旋转设备故障诊断轴心轨迹分析
旋转机械常见故障诊断分析案例
第5章旋转机械常见故障诊断分析案例积累典型设备诊断案例在设备监测诊断工作中具有重要作用。
首先它为设备诊断理论提供支撑。
常见的设备故障有成熟的理论基础，一个成功的案例通常是诊断理论在现场正确应用和诊断人员长期实践的结果。
典型诊断案例具有强大的说服力，一次成功而关键的诊断足可以改变某些人根深蒂固的传统观念，对现场推广设备诊断技术具有重要意义。
其次它为理论研究提供素材。
在医学上，由典型的特例研究发现病理或重大理论的案例很多。
设备故障的情形多种多样，现场疑难杂症还比较多，有许多故障很难用现有理论解释，只能作为诊断经验看待，这种经验有没有通用参考价值，需要在理论上进行说明。
另外，有许多案例无法在试验室模拟，而它们在不同的现场又常常出现，因此典型案例为同行提供了宝贵经验和经过证实的分析方法。
诊断人员可以参考相似案例的解决方案解决新的问题，提供快速的决策维护支持，并为基于案例的推理方法提供数据基础。
典型案例分析的重要性还表现在它是监测诊断人员快速成长的捷径。
目前实用的振动诊断方法、技术和诊断仪器已经相当完善，而许多企业在诊断技术推广应用方面存在困难除了思想观念方面的原因外，更主要的原因是缺乏专业人才。
研究案例的一般做法是，从新安装设备或刚检修好的设备开始，可以选择重点或典型设备进行监测，根据不同设备制定不同的监测方案和监控参数，定期测试设备的振动，包括各种幅值、振动波形和频谱等。
如果设备出现劣化迹象或异常，要缩短监测周期，倍加留心振动波形和频谱的变化，注意新出现的谱线及其幅值的变化，在检修之前做出故障原因的判断。
设备检修时要到现场，了解第一手资料，全程跟踪设备拆检情况，掌握设备参数（如轴承型号，必要时测量有关尺寸、齿轮齿数、叶片数、密封结构、联轴器和滑动轴承形式等），做好检修记录（有时需要拍照记录），比较自己的判断对在哪里，错在哪里，进行完善的技术总结。
几个过程下来，水平自然有很大提高。
总之，添置几件诊断仪器是很容易的事，诊断成果和效益的产生不是一朝一夕的事，需要柞大量艰苦、细致的工作，长期积累设备的状态数据，对此应有应清醒地认识。
旋转机械设备常见故障特征分析
第三部分：旋转机械设备常见故障特征分析一、系统共振特点：振动值在某一转速附近突变，振动相位在某一转速下发生约180度相位翻转，振动波形近似于简单正弦波形二、基础松动特点：信号具有丰富的高频谐波分量，振动具有明显的方向性，振动产生1/2,1/3RPM等分数倍亚谐波，存在1X,2X,3X,4X,5X,6X,7X,8X等谐波分量，支座同设备连接的不同元件振动大小相差较大。
三.质量不平衡特点：1X频率成分大 ,Amp(1X)至少大于总振幅50%，相位稳定，幅值稳定，振幅随RPM的平方成正比，水平与垂直方向约有90度相变(+-30度)。
四.不对中故障特点：振动二倍频较大，负荷升高，振动逐渐增大，轴心轨迹香蕉形。
轴心轨迹正进动。
两轴承油压反方向变化。
五.轴初始弯曲故障特点：轴承1X幅频特性呈丘陵状，振动与负荷无关，相频非单调变化六、齿轮故障1.齿轮特征频率计算2.齿轮断齿故障特点：啮合频率GMF或其谐波两侧出现转速的边带簇，时域信号有明显等间隔冲击，设备有冲击异音，时域波形峭度值大。
3.齿轮不对中特点：存在齿轮高次啮合频率谐波,1GMF较小，但2GMF，3GMF振幅较大,GMF的边频距离可为2RPM，甚至为3RPM。
4.齿面磨损特点：信号存在齿轮自振频率，且该频率处存在边带，啮合频率GMF 或其谐波两侧出现转速的边带簇，存在较大的齿轮啮合频率GMF。
七、滚动轴承故障1.轴承特征频率计算4.轴承部件缺陷(内圈,滚动体剥落,滚道剥落等)特点：轴承缺陷频率和谐波成分丰富，时域波形有冲击，存在轴承内圈特征频率(BPFI)，存在轴承外圈特征频率(BPFO)，边带成分较明显或突出。
