状态监测与故障诊断的基本图谱.docx

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状态监测与故障诊断的基本图谱

状态监测与故障诊断的基本图谱

一、常规图谱

常规图谱又称稳态图谱，是在转速相对稳定、没有大幅度变化情况下的有关图谱，因此其不含开停车信息。

1.机组总貌图

机组总貌图显示了机组的总貌，可了解机型、转子支撑方式、轴承位置、运行转速等，主要是查看探头的位置及位号。

2.单值棒图

较为形象、直观地显示实时振动值，并可知低报、高报报警值及转速。

3.多值棒图

多值棒图显示实时通频值及各主要振动分量的振动值，可大致了解机组运行是否正常。

正常运转状态下的多值棒图通常是：

一倍频最大、且与通频相差不大，二倍频小于一倍频的一半，0.5倍频微量或无，可选频段很小，残余量不大。

其中：

（1）通频值～即总振动值，为各频率振动分量相互矢量迭加后的总和。

（2）一倍频～为转子实际运行转速n下的频率f，又称工频、基频、转频，f=n／60[Hz]；转子动不平衡及轴弯曲、轴承不良（偏心）、热态对中不良、支承刚度异常、在临界转速区运行、电机气隙偏心等，都会引起一倍频振动分量的增大，发生概率依次降低。

（3）二倍频～二倍工频，转子热态不对中、裂纹、松动、水平方向上支承刚度过差等，都会引起二倍频振动分量增大，绝大多数是轴系不对中。

（4）0.5倍频～0.5倍工频，又称半频，油膜涡动会引起该频率段增大，轴承工作不良也会引起该段频率增大；旋转失速、摩擦也都有可能。

（5）可选频段～由用户根据机组常见故障自己定义的频段，一般可选择（0.4~0.6）倍工频或（0.3~0.8）倍工频，用来监测是否发生亚异步振动，如油膜涡动、旋转失速、密封流体激振、进汽（气）脉动、摩擦、松动等。

主要是轴承因紧力、接触、摇摆、油档及油温等问题引起的油膜失稳、摩擦、旋转失速、进汽脉动。

（6）残余量～除上述频率成分外，剩余频率成分振动分量的总和，该部分振值高时，转子有可能发生摩擦、高频气流脉动等。

4.波形图

波形图显示了振动位移与时间的关系，又称幅值时域图。

波形图显示了振幅、周期（即频率）、相位，特别是波形的形状和状态。

图中：

①振幅为正峰与负峰之间的位移量，比较各周期对应的峰高，即可知振幅值是否稳定；②二个亮点之间为一个旋转周期，波形图的周期数可以选取，想了解波形重复性时周期数选多一点，想了解波形细节时周期数选少一点；③亮点为振动的初相位、即零位，比较各周期对应峰与零位的间隔，可以粗略了解振动相位（发生的时间、位置）是否稳定。

波形图既可以是通频波形图，即显示通频总振值与时间（周期）的关系；也可以是选频波形图，即一倍频波形、二倍频波形、0.5倍频波形、…等。

波形图也可以作为示波器对振动波形的形态和变化进行实时监测。

由于从波形图上不能直接得频率及相位的精确数据，现在很少用它来确定振动参数。

但是，其形象、具体的波形及其变化状态，特别是波形在各周期下的重复性状况，仍非常有助于对振动故障、尤其是干扰信号的分析、界定。

例如：

（1）正常运转状态下的波形图，因工频为主，所以为近似的正弦波，如上图；

（2）动不平衡时，为近似的等幅正弦波，见下图；

（3）对中不良时，波峰翻倍，波形光滑、稳定、重复性好，见下图；

（4）摩擦时，波峰多，波形毛糙、不稳定，或有削波，见下图；

（5）自激振荡时，波形杂乱、重复性差、波动性大；

（6）严重油膜涡动时，因接近半频，振幅大小间隔，反而有点规律，见下图；

瞬态振动时，波形为若干周期的连续衰减；

冲击振动时，通频波形上出现小于一个周期的突起后又衰减的波形；

虚假信号干扰时，波形瞬间急剧变化，甚至呈直线状，见下图。

动不平衡时，为近似的等幅正弦波

不对中时，波峰翻倍，波形稳定、重复性好

对中不良时，通频波形图肯定要受到二倍频正弦波的影响，二倍频在通频的一个周期内变化二次，迭加后的波形自然是波峰翻倍。

在上图中，由于工频本身较低，只有16μm，从而使略微偏高的二倍频（18μm）显得较高；此外，由于还存在一些不太大的高次谐波，所以波形不够光滑；各频率成分的幅值较为稳定，波形的重复性好。

