状态监测与故障诊断

设备监控与故障诊断李宏坤沈鼓研究院-大连分院第一章设备维护概述一、设备的重要性二、设备为何发生故障三、设备维护的重要性四、常用的设备维护体制五、状态监测技术六、状态监测的发展趋势1.现代工业的特点：大型化、连续化、高速化和自动化2.现代工业对设备的依赖程度3.设备发生故障而停工造成的损失巨大，维修费用大幅上升；同时可能招致重大事故。设备的重要性据统计，工业现场的轴承仅有10%达到设计寿命(1)40%由于润滑不良造成失效(2)30%由于不对中等装配原因引起故障(3)20%是由于过载使用或制造上的原因导致故障设备为何发生故障设备故障产生的原因设计、制造安装的原因维护方法的不当超负荷使用设备为何发生故障1.提高设备运行的可靠性2.减少设备故障导致的维修费用3.提高产品的质量设备维护的重要性常用的设备维护体制1.故障后维修故障后维修是指允许设备运行到故障损坏为止，而不预先采取措施。它也被称为事后维修。其维修理念是:任其损坏。2.计划维修计划维修是指按企业的维修计划进行的维修其维修理念是：停工前进行检修计划维修的观点是，机器的寿命是有限的，它发生故障的机率与其使用的时间成正比，如下图所示。常用的设备维护体制3.预测性维修预测性维修也被称为“基于状态的维修”它的维修理念是：如果没有出现故障，就不检修。常用的设备维护体制4.主动维修主动维修也称为“精确维护”、“基于可靠性的维护”。其维修理念是：一旦维修，就进行精确维修。常用的设备维护体制1.状态监测介绍(1)简介正如其名，状态监测就是监测设备状态的技术，我们通过它来了解设备的健康状况，判断设备是处于稳定状态或正在恶化。状态监测技术(2)为什么要进行状态监测你可能会问我们为什么如此关注旋转机械的健康状态？概括一句话：经济效益。状态监测技术(3)如何进行状态监测那么，在进行状态监测时我们能够做哪些工作呢？有多种不同类型的检测技术和手段可以在状态监测中应用。关键在于了解设备失效的方式。如果你知道可能发生的故障类型和位置，以及机器的内部情况，你就能够找到正确的监测手段。状态监测技术我们将诊断分析分为四个阶段：检测是否有故障，分析故障的严重性，查找故障根源以及维修后检验。状态监测技术诊断软件的首要任务是监测设备是否有故障。软件中包含的专家系统，能够将所测得的振动水平与一系列预设的报警值进行比较。用户则需要仔细分析你所提供的“异常报告”，从而确定哪台机器可能有故障。状态监测技术确定报警值和危险值的方法•绝对法根据相应的国际标准、国家标准、行业标准等如：ISO，GB，API等。•相对法以机器正常状态的振动值作为基数，自己和自己比。•类比法与同类机器的振动值作比较。转机振动标准举例(轴承振动)ISO2372，ISO3945振动烈度：振动速度的有效值测量频率范围10～1000HzI级：小型机械例15kW以下电机II级：中型机械例15～75kW以下电机和300kW以下机械III级：大型机械，刚性基础600～12000r/minIV级：大型机械，柔性基础600～12000r/min振动烈度mm/s设备分级范围限值I级II级III级IV级0.280.450.71AAA1.12AAA1.8BBBAAA2.8BBBAAA4.5CCCBBB7.1CCCBBB11.2CCC18CCC284571DDDDDDDDDDDD0.280.450.711.121.82.84.57.111.2182845A－优，B－良，C－可，D－不可(轴振动)转机振动标准举例VDI－德国工程师协会IEC－国际电工协会API－美国石油协会相对法确定振动限值12345678滚动轴承齿轮旋转机械滑动轴承＝(2~3)×＝(4~6)×报警值危险值正常值正常值类比法确定振动限值CBAD设备号测点ABCD振动烈度cm/s①H0.060.060.060.06②H0.070.050.070.07③H0.060.070.140.05④H0.070.060.170