浙大化工机械-故障诊断大作业

碟式分离机故障诊断综合报告——故障诊断大作业一、课题背景随着科学技术的不断发展，机械设备越来越复杂，自动化水平越来越高，设备的可靠运行对现代工业生产中影响越来越大。机器运行中发生的故障或失效不仅会造成重大的经济损失，甚至还可能导致灾难性的人员伤亡。碟式分离机是一种转速比较高的化工旋转机械，广泛应用于液-液，液-固和液-液-固的分离，其工作转速通常从4000r/min到10000r/min，复杂的机械结构使其比其它类型的分离机械，要求有更高的平衡特性。因为，碟式分离机的进液和排液都是在工作转速下连续进行，特别是在进行液-液分离时，不仅要保证进料分配器同进料管之间，轻、重液出口管同轻、重液收集器之间有足够小的间隙，使进料和排料能顺利进行，而且从升速至工作状态乃至停机的全过程，尤其过临界和发生机座共振时，相互间都不能发生擦碰。其次，与其它的旋转机械一样，过大的振动会导致机器的动负荷增加，机械效率降低，造成机器零件的过早磨损和疲劳，直接影响机器的正常运行和使用寿命，甚至于引发事故。二、分离机基本参数及故障特征1.主要结构特点图1碟式分离机实物图图2碟式分离机结构简图如图1所示，此机器为DRJ-395中型胶乳碟式分离机，该机的工作转速为7000r/min。主要结构参数：针对DRJ-395中型胶乳碟式分离机，该机的工作转速为7000r/min。主要结构参数:转鼓内径：395mm；碟片数：110-115张；碟片间隙：0.5mm;碟片锥度母线与水平夹角：α=50度；横轴转速：1450r/min；立轴转速：7027r/min;分离因子：α=10750；生产率：320kg/h;电动机型号：JO3-132M-4TH/T2型；电机功率：11kw；电动机转速：1450r/min；外型尺寸（长×宽×高）1210×843×1665；重量：1040kg；碟式分离机主要包括机座、传动系统、横轴系统、立轴系统和转鼓组件等。不同于一般的化工机械，其安装和结构特点主要有：1)整机由横轴系统和立轴系统构成，垂直与水平各有其不同的转速，都有明显的振动成份及特征；2)鼓中有多个锥形碟片的重叠结构；3)立轴系统中，转鼓组件、立轴和轴承呈一个受两点支撑的站立的悬臂结;4)立轴的主要支撑，上轴承有周向六弹簧的弹性装置，具有特殊的振动传递特性；5)立轴与横轴由螺旋齿轮结构相联，螺旋小齿轮套装在立轴上或与立轴制成一体。螺旋大齿轮固定于横轴上；6)横轴系统中，电动机与横轴之间的传动是通过离心摩擦离合器，靠离心力和摩擦力带动横轴；7)电机在横轴系统中也呈悬臂结构；8)在工厂实际与试验台架上，碟式分离机的固定是通过四只软橡皮垫，安装在地基上。2.主要故障特征根据现场经验和理论分析可知，对于碟式分离机产生的异常振动，一般故障有：转鼓不平衡、立轴安装不对中、弹簧刚度不对称、弹簧失效、共振、结构部件松动、部局产生摩擦、转鼓结构缺陷、螺旋齿轮的配合及损坏和轴承磨损缺陷等。这些故障都会反映在拾取到的振动信号的分析中，表现在谱分析中，会有相应的频率成分为之对应，例如1)1/3倍频：反映非线性振动部分，如局部摩擦、转鼓上紧固件松动产生的振动等；1/2倍频：2)除反映一般转子的半速涡动和油膜振荡故障外，通常也能反映一些非线性振动的特征；3)工频：振动中的最明显特征，反映转鼓的不平衡状态；4)二倍频：反映立轴安装的对中情况。同时，对轴损坏和不对称等情况比较敏感；5)三倍频和四倍频：主要能反映轴松动、轴裂纹等故障；6)高频峰群：可以反映出轴承的故障，并可通过具体的频率计算来分析确定图上位置；7)用倒频谱分析和细化频谱来查找齿轮和轴承故障。三、分离机故障诊断本报告对该碟式分离机6个不同位置的测点进行故障诊断分析，通过对所采集到的信号在Origin7.5及MATLAB2009a软件中进行频域分析、小波变换等处理，分析出机器可能存在的故障类型。