设备故障诊断技术介绍

设备故障诊断技术简介上海华阳检测仪器有限公司Shanghai Huayang MeasuringInstruments Co., Ltd 目 录设备故障诊断技术定义 -（ 3）一设备维修制度的发展 -（ 4） 二检测参数类型 -（ 5）三振动检测中位移、速度和加速度参数的选择 -（ 5）四测点选择原则 -（ 6）五测点编号原则 -（ 7）六评判标准 -（ 7）七测量方向及代号 -（10）八搜集和掌握有关的知识和资料 -（10）九故障分析与诊断 -（11）十常见故障的识别 -（14）1不平衡 -（14）2不对中 -（14）3机械松动 -（15）4. 转子或轴裂纹 -（15）5滚动轴承 -（15） 6滑动轴承 -（16）7齿轮箱 -（19）8传动皮带 -（20）9叶轮、叶片和旋翼 -（21）10电机 -（22）11共振 -（23）十一.故障分析方法 -（25）1简易分析方法 -（25）2频谱分析方法 -（26）设备故障诊断技术简介设备故障诊断技术定义：是一种为了了解和掌握设备在使用过程中的状态（在设备基本不拆卸、不解体的情况下）而采用一定的检测手段，根据检测的数据和经验的积累，来确定设备整体或局部是正常或异常、早期发现设备故障及其原因、并能早期预报设备故障发展趋势的一门技术。通俗地说，它是一种给设备“看病”的技术。这里所说的设备指的是机械设备。它包括各类机械，例如：风机、压缩机等的动设备和容器、管道、阀门、工业炉等的静设备，还包括某些电器设备。什么是故障？指的是设备不能完成其所规定的功能，称作“故障”，然而这些功能是能够修复的 ! 若不能修复的则称作“失效”，对于“失效”的机械设备只能更换。这里关键是如何能抓住一切有用的信息, 运用知识和经验作出适当的诊断结论。一设备维修制度的发展1事后维修 设备运行至故障停车后才进行修理 。2 预防维修 按照预定的检修时间间隔进行维修（计划维修）。3 预知维修 对设备进行状态监测，根据设备监测和诊断的结果，视设备劣化或故障的程度，安排在适当的时间进行必要的设备维修 。4预知维修优点 提高设备运行安全性，防止不足维修而导致的事故 ;提高维修经济效益，避免过剩维修造成的浪费 ;提高设备使用合理性、运行安全性和经济性 ;延长贵重设备使用寿命 ;实现设备使用、维修、生产的现代化 。5 应用举例日本：事故率减少75，维修费用降低2550 ;英国：2000个工业企业每年节省维修费用3亿英镑，收益为投入的6倍 。6设备状态监测设备状态监测是实现预知维修的基础。准确、全面的设备监测信息是实现预知维修的可靠保证 。7设备状态监测方式在线监测：投资成本高，监测对象以关键设备为主。 离线检测：投资成本低，主要针对大量的散在分布的中小型设备。 二检测参数类型: 振动 振动位移 d (mm)、振动速度 v ( mm/s)、振动加速度 a (m/s2) 、温度t ( )、转速n (rpm)、厚度(mm)、电流I (mA)、电压 U(mV) . 1 振动位移-是指一个物体离开其平衡位置（参考位置）的距离或位置。（用d表示，单位mm）。2. 振动速度-是指物体在单位时间里，离开其平衡位置，作往复运 动的快慢程度。（用v表示，单位mm/s）。（单位时间内的位移变化率）。3 振动加速度-是指物体在单位时间里，振动速度的变化程度(用a 表示，单位m/s2 )。三 振动检测中位移、速度和加速度参数的选择一般认为，对振动频率在10Hz以下，位移量较大的低频振动，选择位移为检测量。另外对于某些高速旋转的机器的振动，旋转精度要求较高时，也用位移来衡量。对于多数机器来说，都用速度来评价其振动强度。经验表明在覆盖10Hz1000Hz的频带上，速度测量完整地表示了机器振动的严重程度。而加速度测量的适用范围可以达到10000Hz以上，对于宽频带测量、高频振动和存在冲击振动的场合都测量加速度。当齿轮、滚动轴承、轴瓦等出现剥落、磨损等缺陷时，往往首先在高频段出现故障信息，只有当故障比较明显时，才能在低频段反映出来。因此，通过检测加速度，可以有效发现设备早期缺陷。