展 大家知道，当前我国对设备的维护仍采用传统的计划、定期维修。而这种方式带有很大盲目性，设备有无故障、故障类型、故障部位、故障程度难以准确把握。另外，由于良好部位的反复拆卸，机械性能往往不理想，甚至低于检修前。而且，没有必要的超前维修，带来人力、物力的巨大浪费。故障诊断仪器的广泛应用，使对机械设备的维护由计划、定期维修走向状态、预知维修变为现实，使机械设备的维护方式发生了根本性革命。状态监测避免了机械设备的突发故障，从而避免了被迫停机而影响生产；机械状态分析为预知机械设备的维修期提供

3、了可靠依据，即可做到测量表明有必要时才进行维修。使我们能够及时准备维修部件，安排维修计划，克服了定期维修带来的不必要的经济损失和设备性能的下降；完善的诊断能力可为我们准确指出故障类型和故障部位，避免了维修的盲目性，使检修简捷易行，大大缩短了维修工期；完善的设备管理软件，又可使企业设备管理自动化。由此可见，状态检测给企业带来的经济效益是十分显著的。设备维修经历了三个阶段：1事后维修事后维修是设备运行到失效再进行维护。其优点是不需要安排计划。对有些设备，更换比修理往往更便宜。缺点是意外停机引起生产损失。灾难性的设备事故。库存备件投资多。引起设备的二次损坏。2定期维修定期维修是按预订的时间间隔或检修

4、周期对设备作维修、调整和更换备件。其优点是机器寿命较长。减少意外停机。备件库存较少。缺点是意外停机引起生产损失。过剩维修导致维修费用增加。过剩维修引起人为维修故障。3预知维修 预知维修是有计划地对设备作检查和测试，以确定其健康状态。其优点是减少非计划停机损失。维修时间间隔可以延长。非必要维修减到最少。备件库存最小。缺点是需要初始投资。需学习和培训。2机械振动简介2.1什么叫振动？ 振动是世界上的物质或物体的一种运动形式。广义来说，振动就是物体（质点）或某种状态随着时间往复变化的现象。2.2振动的分类 工程中有大量的振动问题需要研究、分析和处理，因此有必要简单介绍振动力学中的振动分类方法，以便在

5、振动故障类型、原因、分析和故障排除方面提供考虑的基础。 机械振动的研究和使用方面有多种分类方法，目前，大致有如下几种分类： 1、按振动的规律分 简谐振动。非简谐振动和随机振动。有时又将前两者称为周期振动，后者称为非周期振动； 2、按产生振动的原因分 自由振动、受迫振动、自激振动和参变振动等； 3、按自由度分 单自由度系统振动、多自由度系统振动和弹性振动； 4、按振动位移特征分 角振动和直线振动； 5、按系统结构参数分 线性振动和非线性振动。 在机器的故障诊断中，从应用角度看，应着重掌握按振动规律和产生原因这两种分类。2.3简谐振动 结构振动时，描述它振动情况的物理量是随时间变化的，可以表示为时

6、间t的函数，如，等等。这种描述振动的方法称为时域描述，而函数，称为时间历程。简谐运动是最简单的周期运动，它是时间的单一正弦或余弦函数，它是振动故障诊断中最基本的概念之一。了解它的表示方法，特别是它的物理意义，对于掌握故障诊断技术十分重要。简谐振动的数学表达式是 （1）式中：A-振幅； -角频率（圆频率）。如果振动时系统的物理量随时间的变化为简谐函数，称此振动为简谐振动。单自由度系统无阻尼自由振动时，它的位移等物理量就是简谐函数。简谐运动可视为一个绕原点做等速圆周运动的点在水平轴上的投影。如图1所示，取水平轴为x轴，点P距原点的距离为A，连接OP两点的直线OP由水平位置开始以等角速度绕O点转动，

7、在任一时刻t，点P的x坐标(即OP在x轴上的投影)为 （2）因为函数具有下列特性： （3）因为直线OP绕原点转过弧度为一个周期T，故上式应满足条件： （4）则， （5）为简谐运动的频率。如果振动位移为简谐运动，我们称此振动为简谐振动。如果直线OP不是由水平位置开始转动，其初始位置与水平位置的夹角为则OP在x轴上的投影为图1 简谐振动曲线 （6）式中，称为初角。由式(6)可得到简谐振动的速度和加速度的表达式： （7） （8）可见，简谐振动的速度、加速度与位移一样，都是简谐函数。三者的频率相同，而速度、加速度的相位分别比位移超前和，幅值分别增大和倍。从式(6)和(8)可得： （9）这表明：简谐振动

8、的加速度大小与位移成正比，方向与位移相反。这是简谐振动的一个重要特点。必须指出，简谐振动一定是周期振动，但是，周期振动不一定是简谐振动。3 信号分析及处理基础通常把可测量、记录、处理的物理量泛称为信号，它们一般是时间的函数。所谓动态信号是指要进行分析处理的信号随时间有较大的变化，不是近似直流信号的那种随时间缓慢变化的信号。主要讨论动态信号分析处理中的有关问题，重点介绍以快速傅里叶变换为基础的各种分折技术。3.1信号的分类信号按其随时间变化的规律不同，可分为确定性信号和非确定性信号(随机信号)，还可以进一步细分如图2所示。可以用明确的数学关系式描述的信号称为确定性信号，它可以分为周期信号、非周期

