机械故障诊断(基础、旋转与往复)

北京化工大学杨国安杨国安基础部分北京化工大学杨国安设备诊断技术是在设备管理和维修的基础上发展起来的。我国自1979年才初步接触开发诊断技术，1984年开始真正在企业推广振动故障诊断，那时的仪器非常简陋，只能测量振动的位移，速度和加速度，没有频率分析功能，随着技术的发展，到后来拥有了能够进行手动分析振动频率的仪器．仪器虽然简陋，不能够自动记录振动谱图，但当时对于从事现场故障诊断的人员来说，可以在现场随时分析振动频率成分，工程师们已经很满足了，这样的仪器简单，实用，可以解决绝大部分现场的振动问题．上世纪末，随着计算机技术的发展，彻底改变了振动分析的软、硬件面貌，各种数据采集，分析，诊断功能的仪器被相继开发出来，各种专家系统也不断涌现，给工程技术人员提供了更有效的手段来分析解决问题．但问题也相继出现，现场工程技术人员由于受到专业知识的限制，面对琳琅满目的分析功能、界面、曲线，知其然不知其所以然。近年来，经过与现场从事设备管理工作的工程技术人员广泛交流，觉察到当前故障诊断工作的推广应用最大的障碍是从事故障诊断技术的现场人员知识结构不合理和缺乏。懂设备的。对时、频变换不清楚，应该讲，故障诊断技术背后有严谨的数学知识作支撑。众多学科相互渗透构成了故障诊断技术的知识体系，有人说故障诊断就是传感器，有人说是信号处理，有人说是数据挖掘、专家系统等等。这就充分说明了故障诊断技术知识结构的交叉性和多样性，因此，武钢组织开展这样一个技术交流是非常有必要的，是及时的。故障诊断基础知识3一般说来，监测系统由传感器、中间变换装置和显示记录装置三部分组成。传感器将被测物理量(如噪声,温度)检出并转换为电量，中间变换装置对接收到的电信号用硬件电路进行分析处理或经A/D变换后用软件进行信号分析，显示记录装置将测量结果显示出来，提供给观察者或其它自动控制装置。信息转换信息提取4流程工业设备运行状态监控在电力、冶金、石化、化工等流程工业中，生产线上设备运行状态关系到整个生产线流程。通常建立24小时在线监测系统。石化企业输油管道、储油罐等压力容器的破损和泄露检测。5楼宇控制与安全防护为使建筑物成为安全、健康、舒适、温馨的生活、工作环境，并能保证系统运行的经济性和管理的智能化。在楼宇中应用了许多测试技术，如闯入监测、空气监测、温度监测、电梯运行状况。图示为某公司楼宇自动化系统。该系统分为：电源管理、安全监测、照明控制、空调控制、停车管理、水/废水管理和电梯监控。烟雾传感器亮度传感器红外人体探测器6信号的获取（传感器）1.传感器定义传感器是借助于检测元件接收一种形式的信息，并按一定的规律将所获取的信息转换成另一种信息的装置。目前，传感器转换后的信号大多为电信号。因而从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的装置。物理量电量测振传感器是用来测量振动参量的传感器。根据所测振动参量和频响范围的不同，测振传感器分为三大类：•振动位移传感器•振动速度传感器•振动加速度传感器测振传感器8电感式传感器涡流式原理:涡流效应原线圈的等效阻抗Z变化：CZF1型电涡流传感器结构图电涡流传感器的结构高频反射式电涡流传感器目前被广泛应用，一般由传感器头部、壳体、固定电缆和接头四部分组成10电感式传感器案例：测径向振摆案例：轴心轨迹11电感式传感器案例：测转速案例：测表面裂纹12压电式传感器1.变换原理:压电效应+F++并联串联某些物质，如石英，当受到外力作用时，不仅几何尺寸会发生变化，而且内部也会被极化，表面会产生电荷；当外力去掉时，又重新回到原来的状态，这种现象称为压电效应。q=DF13压电式传感器压电式加速度传感器典型结构1一基座，2一压电元件，3一质量块，4一预紧弹簧信号分析及处理基础北京化工大学杨国安通常把可测量、记录、处理的物理量泛称为信号，它们一般是时间的函数。所谓动态信号是指要进行分析处理的信号随时间有较大的变化，不是近似直流信号的那种随时间缓慢变化的信号。