机械设备故障诊断技术课件.pptx

1、机械设备故障诊断技术机械设备故障诊断技术课程内容（教材内容）1 概论2 故障诊断的信号处理方法3 旋转机械故障诊断4 往复式压缩机的故障分析和管道振动5 齿轮故障诊断6 滚动轴承故障诊断7 无损检测技术在设备诊断中的应用8 现代智能诊断技术的应用机械设备故障诊断技术1概述1.1 设备故障诊断的目的和意义1.1.1 设备故障诊断的含义和特性1. 设备故障诊断的含义应用现代测试技术、诊断理论方法识别诊断设备故障机理、原因、部位和程度根据诊断结论，确定设备维修方案和防范措施设备故障：设备丧失工作效能程度，设备丧失规定性能状态诊断：用测试分析技术和故障识别方法确定故障性质、程度、类别和部位，研究故障机

2、理的学科诊断内容（三部分）：一、信号采集（状态监测）：利用传感器和监测仪表，获取设备运行信息信号分析处理，提取设备特征信息二、故障诊断：获取特征参数，识别信息特征利用专家知识经验，类似医生诊断疾病诊断设备故障类型、故障部位、故障程度和产生故障的原因三、诊断决策：根据诊断结论，采取控制、治理和预防措施的决策设备故障诊断包含三部分内容和实施过程机械设备故障诊断技术1概述1.1 设备故障诊断的目的和意义1.1.1 设备故障诊断的含义和特性1. 设备故障诊断的含义设备故障诊断所包含的三部分内容和实施过程如图所示一、状态监测（信号采集）二、故障诊断（寿命估计）三、诊断决策（防治控制）机械设备故障诊断技术

3、1概述1.1 设备故障诊断的目的和意义1.1.1 设备故障诊断的含义和特性2. 设备故障诊断的特性（1）多样性化工过程装置静设备：如换热器、传质容器、反应器、变换器、塔设备等动设备：如旋转机器和往复机器等设备结构不同，工艺参数各异，制造安装差异使用环境不同，产生各种故障如离心式、轴流式压缩机、烟气轮机：工艺气体粉料（催化剂），转子不平衡、振动、摩擦、磨损故障高速旋转机器：轴承油膜不稳定，转子不对中高速高压旋转机器：流体激振，转子自激振动往复式压缩机：管道振动故障，零件磨损、变形、断裂高压容器：裂纹扩展，内部腐蚀，密封泄漏机械设备故障诊断技术1概述1.1 设备故障诊断的目的和意义1.1.1 设备

4、故障诊断的含义和特性2. 设备故障诊断的特性（2）层次性设备故障现象（征兆）原因（症候、病症）深层次、多层次性（3）多因素和相关性设备故障因相互关系产生多因素和相关性（4）延时性故障形成，缺陷累积，状态劣化，量变转质变。故障过程延时性（5）不确定性（模糊性）故障频度、表现形式、特征差异、机理复杂机械设备故障诊断技术1概述1.1 设备故障诊断的目的和意义1.1.2 设备故障诊断技术的应用与发展1. 应用现代化企业生产水平和经济效益提高，发展规模化和高技术含量生产装置大型化、高速高效化、自动化和连续化设备要求性能好，效率高，少故障。否则故障损失巨大如石油化工大型机组（离心、轴流压缩机，烟气轮机，汽

5、轮机，风机和机泵）单机、满负荷关键设备，故障停机导致停产损失惨重大型炼油装置，化肥装置，乙烯装置停产一天损失数百万电力部门 300 MW发电机组停机一天少发电 720 万度损失数千万元中国 19771987 年投产 67 个大化肥厂，机组故障停机两年损失相当一个大化肥厂全年产量（30 万吨合成氨，48 万吨尿素）高技术大型化设备，故障重大灾难性事故，经济损失惨重，严重政治影响美国三里岛核电站放射性物质外逸，前苏联切尔诺贝利核电站爆炸印度博帕尔市农药厂异氰酸甲醋毒气泄漏美国 1986、2003 年 “挑战者” 号和 “哥伦比亚” 号航天飞机失事中国 1980 年代 200 MW 汽轮发电机组事故

6、机组剧烈振动，转子断 7 段，联轴节飞出厂房，机组彻底破坏大化肥合成气压缩机强烈振动，振因复杂，停产 2 月损失亿元中国 20 世纪 70 年代开始应用机械设备故障诊断技术1概述1.1 设备故障诊断的目的和意义1.1.2 设备故障诊断技术的应用与发展2. 发展19 世纪：事后维修；20 世纪初 50 年代：定期维修，孕育时期20 世纪 6070 年代：设备状态维修。计算机技术、数据处理技术发展20 世纪 80 年代以后：诊断智能化。人工智能、专家系统、神经网络发展国内 20 世纪 80 年代初开始高校和科研单位学术交流、理论研究和实际应用大型企业建组织机构，技术应用发展，推动理论与方法研究如数

7、据采集，信号处理，故障特征、模式识别及人工智能等诊断涉及多项学科知识，推动边缘学科相互交叉、渗透和发展如故障机理研究推动转子动力学、结构动力学和模态分析技术的发展故障诊断方法研究推动振动工程应用模式识别，模糊数学、人工智能等数学物理方法应用和发展状态监测技术推动测试技术、信号分析处理技术和网络传输技术的发展故障控制推动振动噪声控制理论研究与发展设备故障评判结合故障诊断技术与可靠性分析技术、失效分析技术机械设备故障诊断技术1概述1.1 设备故障诊断的目的和意义1.1.3 设备故障诊断技术与维修方式的关系定期维修（计划维修）：设备运行时间为基础，根据设备磨损和故障规律，事先制定计划确定修理类别、间

