1、? 1 ? 2 內內 容容 提提 要要 n趨勢分析診斷法 通頻值趨勢分析 頻譜趨勢分析 報警值和危險值的確定 n相關分析診斷法 自相關分析 互相關分析 n倒頻譜分析診斷法 n狀態監測和故障診斷 n故障診斷的各種手段 n監測儀器的分類及其選用 離線儀器和在線系統 n頻譜分析診斷法 不同故障的特征頻率 不平衡、不對中、松動、 軸承故障、齒輪故障舉例 ? 3 n在設備運行運行中或在基本不拆卸基本不拆卸的情況下， n通過各種手段，掌握設備運行狀態掌握設備運行狀態， n判定產生故障的部位和原因故障的部位和原因， n并預測、預報設備未來的狀態。 什么是狀態監測和故障診斷？什么是狀態監測和故障診斷？ _是防

2、止事故和計劃外停機的有效手段。 _是預知維修的基礎，是設備維修的發展方向。 ? 4 監測和診斷的各種手段監測和診斷的各種手段 振動：振動：適用于旋轉機械、往復機械、軸承、齒輪等。 溫度（紅外）：溫度（紅外）：適用于工業爐窯、熱力機械、電機、電器等。 聲發射：聲發射：適用于壓力容器、往復機械、軸承、齒輪等。 油液（鐵譜）油液（鐵譜） ：適用于齒輪箱、設備潤滑系統、電力變壓器等。 無損檢測：無損檢測：采用物理化學方法，用于關鍵零部件的故障檢測。 壓力：壓力：適用于液壓系統、流體機械、內燃機和液力耦合器等。 強度：強度：適用于工程結構、起重機械、鍛壓機械等。 表面：表面：適用于設備關鍵零部件表面檢查

3、和管道內孔檢查等。 工況參數：工況參數：適用于流程工業和生產線上的主要設備等。 電氣：電氣：適用于電機、電器、輸變電設備、電工儀表等。 ? 5 儀器分類儀器分類： n離線測量儀表 便攜式測振表 數據采集器 n在線測量系統 表盤式的 計算機化的 監測和診斷儀器的分類和選用監測和診斷儀器的分類和選用 儀器選用原則儀器選用原則： 被監測對象在生產中的地位 生產的規模和產量 預計的投資 設備管理人員的水平和素質 ? 6 振動監測系統的分類和選擇 設備 類型 損壞后果推薦監測手段主 要 功 能大約價格 關鍵 設備 完全停產 100% 計算機化 的 監測系統 振動幅值、頻譜的連續監測 數據存儲、數據比較，

4、數據文件管理 趨勢分析、譜趨勢分析 啟、停車等瞬態過程數據收集 超限報警、保護，事故記憶 故障診斷，人工智能，聯網，遠程等 數十萬元 以上 重要 設備 部分停產 50100% 表盤式的 監測系統 振動幅值的連續監測 超限報警、保護 數據存儲、比較，趨勢分析 幾萬 數十萬元 一般 設備 部分停產 或不停產 050% 數據 采集器 振動幅值、頻譜的周期采集 數據存儲和管理 數據比較，趨勢分析 幾萬元 便攜 測振表 振動幅值的采集 簡單的頻率分析 幾千元 監測和診斷儀器的分類和功能監測和診斷儀器的分類和功能 ? 7 監測和診斷儀器選用監測和診斷儀器選用 在線監測 數據自動采集 離線監測 數據周期采集

5、 25 重要機器重要機器 5 關鍵機器關鍵機器 30 一般重要機器一般重要機器 20 次要機器次要機器 20 普通機器普通機器 不監測 用壞為止 透平機 壓縮機 汽輪發電機組 燃氣輪機 大電機 大、中型泵 風機 齒輪箱 小電機 小型泵 通風機 ? 8 測振表的外形和工作框圖測振表的外形和工作框圖 阻抗變換前置放大指示 選頻網絡微積分 檢波主放大 電池 靈敏度 調節 傳感器 輸入 交流輸出 直流輸出 ? 9 計算機 存貯器 打印機 屏 幕 軟件 放大 接口 存貯 顯示 時鐘 電池 管理環節 傳感器 數據采集器 計算機及外部設備 數據采集器的外形數據采集器的外形 和工作框圖和工作框圖 ? 10 數

