状态监测与故障诊断的基本知识

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1、 状态监测与故障诊断的基本知识一、状态监测与故障诊断的意义及发展现状1状态监测与故障诊断的定义通俗地说，状态监测与故障诊断就是给机器看病。人不可能不生病，机器在运行过程中出现故障也是不可避免的。人生了病需要求医就诊，机器出了故障也要找“医生”诊断病因。医生对病人的诊断是基于体征检查（先看体温，再进行验血、X光、心电图、B超、甚至CT等）基础上的分析判断，对机器故障的诊断同样也是基于状态监测（先看总振动值，再求助于频谱、波形、轴心轨迹、趋势图、波德图、全息谱图等）基础上的综合性分析判断。状态监测是指通过一定的途径了解和掌握设备的运行状态，包括利用监测与分析仪器（在线的或离线的），采用各种检测、监

2、视、分析和判别方法，对设备当前的运行状态做出评估（属于正常、还是异常），对异常状态及时做出报警，并为进一步进行的故障分析、性能评估等提供信息和数据。故障是指机械设备丧失了原来所规定的性能或状态。通常把设备在运行中所发生的状态异常、缺陷、性能恶化、以及事故前期的状态统统称为故障，有时也把事故直接归为故障。而故障诊断则是根据状态监测所获得的信息，结合设备的工作原理、结构特点、运行参数、历史状况，对可能发生的故障进行分析、预报，对已经或正在发生的故障进行分析、判断，以确定故障的性质、类别、程度、部位及趋势，对维护设备的正常运行和合理检修提供正确的技术支持。2. 状态监测与故障诊断的意义状态监测与故障

3、诊断技术的由来及发展，与十分可观的故障损失以及设备维修费密切相关，而状态监测与故障诊断的意义则是有效地遏制了故障损失和设备维修费用。具体可归纳如下几个方面：（1）及时发现故障的早期征兆，以便采取相应的措施，避免、减缓、减少重大事故的发生；（2）一旦发生故障，能自动纪录下故障过程的完整信息，以便事后进行故障原因分析，避免再次发生同类事故；（3）通过对设备异常运行状态的分析，揭示故障的原因、程度、部位，为设备的在线调理、停机检修提供科学依据，延长运行周期，降低维修费用；（4）可充分地了解设备性能，为改进设计、制造与维修水平提供有力证据。自上世纪七十年代以来，国内外石化、化工、电力、钢铁等行业为了极

4、大限度地提高经济效益，生产规模不断扩大，生产装置向着大型化、高速化、自动化、连续化、单系列化发展，装置中的关键设备均无备机，一旦出现故障停机，将导致整个装置停产，所造成的经济损失是十分巨大的。例如，一个年加工原油500万吨的炼油厂，停产一天的经济损失达二千多万元；一个年产30万吨合成氨的化肥厂，停产一天的经济损失达二百五十万元；一台30万千瓦的发电机组，停产一天的经济损失达二百万元。由于大型转动设备的检修周期较长、备件价格昂贵，一次故障停机的总经济损失多数都在千万元以上。设备维修费在生产成本中所占的比重很大，对于工业发达的国家来说，任何一家公司的维修费都是一个可观的数字。国外研究表明，维修费随

5、设备技术含量的提高而增加，并且与维修体制密切相关。在日本，由于较为重视状态监测与故障诊断工作，上世纪九十年代初工业装置的维修费为年销售额的610，加上库存的备品备件，总维修费达销售额的25；在美国，根据美国国家统计局发布的资料：1980年美国工业设备的维修费达2460亿美元，几乎占了中央和地方税收总额（7500亿美元）的三分之一，而其中的750亿美元是因不当维修，包括缺乏正确的状态监测与故障诊断给浪费了；在我国的石化行业，伴随着维修体制的逐步改进、以及状态监测与故障诊断工作的逐步开展和提高，维修费所占的比重呈逐步下降趋势，上世纪八十年代为年产值的20左右，九十年代为15左右，近年来为10左右、

6、甚至略低。维修体制的变革经历了故障维修、预防性维修和预知性维修三个阶段。最初是故障维修，又称为事后维修，“小车不倒只管推” ，设备什么时候坏了、什么时候修，盲目、无计划、设备损坏程度大、维修费用高。长期以来，大多数工厂沿用的是定期的预防性维修体制，也称计划维修，它是根据生产计划和经验，规定在设备运行一确定时间后停下，进行解体、检查、修理、更换零部件。这种维修制度下，无论设备有无毛病都要解体，是一种过剩维修，浪费人工、物料；机器过多拆卸，既容易降低原有精度又容易发生人为故障。因此，预防性维修带有很大的盲目性，既不经济又不合理。预知性维修是以状态监测与故障诊断技术为基础、以设备实际状况为依据、根据

