機械故障診斷基礎知識

機械故障診斷基礎知識

北京化大凱達科技發(fā)展有限公司

2010年6月北京

目錄

第一章緒論.........................................5

1.1機械故障診斷的意義......................................................5

1.2現(xiàn)代機器故障診斷技術的發(fā)展背景.........................................6

1.3維修制度的革新..........................................................7

1.3.1設備維修的經(jīng)濟性分析..............................................7

1.3.2實行狀態(tài)監(jiān)測維修制的相應措施.....................................9

1.4石化設備智能巡檢儀及預知維修管理系統(tǒng)..................................10

1.5石化設備監(jiān)測診斷及維修決策信息系統(tǒng)....................................11

1.5.1石油化工設備的可靠性及最佳維修方式...............................11

1.5.2設備運行狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷.......................................12

第二章振動監(jiān)測主要參數(shù)及故障診斷常用標準............13

2.1機械設備振動監(jiān)測的主要參數(shù)、定義......................................13

2.1.1振動參量..........................................................13

2.1.2位置參量..........................................................15

2.1.3轉速..............................................................16

2.2故障診斷常用標準.......................................................16

2.2.1振動標準..........................................................16

2.2.2動平衡標準.......................................................21

2.2.3對中標準.........................................................22

2.3振動診斷標準...........................................................24

2.3.1振動診斷標準的用途及制訂方法.....................................24

2.3.2振動診斷標準的使用方法...........................................28

2.3.3常用振動標準.....................................................29

2.3.4振動診斷標準進展.................................................41

第三章滾動軸承的檢測技術和診斷方法.................44

3.1設備故障診斷的主要環(huán)節(jié).................................................44

3.2低頻信號接收法.........................................................44

3.3沖擊脈沖法（SPM）............................................................................................................45

3.4共振解調法.............................................................49

3.4.1共振解調技術簡介.................................................49

3.4.2共振解調法故障診斷技術特點.......................................50

3.4.3常用的共振解調法.................................................51

3.4.4共振解調法故障診斷實例...........................................52

3.5峰值能量法.............................................................53

3.5.1峰值能量法概述...................................................53

3.5.2峰值能量的信號處理過程...........................................54

3.5.3峰值能量測量中的問題.............................................55

2

3.6包絡分析技術............................................................56

第四章機械振動故障機理及診斷方法...................59

4.1機械設備振動分析的主要手段...........................................59

4.1.1時域分析..........................................................59

4.1.2頻域分析..........................................................59

4.1.3開停車分析........................................................59

4.2旋轉機械振動故障機理及診斷方法.......................................60

4.2.1旋轉機械振動故障原因及識別特征研究..............................60

4.2.2旋轉機械同頻振動機理及故障識別特征..............................66

第?類同頻振動原因....................................................67

----轉子自身引起的徑向旋轉矢量激振力................................67

1.轉子質量偏心.......................................................67

2.永久性軸彎曲.......................................................68

3.暫時性軸彎曲.......................................................68

4.軸裂紋引起的變化的旋轉激振力......................................68

第二類同頻振動原因：轉子軸系引起的激振力.............................69

5.聯(lián)軸節(jié)引起的軸系質量偏心：........................................69

6.轉子中心線角不對中引起的軸向交變激振力...........................69

7.剛性聯(lián)軸節(jié)誤差引起的旋轉周期支承力................................70

8.彈性聯(lián)軸節(jié)偏差引起的旋轉矢量激振力................................70

第三類同頻振動原因：軸承偏心或軸承損傷...............................71

9.徑向軸承偏心.......................................................71

10.軸承損傷..........................................................71

第四類同頻振動原因：..................................................71

轉子與定子或傳動件間相互作用引起的激振力..............................71

11.靜氣隙偏心引起的不均勻電磁力.....................................71

12.動氣隙偏心引起的不均勻電磁力.....................................72

13.軸磁化引起的激振力................................................72

14.皮帶偏拉力引起的激振力...........................................73

15.齒輪偏心作用產(chǎn)生的激振力.........................................74

第五類同頻振動原因：流體動力激振力..................................74

16.軸流葉輪偏心旋轉引起的自激力.....................................74

17.傾斜隔板引起的轉子激振力.........................................74

第六類同頻振動原因：轉子一定子干摩擦引起的.........................乃

18.轉子一定子干摩擦引起的反向周期激振力.............................75

第七類同頻振動原因：臨界轉速問題....................................75

19.轉子和軸承系統(tǒng)臨界...............................................75

20.聯(lián)軸器臨界........................................................76

21.懸臂臨界問題......................................................76

第八類同頻振動原因：機殼基礎扭曲......................................76

22.機殼變形..........................................................76

23.暫時機殼變形......................................................76

24.基礎變形..........................................................76

3

第九類同頻振動原因：共振...............................................77

25.結構共振..........................................................77

26.鄰近振源的影響....................................................77

4

第一章緒論

1.1機械故障診斷的意義

機械故障診斷技術是近年來國內外發(fā)展較快的一門新興學科，它所包含的內

容比較廣泛，諸如機械狀態(tài)量（力、位移、振動、噪聲、溫度、壓力和流量等）

的監(jiān)測，狀態(tài)特征參數(shù)變化的辨識。機器發(fā)生振動和機械損傷時的原因分析、振

源判斷、故障防治，機械零部件使用期間的可靠性分析和剩余壽命的估計等等，

都屬于機器故障診斷的范疇。

一臺機械設備像人體一樣，有其生老病死的過程。人生活在世界上不可能不

生病，機械設備在使用過程中出現(xiàn)故障也是不可避免的.人生了病需要求醫(yī)就診，

同樣機械設備的運行功能失常（即出了故障），也要一些“醫(yī)生”去幫助分析和

診斷病因，因此機器的故障診斷技術是模擬了醫(yī)學界的疾病診斷而提出來的，它

的基本思路是來自于仿生學.醫(yī)學上根據(jù)人體不同部位發(fā)生的各種病癥而劃分很

多科目，相應地在機械設備上也要按不同機器產(chǎn)生不同的故障癥狀進行分類診斷

和研究。人體疾病是由一系列復雜的物理、化學變化結果通過各部位組織器官反

映出一定的癥狀（例如發(fā)燒、疼痛、麻癬、吐瀉、失控、昏迷等等），醫(yī)療系統(tǒng)

