大型旋转机等械的状态检测与故障诊断.doc

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1、1 第六期全国设备状态监测与故障诊断实用技术培训班讲义 大型旋转机械的状态检测与故障诊断大型旋转机械的状态检测与故障诊断 沈立智 中国设备管理协会设备管理专题交流中心 2008 年年 9 月月 南京南京 2 目 录 第一节 状态监测与故障诊断的基本知识.6 一、状态监测与故障诊断的意义及发展现状6 1. 状态监测与故障诊断的定义.6 2. 状态监测与故障诊断的意义.6 3. 状态监测与故障诊断的发展与现状.8 二、大机组状态监测与故障诊断常用的方法9 1. 振动分析法.9 2. 油液分析法.10 3. 轴位移的监测.11 4. 轴承回油温度及瓦块温度的监测.11 5. 综合分析法.11 三、有

2、关振动的常用术语11 1. 机械振动.11 2. 涡动、进动、正进动、反进动.11 3. 振幅.12 3.1 振幅.12 3.2 峰峰值、单峰值、有效值.12 3.3 振动位移、振动速度、振动加速度.13 3.4 振动烈度.13 4. 频率.15 4.1 频率、周期.15 4.2 倍频、一倍频、二倍频、0.5 倍频、工频、基频、转频15 4.3 通频振动、选频振动.15 4.4 故障特征频率.16 5. 相位.19 5.1 相位.19 5.2 键相器.19 5.3 绝对相位.19 5.4 相位差、相对相位.20 5.4 同相振动、反相振动.21 5.5 相位的应用.21 6. 刚度、阻尼、临界

3、阻尼.23 7. 临界转速.24 8. 挠度、弹性线、主振型、轴振型.25 9. 相对轴振动、绝对轴振动、轴承座振动.26 10. 横向振动、轴向振动、扭转振动.26 11刚性转子、挠性转子、圆柱形振动、圆锥形振动、弓状回转（弯曲振动）26 12. 高点、重点.27 13. 机械偏差、电气偏差、晃度.28 14. 同步振动、异步振动、亚异步振动、超异步振动.28 15. 谐波、次谐波（分数谐波）.28 3 16. 共振、高次谐波共振、次谐波共振.29 17. 简谐振动、周期振动、准周期振动、瞬态振动、冲击振动、随机振动.29 18. 自由振动、受迫振动、自激振动、参变振动.32 19. 旋转失

4、速、喘振.33 20. 半速涡动、油膜振荡.35 四、振动传感器的基本知识36 1. 振动传感器的构成及工作原理.36 2. 振动传感器的类型.36 3. 磁电式速度传感器.37 4. 压电式加速度传感器.37 5. 电涡流式位移传感器.39 6. 常用振动传感器主要性能及优缺点.40 第二节 状态监测与故障诊断的基本图谱.41 一、常规图谱41 1. 机组总貌图.41 2. 单值棒图.41 3. 多值棒图.42 4. 波形图.43 5. 频谱图.46 6. 轴心轨迹图.46 7. 振动趋势图.48 8. 过程振动趋势图.52 9. 极坐标图.52 10. 轴心位置图.53 11. 全息谱图.

5、53 二、启停机图谱54 1. 转速时间图.54 2. 波德图.55 3. 奈奎斯特图.57 4. 频谱瀑布图.58 5. 级联图.59 第三节 大型旋转机组常见振动故障的机理与诊断.60 一、不平衡60 二、转子弯曲62 三、不对中64 四、轴横向裂纹69 五、支承系统连接松动71 第四节 故障诊断的具体方法及步骤73 一、故障真伪的诊断73 1. 首先应查询故障发生时生产工艺系统有无大的波动或调整.73 2. 其次应查看仪表、主要是探头的间隙电压是否真实可信.75 3. 应查看相关的运行参数有无相应的变化.77 4. 应察看现场有无人可直接感受到的异常现象.78 4 二、故障类型的诊断80

6、 1. 振动故障类型的诊断.80 1. 1 主要异常振动分量频率的查找步骤及方法.80 1.2 根据异常振动分量的频率进行振动类型诊断.82 2. 轴位移故障原因的诊断.88 三、 故障程度的评估89 四、 故障部位的诊断92 五、 故障趋势的预测93 附件一 齿轮的故障诊断 94 一、齿轮的常见故障94 1. 断齿.94 2. 点蚀.94 3. 磨损.95 4. 胶合.95 二、齿轮故障的特征信息95 1. 啮合频率及其谐波.95 2. 信号调制和边带分析.97 1) 幅值调制97 2) 频率调制99 3. 齿轮振动信号的其它成分.100 1) 附加脉冲100 2) 隐含成分101 3) 滚