9、信号、准周期信号等。图2信号的分类23.2信号的时域分析所谓时域是指一个或多个信号其取值大小、相互关系等，可定义为很多不同的时间函数或参数这些时间函数或参数的集合称为时域。时域分析指计算这些函数并进行分析。显然对于确定性信号或随机信号存在不同的定义及处理方法。随机信号的定义及处理方法比较复杂，确定性信号的处理则与随机信号中的各态历经过程的处理类似，所以以下叙述中以随机信号的定义及处理方法为主确定性信号的处理可参见各态历经过程的处理。根据时间函数或参数的不同，时域进一步细分还可以分为幅值域、时差域、倒领域、复时域等3。3.2.1 幅值域对样本记录的取值进行统计，称为在幅值域内对信号进行研究，在此

10、幅值是广义的幅值，即样本记录的一切可能取值。在幅值域内几个最重要的基本概念是概率密度函数、概率分布函数、均值、均方值、方差、歪度（斜度）、峭度等。3.2.1.1 均值均值用以描述信号的稳定分量，随机过程的均值定义为 （10）3.2.1.2 均方值、均方根值均方值和均方根值用于描述信号的能量，随机过程的均方值定义为 （11）均方根值定义为均方值的正平方根。均方值又称为二阶矩。 有效值是振动测量中用的最多的物理量，它定义为振动信号的均方根值。用它表征振动量级的优点在于：既考虑了振动的时间历程，同时又表征了机械振动能量的大小。在高频时，虽然振幅很小，但是由于加速度是位移的倍，因此零部件的惯性力破坏常

11、发生在高频，故国际上近年来除了要求测量仪器满足振动标准烈度外，还要求满足lKHz一10KHz乃至更高频率的振动监示和测量，正因为有效值有如此的优越性，国际ISO2372标准中对振动烈度采用有效值来表征振动量级。3.2.1.3 方差、标准差方差和标准差用于描述信号的波动分量，随机过程的方差定义为 （12）标准差是方差的正平方根。方差又称为二阶中心矩。3.2.1.4 歪度（斜度）歪度反映信号中大幅值成分的影响随机过程的歪度定义为 （13）歪度又称为三阶矩。3.2.1.5 峭度峭度反映信号中大幅值成分的影响，随机过程的峭度定义为 （14）3.2.2 时差域对样本记录在不同时刻取值的相关性进行统计，称

12、为在时差域内对信号进行研究。在时差域内几个最重要的基本概念是自相关函数、互相关函数、协方差函数等。3.2.2.1 自相关函数自相关函数是指用以描述信号自身的相似程度。对于某一个随机过程，若和为其任意两个随机变量，其自相关函数定义为 （15）由于周期信号的自相关函数是周期函数，而白噪声信号的自相关函数是函数所以进行自相关函数分析，可以发现淹没在噪声中的周期信号。3.2.2.2 互相关函数互相关函数是指用以描述两个信号之间的相似程度或相关性对于某二个随机过程和，其互相关函数定义为 （16）若互相关函数中出现峰值，则表示这两个信号是相似的，其中一路信号在时间上滞后了峰值所在的时差值。若互相关函数中几

13、乎处处为零，则表示这两个信号互不相关。3.2.2.3 协方差函数略。3.2.3 平稳随机过程和非平稳随机过程当随机过程的所有统计量不随时间变化时，称为严格意义上的平稳随机过程，主要统计量如均值、均方值、方差或自相关函数、互相关函数不随时间或所研究的时刻变化时，称为广义的平稳随机过程。反之则为非平稳随机过程。对于平稳随机过程，均值、均方值与方差等都是常数，自相关函数和互相关函数只是时间差的函数。3.2.4 各态历经（遍历）过程为了计算随机过程的统计量，需要知道的全部样本函数或其概率密度函数实际上是很难做到的，工程中存在类平稳随机过程只对其某个样本函数进行研究就能计算该随机过程的各统计量这类随机过

14、程就称为各态历经过程。确定性信号中非周期信号的各统计量计算公式与各态历经过程完全相同，确定性信号与各态历经过程存在少数不同之处，如在幅值域内可定义以下统汁量。3.2.4.1 峰值峰值在局部范围内为极大值(对应于正峰值)或极小值(对应于负峰值)，对于周期信号，峰值一定会重复出现，对于非周期信号峰值至少有一个，最大峰值描述信号的最大值。3.2.4.2 幅值幅值专用于描述正弦信号的峰值，由于各种周期或非周期信号可表示为无穷多个正弦信号分量之和，所以这些周期或非周期信号的峰值不与其某个正弦信号分量的幅值相等。广义的幅值指信号某瞬间的取值。3.2.4.3 有效值有效值专用于描述正弦信号的均方根值，其大小

