（机械工程专业论文）水环式真空泵运行状态在线监测系统的研究及应用.pdf

摘要 摘要 2 b e 1 型水环式真空泵是选矿厂的关键设备。工作介质为常温清水，用于抽 吸选矿系统中不溶于水的无尘无腐蚀性气体。该真空泵为连续运转设备，一旦停 运将直接影响到选矿整条生产线的运行。以前主要采用手持式振动监测仪定时对 其关键部位进行检测。但这种方式难以对设备运行进行连续监测，不能够应对突 发故障。手持式设备只能对波形和频谱进行简单分析，对复杂故障及设备运行的 早期故障难以发现。鉴于此，本文提出用在线监测系统对设备进行连续诊断，采 用各种现代信号处理技术对设备早期故障进行诊断。主要研究以下内容： ( 1 ) 设计真空泵状态监测系统的总体方案和技术路线，包括振动测点选择、 传感器选择、数采器选择、信号处理方法、故障分析软件等相关技术。 ( 2 ) 提出真空泵运行状态正常与否的判断方法。设计合理的判断标准，提出 对异常情况准确判断的方法。 ( 3 ) 采用先进的信号处理技术对真空泵关键设备进行诊断。除了采用传统的 时域、频域处理技术以外，引入解调技术、小波分析等方法对设备进行准确诊断。 ( 4 ) 研究真空泵设备的常见故障特征，提出用趋势分析对设备长期运行状态 进行评估。 ( 5 ) 开发或选择一套设备故障诊断系统，与硬件系统配套。将各种先进的信 号处理方法和趋势分析方法都设计到软件中。 关键词真空泵；状态监测；故障诊断；信号处理 北京工业大学t 程硕十学位论文 a b s tr a c t 2 b e 1t y p ew a t e r - s e a l e dv a c u u mp u m p si st h ek e ye q u i p m e n ti nt h eo r ed r e s s i n g p l a n t ，w o r k i n gu n d e rc l e a nm a c h i n ew a t e r t h ep u m ps e p a r a t e st h en o n d i s s o l v e d ， d u s t f r e ea n dn o n c o r r o s i o na i rf r o mt h es y s t e ma n di t i sc o n t i n u o u sr o t a t i n g e q u i p m e n t i fi tw e r ed i s r u p t e d ，t h ew h o l eo r ed r e s s i n gp r o c e s sw o u l db es t o p p e d h a n d e d h o l dv i b r a t i o nm o n i t o r sw e r ea p p l i e df o rv i b r a t i o nm o n i t o r i n gf o rt h ep u m p ， h o w e v e r , t h i sm e t h o df a i l e dt oc a r r yo u tt h ec o n t i n u o u sm o n i t o r i n gf o rt h ef a u l ta n d f u r t h e rd i a g n o s i s h a n d h e l dd e v i c e so n l yc a na n a l y s i sw a v e f o r ma n ds p e c t r u m ，i ti s h a r dt of i n dt h ef a i l u r e so fc o m p l e xe q u i p m e n ta n dt h ee a r l yf a i l u r e so fr u n n i n g e q u i p m e n t t h e n , w ep r o p o s et o u s eo n l i n em o n i t o r i n gs y s t e mt oc o n t i n u o u s d i a g n o s ee q u i p m e n t ，a n du s em o d e ms i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g yt od i a g n o s et h e e a r l yf a i l u r e so fe q u i p m e n t t h i ss t u d yf o c u s e so nf o l l o w i n g t a s k s ( 1 ) t h et e c h n i c a l r o u t ea n dt h ew h o l ep r o j e c t , i n c l u d e ss e l e c t i o no ft h e m e a s u r i n gp o i n ta n ds e n s o r , d a t ac o l l e c t i o n ，s