目錄

第一章設備狀態監測和故障診斷技術綜述

1設備狀態監測和故障診斷作用和意義..............................（1）

2設備狀態監測和故障診斷的定義...................................（2）

3設備維修方式的演變及發展趨勢....................................（4）

4描述機械設備狀態的參數及其測量方法............................（：7）

思考題（7）

第二章設備振動診斷的理論基礎

1機械振動基本知識...............................................（8）

2振動幅值表■達方式...............................................（9）

3簡諧振動的三要素................................................（11）

4振動檢測中位移、速度和加速度參數的選擇.........................（12）

思考題（14）

第三章設備故障基本分析方法

1信號的時域分析...................................................（15）

2信號的頻域分析.................................................（15）

3趨勢分析.........................................................（17）

4倒頻譜分析.......................................................（20）

5共振解調.........................................................（21）

思考題（23）

第四章常見設備故障種類與典型頻譜

1不平衡...........................................................（23）

2不對中...........................................................（25）

3機械松動.........................................................（27）

4軸承故障.........................................................（29）

5齒輪(37)

思考題(40)

第一章設備狀態監測和故障診斷技術綜述

1設備狀態監測和故障診斷的作用和意義

設備狀態監測和故障診斷技術產生、發展并廣泛應用的驅動力來自三個方面

的因素。即：流程工業生產的現實需要、測試技術和儀器的發展完善和國家相關

的政策。

首先，設備狀態監測和故障診斷技術的產生和發展是企業實際需要的結果，

主要是設備的安全性、維修成本的壓力。20世紀60年代以來，隨著電子技術和

計算機技術的快速發展，工業生產越來越現代化。設備和生產朝著大型化、高速

化、自動化、連續化、智能化、環保化等方向發展。一方面設備更加精密復雜，

許多故障很難靠人的感官發現，而且有些設備精密復雜，不允許隨便解體檢查；

另一方面設備突發性事故造成的損失越來越大；三是設備的維修成本占總的生產

成本越來越大。所以追求設備的高可靠性和最合理的維修方式是企業設備工程管

理的焦點。

從技術背景方面看，20世紀60年代是計算機技術、電子測量技術和信號處

理技術飛速發展的年代，FFT算法語言的出現，把信號處理分析技術從硬件到軟

件，推向了全新的高度。此外可靠性工程、零部件失效機理的研究等，都為設備

狀態監測和故障診斷技術的產生和發展創造了有利條件。20世紀70年代以后，

設備狀態監測和故障診斷技術在發達國家得到了決速推廣和發展，特別是美國、

英國、日本、德國等國家。

我國從80年代初期開始引進并應用設備診斷技術，20年來，此項技術在中國

各個行業得到了快速應用和發展，也受到我國政府的重視。李鵬總理在1986年

7月2日“第二次全國設備管理、維修工作座談會”上指出，“應該從單純的以

時間周期為基礎的檢修制度，逐步發展到以設備的實際技術狀態為基礎的檢修制

度。……這就要求我們采用一系列先進的儀器來診斷設備狀況，通過檢查診斷來

