机械故障诊断.docx

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机械故障诊断

机械故障诊断培训教程

第一节北京京航公司一从事机械故障诊断的高科技企业

北京京航公司隶属中国运载火箭技术研究院，是一家高科技企业。

公司主要从事旋转机械故障诊断方面的理论研究。

产品开发与经营。

公司成立十多来年，充分发挥航天技术优势，成为国内机械设备诊断行业中首屈一指的科、工、贸一体化企业。

本公司产品门类齐全，性能优良。

相继推出HG-2500系列袖珍式测振测温仪；HG-8300双通道及HG-8400多通道数据采集，振动分析，旋转机械及电机诊断专家系统；HG-8500机器故障诊断仪；HG-3500系列数据采集及故障分析，设备管理系统。

产品广泛应用于石油、化工、钢铁、电力、铁路、烟草等大、中型企业的设备管理、维修及监测。

产品通过了国家计量院型式注册检定，获得北京市技术监督局的CPA证书及CMC证书。

十多年来，公司产品以可靠的质量，优越的性能价格比赢得国内广大用户的信赖，并已批量出口，远销英国、南非等地。

第二节状态维修-设备维修的根本性革命

大家知道，当前我国对设备的维护仍采用传统的计划、定期维修。

而这种方式带有很大盲目性，设备有无故障、故障类型、故障部位、故障程度难以准确把握。

另外，由于良好部位的反复拆卸，机械性能往往不理想，甚至低于检修前。

而且，没有必要的超前维修，带来人力、物力的巨大浪费。

故障诊断仪器的广泛应用，使对机械设备的维护由计划、定期检修走向状态、预知检修变为现实，使机械设备的维护方式发生了根本性革命。

状态监测避免了机械设备的突发故障，从而避免了被迫停机而影响生产；机械状态分析为预知机械设备的维修期提供了可靠依据，即可做到测量表明有必要时才进行维修。

使我们能够及时准备维修部件，安排维修计划，克服了定期维修带来的不必要的经济损失和设备性能的下降；完善的诊断能力可为我们准确指出故障类型和故障部位，避免了维修的盲目性，使检修简捷易行，大大缩短了维修工期；完善的设备管理软件，又可使企业设备管理自动化。