7、生产需要制定出预知性维修计划的维修体制。预知性维修要求：不断地测知表征设备实际状态的参数；对测得参数进行分析、判断，做出是否发生故障以及故障类型、故障程度的评价；推测机器状态的发展趋势，估算出最佳的维修时机。预知性维修的目标是：需要停车时才停车；需要换件时才换件；需要维修什么项目（如某处轴承、某根转子、某处对中、某个齿轮、）才维修什么项目。显然，预知性维修比较先进、经济。据日本资料介绍，采用设备故障诊断技术，故障停机时间可降低75，每年设备维修费可减少2550。无怪国外有些专家认为，把少量美元花费在状态监测上，比把上百万美元花费在因设备严重损坏而引起强迫停机后的检修上更有价值。从开展此项工作中

8、尝到甜头的国内设备专家则说，开展状态监测与故障诊断工作是花小钱、省大钱，购置监测仪器是花了一些钱，但有效地降低了故障损失和设备维修费，反而节省了大钱。3状态监测与故障诊断的发展与现状状态监测与故障诊断技术是近三十年来国内外发展较快的一门新兴学科。我国状态监测与故障诊断技术起源于上世纪七十年代末。那时，建国后首批从西方工业发达国家成套引进的13套大化肥装置，以及随后不久引进的大化纤、大乙烯等装置正处于建成后的试车、开车阶段，由于某些机组事故频发，促进了高校及科研单位对这项技术的理论研究和实际应用。国外某些大公司的监测与诊断部门也同时开展了一些服务与交流，客观上起到了一定的推动作用。79年起，有些

9、企业开始研究西方设备维修体制，从中感受到状态监测与预知性维修的重要意义。79年到83年，一些受故障损失严重困扰的石化企业，购置了国外先进的频谱分析仪等状态监测仪器，进入了初步的实践阶段，1983年，原国家经委下达了国营工业交通设备管理试行条例，明确提出：“逐步采用现代故障诊断和状态监测技术，发展以状态监测为基础的预知性维修体制” ，从而把故障诊断纳入企业管理法规，对发展故障诊断技术具有极为重要的意义。自1984年起，石化企业逐步建立起以总公司、公司（总厂）、厂的三级状态监测机构，配置人员，购置仪器，培训学习，相互交流，全面开展了状态监测与故障诊断工作，整体水平得到提高。九十年代起，火力发电行业

10、开始开展大型汽轮发电机组的在线状态监测与故障诊断工作，并且发展较为迅速。进入本世纪以来，在钢铁、炼铝、水力发电、风力发电、空分等行业内，伴随着技术先进的大型转动设备的投入使用，状态监测与故障诊断技术也开始得到重视与应用，并呈现出上升的趋势。状态监测与故障诊断技术自身的发展过程，大致可归纳为以下三个阶段：（1）离线的FFT分析仪阶段上世纪八十年代初、中期，通过磁带记录仪到现场记录振动信号，然后回实验室输入FFT（快速傅里叶变换）分析仪回放，进行频谱分析，只有功率谱（幅值谱）及波形，少数配置双通道时才能看到轴心轨迹，分析方法单一，基本上只能查幅值、频率。（2）离线或在线的计算机辅助监测、诊断阶段上

11、世纪八十年代末期至九十年代中期，通过计算机完成信息采集、信号分析、数据库管理、甚至给出诊断结论，有各种图谱，分析方法多样，更加注重幅值、频率、相位信息的全面、综合利用，还涌现出专家辅助诊断系统。（3）网络化监测、诊断阶段上世纪九十年代末以来，充分利用企业内部局域网和Internet网络，做到资源共享、节省投资、远程诊断，所监测的参数不再局限于振动、轴位移、转速，进一步扩展到流量、压力、温度等工艺过程量，对设备运行状态的把握更加全面、准确，实现了真正意义上的专家远程诊断。如今，在对设备当前运行状态的监测以及故障原因的诊断方面，可以说国内外状态监测与故障诊断产品（无论是在线的、还是离线的）的性能都