6、據采集器的工作流程數據采集器的工作流程 主 菜 單 趨勢分析顯示和打印調用存儲數據 趨勢分析和 譜趨勢分析 巡檢準備輸入組態信息清除內存出發巡檢校對時鐘 數據處理下載數據 數據比較巡檢報表 頻譜分析頻譜圖 軌跡圖 顯示和打印 軌跡分析 定巡檢路線新開巡檢組定設備和測點定測量參數 更改測量參數增減設備和測點增減巡檢組 組 態 打印 組態表 ? 11 典型的表盤式監測系統典型的表盤式監測系統 雙通道振動表 推力瓦位和瓦溫表 振動傳感器在瓦蓋上 水泵的監測系統水泵的監測系統 ? 12 典型的表盤式監測系統典型的表盤式監測系統 前置器 雙通道軸位表 推力瓦溫表 鍵相信號 雙通道軸振表 徑向瓦溫表 鍵相

7、傳感器 90度布置的 兩渦流傳感器 推力瓦溫 傳感器 徑向瓦溫 傳感器 軸向位置 傳感器 報警信號輸出 離心壓縮機離心壓縮機 監測系統監測系統 ? 13 計算機化的監測系統框圖計算機化的監測系統框圖 n最簡單的計算機化監測系統。 n單一計算機完成數據采集、管理、數據分析、人機對話 等功能。 存貯器 打印機 屏 幕 軟件 適調 放大 切換 裝置 A/D 變換器 來自傳感器 監測儀表 計算機 ? 14 汽輪發電機組的監測系統框圖汽輪發電機組的監測系統框圖 下位機分析處理 聯網 顯示存貯 人機對話 通訊 適調放大適調放大限幅整形 光電隔離光電隔離光電隔離 同步采樣采樣 上位機 振動信號 （快變） 溫

8、度、壓力信號 （慢變） 鍵相信號 ? 15 精密診斷的方法精密診斷的方法 n頻譜分析法 n趨勢分析法 n時域分析法 波形分析、相關函數分析 n倒頻譜分析法 n模態分析法 n隨機減量法 n沖擊脈沖法（SPM） 其他數學方法 模式識別法 模糊診斷法 故障樹診斷法 神經網絡法 小波分析法 灰色系統法 分形幾何法 ? 16 頻譜分析法頻譜分析法 n頻譜分析法是最基本和最常用的故障診斷方法。 n每種故障有其對應的特征頻率。 n根據特征頻率及其變化確定機器的故障性質和嚴 重程度。 ? 17 轉動機械常見故障的頻率特征轉動機械常見故障的頻率特征 強迫振動類故障強迫振動類故障 自激振動類故障自激振動類故障 R

9、: 轉動頻率 故障名稱 頻率特征 轉動特征 故障名稱 頻率特征 轉動特征 不平衡 1R 同步正進動 油膜渦動 (0.40.49)R 正進動 永久彎曲 1R 同步正進動 油膜振蕩 等于低階固有 頻率 正進動 不對中 2R 正進動 氣隙振蕩 等于低階固有 頻率 正進動 磁拉力 不平衡 2NR N 為磁極對數 正進動 內腔積液 失穩前 0.5R 失穩后為低階 固有頻率 正進動 松 動 1R, 2R 等 也有 1.5R, 2.5R 等 轉子內阻 失穩前 0.5R 失穩后為低階 固有頻率 正進動 齒輪故障 嚙合頻率等于 齒數R ， 邊帶頻率 徑向摩擦 失穩前小于低 階固有頻率 失穩后等于低 階固有頻率

