1、機械故障診斷培訓教程第一節 北京京航公司一從事機械故障診斷的高科技企業 北京京航公司隸屬中國運載火箭技術研究院，是一家高科技企業。公司主要從事旋轉機械故障診斷方面的理論研究。產品開發與經營。公司成立十多來年，充分發揮航天技術優勢，成為國內機械設備診斷行業中首屈一指的科、工、貿一體化企業。本公司產品門類齊全，性能優良。相繼推出HG-2500系列袖珍式測振測溫儀；HG-8300雙通道及HG-8400多通道數據采集，振動分析，旋轉機械及電機診斷專家系統； HG-8500機器故障診斷儀；HG-3500系列數據采集及故障分析，設備管理系統。產品廣泛應用于石油、化工、鋼鐵、電力、鐵路、煙草等大、中型企業的

2、設備管理、維修及監測。產品通過了國家計量院型式注冊檢定，獲得北京市技術監督局的CPA證書及CMC證書。十多年來，公司產品以可靠的質量，優越的性能價格比贏得國內廣大用戶的信賴，并已批量出口，遠銷英國、南非等地。第二節狀態維修-設備維修的根本性革命 大家知道，當前我國對設備的維護仍采用傳統的計劃、定期維修。而這種方式帶有很大盲目性，設備有無故障、故障類型、故障部位、故障程度難以準確把握。另外，由于良好部位的反復拆卸，機械性能往往不理想，甚至低于檢修前。而且，沒有必要的超前維修，帶來人力、物力的巨大浪費。 故障診斷儀器的廣泛應用，使對機械設備的維護由計劃、定期檢修走向狀態、預知檢修變為現實，使機械設

3、備的維護方式發生了根本性革命。狀態監測避免了機械設備的突發故障，從而避免了被迫停機而影響生產；機械狀態分析為預知機械設備的維修期提供了可靠依據，即可做到測量表明有必要時才進行維修。使我們能夠及時準備維修部件，安排維修計劃，克服了定期維修帶來的不必要的經濟損失和設備性能的下降；完善的診斷能力可為我們準確指出故障類型和故障部位，避免了維修的盲目性，使檢修簡捷易行，大大縮短了維修工期；完善的設備管理軟件，又可使企業設備管理自動化。由此可見，狀態檢測給企業帶來的經濟效益是十分顯著的。如實行狀態維修后，某化工廠年維護修理工作由247臺減至14臺；某電機廠維護費用下降了75%；某造紙廠年節約25萬美元，而

4、振動監測設備一次注投資僅是此數的10 。第三節機械振動描述一、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。二、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

5、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。三、簡諧振動 簡諧振動又稱“正弦振動”，它是振動故障診斷中最基本的概念之一。了解它的表示方法，特別是它的物理意義，對于掌握故障診斷技術十分重要。 簡諧振動的數學表達式是 y（t）Asin t式中：A-振幅； -角頻率（園頻率）。 正弦函數的振動圖線如圖3-1所示。 因為函數sin t具有下列特性： sin（ t T ）=sin（ t+T）sin t圖3-1 正弦函數的振動圖線則T=2/

6、為簡諧振動的周期。F=1/T簡稱為簡諧振動的頻率，=2 f表示每秒轉過的弧度，亦是在2秒內振動的次數，稱為“園頻率”。 必須指出，簡諧振動一定是周期振動，但是，周期振動不一定是簡諧振動。四、周期振動信號的分解及頻譜：在故障信號中，周期信號主要是由機器的自由振動、受迫振動和參變振動等產生的。對于周期信號，數學上早已證明，利用傅氏級數原理，可將周期函數y（t）分解成傅氏級數，即將信號分解成許多諧波分量y(t)=式中： 其中： n=1,2, n=1,2,由上述公式，以頻率為橫坐標，以振幅或相位為縱坐標來表征頻率域的振動特性，見圖3-2。 它們是一個離散的頻譜，又稱線譜，其譜線間的距離為 1，各次諧振