對病人的治理首先通過各種理化檢驗，從檢查病情出發(fā)，進行綜合性分析判斷，

以診斷出病人的疾病類型、性質和程度，然后對癥下藥，采取有效的治療措施。

對于機器的故障診斷也是同樣的“疾病”治理過程，首先要檢測機器的“健康”

狀況，通過對機器狀態(tài)參數(shù)的處理和分析，診斷出機器的故障類型、故障程度、

故障部位和故障原因，然后根據(jù)診斷結果確定維修方案或防范措施。

工程領域內對機械設備故障診斷的含義也和醫(yī)學界有相同的理解：“故障”

一一就是機械設備喪失工作效能的程度，或者按日本的定義，“故障”是指對象

（機械設備）喪失了它所要求的規(guī)定性能或狀態(tài)。但是各種機械對象由于其制造

精密程度、操作時的性能要求以及設計、操作時的規(guī)范不同，對“故障”的含義

有不同理解，有些把機器運行中的狀態(tài)異常（即不正常）、缺陷、性能劣化和故

障前期狀態(tài)作為故障，也有的故障概念是指事故，因此判定機器是否已發(fā)生故障,

必須明確規(guī)定出機器的性能范圍。“診斷”--是指采用各種測試、分析手段和處

理方法來確定故障的性質、類別和部位，并研究故障產(chǎn)生機理的一門科學。

機器故障診斷的前提是必須了解機器的工作狀態(tài)（或稱“健康狀況”），掌

握機器各部位和零部件的性能是出于良好狀態(tài)，劣化狀態(tài)還是故障狀態(tài)，為進一

步診斷提供可靠的信息，而對機器工作性能狀態(tài)的了解是通過各種監(jiān)測手段和分

析系統(tǒng)來實現(xiàn)的。

60年代初期，歐美國家把故障診斷技術稱為狀態(tài)監(jiān)測（Conditionon

Monitoring）或機器健康監(jiān)測（MachineHealthMonitoring）。后來，日本把這一

技術命名為機器狀態(tài)診斷技術（MachineConditionDiagnosticTechnique）,并把

這一技術定義為“能定量地監(jiān)測機器的狀態(tài)（指故障、劣化、強度和性能等），

并能預測其未來的技術”。目前，在國內一般稱為設備狀態(tài)監(jiān)測與診斷技術或機

器故障診斷技術（MachineFaultDiagnosticTechnique）,不論名稱如何，實際

5

上它所包含的內容總是指機械設備運行中的“狀態(tài)監(jiān)測”與“故障診斷”兩部分。

由于現(xiàn)代化生產(chǎn)的連續(xù)性以及生產(chǎn)系統(tǒng)的復雜性，機械設備發(fā)生故障會影響

到各個方面，因此診斷技術的發(fā)展一改以往所采用離線的、靜態(tài)診斷的概念，而

代之以在線的或動態(tài)診斷的概念，即在設備運行中或基本不拆卸的情況下，根據(jù)

設備運行過程中產(chǎn)生的各種物理的、化學的信號作為信息資料?，進行數(shù)據(jù)采集、

存儲、處理和分析，掌握設備的運行現(xiàn)狀，對它已經(jīng)形成或將要形成的故障進行

分析診斷，判定故障的部位和產(chǎn)生原因，預測預報設備未來的技術狀況，這就是

現(xiàn)代設備診斷技術的概念。

1.2現(xiàn)代機器故障診斷技術的發(fā)展背景

任何一臺機械設備在投入使用以后，都可能會遇到各種各樣的故障。設備出

了故障，不能棄之不用（除非認為該設備已不值得使用），就需要尋找故障并進

行適當維修，這是人們在日常生產(chǎn)中的概念。早期工業(yè)生產(chǎn)因為規(guī)模不大，一臺

設備出了故障影響面不廣，大多數(shù)生產(chǎn)部門對容易出故障的機器還設有備機，以

保證生產(chǎn)不會中斷。另外如因為機械裝備的技術要求不高，需要的維修費用也不

會很大，所以機器的故障診斷大多采用耳聽、手摸、眼看等簡單方法，使用的檢

測儀器也很簡單。維修方法是遇到故障而無法運行時采取事后維修，或者按計劃

每隔一定周期停機維修。

從70年代開始，世界各主要工業(yè)國家為了極大限度地提高工業(yè)生產(chǎn)水平和

經(jīng)濟效益（包括提高生產(chǎn)率、降低成本、減少操作管理人員等），生產(chǎn)規(guī)模不斷

擴大，生產(chǎn)裝備向著大型化、高速化、自動化和連續(xù)化發(fā)展，因而對機械設備性

能的要求越來越高，一次性投資也越來越大，很多大型石油、化工、石化、電力、

鋼鐵等部門都采用單機、滿負荷、連續(xù)性的生產(chǎn)操作方式，一些大型機械成了現(xiàn)

