第三讲监测与诊断技术基

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1、监测与诊断技术基础管理体制状态监测的基本知识故障诊断的常用图谱管理体制n监测与诊断工作是一个系统工程n首先要有设备n其次要有懂专业的技术人员n更重要的是还必须有系统完善的管理体制设备故障诊断的技术基础设备故障诊断的技术基础n设备诊断技术是依靠传感技术 和在线检测技术进行分析处理，机械故障诊断实质是利用运行中各个零部件的二次效应， 由现象对本质进行诊断。n常见故障模式有 磨损、腐蚀、老化、结构失效、系统失效、电气系统失灵、失控、接触不良、污染等。n诊断故障最常用、最成熟的方法是对相应故障的征兆的分析。n将人工智能 的理论和方法用于故障诊断是故障诊断的一条全新途径。设备故障诊断的技术基础设备故障诊

2、断的技术基础n振动诊断是目前所有故障诊断技术中应用最广泛最成功的诊断方法。 n振动诊断的时域分析方法包括直接观察法、概率分析法、 示性指标法、时域同步平均法及相关函数诊断法。n在旋转机械振动监测和故障诊断中，对波形复杂的振动信号，常常采用其峰一峰值；n振动频谱中包含机器零部件的机械状态信息 ，振动诊断的任务从某种意义上讲，就是读谱图，把频谱上的每个频谱分量与监测的机器的零部件对照联系，给每条频谱以物理解释。设备故障诊断的技术基础设备故障诊断的技术基础n振动的理论基础振动的理论基础n在这里所提及的状态监测与故障诊断，均是指基于振动测量与分析方面的技术n事实上状态监测与故障诊断是一门综合性极强、涉

3、及面非常广泛、学科交叉渗透十分丰富的技术.n除了应用振动分析方法之外，还可采用油液分析、红外热像、超声探伤以及温度、压力分析等多种不同技术 n一、有关的名词和术语n机械振动是指物体围绕其平衡位置附近来回摆动并随时间变化的一种运动。n机械振动通常以其幅值、周期（频率）和相位来描述，它们是描述振动的三个基本参量。n1. 振动的基本参量：幅值、周期（频率）和相位na幅值：表示物体动态运动或振动的幅度，它是机械振动强度的标志，也是机器振动严重程度的一个重要指标。n机器运转状态的好坏绝大多数情况是根据振动幅值的大小来判别的。振幅的大小可以表示为峰峰值（PP）、单峰值（0P）、有效值（RMS）或平均值（A

4、verage）。峰峰值等于正峰和负峰之间的最大偏差值，峰值等于峰峰值的1/2。只有在纯正弦波的情况下，均方根值才等于峰值的0.707倍，平均值等于峰值的0.637倍。而平均值在振动测量中一般则很少使用。nb周期：物体完成一个完整的振动所需要的时间，以T表示。单位一般是用“秒”来表示。例如一个单摆，它的周期就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。 nc频率：是指振动物体在单位时间（1秒）内所产生振动的次数，即Hz，以f表示。很显然，f1T。n对于旋转机械的振动来说，存在下述令人感兴趣的频率：na）转动轴的旋转频率；nb）各种振动分量的频率；nc）机器自身和基础或其它附着物的固有频

5、率。nd相位：是指旋转机械测量中某一瞬间机器的选频振动信号（如基频）与轴上某一固定标志（如键相器）之间的相位差。相位可用来描述某一特定时刻机器转子的位置，一个好的相位测量系统能够确定每一个传感器所在的机器转子上“高点”相对机器轴系上某一固定的标志点的位置。而平衡状态的变化将会引起“高点”位置的变化，这种变化也会通过相位角的变化而表示出来。相位的度量单位为度（），通常振动相位在0360范围之间变化。振动的相位在振动分折中十分重要，它不仅反映了不平衡分量的相对位置，在动平衡中必不可少，而且在故障诊断中也能发挥重要作用。下面专门说一下振动位移、速度、加速度三者之间的相位关系。以单摆的简谐振动为例：n

