机器故障诊断

1. 机器故障诊断 闫述

2. 内容提要 • 机器故障诊断简介 • 不平衡 • 不对中 • 松动 • 滚动轴承故障 • 其它

3. 故障诊断简介 • 1、认识频谱 • 2、了解机器 • 3、从熟悉的方面入手 • 三大故障：不平衡、不对中、滚动轴承 • 四大故障：不平衡、不对中、滚动轴承、松动 • 更进一步：共振

4. 内容提要 • 机器故障诊断简介 • 不平衡 • 不对中 • 松动 • 滚动轴承故障 • 其它

5. 不平衡：简介 • 定义：不平衡就是质量和几何中心线不重合所导致的一种故障状态。 • 现象：当转子旋转时，其“重心”产生一个离心力作用在轴承上，该力的大小随着转子的旋转而稳定的变化。

6. 不平衡的严重程度 对于小型设备，其振动极限可减小4dB（×0.63）；对于低速的大型设备，其振动极限可增加4dB（×0.63）；对于高速往复设备，其振动极限可增加8 dB（×2.5）。

7. 不平衡的两种基本类型 • 静态不平衡 • 动态不平衡 • 偶不平衡

8. 不平衡：机器安装方式 • 垂直安装 • 无论是哪个部件出现不平衡，都会在电动机末端产生最大的1×基频振幅 • 在径向（水平或垂直方向）上进行测量，频谱上会出现一个很强的基频波峰 • 悬吊式安装 • 在轴向、垂直和水平三个方向上都观测到同样的显示 • 我们应该在最靠近叶轮或风扇叶片的轴承上进行测量

9. 不平衡产生的原因 • 初始安装 • 风扇转子堆积不均匀污垢 • 材质均匀性差 • 配件尺寸不同 • 偏心转子 • 转子上有裂缝 • 滚子偏转 • 机加工误差 • 电机绕组质量分布不均匀 • 转子不均匀腐蚀 • 失去平衡重

10. 不平衡的数据分析 • 特点 • 时域：正弦波形 • 频域：1X基频波峰 • 不要误诊 • 不对中 • 松动 • 轴弯曲 • 转子偏心 • 并发：不对中、松动等

11. 不平衡例一：锅炉灰斗冲洗泵

12. 不平衡例二：黑色液体泵

13. 不平衡：偏心

14. 内容提要 • 机器故障诊断简介 • 不平衡 • 不对中 • 松动 • 滚动轴承故障 • 其它

15. 不对中：简介 • 定义：不对中是指相互耦合的一对轴的中心线不重合。 • 分类： • 轴线角度不对中 • 平行不对中

16. 轴线角度不对中 • 轴线角度不对中使每个轴都产生弯曲力矩 • 轴向上：很强的1X振动+较弱的2X振动（反相） • 径向上：较强的1X振动+2X振动（同相）

17. 平行不对中 • 平行不对中会在每个轴的耦合端产生剪切和弯曲力矩。 • 径向：很强的1X+2X振动（异相） • 轴向：较弱的1X+2X振动（反相）

18. 常见不对中 • 实际上大多数的不对中案例都是轴线不对中和平行不对中的组合。

19. 不对中与不平衡的区分 • 提高机器转速 • 不平衡：振幅与速度的平方成正比 • 不对中：振动不随速度发生变化 • 断开连接

20. 温度的影响 • 由于热胀冷缩，机器的最佳对中状态往往只发生在某一个特定的工作温度下，我们期望这个温度就是机器正常工作时的温度 • 对机器的不对中振动监测必须在正常工作温度下进行。

21. 不对中的原因 • 不精确装配 • 安装后元部件的相对位置发生移动 • 管道系统压力造成的扭曲变形 • 扭矩引起的柔性支撑扭曲变形 • 温度变化线起的机器变形 • 耦合面与轴线不垂直 • 地基柔性太大

22. 不对中实例

23. 轴的弯曲 • 轴的弯曲是引起高1X基频轴向振动的主要原因 • 如果轴的弯曲出现在靠近轴中心的位置，那么振动的主体通常出现在1X基频 • 如果弯曲出现在耦合处，你还会发现2X振动

24. 偏翘轴承 • 偏翘轴承也是不对中的一种形式，它会产生很强的轴向振动。 • 我们通常会在1×、2×及3×处看到有波峰出现。

25. 内容提要 • 机器故障诊断简介 • 不平衡 • 不对中 • 松动 • 滚动轴承故障 • 其它

26. 松动 • 在实际中存在有两种类型的松动：旋转松动和非旋转松动 • 旋转部件的松动是由于旋转件和类似轴承的固定件间的间隙太大所造成的 • 非旋转性的松动一般是出现在两个固定的部件之间，例如基脚与地基、机器和轴承箱间的松动

