设备状态检测与故障诊断的含义和作用分析

2013.5.15状态检测与故障诊断通俗地讲就是给机器看病。人生病了要找医生，医生对病人的诊断是基于体征检查基础上的分析判断（包括量体温、验血、照X光、心电图、B超、甚至CT等等）。那么对机器故障的诊断就要基于状态检测基础上的综合分析判断（包括测量振动值、观察频谱、波形、轴心轨迹、趋势图等等）。机器：测量温度测量噪音测量振动值观察频谱油液分析人：量体温照X光B超CT状态监测：是指用人工或专用的仪器工具，按照规定的监测点进行间断或连续的(周期)监测，掌握设备运行所处于的状态，判定设备是处于正常状态还是异常状态的一种方法。可监测的设备动态参数有压力、流量、温度、振动、油液与噪声等等。状态检测的目的在于掌握设备发生故障之前的异常征兆与劣化信息，对设备运行状态进行评估，判定其处于正常或非正常状态，以便事前采取针对性措施，控制和防止故障的发生。故障诊断：则是根据状态检测所获得的信息，对设备可能要发生的故障进行预报、分析和判断，确定故障的性质、类别、程度、原因和部位，并预测设备状态今后的变化趋势，提出控制故障继续发展和消除故障的调整、维修的对策措施，为设备维修提供正确的技术支持。由某一故障引起的设备状态的变化称为故障的征兆。故障诊断的过程就是从已知征兆判定设备上存在故障的类型及其所在部位的过程。因此，故障诊断的方法实质上是一种状态识别方法。设备状态监测是状态维修的初级阶段，通俗的说，它描述、反应的是设备运行状态的好与坏。而设备诊断技术是状态监测后的识别和判断阶段，能够确定设备“生病”的部位与原因。振动分析法油液分析法噪声诊断法温度监测法轴位移监测法综合分析法振动分析法是旋转机械状态监测与故障诊断中运用最广泛、最有效的方法，是当前各种监测技术中的主要方法。旋转机械状态监测与故障诊断的常用方法：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。震动：物体自身动荡或使物体动荡。地震、爆炸、火车经过时的震动等等。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。因此，状态检测实际上就是围绕振动三要素展开的。振幅：振动物体离开平衡位置的最大距离。在振动测量中，振幅可以分别用振动位移、振动速度和振动加速度值来描述，而三者可以经过积分、微分相互转换。振幅之所以要分别用位移、速度、加速度表示，是因为振动位移、振动速度、振动加速度能分别清晰地反映不同频率范围内的振动强度。例如，频率低，表明单位时间内振动的次数少和过程时间长，振动速度低，振动加速度更低，而振动位移相对较大。因此可以认为位移具体地反映了振动间隙的大小；速度反映了振动能量的大小；加速度反映了振动冲击力的大小。对应的测量用传感器有电涡流式位移传感器；磁电式速度传感器；压电式加速度传感器。其中，加速度传感器应用最广。1.振幅振动三要素及其在振动诊断中的应用对机器进行实际监测与诊断时，首要问题就是机器有没有问题（即状态是否正常？有没有故障？严重不严重？），解决的依据就是看振幅值的大小。具体方法有三种：比照基线法（相对评价）：使用同一检测仪器、在同一工况下、对同一测点持续监测机器的振动，将机器正常运行时的振幅值归纳为基线值，按超过基线的某一倍数评判有无故障和是否严重。实践中，应关注机器实际运行状况和解体检查的损坏情况，积累经验，对基线值、报警值、停机值进行调整与完善。比照同类法（类比评价）：使用同一检测仪器、在相同工况下、对相同测点测得的振幅值与型号完全相同的同类机器进行比较，超过1.6倍时可认为有故障，超过2.5倍时可认为有较严重故障，需停机检查。比照标准法（绝对评价）：将测得的振幅值与制造商规定、行业振动标准、国家振动标准、国际振动标准进行比照，来评价机器振动状态的优劣。在国际标准ISO2372中规定了转速为10~200转/秒的机器，在10~1000赫的频率范围内机器振动烈度的范围，它将振动速度有效值从0.11毫米/秒（人体刚有振动的感觉）到71毫米/秒的范围内分为15个量级。振动烈度：是振动标准中的通用术语，它实际上就是振动速度的有效值。为了便于实用，将机器运行质量分成四个等级：A级（良好）：机械设备正常运转时的振动级，此时机器的运行状态“良好”。B级（合格）：已超过正常运转时的振级，但对机器的工作质量尚无显著地影响，此种运行中状态是“容许”的。C级（不合格）：机器的振动已达到相当剧烈的程度，致使机器只能勉强维持工作，此时机器的运行状态称为“可容忍”的。D级（停机）：机器的振动已大到使机器不能运转、工作，此种机器的振动级是“不允许”的。有了振动烈度量级的划分就可以用它表示机器的运行状况。结论：振动幅值只能判定机器的好坏！振动值偏大了，要停机！2.频率频率是振动特性的标志，是分析振动原因的重要依据。根据振动频率的大小不同分为低频振动（f10Hz）；中频振动（f=10-1000Hz）；高频振动（f1000Hz）。低频振动时，振动强度与位移成正比，因此振动参数选择位移。