7、幅和諧波相位的全體稱為幅值頻譜和相位頻譜。 五、調制振動信號分析及頻譜： 設備故障診斷中，特別是對齒輪箱和電機等的診斷，經常碰到調制信號。所謂調制信號，簡單他說就是一個簡諧振動的幅度或者角頻率的變化受到了另一個簡諧振動的影響。前一振動信號稱為“載頻信號”，后一信號稱為“調制信號”。只有對這類信號進行時域（橫坐標為t）和頻域（橫坐標f）分析后，才能獲得診斷結果。在實際診斷過程中，這些調制信號從時域波形圖上看，往往十分復雜，但基本原理仍可歸結為簡諧振動幅值和頻率（或相位）的調制原理，下面進行簡要討論。 1幅度調制 幅度調制信號的方程是 在齒輪箱診斷中，往往對應為嚙合頻率，而，診斷對象不同，和所代表

8、的物理含義不同。將上式展開可得由此式可知，經調幅后的頻率，除了原有的角頻率 c之外，還有 c與 e的和頻和差頻，即(+)和(-)。它們是以為中心，以為間隔，幅度為AB/2的兩個邊帶，見圖3-3所示。2.頻率調制頻率調制的時域和頻域的波形，如圖3-4所示。如同幅度調制信號一樣，在齒輪箱或者其它部件的診斷中，載頻信號往往是嚙合頻率信號，而故障信號則是調制信號，不過此時的故障信號將會影響載頻信號的頻率，最簡單的頻率調制信號方程是：y(t)=E0Sin(t+mSint)式中 Sint表示載頻信號 Sint表示故障型號 展開上式后可得 式中 y（t） 瞬時 值； 峰值幅值； 載波角頻率； t 時間； 以

9、m為自變量的n階第一類貝賽爾函數， n0，1，2； m調制指數，m=載波頻率偏差除以調制頻率； e故障信號的角頻率。 展開式還表明為載波分量；第二項有一階上邊帶和下邊帶；第三項有二階上邊帶和下邊帶分量。由此可見，每一個被調制信號由中心頻率信號加上調制信號的頻率所分開的邊帶信號所組成，其幅值正比于調制指數，而故障頻率（調制頻率）為邊帶頻率到中心頻率間的距離。所謂故障診斷，就是要找到或用一定方法確定距離大小以及幅值的高低。當然，中心頻率的幅值大小，也不是一成不變的，它往往也代表某種故障信息（例如齒輪的磨損信息）。 值得指出的是，以上討論的正弦信號的調幅和調頻，在工程診斷中，我們幾乎碰不到這種簡諧信

10、號的調制情況，經常碰到的是周期信號的調制現象。但一個周期信號，都可以分解成很多簡諧振動信號疊加，故正弦信號的調制概念是故障診斷的基本概念之一。第四節. 機械設備運行狀態測量寬帶測量開始時，專家們已經知道振動能量的大小是危害機器的主要因素，而表示這個能量大小的應是寬頻帶內的振動速度有效值，但是在20年前，當時的測量技術不能滿足振動理論提出的要求，六十年代的診斷標準大多為振幅標準，典型代表是1968年國際電工委員會（IEC）對轉速不同的汽輪機、電機等所作的診斷標準。見表1：表1 （良好標準）轉速（轉/分）100015001800300036007600軸承座0.0750.0500.0450.025

11、0.0210.012標準中軸承座的振幅應取轉子的各軸承座三個測點中最大的振幅值。同時，可以通過這個標準說明，振幅標準值是隨轉速變化而變化的，轉速越高，標準值越低，因此現在通常不采用測量位移來判斷設備的好壞，而振動的速度有效值是與設備的轉速元關的，它確能反映設備的最大破壞能量。可以看出，雖然轉速越高，允許振幅越小，但是，振動速度的有效值Vrms是不變的，換句話說，無論轉速高低，準則是一個，或者說，只允許某種振動能量，這種振動能量大小，是用振動速度的平方表征的。在以往的旋轉機械振動測量中，多采用機械式百分表來測量位移峰-峰值，用以判斷機器振動大小，進而確定好壞。我們說，這種測試方式是極不合理的。原

12、因有三：第一，這種機械式百分表動態響應很差，不能測量動態量；第二，測量軸承座的振幅是一種相對測量；第三，機器的振動是周期和非周期振動同時存在的寬帶振動，即使用百分表能讀出數值，這個數值不一定是機器轉速下對應的規定振幅。對設備監護者，隨時測知設備的運行狀態是十分重要的，而要判定設備狀態就要有相應的振動烈度判據。目前，最常采用的是ISO-2372標準，它以振動速度有效值在于101000Hz頻帶內的變化為狀態判定參量。以設備功率作為分類依據，標準如表4-2。 表4-2旋轉機械振動診斷的國際標準（ISO2372 ） 需要指出的是，振動測量是在機器部件表面進行，因此，測量值還取決于測量處的機械導納。因此