確定檢修的項目1987年，國務院發布了《全民所有制工業交通企業設備管理

條例》，規定“企業應當積極采用先進的設備管理方法和維修技術，采用以設備

狀態檢測為基礎的設備維修方法，不斷提高設備管理和維修技術現代化水平”。

國家經貿委在《“九五”全國設備管理工作綱要》中明確指出，企業要“繼續推

進設備管理現代化，廣泛采用先進的設備管理方法和維修技術。建立價值形態與

實物形態相結合的設備管理信息系統。在采用設備狀態監測、故障診斷等技術的

基礎上，使設備維修方式逐步轉向以狀態維修為主的維修方式二顯然，設備的

狀態監測與故障診斷是現代化管理的技術基礎。當前我國的設備維修體制，已開

始從早期的事后維修和長期的按計劃維修體制，過渡到現代的、具有預知性的視

情維修（或稱狀態維修）階段。

在企業推廣設備狀態監測和故障診斷技術，可以達到以下目的和作用：

（1）保障設備安全運行，防止突發事故；

（2）保證設備工作精度，提高產品質量；

（3）實施預防維修/按狀態維修，節約維修費用；

（4）避免因設備事故造成的環境損壞和其他危害；

（5）給企業帶來較大的間接經濟效益。

企業開展設備狀態監測和故障診斷的最終目的，是服從和服務于生產經營大

局，提高對設備狀態、劣化趨勢的認知和控制能力，提高設備的作業率，延長設

備的使用壽命，降低設備全壽命周期費用。

2設備狀態監測和故障診斷的定義

設備狀態監測和故障診斷是設備診斷中的兩人過程，兩者既有密切聯系又有

區別。

不斷獲取設備在運行中或相對于靜態條件下的狀態信息，通過對這些信息的

分析和處理，并結合設備的歷史狀況，來定量地掌握設備的技術狀態，預測設備

壽命，為設備運行和按狀態維修提供技術基礎。

設備狀態信息的獲得有很多種方法，其中振動監測和診斷技術是目前較普遍

采用的方法之一。機器內部發生異常時，一般都會伴隨著出現異常振動、聲音和

設備性能的變化。通過對機械振動信息的測量和分析，往往可以不停機或不解體

設備就可以對設備劣化的部位和故障的性質做出判斷。由于振動測試的技術和儀

器都比較成熟，在企業中得到了廣泛的應用，產生了大量的經濟效益和社會效益。

2.1設備故障

故障是個非常廣義的概念。簡單地說，設備故障就是設備系統或其中的元件

/部件喪失了規定的功能。與故障意義相近的還有一個叫“失效”的概念。失效

通常指的是不可修復的對象；故障指的是可以修復的對象。

設備故障模式一從可靠性的觀點看設備故障噗式有六種，如圖1-1所示。模

式A是典型的浴盆曲線。模式B和模式F是“半”浴盆曲線，模式B設備投入

使用后故障率固定或是略增趨勢而后進入磨耗期；模式F具有高的早期的故障

率，而后降到一個固定水平或是略增趨勢。模式C設備顯示出故障率隨時間緩

慢增長而沒有具體的耗損期。模式D表示開始時故障率低而后快速增長到一個

固定水平。模式E則表示故障率不隨時間變化。民用航空業的研究表明，僅4%

的產品符合模式A,2%的符合B,5%的符合C,7%的符合D,14%的符合E,

并且不少于68%的符合模式F（其它的工業部門不一定與飛機的故障分布相同，

但隨著設備的日趨復雜，越來越多的產品符合模式E和F）。

圖1-1設備故障模式

這些發現證明了下列的觀點是錯誤的，即：設備的可靠性與其運行時間之間

總是存在著某種聯系，因此，翻修越頻繁，設備越少出故障。實踐也證明了上述

觀點是不正確的。除非與設備運行時間有關的故障模式占主導地位，否則，定期

翻修或更換無助于改善復雜產品的可靠性。由設備各種故障模式可知，設備能否

可靠性地工作與設備工齡之間沒有必然的聯系。設備在服役期中，較少的時間內

處于故障高發期（早期故障和磨耗期故障），更多的時間是處于偶發故障期。

在不同的故障期，設備管理和檢測診斷工作的重點有所不同。對早期故障，

可以通過運轉試驗、變更設計、改善安裝來減少、消除。偶發故障率高是不正常

現象一一應深入研究.各種癥狀、追究剖析設備故障原因，制定相應對策和措施C

在設備磨耗期，應避免意外突發故障。要加強全員設備管理（TPM）,廣泛應用

各種設備監測和診斷技術手段，了解掌握設備運行趨勢，進行劣化傾向管理。

2.2設備故障診斷定義

指設備在運行中或者在基本不解體設備的情況下，對設備故障的性質、原因、

部位、程度等進行識別診斷，并提供維修維護措施。

設備故障診斷分為簡易診斷和精密診斷兩個層次。

簡易診斷：即設備的“健康檢查”。具體實施時，往往監測設備的某一個特

征量，根據量值的范圍判斷設備是正常還是異常。如果對設備進行定期或連續監

測，便可以得到一些有規律的東西，并借此進行預測/預報。簡易診斷的作用是

