《旋转设备状态监测与故障诊断案例分析》

1、内容提要一、设备故障诊断概况二、现场振动测试要点三、现场设备振动的评定标准四、现场设备故障诊断及实例分析 一、设备故障诊断概况1设备故障诊断目的 1）能及时地、正确地对各种异常状态或故障状杰作出诊断。预防和消除的障，对设备的运行进行必要的指导，提高设备运行的可靠性、安全性和有效性，以期把故障损失降低到最低水平。 2）保证设备发挥最大的设计能力，制定合理的监测维修制度，以便在允许的条件下充分挖掘设备潜力，延长服役期限和使用寿命，降低设备全寿命周期费。 3）通过检测监视、故障分析、性能评估等，为设备结构修改、优化设计、合理制造及生产过程提供数据和信息。 2 设备故障诊断的任务 设备故障诊断的任务是

2、监视设备的状态，判断其是否正常：预测和诊断设备的故障并消除故障；指导设备的管理和维修。1）状态监测 通常设备的状态可分为正常状态、异常状态和故障状态几种情况。 状态监测的任务是了解掌握设备的运行状态，包括采用各种检测、测量、监视、分析和判别方法，结合系统的历史和现状，考虑环境因素，对设备运行状态进行评估，判断其处于正常或非正常状态，并对状态进行显示和记录，对异常状态作出报警，一边运行人员及时加以处理，并为设备的故障分析、性能评估、合理使用和安全工作提供信息和准备基础数据。 2）故障诊断 故障诊断的任务是根据状态监测所获得的信息，结合已知的结构特性和参数以及环境条件，结合该设备的运行历史（包括运

3、行纪录和曾发生过的故障及维修记录等），对设备可能要发生的或已经发生的故障进行预报和分析、判断，确定故障的性质、类别、程度、原因、部位，指出故障发生和发展的趋势以及后果，提出控制故障继续发展和消除故障的调整、维修、治理的对策措施，并加以实施，最终使设备复原到正常状态。 因此故障诊断的方实质上是一种状态识别方法。 3）指导设备的管理维修 设备故障诊断技术的发展，一方面使设备在运行过程中的安全性得到了一定的保证，有可能在设备发生故障前即能得到预报，及时采取措施，防止事故进一步发展，使故障可以及时得到处理：另一方面设备故障诊断技术的发展有可能完善设备的维修制度，具有十分重大的经济意义。3 设备故障诊断

4、技术的内容设备故障诊断的内容包括状态监测、分析诊断和故障预测三个方面。其具体实施过程可以归纳为以下四个方面：1）信号采集 设备在运行过程中必然会有力、热、振动及能量等各种量的变化，由此会产生各种不同信息，根据不同的诊断需要，选择用不同的传感器来拾取表征工作状态的不同信号，如振动、压力、温度等。2）信号处理 这是将采集到的信号进行分类处理、分工，获得能表征机器特征的过程，也称特征提取过程，如对振动信号从时域变换到频域进行频谱分析即是这个过程。3）状态识别 将经过信号处理后所获得的设备特征参数与规定的允许参数或判别参数进行比较、对比以确定设备所处的状态。正确制定相应的判别准则和诊断策略。 4）诊断

5、决策 根据对设备状态的判断，决定应采取的对策和措施，同时应根据当前信号预测设备状态可能发展的趋势，进行趋势分析。 上述诊断内容可用图来表示。 4 设备故障信息的获取方法 前面已经提到要对设备故障进行诊断，首先应获取有关信息。一个良好的诊断系统首先应该能正确地、全面地获取监测和诊断所必须的全部信息。下面介绍信息获取的几种方法。 1）直接观测法 应用这种方法对机器状态作出判断主要靠人的经验和感官，且限于能观测到的或接触到的机器零部件。这种方法可以获得第一手资料，更多的是用于静止的设备。在观测中有时使用了一些辅助的工具和仪器，如倾听机器内部声音的听棒，检查零件内孔有无表面缺陷的光学窥镜，探查零件表面

6、有无裂纹的磁性涂料及着色渗透剂等，来扩大和延伸人的观测能力。 2）参数测定法 根据设备运行的各种参数的变化来获取故障信息最广泛应用的一种方法。因为机器运行时由于各部件的运动必然会有各种信息，这些信息参数可以是温度、压力、振动或噪声等，它们都能反映机器的工作状态。为了掌握机器运行的状态可以利用一种或多种信号，如根据机器外壳温差的变化可以掌握其变形情况，根据轴瓦下部油压变化可以了解转子对中情况，又如分析油中金属碎屑情况可以了解轴瓦磨损程度等。在运转的设备中，振动是最重要的信息来源，在振动信号中包含了各种丰富的故障信息。 对旋转机械来说，目前在国内外应用最普遍的方法是利用振动信号对机器状态进行识别。

