状态监测和故障诊断的仪 器 和 方 法

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1、本本 章章 内内 容容n频谱分析诊断法 不同故障的特征频率 不平衡、不对中、松动、轴承故障、齿轮故障等n趋势分析法 通频值趋势分析 频谱趋势分析 报警值和危险值的确定 n状态监测和故障诊断及其作用n设备维修制度的发展和不同维修制度的比较n故障诊断的各种手段n振动监测仪器的分类及其选用原则 离线仪器和在线系统 n在设备运行运行中或在基本不拆卸基本不拆卸的情况下，n通过各种手段，掌握设备运行状态掌握设备运行状态，n判定产生故障的部位和原因故障的部位和原因，n并预测、预报设备未来的状态。什么是状态监测和故障诊断？什么是状态监测和故障诊断？_是防止事故和计划外停机的有效手段。_是设备维修的发展方向。简

2、易诊断和精密诊断简易诊断和精密诊断状态监测（简易诊断）状态监测（简易诊断）内容：n识别有无故障n明确故障严重程度n作出故障趋势分析由设备维修人员在现场进行故障诊断（精密诊断）故障诊断（精密诊断）内容：n确定故障部位n确定故障原因n提出维修建议由设备诊断人员在现场或中心进行状态监测和故障诊断的过程状态监测和故障诊断的过程检测缩小故障范围状态判别搜集征兆定期检测故障定位原因分析维修决策趋势分析正常参数开始尚可正常不可异常状态监测和故障诊断的作用状态监测和故障诊断的作用监测与保护监测与保护 监测机器工作状态。发现故障及时报警，并隔离故障。分析与诊断分析与诊断 判断故障性质、程度和部位。分析故障原因。

3、处理与预防处理与预防 给出消除故障的措施。防止发生同类故障。设备维修制度的发展设备维修制度的发展n事后维修，故障维修事后维修，故障维修 (Break down)设备坏了后才去修理。n定期维修，预防维修定期维修，预防维修 (Preventive)定期地检查和大修。n预测维修，视情维修预测维修，视情维修 (Predictive)周期的监测，必要时才去维修。事后维修体制事后维修体制设备运行到坏了再进行修理。n不需要安排计划。n对一些设备，更换比修理更便宜。n意外停机引起生产损失。n可能引起设备的二次损坏，甚至灾难性事故。n库存备件投资多。定义定义优点优点缺点缺点定期维修体制定期维修体制按预订的时间间

4、隔或检修周期，对设备作维修、调整和更换备件。n机器寿命较长。n减少意外停机。n备件库存较少。n意外停机引起生产损失。n过剩维修导致维修费用增加。n过剩维修引起人为维修故障。定义定义优点优点缺点缺点预测维修体制预测维修体制有计划地对设备作检查和测试，以确定其健康状态，必要时才进行维修。n减少非计划停机损失。n维修时间间隔可以延长。n维修费用大为减少。n备件库存最小。n需要初始投资。n需学习和培训。定义定义优点优点缺点缺点不同制度的维修成本的比较不同制度的维修成本的比较0 0101020203030404050506060707080809090100100事后维修事后维修定期维修定期维修预测维修

5、预测维修大型钢铁企业维修费用化了多少？维修费用化了多少？美国1980年税收总额$7500亿，维修费为$2460亿,估计其中过剩维修费为$750亿。我国1987年国营公交企业40万个，固定资产￥7000亿,维修费约为固定资产的 35。我国2002年规模以上企业共有固定资产￥8800万亿，维修费有多少？能节省多少？停产一天的损失有多大？停产一天的损失有多大？300MW发电机组 损失电720万kWh，约￥144万元30万吨化肥装置 损失化肥1000t，约￥150万元三峡2号水轮机组700MW 停机4小时损失￥400万元先进维修制度的作用先进维修制度的作用 保证机器精度，提高产品质量 减少意外停车引起

