旋转机械故障诊断基本理论讲义

旋转机械故障诊断研究摘要：对设备的故障诊断，实际上自有工业生产以来就已存在。

早期人们依据对设备的触摸，对声音、振动等状态特征的感受，凭借工人的经验，判断某些故障的存在，并提出修复的措施。

随着信息处理技术的飞速发展，机械状态的诊断方法也得到了不断丰富，单一参数阈值比较的机器监测方法正开始向全息化、智能化监测方法过渡，监测手段也从依靠人的感官和简单仪器向精密电子仪器以及以计算机为核心的监测系统发展。

关键词：旋转机械转子系统故障机理及诊断信号处理目录一、旋转机械故障诊断的基本知识 (3)（一）旋转机械故障诊断的意义及发展概况 (3)1、旋转机械故障诊断的定义 (3)2、旋转机械故障诊断的意义 (3)3、旋转机械故障诊断的发展概况 (3)（二）转子振动的基本概念 (4)1、机械振动 (4)2、频率 (4)3、振幅 (4)4、振动烈度 (5)5、相位和相位差 (5)6、涡动和进动 (6)7、临界转速 (6)8、油膜涡动、油膜振荡 (7)二、转子系统的故障机理及诊断 (7)（一）转子不平衡的故障机理及诊断方法 (7)1、振动机理 (7)2、诊断方法 (8)（二）转子不对中的故障机理及诊断方法 (8)1、振动机理 (9)2、诊断方法 (9)（三）转子摩擦的故障机理及诊断方法 (10)1、转子与静止件径向摩擦的振动机理 (10)2、转子与静止件轴向摩擦的振动机理 (11)3、诊断方法 (11)（四）转子油膜涡动和油膜振荡的故障机理及诊断方法 (11)1、振动机理 (11)2、油膜涡动的诊断方法 (12)3、油膜振荡的诊断方法 (12)（五）转子弯曲的故障机理及诊断方法 (13)1、振动机理 (13)2、诊断方法 (13)（六）转子支承系统联接松动的故障机理及诊断方法 (13)1、振动机理 (14)2、诊断方法 (14)（七）转轴具有横向裂纹的故障机理及诊断方法 (14)1、振动机理 (14)2、诊断方法 (15)一、旋转机械故障诊断的基本知识（一）旋转机械故障诊断的意义及发展概况1、旋转机械故障诊断的定义通俗地说，对旋转机械故障的诊断类似于医生给患者治病，医生基于病理需要向患者询问病情、病史、切脉（听诊）以及量体温、验血相、测心电图等，根据获得的多种数据，进行综合分析才能得出诊断结果，提出治疗方案。

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。

在通过监测获取机器大量信息的基础上，基于机器的故障机理，从中提取故障特征，进行周密的分析，确定故障原因，作出符合实际的诊断结论，提出治理措施。

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. 旋转机械故障诊断的意义旋转机械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，而旋转机械故障诊断的意义则是有效地遏制了故障损失和设备维修费用。

具体可归纳如下几个方面：①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；②一旦发生故障，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，避免再次发生同类事故；③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；④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。