15、为正弦信号幅值的，对于其他信号，均方根值不是其峰值的。在正弦交流电路中，可用电压有效值乘以电流有效值求出电路中的功率，见图3。图3 常见确定性信号的时域参数3.3信号的频域分析所谓频域是指将周期信号展开为傅里叶级数，研究其中每个正弦谐波信号的幅值和相位等；或者对非周期信号或各态历经随机信号进行傅里叶变换变换后的信号是频率的函数这些频率的函数的集合称为频域。信号的频谱分析是频域分析的基础，我们可以利用各种级数展开和积分变换将一个复杂信号分解为简单信号的叠加。使用最普通的是傅里叶级数和傅里叶变换，它们是将复杂信号分解成一系列有限或无限多个正弦信号(简谐分量)的叠加。因此，频谱分析的实质就是以这一系

16、列的简谐分量频率作为自变量(频谱图中的横坐标)，简谐分量的幅值、相位、功率等作为频率的函数(频谱图中的纵坐标)，分析这些参数在不同频率上的分布情况。3.3.1 周期信号的傅里叶分析在故障信号中，周期信号主要是由机器的自由振动、受迫振动和参变振动等产生的。对于周期信号，数学上早已证明，利用傅氏级数原理，可将周期函数分解成傅氏级数，即将信号分解成许多谐波分量 (17)式中： (18)其中： n=1,2, n=1,2,由上述公式，以频率为横坐标，以振幅或相位为纵坐标来表征频域的振动特性，见图4。图4 它们是一个离散的频谱，又称线谱，其谱线间的距离为，各次谐振幅和谐波相位的全体称为幅值频谱和相位频谱。

17、 3.3.2 非周期信号频谱傅立叶变换在状态监测和故障诊断中常常利用傅里叶变换这一有效工具来确定振动信号的频率结构。采用功率谱密度来分析平稳随机信号的概率结构。频域内最重要的函数是自功率谱密度函数和互功率谱密度函数。也可以定义能量谱密度函数。所谓功率谱密度函数或能量谱密度函数是指其量纲为单位频率上的功率或能量。3.3.2.1 自功率谱密度函数自功率谱密度函数用于表示信号能量的频率结构。自功率谱密度函数的定义为 （19）由此可见，功率谱具有功率的量纲，是幅值谱的平方，因此频谱中主要成分突出，但没有相位信息。3.3.2.2 互功率谱密度函数互功率谱密度函数用于表示两个信号能量之间的频率结构关系互功

18、率谱密度函数的定义为 （20）可以证明相关函数与功率谱密度函数的关系是对傅里叶变换对的关系。3.3调制振动信号分析及频谱 设备故障诊断中，特别是对齿轮箱、滚动轴承和电机等的诊断，经常碰到调制信号。所谓调制信号，简单地说就是一个简谐振动的幅度或者角频率的变化受到了另一个简谐振动的影响。前一振动信号称为“载频信号”，后一信号称为“调制信号”。只有对这类信号进行时域（横坐标为）和频域（横坐标）分析后，才能获得诊断结果。在实际诊断过程中，这些调制信号从时域波形图上看，往往十分复杂，但基本原理仍可归结为简谐振动幅值和频率（或相位）的调制原理，下面进行简要讨论。3.3.1 幅度调制幅度调制信号的方程是 （

19、21）在齿轮箱诊断中，往往对应为啮合频率，而，诊断对象不同，和所代表的物理含义不同。将上式展开可得 （22）由此式可知，经调幅后的频率，除了原有的角频率之外，还有与的和频和差频，即(+)和(-)。它们是以为中心，以为间隔，幅度为AB/2的两个边带，见图5所示。图5 调幅信号3.3.2 频率调制频率调制的时域和频域的波形，如图6所示。图5 调频信号如同幅度调制信号一样，在齿轮箱或者其它部件的诊断中，载频信号往往是啮合频率信号，而故障信号则是调制信号，不过此时的故障信号将会影响载频信号的频率，最简单的频率调制信号方程是： （23）式中 表示载频信号 表示故障信号 展开上式后可得 (24) 式中 ：

20、 瞬时幅值； ：峰值幅值； ：载波角频率； ：时间； ：以m为自变量的n阶第一类贝赛尔函数， n0，1，2； m调制指数，m=载波频率偏差除以调制频率； ：故障信号的角频率。 展开式还表明为载波分量；第二项有一阶上边带和下边带；第三项有二阶上边带和下边带分量。由此可见，每一个被调制信号由中心频率信号加上调制信号的频率所分开的边带信号所组成，其幅值正比于调制指数，而故障频率（调制频率）为边带频率到中心频率间的距离。所谓故障诊断，就是要找到或用一定方法确定距离大小以及幅值的高低。当然，中心频率的幅值大小，也不是一成不变的，它往往也代表某种故障信息（例如齿轮的磨损信息）。 值得指出的是，以上讨论的正