8、隔、内容及要求。分大修和项（目）修适用掌握故障规律的流程工业生产设备、自动化生产线和连续运行设备缺点：检修量大耗时耗费；要求精密机械，过多拆卸人为故障备品备件种类多，检修费用大技术发展和设备管理现代化，认识到采用一种预防性维修方式即设备运行时进行状态监测，掌握技术状况对将形成或已形成故障分析诊断，判定设备劣化程度和部位故障前制订预知性维修计划，确定设备修理内容和时间即为基于状态监测为基础的维修，最经济合理方式，又称预知性维修预知性维修（状态监测维修）：测知设备状态参数，了解设备现状，判断故障类型、性质和程度推测发展趋势，确定最佳维修时机，依据设备实际状态以设备故障诊断为基础的先进维修方式优点：

9、减少突发性事故；减少停机时间；延长检修周期延长设备使用寿命；节约维修费用维修方式内容比较使用对象事后维修（故障维修）设备出现故障或性能精度下降到合格水平以下，无法继续使用时维修设备结构简单，修理容易，获得修理配件，故障停机不对生产造成损失，一般均设有备机定期维修（计划维修）按磨损规律和故障概率得出维修周期，根据计划定期维修。设备大修解体检查，更换或修理零部件单机连续运行设备，掌握磨损规律和故障概率。关键设备和零部件，分析计算使用周期，确保设备安全运行状态监测维修（预知性维修）根据设备运行状态监测信息，判断设备故障程度和发展趋势，提出最佳维修时间和部位单机连续运行大型机组和重大设备，停机损失巨大

10、，不宜解体检查高精度设备，故障引起公害设备。具备状态监测与故障诊断条件机械设备故障诊断技术1概述1.1 设备故障诊断的目的和意义1.1.3 设备故障诊断技术与维修方式的关系表 1-2三种维修制度比较工业发达国家经验 90 设备要求预知性维修10 设备需要定期维修机械设备故障诊断技术1概述1.1 设备故障诊断的目的和意义1.1.3 设备故障诊断技术与维修方式的关系五体制（维修体制）：（主要为带 号的三种维修体制） 事后维修 BM（Break-down Maintenance）：故障（后）维修。适用于非重点或备用设备维修，传统维修方式 定期维修 TBM（Tim-Based Maintenance）

11、：属预防维修，即计划维修根据设备规律，固定维修周期，确定维修内容，制定维修计划适用主要生产设备，成本高，经济差，传统典型维修方式 状态维修 CBM（Condition-Based Maintenance）：属预防维修，即预知维修日常检查、状态监测、数据处理、故障分析、判别程度、计划维修适用于重点或通用设备，经济合理，值得提倡的维修方式改善维修 CM（Corrective Maintenance）：改进结构，消除缺陷。值得提倡的维修方式视情维修 OM（On-condition Maintenance）：属预防维修。定期检测，安全检查，发现问题，确定界限适用于非重要零部件，认为有必要才进行维修的维

12、修方式机械设备故障诊断技术1概述1.2 设备故障的类型和状态监测技术1.2.1 设备故障的类型及其可能原因结构损伤性故障：设备结构内外缺陷和损伤裂纹：能由于疲劳、腐蚀、应力集中和应力突变等原因引起磨损：运动部件相对摩擦，摩擦副间缺润滑，颗粒物料对叶片冲刷等腐蚀：化学反应现象。化学腐蚀，应力腐蚀、电化腐蚀变形：设备外加负荷、不均匀热膨胀、管道力、物料冲击力流体激振力、惯性力、内应力和设备结构薄弱等原因断裂：负荷过大，局部应力集中，振动激烈，循环载荷下产生金属疲劳剥落和烧伤：零件摩擦副润滑不良或断油，表面接触应力过大运动状态劣化性故障：（1）机械位置不良：转子不平衡、转子不对中、轴承工作不稳定热态

13、变形、零件松动（2）刚性不足：支承基础刚性、转子刚性（3）摩擦：转子定子干摩擦、轴件内摩擦（4）流体激振：压力脉动和声学共振；旋转失速、喘振、汽蚀滑动轴承油膜振荡、浮环和迷宫密封中流体激振（5）非线性的谐波共振：零件松动、流体间隙激励、摩擦等机械设备故障诊断技术1概述1.2 设备故障的类型和状态监测技术1.2.2 设备故障诊断的功能和环节1. 功能 检测评价设备运动、缺陷、磨损、劣化和故障状态 确定设备故障性质、类型、程度、部位及发展趋势预测设备可靠性程度 确定故障来源，提出整改措施2. 环节 信号采集 传感器（人体感觉器官）采集设备运行参数反映设备故障特性 信号处理 分析仪器加工处理采集信息

