设备状态监测系统与故障诊断技术应用

设备状态监测系统与故障诊断技术应用

摘要：电机是当今生产活动和日常生活中最主要的原动力和驱动装置,它广泛地应用于现代工业生产中,它们数量之多,地位之重要,几乎没有其他设备所能与之相比。电机在运行过程中,难免会出现这样那样的故障,假如一条生产线上的主要电机故障,必将造成生产线停工,甚至会影响整个大生产系统的工艺流程。通过使用先进的技术手段对设备状态参数监测和分析,判断设备是否存在异常或故障,故障的部位和原因以及故障的劣化趋势,以确定合理的检修时间和方案。

关键词：设备状态监测；振动；故障诊断

为了保证重点设备在运行时的工作状态，在设备运行时实现在线监测，出现缺陷时能及时预警、报警，诊断运行状态，能被维护人员使用和操作，更好的为设备的安全运行提供服务。现代化设备管理维修模式正朝预知状态维修为主、多种维修方式并存的模式转变。针对关键设备，往往采取以预知状态维修和周期性维修结合的方式，以期防止设备的重大故障发生、避免设备的欠维修与过维修。状态维修的基础是把握设备状态，根据状态结果决定设备维修时间、维修内容、维修人员投入及备件的投入等，这一切必须要有较完善的设备在线集中监控系统来保证。通过在线监测系统的实施，可以达到以下目的：将测振和视频集成在统一的设备管理平台，掌握重要设备的寿命趋势。

一、设备状态监测系统与故障诊断介绍

1.

状态监测与故障诊断

通俗地说，状态监测就是给机器体检，故障诊断就是给机器看病。首先对机器的状态进行监测，例如先看振动值，再进行频谱、波形、轴心轨迹、趋势、波德图等各种检测分析，然后结合设备的原理、结构、历史状况等，利用专业人员的知识及经验，对故障进行综合分析判断。通常把设备在运行中所发生的状态异常、缺陷、性能劣化、以及事故前期的状态统称为故障，有时也把事故直接归为

故障。状态监测是指在设备运行中和不拆卸的情况下，利用现代检测与分析仪器，测取设备状态信号，并对所测信号进行处理、分析，提取能反映设备状态的特征信息，识别设备当前是处于正常、异常还是故障状态，以及预测未来状态。故障诊断是指在状态监测的基础上，结合设备的原理与结构以及制造、安装、检修、运行的记录数据，利用领域专家及专业人员的知识和经验，进行综合分析判断，从而确定故障的性质、类型、部位、程度，分析产生故障的原因，提出合理的运行和维修建议。

2、酒钢集团炼铁厂烧结区域设备在线监测系统架构

架构包括数据采集、数据处理、数据存储利用、软件技术架构、B/S架构、事务处理逻辑、维护和升级方式、数据库层、业务逻辑层、表现层多个方面。

3、状态监测与故障诊断的功能

状态监测与故障诊断应具备以下功能：

①在不拆卸设备的条件下，能够定量地检测和评价设备各部分的运动、受力、缺陷、性能恶化和故障状态，以便随时掌握设备的实际运行状况；

②能够及时发现设备故障的早期征兆，以便采取相应的措施，减缓、减少、避免重大事故的发生；

振动速度值mm/s2.441.382.352.380.94振动位移值mm0.0730.0400.0700.0700.031

③能够确定故障的类型、程度、部位及发展趋势，估价设备的可靠性程度，振动速度值mm/s2.441.382.352.380.94振动位移值mm0.0730.0400.0700.0700.031以便合理地确定运行时间及维修项目；

④一旦发生故障，能自动纪录下故障过程的完整信息，以便事后进行故障原因分析，避免同类事故再次发生；

⑤能够确定故障来源，提出整改措施，以便改进设计、制造、运行、维修水平，提高设备的工作性能以及安全可靠性。

二、设备状态维修管理的应用

2.1、对炼铁厂一烧3#抽烟机电机水平振动在线监测数据进行分析、验证。

2.1.1、3#抽烟机振动检测数据（见下表1）

振动测试数据表

测点

电机自由端水平

电机自由端垂直

电机联轴端水平

电机联轴端垂直

风机联轴端水平

0.631.410.710.0210.0490.022

风机联轴端垂直0.631.410.710.0210.0490.022

风机自由端水平

风机自由端垂直

表1

2.1.2、故障诊断分析

频谱图显示了各振动分量的频率及其振幅值。

从表1各测点振动值中可以看出风机负荷端和非负荷端振动都较小，而电机振动偏大，结合振动趋势图分析，振动趋势平稳并在标准范围之内。

1、对电机负荷端水平方向振动速度波形图、频谱图及趋势图进行分析，见下图

电机负荷端水平方向振动速度

2、对电机非负荷端水平方向振动速度波形图、频谱图及趋势图进行分析，见下图

电机非负荷端水平方向振动速度

通过电机两端轴承水平方向振动速度波形图、频谱图及趋势图分析，振动频率主要为转速频率16.25Hz（即998rpm/60s），且振动平稳，引起振动的主要原因有两种可能：一是基础刚度不足，二是电机转子存在质量不平衡。

分析结论：风机振动较小，运行正常；电机振动稍大，趋势平稳，运行基本正常，可继续运行，电机振动虽然偏大，但仍在标准范围之内，且运行平稳，可继续运行，在检修时可首先检查电机基础四个地脚振动是否均匀，如果基础没有发现问题，可考虑对电机转子进行动平衡校正。