21、弦信号的调幅和调频，在工程诊断中，我们几乎碰不到这种简谐信号的调制情况，经常碰到的是周期信号的调制现象。但一个周期信号，都可以分解成很多简谐振动信号叠加，故正弦信号的调制概念是故障诊断的基本概念之一。4振动监测参数与标准4.1监测参数及其选择我们知道，通常用来描述振动响应的三个参数是位移、速度和加速度。一般情况下，低频时的振动强度由位移值度量；中频时的振动强度由速度值度量；高频时的振动强度由加速度值度量。对大多数机器来说，最佳参数是速度，这是许多标准(如VDI2056)采用该系数的原因之一。但是另外一些标准(如VDI2059)都采用相对位移参数进行测量，这在发电、石化工业的机组振动监测中用的最

22、多。对于轴承和齿轮部件的高频振动监测来说，加速度却是最合适的监测参数。(VDI是德国工程师协会的简称)。表征振动的参量有加速度、速度和位移三个量，它们之间表现为微积分关系，对单一频率分量：或 分别为振动加速度、速度、位移振幅。 可见，振动位移随频率的升高有极大的衰减，而振动加速度随频率的降低有极大的衰减，这就决定了检测低频故障需检测振动位移的变化，而检测高频故障需检测振动加速度的变化，而振动速度可说是二者的折中，这也是宽带测量中，国际标准2372以振动速度作为参变量的原因。表征振动位移、速度、加速度波形参数常用的有峰值（峰-峰值）、有效值、平均值，以之表示振动的量级，见图5，选定振动变量后，确

23、定振动波形表征参量也是正确判定故障的重要内容。图5峰值是指波形上与零线的最大偏移值，它在指示短时连续冲击的能级上特别有价值，一般用于加速度测量。峰-峰值是指振动波形的最大偏移量，它反映机器的机构强度，尤其它在低频段，机构的破坏直接与之有关，故它一般用于位移测量，尤其是在低速大型设备振动测量上。4.2振动量及其量级振动量的表示有绝对单位制与相对单位制。绝对单位制能够客观地评定振动的大小，一般用MKS制表示，即 位移的单位以m表示； 速度的单泣以ms表示； 加速度的单位以ms2表示。 如前所述，工程上位移单位常以微米()表承，速度单位以厘米秒()表示，加速度单位以重力加速度G(980cms2)来表

24、示。相对单位制用“级”来表示，级又分为算术级和几何级两种形式。算术级又称为倍数织，用一倍、二倍、十倍、百倍等等表示。几何级又称为对数级，以分贝(dB)表示。机械设备的振动监测技术通常多采用分贝，使数量级大大缩小，同时使计算过程简化，使乘除关系变成加减运算。按ISORl683标准规定：振动力级 ，；振动位移级 ，；振动速度级 ，；振动加速度级 ，；4.3机械设备振动标准可以说所有的结构物和机器在任何时候都在振动着。只要振动不影响机器的工作精度和机器的工作寿命，不产生过大的噪声，或未对周围环境产生过大的不良影响等，则此种振动是允许的。因此。为了衡量机器的运行质量就需要制定一个标准来确定允许的振动烈

25、度，即确定振动烈度的界限。机器的振动烈度定义为：在机器表面的重要位置上(例如：轴承、安装点处等)沿垂向、纵向、横向三个方向上所测得的振动速度的最大有效值。测点的布置如图8。对于振动速度为的简谐振动，其振动速度有效值用下式计算 (25)若机器的振动系由几个不同频率的简谐振动复合而成，则振动速度的有效值可由下式求得。在国际标准ISO2372中规定了转速为10200的机器在101000Hz的频率范围内机械振动强烈度的范围，它将振动速度有效值从0.11 (人体刚有振动的感觉)到71的范围内分为15个量级，相邻两个烈度量级的比约为1：1.6，即相差4dB。这是由于对于大多数机器的振动来说4dB之差意味着

26、振动响应有了较大的变化。有了振动烈度量级的划分就可以用它表示机器的运行质量。为了便于实用，将机器运行质量分成四个等级：A级机械设备正常运转时的振级，此时称机器的运行状态“良好”。B级已超过正常运转时的振级，但对机器的工作量尚无显著的影响，此种运行状态是“容许”的。C级机器的振动已达相当剧烈的程度，致使机器只能勉强维持工作，此时机器的运行状态称为“可容忍”的。D级机器的振动级已大到使机器不能运转、工作，此种机器的振级是“不允许”的。显然，不同的机械设备由于工作要求、结构特点、动力特性、功率容量、尺寸大小以及安装条件等方面的区分，其对应于各等级运行状态的振动烈度范围必然是各不相同的。所以对各种机械

27、设备是不能用同一标准来衡量的，但也不可能对每种机械设备专门制定一个标准。为了便于实用，ISO2372将常用的机械设备分为六大类，令每一类的机械设备用同一标准来衡量其运行质量。机械设备分类情况如下：图6 柴油机振动测点布置图第一类：在其正常工作条件下与整机连接成一整体的发动机和机器的零件(如15kw以下的发电机)。 第二类：设有专用基础的中等尺寸的机器(如1575kw的发电机)及刚性固定在专用基础上的发动机和机器(300kw以下)。 第三类：安装在测振方向上相对较硬的、刚性的和重的基础上的具有旋转质量的大型原动机和其它大型机器。 第四类：安装在测振方向上相对较软的基础上具有旋转质量的大型原动机和

