精密點檢知識講座

設備狀態監測與故障診斷技術

主講人：朱白欽機動部

2011年7月

第一章設備診斷技術概述第二章振動測試知識第三章振動診斷的實施步驟第四章提高設備診斷效率和誤診防范第五章設備振動診斷標準第六章設備的常見振動故障及診斷內容提要精密點檢：指用檢測儀器、儀表，對設備進行綜合性測試、檢查，或在設備未解體情況下運用診斷技術、特殊儀器、工具或其他特殊方法測定設備的振動、溫度、裂紋、變形、絕緣等狀態量，并對測犁數量對照標準和歷史記錄進行分析、比較、判斷定，以確定設備的技術獎況和劣化程度的一種檢測方法什么是狀態監測和故障診斷？在設備運行中或在基本不拆卸的情況下，通過各種手段，掌握設備運行狀態，判定產生故障的部位和原因，并預測、預報設備未來的狀態。是防止事故和計劃外停機的有效手段。是設備維修的發展方向。狀態監測和故障診斷的作用

監測與保護

監測機器工作狀態。發現故障及時報警，并隔離故障。分析與診斷

判斷故障性質、程度和部位。分析故障原因。處理與預防

給出消除故障的措施。防止發生同類故障狀態監測和故障診斷的目的1、保證設備安全，防止突發故障；2、保證設備精度，提高產品質量；3、實施狀態維修，節約維修費用；4、避免設備事故造成的環境污染；5、給企業帶來大的經濟效益。設備維修制度的發展事后維修，故障維修

(Breakdown)

設備壞了后才去修理。定期維修，預防維修

(Preventive)

定期地檢查和大修。預測維修，視情維修

(Predictive)

周期的監測，必要時才去維修。狀態監測和故障診斷的過程檢測縮小故障范圍狀態判別搜集征兆定期檢測故障定位原因分析維修決策趨勢分析正常參數開始尚可正常不可異常監測和診斷的各種手段★振動：適用于旋轉機械、往復機械、軸承、齒輪等。★溫度（紅外）：適用于工業爐窯、熱力機械、電機、電器等。★聲發射：適用于壓力容器、往復機械、軸承、齒輪等。★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：采用物理化學方法，用于關鍵零部件的故障檢測。★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：適用于工程結構、起重機械、鍛壓機械等。★表面：適用于設備關鍵零部件表面檢查和管道內孔檢查等。★工況參數：適用于流程工業和生產線上的主要設備等。★電氣：適用于電機、電器、輸變電設備、電工儀表等。第二章振動測試知識1、機械振動簡介1.1什么叫振動？振動是世界上的物質或物體的一種運動形式。廣義來說，振動就是物體（質點）或某種狀態隨著時間往復變化的現象。1.2振動的分類