監測和保護，目的是兩設備的狀態做出迅速而有效的概括和評價。

精密診斷：是在簡易診斷基礎上更深層次的診斷，通常需要更多的信息。目

的是判斷故障的性質（漸進性/突發性……）、原因（不平衡/不對中……）、部位

（電動機/風機……、軸承/齒輪……）、程度（一般故障/嚴重故障……）等，并

提供設備檢修或治理決策。

設備簡易診斷和精密診斷的區別和關系可以用圖1-2表示。

圖1-2設備簡易診斷和精密診斷

3設備維修方式的演變及發展趨勢

設備維修經歷了由事后維修、定期維修、預防維修到按狀態維修的進化。設

備點檢和狀態監測的實施，對維修方式的進化起到了巨大的促進作用。如今琉看

企業的信息化改造和信息技術的發展，設備點檢監測和診斷工作已經/正在融入

設備維修管理系統、設備管理信息系統、企業資產管理系統（EAM）等，成為

設備基礎管理最重要的信息。

定期維修僅適合與損耗性故障。按經驗確定的定期維修，往往造成維修不足

或者是過剩維修。定期大修至少有3種不良后果：1）定期維修增加設備的總體

故障率。有許多事例，本來很穩定的設備，經過維修反而出現許多故障。因為對

于穩定的系統而言，維修就是一種干擾。特別是對于精密設備定期維修只能增加

故障率。2）定期大修浪費大量人力、物力。根據統計，大修中有40—50%的費

用被浪費了。因為有許多被維修設備完全處于良好狀態。3）定期大修使設備的

壽命減少。對于精密設備，零部件很多，各種零部件的連接特別牢固，每次拆、

組、裝都要損傷一些房部件，是零部件受到沖擊，是設備整體壽命下降。

近年來，基于設備狀態監測和故障診斷技術發展起來的設備按狀態維修是維

修方式的革命。這種維修的特點是：不規定設備的修理周期，而是實時掌握、不

斷積累設備的狀態信息，預測設備的劣化趨勢和剩余壽命，根據具體情況制定不

同的維修措施。這種維修方式的目標致力于：1）通過早期探測故障征兆，及時

消除隱患，從而減少非計劃檢修；2）根據機器狀態確定檢修內容，提前作好準

備，從而縮短停機檢修時間；3）根據機器異常的原因和部位，指導檢修，從而

防止過剩維修；4）通過改善機器性能，提高可靠性，從而延長設備使用壽命；5）

通過發現異常工藝參數，及時處理調整，從而優化運行操作等等。

設備維修策略主要有：1）預防維修（也稱為定期維修，Preventive

maintenance/Time_basedmaintenance）、按狀態維修（也稱為預測維修，

Condition_basedmaintenance/Predictivemaintenance）和主動維修（也稱為改善性

維修,或基于故障根源的維修，Proactivemaintcnancc/Corrcctivcmaintenance/Root

CauseAnalysismaintenance）o以上三種維修策略為主，構成了可靠性維修（RCM

或稱之為RBM）的基區框架見表l-lo有效的常規檢查及對于零部件磨損的監控

是十分必要的。某些情況下，配置備用機組也是必須的。對于流程生產關鍵生產

設備來說，事后維修是絕對不可取的。

表1-1設備可靠性維修基本框架

維修策略工作原理優點缺點

設備應具有較穩定的減少設備故障和事故，

平均故障間隔期，根據具有較好人力資源和物

預防維修過剩維修、欠維修

設備制造廠建議或使質資源計劃，維修預算

用經驗確定易且準

以設備狀態監測、故障避免設備故障和事故，

需要各種監測診斷

診斷技術為基礎，發現充分發揮設備效能，實

狀態維修儀器和經過特殊培

隨機性早期故障，預測施有針對性的維修，節

訓的專業技術人員

故障發展省維修時間和維修費用

針對重復性故障，以故

根除設備故障或事故發對專業技術人員要

障根源分析為基礎，改

主動維修生因素，提高設備運行求高，確認和排除

進/改善設計，改善生

的可靠性均存在一定難度

產/操作工藝等

4描述機械設備狀態的參數及其測量方法

描述機械設備狀態的參數很多，對于狀態檢測和故障診斷來說，主要有功能

參數、損傷參數、環境參數和開關量等，見表

表1-3描述機械設備狀態的參數及其測量方法

狀態參數分類描述測量方法

生產能力、能耗、工藝

功能參數輸出功率、效率、能耗……

參數（電、磁）……

承載件裂紋及擴展參

數、接觸運動副的磨損目測、光學、射線、超聲、磁粉、滲透、

損傷參數

參數、腐蝕環境的腐蝕電渦流、尸發射...

參數……

感官、機械式測量、非電量測量、光學振

振動參數

動測量……

噪聲參數感官（耳朵）、聲強、聲壓、聲功率...

