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 1000Hz I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 0 280 450 711 121 82 84 57 111 2182845 A 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 滚动轴承齿轮 旋转机械滑动轴承 类比法确定振动限值 C泵的振动超过同类诸泵的振动一倍 C泵应定为有故障 滚动轴承机械的报警参考值 滑动轴承机械的报警参考值 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 瀑布图 对数模式的频谱图 12 对数坐标显示 三 时域波形分析 1 传感器类型选择的重要性 一般选择非接触式涡流 位移 传感器 速度传感器或加速度传感器来对振动进行测量 它们具有各自不同的特性 特别是频率响应特性 这些差异会在时域波形图中显示出来 频率范围和时域波形的范围呈反比 下面是它们的实际关系 时间间隔 样本的数量 频带宽度 2 56 频带宽度 样本的数量 时间间隔 2 56 2 测量参数设置 3 进行分析 对时域波形进行分析主要有三个原因 第一 你能在时域波形图中看到一些频谱中无法看到的现象 第二 许多故障状态需要根据时域波形图来识别 第三 我们可以利用时域波形来进行一些有用的计算 4 分析方法 通过一个简单的例子介绍分析方法 信号周期图 信号频谱图 特征频率 故障根源分析 一 根源分析 根源分析 即查找问题的根本原因 振动分析的一个好处是能够检测故障 诊断出故障原因并判断问题的严重程度 最后给出维修措施 二 检查历史数据 查看状态监测数据 可以发现轴承最早出现不平衡或不对中的信号 还可以从中看到共振的显示 这是一个在测试两天后就失效的电机轴承的早期测试数据图 它显示1X轴向数据有不对中或槽轮偏离 故障类型 不平衡不对中松动其它故障类型 静态不平衡 静态不平衡频谱图 特征 径向1X波峰 垂直或水平方向上 偶不平衡 偶不平衡频谱图 特征 径向1X波峰 垂直或水平方向上 动态不平衡 动态不平衡 转子上可能同时存在着静态不平衡和偶不平衡 这种情况称之为动态不平衡 静态不平衡和偶不平衡的区分 对于静态不平衡 在机器两端是同相的 对于偶不平衡 机器两端的相位相差180度 然而 在大多数情况下 都是动态不平衡 静态不平衡和偶不平衡的组合 垂直安装的机器 垂直安装机器的不平衡频谱图 特征 径向1X波峰 水平方向上 悬吊式机器 悬吊或悬臂式设备的不平衡频谱图 特征 轴向和径向上高强度1X波峰 垂直或水平方向上 平行不对中 轴向上平行不对中频谱图 特征 径向2X波峰 径向1X低幅波峰 垂直或水平方向上 径向上平行不对中频谱图 轴线角度不对中 径向上轴线角度不对中的频谱图 特征 轴向1X波峰 轴向2X低幅波峰 径向1X低幅波峰 轴向上轴线角度不对中的频谱图 不对中和不平衡的区分 区分不对中和不平衡的一个方法是提高机器的转速 如果是不平衡 振幅的增加会与速度的平方成正比 反之 不对中引起的振动却不会随速度发生变化 当然 并不是所有机器都能够进行这样的测试 另外还有一种可以进行的测试就是单独测量不带连接器的电机 如果存在较高的1 振幅 则说明电机出现不平衡 如果1 振动消失了 则不是所驱动部件的不平衡问题就是不对中问题 每个这样的小测试都能为我们提供很多有用的信息 松动 松动也会产生非常明显的1 