主要讨论动态信号分析处理中的有关问题，重点介绍以快速傅里叶变换为基础的各种分折技术。信号的分类信号的时域分析信号的频域分析调制振动信号分析及频谱信号分析处理及基础北京化工大学杨国安信号的分类动态信号确定性信号随机信号周期信号非周期信号复杂周期信号准周期信号瞬态信号平稳信号非平稳信号各态历经信号非各态历经信号调制型非平稳信号简谐信号一般非平稳信号由于各个系统的结构、参数、工作状况不同，系统在工作中所受的激励也各不相同，因此系统产生的信号也各不相同。信号可从多个角度对其进行分类，不同的分类标准反映了信号的不同侧面，根据信号随时间变化的规律，可把信号按下图进行分类。信号分析及处理基础（2）北京化工大学杨国安所谓时域是指一个或多个信号其取值大小、相互关系等，可定义为很多不同的时间函数或参数．这些时间函数或参数的集合称为时域。时域分析指计算这些函数并进行分析。显然对于确定性信号或随机信号存在不同的定义及处理方法。随机信号的定义及处理方法比较复杂，确定性信号的处理则与随机信号中的各态历经过程的处理类似，所以以下叙述中以随机信号的定义及处理方法为主．确定性信号的处理可参见各态历经过程的处理。根据时间函数或参数的不同，时域进一步细分还可以分为幅值域、时差域、倒频域、复时域等信号的时域分析北京化工大学杨国安对样本记录的取值进行统计，称为在幅值域内对信号进行研究，在此幅值是广义的幅值，即样本记录的一切可能取值。在幅值域内几个最重要的基本概念是概率密度函数、概率分布函数、均值、均方值、方差、歪度（斜度）、峭度等。均值均方值、均方根值方差、标准差歪度（斜度）峭度19信号的时域波形分析信号的时域波形分析是最常用的信号分析手段，用示波器、万用表等普通仪器直接显示信号波形，读取特征参数。1、信号波形图tA2、周期T，频率f=1/TT3、峰值P，双峰值Pp-pPPp-p常用的数字信号处理方法直观描述204、均值∫∞→==TTTxdttxtxE01)(lim)]([µ均值E[x(t)]表示集合平均值或数学期望值。0Atxµ均值：反映了信号变化的中心趋势，也称之为直流分量。215、均方值工程测量中仪器的表头示值就是信号的有效值。信号的均方值E[x2(t)]，表达了信号的强度；其正平方根值，又称为有效值(RMS)，也是信号平均能量的一种表达。ψ22120xTTTExtxtdt==→∞∫[()]lim()22案例：旅游索道钢缆检测超门限报警信号分析及处理基础北京化工大学杨国安所谓频域是指将周期信号展开为傅里叶级数，研究其中每个正弦谐波信号的幅值和相位等；或者对非周期信号或各态历经随机信号进行傅里叶变换．变换后的信号是频率的函数．这些频率的函数的集合称为频域。信号的频谱分析是频域分析的基础，我们可以利用各种级数展开和积分变换将一个复杂信号分解为简单信号的叠加。使用最普通的是傅里叶级数和傅里叶变换，它们是将复杂信号分解成一系列有限或无限多个正弦信号(简谐分量)的叠加。因此，频谱分析的实质就是以这一系列的简谐分量频率作为自变量(频谱图中的横坐标)，简谐分量的幅值、相位、功率等作为频率的函数(频谱图中的纵坐标)，分析这些参数在不同频率上的分布情况。24信号的频域分析8563ASPECTRUMANALYZER9kHz-26.5GHz信号频域分析是采用傅立叶变换将时域信号x(t)变换为频域信号X(f)，从而帮助人们从另一个角度来了解信号的特征。傅里叶变换251频域分析的概念131Hz147Hz165Hz175Hz频域参数对应于设备转速、固有频率等参数，物理意义更明确。26时域分析只能反映信号的幅值随时间的变化情况，除单频率分量的简谐波外，很难明确揭示信号的频率组成和各频率分量大小。图例：受噪声干扰的多频率成分信号27幅值时域分析频域分析信号的频谱X(f)代表了信号在不同频率分量处信号成分的大小，它能够提供比时域信号波形更直观，丰富的信息。