狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷的基本知識

1、 狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷的基本知識一、狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷的意義及發(fā)展現(xiàn)狀1狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷的定義通俗地說，狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷就是給機(jī)器看病。人不可能不生病，機(jī)器在運(yùn)行過程中出現(xiàn)故障也是不可避免的。人生了病需要求醫(yī)就診，機(jī)器出了故障也要找“醫(yī)生”診斷病因。醫(yī)生對病人的診斷是基于體征檢查（先看體溫，再進(jìn)行驗血、x光、心電圖、b超、甚至ct等）基礎(chǔ)上的分析判斷，對機(jī)器故障的診斷同樣也是基于狀態(tài)監(jiān)測（先看總振動值，再求助于頻譜、波形、軸心軌跡、趨勢圖、波德圖、全息譜圖等）基礎(chǔ)上的綜合性分析判斷。狀態(tài)監(jiān)測是指通過一定的途徑了解和掌握設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，包括利用監(jiān)測與分析儀器（在線的或離線的），采用各種檢測、監(jiān)

2、視、分析和判別方法，對設(shè)備當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)做出評估（屬于正常、還是異常），對異常狀態(tài)及時做出報警，并為進(jìn)一步進(jìn)行的故障分析、性能評估等提供信息和數(shù)據(jù)。故障是指機(jī)械設(shè)備喪失了原來所規(guī)定的性能或狀態(tài)。通常把設(shè)備在運(yùn)行中所發(fā)生的狀態(tài)異常、缺陷、性能惡化、以及事故前期的狀態(tài)統(tǒng)統(tǒng)稱為故障，有時也把事故直接歸為故障。而故障診斷則是根據(jù)狀態(tài)監(jiān)測所獲得的信息，結(jié)合設(shè)備的工作原理、結(jié)構(gòu)特點、運(yùn)行參數(shù)、歷史狀況，對可能發(fā)生的故障進(jìn)行分析、預(yù)報，對已經(jīng)或正在發(fā)生的故障進(jìn)行分析、判斷，以確定故障的性質(zhì)、類別、程度、部位及趨勢，對維護(hù)設(shè)備的正常運(yùn)行和合理檢修提供正確的技術(shù)支持。2. 狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷的意義狀態(tài)監(jiān)測與故障

3、診斷技術(shù)的由來及發(fā)展，與十分可觀的故障損失以及設(shè)備維修費(fèi)密切相關(guān)，而狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷的意義則是有效地遏制了故障損失和設(shè)備維修費(fèi)用。具體可歸納如下幾個方面：（1）及時發(fā)現(xiàn)故障的早期征兆，以便采取相應(yīng)的措施，避免、減緩、減少重大事故的發(fā)生；（2）一旦發(fā)生故障，能自動紀(jì)錄下故障過程的完整信息，以便事后進(jìn)行故障原因分析，避免再次發(fā)生同類事故；（3）通過對設(shè)備異常運(yùn)行狀態(tài)的分析，揭示故障的原因、程度、部位，為設(shè)備的在線調(diào)理、停機(jī)檢修提供科學(xué)依據(jù)，延長運(yùn)行周期，降低維修費(fèi)用；（4）可充分地了解設(shè)備性能，為改進(jìn)設(shè)計、制造與維修水平提供有力證據(jù)。自上世紀(jì)七十年代以來，國內(nèi)外石化、化工、電力、鋼鐵等行業(yè)為了極

4、大限度地提高經(jīng)濟(jì)效益，生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，生產(chǎn)裝置向著大型化、高速化、自動化、連續(xù)化、單系列化發(fā)展，裝置中的關(guān)鍵設(shè)備均無備機(jī)，一旦出現(xiàn)故障停機(jī)，將導(dǎo)致整個裝置停產(chǎn)，所造成的經(jīng)濟(jì)損失是十分巨大的。例如，一個年加工原油500萬噸的煉油廠，停產(chǎn)一天的經(jīng)濟(jì)損失達(dá)二千多萬元；一個年產(chǎn)30萬噸合成氨的化肥廠，停產(chǎn)一天的經(jīng)濟(jì)損失達(dá)二百五十萬元；一臺30萬千瓦的發(fā)電機(jī)組，停產(chǎn)一天的經(jīng)濟(jì)損失達(dá)二百萬元。由于大型轉(zhuǎn)動設(shè)備的檢修周期較長、備件價格昂貴，一次故障停機(jī)的總經(jīng)濟(jì)損失多數(shù)都在千萬元以上。設(shè)備維修費(fèi)在生產(chǎn)成本中所占的比重很大，對于工業(yè)發(fā)達(dá)的國家來說，任何一家公司的維修費(fèi)都是一個可觀的數(shù)字。國外研究表明，維修費(fèi)隨

