旋转机械的振动故障检测与诊断

旋转机械的振动故障检测与诊断

旋转机械是指主要功能是由于旋转而完成的机械。如电动机，，离心风机，离心式水泵，汽轮机，发电机等都属于发电机的范围。

从力学的角度分析，转子系统分为刚性和柔性转子。转动频率低于转子一阶横向固有频率的转子为刚性转子。转动频率高于转子一阶横向固有频率的转子为柔性转子，如燃气轮机。

在工程学上对应转子一阶横向固有频率的转速成为临界转速。在我们分析时候经常会遇到在各种各样的问题，比如在信号的分析上可以按照信号的处理方式的不同可以分为幅域分析，时域分析以及频域分析。信号的早期分析只是在波形的幅值上进行，如计算波形的最大值，最小值，平均值，有效值等，后而进行波形的幅值的概率分布。在幅值上的各种处理通常称为幅域分析，信号波形是某种物理量随时间变化的关系。研究信号在时域内时域的变化或分布称为时域分析。频域分析是确定信号的频域结构，即信号中包含哪些频率成分，分析的结果是以频率为自变量的各种物理量的谱线或是曲线。不同的分析的方法是从不同的角度观察，分析信号，使信号的处理的结果更加丰富。

从某种意义上讲，振动故障的分析诊断的任务就是读谱图，把频谱上的每个频谱分量与监测的机器的零部件对照联系，给每条频谱以物理解释。主要的内容包括：

1 振动频谱中存在哪些频谱分量?

2 每条频谱分量的幅值多大?

3 这些频谱分量彼此之间存在什么关系？

4 如果存在明显高幅值的频谱分量，它的准确的来源？它与机器的零部件对应关系如何？

5如果测量相位，应该检查相位是否稳定？、

工频成分突出，往往是不平衡所致。2X频为主往往是平行不对中以及转子存在裂纹。1/2分频过大，显示涡轮涡轮失稳。0.5X~0.8X是流体旋转脱离。特低频是喘振。整数倍频是叶片流道振动。啮合成分高是齿轮表面接触不良。谐波丰富是松动。边频是调制。分频是流体激荡，摩擦等。

大型旋转机械常见的故障原因分类如下：

1 设计原因；设计不当，运行时发生强迫振动或是自激振动；结构不合理，应力集中；设计工作转速接近或是落入临界转速区；热膨胀量计算不准，导致热态对中不良。

2 制造原因：零部件加工制造不良，精度不够；零件材质不良，强度不够，制造缺陷；转子动平衡不符合技术要求。

3 安装，维修；机械安装不当，机械安装不当，零部件错位，预负荷大；机器几何参数调整不当，未按规程维修，破坏了机器原有的配合性质和精度。

4 操作运行；工艺参数偏离设计值，机器运行工况不正常；运行点接近或落入临界转速区，润滑或冷却不良。

转子不平衡

旋转机械的转子由于受材料的分布，加工的误差，装配因素以及运行中的冲蚀和沉积等因素的影响，致使质量中心和旋转中心存在一定程度的偏心距。偏心距较大时，静态下部，其偏心距小于摩擦阻力距的区域内，称之为不平衡。偏心距较小时，不能表现出静不平衡的特征，但是在转子旋转时，表现出一个与转动频率的离心力矢量，离心力F=M e㎡,从而激发转子的振动。这种表现称之为动不平衡。静不平衡的转子，由于偏心距e较大，表现出强烈的动不平衡振动。

在此时要明白一个问题就是动平衡满足这静平衡就满足，静平衡满足动平衡则不一定满足。

转子轴颈在滑动轴承内作高速旋转运动的同时，随着运动契入轴颈与轴承之间的油膜压力若发生周期性变化，迫使转子轴心绕着某个平衡点作椭圆轨迹的公转运动，这个现象为涡动。当涡动的激荡力仅为油膜力时，涡动是稳定的，其涡动角速度是转动角速度的0.43~0.48。所以又称为半涡动。当油膜涡动的频率接近转子轴系中某个自振频率时，引发大幅度的共振现象，称为油膜震荡。

油膜涡动仅发生在完全液体润滑的滑动轴承中，低速及重载的转子建立不起完全液体润滑条件，因而不发生油膜涡动所以消除油膜涡动的方法之一，就是减少接触角，使油膜压力小于载荷比压。此外，降低油的粘度也能减少油膜力，消除油膜涡动或是油膜振荡。