检测实践中，往往对位移、速度和加速度进行联合测量。 图3-1 位移、速度和加速度参数的选择 图3-1描述的是同一部机器的同一工况用三种传感器测量的幅频图，三者均可用于机器状况的监测。但是速度计给出一个近似水平的谱，它所需的动态范围小，因此，针对这一实际测量，速度计被称为“最佳参数”。而对用位移计、加速度计测量，为了描述所有分量的变化，必须采用大得多的动态范围。四测点选择原则（以振动为例）1传递路径最短.2测点刚度最大.3对测量参数响应最敏感.4少界面.5不能有空腔.6能反映整个设备信息.注: 为保证测量数据的一致性,测点一旦确定之后请及时做好永久性的标记,今后一般情况下不允许再作变动!五测点编号原则（以振动为例）动力源输出位置（轴承部位）定为 2 # 测点、自左向右依次（均在轴承部位）为： 3#、4#、5# . （ 详见图 5-1 所示 ） 图5-1测点布置示意图六评判标准 1 绝对标准评判法：例如振动国际标准ISO2372以及 表6-1 国际标准 表6-2注：用加速度档，分别用频率范围(101000)Hz 及 (105000)Hz 进行测量，当两值不相等或相差悬殊（最大达13倍）时,即表明该测点所对应的部件有故障。 表6-3 往复式压缩机基础振动允许振幅压缩机转速（r/min）400400200200允许振幅 （ mm ）0.150.200.25 表6-4 一般参考评判标准振动参数 进口 国产 计量单位 A（加速度） 20.0 30.0 ms V （速度） 2.0 3.0 mms D （位移） 50 m注: 表中 13 - 等级为优. 23 - 等级为良. 33 - 等级为合格.2 相对标准评判法：例如浴缸曲线 表6-4 旋转机械振动评判相对标准实际值与初始值的比值振动频率 (倍)12345 6 7低频振动（1000HZ）(指振动速度和位移)良好注意危险高频振动（1000HZ）(指振动加速度)良好注意危险3 类比标准评判法：例如，多台同型号、同规格、在相同条件下工作的电动机 异常状态-相互之间 同测点的测量值 相比 大于1. 6倍以上.对于正常状态 超过4 mm/s的设备和在正常状态不足1 mm/s的设备, 是一种良好的实用的判别方法 七测量方向及代号（以振动为例）图7-1 测量方向示意图举例：4Ha - - - - 意为 ：4# 测点 、水平位置、 加速度。八搜集和掌握有关的知识和资料1机器结构性能资料：包括机器的工作原理，机器在整个生产过程中的地位和作用，重要的动态参数，如驱动功率、流量、压力、转速变化范围、电流、电压、温度等，机器结构组成和参数，如轴承型式、密封结构、联轴节结构、齿轮齿数、叶片数、共振频率、临界转速等等。2操作运行情况：包括负荷及其变化情况、润滑情况、起动和停机情况、工艺参数变化情况等。3机器周围环境的影响：包括温度、湿度、与其他机器的关联、地基沉降、电压波动等因素对机器性能的影响。4故障与维修情况：包括上次大修时间、大修时作过哪些调整、运转以来发生故障及对故障处理情况的记录和档案、机器的薄弱环节及预计容易发生故障的类型和部位、同型号、同工作条件下其他机器的故障情况等。 九故障分析与诊断根据振动信号识别设备故障是件难度很大的工作。这主要因为：同一故障可以表现出多种症候，同一症候可由不同故障引起，不同类型的机器其故障与症候的对应关系可能不完全一样，这种关系又与运行条件、环境条件、故障历史及维修情况有密切联系。在故障诊断中，熟悉和掌握机器的结构、特性、使用和维修情况以及实际诊断经验都是很重要的。1 注意发展和变化在分析和诊断故障时，应注意从发展变化中得出准确的结论。单独一次测量往往难于对故障判断有较大把握，反复多次的跟踪测量、分析能使诊断更接近于真实情况。为此，应注意积累和研究机器正常运行状态下的振动数据，包括基频的幅值和相位、次谐波和高次谐波的幅值和相位、其他重要频率分量的幅值、时域波形以及轴心轨迹的形状、大小和旋转方向等。对当前机器的振动信号进行各种观察和分析时，应与正常运行状态下的振动进行比较，注意哪些参数发生了变化及变化程度如何。