3.轴承间隙不当特点：振动分量1X,2X,3X占主导地位，1X~8X谐波成分丰富，轴承温度偏高，存在明显的(0.4~0.9)X范围的频率值。
轴承新近调整安装，存在轴承外圈特征频率(BPFO)。
4.轴承磨损特点：轴承缺陷频率和谐波成分丰富，存在较宽的随机高频振动带，边带成分较明显或突出，轴承温度偏高。
旋转机械设备故障诊断技术分析
旋转机械设备故障诊断技术分析摘要：通过对大量旋转机械设备故障进行诊断技术的分析研究，对现今国内设备进行分析研究的基本诊断方法，掌握常用的故障诊断技术，对设备的振动故障进行诊断，分析故障的成因，从根本上减少设备故障的发生，降低故障发生的频次，提高整体生产效率，降低设备维护成本，提高整体利润。
关键词：设备;故障诊断;旋转机械1、旋转机械设备故障诊断概述旋转机械在工业生产中占有举足轻重的地位，是生产过程当中很重要的设备之一。
由于在日常生产生活当中，有很多因素不受人为因素控制，会产生不好的后果，带来巨大的损失，产生较为严重的后果。
1.1什么是故障诊断技术故障诊断也称诊断，是用来检查寻找故障的程序称为诊断程序，对其它设备或系统执行诊断的系统称为诊断系统。
要对系统进行故障诊断，首先必须通过对设备诊断所需信息进行筛选、分析处理后，根据设备状态运行参数等等，最终给出解决方案，做出正确的诊断，实现故障恢复。
就本系统而言，为保证旋转机械系统稳定性，专门设计了设备运行状态监测，运行状态趋势预报，以及故障类型、原因诊断等在内的故障诊断方案。
1.2设备故障诊断的基本分类及步骤故障诊断方法可以分成两大类：基于数学模型的故障诊断方法、基于人工智能的故障诊断方法。
设备故障诊断的实施过程基本如下：通过信号采集系统将诊断系统的数字信号进行采集，经过分析记录仪以及信号采集系统将结果传递给计算机系统进行分析诊断。
本文主要是通过对旋转机械振动基于数学模型的诊断，基于模糊数学的诊断方法，不需要建立精确的数学模型，适当的运用局部函数和模糊规则，进行模糊推理就可以实现模糊诊断的智能化。
本文系统的论述实施设备故障诊断的意义与应用前景。
2、旋转机械设备故障诊断技术2.1旋转机械故障的灰色诊断技术灰色诊断技术就是在故障诊断中应用灰色系统理论，利用信息间存在的关系，充分发挥采集到的振动信息的作用，充分挖掘振动信息的内涵，通过灰色方法加工、分析、处理，使少量的振动信息得到充分的增值和利用，使潜伏的故障原因显化。
旋转机械的振动监测与故障诊断
油膜振荡
其它故障
状态监测 故障诊断
三、旋转机械典型故障的机理和特征
转子不对中通常是指相邻两转子的轴心
转 子 不 平 衡 线与轴承中心线的倾斜或偏移程度。
转 子 不 对 中
转子碰摩
转子不对中可分为联轴器不对中和轴承不
油 膜 振 荡 对中，联轴器不对中又可分为平行不对中、
其 它 故 障 偏角不对中和平行偏角不对中三种情况。
二、 旋转机械振动监测参数与分析
1.常态频域分析
(4)拍
监测参数
振 动 分 析
状态监测 故障诊断
二、 旋转机械振动监测参数与分析
1.常态频域分析
(5)频率和差规律
监测参数
振 动 分 析
状态监测 故障诊断
二、旋转机械振动监测参数与分析
1.常态频域分析
(6)轴心轨迹
监测参数
振 动 分 析
状态监测 故障诊断
状态监测 故障诊断
三、旋转机械典型故障的机理和特征
1. 联轴器不对中
转子不平衡
转 子 不 对 中
转子碰摩 油膜振荡 其它故障
(1)平行不对中
状态监测 故障诊断
三、旋转机械典型故障的机理和特征
1. 联轴器不对中
转子不平衡
转 子 不 对 中
转子碰摩 油膜振荡 其它故障
(2)偏角不对中
状态监测 故障诊断
转子不对中 转子碰摩 油膜振荡 其它故障
(3)表示各圆盘中心位移的复数向量相角是不同的，因 此轴线弯曲成空间曲线，并以转子转速绕OZ轴转动。
状态监测 故障诊断
三、旋转机械典型故障的机理和特征