油膜振荡仅在高速柔性转子以接近某个自振频率的2倍转速条件下发生，在发生前的低速状态时，油膜涡动会先期发生，再随着转速的升高发生到油膜振荡。

转子不对中包括轴承不对中和轴系不对中。轴承不对中本身不引起振动，但是他影响轴承的载荷的分布，油膜形态等运行状况。一般情况下，转子不对中是指轴系不对中，故障原因在联轴处。

1 引起轴系不对中的原因

a 安装施工中对中超差

b 冷态对中是没有正确估计各个转子中心线的热态升高量，工作时出现主动转子与从动转子之间产生的动。态对中不良。

c 轴承座热膨胀不均匀。

d 机壳变形或是移位。

e 地基的不均匀下沉。

f 转子弯曲，同时产生不平衡和不对中故障。

转子不平衡是引起电机径向的振动，而弯曲在轴向方面产生较大的振动。

连接松动

振动幅值由激振力和机械阻抗共同决定的，松动使连接的刚度下降，这是松动振动异常的基本原因，支撑系统松动引起的异常振动的机理可从两个侧面加以说明。

1 当轴承与轴承座配合有较大的间隙或是紧固力不足时，轴承受转子离心力作用，沿圆周方向发生周期性变形，改变轴承的几何参数。进而影响油膜的稳定性。

2 当轴承座螺栓紧固不牢时，由于结合面上存在的间隙，使系统发生不连续的移位。

上述两项因素的变化，都属于非线性刚度的改变，变化程度与激振力相联系，因而使松动振动显示出非线性特征，松动的典型特征是产生2×及3×4×5×等高倍频的振动。

松动的特征

轴心的轨迹混乱，重心飘忽

频谱中具有3×5×7×等高阶奇次倍频分量，也有偶次分量。

松动方向的振幅大

高次谐波的振幅值大于转频振幅1/2时，应怀疑有松动故障。

油膜涡动以及振荡

转子轴颈在滑动轴承内作高转速的运动时随着运动契入轴颈与油膜之间的油膜压力发生周期性的变化，迫使转子的轴心绕某个点作椭圆轨迹的公转性运动，这个现象为涡动。当涡动的激励力仅为油膜力时涡动是稳定的其涡动的角速度是转动角速度的0.43~0.48.所以叫做半速涡动。当油膜涡动的频率接近某个转子轴系中某个自振频率的时候引发大规模的共振现象叫做油膜振荡。

油膜涡动仅发生在完全液体润滑的滑动轴承之中的低速及其重载的转子是建立不起

完全液体润滑条件的因而不能发生油膜涡动所以消除油膜涡动的方法之一就是减少接触角，使油膜压力小于载荷比压。此外，降低油的粘度也能减少油膜力，消除油膜涡动以及振荡。

油膜振荡仅是在高速柔性转子接近某个自振频率的2倍转速条件下运转时发生的，在发生前的低速状态下油膜涡动会先期发生，在随着转速的升高发展到油膜振荡。

碰磨

动静件之间的轻微的摩擦，开始的症状可能不是那么的明显，特别是滑动轴承的轻微的磨碰，由于润滑油的缓冲作用，总振值的变化是很微弱的，主要是靠油液的分析发现这种早期的隐患有经验的诊断人员，由轴心轨迹就能做出相对准确的判断。动静摩擦发展到一定的程度以后机组将发生大面积摩擦碰磨的特征就转变为主要的症状。

动静摩擦与部件的松动有些类似特点。动静碰磨是当间隙过小时发生的动静件接触再弹开，改变构建我的动态刚度，松动是紧固不牢靠，受交变力（不平衡力，对中不良激励等），作用，周期性地脱离再接触，同样改变构件的动态刚度。不同点就是前者个动态的摩擦力，使转子产生涡动。转子的强迫振动，磨碰自由振动和摩擦涡动运动叠加到一起，产生出复杂的，特有的振动响应频率。由于碰磨产生的摩擦力是不稳定的接触正压力，在时间上和空间上位置上都是变化的，因而摩擦力具有明显的非线性特征（一般表现为丰富的超谐波）。因此，动静摩擦与松动相比，振动成分的周期形性相对较弱，而非线性更为突出。

机械振动分为三类：

1 自由振动和固有频率

自由振动是物体受到初始激励（通常是一个脉冲力）所引发的振动，在现场一般不考虑这种振动

2 强迫振动和共振物体

在持续周期变化的外力作用下产生的振动叫做强迫振动，如不平衡，不对中所引起的振动

3 自激振动

自激振动是在没有外力的作用下，由于系统自身原因所产生的激励而引起的振动，如油膜振荡，喘振等。这种振动是一种比较危险的振动，设备一但发生中自激振动，会使时设备失去稳定性。

