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1、（机械制造行业）大型旋转机械状态检测与故障诊断讲义大型旋转机械状态检测与故障诊断讲义沈立智阿尔斯通创为实技术发展（深圳）有限公司2006年12月目录第一节 状态监测与故障诊断的基本知识4一、状态监测与故障诊断的意义4二、大机组状态监测与故障诊断常用的方法41. 振动分析法42. 油液分析法43. 轴位移的监测44. 轴承回油温度及瓦块温度的监测45. 综合分析法4三、有关振动的常用术语41. 机械振动42. 涡动、进动、正进动、反进动43. 振幅43.1 振幅43.2 峰峰值、单峰值、有效值43.3 振动位移、振动速度、振动加速度43.4 振动烈度、振动标准44. 频率44.1 频率、周期44
2、.2 倍频、一倍频、二倍频、0.5倍频、工频、基频、半频44.3 通频振动、选频振动44.4 故障特征频率45. 相位45.1 相位、相位差45.2 键相器45.3 绝对相位45.4 同相振动、反相振动45.5 相位的应用46. 相对轴振动、绝对轴振动、轴承座振动47. 横向振动、轴向振动、扭转振动48. 刚性转子、挠性转子、圆柱形振动、圆锥形振动、弓状回转49. 刚度、阻尼、临界阻尼410. 临界转速411. 挠度、弹性线、主振型、轴振型412. 高点、重点413. 机械偏差、电气偏差、晃度414. 谐波、次谐波415. 同步振动、异步振动、亚异步振动、超异步振动416. 共振、高次谐波共振
3、、次谐波共振417. 简谐振动、周期振动、准周期振动、瞬态振动、冲击振动、随机振动418. 自由振动、受迫振动、自激振动、参变振动419. 旋转失速、喘振420. 半速涡动、油膜振荡4第二节 状态监测与故障诊断的基本图谱4一、常规图谱41. 机组总貌图42. 单值棒图43. 多值棒图44. 波形图45. 频谱图46. 轴心轨迹图47. 振动趋势图48. 过程振动趋势图49. 极坐标图410. 轴心位置图411. 全息谱图4二、启停机图谱41. 转速时间图42. 波德图43. 奈奎斯特图44. 频谱瀑布图45. 级联图4第三节 故障诊断的具体方法及步骤4一、故障真伪的诊断41. 首先应查询故障发
4、生时生产工艺系统有无大的波动或调整42. 其次应查看仪表、主要是探头的间隙电压是否真实可信43. 应查看相关的运行参数有无相应的变化44. 应察看现场有无人可直接感受到的异常现象4二、故障类型的诊断41. 振动故障类型的诊断41. 1主要异常振动分量频率的查找步骤及方法4a）先看棒图或多值棒图4b）依次调看振动趋势图4c）最后看频谱图41.2 根据异常振动分量的频率进行振动类型诊断4a) 主要异常振动分量为工频时4b) 主要异常振动分量为低频时4c) 主要异常振动分量为二倍频时4d) 主要异常振动分量为其它频率时42. 轴位移故障原因的诊断4三、 故障程度的评估4四、 故障部位的诊断4五、 故
5、障趋势的预测4第一节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表（定时的或非定时的、在线的或离线的），采用各种检测、监视、分析和判别方法，结合设备的历史和现状，对设备当前的运行状态作出评估（属于正常、还是异常），对异常状态及时作出报警，并为进一步进行故障分析、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。通常把机械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。而大型旋转机械机组的故障诊断，则是根据对大机组进行状态监测所获得的