i g n a lp r o c e s s i n g ，s o f t w a r ea n d h a r dw a r e d e v e l o p m e n t ( 2 ) s t u d yt h ec h a r a c t e r i s t i c sp a r a m e t e r so f t h es y s t e ma n dw o r ko u tt h em e t h o d f o re v a l u a t i o n ( 3 ) u s i n ga d v a n c e ds i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g yt od i a g n o s ek e ye q u i p m e n to f v a c u u mp u m p i na d d i t i o nt ou s i n gt h et r a d i t i o n a lt i m e d o m a i na n df r e q u e n c yd o m a i n p r o c e s s i n gt e c h n o l o g y , w eu s ed e m o d u l a t o rt e c h n o l o g y , w a v e l e ta n a l y s i sa n d s oo n , i n a c c u r a t ed i a g n o s i n ge q u i p m e n t ( 4 ) s t u d yt h ec o n l l n o nf a u l tc h a r a c t e r i s t i c so fv a c u u mp u m pe q u i p m e n t ，a n d p r o p o s eu s i n gt r e n da n a l y s i st oe v a l u a t el o n g - t e r me q u i p m e n tr u n n i n g s t a t e m e n t ( 5 ) d e v e l o po rs e l e c tas e to fe q u i p m e n tf a u l td i a g n o s i ss y s t e m ，s u p p o r t i n g h a r d w a r es y s t e m s o m ek i n d so fa d v a n c e ds i g n a lp r o c e s s i n gm e t h o d sa n dt r e n d a n a l y s i sm e t h o d sw i l lb ed e s i g n e di ns o f t w a r e k e yw o r d s ：v a c u u mp u m p ；m o n i t o r i n g ；f a u l td i a g n o s i s ；s i g n a lp r o c e s s i n g i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 虢址吼蹲爿 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名唐星 导师签名禹主乡 嗽如8 尹 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 机械设备状态监测的意义和国内外现状 冶金、石化、化工、电力、烟草、铁路、交通等领域的许多大、中 型设备，如压缩机、发电机组、风机、水泵、真空泵等都是生产线的关 键设备，这些设备一旦发生故障停机，轻者影响产量，重者会导致整个 生产线、装置停止生产，甚至会造成人身伤亡事故，造成环境污染或不 良的社会影响。故，大、中型关键设备的安全、稳定、长周期、满负荷、 优质运行不仅关系到企业的经济效益，而且关系到安全和社会问题。各 国政府都在致力与推广设备状态监测与故障诊断工作，各大公司、大企 业都在这方面投入大量人力、物力、财力。从二十世纪6 0 年代起，美、 英、法、日、德国等工业发达国家相继开展设备状态监测与故障诊断技 术的研究工作。并且，9 0 年代以来，高档微机不断更新且价格迅速下降， 适合数字信号处理的计算方法不断优化，使数据处理速度大为提高，为 在工业现场直接应用状态监测技术创造了条件。丹麦、美国、德国、日 本等发达国家的专家学者对旋转机械工作状态监测技术进行了深入研 究，研制出不同系统。我国在工业部门中开展状态监测技术研究的工作 起步于19 8 6 年，在此之前从国外引进的大型机组，一般都购置了监测系 统。而在自行研制的国产设备上，若选用国外的监测系统，由于价格异 常昂贵而难以接受。8 0 年代中后期以来，我国有关研究院所、高等院校 和企业开始自行或合作研究旋转机械状态监测技术，无论在理论研究、 测试技术和仪器研制方面，都取得了成果，并开发出相应的旋转机械状 态监测系统。