故障诊断0810讲解

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1、? 状态监测状态监测和和故障诊断故障诊断 的的 仪仪 器器 和和 方方 法法 1 ? 内 容 提 要 n趋势分析诊断法 通频值趋势分析 频谱趋势分析 报警值和危险值的确定 n相关分析诊断法 自相关分析 互相关分析 n倒频谱分析诊断法 n状态监测和故障诊断 n故障诊断的各种手段 n监测仪器的分类及其选用 离线仪器和在线系统 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、齿轮故障举例 2 ? n在设备运行中或在基本不拆卸的情况下， n通过各种手段，掌握设备运行状态， n判定产生故障的部位和原因， 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？ _是防止事故和计

2、划外停机的有效手段。 _是预知维修的基础，是设备维修的发展方向。 3 ? 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

3、电设备、电工仪表等。 4 ? 仪器分类： n离线测量仪表 便携式测振表 数据采集器 n在线测量系统 表盘式的 计算机化的 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 5 ? 监测和诊断仪器的分类和功能 6 ? 监测和诊断仪器选用 在线监测 数据自动采集 离线监测 数据周期采集 25 重要机器 5 关键机器 30 一般重要机器 20 次要机器 20 普通机器 不监测 用坏为止 透平机 压缩机 汽轮发电机组 燃气轮机 大电机 大、中型泵 风机 齿轮箱 小电机 小型泵 通风机 7 ? 测振表的外形和工作框图 阻抗变换前

4、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 8 ? 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 9 ? 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 10 ? 典型的

5、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 11 ? 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 12 ? 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 13 ? 汽轮发电机组的监测系统框图 下位机分析处理 联网

6、 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 14 ? 精密诊断的方法 n频谱分析法 n趋势分析法 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 n冲击脉冲法（SPM） 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 15 ? 频谱分析法 n频谱分析法是最基本和最常用的故障诊断方法。 n每种故障有其对应的特征频率。 n根据特征频率及其变化确定机器的故障性质和严 重程度。 16 ? 转动机械常见故障

7、的频率特征 强迫振动类故障 自激振动类故障 R: 转动频率 17 ?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 18 ? 转子不平衡的类型 19 ? 转子不对中故障的频谱 n出现 2X 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 POPI MOMI 1X 频率 2X 频率 叶片通 过频率 20 ? 转

8、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 21 ? 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） 22 ? 转子系统松动故障的频谱 n波形出现许多毛刺。 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

9、分 本例中最高 出现16X成分 噪声水平高 23 ?松动故障引起的间入谐量 n未松动时的频 谱 n松动时的频谱 出现0.5X，1.5X ，2.5X，3.5X. 等频率成分 24 ? 松动结合面两边振动差别大 50 35 38 15 10 12 18 40 25 5 8 松动！ 松动！ 不松动 不松动 25 ? 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 d D 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 26 ?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

10、产生边频 。 n还可用如共振解调、 倒频谱等诊断方法。 电机离心泵 PIPO 1X 2X 频率 故障基本 频率6.71X 基本频率的 四个谐波 27 ? 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 50R Frequency in order 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0 Velocity in mm/s pk 28 ? 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 2 4 6 8 10 12 14 16 Frequency in order Disp

11、lacement in m pk to pk 12.5 10.0 7.5 5.0 2.5 0 29 ?齿轮故障的频谱 n齿轮啮合频率 GMF 齿数齿轮转速频率 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 。 OUBS ISOL 齿轮箱 上辊 下辊 输入轴 啮合频率 GMF 上边频 下边频 2X 30 ? 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 31 ? 通频值趋势分析

12、报警值 危险值 停机日期报警日期 32 ? 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。 33 ? 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 101000Hz I 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/min IV 级：大型机械，弹性基础 60012000r/min A优，B良，C可，D不可34

13、? (轴振动) 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 35 ? 相对法确定振动限值 1 2 3 4 5 6 7 8 滚动轴承 齿 轮 旋转机械 滑动轴承 (23) (46) 报警值 危险值正常值 正常值 36 ? 相关分析及其应用 n自相关函数的定义 n自相关分析的应用 n互相关函数的定义 n互相关分析的应用 37 ? 自相关函数的定义 n信号和其延迟信号的乘积在一定时间内的平均值。 n反映信号x(t)和其延迟信号x(t + )的相似程度。 38 ? 典型信号的自相关函数 正弦 正弦 随机 窄带 随机 宽带 随机 39

14、 ? 正常状态正常状态 Rx()随 很快衰减至零， 信号为宽带随机。 异常状态异常状态 Rx()出现周期成分，机器有周期 冲击。 把各轴的转动频率和T 对比，可 确定故障来自哪根轴。 自相关分析的应用 C630车床主轴箱的故障诊断 40 ? 互相关函数的定义 n信号和另一延迟信号的乘积在一定时间内的平均值。 n反映信号x(t)和另一延迟信号y(t + )的相似程度。 41 ? 互相关分析的应用 确定管道泄漏故障点 Rx1x2()的尖峰的横坐标0是3点振动传播到点1和2的时间差 故1和2的中点到泄漏点3的位置 s0.5v 0 v 为声在管道中传播速度 42 ? 互相关函数的应用 振源的确定 y(

15、t)与x2(t) 的互相关比y(t)与x1(t) 的互相关强，判明驾驶座 的振动主要来自后轮。 根据Rx2y()的尖峰的横坐标可确定振动传播的时间。 43 ? 倒频谱分析诊断法 n倒频谱分析用于识别频谱图中的周期结构 n倒频谱的定义和有关的术语 n倒频谱分析主要应用于滚动轴承和齿轮的 故障诊断 44 ? 滚动轴承故障的频谱 n轴承每一种零件故障有其 特殊的故障频率。 n随着故障发展，会产生故 障频率的谐波和边频带。 n多个故障并存时，频谱图 很复杂，难以识别。 电机离心泵 PIPO 1X 2X 频 率 故障基本 频率6.71X 基本频率的 四个谐波 45 ?齿轮故障的频谱 n每对齿轮有一啮合频率。 n随着故障发展，会产生啮 合频率的谐波和边频带。 n有多种故障和多对齿轮时， 频谱图很复杂，难以识别。 OUIU ILOL 齿轮箱 上辊 下辊 输入轴 啮合频率 GMF 上边频 下边频 2X 46 ? 倒频谱是对数功率谱的频谱。 通俗地说，倒频谱是频谱图的频谱。 它突出了频谱图中的周期成分。 倒频谱图的横坐标为倒频率（时间）。 倒频谱的定义 log (Fxx( f ) c( ) FFT 47 ? 倒频谱的有关术语 参照频谱的术语，定义了倒频谱的一些新术语 频谱 (Spectrum) 倒频谱 (Cepstrum) 频