代化大規(guī)模生產(chǎn)裝置中的關鍵設備，如果一旦出現(xiàn)停機故障，將導致全廠停產(chǎn)，

其經(jīng)濟損失是十分巨大的。例如，我國化工、石化系統(tǒng)引進的年產(chǎn)30萬噸合成

氨裝置和30萬噸乙烯裝置，均擁有多種類型的大型機組（工藝汽輪機、壓縮機

和泵等），如因機器故障而停產(chǎn)一天，產(chǎn)值損失在50-100萬元以上。電力部門中

一臺30萬千瓦的發(fā)電機組因故障停機一天，少發(fā)電720萬度，以每度0.2元

計，則每天直接經(jīng)濟損失144萬元。因此，機械設備大型化和生產(chǎn)裝置連續(xù)化,

固然在降低成本，提高生產(chǎn)率，減少生產(chǎn)操作費用等方面帶來很大的經(jīng)濟效益，

但是因設備故障而造成的損失卻成比例地增長。以我國不同時期建造的化肥廠為

例，50年代的小化肥廠，年產(chǎn)量為800-5000噸；60年代的中化肥廠，每套

裝置年產(chǎn)量為1-5萬噸；70年代的大化肥廠，每套裝置年產(chǎn)20―30萬噸。

設備故障停機損失以小化肥廠為基準的話，則中化肥廠增長了10倍，大化肥廠

增長到近100-200倍之巨。據(jù)統(tǒng)計，我國在1977年和1978年已投產(chǎn)的6一

7個大化肥廠中，由于大機組的故障停機，僅在這兩年之內所損失的化肥產(chǎn)量，

相當于一個大廠的全年產(chǎn)量（30萬噸合成氨、48萬噸尿素）。

在現(xiàn)代化生產(chǎn)中，某些機械設備一旦發(fā)生故障還可能招致重大事故。本世紀

內發(fā)生的前蘇聯(lián)切爾諾貝利核電站爆炸和美國三里島核電站放射性物質外逸，印

度博帕爾市農藥廠的毒氣泄漏，美國航天飛機“挑戰(zhàn)者”號的失事，是近代設備

重大事故中的典型例子。我國也經(jīng)歷過不少技術上的設備事故，例如，電力部門

先后有二臺20萬千瓦的汽輪發(fā)電機組發(fā)生重大的災難性事故，其中一臺轉子系

6

統(tǒng)斷成七段，一個聯(lián)軸節(jié)飛出竟打穿4堵墻壁?；ず褪块T也曾經(jīng)發(fā)生過

大機組的嚴重振動故障和破壞性事故，給生產(chǎn)上造成巨大損失。

當然，要求機械設備不出故障是不現(xiàn)實的，絕對安全可靠的東西是不存在的。

美國保險實驗研究協(xié)會(UnderwritersLaboratoriesIns)羅伯特?w?西爾

貝茨曾說過：“完全安全的東西恐怕就不實用，不能賣出，也不能創(chuàng)造出來。”說

明最好的設備也不可能永遠不出故障，重要的是要求我們能及時發(fā)現(xiàn)設備的異常

或故障，把握住它的發(fā)展趨勢，以便及早采取有效的防治措施，機器故障診斷技

術就是為適應這一需要而發(fā)展起來的一門學科。

1.3維修制度的革新

現(xiàn)代化大型石油化工企業(yè)，具有高溫、高壓。高速，介質易燃、易爆、易腐

蝕，自動化程度高等特點，且技術復雜，連續(xù)生產(chǎn)，許多關鍵設備、大機組無備

臺。設備一旦發(fā)生故障給生產(chǎn)和質量造成的影響往往大得難以計算。象許多其他

流程工業(yè)一洋，設備維修與生產(chǎn)和經(jīng)濟效益是密切相關的。在某種意義上可以講,

生產(chǎn)的數(shù)量和質量取決于生產(chǎn)能力和設備的有效利用率即：

P(生產(chǎn)量)=C(生產(chǎn)能力)XA(設備有效利用率)

而設備的有效利用率A,一般用下式表示：

A=Tup/(Tup+TDM)

式中：Tup為設備有效的生產(chǎn)時間

TDM為設備停機維修時間

由此可見，維修對設備的有效利用率進而對生產(chǎn)的數(shù)量和質量影響極大。如

果設備可靠性差、故障率高、大修時間長，產(chǎn)值和產(chǎn)量無法提高；反之。則生產(chǎn)

的高效益就有了物質基礎的保證。因此，修好，用好設備是生產(chǎn)的關鍵。

1.3.1設備維修的經(jīng)濟性分析

1、設備維修方式的分類

現(xiàn)行的設備維修大體可分類如下：

r故障維修(BM)

I預防維修(PM)

,以時間為基礎的維修設備維修(TBM)

〔以狀態(tài)為基礎的維修設備維修(CBM)

(1)故障維修(BreakdownMaintenance：BM)是最原始的維修方式。亦稱事

后維修，即機器運轉直至故障停車才進行修理。

(2)預防維修(PredictiveMaintenance：PM)分為兩種。其一是以時間為基

礎的維修(TimeBasedMaintenance：TBM),通常稱作定期計劃預檢修，這種維

修方式不需要對機器的狀態(tài)進行檢查，檢測，大、中，小修是按照預定的對間間

隔(即檢修周期)進行計劃修理。

(3)是以狀態(tài)監(jiān)測為基礎的維修(ConditionBasedMaintenance：CBM)或稱

預知維修(PredictiveMaintenance：PRM)這種維修方式不規(guī)定檢修周期，而是

要對設備進行狀態(tài)監(jiān)測，描監(jiān)測，診斷的結果，視設備奄無劣化或故障征兆。安

7

排在必要時進行適當?shù)暮捅匾男蘩怼?/p>

這三種不同的維修方式。在平均檢修周期上的差別如圖1所示(1)。

2、設備維修經(jīng)濟性的評價標準

對生產(chǎn)來講，要取得高的效益，重要的一環(huán)就是要以盡可能低的代價來獲取

高的設備利用率及長的設備壽米命周期。我們可用圖2來說明這一問題(2)。

在圖2中，斜線區(qū)下線之下表示設備壽命周期費用(LifeCycleCost：LCC),

它包括設備投資費用，操作費用和維修費用；斜線區(qū)上線之下表示設備壽命周期

收益(LifeCycleRevenue：LCR)。而設備壽命周期效益(LifeCycleProfit。LCP)