6、的生产损失 防止事故，杜绝灾难性故障 减少维修时间和维修费用（人力和财力）改善环境，改善企业形象投资获得最大和最长远的回报投资获得最大和最长远的回报国家有关的条例摘录国家有关的条例摘录 逐步采用现代故障诊断和状态监测技术，发展以以状态监测为基础的预知维修体制状态监测为基础的预知维修体制。1983年国家经委国营公交设备管理试行条例 企业应当积极采用先进的设备管理方法和维修技术，采用以设备状态监测为基础的设备维修方法以设备状态监测为基础的设备维修方法，不断提高设备管理和维修技术的现代化水平。1987年国务院全民所用制公交设备管理条例监测和诊断的各种手段监测和诊断的各种手段 振动：振动：适用于旋转机

7、械、往复机械、轴承、齿轮等。温度（红外）：温度（红外）：适用于工业炉窑、热力机械、电机、电器等。声发射：声发射：适用于压力容器、往复机械、轴承、齿轮等。油液（铁谱）油液（铁谱）：适用于齿轮箱、设备润滑系统、电力变压器等。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。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。强度：强度：适用于工程结构、起重机械、锻压机械等。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。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。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便携式测振表n数

8、据采集器n表盘式的监测系统n计算机化监测系统监测和诊断仪器的分类和选用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 设备管理人员的水平和素质振动监测系统的分类和选择设备类型损坏后果推荐监测手段主 要 功 能大约价格关键设备完全停产100%计算机化的监测系统振动幅值、频谱的连续监测数据存储、数据比较，数据文件管理趋势分析、谱趋势分析启、停车等瞬态过程数据收集超限报警、保护，事故记忆故障诊断，人工智能，联网，远程等数十万元以上重要设备部分停产50100%表盘式的监测系统振动幅值的连续监测超限报警、保护数据存储、比较，趋势分析几万数十万元

9、一般设备部分停产或不停产050%数据采集器振动幅值、频谱的周期采集数据存储和管理数据比较，趋势分析几万元便携测振表振动幅值的采集简单的频率分析几千元监测和诊断仪器的分类和选用监测和诊断仪器的分类和选用测振表的外形和原理框图测振表的外形和原理框图阻抗变换前置放大指示选频网络微积分检波主放大电池灵敏度调节传感器输入交流输出 直流输出计算机存贮器打印机屏 幕软件放大接口存贮显示时钟电池管理环节传感器数据采集器计算机及外部设备数据采集器的外形数据采集器的外形和工作框图和工作框图数据采集器的工作流程数据采集器的工作流程主 菜 单趋势分析显示和打印调用存储数据趋势分析和谱趋势分析巡检准备输入组态信息清除内

10、存出发巡检校对时钟数据处理下载数据数据比较巡检报表频谱分析频谱图轨迹图显示和打印轨迹分析定巡检路线新开巡检组定设备和测点定测量参数更改测量参数增减设备和测点增减巡检组组 态打印组态表典型的表盘式监测系统典型的表盘式监测系统双通道振动表推力瓦位和瓦温表振动传感器在瓦盖上水泵的监测系统水泵的监测系统典型的表盘式监测系统典型的表盘式监测系统前置器双通道轴位表推力瓦温表键相信号双通道轴振表径向瓦温表键相传感器90度布置的两涡流传感器推力瓦温传感器径向瓦温传感器轴向位置传感器报警信号输出离心压缩机离心压缩机监测系统监测系统计算机化的监测系统框图计算机化的监测系统框图 n最简单的计算机化监测系统。n单一计

