设备状态监测与故障诊断基础

设备状态监测与故障诊断技术基础知识郑州恩普特设备诊断工程有限公司设备故障诊断技术的含义在设备运行中或基本不拆卸全部设备的情况下，掌握设备的运行状态，判定产生故障的部位和原因，并预测预报未来状态的技术。是防止事故的有效措施，也是设备维修的重要依据。应用设备故障诊断技术的目的：采用设备故障诊断技术，至少可以达到以下目的：⑴保证设备安全，防止突发事故；⑵保证设备精度，提高产品质量；⑶实施状态维修，节约维修费用；⑷避免设备事故造成的环境污染；⑸提高企业设备的现代化管理水平，给企业带来较大的经济效益和良好的社会效益。振动诊断的基本知识振动是物体运动的一种形式，通常是指物体经过其平衡位置而往复变化的过程。振动有时对人类是有害的，但有时人们可以利用振动来为我们服务。只要是运转的机器，都或多或少地发生振动，因此，振动诊断在各种诊断方法中所占的比例最大，一般可达60%-70%。按振动频率分类机械振动低频振动：f10Hz中频振动：f=10-1000Hz高频振动：f1000Hz振动的一般分类振动三要素及其在振动诊断中的应用构成一个确定性振动有3个基本要素，即振幅d、频率f和相位φ。当然，振幅不仅用位移，还可以用速度和加速度。要特别说明一个与振动有关的量就是速度有效值，也常被称为速度均方根值。这是一个经常用到的振动测量参数。目前许多振动标准都是采用作为判别参数，因为它最能够反映振动的烈度。振动三要素及其在振动诊断中的应用幅值反映振动的强度，振幅的平方常与物质振动的能量成正比，振动诊断标准都是用振幅来表示的。同样的振幅其频率越高，对机组损坏程度越大，因此不同转速的机组定义的振动标准值不同。当频率和频率一定时，相位的大幅偏移就是故障（异常）的征兆。振动信号处理所谓振动信号处理，就是对振动波形进行加工处理，抽取与设备运行状态有关的特征，以便对设备状态实施有效的判别。信号处理的基本方法有：时域分析，幅域分析，频域分析和相域分析。时域分析------就是对信号在时间域内的分析或变换；幅域分析------就是对信号在幅值上进行各种分析；频域分析------就是要确定信号的频率结构，即弄清楚信号中都包含有哪些频率成分及各频率成分的幅值大小；相域分析------就是进行相位值测量及对相位随时间的变化进行分析。时域分析又包含有：波形图，自相关，互相关，轴心轨迹、轴心位置等。齿轮故障波形图具有明显的冲击特征频域分析又包含有：幅值谱,功率谱,倒频谱等。幅值谱分析是故障诊断的基本工具倒谱上的谱线是幅值谱中的周期性谱线族相域分析包含有：相位谱等相位谱另外，还有三维功率谱，细化谱等等三维功率谱又叫三维谱阵、转速谱图、功率谱场、瀑布图等。是机器在起动或停车过程中，不同转速下功率谱图的迭加。纵坐标为机器的转速，自零升到额定转速（起动）、或从额定转速降到零（停车）；横坐标为频率；竖坐标为振幅。三维功率谱是描述机器瞬态过程的有利工具。对机器振动做三维功率谱分析，可以了解机器通过临界转速的振动情况，用来确定监测对象的固有频率判定是否存在不平衡等故障。三维谱阵图是分析机组转子－支撑系统动力学特性和非稳定区域监测的主要工具。所谓细化谱，就是把一般频谱图上的某部分频段沿频率轴进行放大后所得到的频谱。采用细化谱分析的目的是为了提高图象的分辨率。从功能上看，细化谱的作用类似于机械制图中的“局部放大图”。一般的频谱图其某频段的细化谱现场测试诊断的实施步骤诊断步骤概括为准备工作、诊断实施和决策验证等3个环节，具体分为6个步骤来介绍。一.了解被诊断的对象了解被诊断的对象是开展现场诊断的第一步。概括起来，对一台被列为诊断对象的设备要着重掌握4个方面的内容：⒈设备的结构组成1）搞清楚设备的基本组成部分及其联接关系。一台完整的设备一般由三大部分组成，即：原动机（也叫做辅机，大多数采用电动机，也有用内燃机、汽轮机、水轮机）、工作机（也叫做主机）和传动系统。要分别查明它们的型号、规格、性能参数及联接的形式，画出结构简图。