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1、2012 年 1 月 （上 ）科 技 创 新科技创新与应用 旋转机械振动监测与故障分析 赵贺嘉 （黑龙江省大庆市大庆炼化公司设备监测中心， 黑龙江 大庆 163411 ） 旋转机械是电力、 石油化工、 冶金、 机械、 航空以及一些军事工 业部门的关键设备。 随着现代工业和科学技术的发展以及自动化程 度的进一步提高， 旋转机械正朝着大型化、 高速化、 连续化、 集中化 及自动化方向发展，生产系统中各设备之间的联系也越来越紧密。 由于各种随机因素的影响， 再加上其结构复杂， 工作在高温、 高速的 恶劣条件下， 旋转机械比较容易发生各种机械故障， 降低或失去一 定的功能。旋转机械的故障类型有很多种，
2、 如质量不平衡、 油膜涡 动、 转子不对中、 碰磨等， 于是旋转机械运行的状态就有很多种， 可 能是正常运行， 也可能是一种故障或多种故障同时发生。这些故障 在机械运转中将产生各种振动信号， 而某一振动信号将对应某一故 障或几种故障的综合。因此振动信号可以反映各种故障， 从而为诊 断旋转机械的各种故障提供了振动诊断方法。因此， 研究并发展旋 转机械的故障诊断技术是当前科技和工业发展的主要研究课题之 一。 为保证大型旋转机械安全可靠运行， 一般都配置状态监测和故 障诊断系统大型旋转机械运行时， 振动参数能比其他的状态参数 更直接、 快速地反映机组的运行状态， 目前大多采用振动参数作为 机组状态监
3、测和运行状态趋势预测依据因此， 针对不同的旋转机 械， 怎样找到振动参数的共性与特性并将它们加以应用， 就成为状 态监测和故障诊断系统的关键。 随着电子技术和信号处理技术的迅猛发展， 转子轴承系统动力 特性研究的不断深入， 有力地促进了大型旋转机械状态监测和故障 诊断技术的发展； 同时， 虚拟仪器技术的迅猛发展， 也使大型系统的 开发成本不断降低。 1 系统的总体设计 11 数据采集卡 数据采集卡是硬件设计的核心，本系统采用 NI 公司推出的低 价位 M 系列的多功能数据采集卡 PCI- 6221性能参数： 8 路差分输 入或 16 路单端输入、 16 位 AD 转换器(逐次逼近工作方式)、
4、最大采 样频率 250KHz、 信号输入范围(10V、 5V、 1V、 02V)。 12 系统的总体框图 根据旋转机械由很多特定部件所组成的特点， 系统设置了多个 通道， 对旋转机械的不同部件进行监测和诊断机体、 转子、 轴承等 振动参数经传感器、 转换电路， 转换为电量输出， 再通过低通滤波器 滤除高频干扰， 经过数据采集卡进行 AD 采样后， 送到计算机， 计算 机再对其进行处理。 2 系统的软件设计 系统软件分为信号采集控制、 信号分析处理和状态监测与故障 诊断三个模块， 有参数设定简洁直观、 实时动态显示各种信号波形、 数据查询方便、 快捷、 数据分析方法全面、 详细， 可靠性高等特点
5、。 21 信号采集控制模块 信号采集控制模块实现与数据的采集卡的双向数据通讯， 从数 据采集卡读取数字信号， 存入实时数据库， 并与信号分析处理模块 协调工作。 22 信号分析处理模块 信号分析处理模块， 包括在线分析处理、 离线分析处理和小波 分析处理三个模块。 信号分析处理模块是整个软件系统的核心部分， 在线、 离线信 号分析处理模块采用 LabVIEW 进行编程另外由于离线分析模块中 的小波分析功能比较简单，为了更好的达到对振动信号处理的目 的， 采用 LabVIEW 与 MATLAB 相结合， 编写独立的小波分析模块， 充分利用两种语言的优点， 实现完善的小波分析功能。 23 状态监测