7、动轴承信号及交叉调制101 4. 齿轮常见故障与特征频率及其谐波、以及边频带的小结.102 三、齿轮故障的诊断方法103 1. 细化谱分析法.104 2. 倒频谱分析法.104 3. 时域同步平均法.107 4. 自适应消噪技术.108 附件二 滚动轴承的故障诊断.108 一、滚动轴承的常见故障108 1. 疲劳剥落（点蚀）.108 2. 磨损.109 3. 胶合.109 4. 断裂.109 5. 锈蚀.109 6. 电蚀.109 7. 塑性变形（凹坑及压痕）.109 8. 保持架损坏.110 二、引起滚动轴承振动的原因及其特征频率110 1. 由于结构特点引起的振动滚动体通过载荷方向时产生的

8、通过频率.110 2. 由于轴承刚度非线性引起的振动.110 3. 由于制造及装配等原因引起的振动.111 1) 由于表面加工波纹引起的振动111 5 2) 由于滚动体大小不均匀引起的振动111 3) 由于轴承偏心引起的振动111 4) 由于轴承装歪或轴弯曲引起的振动111 5) 由于轴承装配过紧或过松引起的振动111 4. 由于润滑不良引起的振动.111 5. 由于轴承工作表面上的缺陷引起的振动.112 三、滚动轴承振动的固有频率和缺陷间隔频率113 1. 滚动轴承的固有频率.113 1) 滚动轴承内、外圈固有频率的计算公式114 2) 钢球固有频率的计算公式114 2. 滚动轴承的缺陷间隔

9、频率.115 四、滚动轴承故障振动的诊断方法116 1. 合理选择分析频段的范围.116 1) 低频段（0 1 kHz） 116 2) 中频段（1 20 kHz） 116 3) 高频段（20 80 kHz） 117 2. 传感器位置的选择.117 3. 滚动轴承故障波形的评定指标及因数判断法.118 1) 有效值 Xrms.118 2) 峰值 Xp.118 3) 波峰因数 Cf119 4) 峭度 与峭度系数 K.119 4. 滚动轴承的诊断方法.120 1) 低频信号接收法120 2) 冲击脉冲法(SPM)121 3) 共振解调法(IFD).122 5. 轴承失效的四个阶段及各阶段内的主要特征

10、频率成分.124 6 第一节第一节 状态监测与故障诊断的基本知识状态监测与故障诊断的基本知识 一、状态监测与故障诊断的意义及发展现状一、状态监测与故障诊断的意义及发展现状 1. 状态监测与故障诊断的定义状态监测与故障诊断的定义 通俗地说，状态监测与故障诊断就是给机器看病。人不可能不生病，机器 在运行过程中出现故障也是不可避免的。人生了病需要求医就诊，机器出了故 障也要找“医生”诊断病因。医生对病人的诊断是基于体征检查（先看体温， 再进行验血、X 光、心电图、B 超、甚至 CT 等）基础上的分析判断，对机 器故障的诊断同样也是基于状态监测（先看总振动值，再求助于频谱、波形、 轴心轨迹、趋势图、波

11、德图、全息谱图等）基础上的综合性分析判断。 状态监测状态监测是指通过一定的途径了解和掌握设备的运行状态，包括利用监测 与分析仪器（在线的或离线的） ，采用各种检测、监视、分析和判别方法，对设 备当前的运行状态做出评估（属于正常、还是异常） ，对异常状态及时做出报警， 并为进一步进行的故障分析、性能评估等提供信息和数据。 故障故障是指机械设备丧失了原来所规定的性能或状态。通常把设备在运行中 所发生的状态异常、缺陷、性能恶化、以及事故前期的状态统统称为故障，有 时也把事故直接归为故障。 而故障诊断故障诊断则是根据状态监测所获得的信息，结合设备的工作原理、结构 特点、运行参数、历史状况，对可能发生的

12、故障进行分析、预报，对已经或正 在发生的故障进行分析、判断，以确定故障的性质、类别、程度、部位及趋势， 对维护设备的正常运行和合理检修提供正确的技术支持。 2. 状态监测与故障诊断的意义状态监测与故障诊断的意义 状态监测与故障诊断技术的由来及发展，与十分可观的故障损失以及设备 维修费密切相关，而状态监测与故障诊断的意义状态监测与故障诊断的意义则是有效地遏制了故障损失和有效地遏制了故障损失和 设备维修费用设备维修费用。具体可归纳如下几个方面： 及时发现故障的早期征兆，以便采取相应的措施，避免、减缓、减少重 大事故的发生； 一旦发生故障，能自动纪录下故障过程的完整信息，以便事后进行故障 原因分析，

13、避免再次发生同类事故； 通过对设备异常运行状态的分析，揭示故障的原因、程度、部位，为设 备的在线调理、停机检修提供科学依据，延长运行周期，降低维修费用； 可充分地了解设备性能，为改进设计、制造与维修水平提供有力证据。 7 自上世纪七十年代以来，国内外石化、化工、电力、钢铁等行业为了极大 限度地提高经济效益，生产规模不断扩大，生产装置向着大型化、高速化、自 动化、连续化、单系列化发展，装置中的关键设备均无备机，一旦出现故障停 机，将导致整个装置停产，所造成的经济损失是十分巨大的。例如，一个年加 工原油 500 万吨的炼油厂，停产一天的经济损失达二千多万元；一个年产 30 万 吨合成氨的化肥厂，停