11、算机完成数据采集、管理、数据分析、人机对话等功能。存贮器打印机屏 幕软件适调放大切换装置A/D变换器来自传感器监测仪表计算机汽轮发电机组的监测系统框图汽轮发电机组的监测系统框图下位机分析处理联网显示存贮人机对话通讯适调放大适调放大限幅整形光电隔离光电隔离光电隔离同步采样采样上位机振动信号（快变）温度、压力信号（慢变）键相信号故障诊断的专家系统框图故障诊断的专家系统框图n专家系统是一个故障诊断的专用程序。n用户可以把其中积累的诊断专家的知识用于诊断工作。结果及解释征兆事实库知识获取征兆获取推理机诊断知识库设备参数库工作存贮器人机对话故障对策传感器信号领域专家用 户精密诊断的方法精密诊断的方法n频

12、谱分析法n趋势分析法 通频值趋势分析、频谱趋势分析n时域分析法 波形分析、相关函数分析n倒频谱分析法n模态分析法n随机减量法其他数学方法 模式识别法 模糊诊断法 故障树诊断法 神经网络法 小波分析法 灰色系统法 分形几何法精密诊断最常用的方法精密诊断最常用的方法n频谱分析法频谱分析法 每种故障有其对应的特征频率。据此确定机器的故障性质和严重程度。n趋势分析法、频谱趋势分析法趋势分析法、频谱趋势分析法 根据劣化曲线，振动的通频幅值(特征频率幅值)随故障的发展而增大。据此监视机器的健康状态，并推测其寿命。转动机械常见故障的频率特征转动机械常见故障的频率特征强迫振动类故障强迫振动类故障自激振动类故障

13、自激振动类故障R:转动频率故障名称频率特征转动特征故障名称频率特征转动特征不平衡1R同步正进动油膜涡动(0.40.49)R正进动热弯曲1R同步正进动油膜振荡等于低阶固有频率正进动不对中2R正进动气隙振荡等于低阶固有频率正进动磁拉力不平衡2NRN 为磁极对数正进动内腔积液失稳前 0.5R失稳后为低阶固有频率正进动松 动1R,2R 等也有 1.5R,2.5R 等转子内阻失稳前 0.5R失稳后为低阶固有频率正进动齿轮故障啮合频率等于齿数R，边带频率径向摩擦失稳前小于低阶固有频率失稳后等于低阶固有频率反进动滚动轴承外环故障内环故障滚珠故障轴向摩擦失稳前小于低阶固有频率失稳后等于低阶固有频率转子不平衡故

14、障的频谱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(水平)1X频率(水平)1X频率(铅垂)1X频率(铅垂)轴向很小轴向很小转子不平衡的类型转子不平衡的类型不平衡类型特 征消除措施质量不平衡低速晃动小平衡初始弯曲低速晃动大静态校直热弯曲振动随负荷增大，但有滞后低速盘车部件位移或脱落振动阶跃增加，然后稳定停车检查部件结垢振动缓慢增加，轴向振动和轴向推力增大，机器效率降低清垢联轴器不平衡相邻轴承振动大，相位相同平衡转子不对中故障的频谱转子不对中故障的频谱 n出现 2X

15、频率成分。n轴心轨迹成香蕉形或8字形。n轴向振动一般较大。n本例中，出现叶片通过频率。电机水泵POPIMOMI1X 频率2X 频率叶片通过频率转子不对中的类型转子不对中的类型正确对中 e=0,=0平行不对中 e 0,=0角度不对中 e=0,0综合不对中 e 0,0不同联轴节的情况不同联轴节的情况联轴节类型 不对中形式 振 动 特 征刚性联轴节 平行不对中 有2X成分 角度不对中 轴向振动1X成分大 轴向振动大，有2X及高次谐波齿式联轴节 径向振动可能有2X、3X、4X 联轴节两侧振动的相位常相反膜片联轴节 有nX 成分（n为螺钉数）转子系统松动故障的频谱转子系统松动故障的频谱n波形出现许多毛刺

16、。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松动故障引起的间入谐量n未松动时的频未松动时的频谱谱n松动时的频谱松动时的频谱 X，1.5X，2.5X，3.5X.等频率成分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RDdzf)cos1(2RDdzf)cos1(2RDddDf22cos)(1RDdf)cos1(21RDdf)cos1(21滚动