总体上看，机组存在对中不良，但程度并不严重。

冲击振动时，在通频波形上出现小于一个周期的突起后又衰减的波形。

虚假信号干扰时，波形瞬间急剧变化，甚至呈直线状。

主要为动不平衡、并存在摩擦的波形频谱图

上图为某催化烟机严重结垢时的波形频谱图。

波形主要为较典型的正弦波，幅值很大，为122.5μm；此外，还存在波峰多、波形毛糙以及单边（正峰）削波现象。

根据烟机运行特点，该烟机主要存在着因催化剂在转子轮盘上粘结而形成的动不平衡，以及催化剂在气封处堆积而产生的较严重局部摩擦。

严重油膜涡动时的波形频谱图

油膜涡动严重时，接近于半频的波形必然会对通频波形产生重要影响。

半频的波形是正弦波、周期为通频的二倍，在半频的正峰、负峰分别间隔影响下，迭加后形成了周期内振幅正、负值悬殊大、各周期振幅大小间隔的通频波形，一个周期振幅大，另一个周期振幅小。

5.频谱图

频谱图显示了各振动分量的频率及其振幅值。

横坐标可选择“阶比”或“频率”。

各种频率所对应的故障可参照前面在多值棒图中的介绍。

正常运转状态下的频谱图通常是：

一倍频最大，二倍频次之、约小于一倍频的一半，三倍频、四倍频…x倍频逐步参差递减，低频（即小于一倍频的成份）微量或无，其它频率成分基本上不存在。

看频谱图不能就图论图，因为大多数情况下总是一倍频最大，一定要与历史及正常运转下的频谱图相比较，查找哪些频率成份发生了增大变化，增大的倍率有多大，是否出现新的异常频率成分，各分量的能量水平大不大，等等。

该频谱图中各频率分量的能量水平实际上很小，工频也相对较小。

6.轴心轨迹图

轴心轨迹图显示了转子轴心相对于轴承座涡动时的运动轨迹。

正常的轴心轨迹应该是一个较为稳定的、长短轴相差不大的椭圆。

不对中时，轴心轨迹为月牙状、香蕉状，严重时为8字形；发生摩擦时，会出现多处锯齿状尖角或小环；轴承间隙或刚度差异过大时，为一个很扁的椭圆；可倾瓦瓦块安装间隙相互偏差较大时，会出现明显的凹凸状。

不对中时，轴心轨迹为月牙状、香蕉状、8字形

某烟机因催化剂在气封底部堆积造成局部碰摩时前轴承（重载瓦）的轴心轨迹

如果轴心轨迹的形状及大小的重复性好，则表明转子的涡动是稳定的；否则，就是不稳定的。

转子发生亚异步自激振动时，其轴心轨迹往往很不稳定，不仅形状及大小时刻在发生较大的变化，而且还会出现大圈套小圈的情况。

轴心轨迹图有原始、提纯、平均、一倍频、二倍频、0.5倍频等多种轴心轨迹，主要看提纯、一倍频、二倍频的轴心轨迹图。

这是因为转子振动信号中不可避免地包含了噪声、电磁信号干扰等超高次谐波分量，使得轴心轨迹的形状变得十分复杂，有时甚至是非常地混乱。

而提纯的轴心轨迹排除了噪声和电磁干扰等超高次谐波信号的影响，突出了工频、0.5倍频、二倍频等主要因素，便于清晰地看到问题的本质；一倍频轴心轨迹可以看出轴承的间隙及刚度是否存在问题，因为不平衡量引起的工频振动是一个弓状回转涡动，工频的轴心轨迹就应该是一个圆或长短轴相差不大的椭圆，而如果轴承间隙或刚度存在方向上的较大差异，那么工频的轴心轨迹就会变成一个很扁、很扁的椭圆，从而把同为工频的不平衡故障和轴承间隙或刚度差异过大很简便地区别开来；二倍频轴心轨迹则可以看出严重不对中时的影响方向等。

