状态监测与故障诊断的基本图谱

状态监测与故障诊断的基本图谱一、常规图谱常规图谱又称稳态图谱，是在转速相对稳定、没有大幅度变化情况下的有关图谱，因此其不含开停车信息。

1. 机组总貌图机组总貌图显示了机组的总貌，可了解机型、转子支撑方式、轴承位置、运行转速等，主要是查看探头的位置及位号。

2. 单值棒图较为形象、直观地显示实时振动值，并可知低报、高报报警值及转速。

3. 多值棒图多值棒图显示实时通频值及各主要振动分量的振动值，可大致了解机组运行是否正常。

正常运转状态下的多值棒图通常是：一倍频最大、且与通频相差不大，二倍频小于一倍频的一半，0.5倍频微量或无，可选频段很小，残余量不大。

其中：（1）通频值～即总振动值，为各频率振动分量相互矢量迭加后的总和。

（2）一倍频～为转子实际运行转速n下的频率f，又称工频、基频、转频， f = n／60 [Hz]；转子动不平衡及轴弯曲、轴承不良（偏心）、热态对中不良、支承刚度异常、在临界转速区运行、电机气隙偏心等，都会引起一倍频振动分量的增大，发生概率依次降低。

（3）二倍频～二倍工频，转子热态不对中、裂纹、松动、水平方向上支承刚度过差等，都会引起二倍频振动分量增大，绝大多数是轴系不对中。

（4）0.5倍频～0.5倍工频，又称半频，油膜涡动会引起该频率段增大，轴承工作不良也会引起该段频率增大；旋转失速、摩擦也都有可能。

（5）可选频段～由用户根据机组常见故障自己定义的频段，一般可选择(0.4~0 .6)倍工频或(0.3~0 .8)倍工频，用来监测是否发生亚异步振动，如油膜涡动、旋转失速、密封流体激振、进汽（气）脉动、摩擦、松动等。

主要是轴承因紧力、接触、摇摆、油档及油温等问题引起的油膜失稳、摩擦、旋转失速、进汽脉动。

（6）残余量～除上述频率成分外，剩余频率成分振动分量的总和，该部分振值高时，转子有可能发生摩擦、高频气流脉动等。

4. 波形图波形图显示了振动位移与时间的关系，又称幅值时域图。

波形图显示了振幅、周期（即频率）、相位，特别是波形的形状和状态。

图中：① 振幅为正峰与负峰之间的位移量，比较各周期对应的峰高，即可知振幅值是否稳定；② 二个亮点之间为一个旋转周期，波形图的周期数可以选取，想了解波形重复性时周期数选多一点，想了解波形细节时周期数选少一点；③ 亮点为振动的初相位、即零位，比较各周期对应峰与零位的间隔，可以粗略了解振动相位（发生的时间、位置）是否稳定。

波形图既可以是通频波形图，即显示通频总振值与时间(周期)的关系；也可以是选频波形图，即一倍频波形、二倍频波形、0.5倍频波形、…等。

波形图也可以作为示波器对振动波形的形态和变化进行实时监测。

由于从波形图上不能直接得频率及相位的精确数据，现在很少用它来确定振动参数。

但是，其形象、具体的波形及其变化状态，特别是波形在各周期下的重复性状况，仍非常有助于对振动故障、尤其是干扰信号的分析、界定。

例如：（1）正常运转状态下的波形图，因工频为主，所以为近似的正弦波，如上图；（2）动不平衡时，为近似的等幅正弦波，见下图；（3）对中不良时，波峰翻倍，波形光滑、稳定、重复性好，见下图；（4）摩擦时，波峰多，波形毛糙、不稳定，或有削波，见下图；（5）自激振荡时，波形杂乱、重复性差、波动性大；（6）严重油膜涡动时，因接近半频，振幅大小间隔，反而有点规律，见下图； 瞬态振动时，波形为若干周期的连续衰减；冲击振动时，通频波形上出现小于一个周期的突起后又衰减的波形；虚假信号干扰时，波形瞬间急剧变化，甚至呈直线状，见下图。