5、設(shè)備技術(shù)含量的提高而增加，并且與維修體制密切相關(guān)。在日本，由于較為重視狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷工作，上世紀(jì)九十年代初工業(yè)裝置的維修費(fèi)為年銷售額的610，加上庫存的備品備件，總維修費(fèi)達(dá)銷售額的25；在美國，根據(jù)美國國家統(tǒng)計局發(fā)布的資料：1980年美國工業(yè)設(shè)備的維修費(fèi)達(dá)2460億美元，幾乎占了中央和地方稅收總額（7500億美元）的三分之一，而其中的750億美元是因不當(dāng)維修，包括缺乏正確的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷給浪費(fèi)了；在我國的石化行業(yè)，伴隨著維修體制的逐步改進(jìn)、以及狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷工作的逐步開展和提高，維修費(fèi)所占的比重呈逐步下降趨勢，上世紀(jì)八十年代為年產(chǎn)值的20左右，九十年代為15左右，近年來為10左右、

6、甚至略低。維修體制的變革經(jīng)歷了故障維修、預(yù)防性維修和預(yù)知性維修三個階段。最初是故障維修，又稱為事后維修，“小車不倒只管推” ，設(shè)備什么時候壞了、什么時候修，盲目、無計劃、設(shè)備損壞程度大、維修費(fèi)用高。長期以來，大多數(shù)工廠沿用的是定期的預(yù)防性維修體制，也稱計劃維修，它是根據(jù)生產(chǎn)計劃和經(jīng)驗，規(guī)定在設(shè)備運(yùn)行一確定時間后停下，進(jìn)行解體、檢查、修理、更換零部件。這種維修制度下，無論設(shè)備有無毛病都要解體，是一種過剩維修，浪費(fèi)人工、物料；機(jī)器過多拆卸，既容易降低原有精度又容易發(fā)生人為故障。因此，預(yù)防性維修帶有很大的盲目性，既不經(jīng)濟(jì)又不合理。預(yù)知性維修是以狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)為基礎(chǔ)、以設(shè)備實際狀況為依據(jù)、根據(jù)

7、生產(chǎn)需要制定出預(yù)知性維修計劃的維修體制。預(yù)知性維修要求：不斷地測知表征設(shè)備實際狀態(tài)的參數(shù)；對測得參數(shù)進(jìn)行分析、判斷，做出是否發(fā)生故障以及故障類型、故障程度的評價；推測機(jī)器狀態(tài)的發(fā)展趨勢，估算出最佳的維修時機(jī)。預(yù)知性維修的目標(biāo)是：需要停車時才停車；需要換件時才換件；需要維修什么項目（如某處軸承、某根轉(zhuǎn)子、某處對中、某個齒輪、）才維修什么項目。顯然，預(yù)知性維修比較先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)。據(jù)日本資料介紹，采用設(shè)備故障診斷技術(shù)，故障停機(jī)時間可降低75，每年設(shè)備維修費(fèi)可減少2550。無怪國外有些專家認(rèn)為，把少量美元花費(fèi)在狀態(tài)監(jiān)測上，比把上百萬美元花費(fèi)在因設(shè)備嚴(yán)重?fù)p壞而引起強(qiáng)迫停機(jī)后的檢修上更有價值。從開展此項工作中

8、嘗到甜頭的國內(nèi)設(shè)備專家則說，開展?fàn)顟B(tài)監(jiān)測與故障診斷工作是花小錢、省大錢，購置監(jiān)測儀器是花了一些錢，但有效地降低了故障損失和設(shè)備維修費(fèi)，反而節(jié)省了大錢。3狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷的發(fā)展與現(xiàn)狀狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)是近三十年來國內(nèi)外發(fā)展較快的一門新興學(xué)科。我國狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)起源于上世紀(jì)七十年代末。那時，建國后首批從西方工業(yè)發(fā)達(dá)國家成套引進(jìn)的13套大化肥裝置，以及隨后不久引進(jìn)的大化纖、大乙烯等裝置正處于建成后的試車、開車階段，由于某些機(jī)組事故頻發(fā)，促進(jìn)了高校及科研單位對這項技術(shù)的理論研究和實際應(yīng)用。國外某些大公司的監(jiān)測與診斷部門也同時開展了一些服務(wù)與交流，客觀上起到了一定的推動作用。79年起，有些