通过轴心轨迹图，还可以判断转子的涡动是正进动、还是反进动。

7.振动趋势图

振动趋势图显示了振幅及相位与时间的关系。

通过振动趋势图可以看到异常振动的起始时间、终止时间、持续时间，特别是工频、二倍频、0.5倍频等主要频率的幅值随不间断时间的变化形态，这一点是频谱图、波形图、轴心轨迹图等其它图形都难以实现的，是在线监测的优势。

此外，还可以调看探头间隙电压的趋势，从而确定一次仪表本身有无故障。

例如，由上图中可见，同一轴承处二个测点的工频振幅值及相位一直在同起同落、能上能下地变化，变化过程是由许多小的变化所组成，其中既有渐变（较均匀结垢）、又有小的突变（突然掉落一块），但总体上是缓慢的渐变，振幅值能回落到靠近原正常振动值附近，因此是较典型的转子结垢。

下面是某发电汽轮机高压转子1#、2#轴承的一倍频振动趋势图及探头间隙电压趋势图。

从振动趋势图上看，1#轴承的1X、1Y振动值及相位多次同时发生较大变化，另一端的2Y也同时变化，似乎是真的发生了振动，然而相位反复变化后终回到原值又令人生疑。

但再看间隙电压趋势图，1X、1Y、2Y的间隙电压都在对应的同一时间也发生了较大的变化，根据探头特性，在振动值变化50μm时，间隙电压变化不应超过0.2V,而实际都远远超过（约为0.5~3V），另外2X早已从10V变成了5V而处于失灵状态。

此外，其它各种频率成分也都在同一时间发生了变化。

因此可以认为，这可能是测振系统受到干扰而产生的假象。

某汽轮机测点1X、1Y、2X、2Y一倍频振动趋势图

某汽轮机测点1X、1Y、2X、2Y间隙电压趋势图

下面二张图是某烟机断叶片时的振动趋势图，上面是通频趋势图，下面是工频趋势图。

从图中可以看到，该烟机于2005年8月3日上午9时39分12秒振动值突然增大，两端轴承4个测点的振动值由正常运转下的15~30μm同时剧烈上升到197~222μm，此变化过程是一个极为明显的突变过程。

通过调看工频、二倍频、0.5倍频、可选频段趋势图，发现工频振动值的变化相对最大，特别是工频的相位也在同一时刻发生了突变，因此是典型的断叶片。

另外，还可以看到，在三分钟内又发生了不很明显的二次、三次振幅和相位变化过程，即断叶片在掉落过程中又引起了其它叶片损伤、断裂、掉落的二次扩大过程。

某烟机断叶片时的通频振动趋势图

某烟机断叶片时的工频振动趋势图

下面二张图是某空压机透平断叶片的工频趋势图和波形频谱图。

由图可见，此空压机透平于2004年9月27日中午12时18分9秒振动值突然增大，二个轴承四个测点的工频振值同时由30μm左右急剧突变上升到60~90μm左右，相位也同时发生了突变，显然是发生了突发性不平衡，即断叶片故障。