7、从测试手段来看，利用振动信号进行测试也最方便、实用，要利用振动信号对故障进行判别，首先应从振动信号中提取有用的特征信息，即利用信号处理技术对振动信号进行处理。目前应用最广泛的处理方法是进行频谱分析，即从振动信号中的频率成分和分布情况来判断故障。3）磨损残渣测定法 测定机器零部件如轴承、齿轮、活塞环等的磨损残渣在润滑油中的含量，也是一种有效的获取故障信息的方法。根据磨损残渣在润滑油中含量及颗粒分布可以掌握零件磨损情况，并可预防机器故障的发生。4）设备性能指标的测定 设备性能包括整机及零部件性能。通过测量机器性能及输入、输出量的变化信息来判断机器的工作状态也是一种重要方法。 对机器零部件性能的测定

8、，主要反映在强度方面，这对预测机器设备的可靠性，预报设备破坏性故障具有重要意义。5设备故障的检测方法 机器设备有各种类型，因而出现的故障也多种多样。不同的故障需要采用不同的方法来诊断。对具体的各种故障应采用的方法及各种诊断方法的应用范围作介绍。1）振动和噪声的故障检测 这是大部分机器所共有的故障表现形式，一般采有以下方法进行诊断：a振动法 对机器定部位的振动值如位移、速度、加速度、转速及相位值等进行测定，与标准值进行比较，据此可以宏观地对机器的运行状况进行评定，这是最常用的方法。b特征分析法 对测得的上述振动量在时域、频域、时频域进行特征分析，用以确定机器各种故障的内容和性质。c模态分析与参数

9、识别法 利用测得的振动参数对机器零部件的模态参数进行识别，以确定故障的原因和部位。d冲击能量与冲击脉冲测定法 利用共振解调技术（IFD）用以测定滚动轴承的故障。2）材料裂纹及缺陷损伤的故障检侧 材料裂纹包括应力腐蚀裂纹及疲劳裂纹，一般可采用下述方法进行检测： a超声波探伤法 该方法成本低，可测厚度大，速度快，对人体无害，主要用来检测平面型缺陷。 b射线探伤法 主要采用X和r射线，该法主要用于展示体积型缺陷，适用于一切材料，测量成本较高，对人体有一定损害，使用时应注意。 c渗透探伤法 主要有荧光渗透与着色渗透两种，该法操作简单，成本低，应用范围广，可直观显示，但仅适用于有表面缺陷的损伤类型。 d

10、磁粉探伤法 该法使用简便，较渗透探伤更灵敏，能探测近表面的缺陷，但仅适用于铁磁性材料。e涡流探伤法 这种方法仅对封闭在材料表面下的缺陷有较高检测灵敏度，它属于电学测量方法，容易实现自动化和计算机处理。3）设备零部件材料的磨损及腐蚀故障检测 这类故障除采用上述无损检测中的超声探伤法外尚可应用下列方法： a光纤内窥技术 它是利用物制的光纤内窥技术直接观测到材料表面磨损及腐蚀情况 b油液分析技术 油液分析技术可分为两大类，一类是油液本身的物理、化学性能分析，具体的方法有光谱分析法与铁谱分析法。 4）温度、压力、流量变化引起的故障检测 机器设备系统的有些故障往往反映在一些工艺参数，如温度、压力、流量的

11、变化中，在温度测量中除常规使用的装在机器上的热电阻、热电偶等接触工测温仪外，目前在一些特殊场合使用的非接触式测温方法有红外测温仪和红外热像仪。它们都是依靠特体的热辐射进行测量。现场旋转设备状态评估及方法A、状态监测？离线测量？B、状态评估方法讨论。C、简易振动测量。部位？方向？测振单位？评估标准？D、精密振动测试与故障诊断。二、现场振动测试要点三、现场设备振动的评定标准1 判断标准 为了对设备的状态作出判断，判断是否存在故障及故障的程度如何，必须对表征机器状态的测量值与规定的标准值进行比较，常用的有三种判断标准。旋转机械的绝对判断标准 评定机器振动状态的物理量可以是：振动加速度、振动速度及振动