10、反進動 滾動軸承 外環故障 內環故障 滾珠故障 軸向摩擦 失穩前小于低 階固有頻率 失穩后等于低 階固有頻率 ? 18 轉子不平衡故障的頻譜轉子不平衡故障的頻譜 n波形為簡諧波，少毛刺。 n軸心軌跡為圓或橢圓。 n1X頻率為主。 n軸向振動不大。 n振幅隨轉速升高而增大。 n過臨界轉速有共振峰。 透平風機 TOTI 齒輪箱 1X頻率(水平) 1X頻率(水平) 1X頻率(鉛垂) 1X頻率(鉛垂) 軸向很小 軸向很小 ? 19 轉子不平衡的類型轉子不平衡的類型 不平衡類型 特 征 消除措施 質量不平衡 低速晃動小 平衡 永久彎曲 低速晃動大 靜態校直 熱彎曲 振動隨負荷增大，但有滯后 找出原因 部

11、件位移或脫落 振動階躍增加，然后穩定 停車檢查 部件結垢 振動緩慢增加，軸向振動和軸 向推力增大，機器效率降低 清垢 聯軸器不平衡 相鄰軸承振動大，相位相同 平衡 ? 20 轉子不對中故障的頻譜轉子不對中故障的頻譜 n出現 2X 頻率成分。 n軸心軌跡成香蕉形或8 字形。 n軸向振動一般較大。 n本例中，出現葉片通過 頻率。 電機水泵 POPI MOMI 1X 頻率 2X 頻率 葉片通 過頻率 ? 21 轉子不對中的類型轉子不對中的類型 正確對中 e = 0, = 0平行不對中 e 0, = 0 角度不對中 e = 0, 0綜合不對中 e 0, 0 ? 22 不同聯軸節的情況不同聯軸節的情況

12、聯軸節類型 不對中形式 振 動 特 征 剛性聯軸節 平行不對中 有2X成分 角度不對中 軸向振動1X成分大 軸向振動大，有2X及高次諧波 齒式聯軸節 徑向振動可能有2X、3X、4X 聯軸節兩側振動的相位常相反 膜片聯軸節 有nX 成分（n為螺釘數） ? 23 轉子系統松動故障的頻譜轉子系統松動故障的頻譜 n波形出現許多毛刺。 n譜圖中噪聲水平高。 n出現精確的倍頻2X， 3X等成分。 n松動結合面兩邊，振幅 有明顯差別。 電機水泵 POPI 轉速的精確 倍頻成分 本例中最高 出現16X成分 噪聲水平高 ? 24 松動故障引起的間入諧量松動故障引起的間入諧量 n未松動時的頻未松動時的頻 譜譜 n

13、松動時的頻譜松動時的頻譜 出現0.5X，1.5X， 2.5X，3.5X.等 頻率成分 ? 25 松動結合面兩邊振動差別大松動結合面兩邊振動差別大 50 35 38 15 10 12 18 40 25 5 8 松動！ 松動！ 不松動 不松動 ? 26 D 節圓直徑 d 滾珠直徑 接觸角 z 滾珠數 R 軸的轉速頻率 滾動軸承故障的特征頻率滾動軸承故障的特征頻率 d D 外環故障頻率 內環故障頻率 滾珠故障頻率 保持架碰外環 保持架碰內環 R D dz f)cos1 ( 2 R D dz f)cos1 ( 2 R D d d D f 22 cos)(1 R D d f)cos1 ( 2 1 R D

14、 d f)cos1 ( 2 1 ? 27 滾動軸承故障的頻譜滾動軸承故障的頻譜 n軸承每一種零件有其 特殊的故障頻率。 n隨著故障發展，它的 幅值增加，并有諧波； 諧波兩邊產生邊頻。 n還可用如共振解調、 倒頻譜等診斷方法。 電機離心泵 PIPO 1X 2X 頻率 故障基本 頻率6.71X 基本頻率的 四個諧波 ? 28 帶滾動軸承的機械的頻譜特點帶滾動軸承的機械的頻譜特點 不平衡 不對中 松動 滾動軸承故障頻率 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50R Frequency in order 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0 Velocity i