动不平衡时，为近似的等幅正弦波不对中时，波峰翻倍，波形稳定、重复性好对中不良时，通频波形图肯定要受到二倍频正弦波的影响，二倍频在通频的一个周期内变化二次，迭加后的波形自然是波峰翻倍。

在上图中，由于工频本身较低，只有16μm，从而使略微偏高的二倍频(18μm)显得较高；此外，由于还存在一些不太大的高次谐波，所以波形不够光滑；各频率成分的幅值较为稳定，波形的重复性好。

总体上看，机组存在对中不良，但程度并不严重。

冲击振动时，在通频波形上出现小于一个周期的突起后又衰减的波形。

虚假信号干扰时，波形瞬间急剧变化，甚至呈直线状。

主要为动不平衡、并存在摩擦的波形频谱图上图为某催化烟机严重结垢时的波形频谱图。

波形主要为较典型的正弦波，幅值很大，为122.5μm ；此外，还存在波峰多、波形毛糙以及单边（正峰）削波现象。

根据烟机运行特点，该烟机主要存在着因催化剂在转子轮盘上粘结而形成的动不平衡，以及催化剂在气封处堆积而产生的较严重局部摩擦。

x (t严重油膜涡动时的波形频谱图油膜涡动严重时，接近于半频的波形必然会对通频波形产生重要影响。

半频的波形是正弦波、周期为通频的二倍，在半频的正峰、负峰分别间隔影响下，迭加后形成了周期内振幅正、负值悬殊大、各周期振幅大小间隔的通频波形，一个周期振幅大，另一个周期振幅小。

5. 频谱图频谱图显示了各振动分量的频率及其振幅值。

横坐标可选择“阶比”或“频率” 。

各种频率所对应的故障可参照前面在多值棒图中的介绍。

正常运转状态下的频谱图通常是：一倍频最大，二倍频次之、约小于一倍频的一半，三倍频、四倍频…x倍频逐步参差递减，低频（即小于一倍频的成份）微量或无，其它频率成分基本上不存在。

看频谱图不能就图论图，因为大多数情况下总是一倍频最大，一定要与历史及正常运转下的频谱图相比较，查找哪些频率成份发生了增大变化，增大的倍率有多大，是否出现新的异常频率成分，各分量的能量水平大不大，等等。

该频谱图中各频率分量的能量水平实际上很小，工频也相对较小。

6. 轴心轨迹图轴心轨迹图显示了转子轴心相对于轴承座涡动时的运动轨迹。

正常的轴心轨迹应该是一个较为稳定的、长短轴相差不大的椭圆。

不对中时，轴心轨迹为月牙状、香蕉状，严重时为8字形；发生摩擦时，会出现多处锯齿状尖角或小环；轴承间隙或刚度差异过大时，为一个很扁的椭圆；可倾瓦瓦块安装间隙相互偏差较大时，会出现明显的凹凸状。

不对中时，轴心轨迹为月牙状、香蕉状、8字形某烟机因催化剂在气封底部堆积造成局部碰摩时前轴承（重载瓦）的轴心轨迹如果轴心轨迹的形状及大小的重复性好，则表明转子的涡动是稳定的；否则，就是不稳定的。

转子发生亚异步自激振动时，其轴心轨迹往往很不稳定，不仅形状及大小时刻在发生较大的变化，而且还会出现大圈套小圈的情况。

轴心轨迹图有原始、提纯、平均、一倍频、二倍频、0.5倍频等多种轴心轨迹，主要看提纯、一倍频、二倍频的轴心轨迹图。

这是因为转子振动信号中不可避免地包含了噪声、电磁信号干扰等超高次谐波分量，使得轴心轨迹的形状变得十分复杂，有时甚至是非常地混乱。

而提纯的轴心轨迹排除了噪声和电磁干扰等超高次谐波信号的影响，突出了工频、0.5倍频、二倍频等主要因素，便于清晰地看到问题的本质；一倍频轴心轨迹可以看出轴承的间隙及刚度是否存在问题，因为不平衡量引起的工频振动是一个弓状回转涡动，工频的轴心轨迹就应该是一个圆或长短轴相差不大的椭圆，而如果轴承间隙或刚度存在方向上的较大差异，那么工频的轴心轨迹就会变成一个很扁、很扁的椭圆，从而把同为工频的不平衡故障和轴承间隙或刚度差异过大很简便地区别开来；二倍频轴心轨迹则可以看出严重不对中时的影响方向等。