28、其它大型机器(如透乎发电机)。 第五类：安装在测振方向相对较硬的基础上具有不平衡惯性力的往复式机器和机械驱动系统。第六类；安装在测振方向相对较软的基础上具有不平衡惯性力的往复式机器和机械驱动系统等。通过大量的实验得到了前四类机械设备的运行质量与振动烈度量级的对应关系，如表1。至于第五类、第六类的机械设备，特别是往复式发动机由于结构不同，其振动特性变比很大，往往允许有较强烈的振动(如)而不影响其运行质量。而安装在弹性基础上的机器受到隔振作用，由安装点传到周围物体的作用力是很小的，在这种情况下机器的振动将大于安装在刚体基础上的振动，如高转速的电机上测得的振动速度有效值可达50或更大。在上述情况下用

29、振动绝对量级来衡量机器的运行质量显然是不恰当的：就是对于第一至第四类机器，由于实际情况是千变万化的，表中所示的机器运行质量与振动烈度的关系也只能作为参考。实践表明：比较可靠准确的办法是用振动烈度的相对变化来表示机器的运行质量。可以考虑以机器“良好”运行状态的量级为参考值，在此基础上若增大2.5倍(8dB)，表明机器的运行状态已有重要变化，此时机器虽尚能进行工作，实际上已处于不正常状态，若从参考状态的基础上增大10倍(20dB)，就说明该机器已需进行修理；再继续增大，机器就将处于不允许状态。上述振动烈度相对变化与机器运行质量间的关系常用于以振动信号进行故障诊断时的判据。表2 几种常用机械设备的振

30、动标准注：振动烈度以分贝表示时，选为参考值，即振动速度有效值为此值时为零分贝。有关振动与冲击标准化的国际组织是国际标准公组织(ISO)。振动与冲击的国际标准的制定工作由其下属的“机械振动与冲击技术委员会”(TCl08)领导。TC108成立于1963年，下分四个分委员会(SCl一SC4)，有若干个工作组(WG)在进行标准制订和修订等工作。一个标准的产生一般要经过建立草案(ISODP)、标准草案(ISODIS)和国际标准三个阶段，以后根据生产和技术的发展还要不断加以修订和补充。到1988年底TC108已公布了国际标推34个，现以其编号为序将名称列举如下：ISO 1925一198l 平衡名词术语。I

31、SO 1940/1一1986 机械振动刚体转子平衡品质要求第一部分：许可残余不平衡的确定。ISO 2017一1982 振动与冲击隔离器确定特性要求的导则。ISO 2041一1975 振动与冲击名词术语。ISO 2371一1974 现场平衡设备说明与评定。ISO 2372一1974 转速为10到200rs机器的机械振动规定评价标准的基础。ISO 2373一1987 轴心高为80到400mm旋转电机的机械振动振动烈度的测量与评定。ISO 2954一1975 旋转与往复式机器的机械振动振动烈度测量仪的要求。ISO 3945一1985 转速为10到200rs大型旋转机器的机械振动现场振动烈度的测量与评

32、定。ISO 5343一1983 评定挠性转子平衡的准则。ISO 5344一1980 产生振动的电动力试验设备描述设备特性的方法。ISO 5347/0一1987 振动与冲击传感器的校准方法。第0部分；基本概念。ISO 5348一1987 机械振动与冲击加速度计的机械安装。ISO 5406一1980 挠性转于的机械平衡。我国从1987年起成为ISO成员国。对于国际标准，我国的技术政策是认真研究、区别对待、积极采用。在国家标准总局的归口下已建立了全国机械振动与冲击标准化技术委员会(办公机构在河南郑州机械研究所)，委员会在下列诸方面正进行工作，如制订和完善我国的振动与冲击国家标准，开展与ISOTCl0

33、8的对口技术工作，有关标准的宣传、技术咨询与服务工作等。目前，我国巳正式通过的振动与冲击国家标准有下列10个，还有一批标准正在制订或审批中。GB 22981980 机械振动。冲击名词术语。GB 28071981 电机振动测定方法。GB 42011984 通用卧式平衡机校验法。GB 6075一1985 制订机器振动标准的基础。GB 6444一1986平衡词汇。GB 65571986 挠性转子的机械平衡。GB 6558一1986 挠性转子平衡的评定准则。GB 722l1987 现场平衡设备的说明和评价。GB 8540一1987 振动与冲击隔离器，确定特性要求导则。GB 10084一1988 振动、

34、冲击数据分析和表示方法。4.4 为什么以振动速度参数作为诊断标准开始时，专家们已经知道振动能量的大小是危害机器的主要因素，而表示这个能量大小的应是宽频带内的振动速度有效值，但是在20年前，当时的测量技术不能满足振动理论提出的要求，六十年代的诊断标准大多为振幅标准，典型代表是1968年国际电工委员会（IEC）对转速不同的汽轮机、电机等所作的诊断标准。见表3：表3 （良好标准）转速（转/分）100015001800300036007600轴承座0.0750.0500.0450.0250.0210.012标准中轴承座的振幅应取转子的各轴承座三个测点中最大的振幅值。同时，可以通过这个标准说明，振幅标准