9、企業(yè)開始研究西方設(shè)備維修體制，從中感受到狀態(tài)監(jiān)測與預(yù)知性維修的重要意義。79年到83年，一些受故障損失嚴(yán)重困擾的石化企業(yè)，購置了國外先進(jìn)的頻譜分析儀等狀態(tài)監(jiān)測儀器，進(jìn)入了初步的實踐階段，1983年，原國家經(jīng)委下達(dá)了國營工業(yè)交通設(shè)備管理試行條例，明確提出：“逐步采用現(xiàn)代故障診斷和狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)，發(fā)展以狀態(tài)監(jiān)測為基礎(chǔ)的預(yù)知性維修體制” ，從而把故障診斷納入企業(yè)管理法規(guī)，對發(fā)展故障診斷技術(shù)具有極為重要的意義。自1984年起，石化企業(yè)逐步建立起以總公司、公司（總廠）、廠的三級狀態(tài)監(jiān)測機(jī)構(gòu)，配置人員，購置儀器，培訓(xùn)學(xué)習(xí)，相互交流，全面開展了狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷工作，整體水平得到提高。九十年代起，火力發(fā)電行業(yè)

10、開始開展大型汽輪發(fā)電機(jī)組的在線狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷工作，并且發(fā)展較為迅速。進(jìn)入本世紀(jì)以來，在鋼鐵、煉鋁、水力發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、空分等行業(yè)內(nèi)，伴隨著技術(shù)先進(jìn)的大型轉(zhuǎn)動設(shè)備的投入使用，狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)也開始得到重視與應(yīng)用，并呈現(xiàn)出上升的趨勢。狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)自身的發(fā)展過程，大致可歸納為以下三個階段：（1）離線的fft分析儀階段上世紀(jì)八十年代初、中期，通過磁帶記錄儀到現(xiàn)場記錄振動信號，然后回實驗室輸入fft（快速傅里葉變換）分析儀回放，進(jìn)行頻譜分析，只有功率譜（幅值譜）及波形，少數(shù)配置雙通道時才能看到軸心軌跡，分析方法單一，基本上只能查幅值、頻率。（2）離線或在線的計算機(jī)輔助監(jiān)測、診斷階段上

11、世紀(jì)八十年代末期至九十年代中期，通過計算機(jī)完成信息采集、信號分析、數(shù)據(jù)庫管理、甚至給出診斷結(jié)論，有各種圖譜，分析方法多樣，更加注重幅值、頻率、相位信息的全面、綜合利用，還涌現(xiàn)出專家輔助診斷系統(tǒng)。（3）網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)測、診斷階段上世紀(jì)九十年代末以來，充分利用企業(yè)內(nèi)部局域網(wǎng)和internet網(wǎng)絡(luò)，做到資源共享、節(jié)省投資、遠(yuǎn)程診斷，所監(jiān)測的參數(shù)不再局限于振動、軸位移、轉(zhuǎn)速，進(jìn)一步擴(kuò)展到流量、壓力、溫度等工藝過程量，對設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的把握更加全面、準(zhǔn)確，實現(xiàn)了真正意義上的專家遠(yuǎn)程診斷。如今，在對設(shè)備當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測以及故障原因的診斷方面，可以說國內(nèi)外狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷產(chǎn)品（無論是在線的、還是離線的）的性能都

12、達(dá)到了較為令人滿意的水平。然而，用戶現(xiàn)場人員最關(guān)心的是設(shè)備當(dāng)前故障的嚴(yán)重程度如何、今后的發(fā)展趨勢怎樣、還能否繼續(xù)運(yùn)行下去、還能運(yùn)行多久等問題，恰恰在對故障程度的評估上以及故障趨勢的預(yù)報上，各家產(chǎn)品都顯得欠缺。因此，狀態(tài)預(yù)報是目前監(jiān)測診斷技術(shù)中較為薄弱的環(huán)節(jié)。 二、振動傳感器的基本知識必要而且準(zhǔn)確的信息是進(jìn)行故障診斷的前提條件。由于所有振動信息的源頭均來自于傳感器，因此有必要了解一下振動傳感器方面的基本知識。1振動傳感器的構(gòu)成及工作原理振動傳感器是將機(jī)械振動量轉(zhuǎn)換為成比例的模擬電氣量的機(jī)電轉(zhuǎn)換裝置。傳感器至少有機(jī)械量的接收和機(jī)電量的轉(zhuǎn)換二個單元構(gòu)成。機(jī)械接收單元感受機(jī)械振動，但只接收位移、速度、

