机械设备典型故障的振动特性

来源？它与机器的零部件对应关系如何？ 5. 如果能测量相位，应该检查相位是否稳定？各测
务
点信号之间的相位关系如何？
设备故障引起的机械振动
齿轮啮合 轴承故障
不平衡 幅值
时间 幅值
不平衡 轴承故障 齿轮啮合 3 频率
某石化厂压缩机组振动频谱分析
转子不平衡
偏心转子
常 见
轴弯曲
的 不对中
设 松动
备 转子与定子摩擦
百度文库
相差180。
« 通过找对中无法消除振动，只有卸下轴承中心安装。
« 如果联轴节的短节过长或过短，通常会产生明显的3X振
不
动。
对
« 齿型联轴节卡死会引起轴向和径向振动, 通常轴向大于 径向, 频谱以1X 为主, 兼有其它谐频，也有出现4X 为
中
主的实例.
« 振动随负荷而变，1X明显。
« 松动的联轴节将引起啮合频率及叶片通过频率的振动,
➢ 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.
监测参数的选择
• 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
滚 动 轴 承 故 障 谱 特 征 (1)
« 第一阶段：轴承故障出现在超 声段20K～ 60 KHz,它们可用 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) 。
对
中
径向
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。
B
« 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。
轴
不
承 不
对对
中中
轴向
典型的频谱
相位关系
C
« 轴承不对中或卡死将产生1X, 2X轴向振动，如果测试 一侧轴承座的四等分点的振动相位，对应两点的相位
D
其周围分布1X 旁瓣。
联 轴 节 故 障
对中不良设备的轴心轨迹
A BC
结 轴轴
机
构 承承 框 座等
械 架 松部
松
或 动件 底配
动座 合
松松
动动
松动本身不是纯粹 的故障, 不会直接 产生振动，但它可 放大故障的作用。
径向
基础底板 A型
机器底脚
径向 B型
混凝土基础
C型
A. 结构框架/底座松动
« 包括如下几方面的故障 • 支脚、底板、水泥底座 松动/强度不够；
齿轮啮合频率(GMF)
齿轮不对中时的频谱
• 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。
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
C型
• 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。
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。
轴向
轴
典型的频谱
弯
相位关系
« 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
曲
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。
比另一侧大
B
« 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。
质动
量
不 平
不衡
平
衡
径向
典型的频谱
相位关系
« 动不平衡是前两种不平衡的合成结果。
C
« 仍是同频占主导，相位稳定。
« 两支承处同方向振动相位差接近
悬
臂
转
质子
量
不 平
不衡
轴向和径向
典型的频谱
相位关系
平
衡
« 悬臂转子不平衡在轴向和径向都会引起较大1X振动。 « 轴向相位稳定，而径向相位会有变化。
A区域
B区域
C区域
轴承故障频率 区域
第三阶段
轴承零部件
共振频率区域
轴 承 共 振 频 率
第四阶段 随机高频振动
D区域 边带频率
振 动 尖 峰 能 量
gSE首先减小然后明显 增大
滚动轴承故障频谱
滚动轴承故障前后包络谱
滑动轴承
径向
摩擦/间隙过大的频谱
« 滑动轴承摩擦后期通常出现一系 列倍频成分（多达10X～20X）。
« 振动随转速增加迅速增加，过了临界转速也一样。
不对中
➢ 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.
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。
齿轮啮合频率(GMF)
齿轮偏心的频谱
« 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、不对中引起的振动更大
« 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
径向
滑动轴承损坏及松动频谱
➢ 相位是判断不对中的最好判据。
轴向
角 不
不对 对中 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；
A
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.
平
行
不
不
对 中
« 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）
A区域
B区域
C区域
D区域 振
动
尖
轴承故障频率区域
峰
轴承零部件
能 量
第一阶段
共振频率区域
轴
承
共
第二阶段
转子摩擦
严 • 轴径和滑动轴承钨金干摩
重 • 电动机转子与定子接触 摩 • 叶轮与扩压器口接触 擦 • 汽轮机叶片与静叶
轻 • 轴与汽封摩擦
微 • 联轴器罩摩轴 摩 • 皮带摩擦皮带罩 擦 • 叶片摩擦外罩
径向
共振
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。
机械设备典型故障的 振动特性
振 振动故障分析诊断的任务：从某种意义上讲，就是读谱
动 图，把频谱上的每个频谱分量与监测的机器的零部件对
故 照联系，给每条频谱以物理解释。
障
分 1. 振动频谱中存在哪些频谱分量？
析 2. 每条频谱分量的幅值多大？
和 诊 断 的 任
3. 这些频谱分量彼此之间存在什么关系？ 4. 如果存在明显的高幅值的频谱分量，它的精确的
B. 由于结构/轴承座晃动或开裂引起的松动
« 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。
径向 B型
« 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.
« 通常水平方向的幅值大于垂直方向的幅值，但通常不
应超过两倍。
A
« 同一设备的两个轴承处相位接近。
« 水平方向和垂直方向的相位相差接近90度。
力
偶
质不
量
平 衡
不
径向
典型的频谱
相位关系
平
« 同频占主导，相位稳定。振幅按转速平方增大。需
衡
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
• 框架或底板变形；紧固 螺丝松动。
径向
基础底板
机器底脚
A型
混凝土基础
« 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。 • 底板连接处相邻结合面的振动相位相差180。 • 如果轴承紧固是在轴向, 也会引起类似不对中的轴向振动.
« 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。
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.
故 障
滑动轴承
滚动轴承
齿轮故障
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
力
径向
质
不 平
量衡
不
典型的频谱
相位关系
平
« 同频占主导，相位稳定。如果只有不平衡，1X幅值大
衡
于等于通频幅值的80％，且按转速平方增大。
振
频
率
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。
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。
齿轮啮合频率(GMF)
« 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。
正常齿轮的频谱
齿轮自振频率
齿轮磨损时的频谱
« 悬臂式转子可产生较大的轴向振动，轴向振动有时甚
Ｄ
至超过径向振动。
« 两支承处轴向振动相位接近。
« 往往是力不平衡和偶不平衡同时出现。
风机
电机 径向
风机 电机
偏
心
典型的频谱
相位关系
转
« 当旋转的皮带轮、齿轮、电机转子等有几何偏心时，会在
子
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