经过2 0 余年的努力，在理论研究和工程应用方面都取得了 成熟的研究成果和宝贵的实践经验，使这一技术在我国许多重要领域得 到了比较广泛的应用。因此可以看出，设备状态监测与故障诊断行业在 国内外蓬勃发展是有其必然性和历史性。 设备在线监测与故障诊断系统以现代科学中的系统论、控制论、可 靠性理论、失效性理论为基础，以传感器、计算机等为技术手段结合监 测对象的特殊性，有针对地对各运行参数进行连续监测，对设备状态做 出实时评价，对故障提前预报并做出诊断，减少停机或避免事故扩大化， 使企业对设备的维修管理从计划性维修、事故性维修过渡到以状态监测 为基础的预防性维修，提高企业设备管理现代化水平，创造巨大经济效 北京t 业大学工程硕士学佗论文 益。 国内外较典型的状态监测方式主要有3 种： ( 1 ) 离线定期监测方式测试人员定期到现场用一个传感器依次对各 测点进行测试，并用磁带机记录信号，数据处理在专用计算机上完成， 或是直接在便携式内置微机的仪器上完成；这是当前利用进口监测仪器 普遍采用的方式。采用该方式，测试系统较简单，但是测试工作较烦琐， 需要专门的测试人员；由于是离线定期监测，不能及时避免突发性故障。 ( 2 ) 在线检测离线分析的监测方式亦称主从机监测方式，在设备上 的多个测点均安装传感器，由现场微处理器从机系统进行各测点的数据 采集和处理，在主机系统上由专业人员进行分析和判断。这种方式是近 年在大型旋转机械上采用的方式。相对第一种方式，该方式免去了更换 测点的麻烦，并能在线进行检测和报警；但是该方式需要离线进行数据 分析和判断，而且分析和判断需要专业技术人员参与。 ( 3 ) 自动在线监测方式该方式不仅能实现自动在线监测设备的工作 状态，及时进行故障预报，而且能实现在线地进行数据处理和分析判断； 由于能根据专家经验和有关准则进行智能化的比较和判断，中等文化水 平的值班工作人员经过短期培训后就能使用。该方式技术最先进，不需 要人为更换测点，不仅不需要专门的测试人员，也不需要专业技术人员 参与分析和判断；但是软硬件的研制工作量很大。 2 b e l 型水环真空泵为选矿厂过药车间的关键设备，真空泵由泵体、 叶轮、轴、侧盖、分配器等零件构成。工作介质为常温清水，通常用来 抽吸不溶于水，不含固体颗粒，无腐蚀性的气体，使被抽系统形成真空。 叶轮偏心地安装在泵体内，起动前向泵内注入一定高度的水。叶轮旋转 时，水受到离心力的作用而在泵体内壁形成一个旋转的水环，叶轮端面 与分配器的间隙被液体密闭，叶轮在前半转( 此时经过吸气孔) 的旋转 过程中密封的空腔容积逐渐扩大，气体从排气孔排出，完成一个抽气过 程。为了保持恒定的水环，在运行过程中必须连续向泵内供水。目前设 备运行状态监测，主要是由手持式振动监测仪定时对其关键部位进行监 测，其监测方式不能全面、实时地监测机械设备的运行，导致机械设备 的非正常状态运行和故障难以及时发现与诊断。为确保设备安全运行， 节约维修费用，选择合理的维修体制尤其重要。设备维修体制一般有三 种形式，即故障维修( 事后维修) 、计划维修( 预防维修) 、预知维修( 状 态维修) 。预知维修根据设备运行实际状况进行维修，可以充分发挥设备 的潜力，避免过剩维修，又可及时发现设备的故障征兆，避免维修不足。 笫1 章绪论 目前国外工业发达国家已普遍采用预知维修。预知维修是通过设备状态 监测与故障诊断技术来实现，在设备运行中，掌握设备运行状态，判定 产生故障的原因和部位，并预测预报未来状态的技术。国内以汽轮机、 风机等大型机组的状态监测居多，针对真空泵的状态监测研究较少。 研究真空泵状态在线监测技术，对保证安全生产以及对设备实行预 知维护都具有十分重要的意义。应用先进的设备诊断仪器，对重要设备 进行振动趋势管理和状态监测，能主动性地掌握设备运行状态，直观地 反映出故障的发展状态，对故障进行诊断分析，判断故障源，按设备的 实际运行状态维修，为生产运行管理、设备检修管理提供可靠依据。设 备状态监测与故障诊断技术正逐步改变传统的设备维修管理模式，变定 期检修、经验管理为适时检修、状态监测，克服过剩维修所带来的不必 要经济损失，杜绝事故停机，提高了经济效益，使生产管理和设备管理 科学化。 为了及时进行故障预报、及早做出诊断，因此把自动在线监测方式 的设备监测方式应用到水环式真空泵运行状态的监测中是十分必要和可 行的，这也是本课题的研究方向。 1 2 主要研究内容 针对2 b e1 系列水环真空泵机械传动系统，研究机械设备状态在线监 测及预测的方法，以及相应的软件系统和硬件系统。通过对机械设备运 行和发展状态的在线检测，实现对机械设备状态分析和判断，对机械设 备状态发展进行在线趋势预测，具体主要内容如下： ( 1 ) 设计真空泵状态监测系统的总体方案和技术路线，包括振动测点 选择、传感器选择、数据采集、现代信号处理、硬件、软件的有关技术。 ( 2 ) 研究对设备运行状态具有较高灵敏度、较高稳定性的监测参数、 特征参数，并采取合适的提取方法。 ( 3 ) 提出真空泵运行状态正常与否的判断方法，合理选择评定的标准； ( 4 ) 研究时域、频域信号处理方法，使信号处理后的特征突出、明显， 便于自动比较、判别。 ( 5 ) 研究真空泵设备常见故障特征，探讨对机械设备整体进行趋势预 测的方法。研究真空泵运行状态在线分析的技术。 ( 6 ) 研究设备运行状态异常或故障的早期征兆，及时采取相应措施， 将故障消灭在萌芽状态，保障设备安全，防止突发重大事故；研究故障 产生原因及故障部位，明确处理方案，节省维修时间和费用。 北京t 业大学t 程硕 j 学位论文 第2 章真空泵状态监测方法及监测系统 2 1 真空泵工作原理及其结构 叶轮偏心地安装在泵体内，叶轮旋转使液体受到离心力的作用，在 泵体内壁形成一个旋转的液环，叶轮端面与分配器之间隙被液体密闭， 叶轮在前半转( 此时经过吸气孔) 的旋转过程中密封的空腔容积逐渐扩 大，气体由吸气孔吸入：在后半转( 此时经过排气孔) 的旋转过程中密 封的空腔容积逐渐缩小，气体从排气孔排出，完成一个抽气过程。为了 保持恒定的水环，在运行过程中必须连续向泵内供水。 水环真空泵由泵体、叶轮、轴、分配器等零件构成，侧盖与分配器 分开。泵体椭圆形。根据抽吸的最低绝对压力，叶轮材质分铸造和焊接 两种，并装有自动排水阀。轴封采用填料或机械密封。轴上装有可更换 的轴套。 真空泵的叶轮和主轴是热套在一起的。在传动侧和非传动侧各装有 一个圆柱滚子轴承，承受径向力，此非传动侧上还布置了一个向心球轴 承，承受轴向力。真空泵传动方式分三种：电机直联；减速机传动；皮 带传动。电机：鼠笼型异步电机y 315 l 一4 ，额定功率18 5 k w ，额定转速1 4 8 5 转分，额定电压3 8 0 v ，额定电流3 2 4 a 。减速机：z d y s 3 5 5 型，变速比 i = 5 ：1 ，8 转分。真空泵工作原理如图2 一l ，结构如图2 2 。 嚣气口 l 吸气疆 图2 - 1 水环式真空泵工作原理 f i g u r e2 1 t h et h e o r yo fw a t e r s e a l e dv a c u u mp u m p i ：i ：鳖些：i 些鳖： 图2 - 2 水环式真空泵结构 f i g u r e22t h es t r u c t u r eo fw r i e r s e a l e dv a c u u mp u m p 真空泵实际安装情况见下图 i 泵体2 叫轮 3 泵轴4 前侧盖 5 后侧盖6 前分 配器7 后分配器 8 阀扳部件9 轴 衬部件1 0 前轴 承部什1 l 后轴承 部件 图2 - 3 真空泵实际安装情况 f i g u r e 2 - 3t h ea c t u a ls i t u a t i o no fi n s t a l l i n gv a c u p 岫p 22 真空泵常见故障 2 21 转子不平衡 包括转子系统的质量偏心及转子部件出现缺损。由于设计、制造、 安装中转子材质不均匀、结构不对称、加工和装配误差等原因以及由于 机器运行时结垢、热弯曲、零部件脱落、电磁干扰里等原因而产生质量 偏心。转子旋转时，质量不平衡将檄起转子的振动，这是旋转机械最常 见的故障。振动特征是转子的质量不平衡所产生的离心力始终作用在 转子上，相对于转子是静止的，其振动频率就是转子的转速频率。 真空泵使用一段时间后，由于磨擦、积灰等原因，使转子质心改变， 出现不平衡。不平衡的特点是： ( 1 ) 振动频率单一，振动方向以径向为主在工频( 亦称转频) ( 1 x ) 处 有一最大峰值； ( 2 ) 在一阶临界转速内振幅随转速的升高而增大： ( 3 ) 谱图中一般不舍工频( 1x ) 的高次谐波( 2 x 、3 x) 因为不平衡 的振动方向主要在径向，一般在轴向谱图上无多大峰值。不平衡和轴弯 曲在1 x 处都会产生大的峰值，但不平衡引起的振动主要在径向，而轴弯 曲会在轴向引起大的干扰力。只有全面考虑设备运行情况，才不会误诊。 第2 章真空泵状态监测方注及监涮系统 2 2 2 轴不对中及轴弯曲 不对中有两种：平行不对中和角度不对中。平行不对中径向振动比 较突出，角度不对中轴向振动更突出、两者在机器端部或联轴器两边都 有18 0 。的相位差。 不对中振动的特点： ( 1 ) 在2 x 处有大的能量分布； ( 2 ) 随着不对中程度的增加，产生很大的轴向振动分量； ( 3 ) 在联轴器的两边振动的相位关系是18 0 。+ 30 。； ( 4 ) 在2 x 处的幅值大于1x 处的5 0 时意味不对中程度已加剧。 2 2 3 机械松动 即使装配再好的机器运行一段时间后也会产生松动。引起松动的常 见原因是：螺母松动、螺栓断裂、轴径磨损、甚至装配了不合格零件。 具有松动故障的典型频谱特征是以工频为基频的各次谐波，并在谱 图中常看到1o x 。国外有人认为，若3 x 处峰值最大，是轴和轴承间有松 动，若4 x 处有峰值，表明轴承本身、松动。 2 2 4 滚动轴承故障 常见的滚动轴承失效形式有： ( 1 ) 接触疲劳失效接触疲劳失效系指轴承工作表面受到交变应力 的作用而产生的材料疲劳失效。接触疲劳失效常见的形式是接触疲劳剥 落发。接触疲劳剥落发生在轴承工作表面，往往也伴随着疲劳裂纹，首 先从接触表面以下最大交变切应力处产生，然后扩展到表面形成不同的 剥落形状，如点状为点蚀或麻点剥落，剥落成小片状的称浅层剥落。