工程中有大量的振動問題需要研究、分析和處理，因此有必要簡單介紹振動力學中的振動分類方法，以便在振動故障類型、原因、分析和故障排除方面提供考慮的基礎。

機械振動的研究和使用方面有多種分類方法，目前，大致有如下幾種分類：

1、按振動的規律分

簡諧振動。非簡諧振動和隨機振動。有時又將前兩者稱為周期振動，后者稱為非周期振動；

2、按產生振動的原因分

自由振動、受迫振動、自激振動和參變振動等；

3、按自由度分

單自由度系統振動、多自由度系統振動和彈性振動；

4、按振動位移特征分

角振動和直線振動；

5、按系統結構參數分

線性振動和非線性振動。

在機器的故障診斷中，從應用角度看，應著重掌握按振動規律和產生原因這兩種分類。1.3振動的常用術語1.3.1、機械振動物體相對于平衡位置所作的的往復運動稱為機械振動。簡稱振動振動用基本參數、即所謂的“振動三要素”—振幅、頻率、相位加以描述1.3.2、渦動轉動物體相對于平衡位置所作的旋轉運動稱為渦動。物體渦動時，是在繞著自身對稱軸旋轉（自轉）的同時，對稱軸又進一步在繞著某一平衡位置旋轉（公轉），所以渦動又稱為進動。1.3.3.振幅（1）振幅振幅是物體動態運動或振動的幅度。振幅是振動強度和能量水平的標志，是評判機器運轉狀態優劣的主要指標（2）峰峰值、單峰值、有效值振幅的量值可以表示為峰峰值（pp）、單峰值（p）、有效值（rms）或平均值（ap）。（3）振動位移、振動速度、振動加速度振幅分別采用振動的位移、速度或加速度值加以描述、度量

1.3.5.相位相位是在給定時刻振動部件被測點相對于固定參考點所處的角位置，單位是度［°］。1.3.4.頻率頻率f是物體每秒鐘內振動循環的次數，單位是赫茲[Hz]。頻率是振動特性的標志，是分析振動原因的重要依據（1）同相振動、反相振動當兩個振動的相位相同、即相位差為0°（或360°）時，則稱此兩振動為同相振動。當兩個振動的相位相反、即相位差為180°時，則稱此兩振動為反相振動。（2）相位的應用相位在振動領域有著許多重要的應用，主要用于比較不同振動運動之間的關系，比較不同部件的振動狀況，比較激振力與響應之間的關系，確定不平衡量的方位，等等1.3.6.相對振動、絕對振動相對軸振動是指轉子軸頸相對于軸承座的振動，即通常所說的轉子的振動，一般用非接觸式電渦流位移傳感器來測量。絕對軸振動是指軸承座振動它可用磁電式速度傳感器或壓電式加速度傳感器來測量1.3.7、徑向振動、軸向振動、扭轉振動轉子的振動從空間活動度上分，有徑向振動、軸向振動、扭轉振動。徑向振動是指轉子在垂直于軸線方向上的渦動。軸向振動是指轉子在軸線方向上的往復振動。扭轉振動是指轉子以軸線為轉軸的扭轉振動。簡稱扭轉。1.3.8、剛性轉子、撓性轉子工作轉速低于第一臨界轉速的轉子稱為剛性轉子。工作轉速高于第一臨界轉速的轉子稱為撓性轉子。1.3.9、剛度使彈性體產生單位變形y所需的力F稱為剛度k，k＝F/y。剛度反映了彈性體抵抗變形的能力。旋轉機械轉子的剛度包括靜剛度和動剛度兩個部分，靜剛度決定于結構、材質、尺寸，而動剛度既與靜剛度有關，也與支座剛度、連接剛度等有關1.3.10、臨界轉速臨界轉速就是轉子軸承系統本身的固有頻率。臨界轉速完全是由轉子軸承系統本身的固有特性（剛度、質量等）所決定的，與外界條件（如不平衡力、介質負荷等）無關。1.3.11、諧波、次諧波在通頻信號中，頻率等于轉速頻率整數倍的分量稱為轉速頻率的諧波，簡稱諧波。如一倍頻（1X）、二倍頻（2X）、三倍頻（3X）…分量等。次諧波是指通頻信號中所含頻率等于轉速頻率整分數倍的分量，也稱為分數諧波。如半頻（0.5X）、三分之一倍頻（1/3X）…分量等。1.3.12、同步振動、異步振動、亞異步振動、超異步振動同步振動是指頻率成分與轉速頻率成正比的振動。一般情況（但不是全部情況）下，同步成分是轉速頻率的整數倍或者整分數倍，不管轉速如何，它們總保持這一關系，如一倍頻（1X），二倍頻（2X），三倍頻（3X）…，半頻（0.5X）,三分之一倍頻（1/3X）…等。由不平衡、不對中所引起的振動都是同步振動。異步振動是頻率成分指與轉速頻率無整數倍或者整分數倍關系的振動，也可稱為非同步運動。摩擦引起的振動既有同步振動又有異步振動。亞異步振動是指頻率成分低于轉速頻率的異步振動。由油膜渦動、密封流體激振、旋轉失速等所引起的振動都是亞異步振動。超異步振動是指頻率成分高于轉速頻率的異步振動。由滾動軸承、齒輪缺陷所引起的振動都是超異步振動。1.3.13、動壓軸承、靜壓軸承靜壓軸承是依靠潤滑油在轉子軸頸周圍形成的靜壓力差與外載荷相平衡的原理進行工作的。不論軸是否旋轉，軸頸始終浮在壓力油中，工作時可以保證軸頸與軸承之間處于純液體摩擦狀態。動壓軸承油膜壓力是靠軸本身旋轉產生的，因此供油系統簡單，設計良好的動壓軸承具有很長的使用壽命振幅A