15、n mm/s pk ? 29 帶滑動軸承的機械的頻譜特點帶滑動軸承的機械的頻譜特點 不對中 松動引起的諧波 不平衡 油膜渦動、碰摩 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Frequency in order Displacement in m pk to pk 12.5 10.0 7.5 5.0 2.5 0 ? 30 齒輪故障的頻譜齒輪故障的頻譜 n齒輪嚙合頻率 GMF 齒數齒輪轉速頻率 n齒輪嚙合頻率兩邊有邊頻， 間距為1X。 n隨著齒輪故障發展，邊頻 越來越豐富，幅值增加。 n可用倒頻譜作進一步分析。 OUBS ISOL 齒輪箱 上輥 下輥 輸入軸 嚙合頻率 GMF 上邊頻 下邊頻

16、2X ? 31 趨勢分析法的理論根據趨勢分析法的理論根據 n監視機器的劣化過程 n預測機器的失效時間 正常使用期耗損期 磨合期 故障率 時間 “浴盆曲線” 停 機 日 期 報 警 日 期 故障征兆 時間 劣化曲線 報警值 危險值 ? 32 通頻值趨勢分析通頻值趨勢分析 報警值報警值 危險值危險值 停機日期停機日期報警日期報警日期 ? 33 確定報警值和危險值的方法確定報警值和危險值的方法 絕對法絕對法 根據相應的國際標準、國家標準、行業標準等， 如： ISO， GB， API 等。 相對法相對法 以機器正常狀態的振動值作為基數，自己和自己比。 ? 34 轉機振動標準舉例轉機振動標準舉例( (軸

17、承振動軸承振動) ) ISO2372ISO2372，ISO3945ISO3945 振動烈度：振動速度的有效值 測量頻率范圍 101000Hz I 級：小型機械 例 15kW以下電機 II級：中型機械 例 1575kW以下電機 和300kW以下機械 III級：大型機械，剛性基礎 60012000r/min IV 級：大型機械，彈性基礎 60012000r/min A優優，B良，良，C可可，D不可不可 振動烈度mm/s 設 備 分 級 范 圍 限 值 I 級 II 級 III 級 IV級 0.28 0.45 0.71 A A A 1.12 A A A 1.8 B B B A A A 2.8 B B

18、 B A A A 4.5 C C C B B B 7.1 C C C B B B 11.2 C C C 18 C C C 28 45 71 0.28 0.45 0.71 1.12 1.8 2.8 4.5 7.1 11.2 18 28 45 D D D D D D D D D D D D ? 35 (軸振動) 轉機振動標準舉例轉機振動標準舉例 VDI德國工程師協會 IEC 國際電工協會 API 美國石油協會 NEMA MITI/JEAC ? 36 相對法確定振動限值相對法確定振動限值 1 2 3 4 5 6 7 8 滾動軸承滾動軸承 齒齒 輪輪 旋轉機械旋轉機械 滑動軸承滑動軸承 (23) (4

19、6) 報警值 危險值正常值 正常值 ? 37 相關分析及其應用相關分析及其應用 n自相關函數的定義 n自相關分析的應用 n互相關函數的定義 n互相關分析的應用 ? 38 自相關函數的定義自相關函數的定義 n信號和其延遲信號的乘積在一定時間內的平均值。 n反映信號x(t)和其延遲信號x(t + )的相似程度。 T T x ttxtx T R 0 d)()( 1 lim )( ? 39 典型信號的自相關函數典型信號的自相關函數 正弦 正弦 隨機 窄帶 隨機 寬帶 隨機 ? 40 Rx()隨 很快衰減至零， 信號為寬帶隨機。 Rx()出現周期成分，機器有周期 沖擊。 把各軸的轉動頻率和T 對比，可