6、把一个单摆横向来看，当重锤向上摆，通过起始点0时，其位移为零，而速度为正方向最大，加速度为零；当重锤运动到上死点时，位移为正方向最大，此时速度为零，加速度为负方向最大；重锤向下回零时，位移为零，速度为负方向最大，加速度为零；当重锤运动到下死点时，位移为负方向最大，而此时速度为零，加速度为正方向最大。n结论：振动速度相位超前振动位移90；n 振动加速度相位超前振动速度90；n 振动加速度相位超前振动位移180。n相位如果没有明确指明，其角度增加的方向总是与转子的转动方向相反。通频振动、选频振动、工频振通频振动、选频振动、工频振动动n通频振动表示振动原始波形的振动幅值。通频振动表示振动原始波形的振

7、动幅值。n选频振动表示所选定的某一频率正弦振选频振动表示所选定的某一频率正弦振动的幅值。动的幅值。n工频振动表示与所测机器转子的旋转频工频振动表示与所测机器转子的旋转频率相同的正弦振动的幅值。对于工作转率相同的正弦振动的幅值。对于工作转速为速为6000r/min的机器，工频振动频率的机器，工频振动频率是是100HZ。工频振动又叫基频振动。工频振动又叫基频振动 n3. 径向振动、水平振动、垂直振动、轴向振动径向振动、水平振动、垂直振动、轴向振动n径向振动是指垂直于机器转轴中心线方向的振功。径向振动有时也称为横向振动。n水平振动是指与水平方向一致的径向振动。n垂直振动是指与垂直方向一致的径向振动。

8、n轴向振动是指与转轴中心线同一方向的振动。n4. 同步振动、异步振动同步振动、异步振动n同步振动是指与转速频率成正比变化的振动频率成分。一般情况（但不是全部情况）下，同步成分是旋转频率的整数倍或者整分数倍，不管转速如何，它们总保持这一关系，如一倍频（1X），二倍频（2X），三倍频（3X），半频（1/2X）,三分之一倍频（1/3X）等。n异步振动是指与转速频率无关的振动频率成份，也可称为非同步运动。n5. 谐波、次谐波、亚异步、超异步谐波、次谐波、亚异步、超异步n一个复杂振动信号所含频率等于旋转频率整数倍的信号分量，也称谐波、超谐波或同步。n一个复杂振动信号中所含频率等于旋转频率分数倍的信号分量

9、，也称为次谐波或分数谐波。n亚异步振动是指频率低于旋转频率的非同步振动分量。n超异步振动是指频率高于旋转频率的非同步振动分量。n其振动的大小不能正确预知的振动。n6. 相对轴振动、绝对轴振动、轴承座振动相对轴振动、绝对轴振动、轴承座振动n转子的相对轴振动是指转子轴颈相对于轴承座的振动，它一般是用非接触式电涡流传感器来测量。n转子的绝对轴振动是指转子轴相对于大地的振动，它可用接触式传感器或用一个非接触式电涡流传感器和一个惯性传感器组成的复合传感器来测量。两个传感器所测量的值进行矢量相加就可得到转子轴相对于大地的振动。n轴承座振动是指轴承座相对于大地的振动，它可用速度传感器或加速度传感器来测量。7

10、. 自由振动、受迫振动、自激振自由振动、受迫振动、自激振动、随机振动动、随机振动n自由振动一般是指力学体系在经历某一初始扰动（位置或速度的变化）后，不再受外界力的激励和干扰的情形下所发生的振动。根据扰动的类型，力学体系以自身的一种或多种固有频率发生自由振动。n受迫振动是指在外来力函数的激励下而产生的振动。通常，受迫振动按照激励力的频率振动。n自激振动是指由振动体自身所激励的振动。维持振动的交变力是由运动本身产生或控制的。自激振动通常有下述特点：n振动频率为亚异步或超异步，与转子转速不同步。n自激振动的频率以转子的固有频率为主。n多数为径向振动。n振幅可能发生急剧上升，直到受非线性作用以极限圆为

11、界。n振幅的变化与转速或负荷关系密切。n失稳状态下的振动能量来源于系统本身。随机振动n随机振动是指当描述系统振动的状态变量不能用确切的时间函数来表述，无法确定状态变量在某瞬时的确切数值，其物理过程具有不可重复性和不可预知性时，也就是在任何时刻，其振动的大小不能正确预知的振动 。8. 高点和重点高点和重点n高点是指当转轴和振动传感器之间的距离最近时，转轴上振动传感器所对应的那一点任一时刻的角位置。也意味着当振动传感器产生正的峰值振动信号时，转轴表面振动传感器对应点的位置。高点可能随转子的动力特性的变化（如转速变化）而移动。n重点是指在转轴上某一特定横向位置处，不平衡矢量的角位置。重点一般不随转速

