設備故障診斷技術介紹

1、設備故障診斷技術簡介上海華陽檢測儀器有限公司Shanghai Huayang MeasuringInstruments Co., Ltd TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark0 o Current Document 設備故障診斷技術定義 （ 3 ）一二三四五六設備維修制度的發(fā)展 （ 4 ）檢測參數(shù)類型 （ 5 ）振動檢測中位移、速度和加速度參數(shù)的選擇 （ 5 ）測點選擇原則 （ 6 ）測點編號原則 （ 7 ）評判標準 （ 7 ）測量方向及代號 （ 10）八搜集和掌握有關的知識和資料 （ 10）九故障分析與診斷 （ 11）十常見故障的識別 （ 14）1不平衡 （

2、14）2不對中 （ 14）3機械松動 （ 15）4. 轉子或軸裂紋 （ 15）5滾動軸承 （ 15）6滑動軸承 （ 16）7齒輪箱 （ 19）8傳動皮帶 （ 20）9葉輪、葉片和旋翼 （ 21）10電機 （ 22）11共振 （ 23）十一 . 故障分析方法 （ 25）1簡易分析方法 （ 25）2頻譜分析方法 （ 26）設備故障診斷技術簡介設備故障診斷技術定義： 是一種為了 了解和掌握設備在 使用過程中 的狀態(tài) （在設備基本 不拆卸、不解體 的情況下 ） 而采用一定的 檢測手段 ，根據(jù)檢 測的 數(shù)據(jù)和經(jīng)驗 的積累，來 確定設備 整體或局部是正?；虍惓?、早期發(fā) 現(xiàn)設備故障及其原因、并能早期預報

3、設備故障發(fā)展趨勢 的一門技術。通俗地說，它是一種給設備“ 看病 ”的技術。這里所說的 設備 指的 是機械設備。它包括 各類機械 ，例如：風機、壓縮機等的 動設備 和容器、管道、閥門、工業(yè)爐等的 靜設備 ，還包括某些 電器設備什么是故障？指的是 設備不能完成 其所規(guī)定的功能 ，稱作“故障” 然而這些功能 是能夠修復的 !若不能修復的 則稱作“ 失效 ”，對于“ 失效”的機械設備只能更換。 這里關鍵 是如何能抓住一切有用的信息 , 運用知識 和經(jīng)驗 作出適當 的診斷結論。一設備維修制度的發(fā)展1事后維修 設備運行至 故障 停車后才進行修理 。2 預防維修按照預定的 檢修時間 間隔進行維修（計劃維修）

4、。3 預知維修 對設備進行 狀態(tài)監(jiān)測 ，根據(jù) 設備監(jiān)測和診斷 的結果，視設備劣化或故障 的程度，安排在適當?shù)臅r間進行必要的設備維修 。4預知維修優(yōu)點提高設備運行安全性，防止不足維修而導致的事故 ; 提高維修經(jīng)濟效益，避免過剩維修造成的浪費 ; 提高設備使用合理性、運行安全性和經(jīng)濟性 ;延長貴重設備使用壽命 ; 實現(xiàn)設備使用、維修、生產(chǎn)的現(xiàn)代化 。5應用舉例日本：事故率減少 75，維修費用降低 2550 ;英國： 2000個工業(yè)企業(yè)每年節(jié)省維修費用 3 億英鎊，收益為投入的 6倍 6設備狀態(tài)監(jiān)測設備狀態(tài)監(jiān)測 是實現(xiàn)預知維修 的基礎。準確、全面的設備監(jiān)測信息是實 現(xiàn)預知維修 的可靠保證 。7設備狀