由此可见，状态检测给企业带来的经济效益是十分显著的。

如实行状态维修后，某化工厂年维护修理工作由247台减至14台；某电机厂维护费用下降了75%；某造纸厂年节约25万美元，而振动监测设备一次注投资仅是此数的10％。

第三节机械振动描述

一、什么叫振动？

振动是世界上的物质或物体的一种运动形式。

广义来说，振动就是物体（质点）或某种状态随着时间往复变化的现象。

二、振动的分类

工程中有大量的振动问题需要研究、分析和处理，因此有必要简单介绍振动力学中的振动分类方法，以便在振动故障类型、原因、分析和故障排除方面提供考虑的基础。

机械振动的研究和使用方面有多种分类方法，目前，大致有如下几种分类：

1、按振动的规律分

简谐振动。

非简谐振动和随机振动。

有时又将前两者称为周期振动，后者称为非周期振动；

2、按产生振动的原因分

自由振动、受迫振动、自激振动和参变振动等；

3、按自由度分

单自由度系统振动、多自由度系统振动和弹性振动；

4、按振动位移特征分

角振动和直线振动；

5、按系统结构参数分

线性振动和非线性振动。

在机器的故障诊断中，从应用角度看，应着重掌握按振动规律和产生原因这两种分类。

三、简谐振动

简谐振动又称“正弦振动”，它是振动故障诊断中最基本的概念之一。

了解它的表示方法，特拐是它的物理意义，对于掌握故障诊断技术十分重要。

简谐振动的数学表达式是y（t）＝Asinωt

式中：

A-振幅；ω-角频率（园频率）。

正弦函数的振动图线如图3-1所示。

因为函数sinωt具有下列特性：

sinω（t＋T）=sin（ωt+ωT）＝sinωt

图3-1正弦函数的振动图线

则T=2π/ω

为简谐振动的周期。

F=1/T简称为简谐振动的频率，ω=2∏f表示每秒转过的弧度，亦是在2∏秒内振动的次数，称为“园频率”。

必须指出，简谐振动一定是周期振动，但是，周期振动不一定是简谐振动。

四、周期振动信号的分解及频谱：

在故障信号中，周期信号主要是由机器的自由振动、受迫振动和参变振动等产生的。

对于周期信号，数学上早已证明，利用傅氏级数原理，可将周期函数y（t）分解成傅氏级数，即将信号分解成许多谐波分量

y（t）=

式中：

其中：

n=1,2,……

n=1,2,……

由上述公式，以频率为横坐标，以振幅或相位为纵坐标来表征频率域的振动特性，见图3-2。

它们是一个离散的频谱，又称线谱，其谱线间的距离为ω1，各次谐振幅和谐波相位的全体称为幅值频谱和相位频谱。

五、调制振动信号分析及频谱：

设备故障诊断中，特别是对齿轮箱和电机等的诊断，经常碰到调制信号。

所谓调制信号，简单他说就是一个简谐振动的幅度或者角频率的变化受到了另一个简谐振动的影响。

前一振动信号称为“载频信号”，后一信号称为“调制信号”。

只有对这类信号进行时域（横坐标为t）和频域（横坐标f）分析后，才能获得诊断结果。

在实际诊断过程中，这些调制信号从时域波形图上看，往往十分复杂，但基本原理仍可归结为简谐振动幅值和频率（或相位）的调制原理，下面进行简要讨论。

1．幅度调制

幅度调制信号的方程是

在齿轮箱诊断中，，往往对应为啮合频率，而，诊断对象不同，和所代表的物理含义不同。

将上式展开可得

由此式可知，经调幅后的频率，除了原有的角频率ωc之外，还有ωc与ωe的和频和差频，即（+）和（-）。

它们是以为中心，以为间隔，幅度为AB/2的两个边带，见图3-3所示。

2.频率调制

频率调制的时域和频域的波形，如图3-4所示。

如同幅度调制信号一样，在齿轮箱或者其它部件的诊断中，载频信号往往是啮合频率信号，而故障信号则是调制信号，不过此时的故障信号将会影响载频信号的频率，最简单的频率调制信号方程是：

y（t）=E0Sin（t+mSint）

式中Sint表示载频信号Sint表示故障型号

展开上式后可得

式中

y（t）┉瞬时值；

┉峰值幅值；

┉载波角频率；

t……时间；

┉以m为自变量的n阶第一类贝赛尔函数，

n＝0，1，2…；

m调制指数，m=载波频率偏差除以调制频率；

ωe┉┉故障信号的角频率。

展开式还表明为载波分量；第二项有一阶上边带和下边带；第三项有二阶上边带和下边带分量。

由此可见，每一个被调制信号由中心频率信号加上调制信号的频率所分开的边带信号所组成，其幅值正比于调制指数，而故障频率（调制频率）为边带频率到中心频率间的距离。

所谓故障诊断，就是要找到或用一定方法确定距离大小以及幅值的高低。

当然，中心频率的幅值大小，也不是一成不变的，它往往也代表某种故障信息（例如齿轮的磨损信息）。

值得指出的是，以上讨论的正弦信号的调幅和调频，在工程诊断中，我们几乎碰不到这种简谐信号的调制情况，经常碰到的是周期信号的调制现象。

但一个周期信号，都可以分解成很多简谐振动信号叠加，故正弦信号的调制概念是故障诊断的基本概念之一。

第四节.机械设备运行状态测量—宽带测量

开始时，专家们已经知道振动能量的大小是危害机器的主要因素，而表示这个能量大小的应是宽频带内的振动速度有效值，但是在20年前，当时的测量技术不能满足振动理论提出的要求，六十年代的诊断标准大多为振幅标准，典型代表是1968年国际电工委员会（IEC）对转速不同的汽轮机、电机等所作的诊断标准。

见表1：

表1（良好标准）

转速

（转/分）

1000

1500

1800

3000

3600

7600

轴承座

0.075

0.050

0.045

0.025

0.021

0.012

标准中轴承座的振幅应取转子的各轴承座三个测点中最大的振幅值。

同时，可以通过这个标准说明，振幅标准值是随转速变化而变化的，转速越高，标准值越低，因此现在通常不采用测量位移来判断设备的好坏，而振动的速度有效值是与设备的转速元关的，它确能反映设备的最大破坏能量。