14、，提取特征信息反映故障状态、性质、类型和程度 故障诊断 人的知识经验或诊断技术方法分析诊断故障原因确定故障类型和发生部位 防治控制 确定故障提出控制方案或预防治理措施机械设备故障诊断技术1概述1.2 设备故障的类型和状态监测技术1.2.2设备故障诊断的功能和环节2.环节机械设备故障诊断技术1概述1.2 设备故障的类型和状态监测技术1.2.3 状态监测的技术和方法振动信号监测诊断技术：振动主要故障原因，信号包含状态信息，转换电信号便于处理分析声信号监测诊断技术：噪声诊断、超声波诊断和声发射诊断技术温度信号监测诊断技术：温度直接测量技术、热红外分析技术润滑油的分析诊断技术：油品理化性能分析技术、油

15、样含磨损金属颗粒铁谱分析技术和光谱分析技术其他无损检测诊断技术：超声波检测技术、射线照相检测技术、表面缺陷的检测技术包括磁粉探伤、表面渗透、电涡流检测光学显微镜分析以及光纤内窥镜和光学成像技术机械设备故障诊断技术1概述1.3 设备故障状态的识别方法1.3.1 信息比较诊断法采集存储振动幅值、频率、相位、转速、位移、模态、温度、压力流量等参数信息，建立数据库，趋势分析比较等1.3.2 参数变化诊断法改变操作参数，测量分析参数变化信号特征结合参数门槛值（闭值），观察机器故障有关因素1.3.3 模拟试验诊断法模拟试验，研究未知或不确定的故障机理和特征，解答故障原因提出故障特征参数及参数间定量关系等注

16、意模型与对象相似条件1.3.4 函数诊断法故障征兆和原因间存在函数关系，计算设备运行参数预测或识别设备故障1.3.5 故障树分析诊断法（Fault Tree Analysis，FTA法）以系统不希望故障状态出发（顶事件）按照逻辑关系总体到部件逐级细化，推理分析故障原因确定故障最初原因、影响程度和发生概率（底事件）机械设备故障诊断技术1概述1.3 设备故障状态的识别方法1.3.6 模糊诊断法确定故障原因和征兆论域、确定两论域中元素隶属度建立模糊关系矩阵、模糊综合评判1.3.7 神经网络诊断法基本组成、网络拓扑结构、故障诊断应用人工神经网络基本组成：神经元、神经元间连接、神经网络结构神经网络诊断方

17、法：自学习功能、结合模糊诊断1.3.8 结论设备故障诊断技术成功条件（1）足够有用的信息诊断决策依据（2）多方面诊断知识设备工作原理、结构特点、故障机理结构动力学、转子动力学和流体力学知识测试技术和信号分析处理方法机械设备故障诊断技术3旋转机械故障诊断3.1 转子不平衡故障诊断旋 转 机 械 ：转子旋转运动工作机器，转子、轴承等部件典型旋转机械：离心泵、轴流泵、离心式和轴流式风机、压缩机汽轮机、涡轮发动机、电动机、离心机等生产关键设备：大型化工、石化、电力和钢铁等行业大型旋转机械炼油厂催化三机组或四机组大化肥装置四大机组或五大机组乙烯装置三大机组电力行业汽轮发电机组、泵和水轮机组钢铁行业高炉风

18、机和轧钢机组3.1.1 转子不平衡概念转子不平衡：转子受材料质量、加工、装配以及运行多因素影响质量中心和旋转中心之间存在偏心距转子工作时周期性离心力干扰轴承产生动载荷引起机器振动不平衡原因：旋转体质量沿旋转中心线不均匀分布G 2n 2n 2 6000机械设备故障诊断技术（N）圆盘质量 10 kg，偏心距 0.2 mm，转速 6000 r/min，离心力离心力在轴承上每转变化一次，引起转子轴承系统振动3旋转机械故障诊断3.1 转子不平衡故障诊断3.1.1 转子不平衡概念带薄圆盘刚性转子两轴承支承跨度 l转子质量 m质心 M 距旋转中心 O 偏心距 e旋转角速度假定转子系统无阻尼转子产生离心力Ge

19、n29002e g 60 F = me 2 =22 60 =102104 = 789 （N）F = me 60 机械设备故障诊断技术3旋转机械故障诊断3.1 转子不平衡故障诊断3.1.1 转子不平衡概念机械设备故障诊断技术3旋转机械故障诊断3.1 转子不平衡故障诊断3.1.2 临界转速对不平衡振动的影响（1）临界转速的动力特性临界转速现象：不平衡离心力引起共振现象，临界转速时转子很大弯曲变形弓状回旋运动（“涡动”或“进动”），转子质量中心远离轴承中心线离心力大增，转子更大变形，离心力放大，机器剧烈振动临界转速：一阶临界转速 ncr1，多阶临界转速 ncri（阶数 i ）设计要求：工作转速 n

20、避开临界转速 ncr一般规定：工作转速 n 一阶临界转速 ncr1，n 0.75 ncr1工作转速 n 一阶临界转速 ncr1，1.4 ncri n 0.7ncr(i+1)（i 阶）转子运动力学模型：最简单两端刚性轴承对称支承转子轴中点圆盘质量 m，刚度系数 k，动挠度转子无阻尼横向振动固有频率n = K /mn 时，理论 无限大角速度 即临界转速转速频率 横向固频n机械设备故障诊断技术3旋转机械故障诊断3.1 转子不平衡故障诊断3.1.2 临界转速对不平衡振动的影响（2）阻尼对临界转速下转子振动的影响阻尼：介质黏性轴承油膜黏性滑动面间摩擦轴材料内摩擦阻尼以及转子轴承系变形能耗结构阻尼等线性系