13、，選取正確的測點位置是十分重要的，不正確的位置往往導致錯誤的判斷結果。另外，此標準在實際應用中不必生硬搬套，可根據設備實際情況和經驗參考此標準建立自己的企業標準。為了克服測點機械導納的影響，可靠的辦法是通過集中相對變化取得狀態信息，即用確定的參考“基線”或級值和允許系統的一定的變化來獲得：ISO和其它標準建議：1KHz分量變化2.5倍（8dB）作為研究狀態重要變化的正常理由，從參考狀態上增加10倍（20dB）則意味著機器需要修理；4KHz的頻率分量則分別為增加6倍（16dB ）和100倍（40dB），當然，對振動烈度判據還有其它標準，限于時間這里不再介紹。應特別指出的是，HG系列儀器是按國際標

14、準設計的，能和國外振動測量儀器的測量值、分析值相吻合。而目前國內大部分廠家測振儀器不符合國際規范，所以相對標準的建立應采樣同一廠家儀器系列，在其基礎上建立其企業標準，否則標準無意義。第五節旋轉機械故障類型及其振動特征認識到振動級值增加表示故障在發展，以后設備維護人員就必須確定故障在機器中某個部件的具體位置。寬帶振動測量對于精確判定故障位置提供不了多少信息，一般說來，頻譜分析是故障診斷的關鍵。本節介紹不同故障對應的振動頻率特征。在實際工作中，如何從振動信號頻譜中識別出故障特征是一項較難的工作。尤其對剛從事故障診斷工作的人員來說，更是如此。有人曾把學習如何識別振動譜圖比作學習一種新的工程語言，此比

15、喻很形象。在分析譜圖時應抓住重點，忽略次要因素，以確定故障類型，找出設備存在的問題。在分析振動譜圖時，要記住兩條原則：1、頻率形態（大小及其變化等）代表故障類型；2、幅值代表故障劣化程度。下面我們針對一些典型故障分析實際的振動譜圖。一、不平衡 泵、風機、電動機使用一段時間后，由于磨擦、積灰等原因，使轉子質心改變，出現不平衡（電動機由于潤滑脂過量也會引起不平衡）。不平衡的特點是：1、振動頻率單一，振動方向以徑向為主。在工頻（亦稱轉頻）（1X ）處有一最大峰值，（轉子若為懸臂支承，將有軸相分量）；2、在一階臨界轉速內振幅隨轉速的升高而增大；3、譜圖中一般不含工頻（1X）的高次諧波（2X、3X ）。

16、一臺射流泵正常運轉時在工頻（1800rmin）處幅值最大，達1.5m（圖5-1）。3個月后再測量，同一處的最大峰值已是2.83m（圖5-2），達到泵安全運行的報警值。拆機修理發現一異物纏繞在葉輪上，改變了質心。除異物，工頻處幅值僅為0.97m（圖5-3），振幅明顯減小，泵運行正常。圖5-3 圖5-4從圖5-1圖5-3可知，最大峰值均在工頻1X處，當IX處幅值升高時，2X、3X、4X處的幅值有所降低（圖5-2），故障排除后，1X處幅值有所降低，2X、3X、4X處的幅值又恢復到原來狀態，幾乎不變（圖5-1、5-3）。圖5-4是某發電廠大型風機的后軸承的徑向譜圖，當1X（1203rmin ）幅值達6

17、m時，檢修人員認為是不平衡所致，遂進行了動平衡校正，使幅值減少到0.5m。但運行一段時間后，1X幅值又超過6m。而且從后來測的前軸承的軸向譜圖（圖5-5）看，1X處的幅值也大。根據此情況及圖5-5推斷軸已彎曲，而不是不平衡問題。因為不平衡的振動方向主要在徑向，一般在軸向譜圖上無多大峰值。圖5-5之1X處幅值大說明由于軸彎曲在軸承上產生推拉力所致。2X、3X諧波則說明有松動。檢查發現由于振動使前軸承一端的固定螺栓松動，證實了上述診斷結論。由此看出，不平衡和軸彎曲在1X處都會產生大的峰值，但不平衡引起的振動主要在徑向，而軸彎曲會在軸向引起大的干擾力。只有全面考慮設備運行情況，才不會誤診。二、不對中