可以看出，虽然转速越高，允许振幅越小，但是，振动速度的有效值Vrms是不变的，换句话说，无论转速高低，准则是一个，或者说，只允许某种振动能量，这种振动能量大小，是用振动速度的平方表征的。

在以往的旋转机械振动测量中，多采用机械式百分表来测量位移峰-峰值，用以判断机器振动大小，进而确定好坏。

我们说，这种测试方式是极不合理的。

原因有三：

第一，这种机械式百分表动态响应很差，不能测量动态量；第二，测量轴承座的振幅是一种相对测量；第三，机器的振动是周期和非周期振动同时存在的宽带振动，即使用百分表能读出数值，这个数值不一定是机器转速下对应的规定振幅。

对设备监护者，随时测知设备的运行状态是十分重要的，而要判定设备状态就要有相应的振动烈度判据。

目前，最常采用的是ISO-2372标准，它以振动速度有效值在于10～1000Hz频带内的变化为状态判定参量。

以设备功率作为分类依据，标准如表4-2。

表4-2旋转机械振动诊断的国际标准（ISO2372）

需要指出的是，振动测量是在机器部件表面进行，因此，测量值还取决于测量处的机械导纳。

因此，选取正确的测点位置是十分重要的，不正确的位置往往导致错误的判断结果。

另外，此标准在实际应用中不必生硬搬套，可根据设备实际情况和经验参考此标准建立自己的企业标准。

为了克服测点机械导纳的影响，可靠的办法是通过集中相对变化取得状态信息，即用确定的参考“基线”或级值和允许系统的一定的变化来获得：

ISO和其它标准建议：

＜1KHz分量变化2.5倍（8dB）作为研究状态重要变化的正常理由，从参考状态上增加10倍（20dB）则意味着机器需要修理；＞4KHz的频率分量则分别为增加6倍（16dB）和100倍（40dB），当然，对振动烈度判据还有其它标准，限于时间这里不再介绍。

应特别指出的是，HG系列仪器是按国际标准设计的，能和国外振动测量仪器的测量值、分析值相吻合。

而目前国内大部分厂家测振仪器不符合国际规范，所以相对标准的建立应采样同一厂家仪器系列，在其基础上建立其企业标准，否则标准无意义。

第五节旋转机械故障类型及其振动特征

认识到振动级值增加表示故障在发展，以后设备维护人员就必须确定故障在机器中某个部件的具体位置。

宽带振动测量对于精确判定故障位置提供不了多少信息，一般说来，频谱分析是故障诊断的关键。

本节介绍不同故障对应的振动频率特征。

在实际工作中，如何从振动信号频谱中识别出故障特征是一项较难的工作。

尤其对刚从事故障诊断工作的人员来说，更是如此。

有人曾把学习如何识别振动谱图比作学习一种新的工程语言，此比喻很形象。

在分析谱图时应抓住重点，忽略次要因素，以确定故障类型，找出设备存在的问题。

在分析振动谱图时，要记住两条原则：

1、频率形态（大小及其变化等）代表故障类型；

2、幅值代表故障劣化程度。

下面我们针对一些典型故障分析实际的振动谱图。

一、不平衡

泵、风机、电动机使用一段时间后，由于磨擦、积灰等原因，使转子质心改变，出现不平衡（电动机由于润滑脂过量也会引起不平衡）。

不平衡的特点是：

1、振动频率单一，振动方向以径向为主。

在工频（亦称转频）（1X）处有一最大峰值，（转子若为悬臂支承，将有轴相分量）；

2、在一阶临界转速内振幅随转速的升高而增大；

3、谱图中一般不含工频（1X）的高次谐波（2X、3X……）。

一台射流泵正常运转时在工频（1800r／min）处幅值最大，达1.5μm（图5-1）。

3个月后再测量，同一处的最大峰值已是2.83μm（图5-2），达到泵安全运行的报警值。

拆机修理发现一异物缠绕在叶轮上，改变了质心。

除异物，工频处幅值仅为0.97μm（图5-3），振幅明显减小，泵运行正常。

图5-3图5-4

从图5-1～图5-3可知，最大峰值均在工频1X处，当IX处幅值升高时，2X、3X、4