35、值是随转速变化而变化的，转速越高，标准值越低，因此现在通常不采用测量位移来判断设备的好坏，而振动的速度有效值是与设备的转速无关的，它确能反映设备的最大破坏能量。可以看出，虽然转速越高，允许振幅越小，但是，振动速度的有效值Vrms是不变的，换句话说，无论转速高低，准则是一个，或者说，只允许某种振动能量，这种振动能量大小，是用振动速度的平方表征的。图7 振动的振幅标准在以往的旋转机械振动测量中，多采用机械式百分表来测量位移峰-峰值，用以判断机器振动大小，进而确定好坏。我们说，这种测试方式是极不合理的。原因有三：第一，这种机械式百分表动态响应很差，不能测量动态量；第二，测量轴承座的振幅是一种相对测量

36、；第三，机器的振动是周期和非周期振动同时存在的宽带振动，即使用百分表能读出数值，这个数值不一定是机器转速下对应的规定振幅。对设备监护者，随时测知设备的运行状态是十分重要的，而要判定设备状态就要有相应的振动烈度判据。目前，最常采用的是ISO-2372标准，它以振动速度有效值在101000Hz频带内的变化为状态判定参量。以设备功率作为分类依据，标准如表4。表4旋转机械振动诊断的国际标准（ISO2372）注：(1)I类为小型电机(小于15kw的电动机等；类为中型机器(1575kw的电动机等)；类为 大型原动机(硬基础)；类为大型原动机(弹性基础)。 (2)A、B、C、D为振动级别。A级好，B级满意，

37、C级不满意，D级不允许。 测量速度rms值应在轴承壳的三个正交方向上。 需要指出的是，振动测量是在机器部件表面进行，因此，测量值还取决于测量处的机械导纳。因此，选取正确的测点位置是十分重要的，不正确的位置往往导致错误的判断结果。另外，此标准在实际应用中不必生硬搬套，可根据设备实际情况和经验参考此标准建立自己的企业标准。为了克服测点机械导纳的影响，可靠的办法是通过集中相对变化取得状态信息，即用确定的参考“基线”或级值和允许系统的一定的变化来获得：应特别指出的是，相对标准的建立应采用同一厂家仪器系列，在其基础上建立其企业标准，否则标准无意义。5旋转机械故障诊断5.1 旋转机械常见故障及其特点5.1

38、.1 旋转轴的振动分类5.1.1.1 强迫振动强迫振动又称同步振动，它是由外界持续周期性激振力作用而引起的振动。强迫振动从外界不断地获得能量来补偿阻尼所消耗的能量，使系统始终保持持续的等幅振动。该振功反过来并不影响扰动力。产生强迫振动的主要原因有转子质量不平衡、联轴器不对中、转子与静子摩擦、机械部件松动、转子部件或轴承破损等。强迫振动的特点在于强迫振动的频率总是等于扰动力的频率。例如，由于转子质量不平衡而引起的强迫振动，其频率恒等于转速频率。5.1.1.2自激振动机器在运行过程中，由于机械内部运动本身所产生的交变力而引起的振动叫自激振动。其特点是一旦振动停止，交变力也自然消失，自激振动的频率就

39、是机械的固有频率(或临界频率)，与外来激励的频率无关。旋转机械中常见的自激振动有：油膜涡动和油膜振荡。它主要由转子内阻、动静部件间的干摩擦等引起。与强迫振动相比，自激振动出现比较突然，振动强度比较严重短时间内就会对机器造成严重破坏。5.1.1.3非定常强迫振动非定常强迫振动是由外来扰动力而引起的一种强迫振动。其特点是与扰动力具有相同的频率振动本身反过来会影响扰动力的大小与相位；振动的幅值和相位都是变化的。比如转子轴上某一部位出现不均匀的热变形，就相当于给转子增加了不平衡质量，它将会使振动的幅值和相位都发生变化。反过来，振动幅值和相位的变化又影响不均匀热变形的大小与部位，从而使强迫振动连续不断地

40、发生变化。 5.1.2 旋转机械常见故障及其特点5.1.2.1不平衡 转子不平衡是旋转机械的常见故障之一。转子不平衡引起的振动有以下特点： (1) 振幅随转速的上升而增加； (2) 振动的频率与转子的旋转频率相同； (3) 振动方向以径向为主；(4) 振动相位常保持一定角度。当不平衡重量只存在于一个平面内时，这种不平衡称为静不平衡：而当在多个平面内有不平衡情况时，就是动不平衡。 泵、风机、电动机使用一段时间后，由于磨擦、积灰等原因，使转子质心改变，出现不平衡（电动机由于润滑脂过量也会引起不平衡）。不平衡的特点是：(1) 振动频率单一，振动方向以径向为主。在工频（亦称转频）（1X ）处有一最大峰

