设备状态监测与故障诊断

概论设备状态监测与故障诊断引言在设备状态监测与故障诊断技术推广、应用中，有许多成功范例，亦发现许多因对设备状态监测认识偏颇或状态监测体系不完善导致工作开展不利甚或失败的可叹事例。今天就实践中导致设备状态监测工作开展不利的几个重要问题和与会的领导、同志们共同探讨，以期对将要或已开始设备状态监测工作的企业有所裨益，少走弯路，并充分发挥设备状态监测的作用，产生其应有的经济效益。探讨几个方面的问题：一、正确认识设备状态监测工作中的几个问题二、检测工作方法三、设备状态标准四、故障特征及诊断实例一、正确认识设备状态监测工作中的几个问题1．设备状态监测与状态维修2．依监测对象需要审慎选购监(检)测、诊断仪器3．其它应注意的几个问题1．设备状态监测与状态维修状态监测是状态维修体制变革的基础与前提，实现状态维修必须有成熟、全面、可靠的状态监测作保证。其次，设备状态监测不仅是状态维修体制下的必然工作，也不是只有在状态维修体制下，才能产生巨大的经济效益。在计划维修体制不变的前提下，先行开展设备状态监测，是设备修制变革不可逾越的必经阶段。没有这一阶段的数据、知识、经验、认识的积累，不可能实现设备的状态维修。再次，正确把握状态维修的适用对象。对一个企业而言，往往是状态维修、计划维修、事后维修共存，对不同的设备，采取不同的维修方式，以最小的维修、维护成本取得最大的经济综合效益为根本出发点。2．依监测对象需要审慎选购监（检）测、诊断仪器就仪器生产厂商而言，进口产品质量相对稳定，国产仪器质量差别较大，但也不乏质量上乘的产品。另一方面，二者价格有1至10倍的很大差距。仪器选购时，不能一味盲目迷信进口产品，而使服务无法保障。厂商选择应以质量可靠、技术力量强、服务完善、产品性价比高为原则。就检测仪器配备种类而言，应根据设备组成情况、检测设备对象来确定监（检）测方法、手段，依监(检)测方法来选配仪器。检测设备是检测工作的必备工具，所谓工欲善其事，必先利其器。如果检测仪器配置不当将直接影响今后检测工作的开展。对运行设备，振动监（检）测、分析是最成熟、最深入、最有效的手段，为应具备的基本检测、诊断手段。仪器选配还和检测工作开展的层次、深度及使用对象有关。高、中、低三档仪器应成三角形合理配置，对一个企业而言，低档仪器必然是量最大、使用对象最广的。不分应用层次，盲目追求仪器精密、高档，势必造成浪费。相反，仅配备低档仪器，检测工作只能停留在低层次上，难以深入。3．其它应注意的几个问题（1）.开展状态检测的设备种类、广度依仪器配置种类、数量、人员力量情况逐步增加，不要冒进；以监测为基础的修制改变依赖于检测手段的完善、状态判定标准的有效性、设备管理组织体系的适应性，应慎之又慎，尤其对企业的关键设备。成熟一台（类）设备，方可改变一台（类）设备的修制，不能大拨轰，一刀切。（2）.根据企业规模、检测体系设立情况合理制定高、中、低档三类检测仪器的配置比例。（3）.根据具体设备的故障周期、使用率、关键程度合理制定其巡检周期。检测周期在一个维修周期内并非是恒定量，设备的劣化速度加快时，检测周期应缩短。（4）.在设备周期巡检中，要遵循定人员、定检测仪器、定采集条件、定测点、定工况的“五定”原则。（5）.巡检采集的数据应缜密回收、处理，及时分析。（6）.应十分注重设备状态企业标准的建立及不断完善。它是依据状态监测实现状态维修的关键环节之一。对各类国际、行业标准的引用，应在检测实践中不断修订。二、检测工作方法1.设备检测工作方针以提高设备质量、降低维修成本、提高设备综合经济效益为中心，积极稳妥地推进设备状态维修工作。而设备检测工作是状态修的基础，必须认真抓好，并抓出成效。设备检测工作必须贯彻：精心组织、严谨求实、认真细致、不断总结的十二字方针。在开展方法方面，可以遵循简易入手、精密适时跟进、二者并重、多层次、多手段的原则。2.开展现场设备检测、诊断的基本内容a.现场设备检测与诊断的关键是什么：b.振动----旋转机械设备的脉搏；c.