27. 旋转松动的现象 • 初期1X谐波，之后谐波序列的数量和振幅都将增加。 • 间隙过大会产生0.5X的谐波

28. 旋转松动实例

29. 结构松动 • 机器与地基之间的松动会使其最小刚性方向上的1×振动升高。 • 当松动很严重时常常会产生一些低阶的1×谐波，甚至是0.5X谐波 • 机器与地面在垂直方向上有180度的相差。

30. 结构松动例：交流电动机驱动离心泵

31. 转子摩擦 • 摩擦的频谱中有1X谐波，并且常伴有半阶的谐波，通常会激起多倍共振

32. 滑动轴承 • 滑动轴承出现间隙问题时，它的频谱上会出现很强的1X谐波 • 问题严重的时候，频谱中会出现分数阶的谐波 • 大多数情况下，垂直方向上的振动要高于水平方 向上的振动

33. 滑动轴承（续） • 油膜涡动 • 油膜涡动会引发0.38×~0.48×间的高强度振动。 • 油膜涡动是很严重的故障，一旦发现就需要立即修正，因为它会迅速损坏轴承内的金属接触面 • 油膜振荡 • 油膜振荡是一种破坏性非常强的故障，它有时发生在以超临界速度运转的大型转子设备上 • 当油膜涡动激发的振频与转轴的固有频率相匹配时就会出现油膜振荡

34. 共振 • 共振是激振频率接近机器结构固有频率时的一种工作状态 • 一个典型的部件可能有多个固有频率 • 一旦振动频率达到这个值结构就会发生共振，而如果振动频率稍一变化共振就会消失 • 共振在振动频谱中表现为一波峰，且共振频率不随机器的速度变化而变化

35. 测试固有频率的方法 • 连续冲击实验 • 在碰撞测试中，使用一个重物，如一块木材，碰撞机器，并同时记录其振动数据。这个记录的振动频率就是固有频率 • 提速或降速测试 • 数据采集器可以采集机器开关时的振动数据，并同时测量其转速数据 • 变速测试 • 选择一个可以在大范围内调整速度的机器，然后在测试中不断的改变转速并记录其振动数据

36. 内容提要 • 机器故障诊断简介 • 不平衡 • 不对中 • 松动 • 滚动轴承故障 • 其它

37. 滚动轴承的现状 • 仅10%以下的轴承能运行到设计寿命年限 • 大约40%的轴承失效是由于润滑引起的故障 • 30%失效是由于不对中或“卡住”等装配失误 • 还有20%的失效是由过载使用或制造上的缺陷等其它原因所致

38. 滚动轴承的特征频率计算 • 有四个值得关注的特征频率： • 球过内圈频率（BPI） • 球过外圈频率（BPO） • 保持架转速频率（FT） • 球的自旋频率（BS）

39. 滚动轴承的特征频率计算(续) N：相对转速 n：滚珠个数

40. 轴承故障的九个阶段：1 • 第一阶段 • 在轴承失效的最初阶段，其频率范围大约在20KHz~60 KHz之间——或许更高。有多种电子设备可以用来检测这些频率，包括峰值能量、HFD、冲击脉冲、SEE等超音频测量装置。在这个阶段，普通的振动频谱上看不到任何迹象。

41. 轴承故障的九个阶段：2 • 第二阶段 • 现在轴承上的庇点增大，使它在共振（固有）频率处发出铃叫声。 • 同时该频率还作为载波频率调制轴承的故障频率

42. 轴承故障的九个阶段：3 • 第三阶段 • 现在开始出现轴承故障频率

43. 轴承故障的九个阶段：4 • 第四阶段 • 随着故障的发展，故障频率将产生谐波 • 这表明发生了一定程度的冲击

44. 轴承故障的九个阶段：5 • 第五阶段 • 随着故障状态的恶化，轴承的损坏更加严重，振动级将继续升高，同时出现更多的谐波 • 由于故障自身的性质，这时还会出现边频带 建议更换轴承

45. 轴承故障的九个阶段：6 • 第六阶段 • 现在，1×处的幅值将增大，并出现1×的谐波 • 这是由于磨损引起间隙增大的结果

46. 轴承故障的九个阶段：7 • 第七阶段 • 现在我们看见故障频率及其边频带变成峰丘状（经常被叫作“干草堆”） • 在靠近机器的地方，你还能听到轴承发出的噪声 尽快订购新轴承

47. 轴承故障的九个阶段：8 • 第八阶段 • 上述频谱中的“干草堆”将继续扩大，谐波随着松动的增加而增大 • 你能清晰的听到轴承发出的声音，这预示着轴承即将报废

48. 轴承故障的九个阶段：9 • 第九阶段 • 频谱会变得平直 • 机器已经不能运转了！

49. 解调 • 解调步骤： • 原始信号 • 高通 • 搬移至基带 • 低通 • 得到解调结果

50. 解调和轴承分析（续）