波形图清晰地记录了这一时刻的突变过程，频谱图上丰富、活跃的低频成分佐证了断叶片过程中的碰摩。

然而与上一例的不同之处是，在随后的24小时中并未发生振幅和相位的二次变化，即二次扩大故障。

因此，故障的程度比上一例要轻。

某空压机透平断叶片的工频振动趋势图

某空压机透平断叶片时的波形频谱图

8.过程振动趋势图

过程振动趋势图显示了机组的过程参数以及振动值与时间的关系。

过程参数为工作介质的进出口压力、温度、流量以及油温、油压、瓦温、轴位移、转速、…、等等。

将过程参数与振动值都放在同一的时间坐标上对故障诊断是非常有帮助的。

上图是汽轮机转子轴位移与振动值的趋势图。

图中显示，在轴位移发生变化的同时，进汽侧轴承两振动值同时发生变化，而排汽侧轴承振动值无变化，因此可以判断这是进汽侧调节汽门动作而引起的正常变化。

9.极坐标图

极坐标图为各振动分量的幅值及相位随时间变化的统计结果，亦称可接受区域图。

散布集中、相位稳定时，好；散布区域增大、相位改变时，应引起重视。

10.轴心位置图

轴心位置图显示了转子轴心相对于轴承中心的稳态（即忽略振动）位置。

通过轴心位置图可以看出偏位角、偏心距、最小油膜的厚度，从而判断转子运行是否平稳。

一般来说，大机组转子轴心位置的偏位角应该在20°～50°之间，最小油膜厚度大约为30～200μm。

如果偏位角过大，表明轴心位置上移，预示着转子很容易发生不稳定涡动；如果最小油膜厚度变薄，则表明油温或瓦块温度明显增高，并可能出现磨损。

11.全息谱图

全息谱图是将在空间相距90°的二个同频率振动合成的轴心轨迹，按频率顺序排列所得到的图形。

全息谱图全面反映了在同一测量截面上转子各主要振动分量（如一倍频、二倍频、…）的振幅、频率、相位信息，对区分同一种故障特征频率的不同类型的故障往往能起到很好的作用。

而三维全息谱图则可便捷地判断转子的振型。

例如，故障特征频率同为工频，不平衡的一倍频轴心轨迹是一个长、短轴相差不大的规整椭圆；而轴承偏心类故障的一倍频轨迹则是一个很扁的椭圆。

因为，如果转子在径向上的约束、即轴承的间隙及刚度各向同性，那么转子旋转一圈，由不平衡量引起的转子涡动轨迹只能是一个圆；然而，如果轴承的间隙或刚度在径向上存在着较大的差异，那么转子在涡动到间隙最大、刚度最差之处时必然会产生相对很大的位移，工频轨迹则形成一个长、短轴相差很大的椭圆。

再例如，故障特征频率都是二倍频，轴系不对中故障的二倍频轴心轨迹往往是一个稳定的、极扁的椭圆；而转子横向裂纹故障的二倍频轨迹则是一个较规整的椭圆；转子部件松动故障的二倍频轨迹极不稳定、波动大。

二、启停机图谱

启停机图谱又称瞬态图谱，仅用于分析启停机过程中的状况。

1.转速时间图

转速时间图显示了开停机过程中，转速随时间变化的关系。

某电机驱动的烟机开车时间图

某汽轮机驱动的气压机开车时间图

可以看到；开始升速不规范；调速系统有一定的缺陷并造成转速波动。

2.波德图

波德图显示了转子振幅和相位随转速变化的关系曲线。

波德图是十分有用的分析图谱，从波德图上可以得到以下信息：

①转子系统在各种转速下的振幅和相位；

②转子系统的临界转速；

③转子系统的动态放大系数Q（Q=临界转速下的峰峰值∕操作转速下的峰峰值），动态放大系数原可接受范围是3~8，但伴随着设计与制造水平的提高，如今动态放大系数越来越小，新出厂的机器多数在3.55以下，小于2.5的也屡见不鲜（API标准规定小于2.5时为临界阻尼状态），动态放大系数过大，很可能是不安全的；

④转子的振型；

⑤系统阻尼的大小；

⑥转子是否发生热弯曲；

⑦转子上机械偏差和电气偏差的大小。

由以上这些信息可以获得有关转子轴承系统的刚度、阻尼特性以及转子的动平衡状况。

例如，对上图而言：

①转子在临界转速下一倍频的最大振动值及相位为137μm/232°，操作转速下的振动值及相位为37μm/288°；

②转子轴承系统的临界转速为1622r/min左右；

③转子轴承系统的动态放大系数Q=137∕37=3.7;