通过轴心轨迹图，还可以判断转子的涡动是正进动、还是反进动。

7. 振动趋势图振动趋势图显示了振幅及相位与时间的关系。

通过振动趋势图可以看到异常振动的起始时间、终止时间、持续时间，特别是工频、二倍频、0.5倍频等主要频率的幅值随不间断时间的变化形态，这一点是频谱图、波形图、轴心轨迹图等其它图形都难以实现的，是在线监测的优势。

此外，还可以调看探头间隙电压的趋势，从而确定一次仪表本身有无故障。

例如，由上图中可见，同一轴承处二个测点的工频振幅值及相位一直在同起同落、能上能下地变化，变化过程是由许多小的变化所组成，其中既有渐变（较均匀结垢）、又有小的突变（突然掉落一块），但总体上是缓慢的渐变，振幅值能回落到靠近原正常振动值附近，因此是较典型的转子结垢。

下面是某发电汽轮机高压转子1#、2#轴承的一倍频振动趋势图及探头间隙电压趋势图。

从振动趋势图上看，1#轴承的1X、1Y振动值及相位多次同时发生较大变化，另一端的2Y也同时变化，似乎是真的发生了振动，然而相位反复变化后终回到原值又令人生疑。

但再看间隙电压趋势图，1X、1Y、2Y的间隙电压都在对应的同一时间也发生了较大的变化，根据探头特性，在振动值变化50μm时，间隙电压变化不应超过0.2V,而实际都远远超过（约为0.5~3V），另外2X早已从10V变成了5V而处于失灵状态。

此外，其它各种频率成分也都在同一时间发生了变化。

因此可以认为，这可能是测振系统受到干扰而产生的假象。

某汽轮机测点1X、1Y、2X、2Y一倍频振动趋势图某汽轮机测点1X、1Y、2X、2Y间隙电压趋势图下面二张图是某烟机断叶片时的振动趋势图，上面是通频趋势图，下面是工频趋势图。

从图中可以看到，该烟机于2005年8月3日上午9时39分12秒振动值突然增大，两端轴承4个测点的振动值由正常运转下的15~30μm同时剧烈上升到197~222μm，此变化过程是一个极为明显的突变过程。

通过调看工频、二倍频、0.5倍频、可选频段趋势图，发现工频振动值的变化相对最大，特别是工频的相位也在同一时刻发生了突变，因此是典型的断叶片。

另外，还可以看到，在三分钟内又发生了不很明显的二次、三次振幅和相位变化过程，即断叶片在掉落过程中又引起了其它叶片损伤、断裂、掉落的二次扩大过程。

某烟机断叶片时的通频振动趋势图某烟机断叶片时的工频振动趋势图下面二张图是某空压机透平断叶片的工频趋势图和波形频谱图。

由图可见，此空压机透平于2004年9月27日中午12时18分9秒振动值突然增大，二个轴承四个测点的工频振值同时由30μm左右急剧突变上升到60~90μm左右，相位也同时发生了突变，显然是发生了突发性不平衡，即断叶片故障。

波形图清晰地记录了这一时刻的突变过程，频谱图上丰富、活跃的低频成分佐证了断叶片过程中的碰摩。

然而与上一例的不同之处是，在随后的24小时中并未发生振幅和相位的二次变化，即二次扩大故障。

因此，故障的程度比上一例要轻。

某空压机透平断叶片的工频振动趋势图某空压机透平断叶片时的波形频谱图8. 过程振动趋势图过程振动趋势图显示了机组的过程参数以及振动值与时间的关系。

过程参数为工作介质的进出口压力、温度、流量以及油温、油压、瓦温、轴位移、转速、…、等等。

将过程参数与振动值都放在同一的时间坐标上对故障诊断是非常有帮助的。

上图是汽轮机转子轴位移与振动值的趋势图。

图中显示，在轴位移发生变化的同时，进汽侧轴承两振动值同时发生变化，而排汽侧轴承振动值无变化，因此可以判断这是进汽侧调节汽门动作而引起的正常变化。