則為LCR—LCC,即圖中有斜線部分。由此可見，當設備本身投資，操作費用及

設計有效利用率一定的場合，設備壽命周期效益LCP取決于設備維修費用及實際

有效利用率(即故障停機損失)。

iS科棚率

8

因此，設備維修的經(jīng)濟性可用下式衡量(3)：

設備維修效益=設備的實際有效利用率/維修費用

這表明，花費低的維修費用，得到高的設備有效利用率會取得滿意的維修效

o

3、各種維修方式的經(jīng)濟性對比

(1)故障維修方式這種方式是將設備運轉直至發(fā)生故障停車時才檢修，因此

這種方式平均檢修周期可能最長(如圖1所示)。但是由于不是預防性維修，發(fā)生

故障時往往造成機器的損壞，既不安全，又延長了檢修時間，其費用也比較昂貴。

其弊端如圖3“冰山”所示，表面上看僅是故障停車檢修，但內含著驚人的經(jīng)濟

損失。這是一種最原始的檢修制度，對現(xiàn)代化大型、高速、自動化程度高，連續(xù)

運行的設備應盡力避免這種維修方式。

(2)定期計劃預修方式這種方式可以大大減少故障停車損失，但是由于檢修

周期的確定不是按機器本身狀態(tài)?而是按經(jīng)驗或統(tǒng)計結果確定的，一般它要求檢

修間隔時間比設備零部件的真實壽命要短，為安全可靠往往把檢修周期確定得比

較短(如圖1所示)。因此，不可避免地要有“過剩維修”，從而也提高了設備維

修費用，縮短了設備運行時間。

(3)狀態(tài)監(jiān)測維修方式改進了“過剩維修”和換件費用高的問題，對設備或

零部綽的狀態(tài)進行監(jiān)測，據(jù)監(jiān)測的結果以設備實際狀態(tài)為基礎實施修理，這種維

修方式檢修停工時間與換件費用均能達到最少。圖4是狀態(tài)監(jiān)測維修方式與定期

計劃預終方式的對比示意圖(4)0

綜上所述，推行狀態(tài)監(jiān)測維修不僅僅是為了提高設備維修的經(jīng)濟效益，而且

是今后石化煉油生產(chǎn)要取得高效益所必須采取的關鍵性措施。而實行狀態(tài)監(jiān)測維

修制度的前題是要推廣應用先進的設備狀態(tài)監(jiān)測及診斷技術。

1.3.2實行狀態(tài)監(jiān)測維修制的相應措施

在理論上講，對單臺設備，應用設備診斷技術，實行狀態(tài)監(jiān)測維修是完全可

行的，但對具有數(shù)十個生產(chǎn)裝置及復雜的公用工程系統(tǒng)的公司來講，要使多個裝

置甚至全公司同步檢修，如何變定期計劃預檢修為狀態(tài)監(jiān)測檢修，這是一個極為

復雜的問題。工業(yè)發(fā)達國家從七十年代起已經(jīng)這樣做了，可以肯定，在我國工業(yè)

企業(yè)全面推行狀態(tài)監(jiān)測及診新技術，若措施得當按設備狀態(tài)進行檢修是可以逐步

實現(xiàn)的。起碼可以突破大機組兩年一大修，裝置一年一大修的傳統(tǒng)方法。為了延

長檢修周期，壓縮大修時間，從企業(yè)實際出發(fā)還應采取如下相應措施：

1、盡量減少停車大修的檢測工程量，代之以運行中對設備狀態(tài)監(jiān)測、檢測。

如在壓力容器、管道保溫層上預留檢測孔。用高溫測厚儀定點，定期測厚存檔；

用聲發(fā)射監(jiān)測容器的裂紋擴展：用紅外熱成象檢測運行中爐襯狀況，換熱器有否

堵塞、電氣設備有無接觸不良；用鐵譜分析監(jiān)測機器有無磨損等。

2、開發(fā)、應用處理設備故障的應急措施，以解決現(xiàn)場關鍵設備技術問題。

如采用帶壓堵漏、現(xiàn)場動平衡、轉動機械消震等措施；即使設備有了問題，也能

使其維持一段時間從而與其他設備同步檢修。也要注意利用好“窗口檢修”。

3、開展技術攻關，對設備的隱患，如易振動，易腐蝕、易泄漏、易堵塞等

薄弱環(huán)節(jié)要千方百計采取改進措施，延長其運行時間。對運行周期特別短的設備,

要進行必要的技術改造或更新。貫徹大修大改、小修小改，逢修必改的原則。對

9

易損壞的設備要有備臺。

4、狠抓潤滑油、水質，蒸汽質量、工藝介質的監(jiān)控，防止劣化、結垢，腐蝕。

貫徹“防重于治”的原則可以事半功倍。

5、對備件、檢修質量要堅持高標準，要確保盡可能長期使用，突破8300小

時，停車大檢修時。不僅要搞好修。而且更要重視“檢”，抓緊時機，集中力基

搞好檢測工作，提高機械設備，壓力容器可靠性，安全度。

6、全員管理設備，特別是操作者要正確使用設備，要效仿關鍵機組特護監(jiān)測

考評的方法將操作工和機。電、儀維修工人，技術人員捆在一起共同對設備負責,

確保長周期運行者獎。

7、要管設備的一生，把好基建、技措工程的設備造型關，質量關，讓優(yōu)質、

高效設備投入生產(chǎn)，確保長周期運行。

1.4石化設備智能巡檢儀及預知維修管理系統(tǒng)