(Amplitude)

偏離平衡位置的最大值。描述振動的規模。頻率

f

(Frequency)

描述振動的快慢。單位為次/秒(Hz)或次/分(c/min)。周期

T=1/f

為每振動一次所需的時間，單位為秒。

圓頻率

=2

f

為每秒鐘轉過的角度，單位為弧度/秒初相角

(Initialphase)

描述振動在起始瞬間的狀態。2、簡諧振動的三要素振動位移、速度、加速度之間的關系振動位移

(Displacement)速度

(Velocity)加速度

(Acceleration)

位移、速度、加速度都是同頻率的簡諧波。三者的幅值相應為A、A、A2。相位關系：加速度領先速度90o;速度領先位移90o。xvaxva正峰值負峰值平均絕對值有效值平均值峰峰值各幅值參數是常數，彼此間有確定關系峰值

xp=A;峰峰值

xp-p=2A平均絕對值

xav=0.637A有效值

xrms=0.707A平均值簡諧振動的幅值參數復雜振動的幅值參數各幅值參數隨時間變化，彼此間無明確定關系正峰值負峰值峰峰值xrms如何選擇測量參數？測量參數選擇原則

常用的振動測量參數有加速度、速度和位移，一般按照下列原則選用：1、低頻振動小于10Hz（轉速小于600r/min）采用位移，單位為微米（μm）。2、中頻振動10～1000Hz（轉速600～60000r/min）采用速度（振動烈度），單位為毫米/秒（mm/s）。

3、高頻振動大于1000Hz采用加速度，單位為米/秒平方（m/s2）。常用的幅值參數及其單位

位移峰峰值。單位為微米（m）

速度

有效值。單位為毫米/秒（mm/s）

加速度

峰值。單位為米/秒平方（m/s2）3、常用的傳感器1、磁電速度傳感器2、壓電加速度傳感器3、渦流位移傳感器磁電式速度傳感器①工作原理傳感器內部慣性質量塊下有一線圈，當傳感器與被測物體一起振動時，慣性質量塊相對于外殼運動，亦即在永久磁鐵的磁路縫隙中按同樣的規律運動。根據電磁感應的原理，線圈上將產生與相對運行速度成正比的電動勢，當傳感器結構一定時，測得電動勢即可測得振動速度值。②傳感器系統組成磁電式速度傳感器無需供電，可直接輸出至測量儀器或系統采集單元。③使用范圍通用設備的振動烈度檢測巡檢儀器配套使用磁電速度傳感器接收形式：慣性式變換形式：磁電效應典型頻率范圍：10Hz~1000Hz典型線性范圍：0~2mm典型靈敏度：20mV/mm/s

測量非轉動部件的絕對振動的速度。不適于測量瞬態振動和很快的變速過程。輸出阻抗低，抗干擾能力強。傳感器質量較大，對小型對象有影響。典型的磁電速度傳感器

壓電式加速度傳感器

工作原理壓電加速度傳感器中的主要換能部件是壓電晶體，當壓電晶體承受機械應力作用時，在其表面出現極性相反的等量電荷，其電荷大小與受力大小成正比。受力的大小等于慣性質量與加速度的乘積，在慣性質量一定的情況下，電荷大小與基座振動加速度成正比。壓電加速度傳感器按照壓電晶體在傳感器中的受力方式分為壓縮式和剪切式兩類。