41、值，（转子若为悬臂支承，将有轴向分量）；(2) 在一阶临界转速内振幅随转速的升高而增大；(3) 谱图中一般不含工频（1X）的高次谐波（2X、3X ）。5.1.2.2不同轴及轴弯曲所谓旋转的不同轴，是指用联轴节连接起来的两根轴的中心线有偏移。存在不同轴时，容易发生轴向振动，使转子发生暂时或永久变形，使轴承和联轴节工作情况恶化、机械寿命缩短等：不同轴较轻时，其频率成分为旋转基本频率：不同轴严重时，会产生旋转基本频率的高次成分。造成不同轴的主要原因有制造精度差、安装不良、热变形不均匀、联轴节松动、地基下沉等。对于不平衡引起的振动，振幅的增大与转速的平方成比例；对于不同轴引起的振动，振幅大体为一常数，

42、与转速的变化无关。虽然人们普遍认为机械振动主要是不平衡所致，但就旋转机械而言，70-75的振动是不对中引起的。不对中有两种：平行不对中和角度不对中。平行不对中径向振动比较突出，角度不对中轴向振动更突出、两者在机器端部或联轴器两边都有180的相位差。不对中振动的特点：1在2X处有大的能量分布；2随着不对中程度的增加，产生很大的轴向振动分量； 3在联轴器的两边振动的相位关系是18030；4在2X处的幅值大于1X处的50时意味不对中程度已加剧。图10-1是一台水泵的谱图，图中2X处也有峰值，但较小，这与不对中的特点1相符，估计已存在某种程度的不对中。一周后再测量，该处幅值已明显增大并超过1X处的幅值

43、（图10-2），说明不对中已比较严重。检查发现不对中量达0.254mm。找正后谱图（图10-3）2x处的幅值已明显变小，机组运行相当平稳。但要说明两点：第一，两次测量结果，1X处的幅值无明显变化，而2X处幅值变化很大，这正是不对中故障的典型频谱特征。第二，在2X附近有两个谱峰，一个在7100rmin处，为水泵的二倍轴频谱；另一个在7200rmin处，它是电机定子绕组中电气故障引起的。图10-1图10-2 图10-35.1.2.3 松动松动现象是由螺栓紧固不牢引起的，或由于基础松动、过大的轴承间隙等引起的。松动会使转子发生严重振动。松动引起的振动特征如下：(1) 振动方向常表现为上下方向的振动；

44、(2) 振动频率除旋转基本频率fr外，可发生高次谐波(2fr，3fr，)成分，也会发生（1/2fr，1/3fr，）分数谐波和共振；(3) 振动相位无变化；(4) 振动形态使转速增减、位移突然变大或减小。 即使装配再好的机器运行一段时间后也会产生松动。引起松动的常见原因是：螺母松动、螺栓断裂、轴径磨损、甚至装配了不合格零件。 具有松动故障的典型频谱特征是以工频为基频的各次谐波，并在谱图中常看到10X。国外有人认为，若3X处峰值最大，是轴和轴承间有松动，若4X处有峰值，表明轴承本身松动。图11-1是一台电机地脚螺栓诊断的谱图。但更换地脚螺栓后，谱图上除工频处有一峰值，其它峰值均已消失（图11-2）

45、。图11-1 图11-2图12是一台用于空气过滤的真空泵的频谱图。图中出现多个高次谐波，有的已超过0.088mms。由于该泵已使用3个月，并且是多级推进器，因此怀疑是其中有一级推进器松动。拆开检修发现是过滤器中的一个袋子被吸到泵里，缠绕在推进器上，使推进器失衡。同时，发现转子在轴承内来回跳动，产生运转速度的高次谐波，表现出松脱的频谱特征。由此看出，一种故障现象往往是几种故障共同作用的结果。图125.1.2.4自激振功自激振动的产生不是由于机械受到外来周期性持续激振力，而是由于机械内部运动本身所产生交变力。一旦振动停止。交变力自然消失。在自激振动情况下。振动无特殊方向性；振动频率是机械的固有频率

46、或临界频率，与转速或外来激励的频率无关；相位会发生变化，在某一转速下振动形态也会发生变化、旋转机械常见的自激振动有涡动、振荡（油膜振荡、密封振荡、摩擦振荡等)、韵振、参数失稳等。与强迫振动相比，自激振动出现比较突然，振动强度比较严重。短时间内就会对机械造成严重破坏。5.1.2.5 油膜涡动和油膜振荡油膜涡动是一种在某突然开始的转速下，在轴承中发生的一种流体力不稳定现象。其特点是振动频率约为转子转动频率的一半，故又称为半速涡动；随着转于转速的上升，油膜涡动频率也随之上升；当转子转速上升到临界转速二倍以上时，涡动频率不再上升，而始终为临界转速频率，并出现强烈振动，这就是油膜振荡。油膜振荡的原因是油

