旋轉(zhuǎn)設(shè)備的振動監(jiān)測和故障診斷二

1、旋轉(zhuǎn)設(shè)備的振動監(jiān)測和故障診斷二作者：崔永凱  來源：本站原創(chuàng)  發(fā)布時間：2007-5-11 17:12:58上一講是一個開篇詞，簡單地說明了一下這個講座的本意。本來這次講座可以早點兒上的，中間一個春節(jié)，過了年事情也比較多，耽誤了些許功夫，請大家見諒了。     大家都關(guān)心故障診斷，老想著診斷得準(zhǔn)確，這種心思是可以理解的。工欲善其事，必先利其器，這個道理相信大家都明白，在進(jìn)入故障診斷之前，我們還是先來梳理一下進(jìn)行故障診斷之前應(yīng)該做些什么準(zhǔn)備，在砍柴前磨磨刀，這樣對正確診斷故障會有好處。  

2、60; 故障診斷不等于頻譜分析，這個概念是必須要清楚的，另外，故障診斷也不等于信號分析，還必須借助很多能輔證結(jié)論的其它信息。我曾經(jīng)見過有些故障診斷人員把所有的精力都用于信號記錄、分析，對出現(xiàn)故障的機(jī)組的信息反而沒有重視，診斷的準(zhǔn)確性差就是一種必然結(jié)果。也有些診斷人員只要診斷故障，就用極為有限的幾種分析工具，老想著把所有希望寄托在這幾張譜圖上，顯然也是不可能把故障診斷清楚的。我有一個同學(xué)是學(xué)中醫(yī)的，現(xiàn)在也是專家了，我說你給我號號脈，看看我有什么問題沒有，你也別問我，看看你這個專家靈不靈。我同學(xué)告訴我說，號脈只是獲取信息的一種方式，而且不可能是全部信息，望、聞、問、切，號脈只占個切字?，F(xiàn)

3、在中醫(yī)院也引進(jìn)了B超、CT，還不是為了彌補(bǔ)號脈信息的不完整嗎？我們給機(jī)器診斷故障也是這個道理，振動監(jiān)測只是部分信息，不是全信息。    我有一個朋友是推銷儀器的，他曾找到我說他現(xiàn)在推銷的儀器有故障診斷專家系統(tǒng)，而且非常準(zhǔn)確，想讓我買一臺。我認(rèn)為單通道儀器準(zhǔn)確診斷故障的能力不會很高，就找了一個已知故障讓他去診斷。我告訴他，如果診斷結(jié)論是不對中就說明診斷不準(zhǔn)。他回來了，告訴我，果然如我所說，診斷結(jié)論就是不對中。后來我和他交流了出現(xiàn)這種錯誤的原因，他自己也明白了為什么發(fā)生這樣的問題。這個問題是確認(rèn)哪種故障是主要故障，哪種故障是誘發(fā)故障，我們診斷故障時必須搞清楚

4、，否則人家按你的結(jié)論去處理，弄不好是治不了病的。    我們常用于診斷故障的工具如下，每一種分析方法都針對性，同時也具有局限性。時間波形雖然簡單，但在某些場合非常有效；頻譜雖然與大多故障特征具有對應(yīng)關(guān)系，有時候也不能準(zhǔn)確地反映機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)。從不同的角度（域）看問題，得到的信息肯定也是局部的。正所謂：橫看成嶺側(cè)成峰，遠(yuǎn)近高低各不同，不識廬山真面目，只緣身在此山中。    我們先把常用的一些分析工具復(fù)習(xí)一下，看一看各種工具到底有什么問題。    頻譜：單通道頻譜僅僅是振動在該方向

5、上（傳感器安裝的方向）上的投影譜，不能全面反映全部的故障特征信息，正如早晨的投影和中午的投影不同一樣，最好的方法還是應(yīng)該采用矢量譜，這樣可以獲得唯一性的信息，免得X方向和Y方向的特征差異把你弄得暈頭轉(zhuǎn)向；    波形：單通道信號是投影信號，兩個通道的波形特征有可能不同，幅值也不同。應(yīng)考慮兩個通道的振動幅值差異，這個幅值的差異有時候是很有用的，另外波形也是衡量振動穩(wěn)定性的指標(biāo)，其中許多無量綱參數(shù)都是從波形中計算得到的；    軸心軌跡：軸心軌跡反映了轉(zhuǎn)子渦動的路徑軌跡，是判斷預(yù)負(fù)荷的重要工具。但是軌跡的幾何中心是隨工