環境參數溫度參數熱電偶、熱電阻、紅外、光纖檢測……

油污染參數污染度、磁性磨屑、鐵譜、光譜……

排氣成分參數CO濃度、HC濃度、Nox濃度……

開關量、繼電器動作信

開關參數記錄

號等

思考題：

1.設備診斷技術的全稱是什么？其含義？

2.何為故障？何為失效？

3.設備維修管理包含哪些維修方式？

4.簡述設備維修方式的演變及發展趨勢。

5.設備維修管理診斷技術的意義？

6.“浴盆曲線”對設備診斷有什么實際意義？

第二章設備振動診斷的理論基礎

1機械振動基本知識

1.1振動的分類

振動就是物體圍繞平衡位置做往復運動。從振動力學的觀點來看，振動有以

下四類：

1）自由振動

即系統只受初始激勵產生的主振動，這是一種理想的振動，它忽略了系統阻

尼的影響。系統一次獲得必須的能量輸入，振動的特點由系統的固有特性決定。

2）受迫振動

在持續不斷的周期力激勵下系統的振動，當設備存在不平衡、不對中、不同

心、摩擦、過大間隙等故障時，常造成這種振動。

3）自激振動

指系統在受到初始激勵后，將持續作用的能源轉換成周期作用的能源，從而

維持或發展系統的振動。例如鐘擺、電鈴鈴錘振動、樂器、呼吸、心跳以及油膜

渦動、喘振、機翼顫振密封產生的氣動力引起的振動等等。

4）參變振動

由于系統的物理參數（剛度為主）發生變化引起的振動。例如主剛度不相等

的彈性軸轉動時，轉子撓度將周期變化。還有齒輪齒接觸剛度的變化、滾動軸承

滾珠與滾道的接觸剛度的變化引起的振動等。

因機械故障而產生的振動，多屬于受迫振動和自激振動。

1.2振動信號分類

周期信號一一可用確定的時間函數來表達。如：簡諧振動的位移3號

x?）=Asina。從此式可見，確定了任何瞬時t的振動位移值。

非周期信號一這里主要指瞬態信號，一般將持續時間短，有明顯的開端和

結束的信號稱為瞬態信號。如碰撞，爆炸等形成的激振力信號。

隨機信號一一無法用確定的時間函數來表達，不能預測它未來任何瞬時值，

只能用概率統計方法進行分析。

1.3振動信號的時域波形

實際上，常常是幾個信號疊加在一起。因此，我們需要熟悉了解它們的特點,

把我們認為有用的信號提取出來。（相關分析，頻譜分析……）

2振動幅值表示方法

2.1常用振動幅值表示方法

Xp—是指信號可能出現的最大瞬態幅值。在測試之前，一般都應對Xp或

Xp-p有足夠的估力。以便確定測試系統的動態范圍。使之不致產生削波現象，

真實的反映被測信號的最大值。

Xrms——般振動測試都是用有效值來描述。其主要原因是在于有效值與

振動的能量有直接關系。如位移的Xrms代表了振動系統的勢能含量；速度的

Xrms代表了振動系統的動能含量。用以反映振動能量的大小或破壞能力，是判

斷振動狀態的主要指標；加速度的Xrms代表了振動系統的功率譜密度的含量。

Xav-平均絕對值這里是指振動信號通過檢波而獲得的平均值。其數學表

達式為：

Xav=y￡|x(t)||dt

峰值：x7=x（?）1Mz=A

峰一峰值：xf=2x（。1Mx=2A

有效值：無加=J"J：乂。）山=左

2.2時域無量綱診斷征兆參數

i）波形指標（Shapefactor）----波形與正弦波比較的偏移和歪斜。

Y

S-rms

2）峰值指標（Peakfactor）----波形是否有沖擊。

rms

3）歪度指標（Skewness）——以平均值為中心，波形的對稱性。

Xn

4)峭度指標(Kurtosis)一一波形的尖峭程度、有無沖擊。

N

Arms

人7772s

xrms------有效值Xp-----峰值

Xav——平均絕對值X——平均值

波峰因數其定義為：峰值與有效值之比。它是一個無量綱參數，它用于診斷

滾動軸承的優點是它不受滾動軸承幾何尺寸、轉速和載荷的影響，也不受傳感器

靈敏度的影響。該參數適合于滾動軸承和齒輪箱的早期診斷。設備無故障時，該

值為3左右；隨故障的出現和發展，該值逐步增大，可達到10?15;當故障發

展到一定程度，它又逐步變小，并接近于3。

齒輪軸承故障的峭度檢測也有類似的規律。

波峰因數適合點蝕類故障的診斷。

監測波峰因數隨時間的變化趨勢，一般經驗認為，滾動軸承正常時，波峰因

數大約為3?5；軸承出現損傷并發展時，波峰因數明顯增大，超過3?5,并可

能達到10?15；故障嚴重時，波峰因數再次回到3?5。

峭度診斷

峭度定義為歸一化的四階中心矩。它也是一個無量綱參數，它用于診斷滾動

軸承的優點是它不受滾動軸承幾何尺寸、轉速和載荷的影響，也不受傳感器靈敏

度的影響。

峭度也是適合點蝕類故障的診斷。監測峭度隨時間的變化趨勢，一般經臉認

為，滾動軸承正常時，峭度大約為3；軸承出現損傷并發展時，峭度明顯增大，

甚至可達到幾十；故障嚴重時，峭度再次回落到3附近。

3簡諧振動的三要素

使用振幅、頻率、相位三個物理量可以唯一地描述振動，因此，它們被稱為

簡諧振動的三要素。其中振幅可以用位移振幅、速度振幅和加速度振幅3個物理

量表示。它們之間由簡單的微積分運算相互聯系起來。

A：振幅

而初始相位

頻率：f,角頻率：①=2/rf

周期：r=yf

4振動檢測中位移、速度和加速度參數的選擇

一般認為，對振動頻率在l()Hz以下，位移量較大的低頻振動，選擇位移為

檢測量。另外對于某些高速旋轉的機器的振動，旋轉精度要求較高時，也用位移

來衡量。對于多數機器來說，都用速度來評價其振動強度。經驗表明在覆蓋

10Hz?1000Hz的頻帶上，速度測量完整地表示了機器振動的嚴重程度。而加速

度測量的適用范圍可以達到10000Hz以上，對于寬頻帶測量、高頻振動和存在

沖擊振動的場合都測量加速度。當齒輪、滾動軸承、軸瓦等出現剝落、磨損等缺

陷時，往往首先在高頻段出現故障信息，只有當故障比較明顯時，才能在低頻段

反映出來，因此，通過檢測加速度，可以有效發現設備早期缺陷。檢測實踐中，

往往對位移、速度和加速度進行聯合測量。

頻率

圖2-1位移、速度和加速度參數的選擇

圖2-1描述的是同一部機器的同一工況用三種傳感器測量的幅頻圖，三者均

可用于機器狀況的監測。但是速度計給出一個近似水平的譜，它所需的動態范圍

小，因此，針對這一實際測量，速度計被稱為“最佳參數二而對用位移計、加

速度計測量，為了描述所有分量的變化，必須采用大得多的動態范圍。

4.1位移、速度和加速度的工程單位

根據IS01000,位移、速度和加速度的工程單位見表2?1。

表2-1振幅的丁程單位

振幅參數工程單位

位移m,mm,um

速度m/s,cm/s,mm/s(或ms-\mms'1)