例如：基频分量变化不大而2f ( 注：f，倍频之意。f = 机器转速/60 ，单位为：赫芝 或Hz ，下同 ) 幅值明显增大可能说明不对中加剧；喘振使轴向振动变化明显；而不平衡增大使 水平和垂直 方向振动同步增长。 趋势分析也是有效的方法，不但分析振动有效值或峰-峰值变化趋势，而且分析基频、12f、2f等各频率分量的变化趋势，从而得出振动是稳定不变、逐渐上升、时升时降还是迅速增大等信息。例如，不平衡加大使振动缓慢而稳定上升，叶片断落则使振动幅值突然上升。 2 辅助测试有些情况下，为了确定或排除某些可能的故障，需要进行一些辅助测试。这些辅助测试包括：变转速振动测试；变负荷振动测试；变润滑系统参数（油温、油压）振动测试；起动或停车过程振动测试；共振频率测试；机壳、基座或管道某些部件的测试 。3分析振动的方向性和幅值稳定性一般说来：不平衡量增大，则径向水平、垂直两个方向的振幅同时增长；不对中径向振幅增大，但同时还可引起轴向振动；基座松动时垂直方向振动明显大于水平方向振动；转子组件松动引起的振动，其幅值不稳定；油膜涡动和油膜振荡则以径向振动为主，振幅不稳定；转子裂纹引起的2倍频振动，水平方向和垂直方向的振幅大小相近（4 分析各频率成分的相位不平衡引起的基频振动分量与转轴相位标志之间的角度（即基频分量的相位）保持不变，水平方向与垂直方向振动相位相差约90。平行不对中引起的径向振动在轴两端反向，即相位相差180；角不对中引起的径向振动在轴两端同向，即相位差为零。) 5 观察随转速的变化转速变化主要指设备在起动和停车过程中所经历的各种转速，振动信号能显示出故障与转速的关系，以此可区分不同故障。例如：不平衡引起的振动幅值随转速的增大而增大，并在通过临界转速时有峰值出现；不对中引起的振动与转速关系不大。十 常见故障的识别1 不平衡故障原因当转子质量中心偏离转动中心时出现不平衡。造成不平衡的原因通常是：装配不适当、转子上有附加物生成、转子质量磨损、转子破裂或丢失部件。特征 （1） 径向振动大。（基频幅值随转速增大而增大，这是不平衡的重要特征。） （2）轴向振动较小。 2 不对中故障原因两个相连接的机器轴线不平行或不重合，一个或多个轴承安装倾斜或偏心，即为不对中。造成不对中的原因可以是装配不当，调整不够，基础损坏，热胀或联轴节锁死。特征（1）轴向振动大有稳定的高峰，一般达到径向振动的50%以上，若与径向振动一样大或比径向振动更大，表明情况严重。（2）径向振动大3. 机械松动 故障原因机械松动分为结构松动和转动部件松动。造成机械松动的原因是：安装不良、长期工作造成过渡磨损、基础或基座损坏或零部件破坏。特征（1）径向（特别是垂直方向）振动大振动可能具有高度的方向性。时域波形可能较杂乱，有明显的不稳定的非周期信号。可能有大的冲击信号。（2） 轴向振动小或正常。4.转子或轴裂纹 大功率发电机组超寿命运行，有时转子或轴上会出现裂纹，及时确定裂纹的存在，可防止突然断裂的灾难性事故。（1）转子或轴裂纹日渐扩展和加深，使1f、2f分量的幅值随时间而稳定地增长，这是存在裂纹与其他产生1f、2f分量的故障之间最大的区别。应在对转子1f、2f分量进行长期状态监测的基础上进行趋势分析，当确认上述二分量的幅值随时间呈稳定增长趋势时，可能存在转子或轴裂纹。（2）在升速或降速过程中，当转速通过1/2倍一阶临界转速时，2f分量由于共振而对裂纹非常敏感，其幅值会发生显著变化。同理，转速通过1/3倍一阶临界转速时，3f分量的幅值也会发生显著变化。因此，应当监测2f和3f分量随转速的变化。当确认转速等于1/2或1/3倍一阶临界转速而2f和3f分量显著改变时，可能存在转子或轴裂纹。 5滚动轴承故障原因滚动轴承的早期故障是滚子和滚道剥落、凹痕、破裂、腐蚀和杂物嵌入。产生原因包括搬运粗心、安装不当、不对中、轴承倾斜、轴承选用不正确、润滑不足或密封失效、负载不合适以及制造缺陷。