21、统：阻尼力与速度成正比力方向与速度方向相反转子放大因子 振幅 A / 静挠度 Xst反映转子共振振幅高低 值与频率比/n 和阻尼比 有关机械设备故障诊断技术不平衡振动故障特征： 转子或轴承径向振动，频谱图转速频率成分突出峰值 转子单纯不平衡振动转速频率高次谐波幅值低时域波形为正弦波 转子轴心轨迹形状为圆或椭圆同截面垂直两探头信号相位差 90 转子进动方向为同步正进动 普通两端支承转子轴向振幅不明显 转子振幅对转速变化敏感转速下降振幅明显下降3旋转机械故障诊断3.1 转子不平衡故障诊断3.1.3 转子不平衡振动的故障特征转子不平衡振动：周期性离心力干扰产生强迫振动，转子旋转一周离心力经某点产生一

22、次扰动，测点一次振动响应转子振动频率 f 转速频率 n / 60，转子角频率2f工频（工作频率）：转速频率工频成分 3.1 转子不平衡故障诊断 3.1.4 不平衡振动的故障原因和防治措施 1 固有质量不平衡 转子原始状态存在不平衡，与操作运行无关 原因： 设计错误、材料缺陷、加工与装配误差、动平衡方法不正确等机械设备故障诊断技术3旋转机械故障诊断机械设备故障诊断技术1 固有质量不平衡转子原始状态存在不平衡，与操作运行无关原因：设计错误、材料缺陷、加工与装配误差、动平衡方法不正确等3旋转机械故障诊断3.1 转子不平衡故障诊断3.1.4 不平衡振动的故障原因和防治措施机械设备故障诊断技术3旋转机械

23、故障诊断3.1 转子不平衡故障诊断3.1.4 不平衡振动的故障原因和防治措施1 固有质量不平衡转子原始状态存在不平衡，与操作运行无关原因：设计错误、材料缺陷、加工与装配误差、动平衡方法不正确等机械设备故障诊断技术3旋转机械故障诊断3.1 转子不平衡故障诊断3.1.4 不平衡振动的故障原因和防治措施1 固有质量不平衡转子原始状态存在不平衡，操作运行无关原因：设计错误、材料缺陷、加工与装配误差、动平衡方法不正确等机械设备故障诊断技术3旋转机械故障诊断3.1 转子不平衡故障诊断3.1.4 不平衡振动的故障原因和防治措施1 固有质量不平衡动平衡技术（解决措施）：标准：ISO 1940刚性转子平衡精度1

24、1 等级，转子平衡精度等级 G 0.16 4000 mm/sG （e）/ 1000式中： e 转子不平衡度，gmm/kg； 转子旋转角速度，1/sG 转子平衡精度等级，mm/s刚性转子平衡：（转速低于一阶临界转速）静平衡（单平面平衡、滚动法、计算平衡质量，对薄圆盘转子）动平衡（双面多面平衡、动平衡机）现场平衡：对大型机组、实际安装条件（与平衡机条件不同）维修更换零件等影响系数法（试重、测定、作图、解析、再试重、计算、平衡）试重周移法（圆周等分试重）挠性转子平衡（转速超一阶临界转速）：减小转子振动和挠曲度振型平衡法、影响系数法，多平面多转速平衡技术发展：自动化、微机化，提高精度、减少次数机械设备

25、故障诊断技术3旋转机械故障诊断3.1 转子不平衡故障诊断3.1.4 不平衡振动的故障原因和防治措施F2F3F113m2 2m1r2r1r3m3IIIF2IF3IF3 IIF1IrIrIIF1 IIF2 II mbIIFIILl1l2l3II Imb IPI平衡平面1 固有质量不平衡双面动平衡技术机械设备故障诊断技术3旋转机械故障诊断3.1 转子不平衡故障诊断3.1.4 不平衡振动的故障原因和防治措施2 转子运行中的不平衡（1）转子弯曲临时性弯曲：外部影响或外力作用不需动平衡简单措施（盘车）或改操作方式转子受热不均转子自重气流冲击温度突变负荷变化快等永久性弯曲：转子慢转无法恢复热处理校直精加工消

26、除机械设备故障诊断技术2 转子运行中的不平衡（2）转子平衡状态破坏转子零件碎裂或飞离：阶跃式不平衡，振幅相位突变叶轮沉积固体杂质：高温粘性催化剂微粒粘结，管道锈蚀、气源粉尘沉积振幅加大，转速成分突出，转速增振幅大。严重时转静子摩擦磨损叶轮除锈或气体杂质冲蚀：维修不当措施轴上零件松动：轮、盘、轴、键槽配合，材料选择，介质腐蚀，轴承间隙3旋转机械故障诊断3.1 转子不平衡故障诊断3.1.4 不平衡振动的故障原因和防治措施机械设备故障诊断技术3旋转机械故障诊断3.1 转子不平衡故障诊断3.1.5 定向振动与不平衡振动故障的鉴别定向振动：轴心轨迹接近直线非圆或椭圆振动同相位或 180 反相位机体变形皮