6、作狀態(tài)不同而改變的，即有可能相似的軸心軌跡反映的狀態(tài)不同，就是說，軸心軌跡也是一種不完整信息；    軸心位置：是衡量運(yùn)行穩(wěn)定性的重要標(biāo)志，衡量指標(biāo)有偏心率、方位角、旋轉(zhuǎn)方向（現(xiàn)在有的系統(tǒng)中對軸心位置的理解是錯誤的，所以繪制出的圖形也是錯誤的，不信大家可以仔細(xì)地了解一下。這樣錯誤的圖形提供的是錯誤的信息，錯誤的信息必然導(dǎo)致錯誤的結(jié)論）；    截面全信息譜：對于采用電渦流傳感器的系統(tǒng)來說，該方法提供了一個監(jiān)測截面內(nèi)所有唯一性信息，可以不用分析就可容易地識別出機(jī)組常見的故障，具有一定的“可視化”功能。這個方法是我們總

7、結(jié)了多年故障診斷經(jīng)驗搗鼓出來的，我本人對此非常滿意。這個方法解決了一個大家普遍頭痛的問題讀圖難的問題，我可以保證只要花十分鐘，你就是沒有接觸過故障診斷，也能把機(jī)組存在的基本問題說個七七八八。對于殼體振動（以滾動軸承支撐）信號，我正在搗鼓一個方法，可以簡單、有效地把故障信息提供給用戶，現(xiàn)在快搞完了，到時候再給大家介紹罷。    相關(guān)值：溫度（差）、流量、壓力、負(fù)荷等，對于正確診斷故障也是非常重要的，不要把振動當(dāng)成了診斷故障的唯一信息，畢竟光靠號脈不能診斷全部疾病，您說是吧？    下面我們把機(jī)組常見故障的基本知識準(zhǔn)備

8、一下。    轉(zhuǎn)子本身：質(zhì)量不平衡、臨時彎曲、軸頸淺表層缺陷、轉(zhuǎn)子動力學(xué)特性設(shè)計不合理、橫向裂紋、其它質(zhì)量不平衡分為初始質(zhì)量不平衡，即轉(zhuǎn)子的質(zhì)量不平衡是在制造過程中產(chǎn)生的；另一種是突發(fā)性質(zhì)量不平衡，或者稱為質(zhì)量缺損，是轉(zhuǎn)子在運(yùn)行過程中因葉片斷裂等因素造成的。除了其頻譜特征（最好采用矢量譜）為1X特征外，在轉(zhuǎn)速穩(wěn)定的情況下，其幅值、相位也是穩(wěn)定的，隨轉(zhuǎn)速變化最敏感。軸心軌跡的橢圓度是衡量質(zhì)量不平衡與其它故障的指示性指標(biāo)，當(dāng)軌跡橢圓度過大時，就應(yīng)考慮質(zhì)量平衡以外的故障了。    對于一般的機(jī)組，振動測量點多為軸承座，時

9、間波形和頻譜就成為必須的分析工具了。需要注意的是，振動值的大小分布特征是大值端為不平衡力的產(chǎn)生點。    若轉(zhuǎn)子屬于柔性轉(zhuǎn)子，則應(yīng)通過波德圖上三個不同的區(qū)域振動響應(yīng)情況來確定引起振動大的原因，即K剛度、阻尼剛度和質(zhì)量加速度剛度三個區(qū)域。若屬于質(zhì)量加速度剛度區(qū)域振動響應(yīng)較大，則必須考慮對轉(zhuǎn)子進(jìn)行全速動平衡。    我就遇到過上邊所說的平衡問題。一家設(shè)備制造廠的技術(shù)人員在現(xiàn)場服務(wù)，只要機(jī)組開起來，振動值必定要超標(biāo)，分析也總是平衡問題。這位技術(shù)人員問我，為什么每次做平衡都是合格的，可裝上去了就又不平衡了呢？我說，低速平衡

10、解決的問題與高速平衡解決的問題不同，對于柔性轉(zhuǎn)子來說，高速動平衡是必須要做的，否則解決這個問題就難了。后來做了高速動平衡，振動問題徹底解決了，什么原因，大家可以看看波德圖的三個區(qū)域就清楚了。肚子痛貼膏藥是不行的。    轉(zhuǎn)子臨時性彎曲除了符合質(zhì)量不平衡的特征外，要注意以下幾個環(huán)節(jié)的確認(rèn)：     高振動幅值發(fā)生的位置，如汽輪機(jī)；     高振動幅值發(fā)生的環(huán)境，如開車階段；     確認(rèn)蒸汽透平暖機(jī)時間是否符合操作規(guī)程規(guī)定的時間要求。&#