傳感器系統組成一般加速度傳感器要配合電荷放大器使用，內裝電荷放大器的ICP加速度傳感器應配合指定規格的恒流源使用。

使用范圍滾動軸承振動檢測齒輪振動檢測普通測振儀配套使用壓電加速度傳感器接收形式：慣性式變換形式：壓電效應典型頻率范圍：0.2Hz~10kHz線性范圍和靈敏度隨各種不同型號可在很大范圍內變化。測量非轉動部件的絕對振動的加速度。適應高頻振動和瞬態振動的測量。傳感器質量小，可測很高振級。現場測量要注意電磁場、聲場和接地回路的干擾。典型的壓電加速度傳感器晶體片晶體片質量塊預緊環出線口底座出線口三角剪切型中心壓縮型預壓簧片三角柱壓電傳感器的安裝頻率電渦流傳感器

工作原理傳感器探頭內部線圈有高頻電流通過時，產生高頻電磁場。此交變磁場通過附件的金屬導體（被測軸徑）時，在其表層內產生感應電流，即電渦流。電渦流產生的交變磁場方向與探頭線圈原磁場方向相反，這兩個磁場互相疊加改變了線圈的阻抗，當傳感器的結構確定后，線圈阻抗成為距離的單值函數。因此電渦流傳感器是一種位移傳感器。電渦流傳感器系統組成整套傳感器系統由探頭、延伸電纜和前置器三部分組成。探頭直徑有8mm、11mm、25mm和50mm等規格，一般直徑越大，靈敏度越低，測量范圍越大。進行傳感器系統部件更換時，延伸電纜和前置器必須與原系統中的規格指標一致。使用范圍徑向振動和軸心軌跡測量軸向位置和軸向振動等渦流位移傳感器接收形式：相對式變換形式：電渦流典型頻率范圍：0~20kHz典型線性范圍：0~2mm典型靈敏度：8.0V/mm(對象為鋼)

不接觸測量，特別適合測量轉軸和其他小型對象的相對位移。有零頻率響應，可測靜態位移和軸承油膜厚度。靈敏度與被測對象的電導率和導磁率有關。渦流位移傳感器

及其前置器渦流傳感器的工作原理輸出電壓u

正比于間隙d且于測量對象的材質有關渦流位移傳感器的特性傳感器與轉軸之間的間隙前置器輸出電壓（直流伏）軸承振動的測點布置軸振動的測點布置軸承振動與軸振動的比較第三章振動診斷的實施步驟實踐表明，對機器設備實施振動診斷，必須遵循正確的診斷程序，才能使診斷工作有條不絮地進行，并取得良好的效果。診斷步驟概括為3個環節，6個步驟進行。

3個環節為準備工作、診斷實施、決策與驗證。6個步驟如下:6個步驟一、了解診斷對象。

1、設備的結構組成；

2、機器的工作原理和運行特性；

3、機器工作條件；

4、設備基礎形式及狀況；

5、主要技術檔案資料。二、確定診斷方案

1、選擇測點

2、預估頻率和振幅

3、確定測量參數

4、選擇診斷儀器

5、選擇與安裝傳感器

6、做好其他相關事項的準備傳感器如何安裝？磁座使用方便而性能適中，是最常用的方法怎樣選擇測量點？在狀態監測工作中，應盡量在三個方向上進行測量，至少在工作的初期應該如此。低頻振動常常具有方向性（如不平衡在水平方向上，不同軸在軸向上，松動在垂直方向上比較容易發生）。三、進行振動測量與信號分析