如何选择测量参数；d.如何选择测点；e.如何选择测试工况；f.如何选择测试周期；g.频带选择的依据；h.测试仪器的选择；i.现场测试中应注意的事项;j.如何进行谱图分析、故障诊断；k.如何进行设备运行状态的趋势分析；l.如何下达设备检修通知单。三、设备状态标准1.绝对判定标准a、振动位移标准b、振动速度标准c、振动加速度标准d、高频冲击标准e、绝对标准选用应注意的问题2.企业相对判定标准a、ISO建议的企业相对标准的建立方法b、单台机器统计法c、“2×10”法则d、旋转机械相对判定法1.e、绝对标准选用应注意的问题•数据测试条件应与标准定义一致,包括:位置、参量、频带等条件•检测对象、工况应与标准定义条件一致,包括:设备、转速、功率、负载程度等•测试仪器、人员应固定•不要将绝对标准绝对化，注重不断完善、修订2.企业相对判定标准一般而言,绝对判定标准由于应用面广,所以其对适用机械的分类粗而量值偏严。对具体用户，可能不完全适用。对某些设备，也可能没有相应的绝对判定标准可供选用。这时，企业自己可根据设备状态监测实践，面向具体检测对象、特定的检测条件、检测参量、设备的新旧程度、性能要求等内容制定适用于本企业的设备状态判定标准。我们将其称为企业相对判定标准。这里，我们介绍几种企业相对判定标准的建立方法。a、ISO建议的企业相对标准的建立方法量值危险（不允许）允许（注意）好良好A2.5A10A8dB20dB100B6BB16dB40dB好良好允许（注意）危险（不允许）1K4Kf（Hz）b、单台机器统计法1)选取正常工作且处于稳定状态下的单台机器作为对象。以一段等间隔时间变化为基础，进行至少20~25次测量。2)计算算术平均值3)求标准偏差4)求注意点值5）求危险点值在低频域（1kHz以下）的危险量级为注意量级的3倍在高频域（10kHz以上）的危险量级为注意量级的6倍6）标准验证求统计的判定标准与数据标准偏差的相关性，亦即Ma与Mn的比率关系Ma/Mn，一般当比值大于1.5时，则标准有效。c、“2×10”法则该方法是由日本企业的实践经验总结。尽管稍粗，但还实用，也好记忆。它主要适用于低频段，对象为冶金、矿山的非精密设备。它和ISO标准的一致性也较好。设设备正常时的振动平均幅值为Xg，则注意值为2Xg，危险值为10Xg。即：良好域：0.5Xg正常域:(0.5~2)Xg注意域:(2~10)Xg危险域:10Xgd、旋转机械相对判定法国内、外某些企业按设备运转良好时的振动初始值依下表方法对设备状态进行判定。注：1.本标准的判断依据有二:(1).实际测量振动值与其初始值之比；(2).所测振动信号的频率范围。2.标准将设备状态的评判分为三个等级：“良好”、“注意”、“危险”。实测值与初始值之比1234567低频振动：≤1000Hz良好注意危险高频振动：≥1000Hz良好注意危险五、故障特征及诊断实例1．设备常见故障特征故障性质特征频率：fc=RPM/60方向备注转子不平衡1×fc径向机器振动过大的一般原因不平衡往复力及力偶1×fc和/或其倍数（对高阶不平衡）径向不对中、轴弯曲1×fc、2×fc有时3、4×fc径向及轴向机器振动过大的一般原因机械松动1~10×fc常常以2×fc，对滚动轴承松动还会有次谐波及中间谐波。振动特征表现为很不稳定。滑动轴承故障a、轴承盖松动b、油膜振荡a、1/2或1/3×fcb、42%~48%×fc径向b、适用于高速机器（如透平机）滚动轴承故障轴承部件冲击速率2~60KHz高频振动常与共振有关径向及轴向不寻常振动极值常伴有冲击，冲击速率：外环损坏：f(Hz)=nfr(1-dcosα/D)/2内环损坏：f(Hz)=nfr(1+dcosα/D)/2滚珠损坏：f(Hz)=fr(D/d)[1-(dcosα/D)2]/2保持架损坏：f(Hz)=[fi(1-dcosα/D)±fo(1+dcosα/D)]/2式中：n---滚珠数；fr=内外环相对转频；fi、fo---内、外环转频，转向一致取正，相反取负；D---节圆直径；d---滚珠直径；α---接触角齿轮缺陷啮合频率及其谐波fc×齿数径向及轴向啮合频率周围的边带表示以相当于边带间距的频率调制（如偏心），一般只能用窄带分析和倒谱才能检测出。