在我们常见的的平衡计算中的静平衡是比较好计算的，根据平面力系的交汇可以很容易计算出其不平衡量，如力的交汇，力的平移等等。

我们经常会遇到两极电机的振动问题，而振动问题其实是很复杂的，其实电机分为滚动轴承和滑动轴承，各有各的复杂性，而电机最常见的问题就是振动，它的处理一般是做动平衡，处理各种尺寸，轴承的内径是过盈配合，而外径是间隙配合，而滑动轴承不要以为把瓦刮研好了就是最重要的了，其实不然，应该把其看做一个整体，瓦座和瓦的配合也是很重要的，我们一般是研球形轴承的滑道，因为轴承经常换而瓦座却不经常更换。

基于振动频谱分析的电机故障诊断

振动动的信号是由一系列的简谐振动分量、其他分量和随机噪声叠加而成。频谱分析的目的，是将信号中所有的这些成分都分解开来，变成各种振幅、频率和相位的简谐振动，振动信号中原有的简谐振动分量，经过分解自然还是简谐振动，振动信号中的其他成分，也可以分解为简谐振动的分量的组合。

常用的频谱是幅值谱，幅值谱的表示对应与频率的简谐振动分量所具有的振幅。对于转子来说，振动信号中的很多频谱分量都与转子的转速有关系而且是关系密切，往往是转速频率的整数或分数倍，所以，应用振幅谱更直观。振幅谱上的谱线的高度就是转子振动中该频率分量的幅值大小。

在转子的振动频谱上，不同的频率分布往往是对应着不同的振动原因。如果知道了振动信号中包含的频率分量，就比较容易找到引起振动的原因。例如，转子不平衡会产生转速频率的振动分量，对中不良会导致2倍频的振动分量等等。一般的来说，频谱分量与振动原因之间的关系是很复杂的，仅靠振幅谱有时还很难以确诊，还要综合考虑其他因素，如机械负载变化的情况、历史故障情况等，不能机械的套用别人的实验或现场结论。但将幅值值谱分析清楚却是对故障进行诊断的必要条件。

异步电动机典型故障分析

1、转子条断裂或是松动等故障

转子条或是短路环断裂，转子条与端环接触不良以及转子的铁心短路均产生1倍频的振动及其两侧的极通过频率边带。此外，这些故障常产生转频的二、三、四、五阶。谐波两侧的极通过频率及其通过频率边带。转子条通过频率及其谐波频率两侧的2FL边带说明转子条存在松动或脱开的情况。转子条松动与端环间引起的电弧常显示出很高幅值的2RBPF且伴随2FL边带，但是1RBPF频率的振动幅值不增大。

2、定子绕组故障

3、轴承故障诊断频谱

4、转子偏心故障诊断方法

5、转子不平衡

6、其他故障

定子偏心、铁芯短路或是松动等故障均产生2FL（FL为电源频率）下的振动，若切断电动机的电源，2FL频率下的振动立即消失。

定子铁芯和定子线圈松动，将使定子电磁振动和电磁噪声加大，在这种情况下，振动频谱图谱中，电磁振动除了2FL的基本成分之外，还可能出现4FL，6FL,8FL的谐波成分

立式电机的振动

我们常见的立式电机一般都是四极的，以希望绿野的最为常见，以及吉兰泰的，以有推力瓦的最为复杂，主要的难点是在安装推力头和推力瓦，推力瓦要研磨好，安装时要加上猪油以防止在电机启动时发生烧瓦事件，拆卸和安装时应该小心油冷却器。

因为电机的放置方法的问题，往往会出现下面振动小而上面的振动大的现象，首先要处理的是法兰的表面，检测是否有锈蚀和磕碰，打磨干净，再上试验台，这时再看其振动的状态，要是不好的话就该做个在线平衡。

新能能源的电机安装较为复杂，因为里面的垫比较多容易弄错，而且保持一些特定的技术参数不容易达到，比如说轴头的轴头的圆跳动不超过0.04MM，法兰的圆跳动不超过0.06MM等。在振动上只要是安装正确一般不会发生振动问题，因为其是低压两极电机。

我们常见的电机是振动的原因是特别复杂的，所以说在线动平衡不能解决一切的问题，在我们经验的基础上来判断是否用这个方法。

一般的方法是在振动的0,30-0.50之间一般是能解决的，要是超过这个范围电机就有别的原因了，应该从新检查各种尺寸公差配合，以及各种影响振动的原因，。