中频振动时，振动强度与速度成正比，因此振动参数选择速度。高频振动时，振动强度与加速度成正比，因此振动参数选择加速度。频谱图时域波形振动频率一般用转速频率的倍数来表示。一倍频（工频、基频、转频）、二倍频、0.5倍频等都称为倍频。其中，一倍频（工频、基频、转频）就是实际运行转速频率。例如，某机器的实际转速为6000r/min，那么转速频率=6000/60=100r/s=100Hz一倍频（工频、基频、转频）=100Hz二倍频=200Hz0.5倍频（半频）=50Hz故障特征频率各种不同类型的故障所引起的振动都有各自的特征频率。发生故障时有哪些频率呢？工频工频成分在所有故障情况下都存在，并且工频幅值几乎总是最大的。因此，只有在其发生异常增大时才视为故障特征频率。工频所对应的故障类型相对较多，其中60%以上为不平衡故障。比如说突发性不平衡（断叶片、破损等）；渐发性不平衡（腐蚀、结垢等）；以及轴弯曲。常见的故障特征频率：转速1480r/min测点方位①②③④⑤水平20.04.62.52.4－轴向5.53.41.0－4.5垂直3.72.41.6－－振动速度有效值（mm/s）风机机组从频率结构看，测点①水平方向的频率结构非常简单，几乎只有一个约26Hz的频率，近似于转频。测点①最靠近风机叶轮，其振动值最能反映风机叶轮的振动状态。据此判断风机叶轮存在不平衡故障。转速频率=1480/60≈25Hz测点①水平方向频谱二倍频二倍频成分在所有情况下也都存在，幅值往往低于工频的一半，也应该在异常增大的情况下视为故障特征频率。二倍频所对应的故障类型较为集中，绝大多数为不对中故障。如齿式联轴器；膜片联轴器不对中；刚性联轴器的平行不对中、角度不对中；带轮不对中以及联轴器损伤等。此外，还有出现概率较小的其它故障，如转动部件松动、转子刚度不对称等。齿式联轴器角度不对中膜片联轴器不对中刚性联轴器的平行不对中刚性联轴器角度不对中带轮不对中平行不对中角度不对中明显的2X特征重新对中后2X基本消失电动机转速1500r/min转频=1500/60=25Hz离心压缩机系统测点A水平方向振动信号的频谱结构图低频（低于工频的频率）正常情况下，低频成分往往不存在或者很微量，当其相对增大时就应该作为故障特征频率加以关注。低频所对应的故障类型分为两种：一种是分数谐波振动，如1/2倍频、1/3倍频、…，且频率成分较多，多数为摩擦及松动故障。例如密封、油封、油挡的摩擦，轴承紧力不足等；另一种是亚异步振动（无整分数倍关系），对应的是流体激振类故障，如旋转失速、喘振、油膜涡动、油膜振荡等。汽轮发电机组汽轮机转速5550r/min（转频92.5Hz）测点①垂直方向频谱结构显示测点①轴承振动信号存在严重的非线性问题。根据这些情况判断测点①轴承轴瓦存在松动，并由松动而引起摩擦，处于松动与摩擦并存状态。经拆机检查，发现测点①轴承下轴瓦表面巴氏合金局部龟裂脱落，有摩擦烧伤痕迹（如图所示）。维修中更换了轴瓦，重新调整了轴承间隙，紧固了各联接部位，刮研了轴瓦接触表面使之保持良好的接触。最终恢复了正常。测点①垂直方向常见故障的频谱特点不对中松动引起的谐波不平衡摩擦、松动、油膜涡动采用频谱分析法找出故障的特征频率，从而确定故障的类型以及发生在哪一元件上。滚动轴承的诊断方法齿轮常见故障与特征频率齿轮的故障诊断fm～载波频率（啮合频率）；fe～调制频率（旋转频率）。在频谱图上，以啮合频率fm为中心，以旋转频率fe为间隔，对称分布于fm两侧的频率，称为边频带，简称边带。结论：振动频率可以判定机器产生振动的原因及部位！3.相位造成工频发生异常增大的原因有突发性不平衡（断叶片、破损等）；渐发性不平衡（腐蚀、结垢等）；以及轴弯曲、轴承间隙等等。如何区分这些不同的原因呢？相位主要用于比较不同振动运动之间的关系（时间差及方位差），或确定一个部件相对于另一个部件的振动状况，在区别相同故障频率的不同故障类型时（特别是不平衡）往往起关键作用。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。如图1a为X方向的频谱图和Y方向的频谱图，图1b为合成后的二维全息谱图。这种图的优点是它可以反映该测点全面的各阶振动情况及各阶振动的相位关系。二维全息谱图X轴方向Y轴方向结论：相位可以区分同频率的不同故障！在产生振动的诸多因素中，机械部件本身的缺陷占有相当大的比重。由于分析方法的进步和机械特性的深入研究，使得我们有可能通过对振动信号的分析和处理，提取出反映机械特性及其缺陷的信息，用科学方法进行推断，来判明机器所处的工作状态，判断出机器的各种缺陷和故障。现在振动分析已经成为大型旋转机械状态监测和故障诊断技术中的重要手段。虽然我公司绝大部分都是小型设备，但设备产生振动的机理是一样的。只要投入相应的人员和购买应有的仪器，再经过一段时间的积累，完全可以做到在设备运行中或在基本不拆卸的情况下，掌握设备的运行状态，判定产生故障的部位和原因，并且预测设备运行状态的发展趋势。