設備振動檢測的發(fā)展經(jīng)歷了手模、耳聽、模擬振動表、數(shù)字振動表、波形記

錄儀、頻譜分析儀、巡檢儀、智能巡檢儀等發(fā)展過程，隨著當代的嵌入式技術的

發(fā)展，便攜式巡檢儀也有了較大的發(fā)展，但鑒于以前嵌入式系統(tǒng)（如單片機、

DSP系統(tǒng)等）處理速度或處理數(shù)據(jù)能力等方面的原因，原有的巡檢儀很難滿足大

量設備狀態(tài)巡檢的需要，特別是針對目前先進的設備與落后的維修能力這一矛

盾，已日益嚴重地困擾著企業(yè)，成為企業(yè)設備現(xiàn)代化管理的瓶頸,因此，現(xiàn)代化

企業(yè)必須建立先進的設備維修管理機制。

近年來的企業(yè)發(fā)展表明，隨著設備的技術進步，企業(yè)的設備操作人員不斷減

少，而維修人員保持不變或不斷增加。另一方面，操作的技術含量逐漸下降，而

維修的技術含量卻年年上升，當代的設備維修已經(jīng)是傳統(tǒng)意義上的維修工難以勝

任的工作，這就要求我們不斷發(fā)展完善設備維修制度，以適應現(xiàn)代化企業(yè)的發(fā)展

要求。建立基于可靠性為中心的設備安全運行管理體制（RCM）,將事后維修、

預防維修、向預知維修（也稱狀態(tài)維修）發(fā)展，預知維修能防止不足維修而導致

的事故，避免過剩維修造成的浪費，它能提高設備使用的合理性、運行安全性和

經(jīng)濟性，從而實現(xiàn)設備使用、維修、生產(chǎn)的現(xiàn)代化。而設備的狀態(tài)監(jiān)測是預知維

修的實現(xiàn)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。設備狀態(tài)

點檢模式是目前獲取設備監(jiān)測信息的常用手段，然而常規(guī)的點檢存在很多不足：

1.設備狀態(tài)信息獲取不足，它的信息收集方式單一，主要依賴檢測人員的

主觀經(jīng)驗。

2.設備狀態(tài)信息缺乏有效的描述方式與交流途徑，它主要是以書面報告、

口頭報告為主的信息交流方式，不能保證設備準確及時傳遞，并且中、高層技術

人員和企業(yè)管理人員無法及時了解設備狀況，從而不能保證設備故障及時維修。

3.巡檢儀器功能不足，難以滿足較多設備快速巡檢并將數(shù)據(jù)規(guī)范管理以便

與PC機數(shù)據(jù)庫同步；

4.巡檢儀體積大不便攜帶；

5.巡檢儀待機時間和采集時間較短，難以滿足長時間現(xiàn)場巡檢的需要。

針對這一現(xiàn)狀，開發(fā)高性能和可操作性強的便攜式智能巡檢儀勢在必行?，F(xiàn)

已開發(fā)出設備智能巡檢儀及預知維修網(wǎng)絡化信息管理系統(tǒng)，解決了上述巡檢中存

在的問題，為推行RCM管理和實現(xiàn)預知維修提供了強有力的工具。

10

1.5石化設備監(jiān)測診斷及維修決策信息系統(tǒng)