转子不平衡振动特征:
转 子 不 平 衡
转子不对中 转子碰摩
轴心轨迹图分析-机械故障诊断
轴心轨迹在时域中使用两个数据通道来显示，来自两个通道的信号绘制在X 和Y平面上，以显示轴位置变化与旋转角度的关系。
轴心轨迹显示给出了旋转轴运动的二维视觉图像。
该功能位于晶钻仪器动态信号分析系统中的后处理软件（PA）中。
一个平衡良好的轴，在任何方向都不会移动，并会在（轴心轨迹）图中间产生一个点。
轴运动可以给出振动源的指示，例如如果有很多上/下运动，可能是机座没有拧紧。
要创建轨迹图，您需要采用双通道同时测量水平轴和垂直轴上的数据。
位移或加速度传感器位置必须相互间隔90°。
轴心轨迹显示采用时域中的测量对。
它不需要阶次跟踪技术。
轴心轨迹显示格式类似于极点显示，但它由2个彼此垂直的信号构成。
通常，它与轴的当前旋转速度相关联。
目前晶钻在手持式动态信号分析仪CoCo-80X上专门设计了一个Rotor Dynamics测试功能，即转子动力学分析。
包括轴心轨迹图、阶次相位跟踪等，当数据被获取和分析时，可以实时查看测量结果。
在线显示包括时间历史、轨道图、阶次谱、阶次轨迹、瀑布图、频谱图和等高线图。
用户还可以查看以时间变量的瞬时RPM函数。
手持式动态信号分析仪CoCo-80X 轴心轨迹图显示
杭州锐达数字技术有限公司是美国晶钻仪器公司中国总代理，负责产品销售、技术支持与产品维护，是机械状态监测、振动噪声测试、动态信号分析、动态数据采集、应力应变测试等领域的供应商，提供手持一体化动态信号分析系统、多通道动态数据采集系统、振动控制系统、多轴振动控制系统、三综合试验系统和远程状态监测系统等。
旋转机械故障诊断 1
圆盘惯性力 ＋ 轴弹性力 ＝ 偏心的离心力
y C e r A
x
O
由上式中解出x和y,并求得振幅r。
4
第六章 旋转机械故障诊断
O’
m A k
O
y C e r A
O
5
第六章 旋转机械故障诊断
令z x iy z 2 n z n z 2 eit 2 其中 n k m; c , 称为阻尼比 ; 2m n
；
2 n ; tan( ) 2 ） （ 1 n
z A ei (t－ )，z为轴心位置;
8
第六章 旋转机械故障诊断
9
第六章 旋转机械故障诊断
10
第六章 旋转机械故障诊断
结论1
• 由圆盘质量偏心的不平衡响应产生两种运动 ，一是圆盘以角速度绕自己轴心的自转， 一是轴心以角速度 绕圆盘的静挠曲线的涡 动。 • 若无阻尼（＝0），当 n 时，振幅趋于 无限大。由于实际中存在阻尼，此时振幅会 达到一个有限的峰值。
2
第一项很快衰减为 ； 0 第二项为：
（ ） it e ; 1（ n）＋i2 n
2
7
n
2
第六章 旋转机械故障诊断
其幅值及角度为：
A 2 ） （ n
2 2 ） ＋4 2 2 （ 1 n n
由于外部激振力或激振位移引起的
振动频率 = 工作频率 （同步振动） 振动频率随转速变化而变化，呈比例关 系 振幅随转速增加而增加，达到临界转速 时振幅出现峰值，然后则随转速之增加 而减小，趋于某定值 阻尼对临界转速无影响，但对共振峰的 高低有较大影响
旋转机械故障诊断-不平衡
6.1 转子不平衡故障诊断
• 转子运动的力学模型
6.1 转子不平衡故障诊断
• 转子在低速时，G在C的外侧，且O、C、G三点成一直线。当不计圆盘 重力影响和系统阻尼时，转子受到的离心力m(e+δ)w2与弹性恢复力k δ相 平衡，即可得到圆盘处的动挠度公式：
w e w 2 ew n 2 k w2 1 w m w n
6.1 转子不平衡故障诊断
• 6.1.4.2 转子运行中的不平衡 • 转子在运行过程中的不平衡，可分两类情况：
• 为转子弯曲 • 原始平衡状态破坏
• （1）转子弯曲
• 永久性弯曲 • 临时性弯曲
6.1 转子不平衡故障诊断