.07C泵的振动超过同类诸泵的振动一倍，C泵应定为有故障故障频率带频率范围报警值单位通频(0~40)×R8.8mm/spk基频、亚同步(0~1.2)×R7.6mm/spk2~3倍频(1.5~3.5)×R6.3mm/spk轴承带I(3.5~15)×R3.3mm/spk轴承带II(15~40)×R3.3mm/spk叶片通过频率叶片数×R2.5mm/spk很高频40×R~20kHz3.0gpkR为机器的转动频率滚动轴承机械的报警参考值0510152025303540R86420mm/spk故障频率带频率范围报警值单位通频(0~10)×R8.8mm/spk亚同步(0~0.8)×R2.54mm/spk基频(0.8~1.8)×R7.6mm/spk2~3倍频(1.5~3.5)×R6.3mm/spk4~10倍频(3.5~10)×R5.0mm/spk叶片通过频率叶片数×R2.5mm/spk基频相位30度R为机器的转动频率滑动轴承机械的报警参考值012345678910R86420mm/spk最后，在维修完成以后，我们还需要采取一些措施来检验故障是否排除，确定维修的效果以及设备的继续工作能力。这就是我们前面所说的检验阶段。状态监测技术状态监测的发展趋势是：诊断技术与诊断系统紧密结合；机器状态监测和工业过程监测将融为一体；自动诊断和在线系统的应用将日趋增加；最新的IT技术、Internet技术将更广泛地应用在该领域。状态监测的发展趋势离线检测在线监测第二章振动原理一、振动原理概述二、时域波形三、相位四、振动的度量五、频谱六、特征频率七、典型信号八、总振值九、振动分析简介振动概述如何进行测量测量什么测量信号的形状如何去解释那些最终的数据图表（如何进行分析）时域波形基本术语周期和频率什么是时域波形CPM制频率和Hz制频率时域波形基本术语振幅峰-峰值峰值均值均方根值（RMS）相位简介相位就是事件的时间顺序：一个事件的出现与另一事件相关。同相位振动波形相位相差180振动的度量位移速度速度和位移的关系加速度加速度、速度和位移的关系三个重要参数及其相互关系频谱简介风扇在转动时产生的单纯的正弦信号打开模拟器上的卡片选项后，其波形会发生变化扇叶撞击卡片振动波形叠加波形频谱简介频谱绘制过程波形分解快速傅立叶（FFT）频谱简介(频率的阶)频率的相对值来描述频率Hz表示阶（倍频）表示计算阶只需要用实际频率除以转动速度即可！！特征频率特征频率简介特征频率的计算特征频率等于基准速度和阶的乘积特征频率典型设备特征频率：•滚动轴承•变速箱•多级变速箱•带传动滚动轴承特征频率变速箱特征频率啮合频率计算齿轮啮合频率，齿轮啮合频率等于齿数与轴速的乘积。在这个例子当中，输入端齿轮有12个齿，输出端有24个齿。其齿轮啮合频率为输入速度的12倍，或输出速度的24倍。多级变速箱特征频率输出速度的计算需要考虑每一个齿轮的作用，齿轮啮合频率等于齿数和齿轮转速的乘积，对于多级变速箱同时我们还必须考虑中间轴的作用。小结归纳一下特征频率的计算步骤：首先确定每个轴的相对转速；分析各个轴上的元件并计算它们的扰动频率（如轴承频率、叶片通过频率和齿轮啮合频率等）。同时不要忘记考虑轴的转速。典型信号正弦波方波和谐波限幅波瞬态调制和边频带拍击混合信号和相位总振值（均方根值RMS）“总振值”就是信号的均方根值（RMS）。总振值通常用来测量频率在10-1000Hz之间的振动信号。振动分析简介通过对前面有过时域波形和频谱相关知识的学习，结合机械振动学的知识我们可以对机械设备的简单故障进行分析了，当然这只是一个很初步的故障诊断，这将为后续的设备故障诊断打下良好的基础。信号处理基础第三章振动测量实践一、振动测量的基础知识二、传感器类型三、传感器和单位的选择四、传感器的安放五、安装传感器六、采集测量数据七、相位测量振动测量的基础知识图中显示了振动测量的基本参数:加速度、速度和位移。三者的相位关系是：位移与加速度有180度的相位差，与速度有90度的相位差。