5、態(tài)監(jiān)測方式 在線監(jiān)測 ：投資成本高，監(jiān)測對象以 關鍵設備 為主。 離線 檢測：投資成本低，主要針對大量的 散在分布 的中小型設備二 檢測參數(shù)類型 :振動 振動位移 d (mm) 、振動速度 v ( mm/s) 、振動加速度 a (m/s 2) 、溫度t ( )、轉 速n (rpm) 、厚度 (mm) 、電流I (mA) 、電壓 U(mV) .1 振動位移 是指一個物體 離開其平衡位置 (參考位置) 的距離 或位置。 (用 d 表示，單位 mm)。2. 振 動 速 度 是 指 物 體 在 單 位 時 間 里 ， 離 開 其 平 衡 位 置 ， 作 往 復 運 動的快慢 程度。(用 v 表示，單位

6、 mm/s)。(單位時間內的位移變 化率)。3 振動加速度- 是指物體在單位時間里， 振動速度 的變化程度(用 a 表示，單 位 m/s2 ) 。三 振動檢測中位移、速度和加速度參數(shù)的選擇 一般認為，對振動頻率在 10Hz 以下，位移量較大的低頻振動，選擇 位移 為檢測量。另外對于 某些高速旋轉的機器 的振動，旋轉精度要求較 高時，也用 位移 來衡量。對于多數(shù)機器來說，都用 速度 來評價其 振動強度 。經(jīng)驗表明在覆蓋 10Hz 1000Hz的頻帶上， 速度 測量完整地表示了機器振動的嚴重程度。而 加速度 測量的適用范圍可以達到 10000Hz 以上，對于寬頻帶測量、 高頻振動和存在沖擊振動的場

7、合都測量加速度。當齒輪、滾動軸承、軸瓦等出現(xiàn)剝落、磨損等缺陷時，往往首先在 高頻段出現(xiàn)故障信息，只有當故障比較明顯時，才能在低頻段反映出來。 因此，通過檢測 加速度 ，可以有效發(fā)現(xiàn)設備早期缺陷。 檢測實踐中， 往 往對位移、速度和加速度 進行聯(lián)合測量。圖 3-1 位移、速度和加速度參數(shù)的選擇圖 3-1 描述的是同一部機器的同一工況用三種傳感器測量的幅頻圖，三 者均可用于機器狀況的監(jiān)測。但是速度計給出一個近似水平的譜，它所需的 動態(tài)范圍小，因此，針對這一實際測量，速度計被稱為“最佳參數(shù)”。而對 用位移計、加速度計測量，為了描述所有分量的變化，必須采用大得多的動 態(tài)范圍。四 測點選擇原則 （以振動

8、為例 ）1 傳遞路徑最短 .2測點剛度最大 .3對測量參數(shù)響應最敏感 .4少界面 .5不能有空腔 . 6能反映整個設備信息 .注: 為保證測量數(shù)據(jù) 的一致性,測點一旦確定之后請及時做好 永久性的 標記,今后一般情況 下 不允許 再作變動 !五 測點編號原則 （以振動為例 ）動力源 輸出位置 （軸承部位 ）定為 2 # 測點、自左向右依次（均在軸承 部位）為： 3# 、4#、5# . （ 詳見圖 5-1 所示 ）圖 5-1 測點布置示意圖六評判標準1絕對標準評判法：例如振動國際標準ISO 2372以及 表 6-1 國際標準 表 6-2注：用加速度檔，分別用頻率范圍 （10 1000）Hz 及 （

9、10 5000）Hz 進行測量， 當兩值不相等或相差懸殊（最大達 13 倍）時,即表明該測點所對應的部件有 故障。 表 6-3 往復式壓縮機基礎振動允許振幅壓縮機轉速（ r/min ）400400200200允許振幅（ mm ）0.150.200.25 表 6-4 一般參考評判標準振動參數(shù)進口國產(chǎn)計量單位A 度）（加速20.030.0m s2V（速度）2.03.0mm sD（位移）50 m注: 表中 1 3 等級為優(yōu) . 2 3 等級為良 . 3 3 等級為合格2 相對標準評判法 ：例如浴缸曲線表 6-4 旋轉機械振動評判相對標準實際值與初始值的比值 振動頻率 （ 倍）1234567低頻振動