④转子的振型为一阶振型；

⑤转子轴承系统具有较适度的阻尼（振幅及相位在通过临界转速区时变化较缓慢，放大系数也不过大）；

⑥转子上机械偏差和电气偏差很小，几乎为零。

下图则存在较大的机械偏差和电气偏差。

在开车初期的慢转速下（图中为350r/min），振动值就达到50μm以上，另外还存在干扰信号（图中若干处直线状线条）。

下图则显示了在汽轮机新安装或检修后开车过程中可能出现的转子热弯曲现象。

启动时，（工频）振动值几乎为零。

升速过程中，振动值很小，基本为1~3μm，最大不超过8μm，相位随转速变化，都显正常。

问题是在远离临界转速（约为3700r/min左右）的2000r/min下暖机跑合时，振动值用30分种由2μm、3μm逐步上升到60μm、75μm，同时相位也发生了变化。

在转速稳定不变的情况下，工频的幅值及相位发生变化，表明转子的平衡状态发生了变化；由于是缓慢变化，表明很可能是发生了转子因热膨胀受阻或受热不均匀而产生的热弯曲。

停车过程中（在降到600r/min后，又有一次升速到1000r/min，并再次发生热弯曲的现象），随转速降低，振动值降低、但相位基本不变（其中一次变化为再次热弯曲），进一步验证了为热弯曲。

停车后，振动值（分别为12.5μm、25.6μm）和相位都回不到原来值，表明已形成了永久性弯曲。

3.奈奎斯特图

奈奎斯特（Nyquist）图把开停机过程中振幅与相位随转速变化关系用极坐标的形式表示出来，又称极坐标图。

奈奎斯特图用一旋转矢量的点代表转子的轴心，该点在各转速下所处位置的极半径就是转子的径向振幅，该点在极坐标上的角度就是此时振动的相位角。

这种极坐标表示方法在作用上与波德图相同，但比波德图更为直观。

通过最大振幅，可以看见转子的实际临界转速；通过有无小圈，可以看到转子以外的元件振动，如管道、联轴节、机壳、基础等对转子产生的谐振作用。

通过奈奎斯特图，很容易得到转子的原始晃度，即机械偏差和电气偏差的总和。

从带有原始晃度的图形要得到扣除原始晃度后的振动曲线很容易做到，只要将极坐标系的坐标原点平移到与需要扣除的原始晃度矢量相对应的转速点，原图的曲线形状保持不变。

这样，原曲线在新坐标系中的坐标即是扣除原始晃度后的振动响应。

通过奈奎斯特图，还可以很容易得到转子的慢转矢量，也就是转子的初始弯曲信号，因为转子的初始弯曲在低转速状态下的相位是不变的。

从上图可以看到，转子的临界转速为6100r/min左右，最大振动值为16.6μm；转子的原始晃度极小，为0.3μm；慢转矢量不大，为7.8μm，在610r/min处。

相对来说，下图中的原始晃度为6.1μm，略微大了一些；慢转矢量不大，约7μm，在458r/min处。

4.频谱瀑布图

频谱瀑布图显示了各时间间隔下的频谱变化，简称瀑布图。

将启停机过程中连续测得的一组频谱图，按一定的时间间隔所组成的三维谱图就是频谱瀑布图。

其中，X轴为频率，Y轴为振幅，Z轴按时间间隔平行布置、有时附加上对应的转速。

通过瀑布图，可以清楚地看出各振动分量的频率及幅值随时间是如何变化的。

5.级联图

极联图显示了各转速间隔下的频谱变化。

极联图与瀑布图的区别是将时间间隔变成转速间隔，Z轴变为转速。

极联图的特点是，各频率分量在图中构成了由坐标原点0发射的斜直线状，这在分析与转速有关的振动故障时是很直观的，常用来了解各转速下振动频谱变化情况，可以确定转子临界转速及其振动幅值，特别是半速涡动或油膜振荡的发生和发展过程等。

上图是某空压机高压缸启动时发生油膜振荡的极联图。

由图可见，转子第一临界转速约为5000r/min左右。

在低于二倍第一临界转速10000r/min之前，油膜涡动频率以略小于0.5倍频的倍率随转速变化始终在变。

但是到了10000r/min之后，也就是涡动频率等于临界转速之后，就不再随转速上升而变，而是紧紧咬住临界转速（固有频率）不再改变，于是就发生了油膜振荡。