由 于剥落面的逐渐扩大，而往往向深层扩展，形成深层剥落。深层剥落是 接触疲劳失效的疲劳源。 ( 2 ) 磨损失效磨损失效系指表面之间的相对滑动摩擦导致其工作表 面金属不断磨损而产生的失效。持续的磨损将引起轴承零件逐渐损坏， 并最终导致轴承尺寸精度丧失及其它相关问题。磨损失效是各类轴承常 见的失效模式之，按磨损形式通常可分为最常见的磨粒磨损和粘着磨 j 口 狈。 磨粒磨损系指轴承工作表面之间挤入外来坚硬粒子或硬质异物或金 属表面的磨屑且接触表面相对移动而引起的磨损，常在轴承工作表面造 成犁沟状的擦伤。粘着磨损系指由于摩擦表面的显微凸起或异物使摩擦 北京t 、世大学工程硕十学位论文 面受力不均，在润滑条件严重恶化时，因局部摩擦生热，易造成摩擦面 局部变形和摩擦显微焊合现象，严重时表面金属可能局部熔化，接触面 上作用力将局部摩擦焊接点从基体上撕裂而增大塑性变形。 ( 3 ) 断裂失效轴承断裂失效主要原因是缺陷与过载两大因素。当外 加载荷超过材料强度极限而造成零件断裂称为过载断裂。过载原因主要 是主机突发故障或安装不当。轴承零件的微裂纹、缩孔、气泡、大块外 来杂物、过热组织及局部烧伤等缺陷在冲击过载或剧烈振动时也会在缺 陷处引起断裂，称为缺陷断裂。应当指出，轴承在制造过程中，对原材 料的入厂复验、锻造和热处理质量控制、加工过程控制中可通过仪器正 确分析上述缺陷是否存在，今后仍必须加强控制。但一般来说，通常出 现的轴承断裂失效大多数为过载失效。 ( 4 ) 腐蚀失效有些滚动轴承在实际运行当中不可避免的要接触到 水、水汽以及腐蚀性介质等，这些物质会引起滚动轴承的生锈和腐蚀， 另外滚动轴承在运转过程中还会受到微电流和静电的作用，造成滚动轴 承的电流腐蚀。滚动轴承的生锈和腐蚀会造成套圈、滚动体表面的坑状 锈，梨皮状锈及滚动体间隔相同的坑状锈，全面生锈及腐蚀。最终引起 滚动轴承的失效。 除此之外，滚动轴承在工作中，由于外界或内在因素的影响，使原 有配合间隙改变，精度降低，乃至造成“咬死”称为游隙变化失效。外界 因素如过盈量过大，安装不到位，温升引起的膨胀量、瞬时过载等，内 在因素如残余奥氏体和残余应力处于不稳定状态等均是造成游隙变化失 效的主要原因。 真空泵由于轴承润滑不够、轴承生锈、运行轨内有斑点、划痕，可 导致轴承过热、轴承尖叫、轴承卡死等故障。如皮带应力太大、润滑不 良等会造成轴承过热。通过在线运行状态监测系统，能判断真空泵振动 正常与否、程度大小以及发展趋势。 滚动轴承的故障特点有： ( 1 ) 轴承部件缺陷( 内圈，滚动体剥落，滚道剥落等) 特点：轴承缺陷频 率和谐波成分丰富，时域波形有冲击，存在轴承内环特征频率，存在轴 承外环特征频率，边带成分较明显或突出。 ( 2 ) 轴承间隙不当特点：振动分量1x ，2 x ，3 x 占主导地位，1x 8 x 谐波 成分丰富，轴承温度偏高，存在明显的( 0 4 0 9 ) x 范围的频率值。轴承 新近调整安装，存在轴承外环特征频率。 ( 3 ) 轴承磨损特点：轴承缺陷频率和谐波成分丰富，存在较宽的随机 第2 章真窄泵状态监测方法及舱测系统 高频振动带，边带成分较明显或突出，轴承温度偏高。 2 3 滚动轴承的振动机理与信号特征 滚动轴承的振动可由外部振源引起，也可由轴承本身的结构特点及 缺陷引起。此外，润滑剂在轴承运转时产生的流体动力也可以是振动( 噪 声) 源。上述振源施加于轴承零件及附近的结构件上时都会激励起振动。 2 3 1 滚动轴承振动的基本参数 2 3 1 1 滚动轴承的典型结构 滚动轴承的典型结构如图2 4 所示，它由内圈、外圈、滚动体和保持 架四部分组成。 图2 _ 4 滚动轴承结构尺寸 f i g u r e2 - 4t h es i z eo fr o l l i n gs t r u c t u r e 2 3 1 2 滚动轴承缺陷的振动特征频率 滚动轴承各元件表面上产生的缺陷，如剥落坑、裂纹或胶合斑痕等 使轴承在运转中产生振动，其振动的特征频率，可由下列各对应的公式 求得： ( 1 ) 内座圈上具有一个剥落坑的情况 7 该剥落坑与一个滚动体接触时，所产生的振动频率为 f i = 0 5 f o ( 1 + d d 术c o s a ) ( 2 ) 外座圈上具有一个剥落坑的情况 该剥落坑与一个滚动接触时，所产生的振动频率为 f o = 0 5 f o ( 1 - d d 术c o s a ) ( 3 ) 滚动体上具有一个剥落坑的情况 北京工业大学工稃预十学位论文 该剥落坑，与内座圈接触着又与外座圈接触时，所产生的频率为 f b = 0 5 幸( d d ) 1 - ( d d ) zc o s a 】 ( 4 ) 保持架具有一个缺陷的情况特征频率为 f c = 0 5 f o ( 1 d d 木c o s a ) 式中f 0 一旋转轴的频率，f o = n 6 0 ； n 一轴每分钟的转速( r p m ) ； d 一轴承滚道节距 d 一滚动体直径； a 一接触角。 上面计算的各种特征频率都是从理论上推导出来的，而实际轴承的 各几何尺寸会有误差，加上轴承安装后的变形，使实际的频率与计算所 得的频率会有某些出入，所以在频谱图上寻找各特征频率时，需在计算 的频率值的上下找其近似的值来作诊断判断。 