14、产一天的经济损失达二百五十万元；一台 30 万千瓦的发 电机组，停产一天的经济损失达二百万元。由于大型转动设备的检修周期较长、 备件价格昂贵，一次故障停机的总经济损失多数都在千万元以上。 设备维修费设备维修费在生产成本中所占的比重很大，对于工业发达的国家来说，任 何一家公司的维修费都是一个可观的数字。国外研究表明，维修费随设备技术 含量的提高而增加，并且与维修体制密切相关与维修体制密切相关。在日本，由于较为重视状态监 测与故障诊断工作，上世纪九十年代初工业装置的维修费为年销售额的 610，加上库存的备品备件，总维修费达销售额的 25；在美国，根据美 国国家统计局发布的资料：1980 年美国工业

15、设备的维修费达 2460 亿美元，几 乎占了中央和地方税收总额（7500 亿美元）的三分之一，而其中的 750 亿美元 是因不当维修，包括缺乏正确的状态监测与故障诊断给浪费了；在我国的石化 行业，伴随着维修体制的逐步改进、以及状态监测与故障诊断工作的逐步开展 和提高，维修费所占的比重呈逐步下降趋势，上世纪八十年代为年产值的 20 左右，九十年代为 15左右，近年来为 10左右、甚至略低。 维修体制维修体制的变革经历了故障维修、预防性维修和预知性维修三个阶段。 最初是故障维修故障维修，又称为事后维修， “小车不倒只管推” ，设备什么时候 坏了、什么时候修，盲目、无计划、设备损坏程度大、维修费用高

16、。 长期以来，大多数工厂沿用的是定期的预防性维修体制，也称计划维修计划维修， 它是根据生产计划和经验，规定在设备运行一确定时间后停下，进行解体、检 查、修理、更换零部件。这种维修制度下，无论设备有无毛病都要解体，是一 种过剩维修，浪费人工、物料；机器过多拆卸，既容易降低原有精度又容易发 生人为故障。因此，预防性维修带有很大的盲目性，既不经济又不合理。 预知性维修预知性维修是以状态监测与故障诊断技术为基础、以设备实际状况为依据、 根据生产需要制定出预知性维修计划的维修体制。预知性维修要求：不断地测 知表征设备实际状态的参数；对测得参数进行分析、判断，做出是否发生故障 以及故障类型、故障程度的评价

17、；推测机器状态的发展趋势，估算出最佳的维 修时机。预知性维修的目标预知性维修的目标是：需要停车时才停车；需要换件时才换件；需要 维修什么项目（如某处轴承、某根转子、某处对中、某个齿轮、）才维修什 8 么项目。显然，预知性维修比较先进、经济。据日本资料介绍，采用设备故障 诊断技术，故障停机时间可降低 75，每年设备维修费可减少 2550。无怪 国外有些专家认为，把少量美元花费在状态监测上，比把上百万美元花费在因 设备严重损坏而引起强迫停机后的检修上更有价值。从开展此项工作中尝到甜 头的国内设备专家则说，开展状态监测与故障诊断工作是花小钱、省大钱，购 置监测仪器是花了一些钱，但有效地降低了故障损失

18、和设备维修费，反而节省 了大钱。 3. 状态监测与故障诊断的发展与现状状态监测与故障诊断的发展与现状 状态监测与故障诊断技术是近三十年来国内外发展较快的一门新兴学科。 我国状态监测与故障诊断技术起源于上世纪七十年代末。那时，建国后首 批从西方工业发达国家成套引进的 13 套大化肥装置，以及随后不久引进的大化 纤、大乙烯等装置正处于建成后的试车、开车阶段，由于某些机组事故频发， 促进了高校及科研单位对这项技术的理论研究和实际应用。国外某些大公司的 监测与诊断部门也同时开展了一些服务与交流，客观上起到了一定的推动作用。 79 年起，有些企业开始研究西方设备维修体制，从中感受到状态监测与预知性 维修

19、的重要意义。79 年到 83 年，一些受故障损失严重困扰的石化企业，购置 了国外先进的频谱分析仪等状态监测仪器，进入了初步的实践阶段，1983 年， 原国家经委下达了国营工业交通设备管理试行条例 ，明确提出：“逐步采用 现代故障诊断和状态监测技术，发展以状态监测为基础的预知性维修体制” ， 从而把故障诊断纳入企业管理法规，对发展故障诊断技术具有极为重要的意义。 自 1984 年起，石化企业逐步建立起以总公司、公司（总厂） 、厂的三级状态监 测机构，配置人员，购置仪器，培训学习，相互交流，全面开展了状态监测与 故障诊断工作，整体水平得到提高。九十年代起，火力发电行业开始开展大型 汽轮发电机组的在

