故障诊断与状态监测

状态监测和故障诊断的仪器和方法本章内容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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状态监测和故障诊断及其作用设备维修制度的发展和不同维修制度的比较故障诊断的各种手段振动监测仪器的分类及其选用原则离线仪器和在线系统在设备运行中或在基本不拆卸的情况下，通过各种手段，掌握设备运行状态，判定产生故障的部位和原因，并预测、预报设备未来的状态。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。简易诊断和精密诊断状态监测（简易诊断）内容：识别有无故障明确故障严重程度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）内容：确定故障部位确定故障原因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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。分析与诊断判断故障性质、程度和部位。分析故障原因。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事后维修，故障维修(Breakdown)设备坏了后才去修理。定期维修，预防维修(Preventive)定期地检查和大修。预测维修，视情维修(Predictive)周期的监测，必要时才去维修。事后维修体制设备运行到坏了再进行修理。不需要安排计划。对一些设备，更换比修理更便宜。意外停机引起生产损失。可能引起设备的二次损坏，甚至灾难性事故。库存备件投资多。定义优点缺点定期维修体制按预订的时间间隔或检修周期，对设备作维修、调整和更换备件。机器寿命较长。减少意外停机。备件库存较少。意外停机引起生产损失。过剩维修导致维修费用增加。过剩维修引起人为维修故障。定义优点缺点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。减少非计划停机损失。维修时间间隔可以延长。维修费用大为减少。备件库存最小。需要初始投资。需学习和培训。定义优点缺点不同制度的维修成本的比较0102030405060708090100事后维修定期维修预测维修大型钢铁企业维修费用化了多少？•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3～5％。•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？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保证机器精度，提高产品质量减少意外停车引起的生产损失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，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★振动：适用于旋转机械、往复机械、轴承、齿轮等。★温度（红外）：适用于工业炉窑、热力机械、电机、电器等。★声发射：适用于压力容器、往复机械、轴承、齿轮等。★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：采用物理化学方法，用于关键零部件的故障检测。★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：适用于工程结构、起重机械、锻压机械等。★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：适用于流程工业和生产线上的主要设备等。★电气：适用于电机、电器、输变电设备、电工仪表等。仪器分类：便携式测振表数据采集器表盘式的监测系统计算机化监测系统监测和诊断仪器的分类和选用仪器选用原则：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50~100%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～数十万元一般设备部分停产或不停产0~50%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和工作框图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监测系统计算机化的监测系统框图最简单的计算机化监测系统。单一计算机完成数据采集、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专家系统是一个故障诊断的专用程序。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频谱分析法趋势分析法通频值趋势分析、频谱趋势分析时域分析法波形分析、相关函数分析倒频谱分析法模态分析法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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。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强迫振动类故障自激振动类故障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1×R同步正进动油膜涡动(0.4~0.49)×R正进动热弯曲1×R同步正进动油膜振荡等于低阶固有频率正进动不对中2×R正进动气隙振荡等于低阶固有频率正进动磁拉力不平衡2N×RN为磁极对数正进动内腔积液失稳前0.5×R失稳后为低阶固有频率正进动松动1×R,2×R等也有1.5×R,2.5×R等转子内阻失稳前0.5×R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障的频谱波形为简谐波，少毛刺。轴心轨迹为圆或椭圆。1X频率为主。轴向振动不大。振幅随转速升高而增大。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出现2X频率成分。轴心轨迹成香蕉形或8字形。轴向振动一般较大。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波形出现许多毛刺。谱图中噪声水平高。出现精确的倍频2X，3X…等成分。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未松动时的频谱松动时的频谱出现0.5X，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(2RDdzf)cos1(2RDddDf22cos)(1RDdf)cos1(21RDdf)cos1(21滚动轴承故障的频谱轴承每一种零件有其特殊的故障频率。随着故障发展，它的幅值增加，并有谐波；谐波两边产生边频。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不平衡不对中松动滚动轴承故障频率05101520253035404550×RFrequencyinorder3.53.02.52.01.51.00.50Velocityinmm/spk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0246810121416FrequencyinorderDisplacementinmpktopk12.510.07.55.02.50齿轮故障的频谱齿轮啮合频率GMF等于齿数乘以齿轮转速频率。齿轮啮合频率两边有边频，间距为1X。随着齿轮故障发展，边频越来越丰富，幅值增加。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监视机器的劣化过程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•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报警值危险值停机日期报警日期确定报警值和危险值的方法•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。•相对法以机器正常状态的振动值作为基数，自己和自己比。•类比法与同类机器的振动值作比较。转机振动标准举例(轴承振动)ISO2372，ISO3945振动烈度：振动速度的有效值测量频率范围10～1000HzI级：小型机械例15kW以下电机II级：中型机械例15～75kW以下电机和300kW以下机械III级：大型机械，刚性基础600～12000r/minIV级：大型机械，