10、（ 1000HZ） （ 指振動速度和位移 ）良好注意危險高頻振動 （ 1000HZ） （ 指振動加速度 ）良好注意危險3 類比標準評判法 ：例如，多臺 同型號 、同規(guī)格、在相同條件下工作的電動機異常狀態(tài) 相互之間 同測點的測量值 相比 大于 1. 6 倍以上.對于正常狀態(tài) 超過 4 mm/s 的設備 和在正常狀態(tài) 不足 1 mm/s 的設備 , 是一種 良好的實用的判別方法七 測量方向及代號 （以振動為例 ）舉例： 4Ha - - - -意為 ：4# 測點 、水平位置、 加速度八搜集和掌握有關的知識和資料1 機器結構性能資料 ： 包括機器的工作原理，機器在整個生產(chǎn)過程中的地位 和作用，重要的動

11、態(tài)參數(shù)，如驅動功率、流量、壓力、轉速變化范圍、電流、 電壓、溫度等，機器結構組成和參數(shù)，如軸承型式、密封結構、聯(lián)軸節(jié)結構、 齒輪齒數(shù)、葉片數(shù)、共振頻率、臨界轉速等等。2操作運行情況 ：包括負荷及其變化情況、潤滑情況、起動和停機情況、工 藝參數(shù)變化情況等。3 機器周圍環(huán)境的影響 ：包括溫度、濕度、與其他機器的關聯(lián)、地基沉降、 電壓波動等因素對機器性能的影響。4 故障與維修情況 ：包括上次大修時間、大修時作過哪些調整、運轉以來發(fā) 生故障及對故障處理情況的記錄和檔案、機器的薄弱環(huán)節(jié)及預計容易發(fā)生故 障的類型和部位、同型號、同工作條件下其他機器的故障情況等。九 故障分析與診斷根據(jù)振動信號識別設備故障是

12、件難度很大的工作。這主要因為：同一故障 可以表現(xiàn)出多種癥候，同一癥候可由不同故障引起，不同類 型的機器其故障與癥候的對應關系可能不完全一樣，這種關系又與運行條件、 環(huán)境條件、故障歷史及維修情況有密切聯(lián)系。在故障診斷中，熟悉和掌握機 器的結構、特性、使用和維修情況以及實際診斷經(jīng)驗都是很重要的。1 注意發(fā)展和變化在分析和診斷故障時，應注意從發(fā)展變化中得出準確的結論。 單獨一次 測量 往往難于對故障判斷 有較大把握 ，反復多次 的跟蹤測量、分析能使診斷更接近于真 實情況。為此， 應注意積累和研究機器正常運行狀態(tài)下的振動數(shù)據(jù)， 包括基頻的幅 值和相位、次諧波和高次諧波的幅值和相位、其他重要頻率分量的幅

13、值、時 域波形以及軸心軌跡的形狀、大小和旋轉方向等。對當前機器的振動信號進行各種觀察和分析時， 應與正常運行狀態(tài)下的 振動進行比較 ，注意哪些參數(shù)發(fā)生了變化及變化程度如何。例如：基頻分量變化不大 而 2f （ 注：f，倍頻之意。f = 機器轉速/ 60 ，單位為：赫芝 或Hz ，下同 ） 幅值明顯增大可能說明 不對中加劇； 喘振 使軸向振動變化明顯； 而不平衡增大 使 水平和垂直 方向振動同步增長 。趨勢分析 也是有效的方法，不但分析振動 有效值 或峰- 峰值變化趨勢， 而且分析基頻、 12f 、2f 等各頻率分量的變化趨勢，從而得出振動是穩(wěn) 定不變、逐漸上升、時升時降還是迅速增大等信息。例如