1、測量系統選擇

2、振動測量與信號分析

3、數據記錄整理

四、實施狀態判別根據測量數據和信號分析所得到的信息，對設備狀態作出判斷。五、作出診斷決策通過測量分析、狀態識別等程序，弄清設備的實際狀態，為處理決策創造條件。六、檢查驗收第四章提高設備診斷效率和誤診防范一、熟悉診斷對象是防止誤診的前提

1、不了解設備結構而誤布置測點或布置不合理；

2、不了解設備的工作原理而誤用診斷手段；

3、把頻率分析與設備特點分析結合起來，防止單獨采用頻率分析而造成誤診；

4、不了解設備零件的結構參數時，容易造成漏診或胡判。

5、分析設備傳動機構特點，防止誤判故障部位。二、真實充分地獲取足夠數量的診斷信息是防止誤診的關鍵1、振動信號失真的因素和防范。2、信息不充分造成誤診及其防范。3、防止測量數據失誤的幾項措施。三、準確識別機械圖像，正確應用標準，是防止誤診的重要環節1、用孤立的眼光看待機械圖像，缺乏邏輯分析，往往是造成誤診的重要原因。2、堅持標準，靈活運用標準，是防止誤判的重要條件。四、防止采用單一方法判斷造成誤診在故障診斷時，采用多種診斷手段，避免診斷錯誤或失誤。第五章設備振動診斷標準

一、國際標準化組織標準：1.ISO7919-1~5非往復式機器的機械振動----在旋轉軸上的測量和評價第一部分總則(GB/T11348.1-89)

第二部分陸地安裝的大型汽輪發電機組(GB/T11348.2-1997)

第三部分耦合的工業機器(GB/T11348.3)

第四部分燃氣輪機組(GB/T11348.4)

第五部分水力發電廠和泵站機組2.ISO10816-1~6機械振動----在非旋轉部件上測量和評價機器振動第一部分總則第二部分陸地安裝的功率超過50MW的大型汽輪發電機組第三部分額定功率大于15KW額定轉速在12015000轉/分在現場測量的工業機器第四部分不包括航空器類的燃氣輪機組第五部分水力發電廠和泵站機組第六部分額定功率超過100KW的往復式機器3.ISO5348(GB/T14412-93)機械振動與沖擊----振動加速度計的機械固定4.ISO2954(GB/T13824-92)旋轉式和往復式機器的機械振動----對測量振動烈度儀器的要求5.ISO5347(GB/T13823.1-93)振動與沖擊傳感器的校準方法基本概念6.ISO1952/1(GBGB/T6444-1995)機械振動----平衡術語7.ISO1940/1(GB9239-88)剛性轉子平衡品質許用不平衡的確定8.ISO5343(GB6558-86)柔性轉子平衡的評定準則9.ISO2372(GB6075-85)工作轉速在10200赫茲的機器的機械振動----規定評定標準的基礎10.ISO3945(GB11347-89)工作轉速在10200赫茲的機器的機械振動----現場振動烈度的測量和評定11.ISO10817-1旋轉軸振動測量系統--第一部分：測量徑向方向相對振動信號和絕對振動信號12.ISO10817-2Rotatingshaftvibrationmeasurementsystems-Part2:Signalprocessing旋轉軸振動測量系統第二部分：信號處理ISO2372和ISO3945機械振動標準

