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1、北京盛智振通公司设备状态监测与故障诊断技术尚振国 13811976498邮箱：一一 设备故障诊断技术的概况设备故障诊断技术的概况1、设备故障诊断技术定义：设备故障诊断技术定义：1-1定义定义：是一种了解和掌握设备在运行过程的状态（设备基本不拆卸、不解体情况），采用一定的检测手段，根据数据和经验的积累确定其整体或局部是正常或异常，能早期发现故障及原因，并能预报故障发展趋势的技术。状态监测与故障诊断的关系状态监测与故障诊断的关系n状态监测与故障诊断的关系：状态监测与故障诊断的关系：n机械设备状态监测与故障诊断既有区别、又有联系，是同一学科的两个层次，（简易与精密）。简易与精密）。n状态监测也称为简
2、易诊断简易诊断，一般是通过测定设备的某些较单一的特征参数（如振动、温度、压力等）来检查设备状态。n如果对设备进行定期或连续的状态监测，便可获得有关设备状态变化的趋势规律，据此可预测和预报设备的将来状态。n故障诊断也为称精密诊断，不仅要掌握设备的状态正常与否，同时还需要对产生故障的原因、部件（位置）以及故障的严重程度进行深入的分析和判断。监测和诊断的各种手段n 振动：振动：适用于旋转机械、往复机械、轴承、齿轮等。n温度（红外）：温度（红外）：适用于工业炉窑、热力机械、电机、电器等。n 声发射：声发射：适用于压力容器、往复机械、轴承、齿轮等。n 油液（铁谱）油液（铁谱）：适用于齿轮箱、设备润滑系统
3、、电力变压器等。n 无损检测：无损检测：采用物理化学方法，用于关键零部件的故障检测。n 压力：压力：适用于液压系统、流体机械、内燃机和液力耦合器等。n 强度：强度：适用于工程结构、起重机械、锻压机械等。n 表面：表面：适用于设备关键零部件表面检查和管道内孔检查等。n 工况参数：工况参数：适用于流程工业和生产线上的主要设备等。n 电气：电气：适用于电机、电器、输变电设备、电工仪表等。仪器分类仪器分类：n离线测量仪表 便携式测振表 数据采集器n在线测量系统 表盘式的 计算机化的监测和诊断仪器的分类和选用仪器选用原则仪器选用原则：被监测对象在生产中的地位 生产的规模和产量 预计的投资 设备管理人员的
4、水平和素质监测和诊断仪器的分类和功能监测和诊断仪器选用在线监测数据自动采集离线监测数据周期采集25重要机器重要机器5关键机器关键机器30一般重要机器一般重要机器20次要机器次要机器20普通机器普通机器不监测用坏为止透平机压缩机汽轮发电机组燃气轮机大电机大、中型泵风机齿轮箱小电机小型泵通风机二、二、振动测量基本特征参量的描述振动测量基本特征参量的描述 振振动动是指物体在平衡位置上作往复运动的现象。简谐振动，如一个单摆或一个弹簧质量系统。1、振振幅幅：是指振动物体偏离静平衡位置的最大距离。工程上常称为振动峰值，一般用A表示其振动强度。2、频率频率：是指振动物体往复一次所需的时间T称为周期，单位（s
5、）秒。而振动物体在一秒钟往复的次数称为频率。用f 表示，单位：Hz。周期与频率关系互为倒数f=1/T。有时也用角频率来表示。=2/T=2f。3、初初始始相相位位角角：是指某一振动频率成分的初始点偏离平衡位置的相位，一般用表示。相位分析在故障诊断技术中越来越受到人们重视。因不同振源都会有各自的相位，相同的相位可能会引起合拍共振，产生严重后果；如相位相反可能会引起抵消，起到减振作用。三、振幅的表示方法三、振幅的表示方法 1、峰值：峰值：（单峰值、双峰值）表示波的最大位移。2、平平均均值值：从数学关系上看对波形的绝对平均（一般不用它）只是对时间积分，没什么物理意义。3、有有效效值值：均方根值、RMS
6、。它是对幅值的最适当的度量。它既考虑了波形的时间历程又给出了与能量直接有关的量值，同时也代表了振动的破坏能力，通常称为“振动烈度”。常用于振动速度或加速度值。对于简谐振动来说，峰值A与其关系为：平均值=0.637A、有效值=0.707A。一些国际振动标准也常采用速度有效值来表示。四、振动参数选择四、振动参数选择 振动参数常用的有加速度、速度、位移，三者经积分转换。一般情况，对低频振动用位移（小于10Hz）；高频振动用加速度（大于1KHz）；中频振动用速度（101KHz）度量。机器内部损伤还未影响到机器实际工作能力前，高频分量就包含了缺损信息。当内部缺损发展较大时，才从低频信息上反映出来，因此、