14、，不平衡加大使振 動緩慢而穩(wěn)定上升，葉片斷落則使振動幅值突然上升。2 輔助測試有些情況下，為了確定或排除某些可能的故障，需要進行一些輔助測試。 這些輔助測試包括：變轉速 振動測試；變負荷 振動測試；變潤滑系統(tǒng)參數(shù)（油溫、油壓）振動測試； 起動或停車過程振動測試； 共振頻率 測試；機殼、基座或管道 某些部件的測試 。3分析振動的方向性和幅值穩(wěn)定性般說來 ： 不平衡量增大 ，則徑向 水平、垂直 兩個方向的振幅 同時增長 ； 不對中徑向振幅增大 ，但同時還可引起軸向振動； 基座松動時垂直方向振動明顯大于水平 方向振動； 轉子組件松動 引起的振動，其 幅值不穩(wěn) 定； 油膜渦動和油膜振蕩則以徑向振動為主

15、 ，振幅不穩(wěn)定； 轉子裂紋 引起的 2倍頻振動，水平方向和垂直方向的振幅 大小相近（ 4 分析各頻率成分的相位 不平衡引起的基頻振動分量與轉軸相位標志之間的角度（即基頻分量的相位）保持不變，水平方向與垂直方向振動 相位相差約 90。平行不對中引起的徑向振動在軸兩端反向，即相位相差180；角不對中引起的徑向振動在軸兩端同向，即相位差為零。 ）5 觀察隨轉速的變化轉速變化 主要指設備在 起動和停車 過程中所經(jīng)歷的各種轉速，振動信號 能顯示出 故障 與轉速 的關系，以此可區(qū)分不同故障。例如： 不平衡 引起的振動幅值 隨轉速 的增大而增大，并在通過 臨界轉速 時有 峰值出現(xiàn)； 不對中 引起的振動 與轉

16、速關系不大。十 常見故障的識別1 不平衡 故障原因 當轉子質量中心偏離轉動中心時出現(xiàn)不平衡。造成不平衡的原因 通常是：裝配不適當、轉子上有附加物生成、轉子質量磨損、轉子破裂或丟 失部件。 特征（ 1） 徑向振動大 。（ 基頻幅值隨轉速增大而增大，這是不平衡的重要特征 。） （2）軸向振動較小 。2 不對中 故障原因 兩個相連接的機器軸線不平行或不重合，一個或多個軸承安裝傾 斜或偏心，即為不對中。造成不對中的原因可以是裝配不當，調整不夠，基 礎損壞，熱脹或聯(lián)軸節(jié)鎖死。 特征1）軸向振動大 有穩(wěn)定的高峰，一般達到徑向振動的 50%以上，若與徑向振動一樣大或比徑向 振動更大，表明情況嚴重。（2）徑向

17、振動大3. 機械松動 故障原因機械松動分為結構松動和轉動部件松動。造成機械松動的原因是：安裝 不良、長期工作造成過渡磨損、基礎或基座損壞或零部件破壞。 特征（1）徑向 （特別是垂直方向 ）振動大 振動可能具有高度的方向性。 時域波形可能較雜亂，有明顯的不穩(wěn)定的非周期信號?？赡苡写蟮臎_擊信號。（ 2） 軸向振動小或正常 。4. 轉子或軸裂紋大功率發(fā)電機組超壽命運行，有時轉子或軸上會出現(xiàn)裂紋，及時確定裂紋 的存在，可防止突然斷裂的災難性事故。（1）轉子或軸裂紋日漸擴展和加深，使 1 f 、2f 分量的幅值隨時間而穩(wěn)定地增 長，這是存在裂紋與其他產(chǎn)生 1f 、2f 分量的故障之間最大的區(qū)別。應在對轉