振动测量的基本参数有：加速度、速度和位移传感器类型根据测量参数的不同，测量中用到的传感器有以下几类：位移传感器速度传感器加速度传感器传感器稳定时间传感器的标定鉴于某些加速度传感器的运行环境，推荐每年进行一次标定传感器和单位的选择频率响应的表示：用输入信号与测量所得信号之间的关系曲线。理想情况下，传感器的输出信号，其曲线应该是平直的（如左上图）实际上，通常存在着一个低频限制，在某个频率范围内响应曲线为平滑曲线（或直线），而在高频区域，响应曲线还会出现下滑（如左下图）传感器的选择要考虑：传感器的频率响应和传感器的使用范围传感器的安放安放传感器时必须确保没有将传感器安装到自身会受到机器振动激励的部件上。诸如风扇罩、联轴器防护盖、电动机散热片等不宜放置传感器的部件（如左图）。传感器的安放原则是：1.选择的安装位置必须要能够保证使用数据采集仪时的工作安全；2.在振源（轴承）和传感器间必须有一个良好的机械传输路径。机器上的许多部件都会产生振动，传感器安装时应选择振源和传感器间的最短路径。采集测量数据识别无效数据热瞬态表面污垢将会导致高频信号损失接触不良产生的谐波传感器问题相位测量相位反映了两个正弦波间的相对时间差。就我们所讨论的问题，正弦波通常表示的是转速频率。尽管实际测量的是时间差，但一般用角度来表示（或弧度）。360度为一圆周（轴旋转一圈）。相位测量左上图表示：如果两个信号同相位，它们会同时到达峰值。左下图表示：如果两个信号间的相位差为180度，当其中一个达到峰值时，另一个正好达到极小值。第四章振动分析本章将重点放在对振动数据的分析上，并据此判断是否有故障存在。我们将这部分分成以下四个阶段：检测、分析/诊断、故障的根源分析和确认阶段。一、四个阶段检测阶段故障根源分析分析阶段确认阶段二、频谱分析得到了频谱图，首先需要检查，接着查找相关的模式：谐波、边频带、峰丘等，然后开始查找一些特殊的故障：不平衡、不对中和轴承故障等等。采集的数据中都可能存在一些错误的数据。其主要原因可能是传感器没有良好的固定，机器在测试过程中出现波动或工作状况不正确等等，所以做结论之前要仔细检查所列的检查表。1、验证数据最常见的错误与传感器有关的，与传感器相关问题大都来自于不正确的安装方式。要做的第一件事是检查频谱中是否有峰值出现，不仅是与电气有关的峰值（在行频及其倍数处），还要确保存在与机器状态相关的信息2、检查传感器故障测试设备运行要稳定分析测试点要正确3、测试环境的修正识别运动速度频率处的峰值，可以利用谐波标志将速度峰值及其倍频位置标出，最好的方法是将频谱进行归一化阶处理。4、识别运动速度频率处的峰值要快速查找那些跟重要模式和特征相关的数据。请查找高振幅峰值、均匀间隔的系列峰值（谐波和边频带）、非整数倍转动频率的峰值、较高的背景噪音的峰丘状图谱。5、快速扫描数据谐波是从一系列从基频开始的波峰。谐波是非常明显的，如果你使用对数方式来显示，它们将更为明显。有时谐波的振幅会高于基频振幅，时谐波与运行速度无关。它们还可能与轴承频率、皮带速度或其它频率有关。谐波的振幅会高于基频振幅谐波使用对数方式来显示6、分析谐波齿轮箱时域波形图齿轮箱边频带频谱图7、分析边频带边频带是由于两个信号调幅产生的。在研究滚动轴承、齿轮箱、电气和其它某些故障时，边频带是普遍存在的频带的范围背景噪音表示背景振动或者表示测量系统的测量下限，而背景噪声现象也导致频谱中出现峰丘。峰丘图5X和6X频率处的噪声时域图9、背景噪声和峰丘10、振幅的重要性图中的两个频谱都显示出一个很强的1X波峰（第二个1X波峰是由一个通过齿轮驱动的风扇产生的）。但是，它们各自的振幅单位是不同的。振幅的变化大量频谱进行分析的方法是瀑布图，这种图可以用来显示振动的波峰和模式是怎样随时间变化的。11、瀑布图简介通常使用对数坐标来突出显示数据中对应的谐波、边频带和其它振动模式。这是因为使用对数显示时即使有大振幅也可以清楚的观测到很小的振幅