1.5.1石油化工設備的可靠性及最佳維修方式

現(xiàn)代石油化工生產(chǎn)是典型的流程作業(yè)，生產(chǎn)線上的設備能否保持高效率和較

長時間的無故障運行，這在很大程度上取決于設備的可靠性。但是，設備運行

一段時間后就會發(fā)生磨損、腐蝕、結垢、沖蝕、裂紋、振動、松動等，隨著設備

可靠性的降低，故障停機次數(shù)要增多，甚至還會發(fā)生爆炸、著火等惡性事故。因

此，研究維修決策，尋求最佳維修方式，以最少的生產(chǎn)損失和維修費用來保持或

恢復設備的可靠性是十分重要的。

如果用無故障運行時間代表每臺設備的可靠性的話，那么在同一生產(chǎn)線上各

臺設備的可靠性相差是極大的。石油化工廠停車大檢修，主要是對可靠性最差的

設備、管道進行.檢修或更換，并進行設備預防性檢測，以消除隱患，確保安全。

如圖1所示，大檢修好比一個堤壩，其作用在于阻止?jié)撛诘墓收想[患轉化為

運行中的實際故障。設備連續(xù)生產(chǎn)的時間越長，即大修堤壩越低，則由潛在故障

變成實際故障的可能性越大；反之，大檢修堤壩越高，則設備運行的時問越短，

而運行中的故障減少，但停車檢修的次數(shù)增多，顯然經(jīng)濟效益要降低。

圖［設備系統(tǒng)可靠性、故障及大怯堤戈示意圖

古典的事后維修、傳統(tǒng)的定期計劃檢修顯然不是最佳的維修方式。預知維修

即CBM(conditionbasedmaintenance)是維修發(fā)展的方向，其實施的關鍵在于能否

在生產(chǎn)運行中深測出具體設備及其部位存在的隱患(潛在故障)。“預知”可提供

有用信息，指導維修決策，做到超前預防和超前準備，以采取應急措施或在大檢

11

修時“對癥下藥”：從而取得事半功倍的效果。

運用現(xiàn)代技術成果開發(fā)出來的設備狀態(tài)監(jiān)測及診斷技術，為實現(xiàn)CBM維修

提供了手段。

1.5.2設備運行狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷

石油化工廠的旋轉機械（泵、壓縮機、風機、透平機等）和煉油化工設備（反應

器、爐、塔、換熱器等）在各種苛刻條件（如動靜負荷、高溫、極低溫、高壓、腐

蝕環(huán)境）下工作，往往會產(chǎn)生各種各樣的異常和缺陷，如振動、發(fā)熱、腐蝕、裂

紋、沖蝕、泄漏、燒損、結焦、松馳、變形、剝離等。而要探測或預知設備的上

述異常或缺陷首先應弄清如下關系：

設備故障征兆---設備異常,缺陷

這也就是說，如何通過設備故障的征兆參數(shù)來識別、預測設備異常、設備缺

陷及其部位，這是診斷、預測機械故障的關鍵。一般應選擇對設備異常、缺陷最

敏感的參數(shù)作為征兆參數(shù)，然后應用設備診斷技術對其進行分析識別，以查明異

常原因和缺陷部位。

12

第二章振動監(jiān)測主要參數(shù)及故障診斷常用標準

2.1機械設備振動監(jiān)測的主要參數(shù)、定義

2.1.1振動參量

(1)振幅

一般說來，振幅(簡寫為A)是表示設備振動嚴重程度的指標，通常根據(jù)使用

的傳感器性質用振動的位移、速度或加速度表示，一般是計算一段時間內振動波

形的峰峰值、峰值、平均值和均方根值(有效值)，對于齒輪和滾動軸承，還可以

計算歪度、峭度和波峰因子等波形的特征數(shù)據(jù)。常用的渦流傳感器測量的是轉

軸相對于軸承的振動位移,--般用微米(um)或密耳(mil)表示，lmil=25.4um,

在現(xiàn)場也有用絲為單位，1絲=10um。速度傳感器測量的是軸承的振動速度，一

般用mm/s表示，振動速度的有效值也稱為振動烈度，振動速度經(jīng)過一次軟件

積分或硬件積分可以得到振動位移(經(jīng)過硬件積分的速度傳感器直接輸出振動位

移)。加速度傳感器測量的是軸承和機器外殼的振動加速度，一般用m/s2或重

力加速度g表不，lg=9.8m/s2,振動加速度經(jīng)過一次積分可以得到振動速度,

再經(jīng)過一次積分可以得到振動位移。根據(jù)振幅可以判斷設備運行是否平穩(wěn)。

(2)頻率

振動頻率通常表示為機器轉速的倍數(shù)。其原因主要是由于機器的振動頻率

趨向于機器轉速的整數(shù)倍或分數(shù)倍。這樣就給我們提供了表達振動頻率的一種方

便形式。通過這種方式，我們不必要將所有振動頻率表示為赫茲，而是表示為機

器轉速的一倍、兩倍或43%等。

進行振動測量時，振幅和頻率是用來分析設備故障的主要參數(shù)。有些機器故

障通常在某些特定的頻率下發(fā)生，這樣就有助于我們區(qū)分這些故障的類型。另外,

我們必須認識到，頻率和故障的關系并不是相互對應的，這就是說，某一特定頻

率的振動通常和多種機器故障相聯(lián)系，在振動頻率和機器故障之間并不存在一一

對應的關系。我們不應簡單地企圖將某一特定頻率和某一設備故障直接聯(lián)系起

來。在對機械設備進行分析時，頻率是重要的參數(shù)，它有助于我們對機器故障進

行分類，但是它僅是一種參量。如果我們要得到正確的結果，還必須對所有參量

進行分析。表示頻率的通常方式有：

lX=l><rpm：振動頻率和機器的轉速相同；

2X=2xrpm：振動頻率是機器的轉速兩倍；

1/2X=1/2Xrpm：振動頻率是機器轉速的一半；

43X=0.43Xrpm：振動頻率是機器轉速的43%。

下面簡單介紹旋轉機械兒種振動的性質及其有關的頻率問題：

轉子的振動問題按機械振動的性質大體上分為三類：

第一類是屬于強迫振動問題。這是指有外來確定的擾動力引起的振動問題而

振動本身并不反過來影響擾動力。比如由于質量不平衡引起的強迫振動，發(fā)電機

13

轉子不均勻拉力而引起的強迫振動等。強迫振動的特點在于振動的頻率總是等于

擾動力頻率。由質量不平衡引起的強迫振動其頻率恒等于轉速。由3000rpm二極