18、子 1 f 、 2 f 分量進行長期狀態(tài)監(jiān)測的基礎上進行趨勢分析，當確認上述二分量的幅值隨時間 呈穩(wěn)定增長趨勢時，可能存在轉子或軸裂紋。（2）在升速或降速過程中，當轉速通過 1/2 倍一階臨界轉速 時， 2f 分量由于共振 而對裂紋非常敏感，其幅值會發(fā)生顯著變化。同理，轉速通過 1/3 倍一階臨界轉速時， 3 f 分量的幅值也會發(fā)生顯著變化。因此，應當監(jiān)測 2f 和 3 f 分量隨轉速的變化。 當確認轉速等于 1/2 或 1/3 倍一階臨界轉速 而 2 f 和 3f 分量顯著改變時，可能存在 轉子或軸裂紋。5滾動軸承 故障原因 滾動軸承的早期故障是滾子和滾道剝落、凹痕、破裂、腐蝕和雜物嵌入。

19、產(chǎn)生原因包括搬運粗心、安裝不當、不對中、軸承傾斜、軸承選用不正確、 潤滑不足或密封失效、負載不合適以及制造缺陷。 軸承故障 特征頻率 的計算公式 如下所 示 內環(huán)滾動，外環(huán)靜止 （最常見情形 ） ：2）外滾道 f2 60R d cos0R 0.4N ；3）內滾道2 60d cos 0R0.6N4）滾fb子2 60 d DN10)1 Rd R1)保持架 f c= 1cos 0.4 2 60D60式中 ： R 轉速（ RPM） ;d 滾子直徑；D 節(jié)園直徑； 接觸角；N 滾子數(shù)。6 滑動軸承 . 故障原因 滑動軸承可能有多種故障，其中包括間隙過大，油膜渦動和油膜振蕩以 及摩擦。造成這些故障的原因是

20、裝配不當，潤滑不良，負荷欠妥，長久磨損 及軸承設計不當。（1） . 間隙過大（無渦動） 軸與軸承間隙過大，這種情況類似于 不對中 和 機械松動 ，應注意其區(qū)別： a徑向振動較大，特別是垂直方向； b可能有較大的軸向振動，特別對于止推軸承；c徑向和軸向時域波形為穩(wěn)定的周期波形占優(yōu)勢，每轉一圈有1、2或 3個峰值。沒有較大的加速度的沖擊現(xiàn)象。若軸向振動與徑向振動大小相近， 表明問題嚴重。分析 ：間隙過大與不對中的區(qū)分可根據(jù)以下兩點： a間隙過大時垂直方向振動比水平方向更大； b而不對中時垂直與水平方向振動相同； 間隙過大與機械松動的區(qū)分可根據(jù)以下兩點： a間隙過大時其時域波形為穩(wěn)定的周期波形占優(yōu)勢

21、，且沒有大的沖擊現(xiàn) 象；而機械松動時其時域波形較雜亂，有明顯的非周期性信號使波形不穩(wěn) 定；.b間隙過大時軸向振動可能較大，特別是止推軸承！而機械松動時軸向 振動較小或正常。一般應在 排除機械松動 的可能性之后再確認間隙過大 。（ 2） 油膜渦動和油膜振蕩 在軸與軸承間隙太大或機組熱態(tài)不對中等引起較大振動的情況下，若加 之軸承設計不當、潤滑不良或由于載荷、轉速的突變破壞了 正常潤滑狀態(tài)，可能產(chǎn)生油膜渦動 （042048）f 。在此情同 況下，如果轉速高于 軸系 一階臨界轉速 的 2 倍，則渦動可能發(fā)展成更危險的 油膜振蕩。較大的徑向振動； 軸向振動在渦動頻率處的分量較??；. 若在 一階臨界轉速頻

22、率 處出現(xiàn)顯著峰值，則表明已出現(xiàn)油膜振蕩；. 時域波形中穩(wěn)定的周期信號占優(yōu)勢，每轉一周少于一個峰值，沒有 較大的加速度沖擊。（3） . 摩擦 軸頸與軸承表面直接接觸就發(fā)生磨擦，摩擦可以是間斷的或連續(xù)的。引 起摩擦的原因是潤滑不足，間隙不適當，載荷不正確或其他故障造成的較大 振動。摩擦往往造成軸的反向渦動。特征 . 對于間斷性摩擦：徑向振動 較大；時域波形中有不穩(wěn)定的 沖擊信號占優(yōu)勢 ，軸每轉一圈只有少于一個的峰值；軸向振動 小。 . 對于連續(xù)摩擦：徑向振動大（止推軸承除外），高頻部分能量較大；時域波形中有不穩(wěn)定的“噪聲”信號；軸向振動?。▽τ谥雇戚S承，有摩擦時其軸向振動大于徑向振動）。7 齒輪