已知：立轴工作频率约为120Hz,横轴工作频率约为50Hz。1.测点A故障分析做相关分析可知，()sin()xtAtcossincsAtAt12022()()sinTsARxttdtT2()sin(2/)ixtiNN02()cosTcAxttdtT2()cos(2/)ixtiNN可得As=0.0022，Ac=-0.047为时域幅值特性，接下来分析其频率特性。（1）在Origin中将数据做FFT，得到如图3所示的频域特性曲线。对A测点的数据做FFT变换，来分析A测点的故障特征。从低频段的频谱图（图4）中可以观察到120Hz附近的频率分量很大，正是立轴的旋转频率。而查阅FFT计算结果表格可知，具体的数值为116Hz频率的幅值最大。即转轴工作频率为116Hz图3测点A频谱图图4测点A低频段的频谱图中（2）在MATLAB软件中对信号数据进行小波变换并重构用MATLAB进行重构处理（如图5）。.重构后的对频率较低的部分进行FFT变换，得到如图6所示的频域特性曲线。图5测点A小波变换图像图6测点A重构后低频信号的频域曲线结果分析：由图3、4和图5、6的对比可以看出来，后者干扰频率明显减少，表明小波变换确实起了信噪分离的作用。由图6可知，振动在120Hz附近有峰值，这是由于测试点A在立轴附近，立轴振动对横轴产生了很大的影响，使横轴产生120Hz的强迫振动，并且在240Hz处也有一个峰值，240Hz为二倍频，由于二倍频对轴损坏和不对称等情况比较敏感，所以可能存在轴损坏或者不对称的故障。3100Hz附近的高频峰群可以反映出轴承的故障，并可通过具体的频率计算来分析确定图上位置。2.测点B故障分析做相关分析可知，()sin()xtAtcossincsAtAt12022()()sinTsARxttdtT2()sin(2/)ixtiNN02()cosTcAxttdtT2()cos(2/)ixtiNN可得：As=-0.00074，Ac=0.0034为时域幅值特性，接下来分析其频率特性。（1）在Origin中对数据进行FFT得到如图7所示频域特性曲线。图7测点B频域曲线（2）然后采用MATLAB软件对数据进行小波变换得到如图8所示图像。图8测点B小波变换图像（3）接下来对小波变换结果进行重构，并对重构后的低频部分进行FFT，得到频域特性曲线，如图9示。图9测点B重构后低频信号的频域曲线结果分析：由测点B的数据可以看出，该点在3000Hz至5000Hz的高峰群出现了较大的振动幅值，说明轴承出现了故障。产生该故障的原因：轴承因润滑不良而导致的过热损坏，由于碟式分离机的转速相当高，如果轴承部位润滑不良，则摩擦产生的热量会引起轴承表面过热而局部熔合在一起，如果是这种故障，我们必须更换轴承。轴承正常磨损损坏，这是碟式分离机轴承最常见的一种失效形式。分离机在长时间使用后，轴承滚道、滚动体、保持架、座孔或安装轴承的轴颈，由于细小磨粒的存在而引起表面磨损，而磨损产生更多的金属颗粒使磨损加剧。这是分离机在使用寿命后期，出现的一种不可避免的故障。可以通过更换轴承消除故障；因制造装配不佳导致轴承损坏。如轴承与轴承座的公差配合不符合要求、两个对应轴承的中心线不在同一直线上或轴承中心线与轴的中心线不重合等制造装配原因均可能造成轴承损坏。应设法避免，以免造成损失。3.测点C故障分析做相关分析可知，()sin()xtAtcossincsAtAt12022()()sinTsARxttdtT2()sin(2/)ixtiNN02()cosTcAxttdtT2()cos(2/)ixtiNNAs=0.00073，Ac=0.0011为时域幅值特性，接下来分析其频率特性。（1）对测点C的信号进行FFT处理，得到如图10所示的频域特性曲线。图10测点C频域曲线（2）对数据进行小波变换得到如下图所示图像。