加速度m/s2(或ms-2)

2

工程中，測量加速度時，常使用g做單位，lg=9.81m/s0

4.2振動量單位及單位變換

1）絕對單位制---位移m；速度m/s；加速度m/stg=9.81m/s2（工程上）。

通常用來描述振動響應的三個參數是位移、速度、加速度。一般情況下，低頻時

的振動強度由位移值度量，中頻時的振動強度常由速度值度量；高頻時則由加速

度值度量。

2）單位變換

雖說位移、速度、加速度這三者之間通過微積分電路進行切換以顯示你所需

要的參數。但是在傳感器選擇時，應力圖使最重要的參數能以最直接、最合理的

方式測出。

因此，我們應該根據對振動現象、振動性質的了解以及對干擾的估計，在位

移、速度和加速度三個參數之間正確選定某一個傳感器。

通過地基傳來的干擾常具有寬廣的頻帶，但占主導地位的是低頻干擾，齒

輪、軸承和測量裝置的噪聲則主要是高頻干擾。

測量電路中的積分網絡可以顯著地抑制高頻干擾。但卻使低頻干擾得到增

強。

而微分網絡則反之。

在發電、石化工業的機組振動監測中，主要月于不平衡和不對中的監測。用

位移參數進行測量，這時可略去大部分高頻小振幅的頻率分量。相反來自軸承滾

動部件的高頻振動監測來說，加速度卻是最合適的監測參數。

3）相對單位（dB）與絕對單位制比較

相對單位制的特點：擴大了動態范圍；簡化計算

振動量表不有：

(1)、絕對單位制一一能客觀地評定振動大小(位移、速度、加速度)

(2)、相對單位制一一用“級”表示

常用幾何級，又稱對數級，以分貝(dB)表示

r

dB=201g—

分貝是一個級值相對于參考級值的比率，因此它是無量綱

單位變換：

位移O速度O加速度

比值與分貝的關系

比值(x/xo)23.161031.61003161000

分貝(dB)36102030405060

思考題：

1.振動幅值有哪幾種表示方式？常用單位？

2.時域中無量綱診斷征兆參數有哪些？

3.峭度指標的含義？在故障診斷中有何應用？

4.描述振動的三要素？

5.在振動檢測中，如何在位移、速度、加速度三個參數中選擇其一？

6.設備振動測點的選擇？如何標注？

7.振動監測周期如何確定？

第三章設備故障基本分析方法

1信號的時域分析方法

信號波形是某種物理量隨時間變化的關系。信號在時域內的變換或分析稱為

時域分析。如信號波形的最大值、最小值、平均值、有效值等。

為了正確判斷設備的狀況及診斷其故障，必須了解和設備狀態有關的各種物

理量隨時間變化的規律。常用的物理量有振動量;位移、速度、加速度）、溫度、

壓力、轉速等等。因此，信號的時域分析是最基本的、最常用的分析方法。也是

其它分析方法的基礎。

時域分析最重要的特點是信號的時間順序，即數據產生的先后順序、時域

分析主要包括時基波形分析、自相關分析和互相關分析等。

優點：包含的信息量大。能直觀看到波形是隨機的或是周期的、簡單的、或是

復雜的；有無明顯的脈沖和沖擊；是否不對稱和失真；以及波形切頭和

變扁等。

缺點：不易看出所包含的信息與故障的關系。（通常用于故障的初步識別）

064128192256320384448512

不平衡

不對中

RADIAL等

I旗溯i

圖3-1轉子碰磨的時域，頻域圖形

2信號的頻域分析方法

頻譜分析是設備故障診斷中用得最廣泛的信號處理方法之一。頻譜分析的基

礎是頻譜分析方法。使用最普遍的變換是傅氏變換，它將復雜信號分解為有限或

無限個頻率的簡諧分量。動態信號的諸頻率成分的幅值、相位、功率、能量與頻

率的關系表達出來就是頻譜。頻譜圖形有離散譜與連續譜之分。

頻域分析還能研究系統的傳遞特性，系統輸入與輸出的關系等。

r?