20、线状态监测与故障诊断工作，并且发展较为迅速。进入本世 纪以来，在钢铁、炼铝、水力发电、风力发电、空分等行业内，伴随着技术先 进的大型转动设备的投入使用，状态监测与故障诊断技术也开始得到重视与应 用，并呈现出上升的趋势。 状态监测与故障诊断技术状态监测与故障诊断技术自身的发展过程发展过程，大致可归纳为以下三个阶段： 离线的 FFTFFT 分析仪阶段分析仪阶段 上世纪八十年代初、中期，通过磁带记录仪到现场记录振动信号，然后回 实验室输入 FFT（快速傅里叶变换）分析仪回放，进行频谱分析，只有功率谱 （幅值谱）及波形，少数配置双通道时才能看到轴心轨迹，分析方法单一，基 本上只能查幅值、频率。 9 离

21、线或在线的计算机辅助监测、诊断阶段计算机辅助监测、诊断阶段 上世纪八十年代末期至九十年代中期，通过计算机完成信息采集、信号分 析、数据库管理、甚至给出诊断结论，有各种图谱，分析方法多样，更加注重 幅值、频率、相位信息的全面、综合利用，还涌现出专家辅助诊断系统。 网络化监测、诊断阶段网络化监测、诊断阶段 上世纪九十年代末以来，充分利用企业内部局域网和 Internet 网络，做到 资源共享、节省投资、远程诊断，所监测的参数不再局限于振动、轴位移、转 速，进一步扩展到流量、压力、温度等工艺过程量，对设备运行状态的把握更 加全面、准确，实现了真正意义上的专家远程诊断。 如今，在对设备当前运行状态的监

22、测以及故障原因的诊断方面，可以说国 内外状态监测与故障诊断产品（无论是在线的、还是离线的）的性能都达到了 较为令人满意的水平。然而，用户现场人员最关心的是设备当前故障的严重程 度如何、今后的发展趋势怎样、还能否继续运行下去、还能运行多久等问题， 恰恰在对故障程度的评估上以及故障趋势的预报上，各家产品都显得欠缺。因 此，状态预报是目前监测诊断技术中较为薄弱的环节。 二、大机组状态监测与故障诊断常用的方法二、大机组状态监测与故障诊断常用的方法 可作为机械设备状态监测与故障诊断的信息是多种多样的，主要有：振动、 声音、变形、应力、裂纹、磨损、腐蚀、温度、压力、流量、电流、转速、扭 矩、功率、等等。大

23、机组状态监测与故障诊断常用的方法，主要有以下几种。 1. 振动分析法振动分析法 振动分析法振动分析法是对设备所产生的机械振动（对大机组来说，主要是是转子相 对于轴承的振动）进行信号采集、数据处理后，根据振幅、频率、相位振幅、频率、相位及相关相关 图谱图谱所进行的故障分析。 振动分析法是大机组状态监测与故障诊断所使用的主要方法。 一方面，由于在大机组的所有故障中，发生振动故障的概率最高振动故障的概率最高；另一方 面，振动信号振动信号所函括的设备状态的信息量最大信息量最大，它既包含了转子、轴承、联轴 器、齿轮、壳体、基础、管线等机械零部件自身运行状态的信息，又包含了诸 如转速、流量、压力、温度、介

24、质组分、润滑油（主要是油温）等工艺及运行 参数影响机组运行状态的信息，因为机械零部件或运行参数的非正常变化，都 会引起振动值增大，振动信息量如此之丰富，是其它任何信息所无法比拟的； 第三，振动信号易于拾取振动信号易于拾取，便于在不影响机组运行的情况下实行在线监测和诊 断。因此，振动分析法是转动设备故障诊断中运用最广泛、最有效的方法。 10 采用振动分析法，可以对旋转机械大部分的故障类型进行准确的诊断，例 如转子不平衡、轴弯曲、轴横向裂纹、滑动轴承不良（间隙过大、磨损严重、 刚度差异大、轴颈偏心、轴承不对中、轴瓦或油挡错位、瓦面接触差、瓦背紧 力不足、可倾瓦摇摆性差等） 、油膜涡动及油膜振荡、摩

25、擦、转子部件或支承部 件松动、轴系不对中、结构共振、旋转失速及喘振、流体激振、电磁力激振、 临界转速、联轴器缺陷、齿轮缺陷、滚动轴承缺陷、皮带轮偏心等等。振动分 析法是大机组状态监测与故障诊断所使用的主要方法。 2. 油液分析法油液分析法 油液分析法是对润滑油本身以及油中微小颗粒所进行的理化分析，也是大 型旋转机械状态检测与故障诊断中的一个重要方法。 油液分析法油液分析法分为两大类，一类是润滑油润滑油油液本身的常规理化分析常规理化分析，另一类 是对油中所含有的微小颗粒颗粒所进行的铁谱分析、光谱分析、颗粒计数铁谱分析、光谱分析、颗粒计数等。 通过对润滑油油液的粘度、闪点、酸值、破乳化度粘度、闪点