3. 旋转机械故障诊断的发展概况旋转机械故障诊断技术和其它学科一样，也是有其发展过程的。

在二战以前对机器振动问题的解决，主要靠技术人员的经验和技巧。

利用原始的检测手段，例如用小锤敲击或用细长导体抵在机器的某部位，以耳朵听到的声音来判断机器工作是否正常。

五十年代末，电涡流传感器逐步广泛用于旋转机械的振动检测上。

这不仅为振动监测提供了可靠的手段，也为转子动力学，轴承等学科的理论研究提供了先进的测试手段。

六十年代至七十年代振动监测仪逐渐运用在旋转机械上，同时在这个期间内，数字电路、电子计算机技术发展很快。

当计算机进入信号处理与分析领域时，测试技术便出现了一个新的分支——“信号数字处理分析技术”。

这种技术提供了对各种物质运动分析与识别信息。

七十年代末，八十年代初，旋转机械的状态监测与故障诊断系统在许多发达国家开始研制，并把实验室的研究结果推向工业部门应用。

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。

二、转子振动的基本概念旋转机械的功能实现主要靠转子旋转来完成的，故转子是其核心的部件。

旋转机械发生故障时伴随着异常的振动和噪声，我们对其振动信号进行分析可以有效提取机器故障特征信息。

因此，了解和掌握旋转机械转子振动基本概念，是监测机组运行状态和提高诊断故障的准确度的核心基础。

1. 机械振动物体或质点相对于平衡位置所作的往复运动叫机械振动，简称振动。

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” —振幅、频率、相位加以描述。

描述振动的三种物理量有：位移、速度、加速度。

2. 频率振动物体单位时间内的振动循环次数称为频率f，单位是赫兹[Hz]。

频率是振动特性的标志，是分析振动原因的重要依据。

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ω都可以看作频率，称为旋转频率、转速频率、圆频率，或n、ω、f不分，都直接简称为频率，它们之间的换算关系为：f =n/60，ω＝2πf＝2πn/60≈0.1n，其中转速n的单位为转/分钟[r/min]，角速度ω的单位为弧度/秒[rad/s]。

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、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＝n/60＝6000/60＝100Hz，其工频为100Hz，二倍频为200Hz，半频为50Hz。

3. 振幅振幅是物体动态运动或振动的幅度。

振幅是振动强度和能量水平的标志，是评判机器运转状态优劣的主要指标。

振幅的量值可以表示为峰峰值（pp）、单峰值（p）、有效值（rms）或平均值（ap）。

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；单峰值是正峰或负峰的最大值；有效值即均方根值。

图1 振幅各量值示意图只有在纯正弦波(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＝2×21/2×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。

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，大型旋转机械的振动用振动位移的峰峰值[μm]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轴颈的振动；一般转动设备的振动用振动速度的有效值[mm/s]表示，用手持式或装在设备壳体上靠近轴承处的磁电式速度传感器或压电式加速度传感器（如今主要是加速度传感器）来测量；齿轮和滚动轴承的振动用振动加速度的单峰值[g]表示，用加速度传感器来测量。

4 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。

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），评定机器运转状态的优劣时才能做到有据可依。

5. 相位和相位差相位是振动在时间先后关系上或空间位置关系上相互差异的标志（例如同一部件不同位置处的振动或不同部件之间的振动），单位是度［°］。

相位在判断振动故障的类型中有着非常重要的作用，在动平衡技术中更是必不可少。

把转子旋转一圈的时间看成是360°，两个振动之间的相位差就是转过此角度的时间差。

通过角度不仅表示空间、而且表示时间，这便是相位的奥妙之处。

相位差是两个振动的相位之差。

在实际应用中，通常只讲相位差。

通过相位（差），可以很具体地想象到两个振动矢量在时间和空间上的相互关系：①谁先谁后～相位小的在先、称超前，相位大的在后、称滞后，因为相位小的先到达第一个正峰、即最大振动点处；②相差的时间t～t＝相位差×周期/360＝相位差/(工频×360)，实际中很少算，主要是由相位差（角度）的大小想象两者间隔时间的长短；③空间位置～相位差就是空间方向差夹角的角度。

相位差表面上看是一个角度，实际上是反映了两个振动在时间先后关系上或空间位置关系上，是否存在差异、存在什么差异、存在多大差异。

在分析振动原因和判断振动故障类型时，往往更关注相位差，而不是相位。

6. 涡动和进动转动物体相对于平衡位置所作的圆周运动称为涡动。

物体涡动时，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。

例如，水中的漩涡、玩具陀螺、转子的运动等都属于涡动。

图2 转子涡动示意图旋转机械转子的实际运动状态是，在以角速度ω（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Ω绕着两轴承中心连线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。