图11测点C小波变换图像（3）在MATLAB中对小波变换结果进行重构处理，重构后的对频率较低的部分进行FFT，得到如图12所示的频域特性曲线。图12测点C重构后低频信号的频域曲线结果分析：在低频区存在120Hz的工频和360Hz的三倍频，可能主要反应轴松动和轴的裂纹等故障。1350Hz附近的峰及其两边的边带峰群与测点1处类似，考虑可能对应于小螺旋齿轮和铜质齿轮啮合频率处的频率特征。根据论文《碟式分离机智能故障诊断系统研究》中介绍，3100Hz和4500Hz附近的高频峰群可以反映出轴承的故障，并可通过具体的频率计算来分析确定图上位置。4.测点D故障分析做相关分析可知，()sin()xtAtcossincsAtAt12022()()sinTsARxttdtT2()sin(2/)ixtiNN02()cosTcAxttdtT2()cos(2/)ixtiNNAs=-0.0086，Ac=-0.0013为时域幅值特性，接下来分析其频率特性。（1）对测点D的信号进行FFT处理，得到如图13所示的频域特性曲线。图13测点D频域曲线（2）对数据进行小波变换得到如下图14所示图像。图14测点D小波变换图像（3）对小波变换结果进行重构，并对重构后的低频部分进行FFT，得到频域特性曲线，如图15所示。图15测点D重构后低频信号的频域曲线结果分析：4500Hz附近的高频峰群可以反映出轴承的故障，并可通过具体的频率计算来分析确定图上位置。与测点A的结果对比，5000Hz高频峰群：可以反应出电机的故障。5.测点E故障分析做相关分析可知，()sin()xtAtcossincsAtAt12022()()sinTsARxttdtT2()sin(2/)ixtiNN02()cosTcAxttdtT2()cos(2/)ixtiNNAs=-0.0071，Ac=-0.061为时域幅值特性，接下来分析其频率特性。（1）对测点E的信号进行FFT处理，得到如图16所示的频域特性曲线。图16测点E频域曲线（2）对数据进行小波变换得到如图17所示图像。图17测点E小波变换图像（3）对小波变换结果进行重构，并对重构后的低频部分进行FFT，得到频域特性曲线，如图18所示。图18测点E重构后低频信号的频域曲线结果分析：从图中可以观察到120Hz工频的幅值较高，这与测点A所反应的情况相吻合，但由于其更靠近螺旋齿轮副，1350Hz处的齿轮啮合峰及其边锋也相当明显。6.测点F故障分析做相关分析可知，()sin()xtAtcossincsAtAt12022()()sinTsARxttdtT2()sin(2/)ixtiNN02()cosTcAxttdtT2()cos(2/)ixtiNNAs=-0.0036，Ac=-0.061。为时域幅值特性，接下来分析其频率特性。（1）对测点F上的信号进行FFT处理，得到如图19所示的频域特性曲线。图19测点F频域曲线（2）对数据进行小波变换得到如图20所示图像。图20测点F小波变换图像（3）对小波变换结果进行重构，并对重构后的低频部分进行FFT，得到频域特性曲线，如图21示。图21测点F重构后低频信号的频域曲线结果分析：由测点F的数据可以看出，该点在3000Hz至5000Hz的高峰群出现了较大的振动幅值，说明立轴的轴承出现了故障。产生该故障的原因：轴承因润滑不良而导致的过热损坏，由于碟式分离机的转速相当高，如果轴承部位润滑不良，则摩擦产生的热量会引起轴承表面过热而局部熔合在一起，如果是这种故障，我们必须更换轴承；轴承正常磨损损坏，这是碟式分离机轴承最常见的一种失效形式。分离机在长时间使用后，轴承滚道、滚动体、保持架、座孔或安装轴承的轴颈，由于细小磨粒的存在而引起表面磨损，而磨损产生更多的金属颗粒使磨损加剧。这是分离机在使用寿命后期，出现的一种不可避免的故障。可以通过更换轴承消除故障；因制造装配不佳导致轴承损坏。如轴承与轴承座的公差配合不符合要求、两个对应轴承的中心线不在同一直线上或轴承中