12、达到了较为令人满意的水平。然而，用户现场人员最关心的是设备当前故障的严重程度如何、今后的发展趋势怎样、还能否继续运行下去、还能运行多久等问题，恰恰在对故障程度的评估上以及故障趋势的预报上，各家产品都显得欠缺。因此，状态预报是目前监测诊断技术中较为薄弱的环节。 二、振动传感器的基本知识必要而且准确的信息是进行故障诊断的前提条件。由于所有振动信息的源头均来自于传感器，因此有必要了解一下振动传感器方面的基本知识。1振动传感器的构成及工作原理振动传感器是将机械振动量转换为成比例的模拟电气量的机电转换装置。传感器至少有机械量的接收和机电量的转换二个单元构成。机械接收单元感受机械振动，但只接收位移、速度、

13、加速度中的一个量；机电转换单元将接收到的机械量转换成模拟电气量，如电荷、电动势、电阻、电感、电容等；另外，还配有检测放大电路或放大器，将模拟电气量转换、放大为后续分析仪器所需要的电压信号，振动监测中的所有振动信息均来自于此电压信号。 2振动传感器的类型振动传感器的种类很多，且有不同的分类方法。按工作原理的不同，可分为电涡流式、磁电式（电动式）、压电式；按参考坐标的不同，可分为相对式与绝对式（惯性式）；按是否与被测物体接触，可分为接触式与非接触式；按测量的振动参数的不同，可分为位移、速度、加速度传感器；以及由电涡流式传感器和惯性式传感器组合而成的复合式传感器，等等。在现场实际振动检测中，常用的传

14、感器有磁电式速度传感器（其中又以绝对式应用较多）、压电式加速度传感器和电涡流式位移传感器。其中，加速度传感器应用最广，而大型旋转机械转子振动的测量几乎都是涡流式传感器。3磁电式速度传感器磁电式速度传感器的构造如下图所示。磁电式速度传感器的工作原理是，传感器固定在被测物体上，物体振动时，固定在壳体7上的磁钢5，随壳体与物体一起振动，而由弹簧片2和线圈3组成的弹簧质量元件，与磁钢的振动并不同步，而是发生相对运动，线圈切割磁钢的磁力线而产生电动势，在磁通量及线圈参数均为常数的情况下，电动势的大小与线圈切割磁力线的相对速度成正比。此相对速度，对相对式，显然是被测物体的相对振动速度；对绝对式来说，当传感

15、器中的弹簧质量元件的固有频率远小于被测物体的振动频率时，线圈的振动速度会远小于磁钢的振动速度，线圈与磁钢之间的相对速度，接近于被测振动体相对于大地或惯性空间的绝对速度。总之，可以认为，磁电式速度传感器的输出电压与被测物体的振动速度成正比。速度传感器通过积分电路可测得位移，通过微分电路可测得加速度。磁电式速度传感器的优点是，灵敏度高，输出信号大，输出阻抗低，电气性能稳定性好，不易受外部噪声干扰，不需外加电源，安装简单，使用方便，对后续电路也无特殊要求；缺点是动态频响范围有限，尺寸和重量较大，弹簧片容易发生疲劳损坏。速度传感器的构造特点决定了弹簧片为关键的矛盾点，弹簧片厚，弹簧质量元件的固有频率就

16、增高，所能测得的低频范围变窄；弹簧片薄，易损坏，使用寿命短。4压电式加速度传感器某些晶体，在受到沿一定方向的外力作用时，其内部的晶格会发生变化，产生极化现象，同时在晶体的两个表面上产生了极性相反的电荷；当外力消除后，又恢复到原来的不带电状态；当作用力方向改变时，所产生的电荷的极性也随之改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比，此现象称为压电效应。压电式加速度传感器，就是根据压电晶体受力后会在其两个表面产生不同电荷的压电效应来实现机电转换的。压电式加速度传感器的构造如下图所示。其工作原理是，压电式加速度传感器的基座4固定或紧密接触于被测物体，与物体一起振动，由压紧弹簧1与惯性质量块2组成的

17、弹簧质量元件，与基座的振动并不同步、而是发生相对运动，压电晶体3受到质量块因相对振动加速度产生的惯性力作用而产生电荷，电荷量的大小与惯性力成正比。当传感器中的弹簧质量元件的固有频率远大于被测物体的振动频率时，质量块的振动位移会远小于基座的振动位移，质量块与基座之间的相对振动接近于基座、即被测物体的振动。因此，压电式加速度传感器的输出电压与被测物体的振动加速度成正比。加速度传感器通过积分电路可测得速度，通过二次积分电路可测得位移。压电式加速度传感器的优点是，体积小，重量轻，频率响应范围宽。适于测量高频、冲击信号，例如齿轮、滚动轴承的振动测量，耐温、耐蚀性较好，不易损坏，在实际测量中应用最广泛。由