發(fā)電機不均勻磁拉力引起的強迫振動，其頻率為6000rpm即100Hz。

第二類是屬于自激振動問題。自激振動的引起歸之于轉子.支撐系統(tǒng)中存在

某一機械能量的反饋環(huán)節(jié)。這一反饋環(huán)節(jié)使轉子從轉動中獲取能量，并轉變?yōu)槟?/p>

一特定頻率下的橫向振動能量（一般不等于轉速），而這一橫向振動又通過反饋

環(huán)節(jié)進一步從轉動中取得能量，從而加劇了橫向振動，直至獲取的能量等于消耗

于阻尼的能量，則振動穩(wěn)定在某一極限環(huán)節(jié)上。實際上，有時自激振動未達到極

限環(huán)之前，轉子已不允許運轉或已引起破壞。這些在轉子.支撐系統(tǒng)中出現(xiàn)的自

激振動現(xiàn)象有油膜渦動和油膜振蕩；由于轉子的內阻而引起的不穩(wěn)定白激振動；

由于動部分間的干摩擦而引起的自激振動以及由于不均勻蒸汽泄漏所引起的汽

流激振等。

第三類是屬于非定常強迫振動。這一類問題在性質上是屬于強迫振動，因為

振動仍然是由外來干擾力所引起的，而且與擾動力具有相同的頻率。但不同的是

振動本身又反過來影響擾動力的大小與相位。這樣，它雖屬強迫振動，但強迫振

動的幅值與相位是在變化的。比如轉軸上某一局部出現(xiàn)不均勻變形，它相當于給

轉子增添了不平衡質量，從而使強迫振動的幅值和相位都發(fā)生了變化，而當強迫

振動的幅值和相位發(fā)生變化時，反過來又影響轉子上局部不均勻變形的部位。這

樣表現(xiàn)出來的強迫振動，其幅值和相位都在連續(xù)不斷地變化。這里暫且將這類強

迫振動稱之為不定常強迫振動，并單列為一類。

（3）相位

相位測量可用來描述某一特定時刻機器轉子的位置。測量相位的最準確可靠

的方法是利用一個鍵相器（轉軸參考系）。使用一個非接觸式電渦流傳感器或一個

光電傳感器，就能得到這一鍵相器。

在使用鍵相器作為相位參考標志時，我們定義相位為鍵相器脈沖和振動的第

一正峰之間的度數(shù)。第一正峰相應于機器轉子上高點位置。通過確定機器轉子上

高點的位置，我們就可能確定機器的平衡狀態(tài)和機器轉子上殘留的非平衡重量的

位置。機器轉子平衡狀態(tài)的改變將引起高點的變化，這種變化通過相位變化顯示

出來。目前，不論是在轉子平衡過程中，還是在振動分析過程中，相位作為一個

重要參量正在日益受到人們的重視。

振動形式是分析振動數(shù)據(jù)的重要方法。通過對振動形式的觀測，能直觀地了

解某機器的運行狀態(tài)。上面討論的振幅、頻率和相位等參數(shù)是可測量的參數(shù)并能

在儀表上顯示出來，而振動形式是顯示在屏幕上的原始振動波形。振動波形可以

分為兩種：時基形式是把振動信號實時顯示在屏幕上。-?般振動信號為正弦波形,

它是轉軸的位置與水平時間軸的關系曲線。軸心軌跡是由兩個互成90o的非接

觸式傳感器接受的振動信號，合成后以X-Y模式顯示在屏幕上。在這種模式中，

所顯示的是對應于兩傳感器的軸截面中心線的運動。如果傳感器安裝在軸承上則

軸心軌跡是軸的中心線相對于軸承的運動關系。

這兩種形式對振動分析是很有用的。通過觀測時基振動形式，就能夠確定基

本的振幅、頻率和相位。通過觀測軸心軌跡，能夠了解軸的實際運動情況。所以

振動形式無論對預防性維修和預測性維修都是最根本的參數(shù)。

（4）振型

所謂振型是轉軸在一定的轉速下，沿軸向的一種變形。測量振型的方法是沿

軸的軸向每隔一定間距放置一組X-Y（互成90度）傳感器，分別測得相應轉軸截

14

面的中心線振動情況。綜合所測得的這些數(shù)據(jù)便得到轉軸的振型。振型有助于估

算轉子與固定部件之間的內部間隙，并能估算出轉軸上“節(jié)點”的位置。對振型

的正確認識有助于確定傳感器的安裝位置和選擇合理的動平衡方法。

2.1.2位置參量

在分析機器總的運行情況時，我們還應測量另外一些參數(shù)，這些參數(shù)屬于位

置測量的范圍。對某些特殊機器及其故障進行分析時，這些參量特別重要。下面

我們將對這類位置參量進行討論。

(1)徑向位置

所謂徑向位置，是指轉子在軸承中的徑向平均位置。在轉軸沒有內部和外部

負荷的正常運轉情況下，大多數(shù)轉軸會在油壓阻尼作用下，在設計確定的位置浮

動。然而，一旦機器承受一定的外部或內部的預加負荷(穩(wěn)態(tài)力)，軸承內的軸頸

就會出現(xiàn)偏心。這種偏心是測量軸承磨損和預加負荷狀態(tài)(例如不對中)的一種振

動形式指示。

定期測量偏心位置是必要的，因為在出現(xiàn)重大負荷情況下，偏心較大，振幅

無法增加，在振幅沒有報警的情況下，可能由于偏心太大而發(fā)生故障。因此必須

及時地檢查偏心位置，才能對故障作出早期預報。

在機器啟動期間，也應該密切注意偏心位置。機器在啟動時，由于油流的作

用，轉軸，般會從軸承底部逐漸向軸承中心處升起。油膜厚度常常約為轉軸預加

負荷方向的軸承間隙的1/3。

偏心位置的測量是通過安裝在軸承處的監(jiān)測徑向振動的同一個傳感器進行

的，其輸出信號的直流成分即代表偏心位置(徑向間隙)。因為偏心位置隨機器負

荷和軸線對中情況而改變，所以電渦流傳感器要有足夠大的線性范圍，使偏心位

置的改變不致使轉軸越出傳感器的測量范圍。收集整理機組的“冷態(tài)”偏心位置

和“熱態(tài)”偏心位置的數(shù)據(jù)，建立一個參考系統(tǒng)，對以后比較偏心位置是很重要

的。

(2)軸向位置

軸向位置測量可用來描述止推環(huán)法蘭和止推軸承之間的相對位置。對于一臺

汽輪機或壓縮機來說，軸向位置可能是最重要的測量參量。軸向位置監(jiān)測的主要

目的是為了保證消除機器轉子和定子之間的軸向磨擦。軸向止推軸承的故障可能

是最嚴重的故障。因此，應該認真地進行監(jiān)測，以防止發(fā)生這種類型的故障。

我們至少應該安裝一個，最好是兩個電渦流探頭，以便更可靠地測量軸向位

置，從而對機器起到保護作用。利用電渦流探頭進行軸向位置測量的另一優(yōu)點是,