• a、临时性弯曲 • 指转子因外部环境影响或外力的作用而产生弯曲变形，这种变 形不需经过动平衡，而是只需采取一些简单的措施（如经过低 速长时间盘车方式）或改变操作方式即可减缓或消除不平衡振 动。 • 常见的临时性弯曲主要有下列几种情况。
• 6.1.4.1 固有质量不平衡 • 固有质量不平衡：是指转子在原始状态下已经存在的不平 衡，而与操作运行情况无关。 • 主要原因有：设计错误、材料缺陷、加工与装配误差、动 平衡方法不正确等问题。
6.1 转子不平衡故障诊断
• 固有质量不平衡将在转子上产生稳定的每转一次的转速频 率振动，在给定转速下其幅值和相位在短时间内一般不随 时间变化。 • 防治办法：改善转子的平衡状态来降低转子的激振力。 • 很多高速的大型机组，联轴节与转子之间正确的平衡方法 是很重要的。联轴节制造厂在出厂前一般都做了整体动平 衡，半联轴节应该紧紧配合在轴上与转子一起动平衡，但 是转子动平衡时不允许在联轴节中间套或半联轴节上再去 重或配重，否则将破坏整个轴系的平衡状态，产生新的不 平衡。
机械故障诊断-轴心轨迹
实验项目（实验名称）轴心轨迹测量实验实验日期（年月日）实验地点（楼和门牌号）同组人(不含本人）实验台号（型号和序号）实验类型□验证性□综合性□√设计性□研究性□其他（在相应处画“√”）一、预习内容在回转机械状态监测与诊断中,常利用轴系同一截面上两路相互垂直的振动信号合成轴心轨迹来监测其运行状态和故障类型。
轴心轨迹直观地反映了转子瞬时运动状态,其形状和动态特性包含了丰富的故障征兆信息。
由于它可以直观、形象地表达出设备的运行状况,因而在诊断系统中得到广泛的应用。
几种常见故障的转子轴心轨迹如图1所示。
图1是在理想状况下常见的转子轴心轨迹图,它们分别对应着一种或者几种故障类型。
(a)是椭圆形图,它代表的是转子不平衡故障;(b)是芭蕉图,它代表的是转子不平衡和转子不对中综合故障;(c)是八字图,它代表的是转子不对中故障;(d)是内环图,它代表的是油膜涡动故障;(e)是无规则图,它代表的是油膜振动故障。
二、实验目的1、了解和掌握电涡流传感器测量的原理和方法，2、熟悉仪器及软件操作；3、观察转子台在转动时，转轴所产生的径向振动时域波形图；4、掌握回转机械轴心轨迹测量方法。
三、实验仪器设备1、计算机一台2、DRVI快速可重组虚拟仪器平台一套3、打印机一台4、转子实验台一套5、USB数据采集仪一台四、实验原理电涡流传感器采集到转轴的径向振动信号，将信号通过信号电缆送入转子台控制器，转子台控制器对信号调理后，将信号送入动态数据采集分析仪，在数据采集仪内实现模拟信号抗混滤波、A/D转换等步骤，最终转换为上层分析软件可处理的数字信号，最后将数字信号上传到计算机的分析软件，实现用户所需的各种分析功能。
电涡流传感器探头是系统的一个必要组成部分，它是采集、感受被测体信号的重要部分，它能精确地探测出被测体表面相对于探头端面间隙的变化。
通常探头由线圈、头部保护罩、不锈钢壳体、高频电缆、高频接头组成。
线圈是探头的核心部分，它是整个传感器系统的敏感元件，线圈的电气参数和物理几何尺寸决定传感器系统的线性量程及传感器的稳定性。
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旋转设备故障诊断轴心轨迹分析
轴心位置分析：
1、轻微不对中,轴心轨迹则呈椭圆形;
2、在不对中方向上加一个中等负载,轴心轨迹变为香蕉形;
3、严重不对中故障会使转子的轴心轨迹图呈现外“8”字形,这种具有8字形的轴心轨迹,一般表现为二倍频或四倍频的成分较大。
4、轴心轨迹呈“8”字型,是典型的不对中故障所致。
最大的可能是2号轴承附近的发电机与同步机之间的联轴器对中超差。
转子存在动、静不平衡,存在初始弯曲或热弯曲或轴系不平衡。
而引起轴振动二次谐波幅值高的主要原因是各段轴对中不良,联轴器精度低,轴和轴瓦不同心,轴瓦歪斜等。