26、、酸值、破乳化度、水分、机械杂质、液 相锈蚀试验、抗氧化安全性抗氧化安全性等各项主要性能指标的检验分析，可以准确地掌握 润滑油本身的性能信息，也可以大概地了解到机组轴承、密封的工作状况。 通过对油液中不溶物质、主要是微小固体颗粒所进行的铁谱分析、光谱分铁谱分析、光谱分 析、颗粒计数析、颗粒计数，不仅可以定性、而且可以定量地测定磨损颗粒磨损颗粒的元素元素成分及含含 量量、以及大小颗粒大小颗粒各自所占的浓度浓度。其中，光谱分析能够迅速、准确、简便地 测定出金属或非金属颗粒的元素成分及含量，但是对大颗粒（大于 5m）测定 的准确性会降低，尤其是不能进行磨粒的大小颗粒计数。尽管铁谱分析只能够 在一定程

27、度上对化学元素进行定性、定量分析，但是，铁谱分析仪（具体有分 析式、直读式、在线式、旋转式）能够定量地测出含铁大小磨粒各自数量的象 征性读数 DL、DS，即大小磨粒各自所占的浓度，而且通过铁谱显微镜等还能够 观察到磨损颗粒具体的形貌、尺寸，从而可以对磨粒的来源、产生的原因以及 零部件当前磨损的程度进行科学的分析与诊断。因为，正常磨损的磨粒为鱼鳞 状，表面光滑，周边圆滑，长轴尺寸为 0.515m（多数小于 5m） ，厚 0.151m，长轴与厚度之比为 310；而非正常磨损磨粒的形貌则由于不同的产 生原因分别形成为带状、球状、晶体型层状、螺旋状、弯曲状等，表面有划痕， 周边不圆滑或有锐利的棱边，磨

28、粒的尺寸（除了滚动轴承疲劳磨损的球状磨粒 直径为 15m 外）均大于 5m、多数在 20m 以上、较为严重时大于 100m、 甚至更大，磨粒的长轴与厚度之比降低，大磨粒浓度 DL读数与小磨粒浓度 DS 读数之差显著增大。总之，根据元素元素成分和浓度浓度来判断哪些零部件（如轴颈、 轴承、油封、浮环、机械密封、齿轮、齿式联轴器等）发生了非正常磨损磨损，根 11 据大小磨粒的浓度浓度以及磨粒的形貌形貌、尺寸尺寸来判断其当前的磨损程度磨损程度。 3. 轴位移的监测轴位移的监测 在某些非正常的工况下，旋转机械的转子转子会因轴向力轴向力过大而产生较大的轴轴 向位移向位移，严重时会引起推力轴承磨损，进而发生

29、转子端面与隔板或缸体摩擦碰 撞；汽轮机汽轮机在启动和停车过程中，会因转子与缸体受热和冷却不均而产生差胀差胀， 严重时会发生轴向动静摩擦。尽管转子轴位移故障的概率不是很高，但也常有 发生，一旦发生往往是灾难性的。对轴位移进行在线监测和故障诊断很有必要。 此外，轴位移监测技术还被用于往复式机械，通过监测活塞杆活塞杆的横向位移横向位移， 来诊断活塞支承环或活塞环的磨损量，从而避免发生拉缸故障以及打气量不足。 4. 轴承回油温度及瓦块温度的监测轴承回油温度及瓦块温度的监测 对于滑动轴承，检修或运行不当都会造成轴承工作不良，从而引起轴承回 油温度及瓦块温度升高，严重时会造成烧瓦，因此对轴承回油温度、瓦块

30、温度 进行监测非常必要。API（美国石油协会标准）规定，轴承进出口润滑油的正 常温升温升应小于小于 28，轴承出口出口处的最高油温油温应小于小于 76(原为 82)。另外，用铂 电阻在距轴承合金 1mm 处测量瓦块温度时，一般不应超过 110115。由于 具体测量的方法、位置等各不相同，温度反映往往滞后，因此应具体情况具体 分析。 5. 综合分析法综合分析法 对转动设备的状态监测与故障诊断，此外还有噪声分析法、热红外分析法、 应力分析法等，以及观察设备内部情况的激光、光纤和设备成像技术，分析介 质成分的气相色谱技术，检验金属内部缺陷的 X 光射线、超声波探伤技术等。 在进行转动设备实际状态监测

31、与故障诊断时，往往是以振动分析法为主、 相应配合以上一些方法连同工艺及运行参数的监测与分析一起进行综合分析的。 运行参数的监测与分析一起进行综合分析的。 三、有关振动的常用术语三、有关振动的常用术语 1. 机械振动机械振动 物体物体相对于平衡位置所作的往复运动往复运动称为机械振动机械振动。简称振动振动。 例如，机器箱体的颤动、管线的抖动、叶片的摆动等都属于机械振动。 振动用基本参数、即所谓“振动三要素振动三要素” 振幅、频率、相位振幅、频率、相位加以描述。 12 2. 涡动、进动、正进动、反进动涡动、进动、正进动、反进动 转动物体转动物体相对于平衡位置所作的圆周运动圆周运动称为涡动涡动。 物体