18、于压电晶体产生的电荷量很小，加速度传感器需要配置电荷放大器，因此造成内阻抗高、电荷放大器前的连接电缆容易受到外部电磁干扰。现在，许多加速度传感器把放大电路集成到传感器内，抗干扰能力得到大幅度的提高。压电式加速度传感器的频响特性范围，下限由电荷放大器决定，上限由传感器的固有频率及安装谐振频率决定。即传感器与被测物体的接触及固定状况会大大影响高频测量的范围，其中钢螺栓联接固定方式的高频测量范围最高，可达10000Hz，磁铁固定式为2000Hz，手持式最低，仅数百Hz。5电涡流式位移传感器电涡流式位移传感器由探头和前置放大器（又称测隙仪）二部分组成，探头对着转子被测表面，但并不接触，留有一定的间隙，

19、用支架固定在轴承的瓦座上或机壳上，通过延伸电缆与机壳外的前置放大器相连。电涡流式位移传感器的构造如下图所示。电涡流式位移传感器的工作原理是，传感器的头部线圈，与谐振电容、前置器内的石英振荡器，构成高频（12MHz）电流振荡回路，在头部线圈周围产生高频交变磁场。当磁场范围内出现金属导体、如转子时，转子表面会产生感应电流，即电涡流。电涡流产生的感应磁场反作用于线圈的高频磁场，使线圈的阻抗（或者说电感）发生变化，转子与探头之间的间隙越小，电涡流就越大，线圈的阻抗就越大、电感量就越小。在振荡器激励电流参数、线圈参数、金属（转子）电导率和磁导率都为常数的情况下，电感量是间隙的单值函数。测出电感量的变化，

20、即可知道转子与探头的间隙变化。由延伸电缆输出的电感量变化信号为高频载波信号，经前置放大器内的检波器放大、转换后输出的是直流电压信号。该电压与探头和转子之间的间隙成正比，因此称为间隙电压。间隙电压U又可分为直流分量Uo和变化分量Ua两部分。直流分量对应于初始间隙（又称安装间隙）或平均间隙，用于测量轴位移；变化分量对应于振动间隙，用于测量振动。测隙仪输出的间隙电压信号经后续仪表的进一步处理，即可转化成轴振动、轴位移、转速、相位的数值以及状态监测的各种图谱。电涡流式位移传感器是非接触式传感器，具有灵敏度高、线性范围大、频响范围宽、具有零频响应、探头结构尺寸小、抗干扰能力强、适于远距离传送、易于校准标

21、定等优点。与接触式传感器（速度传感器、加速度传感器都是接触式）相比，电涡流式传感器能够更准确地测量出转子振动状况的各种参数，尤其适用于大型旋转机械轴振动、轴位移、相位、轴心轨迹、轴心位置、差胀、等等的测量，用途十分广泛。6常用振动传感器主要性能及优缺点现将常用振动传感器主要性能及优缺点列表如下：常用振动传感器主要性能及优缺点类型 电涡流式位移传感器 磁电式速度传感器 压电式加速度传感器项目 （本特利3300、3500系列） （绝对式CD-1） (YD42,YE14103)灵敏度 7.87 mVm4 60 mV（mms） 20pcg频率范围 010000Hz 10500Hz 110000Hz 线

22、性范围 2mm 1mm 1000g 适用范围 轴振动、轴位移、转速、 轴承座、机壳、基础等 高频、冲击信号的测 相位、轴心轨迹等多种测量 非转动部件的振动测量 量，如齿轮、滚动轴承 非接触式测量 灵敏度高 灵敏度高 灵敏度高，线性范围大 输出阻抗小，输出信 体积小、重量轻 频响范围宽，具零频响 号大，电气性能稳定， 频响范围宽，适于优点 应，可测静态值 不易受外部噪声干扰 高频、冲击信号的检测 高电压、低阻抗输出， 不需外加电源 耐温、耐蚀性较好 适于远距离传送 简单、方便 工作可靠，适应环境 可静态标定，校准方便 应，可测静态值 对被测部件的缺陷敏感， 频响范围有限 对安装状况敏感 易存在机械及电气偏差 体积、重量较大 内阻抗高，放大器 缺点 需要外部电源 弹簧易疲劳损坏 前电缆易受电磁干扰 安装较复杂 易受高温、磁场影响 标定较困难 标定较麻烦