27、带轮或齿轮偏心机座松动结构共振等机械设备故障诊断技术3旋转机械故障诊断3.2 转子不对中故障诊断转子不对中故障：转子连接对中超标，或轴颈位置不良轴承缺良好油膜和适当负荷引发机器振动或联轴节、轴承损坏原因： 初始安装对中超差 转子中心运行时热态升高 轴承架热膨胀不均匀 管道力作用 机壳变形或移位 地基不均匀下沉 基础变形 转子弯曲，同时产生不平衡和不对中故障故障：振动加大，轴承偏磨，联轴节过热，齿式联轴节齿面磨损联轴节配合键槽裂纹，膜片联轴节疲劳损坏旋转机械故障 60原因为转子不对中机械设备故障诊断技术 改变轴承油膜压力 平行不对中引起径向振动 轴承振幅随负荷增大而增高 刚性联轴节两侧振动相位差

28、 振动频率：刚性联轴节平行不对中二倍转速频率及工频和多倍频角度不对中工频轴向振动及多倍频 大型涡轮机械多跨转子其他因素 轴颈轴心轨迹椭圆形。载荷增大，变香蕉形、“ 8 ” 字形或外圈中内圈等3旋转机械故障诊断3.2 转子不对中故障诊断3.2.1 转子不对中故障的特征转子不对中故障特征：机械设备故障诊断技术3旋转机械故障诊断3.2 转子不对中故障诊断3.2.2 联轴节不对中的振动频率1 刚性联抽节轴（1）平行不对中的振动频率两倍频激振力，旋转 1 周径向力交变 2 次一对连接螺钉一受拉伸另一受压缩（2）角度不对中的振动频率轴旋转一周，弯矩方向交变一次，工频振动（3）不对中引起转子不平衡相当附加不

29、平衡质量，类似不平衡振动2 齿式联轴节（半挠性联轴节）联轴节外齿和内齿连接齿套齿接触表面圆弧形齿啮合允许一定轴向移动量和角度偏摆量允许装半联轴节微量不对中3 膜片联轴节（半挠性联轴节）轴端半联轴节与套筒间用挠性膜片连接挠性好，不需润滑，维修量少，广泛应用传递功率小，不能承受过大轴向力机械设备故障诊断技术3旋转机械故障诊断3.2 转子不对中故障诊断3.2.3 不对中故障的监测方法（1）静态检测法打表法：千分表测量三表和单表找正法激光对中法：激光对中仪联轴节表面状态检测法：齿面过热摩擦和裂纹痕迹膜片、螺栓、轴壳等疲劳裂纹摩擦痕迹机械设备故障诊断技术3旋转机械故障诊断3.2 转子不对中故障诊断3.2

30、.3 不对中故障的监测方法（2）动态监测法振动诊断法：振动频率、相位、振动方向和轴心轨迹形状等特征激光对中法：二对激光对中仪，固定轴承架上，分别测量垂直和水平位移量仪器价格昂贵，环境中蒸汽、烟气、灰尘和机体振动影响Dodd 棒测量法：驱动机和被驱动机轴承架端面各固定并行测量杆测量截面水平和垂直方向涡流探头非接触测量位移量测量棒结构和刚性要求严格，补偿温度变形问题电涡流测量法：地面独立支架安装垂直和水平方向两电涡流测量探头非接触测量机组固定测量杆位移量轴承油膜压力测量法：油膜压力反映轴承间隙和轴承标高机械设备故障诊断技术3旋转机械故障诊断3.2 转子不对中故障诊断3.2.4 故障诊断实例汽轮发电

31、机组基础下沉：轴承座位置下移，轴颈被相邻 2 号轴承抬空轴颈不对中，轴承比压减小，油膜失稳强烈振动机械设备故障诊断技术3旋转机械故障诊断3.2 转子不对中故障诊断3.2.4 故障诊断实例离心泵联轴节不对中：联轴节轴承处振动频谱图显示很大 2 倍转速频率和工频成分不平衡和不对中联合作用，轴向测明显轴向振动，典型不对中故障11 倍转速频率成分为泵叶片通过频率机械设备故障诊断技术3旋转机械故障诊断3.3 滑动轴承故障诊断滑动轴承作用： 转子负荷支承作用 转子运动提供刚度和阻尼 控制转子稳定运转3.3.1 滑动轴承工作原理静压轴承：依靠润滑油在转子轴颈周围形成静压力差与外载荷相平衡轴旋转与否始终浮在压

32、力油中旋转精度高、摩擦阻力小、承载能力强良好速度适应性和抗振性等制造工艺高，需复杂供油装置应用高精度机床上动压轴承：油膜压力由轴旋转产生供油系统简单，使用寿命长旋转机器广泛采用径向轴承和止推轴承（轴向力）机械设备故障诊断技术3旋转机械故障诊断3.3 滑动轴承故障诊断3.3.1 滑动轴承工作原理流体动压轴承原理：润滑油膜楔形间隙流体动压力作用轴停滞时沉在轴承内底部轴旋转时依靠摩擦力作用沿轴承内表面往上爬行到达摩擦力和转子重量平衡位置油膜收敛油楔动压力作用抬起轴颈轴承承载能力系数 S0相对偏心率 和轴承宽径比 l / d 的函数低速重载转子 S01高速轻载转子 S01机械设备故障诊断技术3旋转机械