32、涡动时，是在绕着自身对称轴旋转（自转）的同时，对称轴又进一步 在绕着某一平衡位置旋转（公转） ，所以涡动又称为进动进动。 例如，水中的漩涡、玩具陀螺、转子的运动等都属于涡动。 旋转机械转子的实际运动状态是，在以角速度 （即转速 n）绕着自身轴 线 ACB 旋转（自转）的同时，整个轴线又以角速度 绕着轴承中心线 AOB 在 做圆周运动（公转） 。转子实际上是做旋转状的涡动，并不是往复状的机械振动。 由于这种涡动在径向上所测得的振幅、频率、相位在数值上与机械振动相同， 因此可以沿用机械振动 的许多成熟的理论、方 法，所以旋转机械转子 的涡动通常仍然称作振 动。但是，在研究研究旋转 机械转子的振动时

33、，应转子的振动时，应 该时刻牢记转子的振动实际上是涡动的这一基本特点。该时刻牢记转子的振动实际上是涡动的这一基本特点。 正进动正进动是指涡动方向与转子旋转方向相同的涡动。 反进动反进动是指涡动方向与转子旋转方向相反的涡动。 因为转子的实际振动是涡动，其涡动轨迹通常为不规整的椭圆，因此需要 配置两个相互垂直的探头才能较为准确地测出转子真实的振动。 3. 振幅振幅 3.1 振幅振幅 振幅振幅是物体动态运动或振动的幅度。 振幅是振动强度强度和能量能量水平的标志，是评判评判机器运转状态优劣状态优劣的主要指标。 3.2 峰峰值、单峰值、有效值峰峰值、单峰值、有效值 振幅的量值可以表示为峰峰值（pp） 、

34、单峰值（p） 、有效值（rms）或平均 值（ap） 。峰峰值峰峰值是整个振动历程的最大值，即正峰与负峰之间的差值；单峰值单峰值 是正峰或负峰的最大值；有效值有效值即均方根值。 只有在纯正弦波(如 简谐振动)的情况下，单 峰值等于峰峰值的 1/2，有效值等于单峰值 13 的 0.707 倍，平均值等于单峰值的 0.637 倍；平均值在振动测量中很少使用。它 们之间的换算关系是：峰峰值2单峰值221/2有效值。此换算关系并无多 大的实用价值，只是说明振幅在表示为峰峰值、峰值、有效值时，数值不同、 相差很大。 3.3 振动位移、振动速度、振动加速度振动位移、振动速度、振动加速度 振幅振幅分别用振动位

35、移、振动速度、振动加速度振动位移、振动速度、振动加速度值加以描述描述、度量，三者相 互之间可以通过微分或积分进行换算。在振动测量中，除特别注明外，习惯上， 振动位移的量值为峰峰值振动位移的量值为峰峰值，单位是微米m或密耳mil；振动速度的量值为有振动速度的量值为有 效值效值，单位是毫米/秒mm/s或英寸/秒ips；振动加速度的量值是单峰值振动加速度的量值是单峰值，单位 是重力加速度g或米/秒平方m/s2，1g = 9.81m/s2。 可以认为，在低频范围内，振动强度与位移成正比；在中频范围内，振动 强度与速度成正比；在高频范围内，振动强度与加速度成正比。因为频率低意 味着振动体在单位时间内振动

36、的次数少、过程时间长，速度、加速度的数值相 对较小且变化量更小，因此振动位移能够更清晰地反映出振动强度的大小；而 频率高，意味着振动次数多、过程短，速度、尤其是加速度的数值及变化量大， 因此振动强度与振动加速度成正比。 也可以认为，振动位移具体地反映了间隙的大小，振动速度反映了能量的 大小，振动加速度反映了冲击力的大小。 在实际应用中，大型旋转机械大型旋转机械的振动用振动位移振动位移的峰峰值m表示，用装 在轴承上的非接触式电涡流位移传感器来测量转子转子轴颈的振动；一般转动设备一般转动设备 的振动用振动速度振动速度的有效值mm/s表示，用手持式或装在设备壳体壳体上靠近轴承 处的磁电式速度传感器或

37、压电式加速度传感器（如今主要是加速度传感器）来 测量；齿轮和滚动轴承齿轮和滚动轴承的振动用振动加速度振动加速度的单峰值g表示，用加速度传感器 来测量。 3.4 振动烈度振动烈度 振动烈度振动烈度是振动标准中的通用术语，是描述一台机器振动状态的特征量。 在我国及国际振动标准中，几乎都规定振动烈度的度量值为振动速度的有效值振动速度的有效值。 因此，可以认为振动烈度就是振动速度的有效值。所以，在对一般转动设 备进行振动监测时，应测量振动速度的有效值（并要求在靠近轴承位置处的水 平、垂直、轴向三个方向上进行测量，取最大值） ，因为只有振动烈度才有振动 标准可以参照（大机组不完全如此） ，评定机器运转状