滞后回旋轴系临界转频径向通过轴的临界转速时激起的振动在高速下仍旧保持。有时紧固转子零件可消失。扰动增加叶片及翼轮通过频率及其谐波fc×叶数径向及轴向振动极值增加表明扰动增加电磁感应振动1×fc或同步频率的1或2倍径向及轴向关闭电源时，振动消失皮带传动故障1、2、3、4倍皮带转频径向1．故障诊断实例例一、背景：石家庄机务段普通车床卡盘端轴承水平向振动加速度频谱。检修后振动异常。分析：轴转频在20HZ以下，而在其40倍频以上的高频段出现远远高于转频的谱峰群。应为轴承故障。经检查，轴承压盖过紧，稍松后恢复正常。例二、背景：石家庄机务段热水循环泵，转速1500RPM。电机后端垂直方向振动速度谱如图示：分析：轴转频25HZ，在其低频段的不规律谱峰群，连续监测，各谱峰很不稳定。典型的基础松动特征。经检查，地脚螺钉松动，诊断结论得以证实。例三、背景：德州化肥厂汽轮发电机组，转速3000RPM。汽轮机侧发电机轴头垂直方向振动速度谱如图示：分析：轴转频50HZ，从运行状态及状态值看（1.05mm/s）属正常范围，但在远低于工频（50HZ）处（8.75HZ）出现幅值与工频相当的谱峰，说明有喘振隐患存在，应加强该频点的观测。喘振成因最大可能是因汽轮机入口气压不足造成。例四、背景：济南钢铁公司氧气厂2#DA350-61空压机组测点位置见下图经振动状态值测试，1#~6#测点皆正常（0.6mm/s），7#止推瓦测点烈度达到正常值上限（2.8mm/s），8#测点烈度达到8.25mm/s，超注意值4.5mm/s近一倍。下图为8#测点即风机支撑瓦侧垂直方向速度和加速度频谱。电机增速箱风机1#2#3#4#5#6#7#8#分析：由状态值可判断，故障点在8#测点风机支撑瓦上，因此测取了该点的a、v谱。该点周转频146.25。从速度谱看，能量集中在基频上，最大可能为高速下的平衡不良。从加速度谱看，在高频域2625HZ处出现谱峰，谱峰相对单一，基本无边频存在，轴承故障可能性不大，说明转子已遭惯性力破坏。所以，无论高频故障还是低频故障，部位都指向叶轮。停机检查发现，转子某叶片跟部已有40mm长裂纹。更换转子后，恢复正常。例五、背景：济钢干熄焦循环风机。该项目为经委节能示范项目。99年2月试车，循环风机及辅风机振动严重，无法正常工作。循环风机：P=800KW，n=1500RPM；辅风机：P=630KW，n=1500RPM。图6、8分别为循环风机、辅风机振动速度谱。分析：循环风机为典型的不平衡故障，进行校正后振动速度见图7，振级降低近1倍，已能正常工作（实际上，这是一次并不十分成功的现场动平衡，原因可能为试、配重称量不准或配重角度不准）。辅风机为典型的不对中故障，因机组中心对中不良造成，调整机组中心后，机组运行正常。例六、背景：锦州石化公司炼油厂某电机出现异常噪声时，测试得到的加速度功率谱。该电机工作转速3000RPM。分析：振动在低频段工频附近基本无能量分布，可排除轴系低频故障，故障部件应集中在轴承上，频谱能量集中在298.8HZ、348.8HZ上,经计算未找到最大能量成分298.8HZ为何特征频率，而次能量成分348.8HZ为轴承外环故障特征频率。所以，检修时，重点检查轴承外环，果然为其损坏，更换后，恢复正常。反过来分析298.8HZ成为最大能量成分致因：外环故障特征频率348.8HZ左右分别有398.8HZ、448.8HZ；298.8HZ、248.8HZ频率分量，各分量频差正好等于基频50HZ。所以，这一频段是以外环故障特征频率348.8HZ的基频调制波，这是轴承故障的典型特征之一。理论上，中心频率348.8HZ应为最大分量，边频依次递减，且左右对称。但实际上，由于振动传递路径上，对各频率成分传导阻抗不同，会影响到边频的