7、预测机器是否损坏，高频信息非常重要。单位：位移：um；速度：mm/s；加速度：m/s2或g，1g=9.8m/s 2对简谐振动而言，d、v、a均为同频的简谐振动，若以振动位移d相相位位为参考基准，v超前d(/20，a超前d()。五、五、设备测点布置设备测点布置 1、测点应选择振动信号传递的通道上而且路线最短捷的位置，尽量减少中间界面（近轴端）。2、应选信号反应比较敏感部位做测点。如轴承座、机座，一般为典型测点。3、测点一旦选定，应做好定位标记。4、一般都要选定三个方向来评定振动，特别对低频振动，更要强调其方向性（高频振动对方向不敏感）；通常：H-平衡，V-松动，A-对中。5、对于大型机械设备，应
8、比较全面规划布置测点，多参数测振，合理选用a、v、d。6、了解、掌握设备本身的技术状况，结构原理等历史资料，对分析、判断故障有参考价值。vHAV垂直垂直A轴向轴向H水平水平推荐布点顺序推荐布点顺序六、频带的设置六、频带的设置原原则则：应保证机器振动的所有特征频率信号都能记录下来，请注意二点：1 必须通过计算，了解被测设备的特征频率，包括转频、倍频，以及发生故障时的特征频率、叶频、齿轮啮合频率、滚动轴承固有频率等。2 合理选择传感器和检测仪器，注意它们的频响范围是否与被测机器特征频率相匹配。七、如何如何看看振动波形及频振动波形及频谱谱 一幅通过准确采集后得到的振动波形及频谱，才是有分析价值的，具
9、体是：1、在了解设备技术参数和结构后，先进行频率计算，如，机器的工作频率、齿轮的啮合频率，风机、水泵的叶轮频率，滚动轴承的元件故障特征频率等，已备后用。2、解读：a、读频率，根据计算结果，找出谱图上相对应的机器设备转频、倍频、特征频率（如有误差，与分辨率有关）。b、看幅值，读上述这些单一频率幅值及整个测量频带范围内振动总量值，可列表对照。c、频谱图上的故障识别，定性定量分析，了解振动量上升的变化率及最大值是否接近允许值。不不平平衡衡不不对对中中转子碰磨的时域，频域图形 转子不平衡的典型频谱 角度不对中的典型频谱角度不对中的典型频谱 平行度不对中的典型频谱平行度不对中的典型频谱 转轴弯曲的典型频
10、谱转轴弯曲的典型频谱转转子子不不对对中中故故障障的的诊诊断断 轴承部件松动时的频谱 滚动轴承故障频率阶次图滚动轴承故障频率阶次图 轴轴承承疲疲劳劳时时的的加加速速度度频频谱谱 a正常轴承；b外圈疲劳；c钢球疲劳；d内圈疲劳精密诊断的方法1.频谱分析频谱分析2.时域波形分析时域波形分析3.相位分析相位分析4.质量不平衡质量不平衡5.不对中不对中6.机械松动机械松动7.摩擦摩擦10.轴承（滚动轴承和滑动轴承）轴承（滚动轴承和滑动轴承）11.11.电机故障电机故障12.12.齿轮故障齿轮故障13.13.共振和临界转速共振和临界转速14.14.联轴器联轴器15.15.皮带故障皮带故障16.16.叶片类
11、设备（泵、压缩机故障）叶片类设备（泵、压缩机故障）17.17.柴油机柴油机18.18.发电机组等发电机组等故障诊断从熟悉方面着手频谱分析法n频谱分析法是最基本和最常用的故障诊断方法。n每种故障有其对应的特征频率。n根据特征频率及其变化确定机器的故障性质和严重程度。转动机械常见故障的频率特征强强迫迫振振动动类类故故障障自自激激振振动动类类故故障障R:转动频率不平衡不对中松动滚动轴承故障频率设备故障特征频率设备故障特征频率转子不平衡故障的频谱n波形为简谐波，少毛刺。n轴心轨迹为圆或椭圆。n1X频率为主。n轴向振动不大。n振幅随转速升高而增大。n过临界转速有共振峰。透平风机TOTI齿轮箱1X频率(水