轴承故障特征频率的计算公式如下所示 内环滚动，外环静止 （最常见情形） ： 1 R d R （1）保持架 fc= 1 cos 0.4 ；2 60 D 60 N R d R （2）外滚道 fo= 1 cos 0.4N ； 2 60 D 60 N R d R （3）内滚道 fi = 1 cos 0.6N ； 2 60 D 60 1 R D d 2 （4）滚 子 fb = 1 cos 2 60 d D R 0.23N ，（N10） 。 60 式中 ： R转速（RPM）; d滚子直径； D节园直径； 接触角； N滚子数。6 滑动轴承 .故障原因滑动轴承可能有多种故障，其中包括间隙过大，油膜涡动和油膜振荡以及摩擦。造成这些故障的原因是装配不当，润滑不良，负荷欠妥，长久磨损及轴承设计不当。（1） .间隙过大（无涡动）轴与轴承间隙过大，这种情况类似于不对中和机械松动，应注意其区别：a径向振动较大，特别是垂直方向；b可能有较大的轴向振动，特别对于止推轴承；c径向和轴向时域波形为稳定的周期波形占优势，每转一圈有1、2或3个峰值。没有较大的加速度的冲击现象。若轴向振动与径向振动大小相近，表明问题严重。分析：间隙过大与不对中的区分可根据以下两点：a间隙过大时垂直方向振动比水平方向更大；b而不对中时垂直与水平方向振动相同；间隙过大与机械松动的区分可根据以下两点：a间隙过大时其时域波形为稳定的周期波形占优势，且没有大的冲击现象；而机械松动时其时域波形较杂乱，有明显的非周期性信号使波形不稳定；.b间隙过大时轴向振动可能较大，特别是止推轴承！而机械松动时轴向振动较小或正常。一般应在排除机械松动的可能性之后再确认间隙过大。（2） 油膜涡动和油膜振荡在轴与轴承间隙太大或机组热态不对中等引起较大振动的情况下，若加之轴承设计不当、润滑不良或由于载荷、转速的突变破坏了正常润滑状态，可能产生油膜涡动 （042048）f 。在此情同况下，如果转速高于轴系一阶临界转速的2倍，则涡动可能发展成更危险的油膜振荡。较大的径向振动；轴向振动在涡动频率处的分量较小；. 若在一阶临界转速频率处出现显著峰值，则表明已出现油膜振荡；. 时域波形中稳定的周期信号占优势，每转一周少于一个峰值，没有较大的加速度冲击。 （3）. 摩擦轴颈与轴承表面直接接触就发生磨擦，摩擦可以是间断的或连续的。引起摩擦的原因是润滑不足，间隙不适当，载荷不正确或其他故障造成的较大振动。摩擦往往造成轴的反向涡动。特征. 对于间断性摩擦：a. 径向振动较大； b. 时域波形中有不稳定的冲击信号占优势，轴每转一圈只有少于一个的峰值；c. 轴向振动小。. 对于连续摩擦：a. 径向振动大（止推轴承除外），高频部分能量较大；b. 时域波形中有不稳定的“噪声”信号；c. 轴向振动小（对于止推轴承，有摩擦时其轴向振动大于径向振动）。7 齿轮箱故障原因齿轮箱会有一些特殊的故障，如节线偏斜、偏心、齿距误差、齿面磨损、点蚀和剥落、断齿等。造成上述故障的原因有：制造缺陷、安装调整不当、过量磨损、润滑不足、污染、金属疲劳和超负荷运转等。 上述故障虽然可在频谱上反映出来，但由于齿轮箱频谱看起来比较复杂，辨认比较困难。一个有效可行的方法是，针对每个齿轮箱，在状态良好、工作正常情况下采集得到其基准频谱，并在状态监测和故障诊断中通过对比基准频谱发现问题。基准频谱-齿轮啮合频率的计算（1）齿轮啮合频率计算：设两轴转速分别为f1、f2，两齿轮齿数分别为Z1、Z2，则： 啮合频率fc= f1 Z1= f2 Z2 （2）由边频间距代表的调制频率可以是：.各轴转速（输入轴、输出轴、中间轴）；.外部转速或负荷的波动频率；.波动啮合频率 等于（啮合频率fc）（f1与f2的最小公倍数）；（3）若同时存在两种以上的故障，则各故障频率之和或之差也可能成为调制频率，这也称为“中间调制”频率。8传动皮带 故障原因造成传动皮带故障的原因由：皮带轮不对中，皮带轮偏心、安装不当，皮带张力调节不当，皮带过量磨损或制造上的缺陷（尤其是加强皮带）。特征（1）径向振动出现在皮带频率的 2、4、6倍频处，若有较大峰值，则存在故障；（2）轴向振动，若与径向一样，也在皮带频率 2倍频处有较大峰值，则为皮带轮不对中；（3）在时域波形上每转一周出现2、4或6个峰值。