《机械故障诊断》第五章 使用振动分析的机器故障诊断

5使用振动分析的机器故障诊断 5.1概述 由于对旋转设备可靠性的要求更迫切,碳氢化 合物、发电、流程和运输工业一贯需要,在这 个领域产生持续的进展。 由于工程和材料科学的进步,旋转机器变得更 快和更轻。同时要求它们能运行更长的时间。 在追求高度可靠运行的过程中,故障的检测、 定位和分析起着关键的作用 如果利用振动分析,可以连续地监测机器的状 态。可以通过详细的分析确定机器的完好性和 识别可能出现或已经存在的故障

5 使用振动分析的机器故障诊断 • 由于对旋转设备可靠性的要求更迫切，碳氢化 合物、发电、流程和运输工业一贯需要，在这 个领域产生持续的进展。 • 由于工程和材料科学的进步，旋转机器变得更 快和更轻。同时要求它们能运行更长的时间。 在追求高度可靠运行的过程中，故障的检测、 定位和分析起着关键的作用。 • 如果利用振动分析，可以连续地监测机器的状 态。可以通过详细的分析确定机器的完好性和 识别可能出现或已经存在的故障。 5.1 概 述

521失衡( unbalance) 国际标准化组织(ISO)定义失衡为: 由于离心力的作用,对它的轴承施加速度、 力或运动时的转子存在的状态。 也可以定义为:关于转子回转中心的质量的 不均匀分布。 回转中心线( rotating centerline)定义为不 受轴承约束时,转子旋转所绕的轴线(也称 为原理惯性轴即PIA) 几何中心线( geometric centerline,GCL) 是转子的物理中心线。 两个中心线分开时,转子失衡

5.2.1 失衡（unbalance） • 国际标准化组织（ISO）定义失衡为： 由于离心力的作用，对它的轴承施加速度、 力或运动时的转子存在的状态。 也可以定义为：关于转子回转中心的质量的 不均匀分布。 • 回转中心线（rotating centerline）定义为不 受轴承约束时，转子旋转所绕的轴线（也称 为原理惯性轴即PIA）。 • 几何中心线（geometric centerline，GCL） 是转子的物理中心线。 • 两个中心线分开时，转子失衡

失衡的三种类型 静失衡(PIA和GCL平行); 力偶失衡(PIA和GCL在中心交叉); 动失衡(PIA和GCL不接触或重合)。 全部失衡类型, FFT显示突出的 对于所有类型的失衡 1×rpm的振动 频率。其振动幅 值正比于转速的 径向振动 平方。 1×rpm 幅值正比于 图51FFT分析一失 速度的平方 衡 频率

•失衡的三种类型 静失衡（PIA和GCL平行）； 力偶失衡（PIA和GCL在中心交叉）； 动失衡（PIA和GCL不接触或重合）。 • 全部失衡类型， FFT显示突出的 1×rpm 的振动 频率。其振动幅 值正比于转速的 平方。 图5.1 FFT分析—失 衡

静失衡( static unbalance) 静失衡总是同相和稳定的(15~20°)。 如果拾振器从垂直方向向水平方向移动,相 位会移动90°(±30°)。 在同一个平面(垂直或水平)把拾振器从 个轴承移动到另一个轴承。如果故障是静失 衡,相位将保持不变(图5.2)。 如果机器除了失衡以外没有其他主要缺陷, 那么时间波形为频率与转速相同的纯净的 SHM(简诸运动)波形

静失衡（static unbalance） • 静失衡总是同相和稳定的（15～20°）。 • 如果拾振器从垂直方向向水平方向移动，相 位会移动90°（±30°）。 • 在同一个平面（垂直或水平）把拾振器从一 个轴承移动到另一个轴承。如果故障是静失 衡，相位将保持不变（图5.2）。 • 如果机器除了失衡以外没有其他主要缺陷， 那么时间波形为频率与转速相同的纯净的 SHM（简谐运动）波形

静失衡 图52相位关系 静失衡 图53相位关系 力偶失衡

图5.2 相位关系 —静失衡 图5.3 相位关系 —力偶失衡

力偶失衡( couple unbalance) 轴向和径向振动。力偶失衡的相位趋势为在 同一根轴上差180°。 在水平面,垂直平面内,两个轴承之间存在 几乎180°的相位差。 特别建议用运转挠度形状(ODS)分析检查 系统中是否存在力偶失衡

力偶失衡（couple unbalance） • 轴向和径向振动。力偶失衡的相位趋势为在 同一根轴上差180° 。 • 在水平面，垂直平面内，两个轴承之间存在 几乎180°的相位差。 • 特别建议用运转挠度形状（ODS）分析检查 系统中是否存在力偶失衡

失衡—悬臂转子( overhung rotor) 轴向和径向振动。 两个轴承的轴向是同相的。 径向相位的趋势不稳定。 可能既有静失衡 也有力偶失衡, 必须用分析仪或 平衡设备进行试 验和安装。 小响 图54悬臂转子轴向 相位

失衡——悬臂转子（overhung rotor） • 轴向和径向振动。 • 两个轴承的轴向是同相的。 • 径向相位的趋势不稳定。 • 可能既有静失衡 也有力偶失衡， 必须用分析仪或 平衡设备进行试 验和安装。 图5.4 悬臂转子轴向 相位

522偏心转子( eccentric rotor) 转子的回转中心偏离皮带轮、齿轮、轴承 电动机的电枢或任何其他转子的几何中心线。 最大的幅值发生在偏心零件的1×rpm,沿着 通过两个转子中心的方向。 幅值随着负载变化。 在水平和垂直方向测量时,相位读数差0或 180°(每一个都表示直线运动)。 平衡偏心转子经常导致一个方向的振动减小, 而另一个径向的振动增大(取决于偏心的严 重性)

5.2.2 偏心转子（eccentric rotor） • 转子的回转中心偏离皮带轮、齿轮、轴承、 电动机的电枢或任何其他转子的几何中心线。 • 最大的幅值发生在偏心零件的1×rpm，沿着 通过两个转子中心的方向。 • 幅值随着负载变化。 • 在水平和垂直方向测量时，相位读数差0或 180°（每一个都表示直线运动）。 • 平衡偏心转子经常导致一个方向的振动减小， 而另一个径向的振动增大（取决于偏心的严 重性）

偏心转子 1X电动机 径向振动 偏心转子 1X风扇 频率 几何中心线 (轮心) 图55带传动风 扇鼓风机一振 动图 回转中心线 原理惯性轴 相位差可能是 0度或180度 图5.6偏心转子

图5.5 带传动风 扇/鼓风机—振 动图 图5.6 偏心转子

52.3轴弯曲( bent shaft 径向以及轴向的振动总是很大。轴向可能比 径向大。FFT一般含有1×和2×成分。 如果: 1×突出,弯曲 靠近轴的中心; 2×突出,弯曲 靠近轴端。 弯曲轴 轴向相位差180°。 注意一测量方向 必须相同 图5.8注意轴向180° 的相位差

5.2.3 轴弯曲（bent shaft） • 径向以及轴向的振动总是很大。轴向可能比 径向大。FFT一般含有1×和2×成分。 • 如果： 1×突出，弯曲 靠近轴的中心； 2×突出，弯曲 靠近轴端。 • 轴向相位差180° 。 图5.8 注意轴向180 ° 的相位差