基频波峰 在实际中存在有两种类型的松动 旋转松动和非旋转松动 旋转部件的松动是由于旋转件和类似轴承的固定件间的间隙太大所造成的 而非旋转性的松动一般是出现在两个固定的部件之间 例如基脚与地基 机器和轴承箱间的松动等 旋转松动 旋转松动频谱图 特征 径向1X谐波 严重时出现0 5X谐波 结构松动 结构松动频谱图 特征 水平方向上1X波峰 轴承座松动 轴承座松动频谱图 特征 径向1X 2X和3X波峰 共振 共振时的频谱图 特征 频谱中通常只在一个方向有 峰丘 出现 轴弯曲 轴弯曲时的频谱图 特征 轴向1X波峰 偏翘轴承 偏翘轴承的频谱图 特征 轴向1X 2X和3X波峰 转子摩擦 转子摩擦时的频谱图 特征 径向1X谐波 严重时有0 5X谐波 D 节圆直径d 滚珠直径 接触角z 滚珠数R 轴的转速频率 滚动轴承故障的特征频率 外环故障频率内环故障频率滚珠故障频率保持架碰外环保持架碰内环 测试位置的选择 滚动轴承故障的频谱 轴承每一种零件有其特殊的故障频率 随着故障发展 它的幅值增加 并有谐波谐波两边产生边频还可用非频率域的诊断方法 如共振解调 电机 离心泵 带滚动轴承的机械的频谱特点 滚动轴承的主要失效形式 1 疲劳点蚀 2 塑性变形 转速很低或作间歇摆动 3 磨损 润滑不良 密封不严 多尘条件 带滑动轴承的机械的频谱特点 变速箱分析 齿轮啮合齿磨损齿负载齿轮啮合侧隙齿轮不对中齿轮破裂或折断追逐齿频率 齿轮啮合 齿轮啮合时的频谱图 特征 通常会在轴的转速频率和齿轮啮合频率处出现波峰 但是幅值不高 可能会出现2X波峰 并且在齿轮啮合频率附近有轴转速频率的边频带 对于直齿轮主要的振动是在径向 斜齿轮主要的振动是在轴向 齿磨损 齿磨损时的频谱图 特征 齿轮啮合频率附近的1X边频带当齿轮的齿开始发生磨损的时候 会发生两件事情 第一件是齿轮啮合频率处边频带的幅值升高 而边频带的振幅决定于齿轮的转速 第二件事情是将出现齿轮固有频率的振动 固有频率振动也会有边频带产生 并且它有很宽的基频 齿负载 齿负载时的频谱图 特征 齿轮啮合频率处高强度波峰齿轮啮合频率处振幅的大小决定于带动这个齿轮的轴的对中程度和齿轮上的载荷 齿轮啮合频率处的有波峰并不一定意味着存在故障 齿轮啮合频率 齿数x轴的转速 输出转速 输入转速x主动轮齿数 被动轮齿数 齿轮啮合侧隙 齿轮啮合侧隙时的频谱图 特征 啮合频率附近的1X边频带齿轮啮合侧隙会在啮合频率附近产生轴转速频率边频带 当存在这个问题的时候 齿轮啮合侧隙波峰和齿轮的固有频率波峰将随着载荷的增加而减弱 齿轮不对中 齿轮不对中时的频谱图 特征 齿轮啮合频率谐波附近的1X边频带不对中齿轮会在啮合频率处产生带有边频带的啮合频率振动 但是有啮合频率的谐波是很常见的 在二倍和三倍啮合频率处谐波的蜂值还比较高 因此 设置较高的频率范围 Fmax 使所有要测量的频率都能看到 是很重要的 齿轮破裂或折断 齿轮破裂或折断时的频谱图 特征 径向高强度的1X波峰 齿轮固有频率 啮合频率处的1X边频带最好的方法是观察破裂或折断的轮齿的时域波形 如果齿轮有12个齿 那其中一个齿的波形就会和其他不同 脉冲的时间间隔等于齿轮的旋转周期 齿上一固定点重复啮合的时间差 追逐齿频率 追逐齿频率的频谱图 特征 追逐齿频和2XHT 追逐齿频率 是一个齿轮的一个齿与另外一个齿轮的某一特定齿相啮合的频率 如果齿轮传动比是整数 例如1 2 3 追逐齿频率就等于大齿轮的转速 每旋转一周相同的齿轮会啮合一次 齿轮故障的频谱 齿轮啮合频率GMF等于齿数乘以齿轮转速频率 齿轮啮合频率两边有边频间距为1X 