13、加速度中的一個量；機(jī)電轉(zhuǎn)換單元將接收到的機(jī)械量轉(zhuǎn)換成模擬電氣量，如電荷、電動勢、電阻、電感、電容等；另外，還配有檢測放大電路或放大器，將模擬電氣量轉(zhuǎn)換、放大為后續(xù)分析儀器所需要的電壓信號，振動監(jiān)測中的所有振動信息均來自于此電壓信號。 2振動傳感器的類型振動傳感器的種類很多，且有不同的分類方法。按工作原理的不同，可分為電渦流式、磁電式（電動式）、壓電式；按參考坐標(biāo)的不同，可分為相對式與絕對式（慣性式）；按是否與被測物體接觸，可分為接觸式與非接觸式；按測量的振動參數(shù)的不同，可分為位移、速度、加速度傳感器；以及由電渦流式傳感器和慣性式傳感器組合而成的復(fù)合式傳感器，等等。在現(xiàn)場實際振動檢測中，常用的傳

14、感器有磁電式速度傳感器（其中又以絕對式應(yīng)用較多）、壓電式加速度傳感器和電渦流式位移傳感器。其中，加速度傳感器應(yīng)用最廣，而大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)子振動的測量幾乎都是渦流式傳感器。3磁電式速度傳感器磁電式速度傳感器的構(gòu)造如下圖所示。磁電式速度傳感器的工作原理是，傳感器固定在被測物體上，物體振動時，固定在殼體7上的磁鋼5，隨殼體與物體一起振動，而由彈簧片2和線圈3組成的彈簧質(zhì)量元件，與磁鋼的振動并不同步，而是發(fā)生相對運(yùn)動，線圈切割磁鋼的磁力線而產(chǎn)生電動勢，在磁通量及線圈參數(shù)均為常數(shù)的情況下，電動勢的大小與線圈切割磁力線的相對速度成正比。此相對速度，對相對式，顯然是被測物體的相對振動速度；對絕對式來說，當(dāng)傳感

15、器中的彈簧質(zhì)量元件的固有頻率遠(yuǎn)小于被測物體的振動頻率時，線圈的振動速度會遠(yuǎn)小于磁鋼的振動速度，線圈與磁鋼之間的相對速度，接近于被測振動體相對于大地或慣性空間的絕對速度。總之，可以認(rèn)為，磁電式速度傳感器的輸出電壓與被測物體的振動速度成正比。速度傳感器通過積分電路可測得位移，通過微分電路可測得加速度。磁電式速度傳感器的優(yōu)點是，靈敏度高，輸出信號大，輸出阻抗低，電氣性能穩(wěn)定性好，不易受外部噪聲干擾，不需外加電源，安裝簡單，使用方便，對后續(xù)電路也無特殊要求；缺點是動態(tài)頻響范圍有限，尺寸和重量較大，彈簧片容易發(fā)生疲勞損壞。速度傳感器的構(gòu)造特點決定了彈簧片為關(guān)鍵的矛盾點，彈簧片厚，彈簧質(zhì)量元件的固有頻率就

16、增高，所能測得的低頻范圍變窄；彈簧片薄，易損壞，使用壽命短。4壓電式加速度傳感器某些晶體，在受到沿一定方向的外力作用時，其內(nèi)部的晶格會發(fā)生變化，產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在晶體的兩個表面上產(chǎn)生了極性相反的電荷；當(dāng)外力消除后，又恢復(fù)到原來的不帶電狀態(tài)；當(dāng)作用力方向改變時，所產(chǎn)生的電荷的極性也隨之改變；晶體受力所產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比，此現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。壓電式加速度傳感器，就是根據(jù)壓電晶體受力后會在其兩個表面產(chǎn)生不同電荷的壓電效應(yīng)來實現(xiàn)機(jī)電轉(zhuǎn)換的。壓電式加速度傳感器的構(gòu)造如下圖所示。其工作原理是，壓電式加速度傳感器的基座4固定或緊密接觸于被測物體，與物體一起振動，由壓緊彈簧1與慣性質(zhì)量塊2組成的

