机械故障的振动分析及诊断

松 动 ， 1/2X, 1/3X 等 成 分，随负荷变化较大 乌 金 脱 落 ， 1/2X 及 谐 频 ，幅值小于松动谱 瓦 块 损 坏 ， 1/3X 涡 动 ， 调油温有效
油膜振荡
滑 动 轴 承 损 坏 及 松 动 频 谱
齿 轮 故 障 (1)
正常的频谱出现所有转轴 的1X和啮合频率(GMF)。 齿轮啮合频率的两侧有转 速边带，其峰值较小。
不 对 中 A
角 不 对 中
典型的频谱 相位关系
角不对中产生较大的轴向振动，频谱成分为 1X 和2X；还常见1X、2X或3X都占优势的情况。
如果 2X 或 3X 超过 1X 的 30 ％到 50 ％，则可认为是 存在角不对中。
联轴节两侧轴向振动相位相差180度。
不 对 中 B
平 行 不 对 中
正常齿轮的频谱
齿磨损：齿轮固有频率出 现，且有磨损齿轮所在轴 的转速边带 磨损明显时，啮合频率附 近也会出现较高峰值的边 带。
齿轮磨损时的频谱
齿 轮 故 障 (2)
齿轮偏心：啮合频率附 近有较高幅值的边带往 往说明齿轮偏心、游隙 或轴不平行。 啮合频率峰值随负载的 增大而增大。 齿轮不对中：几乎总是 激起啮合频率二次或更 高 谐 次 的 振 动 ， 且 2X 或 3X 啮合 频 率 处 峰 值较大 ；它们都有转速的边带 频率。
振动分析的过程：问诊→
诊断：引起振动的原因和部位
• •
监测别 频谱分析、峰值能量谱分析 频响特性与相干分析 瞬时频率变化与相位分析
措施：给出结论
• •
继续运行；还能运行多久? 维修、检查；部位?
不同设备故障的振动特点
不 平 衡
常 见 的 设 备 故 障
典型的频谱

相 位 关 系



平行不对中的振动特性类似角不对中，但 径向振动较大。 频谱中 2X 较大，常常超过 1X ，这与联轴节 结构类型有关。 角不对中和平行不对中严重时，会产生较 多谐波的高谐次（4X~8X）振动。 联轴节两侧相位相差也是180度。
不 对 中 C
轴 承 不 对 中
典型的频谱
转 子 摩 擦
严 重 摩 擦
• • • • 轴径和滑动轴承钨金干摩 电动机转子与定子接触 叶轮与扩压器口接触 汽轮机叶片与静叶
轻 微 摩 擦
• • • •
轴与汽封摩擦 联轴器罩摩轴 皮带摩擦皮带罩 叶片摩擦外罩
典型的摩擦波形


转子在转动过程中与定子的摩擦会造成严重的设备故障 在摩擦过程中, 转子刚度发生改变从而改变转子系统的固有频率 , 可能造成系统共振。 往往会激起亚谐波振动 (1/2X, 1/3X.), 严重时出现大量的谐频 (1/2X, 1.5X, 2.5X...)，并伴随有噪音。
轴
典型的频谱 相位关系
弯
曲
振动特征类似动不平衡，振动以 1X 为主，如果弯曲 靠近联轴节，也可产生 2X 振动。类似不对中、通常 振幅稳定，如果 2X 与供电频率或其谐频接近，则可 能产生波动。
轴向振动可能较大，两支承处相位相差180度。
振动随转速增加迅速增加，过了临界转速也一样。
不
典型机械故障的 振动分析及诊断
振动的基本概念
cx kx f ( t ) mx
惯性力 阻尼力 弹性力 干扰力
表征振动的三个要素：
振动幅值、频率（周期）、相位
有阻尼的强迫振动及其特性
W/Wo
W/Wo
现场设备实际的振动波形
振动信号的采集与处理
快速富里叶 分析(FFT) 原理
力 偶 不 平 衡
典型的频谱
相位关系




同频占主导，相位稳定。振幅按转速平方 增大。需进行双平面动平衡。 偶不平衡在机器两端支承处均产生振动， 有时一侧比另一侧大 较大的偶不平衡有时可产生较大的轴向振 动。 两支承径向同方向振动相位相差180。
质 量 不 平 衡 C
动 不 平 衡
典型的频谱 相位关系
偏 心 转 子 轴 弯 曲 不 对 中 松 动 转子与定子摩擦 滑 动 轴 承
力不平衡 力偶不平衡 动不平衡 悬臂转子不平衡
角不对中 平行不对中 轴承不对中 联轴节故障 结构框架/底座松动 轴承座松动 轴承等部件松动 齿轮磨损 齿轮偏心 齿轮不对中
滚 动 轴 承
齿 轮 故 障
质 量 不 平 衡 A
齿轮偏心的频谱
齿轮不对中时的频谱
两支承处轴向振动相位接近。
往往是力不平衡和力偶不平衡同时出现
偏 心 转 子
典型的频谱
相 位 关 系
当旋转的皮带轮、齿轮、电机转子等有几何偏心 时，会在两个转子中心连线方向上产生较大的 1X 振动；偏心泵除产生 1X 振动外，还由于流体不平 衡会造成叶轮通过频率及倍频的振动。 垂直与水平方向振动相位相差为0或180。 采用平衡的办法只能消除单方向的振动。
• 位移：不易用于轴承的 监测。 • 加速度：可早期发现轴 承的故障征兆 ，应与速 度联用。 • 使用包络技术或gSE
振动监测的最终目的是通 过跟踪轴承状态了解何时 需要更换轴承.
滚 动 轴 承 故 障 谱 特 征 (1)