旋轉機械振動標準

電機振動標準ISO2372和DIN45665電機振動標準汽輪機及汽輪發電機振動標準

離心鼓風機和壓縮機標準

對于沒有合適參考標準時，采用類比法和相對法確定設備標準。第六章設備的常見振動故障及診斷一、振動診斷的常用圖譜1、波形圖波形圖顯示了振動位移與時間的關系，又稱幅值時域圖。波形圖既可以是通頻波形圖，即顯示通頻振動位移（總振值）與時間(周期)的關系，也可以是一倍頻波形圖、二倍頻波形圖、0.5倍頻波形圖、…、等。通常，主要是看通頻波形圖。（一倍頻、二倍頻、0.5倍頻的波形圖在軸心軌跡圖可以看到。）2、頻譜圖頻譜圖顯示了各振動分量的頻率及其振幅值。正常運轉狀態下的頻譜圖通常是：一倍頻最大，二倍頻次之、約小于一倍頻的一半，三倍頻、四倍頻…x倍頻逐步參差遞減，低頻（即小于一倍頻的成份）微量。各種振動的頻譜圖名稱波形頻譜名稱波形頻譜3、軸心軌跡圖軸心軌跡圖顯示了轉子軸心相對于軸承座渦動時的運動軌跡，正常運轉狀態下的轉子軸心軌跡應該是一個較為穩定的橢圓形。對中不良時，為月牙狀、香蕉狀，嚴重時為8字形4、振動趨勢圖振動趨勢圖顯示了振幅及相位與時間的關系。通過振動趨勢圖可以看到異常振動的起始時間、終止時間、持續時間。通過振動趨勢圖，還可以更加清晰地看到工頻、二倍頻、0.5倍頻等主要頻率成份的幅值隨時間變化的形態。5、波德圖波德圖顯示了轉子振幅和相位隨轉速變化的關系曲線。從波德圖上可以得到以下信息：①轉子系統在各種轉速下的振幅和相位；②轉子系統的臨界轉速；③轉子系統的動態放大系數Q(Q=臨界轉速下的峰峰值∕操作轉速下的峰峰值)，動態放大系數過大，很可能是不安全的；④轉子的振型；⑤系統阻尼的大小；⑥轉子是否發生熱彎曲；由以上這些信息可以獲得有關轉子軸承系統的剛度、阻尼特性以及轉子的動平衡狀況。二、常見振動故障及診斷1、轉子不平衡故障2、轉子不對中故障3、設備松動故障4、滾動軸承和滑動軸承故障5、齒輪故障6、電氣故障診斷轉動機械常見故障的頻率特征強迫振動類故障自激振動類故障R:

轉動頻率轉子不平衡故障的頻譜波形為簡諧波，少毛刺。軸心軌跡為圓或橢圓。1X頻率為主。軸向振動不大。振幅隨轉速升高而增大。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)軸向很小軸向很小轉子不平衡的類型轉子不對中故障的頻譜出現2X頻率成分。軸心軌跡成香蕉形或8字形。軸向振動一般較大。本例中，出現葉片通過頻率。電機水泵POPIMOMI1X頻率2X頻率葉片通過頻率轉子不對中的類型正確對中e=0,

=0平行不對中e0,=0角度不對中e=0,0綜合不對中e0,0不同聯軸節的情況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）松動故障引起的間入諧量未松動時的頻譜松動時的頻譜

出現0.5X，1.5X，2.5X，3.5X...等頻率成分松動結合面兩邊振動差別大50353815101218402558松動！松動！不松動不松動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dD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滾動軸承故障的頻譜軸承每一種零件有其特殊的故障頻率。隨著故障發展，它的幅值增加，并有諧波；諧波兩邊產生邊頻。還可用如共振解調、倒頻譜等診斷方法。電機離心泵PIPO1X2X頻率故障基本頻率6.71X基本頻率的四個諧波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05101520253035404550×RFrequencyinorder3.53.02.52.01.51.00.50Velocityinmm/spk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0246810121416FrequencyinorderDisplacementinmpktopk12.510.07.55.02.50齒輪故障的頻譜齒輪嚙合頻率

GMF

齒數齒輪轉速頻率齒輪嚙合頻率兩邊有邊頻，間距為1X。隨著齒輪故障發展，邊頻越來越豐富，幅值增加。可用倒頻譜作進一步分析。OUBSISOL齒輪箱上輥下輥輸入軸嚙合頻率GMF上邊頻下邊頻2X趨勢分析法的理論根據監視機器的劣化過程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