47、膜涡动与转子共振二者相互作用的结果，因而也称为共振振荡。根据线性化理论，一旦这种振动出现，就会产生相当大的共振振幅，增加转子中心与轴承中心的偏离程度，容易导致转于疲劳破坏。图13为圆柱轴承油膜涡动和油膜振荡的幅频特性曲线。其中图13中(a)，(b)，(c)分别为轴承在轻载、中载、重载下的振幅A、频率f的特性曲线，nk是转子的临界转速。5.1.3齿轮缺陷用振动频谱来分析齿轮传动存在的问题看起来很简单，但要解释它们却很困难，要发现早期的齿轮缺陷尤其困难。其主要原因是传感器的安装受到限制和多振源产生一个复杂的频谱。在传动中，一般存在啮合频率（等于齿轮数与旋转频率的乘积）和自振频率。此外，由于齿轮的频

48、率分量常被齿隙。偏心、载荷以及其他缺陷造成的脉冲所调制，从而出现旁瓣或边带。一般说来，当在啮合频率处有峰值时，意味着齿轮有问题；当出现啮合频率的高次谐波时，意味着劣化程度加剧；当出现边带，且边带峰值达到一定值时，意味着齿轮故障己很严重，到了失效的边缘。图14是一台齿数为11的齿轮泵，转速为900rmin（15Hz），啮合频率为165Hz。从图中可看出，出现多个啮合频率的高次谐波，并伴有以工频为带宽的边带。检修发现齿面已点蚀，并存在偏心。图14图15 图16 某金矿大型低速球磨机齿轮箱，主轴转速为900rmin（15Hz），从动轴转速为220rmin（366Hz）。过去每年都要发生断齿。从谱图（

49、图15）看，齿轮有问题，但具体什么问题不清楚。为此，用数据采集器采集时域波形（图16）。由图看出，此故障每隔一定的时间间隔出现一次，周期为0.272s。正好是从动齿轮转频（3.66Hz）的倒数。因此，分析问题在从动轮。检修时发现，从动轮一齿面严重磨损，并伴有点蚀。以上分析比较了4种常见故障的频谱特征，总结归纳了识读谱图的方法。但设备是一个有机的整体，同一故障往往有不同的表现形式，而一种故障现象又常是几种故障共同作用的结果。因此，只有对多种因素综合考虑才能有效地提高故障诊断的准确率。下面给出几种故障类型的频率特征。5.1.4 常见故障1滚动轴承故障（滚动轴承） 轴承故障表现在不寻常振动波形常常有

50、冲击，冲击频率和损坏零件有关系：a.外环损坏： b.内环损坏： c.滚动体损坏： d.保持架故障： 式中：n-滚动体数、-内外环相对转速频率、d-滚动体直径、D-节圆直径、-接触角、几分别为内外环转速频率，二者方向一致取正号，方向相反则取负号。滚动轴承故障振动在径向和轴向上都有表现。2滑动轴承故障a.轴承盖松动：表现在径向上转速频率的1/2或1/3频率点上的振动。b.油膜振荡：表现在径向上稍低于转速频率之半（4248）频率点上的振动，发生在高速机器上。3滞后回旋：表现在径向上轴的临界转速频率点上的振动。发生在通过轴的临界转速时激起的振动在高转速仍旧保持，有时紧固转子零件可消除。4不平衡往复力和

51、力偶： 表现为径向上转频点和（或）其倍数（对高阶不平衡）点上振动的增强。5扰动增加：表现在叶片和翼轮通过频率及其谐波频率点上振动烈度的增强，它在径向和轴向上都有表现。6电磁感应振动：表现在转频或同步频率的1或2倍频点上的振动，它在径向和轴向上都有表现，此振动在关闭电源时应消失。8皮带传动故障：径向上皮带转频的1、2、3和4倍。6测量位置的选取 上面我们介绍的判断机械设备运行状态的方法和以频率特征为依据的故障类型诊断原则，而测点位置的选取是准确判定设备运行状态及故障诊断的前提。振动烈度反映测点上传递的交变力。振动不仅与交变力有关，而且和该测点上的结构导纳有关（加速度导纳、速度导纳、位移导纳）即：

52、式中： F-应变力； V、d、a-分别为振动速度。位移和加速度； -分别为振动速度。位移和加速度导纳；因此，测点的选取原则应使传递路径最短，测点刚度最大，以使结构导纳最大，并且每次测量测点位置必须相同，尽量避免结构导纳不同对测量结果的影响，测点位置选择如图17所示，“A”“C”为正确的测点位置；“B”“D”为 不正确的测点位置。图17 测点位置的正确选取7常见设备及零件的故障诊断新进展1 小波分析用于滚动轴承故障诊断 小波分析是近几年迅速发展起来的一种全新的时频局部化分析方法,被认为是傅立叶分析的重大突破。它的小波函数的形状随尺度的不同而改变,可同时满足反映高频信号用窄时间窗、低频信号用宽时间窗的要求,从而在时域和频域内同时具有良好的局部化性质。25联系人：杨国安 Tel：(010) 64445610 E-mail：yangga联系地址： 北京市朝阳区北三环东路15号北京化工大学130信箱 邮编： 100029