17、彈簧質(zhì)量元件，與基座的振動并不同步、而是發(fā)生相對運(yùn)動，壓電晶體3受到質(zhì)量塊因相對振動加速度產(chǎn)生的慣性力作用而產(chǎn)生電荷，電荷量的大小與慣性力成正比。當(dāng)傳感器中的彈簧質(zhì)量元件的固有頻率遠(yuǎn)大于被測物體的振動頻率時，質(zhì)量塊的振動位移會遠(yuǎn)小于基座的振動位移，質(zhì)量塊與基座之間的相對振動接近于基座、即被測物體的振動。因此，壓電式加速度傳感器的輸出電壓與被測物體的振動加速度成正比。加速度傳感器通過積分電路可測得速度，通過二次積分電路可測得位移。壓電式加速度傳感器的優(yōu)點是，體積小，重量輕，頻率響應(yīng)范圍寬。適于測量高頻、沖擊信號，例如齒輪、滾動軸承的振動測量，耐溫、耐蝕性較好，不易損壞，在實際測量中應(yīng)用最廣泛。由

18、于壓電晶體產(chǎn)生的電荷量很小，加速度傳感器需要配置電荷放大器，因此造成內(nèi)阻抗高、電荷放大器前的連接電纜容易受到外部電磁干擾?，F(xiàn)在，許多加速度傳感器把放大電路集成到傳感器內(nèi)，抗干擾能力得到大幅度的提高。壓電式加速度傳感器的頻響特性范圍，下限由電荷放大器決定，上限由傳感器的固有頻率及安裝諧振頻率決定。即傳感器與被測物體的接觸及固定狀況會大大影響高頻測量的范圍，其中鋼螺栓聯(lián)接固定方式的高頻測量范圍最高，可達(dá)10000hz，磁鐵固定式為2000hz，手持式最低，僅數(shù)百hz。5電渦流式位移傳感器電渦流式位移傳感器由探頭和前置放大器（又稱測隙儀）二部分組成，探頭對著轉(zhuǎn)子被測表面，但并不接觸，留有一定的間隙，

19、用支架固定在軸承的瓦座上或機(jī)殼上，通過延伸電纜與機(jī)殼外的前置放大器相連。電渦流式位移傳感器的構(gòu)造如下圖所示。電渦流式位移傳感器的工作原理是，傳感器的頭部線圈，與諧振電容、前置器內(nèi)的石英振蕩器，構(gòu)成高頻（12mhz）電流振蕩回路，在頭部線圈周圍產(chǎn)生高頻交變磁場。當(dāng)磁場范圍內(nèi)出現(xiàn)金屬導(dǎo)體、如轉(zhuǎn)子時，轉(zhuǎn)子表面會產(chǎn)生感應(yīng)電流，即電渦流。電渦流產(chǎn)生的感應(yīng)磁場反作用于線圈的高頻磁場，使線圈的阻抗（或者說電感）發(fā)生變化，轉(zhuǎn)子與探頭之間的間隙越小，電渦流就越大，線圈的阻抗就越大、電感量就越小。在振蕩器激勵電流參數(shù)、線圈參數(shù)、金屬（轉(zhuǎn)子）電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率都為常數(shù)的情況下，電感量是間隙的單值函數(shù)。測出電感量的變化，

20、即可知道轉(zhuǎn)子與探頭的間隙變化。由延伸電纜輸出的電感量變化信號為高頻載波信號，經(jīng)前置放大器內(nèi)的檢波器放大、轉(zhuǎn)換后輸出的是直流電壓信號。該電壓與探頭和轉(zhuǎn)子之間的間隙成正比，因此稱為間隙電壓。間隙電壓u又可分為直流分量uo和變化分量ua兩部分。直流分量對應(yīng)于初始間隙（又稱安裝間隙）或平均間隙，用于測量軸位移；變化分量對應(yīng)于振動間隙，用于測量振動。測隙儀輸出的間隙電壓信號經(jīng)后續(xù)儀表的進(jìn)一步處理，即可轉(zhuǎn)化成軸振動、軸位移、轉(zhuǎn)速、相位的數(shù)值以及狀態(tài)監(jiān)測的各種圖譜。電渦流式位移傳感器是非接觸式傳感器，具有靈敏度高、線性范圍大、頻響范圍寬、具有零頻響應(yīng)、探頭結(jié)構(gòu)尺寸小、抗干擾能力強(qiáng)、適于遠(yuǎn)距離傳送、易于校準(zhǔn)標(biāo)定等優(yōu)點。與接觸式傳感器（速度傳感器、加速度