第一阶段： 轴承故障出现在超声段 20 ～ 60KHz, 它们可用 gSE 、高频 (HFD)g 来测量、评定。例如： 某轴承在第一阶段的尖峰能 量值为 0.25gSE( 实测数值与 测试位置和机械转速有关)。 第二阶段： 轻微的轴承故障开始“敲击” 出轴承元件的固有频率段， 一般在500～2KHz范围内；本 阶段后期表现为，在固有频 率附近出现边频（例： 0.25gSE ～0.5gSE ）
C.
轴承在轴承座内松动或部件配合松动
包括如下几方面的故障 •轴承在轴承座内松动 •轴承内圈间隙大 •轴承保持架在轴承盖内松动 •轴承松动或与轴有相对转动

振动特征: • 常常出现大量的高次谐频，有时10X，甚至20X，松 动严重时还会出现半频及谐频 (0.5X, 1.5X..) 成 分。 • 半频及谐频往往随不平衡或不对中等故障出现。 • 振动具有方向性和局部性。 • 振动幅值变化较大，相位有时也不稳定。
用振动分析方法监测设备状态
分析方法





幅值分析：振动总值（振动水平、列度）、变化 趋势、机械动态特性 频谱分析：引起设备振动原因的具体分析 相位分析：设备振动原因的进一步确认、共振 （相频特性）、动平衡分析 波形分析：振动总值（峰值、峰峰值…）、周期、 拍节 峰值能量谱分析：轴承、齿轮…
振动分析的过程：问诊→
监测→ 诊断→ 措施
问诊：了解设备背景，列出可能引起振动的原因
• •
•
设备结构（传动链参数，如齿轮齿数、轴承型号、皮带轮直径 等）、设备的动态特性等信息; 设备运行工况，过程参数：温度、压力、转速、负荷 设备维修档案
监测: 确定振动监测和分析方案
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• •
•
测试的工况（转速、负荷）；测点位置；测试参数（振动位移、 速度、加速度）；绝对振动、相对振动 测试振动的方向（H/V/A） 数据类型（幅值、频谱、波形、相位） 信号检测类型：峰值、峰峰值、有效值

振动特征: • 类似不平衡或不对中，频谱主要以1X为主。 • 振动具有局部性，只表现在松动的转子上。 • 同轴承径向振动垂直，水平方向相位差0或180度。 • 底板连接处相邻结合面的振动相位相差180度。 • 如果轴承紧固是在轴向，也会引起类似不对中的轴向 振动。
B.
由于结构/ 轴承座晃动或开裂引起的松动
润 滑 油 不 足 引 起 的 频 谱
滚 动 轴 承
有资料显示仅有 10 ％～ 20 ％的轴承达到或接近设计 寿命 . 其余部分因为如下 各种原因达不到设计寿命:
润滑不当, 使用错误的润滑 剂；润滑剂或轴承内混入赃 物或杂质；运输或存放不当 ；选型不当、安装错误等.
监 测 参 数 的 选 择
滚 动 轴 承 故 障 谱 特 征 (2)

第三阶段：
轴承出现磨损故障频率和 谐波出现； 磨损发展时 出现更多故障频率谐波， 并且边带数目增多，振动 尖峰能量值继续增大。

第四阶段：
这一阶段甚至影响 1X 分量， 并引起其它倍频分量 2X、 3X等的增大。轴承故障频 率和固有频率开始“消失” 被随机振动或噪音代替， 高频量和尖峰能量值很大。

对
中


有资料表明现有企业在役设备30 ％－ 50 ％存 在不同程度的不对中，严重的不对中会造成 设备部件的过早损坏，同时会造成能源的浪 费。 不对中既可产生径向振动，又会产生轴向振 动；既会造成临近联轴节处支承的振动，也 会造成远离联轴节的自由端的振动。不对中 易产生 2X 振动，严重的不对中有时会产生类 似松动的高次谐波振动。 相位是判断不对中的最好判据。
滚 动 轴 承 故 障 频 谱
滚 动 轴 承 故 障 前 后gSE 谱
滑 动 轴 承



滑动轴承摩擦后期通常出现一系列 倍频成分（多达10X～20X）。 老的滑动轴承往往产生垂直方向比 水平方向振幅更大的振动。 间隙过大的滑动轴承可能会导致不 平衡、不对中等引起的振动更大。
摩擦/间隙过大的频谱
包括如下几方面的故障 • 结构或轴承座开裂 • 支承件长度不同引起的晃动 • 部件间隙出现少量偏差时( 尚无碰撞) • 紧固螺丝松动。

振动特征: • 主要以2X为特征(主要是径向2X超过1X的50%) • 幅值有时不稳定 • 振动只有伴随其它故障如不平衡或不对中时才有表现， 此时要消除平衡或对中将很困难。 • 在间隙达到出现碰撞前，振动主要是 1X 和 2X ；出现碰 撞后，振动将出现大量谐频。
力 不 平 衡
典型的频谱 相位关系