12、变化。n在一定的转速下，重点和高点之间的夹角称为机械滞后角。9. 刚度、阻尼和临界阻尼刚度、阻尼和临界阻尼n9. 刚度、阻尼和临界阻尼刚度、阻尼和临界阻尼n刚度是一种机械或液压元件在负载作用下的弹性变化量。一般机械结构的刚度包括静刚度和动刚度两个部分，静刚度决定于结构的材料和几何尺寸，而动刚度既与静刚度有关，也与连接刚度和共振状态有关。n阻尼是指振动系统中的能量转换（从机械能转换成另一种能量形式，一般是热能），这种能量转换抑制了每次振荡的振幅值。当转轴运动时，阻尼来自轴承中的油、密封等。n临界阻尼是指能够保证系统回到平衡位置而不发生振荡所要求的最小阻尼。 10. 共振、临界转速、固有频共振、临

13、界转速、固有频率率n共振共振是振幅和相位的变化响应状态，由对某一特殊频是振幅和相位的变化响应状态，由对某一特殊频率的作用力敏感的相应系统所引起。一个共振通常通率的作用力敏感的相应系统所引起。一个共振通常通过振幅的显著增加和相应的相位移动来识别。在共振过振幅的显著增加和相应的相位移动来识别。在共振发生时，当激振频率稍有变化（频率上升或下降）时，发生时，当激振频率稍有变化（频率上升或下降）时，其振动响应就会明显地减小。其振动响应就会明显地减小。n每一个转子，连同支持它的轴承组成的系统，都有若每一个转子，连同支持它的轴承组成的系统，都有若干阶横向振动的固有频率，每一阶固有频率又有它所干阶横向振动的固

14、有频率，每一阶固有频率又有它所对应的振型。对应的振型。n在一定的转速下，某一阶固有频率可以被转子上的不在一定的转速下，某一阶固有频率可以被转子上的不平衡力激起，这个与固有频率一致的转速就被称为平衡力激起，这个与固有频率一致的转速就被称为临临界转速。界转速。n当系统作自由振动时，其振动的频率只与系统本身的当系统作自由振动时，其振动的频率只与系统本身的质量（或转动惯量）、刚度和阻尼有关。这个由系统质量（或转动惯量）、刚度和阻尼有关。这个由系统的固有性质所决定的振动频率，称为系统的的固有性质所决定的振动频率，称为系统的固有频率固有频率。n11. 分数谐波共振、高次谐波共振和参数激振分数谐波共振、高次

15、谐波共振和参数激振n当以频率f激振，因频率f/n（n等于2及其以上的正整数）接近于系统的固有频率而引起的共振称为分谐波共振。n当以频率f激振，因频率nf（n等于2及其以上的正整数）接近于系统的固有频率而引起的共振称为高次谐波共振。n参数激振是指由质量、弹性等因素随时间周期变化的激振。由极不对称的截面或由此引起的不同的抗弯强度可能产生参数振动。n12. 涡动、正进动和反进动涡动、正进动和反进动n转轴的涡动（或称为进动）常定义为转轴的中心围绕轴承的中心所作的转动。 n正进动是指与转轴转动方向相同的涡动。n反进动是指与转轴转动方向相反的涡动。n13. 同相振动和反相振动同相振动和反相振动n在一对称转

16、子中，若两端支持轴承在同一方向（垂直或水平）的振动相位角相同时，则称这两轴承的振动为同相振动。若两端支持轴承在同一方向（垂直或水平）的振动相位角相差180时，则称这两轴承的振动为反相振动。 n根据振动的同相分量和反相分量可初步判断转子的振型。n14. 轴振型和节点轴振型和节点n轴振型是在某一特定转速下，作用力所引起的转子合成偏离形状，是转子沿轴向的偏离的三维表示。n节点是在所给定的振型中，轴上的最小偏离点。由于残留不平衡状态的改变，或其它力函数的改变，或者约束条件的改变（如轴承间隙的变化），节点都可能很容易地沿轴向改变它的位置。节点也常指轴上最小绝对位移点。节点两边的运动相角差180。图13