11、160;   若轉(zhuǎn)子由于存放不合理造成的彎曲，則可以通過極坐標(biāo)圖上表現(xiàn)出的彎曲矢量大小來判斷。轉(zhuǎn)子動力學(xué)特性設(shè)計不合理在波德圖上也可以確認(rèn)出其原因。    軸頸的淺表層缺陷很容易被電渦流傳感器探測出來，只要這個缺陷深度在傳感器磁場的穿透深度之內(nèi)。其特征是，在時間波形上疊加有周期性負(fù)脈沖，脈沖間隔取決于缺陷的數(shù)量，若只有一個缺陷，則會產(chǎn)生間隔與轉(zhuǎn)速頻率相同的負(fù)脈沖。負(fù)脈沖的絕對高度一般不隨真正振動幅值的變化而變化，這也是識別軸頸淺表層缺陷的基本準(zhǔn)則。    因電渦流傳感器安裝距離不符合要

12、求，將鍵相信號耦合到振動信號中的特征也是如此，在實際中我們都遇到過的。    轉(zhuǎn)子軸頸具有淺表層缺陷的實例很多，因脈沖幅值較大，往往嚴(yán)重影響檢測儀表的讀值。若具有在線監(jiān)測系統(tǒng)，可在信號幅值計量前進(jìn)行必要的信號預(yù)處理，將附加脈沖消除，得到正確的幅值及信號。    橫向裂紋可采用1X矢量區(qū)域和2X矢量區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測，其中2X矢量區(qū)域是較有效的方法，且較直觀。    與轉(zhuǎn)子：不對中、預(yù)負(fù)荷    不對中也屬于預(yù)負(fù)荷。    

13、一般教科書描述的診斷規(guī)則是2X特征，或“香蕉型”、“8”字型軌跡。但要注意，隨著不對中程度的不同，其特征也是有區(qū)別的。數(shù)據(jù)一定要來自聯(lián)軸器兩端的測點，這樣才能做到比較準(zhǔn)確。利用聯(lián)軸器兩側(cè)的軸心位置進(jìn)行比較，也可以得到直觀的對中信息。    對于一個機(jī)組來說，轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)子之間的聯(lián)軸器是一個相對“軟”的環(huán)節(jié)，具有一定的預(yù)負(fù)荷吸收、補(bǔ)償能力，診斷時應(yīng)注意與其它類型的預(yù)負(fù)荷（如管道力等）的區(qū)別。一般來說，當(dāng)機(jī)組存在單向預(yù)負(fù)荷時，聯(lián)軸器的對中情況肯定受影響，但當(dāng)作不對中來處理時，往往不能解決問題。    實際診斷時還應(yīng)注意其它

14、故障誘發(fā)的不對中問題，如因熱膨脹不均勻最終也會導(dǎo)致不對中，但在處置時若按不對中處理肯定是不能解決問題的。    轉(zhuǎn)子與軸承：摩擦、油膜渦動、油膜振蕩    摩擦是機(jī)組運(yùn)行中最忌諱的故障之一，也是能直接導(dǎo)致軸承損壞的故障之一。摩擦往往不是獨(dú)立存在的故障，多與軸彎曲、失穩(wěn)等故障并發(fā)，或者說是上述故障的并發(fā)癥。    在診斷摩擦故障時，一定要區(qū)別“摩擦正在進(jìn)行時”和“摩擦過去時”兩種狀態(tài)。一般教科書上所列舉的摩擦特征對“正在進(jìn)行時”是適用的，但對“過去時”需要其它特征來驗證。

15、60;   關(guān)于油膜渦動和油膜振蕩，利用開停車時獲得的三維頻譜圖最容易識別，渦動頻率與轉(zhuǎn)速頻率保持一個固定的比例關(guān)系，如教科書上所說的0.420.48X，但最近的研究結(jié)果表明，渦動頻率的范圍要比傳統(tǒng)教科書上所說的寬，在0.20.86X范圍內(nèi)均有可能產(chǎn)生油膜渦動；振動頻率與轉(zhuǎn)速頻率無關(guān)，實際是修正的一階固有頻率，在三維頻譜圖上表現(xiàn)為隨轉(zhuǎn)速變化其頻率不變。油膜失穩(wěn)的處置原則在于消除產(chǎn)生失穩(wěn)的誘發(fā)因素，如通過提高軸承的載荷系數(shù)提高其工作的穩(wěn)定性，這里面可以調(diào)節(jié)的參數(shù)有軸承間隙和潤滑油黏度，但在實際調(diào)節(jié)時一定要弄清原因后再決定調(diào)節(jié)方式。另外，轉(zhuǎn)子動力學(xué)特性不佳或轉(zhuǎn)子之間對