33、故障诊断3.3 滑动轴承故障诊断3.3.2 滑动轴承常见故障的原因和防治措施（1）巴氏合金松脱浇注基体金属清洗，材料镀锡浇注温度不够重新浇注巴氏合金（2）轴承异常磨损、刮伤、拉毛轴承装配缺陷：轴承间隙，轴瓦错位，轴瓦接触，轴颈油膜引起转子振动和轴瓦磨损。更换轴承或修刮重新装配轴承加工误差：轴承圆度，油楔轴承油楔大小和形状，轴承间隙止推轴承端面偏摆量，瓦块厚薄，表面巴氏合金磨损工艺检查，修理轴瓦形状转子发生大振动：轴瓦振动摩擦、烧损、刮伤、拉毛消除振动因素，更换磨损轴承止推轴承设计：承载面积、压缩机超压、密封损坏，轴向力大，瓦块磨烧供油系统：润滑油量、供油清洁、油温度、油黏度、供油压力滤清滤网、

34、油孔堵塞、轴承磨损油冷效果、润滑油水分加大油冷却器，更换过滤器，更换润滑油机械设备故障诊断技术3旋转机械故障诊断3.3 滑动轴承故障诊断3.3.2 滑动轴承常见故障的原因和防治措施（3）轴承疲劳原因： 轴承过载：油膜破裂，应力集中，局部裂纹，裂纹扩展 轴瓦松动：轴承间隙，机器振动，轴承交变载荷裂纹扩展，瓦块表面开裂与松脱 轴承摩擦和咬粘：表面高温，材料热应力和热裂纹，热裂纹扩展 巴氏合金过厚：疲劳敏感，疲劳破坏 巴氏合金强度：温度升高下降，高温疲劳裂纹扩展措施： 轴承比压合适范围 轴承间隙应设计范围 较薄巴氏合金（厚度 1 1.5 mm）和抗疲劳性能瓦块 控制轴瓦温度机械设备故障诊断技术3旋转

35、机械故障诊断3.3 滑动轴承故障诊断3.3.2 滑动轴承常见故障的原因和防治措施（4）轴承腐蚀润滑剂化学作用。选用润滑剂，润滑剂“老化”丧失润滑性能（5）轴承气蚀轴承内油液压力低区域（低于油液饱和蒸汽压）生成微小气泡气泡高压挤破，瞬间压力波冲击轴承表面表面金属疲劳裂纹或金属层剥落（6）轴承壳体配合松动轴承盖与轴承座之间压紧间隙轴瓦松动影响轴承油膜稳定性振动非线性特点，振动工倍、转速频率、次谐波成分1 / i 倍转速频率超谐波成分（正整数 i ）（7）轴承间隙不适当轴承间隙太小发热，间隙太大明显振动（8）轴承温度过高轴承间隙小；轴承载荷高；油冷却器故障轴承形状或装配机械设备故障诊断技术3旋转机械

36、故障诊断3.3 滑动轴承故障诊断3.3.3 高速滑动轴承不稳定故障的特征和防治措施1 高速滑动轴承不稳定故障的原因高性能旋转机器转子轴承系统多为高速轻载滑动轴承，设计或使用因素易发生油膜不稳定引起转子轴承较大振动特有故障油膜振荡，油膜力引起自激振动（1）轴颈在油膜中的涡动与稳定性（2）油膜失稳的力学机理油膜动态特性：油膜刚度和阻尼油膜失稳机理：一般强迫振动激振力为离心力与转子质量 M、重心偏移量 e 和转速 等有关油膜失稳主要激振力非离心力，是与位移相垂直的油膜切向力轴颈涡动方向起推动作用，某种条件使振幅越来越大强烈振动导致机器损坏轴心轨迹形状与转子稳定状态的关系：椭圆形轴心轨迹比圆形稳定，椭

37、圆度大有利轴心稳定机械设备故障诊断技术3旋转机械故障诊断3.3 滑动轴承故障诊断3.3.3 高速滑动轴承不稳定故障的特征和防治措施2 油膜振荡的机理及其故障诊断高速滑动轴承特有故障，油膜力产生自激振动发生时输入能量很大 ，引起转子轴承系统损坏大型机组可能导致机组毁坏严重事故（1）半速涡动与油膜振荡半速涡动：转子轴颈高速旋转时，环绕平衡中心公转运动油膜力激励的涡动角速度近似为转速二分之一涡动正向运动（转子旋转同向）实际振动频率 （0.430.48）（2）油膜振荡的特征及其诊断油膜振荡：轴颈涡动运动与转子自振频率吻合时发生大幅度共振现象发生突然，振幅突升，局部油膜破裂，轴颈轴瓦摩擦强烈吼叫声，严重

38、损坏轴承和转子机械设备故障诊断技术故障特征：自激振动不受外部激励力影响涡动频率 与转速频率之比约 0.350.5涡动频率 接近转子一阶自振频率非线性油膜共振轴心轨迹形状紊乱发散，不规则轨迹线叠加花瓣形状发生巨大吼叫声。转子激烈自激振动，轴承油膜破裂轴颈轴瓦碰撞摩擦，轴承和迷宫密封严重损伤 “ 惯性 ” 现象。转速升高降低，振荡频率和振幅变化不明显3旋转机械故障诊断3.3 滑动轴承故障诊断3.3.3 高速滑动轴承不稳定故障的特征和防治措施2 油膜振荡的机理及其故障诊断（2）油膜振荡的特征及其诊断高振幅振荡低振幅涡动机械设备故障诊断技术故障特征3旋转机械故障诊断3.3 滑动轴承故障诊断3.3.3