Ⅰ－原动机（电动机）Ⅱ－传动系统Ⅲ－工作机（引风机）①、②－电动机滚动轴承③、④－引风机滚动轴承2）必须查明各主要零部件（特别是运动零件）的型号、规格、结构参数及数量等，并在结构图上表明或另予说明。这些零件包括：轴承型式、滚动轴承型号、齿轮的齿数，叶轮的叶片数、带轮直径、联轴器型式等。2.机器的工作原理及运行特性主要了解以下内容：1）各主要零部件的运动方式：旋转运动还是往复运动；2）机器的运动特性：平稳运动还是冲击性运动；3）转子运行速度：低速(10Hz)、中速(10-1000Hz)还是高速(1000Hz)，匀速还是变速等等。3.机器的工作条件1）载荷性质：均载还是冲击载荷；2）工作介质：有无尘埃、颗粒性杂质或腐蚀性气体（液体）；3）周围环境：有无严重的干扰（或污染）源存在，如振源，粉尘、热源等。4.设备基础型式及状况搞清楚是刚性基础还是弹性基础等等。5.主要资料档案资料设备原始档案资料、设备检修资料、设备故障记录档案等。二.确定诊断方案在此基础上，接下来就要确定具体的诊断方案。诊断方案应包括以下几方面的内容。1.选择测点测点就是机器上被测量的部位，它是获取诊断信息的窗口。诊断方案正确与否关系到能否所需要的真实完整的设备状态信息，只有在对诊断对象充分了解的基础上才能根据诊断目的恰当地选择测点，具体要求如下：1）对振动反映敏感所选测点在可能时要尽量靠近振源，避开或减少信号在传播通道上的界面、空腔或隔离物(如密封填料等)最好让信号成直线传播。这样可以减少信号在传播途的能量损失。2）适合于诊断目的3）符合安全操作要求因为测量时，设备在运行，因此需要注意安全问题。4）适合于安置传感器有足够的空间，有良好的接触，测点部位有足够的刚度等。通常，轴承是监测振动最理想的部位，因为转子上的振动载荷直接作用在轴承上，并通过轴承把机器和基础联接成一个整体，因此轴承部位的振动信号还反映了基础的状况。所以，在无特殊要求的情况下，轴承是首选测点。如果条件不允许，也应使测点尽量靠近轴承，以减小测点和轴承之间的机械阻抗。此外，设备的地脚、机壳、缸体、进出口管道、阀门、基础等，也是测振的常设测点。有些设备的振动特征有明显的方向性，不同方向的振动信号也往往包含着不同的故障信息。即水平方向（H）、垂直方向（V）和轴线方向（A）。水平垂直轴向一般来说水平振动幅值大于垂直方向幅值，当轴承盖松动时就会出现垂直方向幅值大的现象，并伴随着高次频率成份。2.预估频率和振幅振动测量前，对所测振动信号的频率范围和幅值要做基本的预估，防止漏检某些可能存在的故障信号而造成误判或漏诊。通常可采取以下几种方法：1）根据经验，估计各类常见多发故障的振动特征频率和振幅。2）根据结构特点、性能参数和工作原理计算出某些可能发生的故障特征频率。3）广泛搜集诊断知识，掌握一些常用设备的故障特征频率和相应的振幅大小。3.确定测量参数经验表明，根据诊断对象振动信号的频率特征来选择参数。通常的振动测量参数有加速度、速度和位移。一般按下列原则选用：低频振动（10Hz）采用位移；中频振动（10-1000Hz）采用速度；高频振动（1000Hz）采用位移。对大多数机器来说，最佳诊断参数是速度，因为它是反映振动强度的理想参数，国际上许多振动标准都采用速度有效值作为判断参数，而国内一些行业大多采用位移作为诊断参数。所以在选择测量参数时，还须与所采用的判断标准使用的参数相一致，否则判断状态时将无据可依。4.选择诊断仪器测振仪器的选择除了重视质量和可靠性外，最主要的还要考虑两条：1）仪器的频率范围要足够的宽，要求能记录下信号内所有重要的频率成分，一般来说要在10-10000Hz或更宽一些。对于预示故障来说，高频成分是一个重要信息，机械早期故障首先在高频中出现，待到低频段出现异常时，故障已经发生了。所以仪器的频率范围要能覆盖高频低频各个频段。2）要考虑仪器的动态范围。要求测量仪器在一定的频率范围内能对所有可能出现的振动数值，从最高到最低均能保证一定的显示精度。这种能够保证一定精度的数值范围称为仪器的动态范围。