圖3-2信號的時域和頻域圖形

名稱波形頻譜名稱波形頻譜

原始譜（標準）

良好運行狀態下的機器振動頻譜圖

=IJ3X軸承故障齒輪故障

2

一階轉頻峰值比正常值高。這表明轉

一階振動信號振幅增大動體每轉一周產生一次振動信號。一

I般由不平衡或不對中引起

3

一階振動信口更大一階轉頻峰值比正常值高。軸承故障頻

’『'率顯現。這表明一階轉頻引起軸承損傷。

I軸承故障頻率顯現

圖3?3頻譜分析技術

3趨勢分析

所謂趨勢分析，即對機器的重要部位的振動量級（幅值或能量）進行定期的

巡檢或在線監測，然后對某一個或幾個頻率分量做出“級值.時間”趨勢曲線。

進一步將該曲線沿著時間軸外推，可得出什么時叵機器的運行狀態達到危險的極

限或做出機器壽命的估算，以便決定什么時間停機及什么時間檢修。

3.1通頻值趨勢分析

圖3-4中所示，是某一頻率分量的“級值-時間”趨勢示意圖。該圖比較直

觀地揭示了機器運行狀態的變化情況。如測量的時間間隔越短，則對趨勢變化顯

示得越詳細，越容易發現隙藏的問題。

趨勢分析的基礎是對設備的振動監測，以及正確地設定振動的標準。振動監

測常用的有振動的電平值（峰值或有效值）監測；轉速振平圖監測（在升速或降

速時振平值隨轉速變化的曲線）；響應譜監測（響應的振幅譜或功率譜）。

在各種趨勢分析方法中，振動時域信號的峰峰值是最常用、最方便的指標，

用比較簡單的硬件可以實現對峰峰值的連續在線監測。一旦超限，立即將超限前

存儲的數據調出來供分析之用，做到不丟失重要的信息。這是生產上最受歡迎的

做法。

峰峰值可以用位移、速度或加速度傳感器采集。振動信號可以是基座的或

者軸頸相對于軸承的。前者所采集的是基座或軸承座處的絕對振動，后者是軸頸

相對軸承的相對振動。由于回轉機械的振動狀態十分復雜，從頻譜上看，包含著

多個不同頻率、幅值和相位的分量；振動對不同的零部件造成的后果也各異：有

的由于疲勞或動載荷超載使結構斷裂。軸承、齒輪、連軸節一類零件會磨損、膠

合或表面疲勞，動靜部件之間的摩擦故障會造成機器的功能喪失和破壞；因此，

僅用峰峰值作為判據并不十分可靠。由于結構設計的差異也很大，運行環境和各

類回轉機械的功能差異很大，要想確定一個絕對的限值，超出這一限值某種機器

必然損壞，而低于這一限值必然能保證長期安全運行，是不可能的。只能說，這

樣的限值可以增加長期安全運行的可能性，同時最大限度地減少非計劃事故停車

的次數。

IK，、?kLin

1.000

0.875-

危險值

0.025

0.500

0.375

0.250

期

1"4,窿心值，酩和：1，%京總，泠4，*口

、卜tQ412■SOC>O

DtUi1EM，:K：K7TORVI3V1L(W-JTO[4:，出V，

EYAdeV皿IN-1€NTIU71Oh￡劃

tVW?TtBHIM-WUW7I」KPhlntgai

圖3-4通頻值趨勢分析法

3.2頻譜趨勢分析

■UPrraiTSIDE

Ll?fl必AftMTW3T?5

0.24Sp*ctru?R

33-JUN-89

君lS

?*

ISRD■31ea

君H1w2

S,62

速r.

度

有

效

值危險線

根警線

1-------------1_警告線

頻率階次

圖3-5頻譜趨勢分析

圖3-7從瀑布圖中獲得進一步信息

圖3-8峰值和有效值趨勢瀑布圖

4倒頻譜分析

倒頻譜分析也稱二次頻譜分析，是近代信號處理科學中的一項新技術，是檢

測復雜譜圖中周期分量的有用工具。在機械振動中故障監測和診斷以及排除回報

(反射波)影響等方面均得到廣泛的應用。

倒頻譜定義一對數功率譜的頻譜。

Cp(q)=|FlogSx(f)|2

式中：CP(q)一一倒頻譜；

Sx(f)——信號的自譜；(信號的自功率譜密度函數)