39、高速滑动轴承不稳定故障的特征和防治措施2 油膜振荡的机理及其故障诊断（2）油膜振荡的特征及其诊断约 1/2 工频.机械设备故障诊断技术（2）油膜振荡的特征及其诊断2油膜振荡的机理及其故障诊断333高速滑动轴承不稳定故障的特征和防治措施3旋转机械故障诊断3.3 滑动轴承故障诊断机械设备故障诊断技术3旋转机械故障诊断3.3 滑动轴承故障诊断3.3.3 高速滑动轴承不稳定故障的特征和防治措施3 油膜不稳定的防治措施（1）避开油膜共振区域避免转子工作转速接近两倍一阶临界转速约 1/2 工频机械设备故障诊断技术3旋转机械故障诊断3.3 滑动轴承故障诊断3.3.3 高速滑动轴承不稳定故障的特征和防治措施3

40、 油膜不稳定的防治措施（2）增加轴承比压轴瓦单位面积承受载荷。增加轴承比压，承载能力系数 S0提高，偏重载形式一般轴承比压 1.01.5 MPa，高速轻载轴承 0.31.0 MPa增加比压值等于增大轴颈的偏心率，提高油膜稳定性重载转子比轻载转子稳定，因为重载转子偏心率大重心低像海洋中一艘航空母舰，由于载重量大水线下舰体深，波浪中非常稳定对已经油膜失稳转子，增加轴承比压，提高承载能力系数常用办法： 车削缩短轴承宽度 轴承下瓦环向槽或沟槽，减小瓦块接触面积，改善油楔内油压分布 减小下瓦接触角，下瓦开泄油槽，增加轴颈偏心率 减小上瓦油槽宽度或设置油坝，提高上瓦油压 改变油楔形式，圆柱轴承降低顶隙，增

41、加侧隙变为椭圆形轴承，提高轴颈稳定性机械设备故障诊断技术3旋转机械故障诊断3.3 滑动轴承故障诊断3.3.3 高速滑动轴承不稳定故障的特征和防治措施3 油膜不稳定的防治措施（3）减小轴承间隙轴承间隙减小，相对增大轴承偏心率，提高发生油膜振荡转速（4）控制轴瓦预负荷预负荷正值表示轴瓦内表面曲率半径大于轴承内圆半径增大偏心距和油楔收敛程度增加油楔力多油楔、多油叶轴承机械设备故障诊断技术3旋转机械故障诊断3.3 滑动轴承故障诊断3.3.3 高速滑动轴承不稳定故障的特征和防治措施3 油膜不稳定的防治措施（5）选用抗振性好的轴承椭圆轴承稳定性优于圆柱轴承三、四油楔（油叶）轴承稳定性优于椭圆轴承抗振性优良

42、高速轻载可倾瓦轴承多块活动轴瓦（5 块较多）各瓦块有自由摆动支点载荷方向自动调整油膜力通过轴中心消除切向力独立瓦块油膜不连续，减小涡动可能性结构形式：平面自调式，瓦块圆周方向自由摆动球面自调式，瓦块圆周方向和轴线平面方向摆动（自位作用）（6）调整油温油温高，油黏度小，增加轴颈偏心率，有利轴颈稳定其他措施：提高供油压力、轴承多路供油及轴承内表面开油槽等其他因素：流体激振、材料内摩擦，联轴节、轴承轴颈不对中轴承架热膨胀变形、工作流体周向作用力不平衡等机械设备故障诊断技术低压缸转速 6700 r/min高压缸转速 8933 r/min轴承型式四油叶，轴承间隙 1.6 高压缸第一临界转速3000330

43、0 r/min油膜振荡频谱：轴转速频率 140.5 Hz轴不平衡振动油膜振荡频率 55 Hz其他成分：主频率 和 和差组合频率3旋转机械故障诊断3.3 滑动轴承故障诊断3.3.3 高速滑动轴承不稳定故障的特征和防治措施4 故障诊断实例国产 30 万吨合成氨装置ALS-16000 型离心式氨压缩机轴承油膜振荡11000 kW 汽轮机拖动高低压缸间速比 56:42 增速器油膜振荡频率高压缸转速频率机械设备故障诊断技术3旋转机械故障诊断3.3 滑动轴承故障诊断3.3.3 高速滑动轴承不稳定故障的特征和防治措施4 故障诊断实例（空气压缩机低压缸轴承油膜不稳定振动 ）振动低频成分突出，工频比 0.48，

44、认为空压机轴承油膜不稳定半速涡动可能原因：低压缸两端联轴节对中不良，改变轴承负荷大小和方向大修停机检查：轴承间隙超差；可倾瓦厚度不均匀，联轴节平行对中量超差工频成分工频成分机械设备故障诊断技术3旋转机械故障诊断3.3 滑动轴承故障诊断3.3.4 结构共振产生的轴承工作不稳定机器底板或轴承座刚性不足结构、基础共振，底板基础连接松动、扭曲或断裂振动，管道振动结构振动频率与轴承油膜涡动激发频率吻合引发油膜不稳定振动3.3.5 转子轴承电流故障诊断1 轴承电流损伤现象轴承润滑使转子与静子部件油膜绝缘转子对地电阻建对地电压，电压升高电阻最小区击穿绝缘通路电火花放电主要影响： 放电区域熔化金属粒子，金属表