皮带频率由下式计算: 皮带轮速度 皮带轮直径皮带频率 = 皮带长度 9 叶轮、叶片和旋翼故障原因以流体力驱动的机器或者用于抽动、压缩、传输流体的机器，都有叶轮、叶片和旋翼。由于流体或热力的影响，它们易于受到破坏或磨损。故障原因有：部件破损，装配不当，流动不规则，热力不平衡，污物进入，叶轮、叶片和旋翼的磨损。特征（1）叶片通过频率分量及其谐波分量大而且有边带，径向和轴向振动同是这样；（2）叶片损坏可造成不平衡，其特征类似于不平衡特征）；（3）叶轮松动的特征类似于机械松动；（4）转子与机壳间的摩擦其特征类似于滑动轴承的摩擦。叶轮及叶片通过频率由下式计算：通过频率=( 轴转速60 )叶片数10电机1电机故障电机与其他旋转机械一样，可能产生不平衡、不对中、机械松动、轴承故障及共振等问题。本节就电机特有的故障，介绍其诊断方法。这些特有故障包括：转子断条或裂纹、转子偏心、相位不平衡、转子或定子铁芯松动、转子弯曲或转子偏离磁场中心。2转子故障（1）径向振动大，在1f、2f、3f等处有较大的峰，并有明显的间隔为psf。的边频带 此处p为电机磁极数，s为转差率， s = 1 - nn 1 ，其中: n 转速（RPM）；n1同步转速，n1= 60 f。p（RPM）, f。 为电机电源频率 ；（2）频谱中出现电源频率（f。）分量；（3）时域波形有缓慢的时间调制；（4）轴向振动大 表明有轴向力作用在轴承上，这可能是转子偏离磁场中心，转子弯曲或轴承倾斜。3定子故障特征（1）径向振动存在2f分量，表明有偏心，相位不平衡，绕组短路或铁芯松动；（2）径向振动存在线槽通过频率分量，表明存在偏心故障；（3）除非有转子故障，轴向振动小。 11共振1.故障原因一个结构的共振频率是指，当它受到一个冲击时具有最大振动响应的频率。对转子组成的轴系来说，共振频率就是其临界转速频率。 当转速达到或接近临界转速时，剩余不平衡等激振力将引起轴系共振，这种剧烈振动危及安全。临界转速决定于转子质量、结构尺寸、转子刚度及支承条件。造成共振的原因有：（1）转速过于接近临界转速；（2）机器结构设计不良；（3）某些原因造成机器部件特性改变，如部件损坏、基础松动、过量磨损、材质积累等。2. 共振时频谱和波形特征（1）在1f或其倍频处振动很大；（2）很小的转速改变可引起很明显的振动变化，这是共振的显著特点。为避免出现共振，须使转速频率不接近其共振频率。为此，要设法测出结构的共振频率数值或轴系的临界转速。3.结构共振频率的测量测量方法在机器停止状态，用硬锤或其他物件快速敲击机器，同时用小型振动传感器及频率分析仪测量和分析结构的振动，在振动频谱中峰值所在处即为其共振频率。径向振动：检查水平和垂直两个方向的响应，水平安装的机器两个方向的响应区别不大。找出接近于1f的共振频率； 轴向振动：由于轴向刚度大，轴向共振频率很高，似乎不会成为问题。但若有支承或基础方面的问题，测量轴向共振频率还是有用的。找出接近于1f的共振频率；时域波形通常不能识别出共振频率，但它可以证实每次采样的频谱只包含一次冲击，振动在采样区间末尾衰减至零，中间没有中断。4. 临界转速的测量测量方法在机器起动升速和停车降速过程中监视共振峰的出现。共振峰出现时的转速即为轴和转子的临界转速。径向振动：在起动升速和停车降速过程中，监视频谱中1f峰值，共振峰出现时即可求出临界转速。轴向振动：由于轴向刚度大且无负载，轴向共振不会成为问题。但若有松动或基础方面的问题，轴向振动测量还是有用的。注意找出接近于1f的临界转速频率.5. 说明（1）过阻尼结构共振峰往往比欠阻尼结构共振峰更平坦，更宽。欠阻尼时共振问题更严重，这一点必须首先考虑。（2）解除共振的方法有：改变机器的部分结构，使其共振频率从转速频率附近移开或使共振衰减。改变激振频率，包括排除故障，移开工作转速及改变负荷状态。十一.故障分析方法1.简易分析方法：(1) 故障类型： 不平衡； 不对中； 机械松动 ； 上述类型故障可利用 位移 . 速度 参数进行分析，当: H V和A - 属平衡类型故障；A V和H - 属对中类型故障；V