38、态的优劣时才能做到有据 可依。 14 对大型旋转机组转子振动的评定标准，我国及国际振动标准几乎都规定用 在靠近轴承处轴颈振动位移的峰峰值进行度量。评定标准的具体数值，由于各 类型机器在转速上相差较大，难以统一。对石油化工用离心式压缩机及汽轮机， API617、API612 标准规定，在制造厂进行机械运转试验时，转子振动位移的峰 峰值 Xpp 不应超过 A 值或 25.4m 中的较小值，A = 25.4(12000/n)1/2，n 为最大 连续工作转速。对石化大机组，转子实际运行中振幅的许可值应该遵照制造商 的规定。在无制造商规定时，也可以认为： XppA 时，为优良状态，A 为 25.4(12

39、000/n)1/2 及 25.4m 中的较小值； AXppB 时，为合格状态，B(1.62.5)A，转速较低时取大值，转速高 时取小值，B 为低报警值； BXppC 时，为不合格状态，C1.5B，C 为高报警值或连锁值； XppC 时，为不允许状态。 另外，当振动值变化的增量超过报警值（B 值）的 25时，应受到关注。 右图为中 石化旋转机械 振动标准 SHS 01003-2004 关 于机器振动烈 度的评定等级 表。我国及国 际其它振动标 准关于机器振 动烈度的评定 等级也大致如 此。例如， ISO 3945 对转 速为 60012000 r/min，功率大于 300kW 的大型旋转机械的标

40、准与此完全相同；德国 工程师协会 VDI 2056 标准与此基本相同（低一格） 。 其中，根据输出功率、机器支承系统的刚性等将旋转机械分为如下 4 类： 小型转机，如 15 kW 以下的电机； 安装在刚性基础上的中型转机，功率在 300 kW 以下； 15 大型转机，机器支承系统为刚性支承状态； 大型转机，机器支承系统为挠性支承状态。 当支座的固有频率大于转子轴承系统的固有频率时，为刚性支承状态；当 支座的固有频率小于转子轴承系统的固有频率时，为挠性支承状态。 振动烈度振动烈度 Xrms 与振动位移与振动位移 Xpp、振动加速度、振动加速度 Xp 的换算关系式为：的换算关系式为： Xrms(2

41、f/(221/2)10-3Xpp 2.2210-3 Xppf mm/s Xrms(21/2/2)/2f )9.81103Xp 1.11103Xp/p/f mm/s 式中，Xpp振动位移峰峰值，m； Xp振动加速度单峰值，g； f主振动的频率，通常取工频，Hz。 在实际应用中，应该以实际测得数据为准，尽量避免运用以上换算关系。 4. 频率频率 4.1 频率、周期频率、周期 频率频率 f 是物体每秒钟内振动循环的次数，单位是赫兹 Hz。 频率是振动特性振动特性的标志，是分析振动原因分析振动原因的重要依据。 周期周期 T 是物体完成一个振动过程所需要的时间，单位是秒 s 。例如一个 单摆，它的周期就

42、是重锤从左运动到右，再从右运动回左边起点所需要的时间。 频率与周期互为倒数，f1/T。 对旋转机械来说，转子每旋转一周就是完成了一个振动过程，为一个周期， 或者说振动循环变化了一次。因此转速 n、角速度 都可以看作频率，称为旋 转频率、转速频率、圆频率，或 n、f 不分，都直接简称为频率，它们之间 的换算关系为：f = n/60，2f2n/600.1n，其中转速 n 的单位为转/分钟 r/min，角速度 的单位为弧度/秒rad/s。 4.2 倍频、一倍频、二倍频、倍频、一倍频、二倍频、0.5 倍频、工频、基频、转频倍频、工频、基频、转频 振动频率也可以用转速频率的倍数来表示。 倍频倍频就是用转

43、速频率的倍数来表示的振动频率。 如果振动频率为机器实际运行转速频率的一倍、二倍、三倍、0.5 倍、0.43 倍、时，则称为一倍频（习惯上又称为 1X，或 1） 、二倍频（2X、2） 、三 倍频（3X、3） 、0.5 倍频（0.5X、0.5） 、0.43 倍频（0.43X、0.43） 、等。 其中，一倍频，即实际运行转速频率又称为工频实际运行转速频率又称为工频、基频、转频，0.5 倍频又称为 半频。 例如，某机器的实际运行转速 n 为 6000 r/min，那么，转速频率 16 n/606000/60100Hz，其工频为 100Hz，二倍频为 200Hz，半频为 50Hz。 4.3 通频振动、选