q-----倒頻率；具有時間量綱，單位為s或ms。

在工程上，還常月Ca(q)一一幅值倒頻諳

Ca(q)=|FlogSx(f)|

Ca(q)=F-l{logX(t)}——復倒頻譜］

頻星

圖3-9齒輪箱振動的頻譜與倒頻譜

圖3-9為一齒輪箱振動的頻譜與倒頻譜。頻譜圖中(高頻段)的A、B、C

分別為齒輪嚙合頻率的基頻與二、三次倍頻，但調制在嚙合頻率及諧頻處的邊帶

不清晰；倒頻譜圖中85Hz的信號明顯，故判斷故障源主要在轉頻為85Hz的軸

及該軸上的出輪。

5共振解調

5.1調制與解調

調制是工程測試信號在傳輸過程中常用的一種調理方法，主要是為了解決微

弱緩變信號的放大問題。

從放大處理來看，直流放大有零漂和極間耦合等問題。為此，往往把緩變信

號先變為頻率適當的交流信號，然后利用交流放大器放大。最后，在恢復為原來

的直流緩變信號。像這樣一種變換過程，稱為調制與解調。

調制信號一一傳感器輸出的緩變電信號。

載波一一載送緩變信號的正弦高頻振蕩。

調制波一一緩變的信號控制，改變高頻振蕩的某個參數（幅值、頻率、相位）,

使它隨著被測信號作有規律的變化（以利于實現信號的放大與傳輸），輸出的波

形稱為調制波。調制波分為：調幅波（AM）、調頻波（FM）、調相波（PM）。

我波IT.波lifflfflft

圖3-10信號的調制類型

5.2共振解調

共振解調技術主要是根據設備產生故障時會產生周期性的脈沖激勵，由于脈

沖激勵是寬帶信號，與設備與傳感器的固有頻率產生共振，在頻譜中表現為一譜

峰群，對此譜峰群進行解調，不僅能有效的識別b設備的早期故障，且根據故障

特征頻率能精確地診斷出到底是哪個元件發生了故障。

共拓解調

包絡計菖II報告生成I

尸

1T,T

111

c.解調波形d.解調波的頻港（f.=>

圖3-12共振解調法原理的圖解

當齒輪輪齒表面有了損傷時，在嚙合過程中就要產生沖擊振動。沖擊振動具

有正常振動沖擊所不含的高頻分量。本方法就是利用高頻諧振器將其中等于諧振

器諧振頻率的高頻成分放大（從圖3?12可見），同時也就剔除了所有其他的頻率

成分。每受到一次沖擊，諧振器就發生一次共振，直到其能量衰減完為止。將此

高頻衰減波用包絡檢波器進行解調，就得到一組只有故障沖擊發生時才有的指數

曲線脈沖。然后對它進行簡單的頻譜分析，得到一組基頻與其高階諧頻的譜線，

其中基頻譜線頻率就是故障沖擊的重復頻率，根據解調波的頻譜找出齒輪或軸承

的故障。

第四章常見設備故障種類與典型頻譜

本章對于各種常見故障，分別簡述其故障原因，給出頻譜和波形特征，并指

出與其他故障的區分，最后提供一些典型的實例，以供參考。

1不平衡

不平衡有多種情況，有力不平衡、偶不平衡和動不平衡等。

力不平衡診斷

當轉子質量中心偏離轉動中心時出現不平衡。造成不平衡的原因通常是：裝

配不適當、轉子上有附加物生成、轉子質量磨損、轉子破裂或丟失部件。

1）振動波形接近正弦波；

2）軸心軌跡近似圓形；

3）振動以徑向為主，一般水平方向幅值大于垂直方向的幅值；

4）振動大小與轉速平方成正比；

5）振動頻率以IX轉頻振動為主；

6）振動相位穩定，兩個軸承處相位接近。同一軸承水平方向和垂直方向的

相位相差接近90度。

偶不平衡診斷

1）振動波形接近正弦波；

2）軸心軌跡近似圓形；

3）在兩個軸承處均產生較大的振動，不平衡嚴重時，還會產生較大的軸向

振動；

4）振動大小與轉速平方成正比；

5）振動頻率以IX轉頻振動為主，有時也有2X,3X等譜線；

6）振動相位穩定，兩個軸承處相位相差180度。

動不平衡診斷

1）振動波形接近正弦波；

2）軸心軌跡近似圓形；

3）振動以徑向為主；

4）振動大小與轉速平方成正比；

5）振動頻率以IX轉頻振動為主；

6）振動相位穩定，兩個軸承處相位接近。

懸臂轉子的不平衡診斷

1）振動波形接近正弦波；

2）在軸向和徑向均出現較大振動；

3）振動頻率以IX轉頻振動為主；

4）軸向相位穩定，兩支承處軸向振動相位接近，而徑向相位會有變化.

1XRADIAL

1XAXIAL

&RADIAL

圖4/轉子不平衡的典型頻譜

從圖4-1轉子不平衡的典型頻譜中可見：

1）力不平衡相位穩定，在一階臨界轉速下，失衡引起的振幅與速度的平方

成正比。較高是1XRPM下的頻譜。同一設備的兩個軸承處相位接近。水平方向

和垂直方向的相位相差:90度。

2）力耦不平衡——在同一轉動軸上有180°相位差。通常為IxRPM頻譜，

隨速度平方的增加而變化，可以引起軸向及徑向的較大振動。校正時需要在至少

2個水平面上放置平衡物。

3）動不平衡一一是前兩種不平衡的合成結果。仍以IxRPM頻譜占主導，

相位穩定。兩支承處同方向振動相位差接近。

4）轉子不平衡一一在軸向和徑向都會引起較大IxRPM振動。軸向相位穩

定，而徑向相位會有變化。往往是力不平衡和力耦不平衡同時出現。

BRL-1UK引NE(DHJUING11?tRN)