17、振型和节点n15. 转子挠曲转子挠曲n转子挠曲是指转子弹性弯曲值，现场习惯称为挠度。转子挠曲分为静挠曲和动挠曲，静挠曲是静止状态的转子在自重或预载荷作用下产生的弹性弯曲值，沿转子轴线上不同的点，静挠曲值不同；动挠曲是旋转状态的转子在不平衡力矩和其它交变力作用下产生的弹性弯曲值，转子动挠曲又分同步挠曲和异步挠曲两种，这两种挠曲将直接叠加到转轴振动上。16. 电气偏差、机械偏差、晃度电气偏差、机械偏差、晃度n电气偏差系非接触式电涡流传感器系统输出信号误差的来源之一，转轴每转一圈，该偏差就重复一次。传感器输出信号的变化并不是来自探头所测间隙的改变（动态运动或位置的变化），而通常是来自于转轴表面材料电

18、导率的变化或转轴表面上某些位置局部磁场的存在。（转子磁化后，其频谱特征为2X、4X、6X等比较高，且差不多高。）n机械偏差也是电涡流传感器系统输出信号误差的来源之一。传感器所测间隙的变化，并不是由转轴中心线位置变化或转轴动态运动所引起的，通常来源于转轴的椭圆度、损坏、键标记、凹陷、划痕、锈斑或由转轴上的其它结构所引起的。n转轴的晃度，或称为轴的径向偏差，是电气偏差和机械偏差的总和。在轴的振动标准中规定，其数值不能超过相当于许用振动位移的25或6m这两者中的较大值。通常涡流传感器在低转速（约工作转速的10左右）下测得的轴的振值基本就相当于转轴的晃度值。大部分情况下，晃度与振动为同一方向，相反的情

19、况很少。n17. 偏心和轴心位置偏心和轴心位置n在转子平衡领域，偏心是指转子质量中心偏离转轴回转中心的数值，此偏心是引起转轴振动最主要的激振力；而在机组运行监测中偏心是指轴颈中心偏离轴瓦中心的距离，也称为偏心位置或轴心位置，通过对偏心的监测可以发现转子承受的外加载荷和轴瓦工作状态。n18. 间隙电压、油膜压力间隙电压、油膜压力n间隙电压是指电涡流传感器测量的直流电压，其值反映了轴颈和探头间的间隙。由此可给出转子扬度、支承载荷、轴心位置等有关信息。n油膜压力反映了轴承支承油膜的厚度及稳定性，该压力能帮助诊断轴瓦稳定性等方面的问题。传感器的基本知识振动传感器n现场振动测试采用的传感器一般有非接触式

20、电涡流传感器、速度传感器、加速度传感器和复合传感器（它是由一个非接触传感器和一个惯性传感器组成）四种。每一种传感器都有它们固有的频响特性，其决定了各自的工作范围。如果采用的传感器在超出其线性频响区域工作时，测量得到的读数会产生较大的偏差。下表列出了振动测量中常用的一些传感器的性能和适用范围及优、缺点等。传感器种传感器种类类频响特性频响特性电涡流传电涡流传感器感器05000HZ或或010000Hz速度传感速度传感器器10500Hz 或或101000HZ加速度传加速度传感器感器0.210000HZ或更高或更高复合传感复合传感器器02000HZ电涡流传感器n采用的是感应电涡流原理,当带有高频电流的线

21、圈靠近被测金属时,线圈上的高频电流所产生的高频电磁场便在金属表面上产生感应电流,电磁学上称之为电涡流。电涡流效应与被测金属间的距离及电导率、磁导率、几何尺寸、电流频率等参数有关。 通过电路可将被测金属相对于传感器探头之间距离的变化转化为电压或电流变化。电涡流传感器就是根据对金属物体的位移、振动等参数的测量。 速度传感器n转轴式的，由转轴将速度传递出来，到一个小的发电机，很小的那种，根据发电机所建立的电压，推算出转速 n电磁感应式，在转动的轴上安装齿轮，外侧是电磁线圈，转动是由于轮齿间隙通过，得到方波变化的电压，再推算出转速 加速度传感器 n惯性原理，也就是力的平衡，加速度=F/M 我们只需要测量F就可以了 ，怎么测量F？用电磁力去平衡这个力就可以了。 可以得到 F对应于电流的关系。只需要用实验去标定这个比例系数 就行了。当然中间的信号传输 放大 滤波就是电路的事了