18、及軸彎曲雖然人們普遍認為機械振動主要是不平衡所致，但就旋轉機械而言，70-75的振動是不對中引起的。不對中有兩種：平行不對中和角度不對中。平行不對中徑向振動比較突出，角度不對中軸向振動更突出、兩者在機器端部或聯軸器兩邊都有180的相位差。不對中振動的特點：1在2X處有大的能量分布；2隨著不對中程度的增加，產生很大的軸向振動分量； 3在聯軸器的兩邊振動的相位關系是18030；4在2X處的幅值大于1X處的50時意味不對中程度已加劇。圖5-7 圖5-8圖5-6是一臺水泵的譜圖，圖中2X處也有峰值，但較小，這與不對中的特點1相符，估計已存在某種程度的不對中。一周后再測量，該處幅值已明顯增大并超過1X調

19、處的幅值（圖5-7），說明不對中已比較嚴重。檢查發現不對中量達0.254mm。找正后譜圖（圖5-8）2x處的幅值已明顯變小，機組運行相當平穩。但要說明兩點：第一，兩次測量結果，1X調處的幅值無明顯變化，而2X調處幅值變化很大，這正是不對中故障的典型頻譜特征。第二，在2X附近有兩個譜峰，一個在7100rmin處，為水泵的二倍軸頻譜；另一個在7200rmin處，它是電機定子繞組中電氣故障引起的。三、機械松動 即使裝配再好的機器運行一段時間后也會產生松動。引起松動的常見原因是：螺母松動、螺栓斷裂、軸徑磨損、甚至裝配了不合格零件。 具有松動故障的典型頻譜特征是以工頻為基頻的各次諧波，并在譜圖中常看到1

20、0X。國外有人認為，若3X處峰值最大，是軸和軸承間有松動，若4X處有峰值，表明軸承本身、松動。圖5-9是一臺電機地腳螺栓診斷的譜圖。但更換地腳螺栓后，譜圖上除工頻處有一峰值，其它峰值均已消謝圖5-10）。圖5-9 圖5-10圖5-11是一臺用于空氣過濾的真空泵的頻譜圖。圖中出現多個高次諧波，有的已超過0.88mins。由于該泵已使用3個月，并且是多級推進器，因此懷疑是其中有一級推進器松動。拆開檢修發現是過濾器中的一個袋子被吸到泵里，纏繞在推進器上，使推進器失衡。同時，發現轉子在軸承內來回跳動，產生運轉速度的高次諧波，表現出松脫的頻譜特征。由此看出，一種故障現象往往是幾種故障共同作用的結果。 四

21、、齒輪缺陷用振動頻譜來分析齒輪傳動存在的問題看起來很簡單，但要解釋它們卻很困難，要發現早期的齒輪缺陷尤其困難。其主要原因是傳感器的安裝受到限制和多振源產生一個復雜的頻譜。在傳動中，一般存在嚙合頻率（等于齒輪數與旋轉頻率的乘積）和自振頻率。此外，由于齒輪的頻率分量常被齒隙。偏心、載荷以及其他缺陷造成的脈沖所調制，從而出現旁瓣或邊帶。一般說來，當在嚙合頻率處有峰值時，意味著齒輪有問題；當出現嚙合頻率的高次諧波時，意味著劣化程度加劇；當出現邊帶，且邊帶峰值達到一定值時，意味著齒輪故障己很嚴重，到了失效的邊緣。圖5-12是一臺齒數為11的齒輪泵，轉速為900rmin（15Hz），嚙合頻率為165Hz。

22、從圖中可看出，出現多個嚙合頻率的高次諧波，并伴有以工頻為帶寬的邊帶。檢修發現齒面已點蝕，并存在偏心。圖5-13 圖5-14 某金礦大型低速球磨機齒輪箱，主軸轉速為900rmin（15Hz），從動軸轉速為220rmin（366Hz）。過去每年都要發生斷齒。從譜圖（圖5-13）看，齒輪有問題，但具體什么問題不清楚。為此，用數據采集器采集時域波形（圖5-14）。由圖看出，此故障每隔一定的時間間隔出現一次，周期為0.272s。正好是從動齒輪轉頻（3.66Hz）的倒數。因此，分析問題在從動輪。檢修時發現，從動輪一齒面嚴重磨損，并伴有點蝕。以上分析比較了4種常見故障的頻譜特征，總結歸納了識讀譜圖的方法。但