12、平)1X频率(水平)1X频率(垂直)1X频率(垂直)轴向很小轴向很小不平衡故障的特征不平衡故障的特征n不平衡故障的特征：不平衡故障的特征：n1.振动频率主要是转速频率。振动频率主要是转速频率。n转子每转一圈振动一次转子每转一圈振动一次-单峰频谱单峰频谱n2.波形近似为正弦波n3.水平和垂直方向的相位相差水平和垂直方向的相位相差90n4.振幅随转速提高而增加转子不平衡的类型时域波形分析时域波形分析不对中故障特征不对中故障特征不对中类型不对中类型不同联轴节的情况联轴节类型联轴节类型 不对中形式不对中形式 振振 动动 特特 征征刚性联轴节刚性联轴节 平行不对中平行不对中 有有2X2X成分成分 角度不
13、对中角度不对中 轴向振动轴向振动1X1X成分大成分大 轴向振动大，有轴向振动大，有2X2X及高次谐波及高次谐波齿式联轴节齿式联轴节 径向振动可能有径向振动可能有2X2X、3X3X、4X4X 联轴节两侧振动的相位常相反联轴节两侧振动的相位常相反膜片联轴节膜片联轴节 有有n nX X 成分成分（n n为螺钉数）为螺钉数）平行不对中平行不对中n1xrpm径向振动大径向振动大,2x&3x处有谐波处有谐波.n2xrpm轴向振幅可能和轴向振幅可能和1x的一样大或更大的一样大或更大.n在在1x,2x和和3x的径向振动可能比轴向小的径向振动可能比轴向小.图图1平行不对中引起的典型平行不对中引起的典型FFT 说
14、明说明:转轴中心线平行但不相交转轴中心线平行但不相交 轴弯曲的故障诊断轴轴弯曲与不对弯曲与不对中、不平衡都中、不平衡都有高幅有高幅1X频频率。率。不对中、不平衡和轴弯曲故障区分机械松动故障诊断机械松动故障诊断旋转松动旋转松动非旋转松动非旋转松动转子系统松动故障的频谱n波形出现许多毛刺。n谱图中噪声水平高。n出现精确的倍频2X，3X等成分。n松动结合面两边，振幅有明显差别。电机水泵POPI转速的精确倍频成分本例中最高出现16X成分噪声水平高松动故障引起的间入谐量n未松动时的频谱未松动时的频谱n松动时的频谱松动时的频谱n 出现0.5X，1.5X 2.5X，3.5X.等频率成分旋转松动故障轴承松动波
15、谱轴承松动波谱结构松动（非旋转松动）结构松动（非旋转松动）松动结合面两边振动差别大50353815101218402558松动！松动！松动！松动！不松动不松动不松动不松动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 dD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滚动轴承故障的频谱 n轴承每一种零件有其特殊的故障频率。n随着故障发展，它的幅值增加，并有谐波；谐波两边产生边频。n还可用如共振解调、倒频谱等诊断方法。电机离心泵PIPO1X2X频率故障基本频率6.71X基本频率的四个谐波齿轮故障的频谱n齿轮啮合频率 GMF 齿数齿轮转速频率n齿轮啮
16、合频率两边有边频，间距为1X。n随着齿轮故障发展，边频越来越丰富，幅值增加。n可用倒频谱作进一步分析。OUBSISOL齿轮箱上辊下辊输入轴啮合频率GMF上边频下边频2X确定报警值和危险值的方确定报警值和危险值的方法法 绝对法绝对法 根据相应的国际标准、国家标准、行业标准等，如：ISO，GB，API 等。相对法相对法 以机器正常状态的振动值作为基数，自己和自己比。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 101000HzI 级：小型机械 例 15kW以下电机II级：中型机械 例 1575kW以下电机 和300kW以下机械III级：大型机械，刚性基础 60012000r/minIV 级：大型机械，弹性基础 60012000r/minA优优，B良，良，C可可，D不可不可相对法确定振动限值1 2 3 4 5 6 7 8滚动轴承滚动轴承齿齿 轮轮旋转机械旋转机械滑动轴承滑动轴承(23)(46)报警值危险值正常值正常值 国际评判标准国际评判标准建立监测档案建立监测档案 制表、记录测量值及日期。建立档案。感 谢北京盛智振通科技有限公司北京盛智振通科技有限公司尚振国尚振国13811976498邮箱：邮箱：