17、轴承故障的频谱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还可用非频率域的诊断方法，如共振解调。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带滚动轴承的机械的频谱特点带滚动轴承的机械的频谱特点 不平衡不对中松动滚动轴承故障频率0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50RFrequency in order3.53.02.52.01.51.00.50Velocity in mm/s pk带滑动轴承的机械的频谱特点带滑动轴承的机械的频谱特点不对中松动引起的谐波不平衡油膜涡动、碰摩0

18、2 4 6 8 10 12 14 16Frequency in orderDisplacement in m pk to pk12.510.07.55.02.50齿轮故障的频谱齿轮故障的频谱n齿轮啮合频率GMF等于齿数乘以齿轮转速频率。n齿轮啮合频率两边有边频，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趋势分析法的理论根据趋势分析法的理论根据n监视机器的劣化过程n预测机器的失效时间正常使用期耗损期磨合期故障率时间“浴盆曲线”停机日期报警日期故障征兆时间劣化曲线报警值危险值趋势分析法趋势分

19、析法通频值趋势分析通频值趋势分析 简单易行 不易发现早期故障频谱趋势分析频谱趋势分析 能早期发现齿轮、轴承等早期故障 能较快判定故障的部位通频值趋势分析通频值趋势分析报警值报警值危险值危险值停机日期停机日期报警日期报警日期确定报警值和危险值的方法确定报警值和危险值的方法 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。类比法类比法 与同类机器的振动值作比较。转机振动标准举例转机振动标准举例(轴承振动轴承振动)ISO2372ISO2372，ISO3945ISO3945振动烈度：振动速度的有效值测量频

20、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，柔性基础 60012000r/min振动烈度mm/s设 备 分 级范 围限 值I 级II 级III 级IV级0.280.450.71A A A1.12A A A1.8B B BA A A2.8B B BA A A4.5C C CB B B7.1C C CB B B11.2C C C18C C C284571D D DD D DD D DD D D0.280.450.711.121.82.84.57.

21、111.2182845A优优，B良，良，C可可，D不可不可(轴振动)转机振动标准举例转机振动标准举例VDI德国工程师协会IEC 国际电工协会API 美国石油协会NEMA MITI/JEAC 相对法确定振动限值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类比法确定振动限值类比法确定振动限值CBAD 设备号测点ABCDH0.060.060.060.06H0.070.050.070.07H0.060.070.140.05振动烈度cm/sH0.070.060.170.07 C泵的振动超过同类诸泵的振动

22、一倍，C泵应定为有故障频谱趋势分析频谱趋势分析报警线报警线危险线危险线6.05.254.53.753.02.251.50.750Velocity in mm/s rms0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50RFrequency in order故障频率带频率范围报警值单 位通 频(040)R 8.8mm/s pk基频、亚同步(01.2)R 7.6mm/s pk23 倍频(1.53.5)R 6.3mm/s pk轴承带 I(3.515)R 3.3mm/s pk轴承带 II(1540)R 3.3mm/s pk叶片通过频率叶片数R 2.5mm/s pk很高频40R 20kHz 3

23、.0g pk R 为机器的转动频率滚动轴承机械的滚动轴承机械的报警参考值报警参考值0 5 10 15 20 25 30 35 40 R8 6 4 2 0mm/s pk故障频率带频率范围报警值单 位通 频(010)R 8.8mm/s pk亚同步(00.8)R2.54mm/s pk基 频(0.81.8)R 7.6mm/s pk23 倍频(1.53.5)R 6.3mm/s pk410 倍频(3.510)R 5.0mm/s pk叶片通过频率叶片数R 2.5mm/s pk基频相位 30度 R 为机器的转动频率滑动轴承机械的滑动轴承机械的报警参考值报警参考值0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 R8 6 4 2 0mm/s pk