6、与故障诊断模块 此模块能够实现的功能， 采用模拟表盘的显示方式， 可实时对 系统的运行状态进行监测、 报警监测参数可选择振动信号的各种 特征值， 方法采用门限比较法； 监测结果分为安全、 超限、 危险三种 情况， 结果分别用绿色、 黄色、 红色三种颜色表示。 故障诊断模块， 采用统计识别法和模糊识别法两种方法在统 计识别法中采用三种门限比较法， 分别是： 累加法、 逐项比较法和综 合法在模糊识别法中采用的模糊关系矩阵， 是根据旋转机械常见 故障的机理和故障的特征所确定的， 矩阵中的数据是通过查阅参考 文献所得； 采用的十种故障向量及提取的 9 个频段的特征参数向量 都是根据旋转机械的故障机理和
7、其对应的频谱征兆所得。 3 系统运行情况 31 故障诊断模块运行情况 以旋转机械的振动信号故障特征提取和诊断为例， 来说明诊断 的步骤同时需要说明的是， 由于实验数据的缺乏等条件的限制， 致 使标准值、 门限值等初始参数的确定还有待进一步的考察和完善。 下面给出诊断步骤及相应的实例结果： (1)振动信号特征参数提取。 (2)各通道参数隶属度计算。 (3)利用 最大最小法计算得到最终各通道状态隶属度向量 4)诊断结果显示 最后通过计算得出的最大隶属度值为 085659，设定当隶属度 值大于 07 时进行诊断， 诊断结果为 “低(中)压压气机转子发生推力 轴承损坏故障” ，这一结果既给出了诊断部位
8、又诊断出了故障的原 因， 达到了预期的诊断目的待干燥过滤器口有制冷剂排出时， 停止 充注用 1MPa 的高压干燥氮气从修理阀注入到冷凝器， 2min 后在确 认没有污物及水分排出时， 停止充加干燥氮气， 关氮气瓶阀。 如此操 作所起的作用是以把冷凝器内的水分及冷冻油抽出系统外。 32 检漏 把冷凝器口和回气管口与压缩机接上， 用银焊条焊接好， 然后 更换干燥过滤器。同时， 用干燥氮气从压缩机工艺管口加入并使压 力逐步升高到试验压力值 08MPa，然后用肥皂水对整个系统的焊 口进行仔细的检漏， 检查有无气泡出现， 如有就放掉氮气， 重新焊 接， 重复以上步骤检查， 直到没有泄漏为止。 33 抽真
9、空， 充注制冷剂 在压缩机工艺管口接上压力真空表， 阀头用耐压胶管与真空泵 连接， 对系统进行抽真空， 时间为 1h 左右， 待系统内的压力降到刀。 1MPa 以-卜时， 停止抽真空。关上压力表阀门， 移开真空泵， 接上制 冷剂钢瓶，对系统以气体形式充注制冷剂，在充注量达到总量的 80时， 停止充注， 接上电源， 启动压缩， 10min 后， 再充注制冷剂直 到达到要求的总量为止。然后试机 3h 以上， 看有没有发生堵塞， 箱 内温度下降是否正常， 如正常则可以对工艺管口进行封口处理。 4 降低制冷系统堵塞故障概率的措施 制冷系统各部件在组装焊接之前-定要清洗干净，焊接管路时 要快要准， 避免
10、因焊接不良在管道内壁产生的氧化皮层脱落而造成 “脏堵” 故障。另外， 考虑到空气中有水蒸气， 而水蒸气在 0以下会 结冰，所以在对超市冷藏柜加注制冷剂之前一定要彻底抽真空， 并 且要抽至剩余压力小于刀1MPa，若真空达不到要求，容易形成冰 堵。 同时， 在更换干燥过滤器后， 要把原来平放的干燥过滤器向上旋 转 90， 垂直安装， 出口向上， 这样可以避免一些有体积和重量的杂 质堵塞过滤器和毛细管。此外，市场上还有不少早期出厂的使用 R12 制冷剂的超市冷藏柜，在用 R134a 替代 R12 的操作中要注意， 原有的压缩机润滑油必须更换， 这是因为与 R12 配用的冷冻机油不 溶于 R134a， 如果这种机油用于 R134a 系统， 它不会随制冷剂一起 循环， 因而不能发挥润滑作用， 这将严重影响压缩机的寿命。因此， 必须换用能与 R134a 溶合的 PAG 或 ESTER 型人工合成油。 摘要：旋转机械振动诊断是故障诊断技术中非常重要的一个方面。在诊断中采用振动信号， 无论在信号的采集、 数据的处理和 故障的识别上都简便可靠， 尤其适用于不停机在线监测和诊断报警。 关键词：旋转机械； 振动检测； 故障分析 22-