对多数机械来说，其振动水平通常是随频率变化的。5.选择与安装传感器用于测量振动的传感器有三种类型，一般都是根据所测量的参数类型来选用：测量位移采用涡流式位移传感器，测量速度采用电动式速度传感器，测量加速度采用压电式加速度传感器。在现场主要是使用压电式加速度传感器测量轴承的绝对振动。6.做好其它相关事项的准备测量前的准备工作一定要仔细。为了防止测量失误，最好在正式测量前做一次模拟测试，以检验仪器是否正常，准备工作是否充分。比如检查仪器的电量是否充足，这看似小事，但也决不能疏忽，在现场常常发生因仪器无电而使诊断工作不得不终止的情况。各种记录表格也要准备好，真正做到“万事俱备”。三.进行振动测量与信号分析1.测量系统目前，有两种基本的简易振动诊断系统可用于现场，它们分别代表了简易诊断发展的不同的发展阶段。一种是模拟式测振仪所构成的测量系统，一种是以数据采集器为代表的数字式测振仪所构成的测量系统。2.振动测量信号分析确定了诊断方案以后，根据诊断目的对设备进行各项相关参数测量。一般来讲，如果现场条件允许，每个测点都是测量三个方向的振动值。即水平、垂直和轴向。而且要定点、定时地进行测量，以有利于进行比较。3.数据记录整理测量数据一定要作详细记录。记录数据要有专用的表格，做到规范化，完整而不遗漏。最好将数据分类整理，每个测点按方向整理，用图形或表格表示，这样做有利于抓住特征，也便于发现一些问题。四.实施状态判断根据测量数据和信号分析所得到的特征信息，对设备的运行状态做出判断。首先，判断机器是否处于正常状态，然后对存在异常的设备做进一步的分析，指出故障的原因，部位和程度。五.做出诊断决策通过测量分析、状态识别等几个程序，搞清楚了设备的实际状态，也就为处理决策创造了良好的条件。这时应当提出处理意见：或是继续运行，或是停机修理。对需要修理的设备，应当指出修理的具体内容，如待处理的故障部位、所需要更换的零部件等。六.检查验证设备诊断的全过程并不是做出结论就算完了，最后还有重要的一步，就是必须检查验证诊断结论及处理决策的结果。诊断人员应当向用户了解设备拆机检修的详细情况及处理后的效果，如果有条件的话最好亲临现场查看，检查诊断结论与实际情况是否相符，这是对整个诊断过程最权威的总结。如果相符，既为企业解决了问题，同时又增加了测试诊断人员对以后工作的信心，要及时地总结经验，继续努力，争取在今后的工作中做得更好。否则，也不要气馁，要竭力分析和找出其中的主要原因，以免在今后的工作中再犯同样的错误，争取在下一次把工作做扎实。常见故障特征分析设备诊断实质上就是一种比较分类，在判断故障时，我们是将故障待检模式与故障样板模式相比较，把一个具体的故障（待检模式）归入到某种故障类型（样板模式）中去，如下图所示。任何一种机械故障，都具有自己的特征，故障特征是构成故障样板模式的基本要素。所以，对每种故障的表现形式要全面的了解和掌握，对一个故障与其它故障在表现形式上的相同点和区别要有清晰的认识，因为掌握各种常见故障的基本特征是判断设备故障的基础（先决条件）。输以其它方法故障样板模式对象待检模式比较判别故障标准设备（或零部件）类型部位程度故障诊断的基本方法一.旋转机械故障诊断的特点旋转机械——指那些功能是由旋转运动完成的机械。尤其指那些旋转速度较高的机械，如电动机、离心式压缩机、汽轮发电机、以及离心式鼓风机、离心式水泵、真空泵等，都属于旋转机械的范围。在对它们进行诊断时，必须注意它的以下几个特点。1.转子特性转子组件是旋转机械的核心部分，它是由转轴及固装在其上的各类圆形盘状零部件所组成。旋转机械的故障诊断主要是监测诊断转子的运行状态。从转子动力学的角度说，转子系统分为刚性转子和柔性转子。刚性转子——转子的转速低于其本身第一阶临界转速的转子。柔性转子——转子的转速高于其本身第一阶临界转速的转子。2.旋转机械振动的频率特征旋转机械的振动信号大多数是一些周期信号、准周期信号或平稳随机信号，旋转机械振动故障的特征有一个共