12、位移。 对于旋转机械如汽轮发电机组、压缩机组等则以振动位移作为评定的物理量，因而位移量可以更直观、更直接地了解转子的运动情况。 对于轴承座，国际上规定用振动烈度作为评定的物理量，因为振动烈度反映了振动能量的大小，用振动烈度表示可以从能量观点直接反映振动物体的动强度。 设v(t)表示振动速度时间历程，振动烈度即振动速度有效值 表示为 四、现场设备故障诊断及实例分析振动参数的选择旋转设备振动频谱分布图1、转子质量不平衡引起的振动造成转子振动的原因很多,也很复杂,但是不平衡是转子振动的主要原因之一,约占转子系统振动原因的30%,约占机械全部故障的50%。造成转子质量不平衡的原因主要有:转子磨损（主要

13、是叶片)不均匀或腐蚀;转子表面有不均匀积灰或附着物(如铁锈）; 主轴局部高温使轴弯曲;转子检修后未找平衡;转子上零件松动或连接件不紧固。转子不平衡引起的振动频率特征分析振动值以水平方向为最大，而轴向小，并且轴承座承力轴承处振动大于推力轴承处；振幅随转数升高而增大;振动频率与转速频率相等;振动稳定性比较好，对负荷变化不敏感;相位特征:当工作转速一定时,相位稳定;转子两侧轴承的相位基本一致或相差180。对于双支承转子，若同一轴承上水平方向与垂直方向振动相位差约90（30），内侧轴承与外侧轴承水平方向振动的相位差接近垂直方向振动的相位差，则转子为不平衡故障；对于悬臂转子，如果支承转子的两轴承的轴向相

14、位近似相等（30），则说明悬臂转子不平衡。 转子的轴心稳定运行时,其轨迹为椭圆。分析诊断：1风机振动标准：ISO2372标准（200KW），。换成位移峰峰标准是。2、3. 机组有不平衡的现象；采取现场动平衡解决。*不平衡、偏心和弯曲转子的故障* 不平衡转子、偏心转子和弯曲转子都能引起较大的振动，这些故障的频谱图非常相似，以振动幅值和谱图很难区分这3种故障，若依据振动相位加以区别，问题变得相对简单。偏心转子同一轴承上水平方向与垂直方向振动相位差约为0或180。这里所说的偏心转子指的是轴的中心线与转子的中心不重合的转子，也就是说旋转体的几何中心与旋转轴心存在偏心距。弯曲轴的两个轴承之间的轴向方向相

15、位变化接近180，这与弯曲的程度有关。对同一轴承不同点的轴向方向做若干测量，通常会发现在轴承的左侧和右侧测量的相位之间发生接近180的相位差.在同一轴承的上侧与下侧测量的相位之间也发生接近180的相位差。 2、不对中引起的振动频率特征分析电机接手不对中特征，电机轴承间隙偏大特征风机接手不对中特征风机接手不对中特征，风机轴承间隙偏大特征分析诊断：1风机振动标准：ISO2372标准（2000KW），4.5mm/s。机组振动大（A25.16mm/s12.51Hz、50.01 Hz；A54.89mm/s9.83Hz、19.74Hz；A65.5mm/s9.86Hz）；振动原因有：1、机组有两接手不对中的

16、现象；检查并调整对中。2、电机、风机轴承轴隙偏大的现象；检查轴承。3、松动引起的振动频率特征分析4、滚动轴承故障引起的振动频率特征分析 有资料显示仅有1020的轴承达到或接近设计寿命. 其余部分因为如下各种原因达不到设计寿命: 润滑不当, 使用错误的润滑剂；润滑剂或轴承内混入赃物或杂质；运输或存放不当；选型不当、安装错误等. 振动监测的最终目的是通过跟踪轴承状态了解何时需要更换轴承.第一阶段： 轴承故障出现在超声段20 60KHz, 它们可用gSE、高频(HFD)g来测量、评定。例如：某轴承在第一阶段的尖峰能量值为0.25gSE(实测数值与测试位置和机械转速有关)。第二阶段： 轻微的轴承故障开

17、始“敲击”出轴承元件的固有频率段，一般在5002KHz范围内；本阶段后期表现为，在固有频率附近出现边频（例：0.25gSE 0.5gSE ）第三阶段： 轴承出现磨损故障频率和谐波出现； 磨损发展时出现更多故障频率谐波，并且边带数目增多，振动尖峰能量值继续增大。第四阶段： 这一阶段甚至影响1X分量，并引起其它倍频分量2X、3X等的增大。轴承故障频率和固有频率开始“消失” 被随机振动或噪音代替，高频量和尖峰能量值很大。吐丝机事故分析2013年1月3日吐丝机发生出口大轴承损坏事故，造成非计划倒规格。经调查该轴承为2012年10月18日检修更换上线，上线后运行情况良好。但在2012年12月13日更换吐丝机吐丝管支架后，吐丝机轧制9.0及以下规格时，吐丝机运行声音明显增大，后续多次开窥视孔检查，发现轴