16、中不良也有可能誘發(fā)軸承油膜失穩(wěn)。    對于摩擦和油膜失穩(wěn)，恩普特公司已經(jīng)開發(fā)出了基于“可視化”的全新分析方法，可以讓用戶隨時“看”到轉(zhuǎn)子在軸承中是否趨于失穩(wěn)或趨于摩擦，聯(lián)軸器是否存在不對中。如果大家對這方面有興趣，歡迎大家共同交流體會。    轉(zhuǎn)子與密封：密封激勵失穩(wěn)    失穩(wěn)這類問題識別容易處置難，運(yùn)氣好處理得順利一些，運(yùn)氣不好的話處理要費(fèi)很多時間。    上一講我提到，在非典期間，一家企業(yè)的稀硝酸機(jī)組因振動過大無法運(yùn)行，干脆就開

17、不起來，就是這個問題，他的老板每天要賠30萬元人民幣，設(shè)備維修人員把能想到的招兒都用上了，剛是聯(lián)軸器就先后用了國產(chǎn)的、日本的，折騰了快一個月，結(jié)果這臺機(jī)組的振動情況還是濤聲依舊，老板的嘴上急得全是泡兒。在廠醫(yī)生的監(jiān)督下，我對這臺機(jī)組進(jìn)行了監(jiān)測，第一次監(jiān)測就診斷出來是失穩(wěn)問題，排除了油膜問題、喘振問題，就剩下密封問題了。我提出逐漸調(diào)整轉(zhuǎn)子軸向位置的方法，經(jīng)過4次調(diào)試，開車成功。這家企業(yè)老板終于看到煙囪冒出白煙時，也從心里認(rèn)同了設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)。我雖然花費(fèi)了一個禮拜的時間，但還算是比較幸運(yùn)的，據(jù)說有些機(jī)組失穩(wěn)故障最長處理時間達(dá)到1月有余。    最

18、近我又遇到一個此類問題，機(jī)組無規(guī)律波動，每次波動歷經(jīng)數(shù)小時，但因機(jī)組波動時沒能將此時的動態(tài)數(shù)據(jù)紀(jì)錄下來，只有控制系統(tǒng)保存了趨勢，因此到底是什么原因還不得而知。    操作：旋轉(zhuǎn)失速、喘振    離心式壓縮機(jī)的工作過程是介質(zhì)通過葉輪流道壓縮后排出，滿足特定的工藝要求，如果入口流量低于設(shè)計流量時，介質(zhì)在流道內(nèi)的工作狀態(tài)發(fā)生變化（流體流動狀態(tài)），產(chǎn)生失速、脫離，在葉輪內(nèi)形成一個與葉輪旋轉(zhuǎn)方向相反的失速運(yùn)動，若旋轉(zhuǎn)失速頻率與葉片或轉(zhuǎn)子的固有頻率相接近或吻合，就會導(dǎo)致振動響應(yīng)劇烈增大。喘振是旋轉(zhuǎn)失速發(fā)展的后續(xù)階段，有些像油膜

19、渦動與振蕩的關(guān)系。    無論是旋轉(zhuǎn)失速，還是喘振，都有一個共同的特點，就是與入口流量密切相關(guān)。此類故障只有密切控制入口流量，才能避免因入口流量導(dǎo)致的失穩(wěn)。入口流量不足可能是真實的入口流量不足，也可能入口堵塞導(dǎo)致的流量不足，如葉輪被異物堵塞。    用頻譜識別此類故障比較直觀，旋轉(zhuǎn)失速的頻率一般在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動頻率的1/21/5之間，且為一相對固定的數(shù)值（取決于氣體脫離團(tuán)的數(shù)目），振動幅值一般隨出口壓力增大而增大，隨流量減小而增大。發(fā)生旋轉(zhuǎn)失速時，軸向振動對轉(zhuǎn)速和流量很敏感，排氣壓力波動，機(jī)組壓比下降；喘振頻率多處于10