6、信息，结合机组的工作原理、结构特点、运行状况，对有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，对维护机组的正常运行和合理检修提供正确的技术支持。大型旋转机械由于功率大、转速高、流量大、压力高、结构复杂、监控仪表繁多、运行及检修要求高，因此在设计、制造、安装、检修、运行等诸多环节上稍有不当，都会造成机组在运行时发生种种故障。大型机组本身价格昂贵，其故障停机又会引起整个生产装置的全面停产，会给企业、社会、国家造成巨大的经济损失。因此，认真做好大机组的状态监测与故障诊断工作，对避免恶性事故的发生、降低故障停机次数、缩短故障停机检修时间
7、、减少企业的经济损失是十分有益的。二、大机组状态监测与故障诊断常用的方法1.振动分析法振动分析法是大机组状态监测与故障诊断所使用的主要方法。振动分析法是对设备所产生的机械振动（对大机组来说，主要是是转子相对于轴承的振动）进行信号采集、数据处理后，根据振幅、频率、相位及相关图谱所进行的故障分析。一方面，由于在大型旋转机械的所有故障中，振动故障出现的概率最高；另一方面，振动信号包含了丰富的机械及运行的状态信息，它既包含了转子、轴承、联轴器、基础、管线等机械零部件运行中自身状态的信息，又包含了诸如转速、流量、进出口压力以及温度、油温等影响运行状态的信息；第三，振动信号易于拾取，便于在不影响机组运行的
8、情况下实行在线监测和诊断。因此，振动分析法是旋转机械故障诊断中运用最广泛、最有效的方法，同时也是大机组故障诊断的主要方法。采用振动分析法，可以对旋转机械大部分的故障类型进行准确的诊断，如转子动不平衡问题、转子弯曲、轴承工作不良、油膜涡动及油膜振荡、转子热不对中、动静件摩擦、旋转失速及喘振、转轴的横向裂纹、机械松动、结构共振等等。2.油液分析法油液分析法是对润滑油本身以及油中微小颗粒所进行的理化分析，也是大机组状态检测与故障诊断中的一个重要方法。油液分析法主要分为两大类，一类是润滑油油液本身的常规理化分析，另一类是对油中所含有的微小颗粒所进行的铁谱分析、光谱分析、颗粒计数等。通过对润滑油油液的粘
9、度、闪点、酸值、破乳化度、水分、机械杂质、液相锈蚀试验、抗氧化安全性等各种主要性能指标的检验分析，可以准确地掌握润滑油本身的性能信息，也可以大概地了解到机组轴承、密封的工作状况。通过对对油液中不溶物质、主要是微小固体颗粒所进行的铁谱分析、光谱分析，不仅可以定性、而且可以定量地测定颗粒的构成元素及浓度，尤其是通过铁谱显微镜或光谱显微镜等手段还可以观察到微小颗粒的形貌、尺寸及其分布，从而能够对磨损状态进行科学的分析与诊断。即，根据元素及浓度来判断哪个零部件（如轴颈、轴承、油封、浮环、机械密封、齿轮、齿式联轴器等）发生了非正常磨损，根据浓度、尤其是颗粒的形貌、尺寸来判断其当前的磨损程度。3.轴位移的
10、监测在某些非正常的工况下，大型旋转机械的转子会因轴向力过大而产生较大的轴向位移，严重时会引起推力轴承磨损，进而发生转子（如叶轮）端面与隔板或缸体摩擦碰撞；汽轮机在启动和停车过程中，会因转子与缸体受热和冷却不均而产生差胀，严重时会发生轴向动静摩擦。尽管转子轴位移故障的概率不是很高，但也常有发生，特别是一旦发生后对设备造成的损坏往往是灾难性的。所以，对轴位移进行在线状态监测和故障诊断很有必要。4.轴承回油温度及瓦块温度的监测检修或运行中的操作不当都会造成轴承工作不良，从而引起轴承回油温度及瓦块温度升高，严重时会造成烧瓦，因此对轴承回油温度、瓦块温度进行监测非常必要。API（美国石油协会标准）规定，