45、面形成微小电流凹坑 凹坑积累使承磨表面粗糙，产生机械磨损 大量熔化金属微粒进润滑剂，润滑性能坏，油膜电阻降低 局部高温破坏油膜，烧伤金属增加磨耗，润滑失效摩擦损坏2 轴承电流的成因和类型（1）磁力线不对称和磁化效应；（2）静电作用（蒸汽喷射，油分子摩擦）3 轴承电流损伤的故障特征和诊断方法（1）宏观观察法；（2）微观观察法；（3）电压测量法4 轴承电流的防治措施限轴电压1V：接地装炭刷、金属滑靴、水银槽、水密封等转轴导电荷（空气通道，油导体添加剂）；部件绝缘；变油膜厚度机械设备故障诊断技术3旋转机械故障诊断3.4 转子摩擦故障诊断 转子与静子零部件干摩擦最常见摩擦故障高速旋转转子与迷宫密封件间

46、叶轮口环与密封环间叶轮与隔板间轴颈与轴承间擦轴与浮动环间摩擦等起因：安装间隙、轴承间隙、轴挠曲变形、轴位移量或轴蹿动、部件热膨胀量、润滑系统故障转子振动：不平衡、不对中、油膜振荡、流体激振、转子和轴承系统共振等 转子内部发生内摩擦故障转轴材料弹性滞后产生内摩擦力激发转子涡动轴上配合零件与轴弯曲时产生摩擦齿式联轴节齿套与齿壳间轴向滑动摩擦机械设备故障诊断技术3旋转机械故障诊断3.4 转子摩擦故障诊断3.4.1 干摩擦故障的机理和特征轻摩擦：转子与迷宫密封齿间、轴颈与轴承表面间摩擦，转子振动不大重摩擦：转子与静止部件间碰摩，摩擦力大， 整周接触，转子振动大损伤（1）局部碰摩的故障特征。一阶或多阶自

47、振频率，次谐波和高次谐波振动响应轻摩擦：工频、2，3高低次谐波。重摩擦：1/2谐波及高次谐波（2）摩擦接触弧增大时故障特征。波形“削波”；反向进动；轴心轨迹圆环 “8” 字机械设备故障诊断技术3旋转机械故障诊断3.4 转子摩擦故障诊断3.4.2 转子内摩擦引起失稳的机理（1）转轴材料弹性滞后引起的不稳定振动（2）轴上零件滑动摩擦引起的不稳定振动（3）齿式联轴节摩擦引起的不稳定振动（4）防止滑动摩擦激振的方法机械设备故障诊断技术3旋转机械故障诊断3.5 浮动环密封故障诊断3.5.1 浮动环密封故障的机理和特征高速高压离心式压缩机防止气体外泄采用浮动环密封浮动环密封特点：浮动环和转轴间注密封液，液

48、压略高泄漏气压密封间隙内流动阻力阻止高压气外漏故障：热膨胀等，浮环与壳体间端面摩擦力大，浮环卡死成小径向圆柱轴承易发生油膜不稳定。浮环内壁与转轴间碰撞摩擦，表现摩擦故障特征机械设备故障诊断技术3旋转机械故障诊断3.5 浮动环密封故障诊断3.5.1 浮动环密封故障的机理和特征机械设备故障诊断技术3旋转机械故障诊断3.5 浮动环密封故障诊断3.5.2 故障诊断实例大化肥厂合成气压缩机高压缸浮动环卡涩频谱图振幅最高频率 83 Hz与转速频率 172.9 Hz（10375 r/min）之比 0.48轴心轨迹紊乱类似轴承油膜不稳定故障检查发现：高压缸密封参比气与密封油压差波动浮动环工作不稳定压力波动轴承

49、回油管大量工艺气体高压气密封不良进入润滑系统诊断浮动环卡涩机械设备故障诊断技术3旋转机械故障诊断3.6 叶片式机器中流体激振故障诊断3.6.1 非接触式密封中的流体激振故障离心泵多用环形密封，汽轮机和离心压缩机均用迷宫密封（梳齿形密封）机械设备故障诊断技术3旋转机械故障诊断3.6 叶片式机器中流体激振故障诊断3.6.1 非接触式密封中的流体激振故障1 非接触式密封中流体激振的机理Alford 流动模型；气隙不平衡力矩模型螺旋形流动模型；三维流动模型机械设备故障诊断技术3旋转机械故障诊断3.6 叶片式机器中流体激振故障诊断3.6.1 非接触式密封中的流体激振故障2 迷宫密封气流激振的研究密封偏心

50、周向压力，最高压力点位置，转子涡动切向力密封进出口压力差，密封激励力，密封结构尺寸，密封流体刚度转子轴承系统结构动力特性（转子挠性、轴承结构、油膜刚度、流体激振力、内外摩擦等）3 迷宫密封气流激振的故障特征密封流体激振产生振动频率，低于工作转速频率亚异步振动振动情况与转速、压力、负荷有密切关系高压汽轮机气隙振荡与喷嘴方向和进气阀开启度有关4 迷宫密封气流激振的防治措施（1）导入反预旋气流（2）腔内开孔导入平衡气（3）腔内周向设置纵向阻挡片（4）平直形密封机械设备故障诊断技术3旋转机械故障诊断3.6 叶片式机器中流体激振故障诊断3.6.1 非接触式密封中的流体激振故障5 故障诊断实例美国宇宙飞船