另外，上面各特征频率的计算公式都是以一个剥落坑与一个滚动体 接触为前提的，所以在实际使用时，在上述计算公式上还得乘上滚动体 数z ，即如某轴承内座圈上出现一个剥落坑时，那么在频谱上就会出现 f i = z 0 5 f o ( 1 + d d 母c o s a ) 的频率成分。 2 3 2 滚动轴承的振动监测技术 2 3 2 1 用测振仪进行简易诊断 用测振仪或一些简单的专用仪器对滚动轴承作状态监测是一个有效 的方法。它是利用由于表面缺陷的产生和扩展引起轴承振动能量级的增 大这一现象来工作的。用这种方法来检查轴承有两种诊断标准即绝对值 法和相对值法，这里仅介绍相对值法。 相对值法即利用后期测试的振动值与初始新轴承时所测试的振动值 之比值来决定的。即用实际值增加的倍数来进行定性判断。图2 5 表示了 对轴承投入运转后，定期地连续地进行加速度值测定后所绘制的曲线。 第2 帝真空泵状态监 9 | 4 方法及! 监测系统 图2 5 轴承运转振动曲线 f i g u r e2 - 5b e a r i n gv i b r a t i o nc u r v ei no p e r a t i o n a o 表示新轴承时的初始振动值。 在两倍至六倍初始值间为”注意”区域，超过六倍初始值时为轴承损坏 危险区域。这种方法使用便携式测振仪就可以进行工作。花费少，也易 于操作。 2 3 2 2 尖峰度测量法 有两种很近似的测量尖峰度的技术：波峰因素和峭度。 波峰因素：f c = a m a x a r m s 鳓魔，一f f 一三( 髫一) 夕( 箕) d x 】仃 式中a m a x 振动瞬时最大值； a r m s振动测量某样本的均方根值。 x任意时刻的振幅值； z ( 上标)平均值； p ( x )概率密度函数； o标准离差。 波峰因素和峭度所提供的数量是一个不断变化着的量。图2 6 所示为 波峰系数随故障发展而变化的趋势。特别要提出来的是轴承的初始状态 和其最坏状态的a m a x ，a r m s 两者比值却没有太大的差别。最初，即在 图中第1 阶段，峰值和均方根值相比是一常数，其值大约为5 。当局部故 障发展时，即进入第1 i 阶段，峰值水平显著地增加，随之达到某一极限 值，起始时，均方根值水平仅有小小的波动，两者的比值也随之增大， 最高时，此值约为10 左右，稍后均方根值随故展也逐渐增高当达到接近 轴承寿命终了时，即图中第三阶段，此时波峰因数会逐渐下降，其值与 北京t 业大学工程硕士学传论文 它的初始比值趋于相等。 f 图2 - 6 波峰系数随故障发展而变化的趋势 f i g u r e2 - 6t h et r e n do f w a v ec r e s tf a c t o rw i t hf a u l td e v e l 。p m e n t 用振动波峰因素检测轴承异常情况最大特点是由于波峰因素不受振 动信号绝对水平值影响，因此与传感器和放大器的灵敏度无关。而且测 定数据简单，数据整理也容易，但它仅适用于检测滚动面的剥落与裂纹 损伤，而不适用于表面粗糙度和磨损的检测。 2 3 2 3 频率分析法 轴承振动信号经f f t 后转换到频域，建立振动信号的频谱，然后进 行频谱分析。如果在谱图中出现上述所描述的特征频率成分时，就被认 为对应的各轴承元件有缺陷存在。 当其他零件产生了干扰噪声，且其振动频率又极其逼近时，就会产 生干扰作用，该干扰信号妨碍了对被测轴承进行准确的分析与判断。对 此类问题，同样可采用上述的同步信号平均法来分离信号，使被测信号 的信噪比得到一定的改善。 2 3 2 4 包络分析法 轴承运转时，轴承的某一零件表面上的蚀坑与别的零件的接触会产 生一系列的高频脉冲，其脉冲间隔，即脉冲的重复速率就是指示故障部 位的重要信息。由于重复速率能量较低，容易被背景噪声所淹没，所以 从原始信号中寻找重复速率比较困难。一般采用下面两种办法来找出重 复速率：从滚动轴承某元件共振区高频部份中找出其谐波间隔，称共振 解调法；从包络信号中找出基波频率。 2 3 2 5 倒频谱分析法 滚动轴承的振动信号同样也可以用倒频谱来分析。滚动轴承运转时， 各元件的相互动力作用形成了各自的特征频率，且相互迭加或调制，因 第2 章真窄泵状态蛉测方法及舱测系统 而在功率谱图上呈现出多簇谐频的复杂图形，很难加以识别。采用倒频 谱分析，目的就是研究和分析其谐频和边频的特征，进一步为轴承质量 评定和故障诊断提供信息。 2 4 振动诊断技术 在运用状态监测技术对设备进行状态维修工作中，振动诊断技术是 常用简便的一种方法。 2 4 1 振动诊断技术及特点 振动诊断技术就是在设备运行中或基本上不拆卸全部设备的情况 下，通过测试设备振动产生的信号，而掌握设备现在的技术运行状态， 判定产生故障的部位、原因并预测、预报未来的技术。它具备以下特点： ( 1 ) 设备运行同步产生振动信号，故障信息包含在振动信号中。 ( 2 ) 易于实现在线监测与诊断。 ( 3 ) 以振动加剧为征兆的故障率极高，常见的振动征兆故障都有明显 的特征，易于识别。 ( 4 ) n 4 试手段、方法、理论相对比较成熟。 ( 5 ) 方法简便，容易操作，投资较少。 2 4 2 振动诊断技术应用范围 ( 1 ) 直接生产设备，特别是连续作业和流程作业中的设备。 ( 2 ) 大型精密及成套设备。 ( 3 ) 发生故障或停机后会造成较大经济损失的设备。 ( 4 ) 容易发生人身安全事故的设备。 ( 5 ) 发生故障后会产生二次公害的设备。 ( 6 ) 维修周期长或维修费用高的设备。 ( 7 ) 没有备份的关键设备。 2 4 。3 振动诊断监测点及周期 监测点应科学的选定那些最能真实反映设备运行状态的测点，以便 对设备的振动状态做出全面的描述。通常应环绕机器外部，在互相垂直 的三个方向上，分散选定测点，一般选在机器振动的敏感点及刚性支承 点等。测点的数量能反映机器的主要运行状态就行。测点的选定一般依 据以下原则： ( 1 ) 机器振动的敏感点，离机器核心部位最近的关键点，容易产生劣 化现象的易损点。 1 3 北京t 业大学t 程硕士学位论文 ( 2 ) 机器的刚性支承点，如机座，轴承座等。 ( 3 ) 大型设备的测点选择应能反映设备的全部状态，在设备的前、后、 上、下、左、右、和中间部位都要有测点。 ( 4 ) 测点的选定应该注意环境的影响。如大的振动源、高温、高压点、 出风口等。 2 。4 4 振动诊断技术的标准参数 标准参数是用来判断设备运行的技术状态是否正常的重要依据，是 进行设备状态检测的重要基础。 标准参数按其确定原则分为绝对标准、相对标准和类比标准。 ( 1 ) 绝对判定标准是用于判断实测振值是否超限的绝对量值。 ( 2 ) t r 对判定标准是对轴承的同一部位定期进行振动检测，并按时间 先后进行比较，以轴承无故障的情况下的振值为标准，根据实测振值与 该基准振值之比来进行诊断的标准。 ( 3 ) 类比判定标准是岁若干同一型号的轴承在相同的条件下在同一 部位进行振动检测，并将振值相互比较进行判断的标准。 绝对判定标准是在规定的检测方法的基础上制定的标准，因此必须 注意其适用频率范围，并且必须按规定的方法进行振动检测。适用于所 有轴承的绝对判定标准是不存在的，因此一般都是兼用绝对判定标准、 相对判定标准和类比判定标准，这样才能获得准确、可靠的诊断结果。 振动信号简易诊断法包括振幅值诊断法、波形因数诊断法、波峰因 数诊断法、概率密度诊断法和峭度系数诊断法。 绝对标准是在一切条件正常情况下，在规定了测量位置和正确的测 量方法后确定的，它是保证设备技术性能良好所必须遵守的标准。其特 点是不考虑环境影响及安装的人为因素等；相对标准是同一测量部位定 期监测，按时间先后进行比较，将正常值视为标准，根据实测值与正常 值的差异来判断设备运行技术状态是否正常；类比标准是指具有多台机 型、规格相同的设备时，在相同的条件下，对它们进行测试，经过相互 比较，确定一个正常的参考标准。 标准参数按其作用可分为正常标准、警戒标准和不允许标准。 正常标准，设备监测数值等于或小于该值时，说明设备技术状态良 好，完全可以正常运行使用；警戒标准，设备监测数值达到该值时，说 明设备运转已出现异常，需要注意检查监测，必要时缩短监测周期；不 允许标准，设备监测数值达到或超过该值时，说明设备已发生较严重的 第2 章真守泵状态监测方法及监沏9 系统 故障，必须立即进行检修。 2 5 真空泵在线监测系统结构 轴承振动对轴承的损伤很敏感，例如剥落、压痕、锈蚀、裂纹、磨 损等都会在轴承振动测量中反映出来，所以，通过采用特殊的轴承振动 测量器( 频率分析器等) 可测量出振动的大小，测得的数值因轴承的使 用条件或传感器安装位置等而不同。 通常，轴承的温度随着轴承运转开始慢慢上升，1 2 小时后达到稳定 状态。轴承的正常温度因机器的热容量，散热量，转速及负载而不同。 如果润滑、安装不合适，则轴承温度会急骤上升，会出现异常高温，这 时必须停止运转，采取必要的防范措施。 2 5 1 监测测点选择 由于传动方式为皮带传动，振动检测主要放在传动侧和非传动侧的 轴承振动，具体测点选择：传动侧圆柱滚子轴承水平振动、垂直振动； 非传动侧圆柱滚子轴承水平振动、垂直振动；传动侧圆柱滚子轴承温度； 非传动侧圆柱滚子轴承温度；传动轴的轴向位移。 真空泵在长期运行过程中，由于叶轮结垢、轴承故障等原因导致真 空泵出现较大振动，严重威胁安全生产。因此振动测点选择在振动敏感 位置。真空泵传动侧、非传动侧滚动轴承的水平振动、垂直振动信号， 选用磁电式振动速度传感器拾取，轴位移由电涡流传感器测量，安装如 图2 7 和图2 8 。磁电式速度传感器技术指标为：频率响应5 h z 二1k h z ， 灵敏度2 0 0 m v c ms 1 ；电涡流传感器线性范围o 5 2 5 m m ，中点1 5 m m ，非 线性度0 7 。灵敏度8 v m m 温度传感器为p t l0 0 热电阻。 