20、Hz以下，出口壓力大幅度波動，呈周期性。    對于離心式壓縮機(jī)，因生產(chǎn)過程工藝條件的改變而降低負(fù)荷、降速時，應(yīng)特別注意此類故障的發(fā)生。    機(jī)械本體：軸承座松動破裂、管道力    軸承座松動的實例是有的，破裂的故障我本人沒有見過。    座松動我認(rèn)為比較容易識別，一般情況下，對于水平剖分式設(shè)備，水平方向的振動值應(yīng)該比較大，若你發(fā)現(xiàn)垂直方向的殼體振動值明顯大于水平方向振動值時，十有八九是軸承座松動了。單純從頻譜識別軸承座松動反而不很直觀，因為松

21、動因其輕微的沖擊會導(dǎo)致頻譜中的頻率成分很多，識別起來比較困難。有一次我在現(xiàn)場就遇到過這樣的問題，現(xiàn)場的人拿來一張頻譜圖讓我和其他公司的人背對背診斷，誰診斷對了就和誰家談后面項目的事情。我知道這是人家廠家考驗我們，我診斷出來是軸承座松動，還告訴廠家的人不相信的話可以在軸承座接觸表面上有輕微的敲擊痕跡，結(jié)果我診斷對了，其實我就是從振動值大小方向上驗證的，后來這個項目是我們做了。    管道力的問題我也遇到過，并且做了妥當(dāng)?shù)奶幹?，等后面講具體的故障診斷邏輯中再細(xì)說吧。    基礎(chǔ)：軟腳剛度不足  &#

22、160; 基礎(chǔ)的問題主要是剛性問題。當(dāng)然也有因機(jī)器振動太大把基礎(chǔ)損壞了的，但畢竟不多見。有一次我為一家企業(yè)辦故障診斷學(xué)習(xí)班，期間他們找了一臺機(jī)器作為實習(xí)點，讓我給這臺機(jī)器進(jìn)行診斷。當(dāng)時沒有分析儀器，只有一臺振動烈度測量儀，一臺沖擊脈沖計，最后還是診斷出來是基礎(chǔ)問題，后來他們把這臺機(jī)器的基礎(chǔ)重新弄了，機(jī)器現(xiàn)在還在使用。振動烈度反映的是什么？是平均振動能量。測量的結(jié)果確實超標(biāo)，是不是軸承出毛病了？用沖擊脈沖計驗證一下，發(fā)現(xiàn)軸承沒有問題，剩下的問題是確定到底是什么影響的振動，可能是平衡？對中？軸承座松動？基礎(chǔ)？這些故障中軸承座松動可以通過振動方向上振動值的分布進(jìn)行確認(rèn)，經(jīng)確認(rèn)沒有這個問題。

23、基礎(chǔ)？我圍著基礎(chǔ)轉(zhuǎn)了一圈，發(fā)現(xiàn)一個角有一裂縫，冷卻水不停地望里灌，但從來沒有看見有水溢出，說明這個角已經(jīng)“軟”了，基礎(chǔ)肯定有問題。于是就建議到檢修的時候重新灌基礎(chǔ)，最終解決了這臺機(jī)器的振動問題。    還有一次在診斷中發(fā)現(xiàn)有人站在基礎(chǔ)上機(jī)組的振動就降低，我連監(jiān)測都每做，告訴他們基礎(chǔ)剛度過低，加固吧！問題解決了，他們向我索取報告，我說沒報告，沒有測哪來的報告？為什么我肯定是剛度問題呢？因為這臺機(jī)組的基礎(chǔ)實在薄弱，加上人站在上面振動降低的實際情況，還用得著監(jiān)測嗎？    部件：滾動軸承、齒輪故障    滾動軸承的故障診斷受很多因素的影響，其中最大的影響因素是信號的信噪比問題。由于殼體振動的耦合通道多，也就是說干擾因素也多，我們期望的信號信噪比較低，有時候可能根本無法應(yīng)用。對于滾動軸承信號分析，無外乎幾種方法：一是專用的方法，如SPM法，對滾動軸承故障比較靈敏，但對其他故障沒有診斷能力；二是利用信號預(yù)處理技術(shù)，將信號中感興趣的頻段提取出來，再進(jìn)行分析，如包絡(luò)解調(diào)法等?？匆豢唇炭茣瑢L動軸承故障診斷的篇幅不小，但在使用時應(yīng)注意一個問題，所有的特征頻率計算都是假設(shè)軸承內(nèi)圈與軸沒有相對滑動，考慮到相對滑動時，公式計算出來的特征頻率存在一定誤差，也就是說，測量出來的