20、確定故障來自哪根軸。 自相關分析的應用自相關分析的應用 C630車床主軸箱的故障診斷車床主軸箱的故障診斷 ? 41 互相關函數的定義互相關函數的定義 n信號和另一延遲信號的乘積在一定時間內的平均值。 n反映信號x(t)和另一延遲信號y(t + )的相似程度。 T T xy ttytx T R 0 d)()( 1 lim )( ? 42 互相關分析的應用互相關分析的應用 確定管道泄漏故障點確定管道泄漏故障點 Rx1x2()的尖峰的橫坐標0是3點振動傳播到點1和2的時間差 故1和2的中點到泄漏點3的位置 s0.5v 0 v 為聲在管道中傳播速度 ? 43 互相關函數的應用互相關函數的應用 振源的確

21、定振源的確定 y(t)與x2(t) 的互相關比y(t)與x1(t) 的互相關強，判明駕駛座 的振動主要來自后輪。 根據Rx2y()的尖峰的橫坐標可確定振動傳播的時間。 ? 44 倒頻譜分析診斷法倒頻譜分析診斷法 n倒頻譜分析用于識別頻譜圖中的周期結構 n倒頻譜的定義和有關的術語 n倒頻譜分析主要應用于滾動軸承和齒輪的 故障診斷 ? 45 滾動軸承故障的頻譜滾動軸承故障的頻譜 n軸承每一種零件故障有其 特殊的故障頻率。 n隨著故障發展，會產生故 障頻率的諧波和邊頻帶。 n多個故障并存時，頻譜圖 很復雜，難以識別。 電機離心泵 PIPO 1X 2X 頻 率 故障基本 頻率6.71X 基本頻率的 四

22、個諧波 ? 46 齒輪故障的頻譜齒輪故障的頻譜 n每對齒輪有一嚙合頻率。 n隨著故障發展，會產生嚙 合頻率的諧波和邊頻帶。 n有多種故障和多對齒輪時， 頻譜圖很復雜，難以識別。 OUIU ILOL 齒輪箱 上輥 下輥 輸入軸 嚙合頻率 GMF 上邊頻 下邊頻 2X ? 47 倒頻譜是對數功率譜的頻譜。 通俗地說，倒頻譜是頻譜圖的頻譜。 它突出了頻譜圖中的周期成分。 倒頻譜圖的橫坐標為倒頻率（時間）。 倒頻譜的定義倒頻譜的定義 log (Fxx( f ) c( ) FFT ? 48 倒頻譜的有關術語倒頻譜的有關術語 參照頻譜的術語，定義了倒頻譜的一些新術語 頻譜頻譜 (Spectrum) 倒頻譜

23、倒頻譜 (Cepstrum) 頻率頻率 (Frequency) 倒頻率倒頻率 (Quefrency) 幅值幅值 (Magnitude) 倒幅值倒幅值 (Gamnitude) 諧波諧波 (Harmonics) 倒諧波倒諧波 (Rahmonics) 相位 (Phase) 倒相位 (Saphe) ? 49 齒輪軸承故障的頻譜是帶有上下邊頻的許多諧波。 倒頻譜分析突出了頻譜圖中的周期成分。 倒頻譜分析示意倒頻譜分析示意 f /Hz f /Hz q/ms q/ms FFT FFT O O O O 頻譜圖 倒頻譜圖 ? 50 倒頻譜分析的特點倒頻譜分析的特點 n能顯示頻譜圖中不明顯（被淹沒）的復雜的周期頻 譜結構，并精確地確定其倒頻率（振動周期）。 n倒頻譜的主要峰值是大量周期分量的平均值，數值 較穩定，它可作為評定機械狀態的一個指標。 n對從振源到測點之間信號傳遞路徑的變化不大敏感。 ? 51 倒頻譜分析的應用倒頻譜分析的應用 齒輪信號中確定周期成分齒輪信號中確定周期成分(一一) n電機軸50Hz，63個齒 n水泵軸121Hz，