SPECTRAFROMMULTIPLEMEASUREMENTPOINTS

1111

軸向很小

1TURBINE-TIfi

L....12-N0U-8714:24

速-----IX頻率（鉛垂）TURBINE-TIU

J

聲PLOT1■?一.12-NM-8714：21

，加SPAN

/0.30-IX頻率（水平）

值TURBINE-TIH

u?~??-一12-HW-8714：2fl

1央寸破J

0.軸向很小

TURBINE-TOA

L…12-NM-8714：25

r—一ix頻率（鉛垂）TURBINE-TOU

J12-N0U-8714：29

頻率（水平）

~—IXTURBINE-TOH

12-NM-8714：36

02468101214

頻率階次

圖4-2轉子不平衡故障的診斷

2不對中

資料表明，30%?50%的設備存在不對中問題。不對中既可產生徑向振動，

又會產生軸向振動；既會造成臨近聯軸節處支承的振動，也會造成遠離聯軸節的

自由端的振動。不對中易產生2X振動，嚴重的不對中有時會產生類似松動的高

次諧波振動。相位是判斷不對中的重要判據之一。不對中也有多種情況，有平行

不對中、角度不對中和平行與角度不對中等。

平行不對中診斷

1）平行不對中產生較大的軸向振動，但徑向振動也較大；

2）振動頻率以IX和2X轉頻振動為主，2X轉頻振動往往超過IX；

3）不對中嚴重時，也會產生高階諧波振動；

4）聯軸器兩側相位相差（）度。

角度不對中診斷

1）角不對中產生較大的軸向振動；

2）振動頻率以IX和2X轉頻振動為主；但往往存在3X以上轉頻振動；

3）如果2X或3X轉頻振動超過IX的3（）%到50%,則可認為是存在角不對中；

4）聯軸器兩側軸向振動相位相差18（）度。

平行與角度不對中診斷

1）產生較大的軸向振動，但徑向振動也較大；

2）振動頻率以IX和2X轉頻振動為主；但往往存在高次諧波振動;

3）聯軸器兩側軸向振動相位相差在0到180度之間。

轉軸彎曲

1）振動特征類似動不平衡和不對中；

2）振動以IX轉頻為主，也會產生2X轉頻振動。

3）振動隨轉速增加很快；

4）通常振幅穩定，軸向振動可能較大，兩支承處相位相差18（）度。

圖4-3轉子不對中的典型頻譜

圖4-4角度不對中的典型頻譜

圖4-5平行度不對中的典型頻譜

1X

圖4-6轉軸彎曲的典型頻譜

ALUN-LIKOILPUMPNUMBER2

FROMMULTIPLEMEASUREMEKIPOINTS

LUBEPMP2-MIU

26-OCT-871Q：43

LUBEPMP2-MIH

26-OCT-8710：42

LUSEFMP2-MOA

26-OCT-8710：41

UW￡PNP3-NOU

26-OCT-8710：40

UBEPMP

26-OCT-8710：39

036512151821242730

頻率階次

圖4-7轉子不對中故障的診斷

3機械松動

松動既可能導致機器的其它故障也可能因其它故障所引起，機械部件的磨損

變形、軸系的不對中、不平衡等與松動相互影響。因松動引發的振動多為中低頻

振動，一般在1000Hz以下，振動頻率通常為轉頻或轉頻的分數諧波及高次諧波,

但有時也可能在中高頻段有特征表示。常見部件松動時振動頻率見表4-1。

表4-1機械松動及特征

松動類型松動部位振動頻率形態描述

轉頻，高次諧波，分數

軸承蓋、支座

諧波

振動具有方向性，

非旋轉件松動基礎螺栓轉頻，高次諧波

振動幅值穩定。

軸瓦合金松動、間轉頻，高次諧波，分數

隙大諧波

聯軸器磨損、松動轉頻，高次諧波

振動具有方向性，

轉頻，高次諧波（有時

測點位置K同，振

滾動軸承配合松動也有分數諧波），軸承特

旋轉件松動幅值不同。運行時

征頻率

穩定，暫態過程振

轉頻，高次諧波；

轉子部件配松動幅變化。

轉子或支承的固有頻率

RADIAL

0

圖4-8(A)結構框架或底座松動

圖4-8(B)軸承座松動

圖4-8(C)軸承等部件配合松動

壓縮機軸承振動未松動時的有效值頻譜

加

速

度

有

效

值

O

?

步而生(Hz)

圖4-9軸承部件松動時的頻譜

4軸承故障

4.1滾動軸承

滾動軸承的早期故障是滾子和滾道剝落、凹痕、破裂、腐蝕和雜物嵌入。產

生原因包括搬運粗心、安裝不當、不對中、軸承傾斜、軸承選用不正確、潤滑不

足或密封失效、負載不合適以及制造缺陷。

圖4-10滾動軸承頻譜

I）徑向振動在軸承故障特征頻率（見下面說明部分）及其低倍頻處有峰。

若有多個同類故障（內滾道、外滾道、滾子……）,則在故障特征頻率的低倍頻

處有較大的峰。

2）內滾道故障特征頻率處有邊帶，邊帶間隔為1XRPM。

3）滾動體故障特征頻率處有邊帶，邊帶間隔為保持架故障特征頻率。

4）在加速度頻譜的中高頻區域若有峰群突然生出（圖4-17）,表明有疲勞故

障。

5）徑向振動時域波形有重復沖擊跡象（有軸向負載時，軸向振動波形與徑

向相同），或者其波峰系數（見說明部分）大于5,表明故障產生了高頻沖擊現

象。

保持架旋轉部件

轉頻

圖4-11滾動軸承故障頻率階次圖

外環故障頻譜

頻譜圖（徑向）

圖4-12滾動軸承故障［外環）

轉頻

頻譜

圖4-13滾動軸承故障：外環和不平衡

圖4/4滾動軸承故障：內環（帶徑向負載）

有時可能出現旋轉

部件頻率奇次倍頻

頻譜圖

圖4-15滾動軸承故障轉動部件〔帶有徑