23、設備是一個有機的整體，同一故障往往有不同的表現形式，而一種故障現象又常是幾種故障共同作用的結果。因此，只有對多種因素綜合考慮才能有效地提高故障診斷的準確率。限于時間關系，下面的幾種故障類型僅給出頻率特征。5滾動軸承故障（滾動軸承） 軸承故障表現在不尋常振動級值常常有沖擊，沖擊速率和被損部件有關系：a.外環損壞： b.內環損壞： c.滾動體損壞： d.保持架故障： 式中：n-滾動體數、-內外環相對轉速頻率、d-滾動體直徑、D-節圓直徑、-接觸角、幾分別為內外 環轉速頻率，二者方向一致取正號，方向相反則取負號。滾動軸承故障振動在徑向和軸向上都有表現。6滑動軸承故障 a.軸承蓋松動：表現在徑向上轉速

24、頻率的1/2或1/3頻率點上的振動。 b.油膜振蕩：表現在徑向上稍低于轉速頻率之半（4248）頻率點上的振動，發生在高速機器上。7滯后回旋：表現在徑向上軸的臨界轉速頻率點上的振動。發生在通過軸的臨界轉速時激起的振動在高轉速仍舊保持，有時緊固轉子零件可消除。8不平衡往復力和力偶： 表現為徑向上轉頻點和（或）其倍數（對高階不平衡）點上振動的增強。9擾動增加： 表現在葉片和翼輪通過頻率及其諧波頻率點上振動烈度的增強，它在徑向和軸向上都有表現。10電磁感應振動： 表現在轉頻或同步頻率的1或2倍頻點上的振動，它在徑向和軸向上都有表現，此振動在關閉電源時應消失。11皮帶傳動故障： 徑向上皮帶轉頻的1、2、

25、3和4倍。第六節振動烈度測量、故障分析的實現 上面我們介紹的判斷機械設備運行狀態的方法和以頻率特征為依據的故障類型診斷原則，而測點位置的選取、表征振動量級的參數選取、頻率分析中分析方法的確定是準確判定設備運行狀態及故障診斷的前提。一、測量位置的選取振動烈度反映測點上傳遞的交變力。振動不僅與交變力有關，而且和該測點上的結構導納有關（加速度導納、速度導納、位移導納）即：式中： F-應變力； V、d、a-分別為振動速度。位移和加速度； -分別為振動速度。位移和加速度導納；因此，測點的選取原則應使傳遞路徑最短，測點剛度最大，以使結構導納最大，并且每次測量測點位置必須相同，盡量避免結構導納不同對測量結果

26、的影響，測點位置選擇如圖6-1所示，“A”“C”為正確的測點位置；“B”“D”為 不正確的測點位置。圖6-1 測點位置的正確選取二、振動參量的選取：表征振動的參量有加速度、速度和位移三個量，它們之間表現為微積分關系，對單一頻率分量：或 分別為振動加速度、速度、位移振幅。 可見，振動位移隨頻率的升高有極大的衰減，而振動加速度隨頻率的降低有極大的衰減，這就決定了檢測低頻故障需檢測振動位移的變化，而檢測高頻故障需檢測振動加速度的變化，而振動速度可說是二者的折中，這也是寬帶測量中，國際標準2372以振動速度作為參變量的原因。表征振動位移、速度、加速度波形參數常用的有峰值（峰-峰值）、有效值、平均值，以

27、之表示振動的量級，見圖6-2，選定振動變量后，確定振動波形表征參量也是正確判定故障的重要內容。圖6-2峰值是指波形上與零線的最大偏移值，它在指示短時連續沖擊的能級上特別有價值，一般用于加速度測量。峰-峰值是指振動波形的最大偏移量，它反映機器的機構強度，尤其它在低頻段，機構的破壞直接與之有關，故它一般用于位移測量，尤其是在低速大型設備振動測量上。 有效值是振動測量中用的最多的物理量，它定義為振動信號的均方根值，即：用它表征振動量級的優點在于：既考慮了振動的時間歷程，同時又表征了機械振動能量的大小。在高頻時，雖然振幅很小，但是由于加速度是位移的倍，因此零部件的慣性力破壞常發生在高頻，故國際上近年來除了要求測量儀器滿足振動標準烈度外，還要求滿足lKHz一10KHz乃至更高頻率的振動監示和測量，正因為有效值有如此的優越性，國際ISO2372標準中對振動烈度采用有效值來表征振動量級。 振動平均值（