軸向振動數(shù)據(jù)能夠從同一電渦流探頭上測出。盡管軸向振動對于一般設備來說不

需要進行連續(xù)監(jiān)測，但是在分析診斷某些特殊故障時卻非常有用。如果監(jiān)測軸向

振動，那么觀測表面必須光滑并垂直于轉子中心線。這樣做有助于減少對探頭輸

出的影響，并提供準確的軸向振動數(shù)據(jù)。

(3)偏心度峰峰值

偏心度峰峰值是對轉軸在靜態(tài)時彎曲的測量。對于大型汽輪發(fā)電機組，經(jīng)常

需要測量偏心度峰峰值。當轉軸在啟動時，彎曲量可以用電渦流傳感器測量的直

流峰峰值信號來表示。當峰峰值處于允許的范圍以內時，機器可以啟動，而無須

考慮因殘余彎曲及相應的不平衡引起的密封件與轉軸之間的摩擦影響。慢轉速偏

15

心度最好由安裝在遠離軸承處的傳感器來測量，以測得最大的彎曲偏差。

2.1.3轉速

在對機械運行狀態(tài)分析中找出振動和轉速之間的關系是特別重要的。在設計

時，它的轉速運行范圍應避開機器的平衡共振，并且使其運行轉速也不激發(fā)機器

的這些特殊共振。機器啟動時的數(shù)據(jù)在確定平衡共振時是重要的，這些數(shù)據(jù)可表

示為振幅和相位與機器轉速之間的關系曲線，在描繪這種曲線和尋找這些參量之

間的關系時，可以很容易地確定機器的平衡共振（臨界共振）。

2.2故障診斷常用標準

2.2.1振動標準

2.2.1.1ISO2372-1974（E）振動烈度測量和評定標準

本標準僅適用于評定單獨一臺機器的機械振動。而且僅限于研究機器表面

上、軸承上或固定點上的頻率為10~1000Hz的振動（轉速范圍則限于600-

60000r/min）。

顯然，在表面上作振動測量僅能提供一臺機器的總體振動。它不能給出關鍵

零部件實際振動和振動應力的數(shù)據(jù)，也不能保證機器本身不發(fā)生過大的局部振

動。尤其是機器表面上所測得的振動常常不能準確地反映旋轉零部件的扭轉振

動。

雖然存在上述各種復雜因素，若對上述因素作出全面的理論分析再來確定規(guī)

范，往往導致不必要的復雜化，甚至不適應于實際應用。因而，采用一個單項值

來確定機器在試驗時的振動狀態(tài)是可取的。

此國際標準中，術語“振動烈度”（VibrationSeverity）是描述一臺機器振動狀

態(tài)的簡明而又綜合的特征量，它提供了一個可靠而僅需作簡單測量的評定方法。

它與發(fā)生在實踐中的大多數(shù)機器振動情況大致相同，即其評定結果不應與已有的

經(jīng)驗相抵觸。

“振動烈度”一詞是描述機械振動的通用術語。其量值可用最大值、平均值或有

效值表示。此標準確定為最大速度的均方根值。振動速度的均方根值可按下式計

算，即：

%,二公卜2⑺力

一般來講，選用振動速度的均方根值表示振動烈度，并不排除其它參數(shù)的測

量。常用的兒種傳感器仍可繼續(xù)使用，其所測數(shù)據(jù)可方便地換算為振動速度有效

值。

假定，根據(jù)頻譜分析，已知加速度、速度、位移的幅值單邊峰值（眇Vj、Sj,

j=l,2,…，n）,均可用角速度（31、32、…8n）的函數(shù)加以確認，從而耒出振

16

動速度的均方根值，其關系式如下:

J管『卜［信）'卜—［?。?

=—<?4+6詞+二*

V??Vi+■"?wl］

為了衡量種類繁多的各種機器的振動程度，需要制訂一個“振動烈度”等級

表。此標準以“振動烈度”作為特征量，在10?1000Hz范圍內給出了振動烈度

推薦界限值（見附表l）o

1?動加度的推算界“值

9ITAHI《餐動速度的物蛻債）/（mm/0

B8范陵

良目

0.110.071°"2

0.180.1120.I8

Q.U“8。?加

0.45O.2S0.45

0.710.450.71

1.120.711.12

1.M）1.12i.a

2M1.MI2.80

4.S02.804.50

7.104.507.10

11.27.1011.1

18.011.2!8.0

28.018.028.0

45.028.045.a

71.045.071Q

表中等級之間的比例為1：1.6,其振動烈度等級差值為4dB,此表可作機

器振動分類的基礎。

在此標準的附錄中，作為一個應用實例，對普通機器進行了分類，并給出了

典型類別的許用“振動烈度”界限值范圍。按所推薦的界限值，其類別劃分按如

下定義：

I類：在正常運行條件下，與整機連成一體的發(fā)動機或機器的單獨驅動部件,

功率15kW或15kW以下的電動機是這類機器的典型例子；

n類：無專用基礎的中型機器（功率為15?75kW的電動機）、剛性安裝的發(fā)

動機和安裝在專用基礎上的機器（功率可達100kW）；

in類：安裝在振動測量方向上相對剛度很小的重型基礎上的大型原動機和其

它大型旋轉機械；

W類：安裝在振動測量方向上相對剛度很小的基礎上的大型原動機和其它大

17

型旋轉機械(如透平發(fā)動機組，特別是輕型結構基礎上的這種機組)；

V類：安裝在振動測量方向上相對剛度很大的基礎上的具有往復運動零部

件、而慣性力又不能平衡的機械驅動裝置和機器；

VI類：安裝在振動測量方向上相對剛度很小的基礎上的具有往復運動零部

件、而慣性力又不能平衡的機器和機械驅動裝置，和具有松動連接的旋轉機械，

例如磨粉機、研磨機、振動篩、動力疲勞試驗機和激振器等，以及諸如離心機那

樣無具體連接件而工作時不平衡量又變化的機器。

上述六種類別中僅取其中前四類機器為例，給出其振動烈度范圍。所建議的

等級在附表2中給出了從A級到D級具有雙級差的烈度范圍。根據(jù)重要的位置

上(尤其是軸承上)所測得的最大值，再對照表中的相應范圍，就可以確定一臺機

器或電動機的質量等級。

附我2振動烈度范困及應用實例

祖圖界限1.速度有效值/I類D類in類N類

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