1342 图2 7 真空泵非传动侧振动测点布置图 l 一垂直振动速度传感器卜水平振动速度传感器3 一轴位移涡流传感器 4 一轴承温度传感器 f i g u r e2 - 7 v a c u u mp u m pn o n _ t r a n s m i s s i o ns i d ev i b r a b o n m e m e n t p o i n t sl a y o u t i g u r e 图2 - g 真空泵传动侧振动测点布置捌 l 垂直振动速度传感器2 水平振动速度传感器3 轴承温度传感器4 一皮带轮 f i g u r e2 - 8 v a c u u m p u m p tt | a n s m i s s i o ns i d e v i b r a t i o n m c a s 悯f f r l tp o i n t s l a y o u t f i g u r e 第2 章真空泵状态监测方泫及j 监测系统 2 5 2 系统的总体结构 基于系统的可靠性、稳定性及可扩展性的要求和先进、实用的原则， 其总体结构图如图2 9 。 模块一：从传感器拾取的振动信号，可以直接接到e n 38 0 0 后背板上 的接线端子上，对现场信号进行预处理、a d 转换功能已经集成到e n 38 0 0 的内部，可大大简化系统的体积；直接对测到的振动量以多种灵活的方 式进行显示，接口简单、友好。 实时监测各路振动信号，并可进行趋势分析、资料列表、事件统计 列表、报警事件列表、累计列表；显示方式多样；能保存一定容量的资 料，可用软盘读取；具备振动保护功能。 模块二：进行分析和诊断，采用e n 38 0 0 振动监测分析系统，它是与 e n 38 0 0 配套的上位机软件，可以详细地分析、统计e n 38 0 0 采集到的资 料。 模块一：模块二： 信号的采分析与诊断 传集、实时监 a ( e n 3 8 0 0 振 感测( e n 3 8 0 0动监测分析 器在线振动监 系统) 测保护系 统) 图2 - 9 监测系统结构图 可与厂内 局域网相 连 f i g u r e2 - 9s t r u c t u r ef i g u r eo ft h em o n i t o r i n gs y s t e m 水环真空泵设备在线状态监测原理框图如图2 10 所示。 北京t 业大学t 程硕一 ：学位论文 丽轴承水半振动l 运度调理模块 显 前轴承垂直振动i 速度调理模块 在 不 器 线 振 介 前轴承轴向振动l 速度调理模块 动 一 计 打 监 停车一 起车一 停车一 再起车 正常运行振动2 0 82 ”m ，轴位移变化0 最大振动：一瓦垂直振动 7 87 “m ，一瓦水平振动1 1 46 u m ，二瓦垂直振动1 3 74 p m ，二瓦水平 0 4 r a m ：第二次起车过程中异常振动持续约7 分钟，一瓦、二瓦的水 平振动是垂直振动的两倍，两轴承的垂直振动位移在3 0 # m 左右。超 出标准振动值持续时间长，给设各带来很大的危害。 銎：至圣耋圣篓耋三些堑鉴些圣耋尘尘 月_ o i 匐岛鞋qo 日 图4 1 0 f i g u r e4 - 10 下图：2 月2 3 日15 ：3 0 17 ：4 5 时间段出现三次短时间停车( 每 次十多秒) 。在此期间轴位移共产生01 m m 轴向窜动。每次停车、起 车时刻出现较大振动，不过持续时间极短( c 2 秒) 。是在某一转速下 的共振。 表46 f o r m4 6 正常运行罐大振动 一瓦垂真振动u m 8 2 8 一瓦水平振动u m74 7 二瓦垂直振动岫8 4 4 二瓦水平振动啪 1 1 7 7 轴位移m m0 0 20 1 1 i j 臼j0 i 目固邕b o 日8 一4 = e = r 1 ； 。日一- ，。- c -= j 二 嘲4 1 1 f i g u r e4 - 1 1 下图：2 月2 5 日记录的异常振动波形，持续时间大约3 分钟， 二瓦不论垂直还是水平振动，远远高于一瓦振动( 即传动侧振动远远 高于非传动侧) 并且轴位移产生010 5 m m 的轴向窜动。轴承振动值 是振动标准值的数倍甚至十倍，对设备危害极大。 表4 7 f o r m4 - 7 正常运行 一瓦垂直振动g m 7 一瓦水平振动u m1 0 二瓦垂直振动u m 8 二瓦水平振动岫1 4 轴位移r a m00 3 异常振动最大值 茎：耋兰薹圣尘茎薹：銎丝兰型圣耋垒耋 l 问j0 一訇凸b 日，目g 【 一1 7 。一1 一。t 1 日l 图4 - 1 2 f i g u r e 4 - 1 2 对应的报警记录事件如下表 通道 一瓦垂直振动 一瓦垂直振动 一瓦垂直振动 一瓦垂直振动 一瓦垂直振动 一瓦垂直振动 一瓦垂直振动 一瓦垂直振动 瓦垂直振动 一瓦垂直振动 表4 8 事件类型 超过报警上限 恢复正常 超过报警上限 恢复正常 超过危险上限 超过报警上限 超过危险上限 超过报警上限 超过危险上限 超过报警上限 时间 2 0 0 7 - 2 2 51 4 ：4 9 数值( 姗1 ) 9 34 8 2 3 4 5 6 7 8 9 旧 1 1 一瓦垂直振动超过危险上限 2 0 0 7 2 - 2 51 4 ：5 01 6 89 1 2 一瓦垂直振动超过报警上限 2 0 0 7 2 - 2 51 4 ：5 01 4 71 13 一瓦垂直振动 超过危险上限2 0 0 7 2 2 51 4 ：5 0 1 5 08 1 4瓦垂直振动超过报警上限 2 0 0 7 - 2 - 2 51 4 ：5 01 3 41 15 一瓦