时域分析与频域分析的关系28典型信号的频谱分析北京化工大学杨国安旋转机械故障诊断www.ygazd.cn设备状态检测及故障诊断实用技术培训北京化工大学杨国安www.ygazd.cn设备状态检测及故障诊断实用技术培训一、旋转机械振动基本特性二、旋转机械故障信息的来源三、转子不平衡的故障机理与诊断四、转子不对中的故障机理与诊断五、转子弯曲的故障机理与诊断六、旋转失速与喘振故障机理与诊断七、动静件摩擦的故障机理与诊断八、转子热套配合过盈不足的故障机理与诊断九、转子支承部件松动的故障机理与诊断十、转子裂纹的故障机理与诊断十一、迷宫密封气流激振的故障机理与诊断北京化工大学杨国安概述www.ygazd.cn旋转机械是指主要功能由旋转运动来完成的机械，包括汽轮机、燃气轮机、离心式压缩机、发电机、水泵、水轮机、通风机以及电动机等。由于旋转机械的结构及零部件设计加工、安装调试、维护检修等方面原因和运行操作方面的失误，使得机器在运行过程中会引起振动，其振动类型可分为径向振动、轴向振动和扭转振动，其中过大的径向振动往往是造成机器损坏的主要原因，也是状态监测的主要参数和进行故障诊断的主要依据。大型旋转机械是冶金、石化等设备的重要核心部件，其运行状况好坏直接影响企业的生产，一旦故障停机，将造成巨大的经济损失和严重的乃至灾难性的后果。1、综述北京化工大学杨国安概述www.ygazd.cn故障分类主要原因设计原因①设计不当，动态特性不良，运行时发生强迫振动或自激振动②结构不合理，应力集中③设计工作转速接近或落入临界转速区④热膨胀量计算不准，导致热态对中不良制造原因①零部件加工制造不良，精度不够②零件材质不良，强度不够，制造缺陷③转子动平衡不符合技术要求安装、维修①机械安装不当，零部件错位，预负荷大②轴系对中不良③机器几何参数（如配合间隙、过盈量及相对位置）调整不当④管道应力大，机器在工作状态下改变了动态特性和安装精度⑤转子长期放置不当，改变了动平衡精度⑥未按规程检修，破坏了机器原有的配合性质和精度2、旋转机械故障原因分类北京化工大学杨国安概述www.ygazd.cn故障分类主要原因操作运行①工艺参数（如介质的温度、压力、流量、负荷等）偏离设计值，机器运行工况不正常②机器在超转速、超负荷下运行，改变了机器的工作特性③运行点接近或落入临界转速区④润滑或冷却不良⑤转子局部损坏或结垢⑥启停机或升降速过程操作不当，暖机不够，热膨胀不均匀或在临界区停留时间过久机器劣化①长期运行，转子挠度增大或动平衡劣化②转子局部损坏、脱落或产生裂纹③零部件磨损、点蚀或腐蚀等④配合面受力劣化，产生过盈不足或松动等，破坏了配合性质和精度⑤机器基础沉降不均匀，机器壳体变形2、旋转机械故障原因分类北京化工大学杨国安一、旋转机械振动基本特性www.ygazd.cn旋转机械的主要功能是由旋转部件来完成的，转子是其最主要的部件。旋转机械发生故障的主要特征是机器伴有异常的振动和噪声，其振动信号从时域和频域反映了机器的故障信息。因此，了解旋转机械在故障状态下的振动机理，对于监测机器的运行状态和提高诊断故障的准确率都非常重要。北京化工大学杨国安北京化工大学杨国安www.ygazd.cn一、旋转机械振动基本特性(1)强迫振动强迫振动又称同步振动，是由外界持续周期性激振力作用而引起的振动。强迫振动从外界不断地获得能量来补偿阻尼所消耗的能量，使系统始终保持持续的等幅振动。该振动反过来并不影响扰动力。产生强迫振动的主要原因有转子质量的不平衡、联轴器不对中、转子的静摩擦、机械部件松动、转子部件或轴承破损等。强迫振动的特征频率总是等于扰动力的频率。例如，由于转子质量不平衡引起的强迫振动，其振动恒等于转速频率。(2)自激振动机器运行过程中由机械内部运动本身产生的交变力引起的振动叫自激振动，一旦振动停止，交变力也自然消失；自激振动频率即机械的固有频率（或临界频率），与外来激励的频率无关。1、旋转机械振动按机械振动性质可以分为3类：北京化工大学杨国安北京化工大学杨国安www.ygazd.cn一、旋转机械振动基本特性(3)非定常强迫振动非定常强迫振动是由外来扰动力引起的一种强迫振动。其特点是与