11、轴承进出口润滑油的正常温升应小于28，轴承出口处的最高油温应小于76(原为82)。另外，用铂电阻在距轴承合金1mm处测量瓦块温度时，一般不应超过110115。由于温度的反映往往滞后，具体的测量方法及测量位置等又各不相同，因此应具体情况具体分析。5.综合分析法在进行实际的大机组状态监测与故障诊断时，往往是将以上各种方法连同工艺及运行参数的监测与分析一起进行综合分析的。三、有关振动的常用术语1.机械振动物体相对于平衡位置所作的的往复运动称为机械振动。简称振动。例如，机器箱体的颤动、管线的抖动、叶片的摆动等都属于机械振动。振动用基本参数、即所谓的“振动三要素”振幅、频率、相位加以描述。2.涡动、进动
12、、正进动、反进动转动物体相对于平衡位置所作的旋转运动称为涡动。物体涡动时，是在绕着自身对称轴旋转（自转）的同时，对称轴又进一步在绕着某一平衡位置旋转（公转），所以涡动又称为进动。例如，水中的漩涡、玩具陀螺、转子的运动等都属于涡动。旋转机械转子的实际运动状态是，在以角速度（即转速n）绕着自身轴线ACB旋转（自转）的同时，整个轴线又以角速度绕着两轴承中心连线AOB在做圆周运动（公转）。转子实际上是做旋转状的涡动，并不是往复状的机械振动。由于这种涡动在径向上所测得的振幅、频率、相位在数值上与机械振动相同，因此可以沿用机械振动的许多成熟的理论、方法，所以旋转机械转子的涡动通常仍然称作振动。但是，在研究
13、大机组转子的振动时，不应该忘记转子的振动实际上是涡动的这一基本特点。正进动是指涡动方向与转子旋转方向相同的涡动。反进动是指涡动方向与转子旋转方向相反的涡动。因为转子的实际振动是涡动，其涡动轨迹通常为不规整的椭圆，因此需要配置两个相互垂直的探头才能较为准确地测出转子真实的振动。3.振幅3.1振幅振幅是物体动态运动或振动的幅度。振幅是振动强度和能量水平的标志，是评判机器运转状态优劣的主要指标。3.2峰峰值、单峰值、有效值振幅的量值可以表示为峰峰值（pp）、单峰值（p）、有效值（rms）或平均值（ap）。峰峰值是整个振动历程的最大值，即正峰与负峰之间的差值；单峰值是正峰或负峰的最大值；有效值即均方根
14、值。只有在纯正弦波(如简谐振动)的情况下，单峰值等于峰峰值的1/2，有效值等于单峰值的0.707倍，平均值等于单峰值的0.637倍；平均值在振动测量中很少使用。它们之间的换算关系是：峰峰值2单峰值221/2有效值3.3振动位移、振动速度、振动加速度振幅分别采用振动的位移、速度或加速度值加以描述、度量，三者可以通过微分或积分进行换算。在振动测量中，除特别注明外，振动位移的量值为峰峰值，单位是微米m或密耳mil；振动速度的量值为有效值，单位是毫米/秒mm/s或英寸/秒ips；振动加速度的量值是单峰值，单位是重力加速度g。可以认为，振动位移具体地反映了间隙的大小，振动速度反映了能量的大小，振动加速度
15、反映了冲击力的大小。也可以认为，在低频范围内，振动强度与位移成正比；在中频范围内，振动强度与速度成正比；在高频范围内，振动强度与加速度成正比。正是由于上述原因，在工厂的实际应用中，在通常情况下，大机组转子的振动用振动位移的峰峰值m表示，用装在轴承上的非接触式电涡流位移传感器来测量转子轴颈的振动；大机组轴承箱及缸体、中小型机泵的振动用振动速度的有效值mm/s表示，用装在机器壳体上的磁电式速度传感器或压电式加速度传感器来测量；齿轮的振动用振动加速度的单峰值g表示，用加速度传感器来测量。3.4振动烈度、振动标准振动烈度是振动标准中的通用术语，是描述一台机器振动状态的特征量（大机组不完全如此）。可以认为，振动烈度就是振动速度的有效值。在国际及我国振动标准中，几乎都规定用振动速度的有效值来作为振动烈度的度量值。此外，还要求在靠近轴承位置处的水平、垂直、轴向三个方向上进行测量。所以，对一般的转动设备进行振动监测时，应测量振动速度的有效值。因为只有振动烈度才有振动标准可以参照，评定机器运转状态的优劣才能有据可依。右图为中石化旋转机械振动标准SHS01003-2004关