44、频振动通频振动、选频振动 通频振动通频振动是原始的、未 经傅里叶变换分解处理的、 由各频率振动分量相互迭加 后的总振动总振动。其振动波形是 复杂的波形。 选频振动选频振动是从通频振动 中所分解出来的、振动波形 是单一正弦波单一正弦波的、某一某一选定频率频率的振动（如工频、0.5 倍频、二倍频、） 。 4.4 故障特征频率故障特征频率 各种不同类型的故障故障所引起的振动都有各自的特征频率都有各自的特征频率。例如，转子不平 衡的振动频率是工频，齿式联轴器（带中间齿套）不对中的振动频率是二倍频， 油膜涡动的振动频率是 0.5 倍频(实际上要小一点)，等等。由各频率成分的幅值 大小和分布情况，从中查找

45、出发生了异常变化的频率，再联系故障特征频率探 索构成振动激振力的来源，是判别振动故障类型通常采用的诊断方法。 但是反过来，某种某种振动频率又和多种类型的故障有关联频率又和多种类型的故障有关联。例如，动不平衡 的特征频率是工频，但不能说工频高就是发生了动不平衡，因为某些轴承及不 对中等其他故障的振动频率也是工频。因此，频率和振动故障的对应关系并不 是唯一的。为了得到正确的诊断结论，需要对各种振动信息进行综合分析。 常见的故障特征频率常见的故障特征频率及相应的故障类型，简要介绍如下： 工频工频 工频成分在所有情况下都存在，工频幅值几乎总是最大，应该在其发生异 常增大的情况下才视为故障特征频率。 工

46、频所对应的故障类型相对较多。多数（60以上）为不平衡不平衡故障，即突 发性不平衡（断叶片、叶轮破裂等） 、渐发性不平衡（结垢、腐蚀等） 、初始不 平衡，以及轴弯曲等；同时，相当数量（接近 40）为轴承偏心轴承偏心类故障，如间 隙过大、轴承合金磨损、轴承不对中、轴承座刚度差异过大等；此外，还有刚 性联轴器的角度（端面）不对中不对中；支座、壳体、基础的松动、变形、裂缝等支支 承刚度异常承刚度异常引起的振动或共振；运行转速接近临界转速临界转速；发电机及电电动机机转子 偏心偏心等。 二倍频二倍频 二倍频成分在所有情况下也都存在，幅值往往低于工频的一半，常伴有呈 17 递减状的三倍频、四倍频、，也应该在

47、异常增大的情况下视为故障特征频率。 二倍频所对应的故障类型较为集中。绝大多数为不对中不对中故障，如齿式联轴 器（带中间短接）和金属挠性（膜盘、叠片）联轴器的不对中、刚性联轴器的 平行（径向）不对中，其中，既有安装偏差大所产生的冷态不对中，又有由温 差产生的支座升降不均匀、管道力、电机转子偏心等所引起的热态不对中，以 及联轴器损伤故障等；此外，还有概率较小的其它故障，如转动部件松动松动，转 子刚度不对称（横向裂纹裂纹） ，支承刚度支承刚度在水平、垂直方向上相差过大相差过大等。 低频低频（低于工频的频率） 正常情况下，低频成分往往不存在或者以微量幅值（一般不大于 3m）存 在，在其大于 35m 的

48、情况下，就应该以故障特征频率的预兆加以关注了。 低频所对应的故障类型相对复杂。可进一步分为两种类型：一种是分数谐 波振动，如 1/2 倍频、1/3 倍频、，且频率成分较多，多数为摩擦摩擦及松动松动故障， 如密封、油封、油挡的摩擦，轴承紧力不足等；另一种是亚异步振动，对应的 为流体激振流体激振类故障，如旋转失速、喘振、油膜涡动、油膜振荡、密封流体激振旋转失速、喘振、油膜涡动、油膜振荡、密封流体激振， 此外还有进汽（气）激振进汽（气）激振等，其中油膜振荡、密封流体激振为自激振动，是一 种很危险、能量很大的振动，一般发生在转速高于第一临界转速之后，多数是 在二倍第一临界转速以上，频率成分较为单一。

49、转子的临界转速转子的临界转速 转子的临界转速就是转子的固有频率，其所对应的故障类型有油膜振荡、 密封流体激振、临界转速区共振，对于老机组、成熟机型发生的概率较低。 机器自身和基础或其它附着物的固有频率机器自身和基础或其它附着物的固有频率 齿轮故障的特征频率齿轮故障的特征频率 由于齿轮的轮齿在进入和脱离啮合时，载荷突变、碰撞加剧，瞬时的高频 冲击振幅与周期性变化的转频振幅相互叠加而产生幅值调制；制造时的轮齿分 度不均匀、即周节误差使旋转速率发生变化则产生了频率调制。 齿轮振动的特征频率为：齿轮振动的特征频率为：fm i f ， i 为正整数（i1，2，3，） 式中，fm啮合频率啮合频率，为载波频率， fmf1z1f2z2， 其中， f1、f2、z1、z2分别为主动轮、从动轮的转速频率及齿数； f齿轮的转速频率，为调制频率。 表现在频谱图上，