23、箱 故障原因 齒輪箱會有一些特殊的故障，如節(jié)線偏斜、偏心、齒距誤差、齒面磨損、 點蝕和剝落、斷齒等。造成上述故障的原因有：制造缺陷、安裝調整不當、 過量磨損、潤滑不足、污染、金屬疲勞和超負荷運轉等。上述故障雖然可在 頻譜 上反映出來，但由于齒輪箱 頻譜看起來比較復雜， 辨認比較困難。一個有效可行的方法是，針對每個齒輪箱，在狀態(tài)良好、工 作正常情況下采集得到其 基準頻譜 ，并在狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷中通過 對比基 準頻譜 發(fā)現(xiàn)問題。 基準頻譜 齒輪嚙合頻率 的計算（1）齒輪嚙合頻率 計算：設兩軸轉速分別為 f 1、f 2，兩齒輪齒數(shù)分別為 Z1、Z2，則：嚙合頻率 fc= f 1 Z1= f 2 Z

24、2（ 2）由邊頻間距代表的調制頻率可以是：. 各軸轉速（輸入軸、輸出軸、中間軸）；. 外部轉速或負荷的波動頻率；. 波動嚙合頻率 等于 （嚙合頻率 f c）（f 1與 f 2的最小公倍數(shù) ） ；（3）若同時存在兩種以上的故障，則 各故障頻率 之和或之差 也可能成為 調制頻率 ，這也稱為“ 中間調制 ”頻率。8傳動皮帶 故障原因造成傳動皮帶故障的原因由：皮帶輪不對中，皮帶輪偏心、安裝不當，皮 帶張力調節(jié)不當，皮帶過量磨損或制造上的缺陷（尤其是加強皮帶）。 特征（1）徑向 振動出現(xiàn)在 皮帶頻率 的 2、4、6 倍頻處，若有較大峰值，則存 在故障；（2）軸向 振動，若與 徑向 一樣，也在 皮帶頻率

25、2 倍頻處有較大峰值， 則為皮帶輪不對中；（3）在時域波形上每轉一周出現(xiàn) 2、4 或 6 個峰值。s = 1 - n n 1皮帶頻率 由下式計算 :皮帶輪速度 皮帶輪直徑皮帶頻率 = 皮帶長度9 葉輪、葉片和旋翼 故障原因以流體力驅動的機器或者用于抽動、壓縮、傳輸流體的機器，都有葉輪、 葉片和旋翼。由于流體或熱力的影響，它們易于受到破壞或磨損。故障原因 有：部件破損，裝配不當，流動不規(guī)則，熱力不平衡，污物進入，葉輪、葉 片和旋翼的磨損。 特征（1）葉片通過頻率分量及其諧波分量大而且有邊帶，徑向和軸向振動同 是這樣；（2）葉片損壞可造成不平衡，其特征類似于不平衡特征）；（3）葉輪松動的特征類似于機械松動；（4）轉子與機殼間的摩擦其特征類似于滑動軸承的摩擦。葉輪及葉片 通過頻率 由下式計算 ：通過頻率 =（ 軸轉速 60 ）葉片數(shù)10電機1電機故障 電機與其他旋轉機械一樣，可能產(chǎn)生不平衡、不對中、機械松動、軸承 故障及共振等問題。本節(jié)就電機特有的故障，介紹其診斷方法。這些特有故 障包括：轉子斷條或裂紋、轉子偏心、相位不平衡、轉子或定子鐵芯 松動、 轉 子彎曲或轉子偏離磁場中心。2轉