随着齿轮故障发展 边频越来越丰富 幅值增加 齿轮箱 上辊 下辊 输入轴 联轴器 如果联轴器没有正确安装或使用 如不平行的法兰面 将出现与轴线角度不对中相似的振动模式 联轴器不平衡也是一个很常见的问题 它会在频谱的径向上出现高幅的1 和2 振动分量 联轴器的磨损会产生不对中和松动的所有症状 联轴器不平衡时的频谱图 联轴器磨损时的频谱图 第五章现场应用 通过对前面章节的学习我们了解了振动的基本原理以及信号分析的相关知识 本章的第一节将详细介绍实际故障诊断过程中所要面对和考虑的实际问题 如机器设备的数量和基本参数 如何测量以及测量后报警值如何设定等问题 第二节将介绍日常监测诊断的阶段划分及如何提升状态监测在企业中的地位 到车间进行调查 首先要考察企业现有设备的状况 必须从经济的角度出发来考虑相关的问题 如设备的可靠性 重要性和耐用度等 同时兼顾现场的实际情况 可接近性和位置场地等 经济因素 所作的一切都必须考虑经济上的可行性 如果没有在经济上对实施状态监测所需的时间和开销进行评估 就暂时不要实施该监测计划 必须对机器的历史记录进行研究 看它是否可靠 由于故障造成的影响是什么 停工期 继发损坏和部件 工人需求 造成了多长时间的生产停工 花费了多少资金 是否有备用部件 必须考虑监测故障所需的技术条件 是仅用振动监测就足够了 还是需要一些其它的监测技术 如红外线热谱 磨损颗粒分析等等 现场因素 对于任何的监测技术 都必须考虑它的安全性和实用性问题 如果是遥控设备或设备工作在一个很恶劣的条件中或轴承安装在很难接近的位置 则需要安装永久性传感器或者是在线的监测装置 永久性的传感器直接安装在机器内 转接点选在方便连接的位置 了解机器 了解轴承的相关参数是非常有用的 主要包括轴承的物理参数 滚珠数等 和扰动频率 应该记住 当轴承真正失效时其症状通常都会很 明显 参见故障诊断部分中的描述 因此并不要求完全了解这些参数 标准测试条件 你同时还必须建立一套标准 保证进行重复测试所需要的条件 知道机器是否运转在相同速度和载荷下是非常重要的 因为在进行振动测量所得数据的比较时我们希望测试的结果只随着机器状态的改变而改变 测量位置 水平安装机器安装位置的选择 机器上的测点位置和方位应该与机器主应力的传播方向相吻合 对于水平安装的机器 其测量读书通常取自水平面上 但其主要部件 电机 泵 风扇等 上至少采集一个垂直方向的数据 轴向上的数据在延伸方向上采集 然而 轴向应力通常都是均匀的传播到主轴位置 怎样测量 现在你必须决定采集什么数据 主要包括两个问题 首先你必须决定测量的类型 总振值 频谱等 第二是测量所需要的条件和参数 频率范围 平均次数等 怎样测量 测量数据的频谱图 推荐的方法是 首先计算扰动频率的大小 如前所述 然后以至少高于最高频率的30 的频率范围来采集数据 如果支持两个频率范围 低频率范围测量时通常设在10倍转速 高频率范围设定为100倍转速 建立数据库 每个状态监测系统都是不同的 但好的系统使用数据库设置向导让你一步步操作下去 不但可以建立数据库 同时还可以对扰动频率和频段进行设置 以保证诊断报告和专家系统能够正确判断状态 数据库的任务是标识每台机器和测试位置 位置通常是有限制的 沿着传动路径从驱动部件到被驱动部件 并命名为 电机连接端 泵自由端 等等 你必须使用一个易于识别和理解的命名规则 测量位置名称将出现在数据采集器的屏幕上和报告中 因此位置名称必须清楚明确 寿命预测 在设备维修决策过程中 如果能够比较准确地对设备故障停机时间做出预测 在后续制定维修计划