现场验证结果：根据分析结论，现场计划开展同心度检测和电机转子动平衡检测。

同心度验证：经现场验证，联轴器同心度检测因1#烧结机生产，主抽风机串烟，无法进行风叶盘车操作，联轴器同心度检测未；

电机转子动平衡验证：打瓦检查，未发现有研磨痕迹，轴瓦状况良好；拆除联轴器接手后空试电机，电机水平振动位移值0.04mm,判断电机转子动平衡存在问题，是电机水平振动值高的主要原因，因目前电机运行状况趋势平稳，电机可以继续使用，设备状况能够满足生产工艺要求，对电机转子的隐患计划后期安排计划更换电机或电机转子动平衡找平后重新回装电机，消除隐患。

通过上述在线监测频谱图、趋势图分析认为电机振动大的可能影响因素为检查电机基础四个地脚刚性不足和电机转子动平衡不好两个因素。

4、3#抽烟机通过前期的分析，第二次处理实际处理和验证过程如下：

拆除联轴器接手后空试电机，电机水平振动位移值0.04mm,初始判断电机转子动平衡存在问题，但因不具备电机转子动平衡试验所需的时间，第一次采取了对联轴器角度进行了调整，调整后效果不理想，电机负荷端垂直振动由0.072mm上升至0.09mm。

第二次采取了将联轴器角度恢复到初始位置，恢复后，电机负荷端振动运行过程中继续上升，最高上升至0.13mm,检查发现电机负荷端南侧底座处原垫铁（硅钢片）松动，可直接用手拉出，临时加工1块斜铁在原位置在线打入后，电机水平振动最高0.075mm,垂直振动最高0.08mm,效果显著，因考虑到采取的是临时措施，未对斜铁进行点焊固定，10日后，电机垂直振动逐步上升，但敲击斜铁，振动立刻由0.11mm下降至0.8mm左右，此时判断电机刚性不足，底座未垫实。

第三次采取了拆除斜铁，垫硅钢片（6层硅钢片）的方法垫实了底座，经激光对中仪同心度检测电机同心度较好，电机不存在不正的问题，开机后垂直振动上升至0.13mm,采用斜铁调整后，垂直振动稳定在0.05mm以下，但负荷端水平振动上升至0.11mm。

分析：通过几次调整，均取得了一定的效果，电机振动部分有下降，分析认为底座未垫实，刚性不足是振动偏高的主要原因，目前垂直振动下降明显，水平振动偏高，后期计划查找底座未垫实点进行处理，观测水平振动趋势。

2.1.3依据烧结设备状态监测系统跟踪3#抽烟机风机电机、风机运行状态。3#抽烟机风机电机转子动平衡试验和处理后，次月电机振动在0.04mm-0.075mm范围内，电机振动趋势正常，风机振动波动较大,趋势图如下：

电机振动趋势图

风机振动趋势图

分析：根据振动趋势图和现场实际运行状况，风机振动波动较大，主要原因为风机动平衡异常，计划在烧结2#烧结机定修期间对风机动平衡进行处理。判断故障所形成的危害程度，对确定是否需要立即停车、能否维持运行、是否需要减负荷运行有着决定性的指导作用。

三、状态监测和故障诊断

在判断故障程度时，要仔细比较故障前后的有关数据、图谱，然后参照有关规范、规定及设备的历史情况加以综合判断。其中，既要考虑现在的数值，更要考虑与原正常值相比的变化倍数，关键看当前数值有无继续上升的趋势。

为防止突发性事故,现代生产部门都采用以安全为主要目的的在线监测系统。由于计算机与检测技术的结合,新的、功能完善的综合在线监测系统在进行在线监测的同时,还具备趋势分析、故障诊断的功能,为实现预测维修提供了有效的技术手段。本文对在线监测系统进行了初步研究和设计,分析如下。

系统的总体框架

电机除了具有机械问题外,还有电气、绝缘等问题,比一般的机械设备复杂,所以电机的在线监测系统比一般的机械设备复杂,具有自身的特点:

(1)综合的多参数监测系统。因引起电机故障的原因很多,需要对很多运行参数如电压、电流、转速等进行监测,所以监测系统必须采用多种检测技术来实现。

(2)自动监测功能。监测系统能连续地、自动地进行监测,从安装在电机的传感器上不断获取状态信息,将测量值与设定值比较,确定电机状态是否正常,监测系统具有按硬件和软件规定的程序实现自动信号监测、记录和报警的功能。

(3)诊断功能。监测系统配置了数据库和分析软件,可对电机或机组的状态信号进行各种处理和分析,并对故障进行诊断。

(4)人工智能化。计算机是监测系统中控制、信号处理和诊断的核心,它操作方便、显示和记录更及时、更详细。人工智能技术应用于监测系统,更增强了监测系统的功能,使其更准确。

四、分析总结

根据现场实际，重点设备处部署振动及温度传感器，能有效监控设备运行状态，减轻点检人员工作量，有效掌握重点设备的运行状态。

设备是现代企业进行生产活动的物质技术基础，设备状态管理是设备管理的重要组成部分。炼铁厂烧结区域2017年搭建设备状态系统管理平台，通过实践

证明先进的生产工艺和设备只有依靠先进的管理理念、状态监测系统，通过建立规范高效的设备管理