风电故障诊断技术--20070516

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1、故障诊断技术 -振动测试 石磊 2007年05月,- 以可靠性为中心的维修,第一阶段： 损坏后修换,1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010,第二阶段： 定期大修 工作的计划性 控制系统出现 出现体积大、速度慢的计算机,第三阶段： 状态监测 可靠性和维修性设计 危害分析 故障模式和影响分析 专家系统 体积小、速度快的计算机,- 以可靠性为中心的维修,- 以可靠性为中心的维修,由于旋转设备70%以上的故障都可以由振动数值的变化表现出来，因此在进行预防性维修的基础上，运转中设备有50% 以上问题可以由振动信号的变化分析出来，在设备故障停机之前及时解决。 据国外

2、企业统计，采用诊断技术后事故率可减少75%，维修费用可降低25%50%。,- 以可靠性为中心的维修,由于旋转设备70%以上的故障都可以由振动数值的变化表现出来，因此在进行预防性维修的基础上，运转中设备有50% 以上问题可以由振动信号的变化分析出来，在设备故障停机之前及时解决。 据国外企业统计，采用诊断技术后事故率可减少75%，维修费用可降低25%50%。,- 名词术语,机械振动是指物体围绕其平衡位置附近来回摆动并随时间变化的一种运动。机械振动通常以其幅值、周期（频率）和相位来描述，它们是描述振动的三个基本参量。幅值：表示物体动态运动或振动的幅度，它是机械振动强度的标志，也是机器振动严重程度的一

3、个重要指标。振幅的大小可以表示为峰峰值（PP）、单峰值（0P）、有效值（RMS）或平均值（Average）。,- 名词术语,周期：物体完成一个完整的振动所需要的时间，以T0表示。单位一般是用“秒”来表示。例如一个单摆，它的周期就是重锤从左运动到右，再从右运动回左边起点所需要的时间。频率：是指振动物体在单位时间（1秒）内所产生振动的次数，即Hz，以f0表示。很显然，f01T0。对于旋转机械的振动来说，存在下述令人感兴趣的频率：a）转动轴的旋转频率；b）各种振动分量的频率；c）机器自身和基础或其它附着物的固有频率。,- 名词术语,相位：是指旋转机械测量中某一瞬间机器的选频振动信号（如基频）与轴上某

4、一固定标志（如键相器）之间的相位差。振动速度相位超前振动位移90； 振动加速度相位超前振动速度90； 振动加速度相位超前振动位移180。,- 名词术语,- 振动传感器,现场振动测试采用的传感器一般有非接触式电涡流传感器、速度传感器、加速度传感器和复合传感器（它是由一个非接触传感器和一个惯性传感器组成）四种。每一种传感器都有它们固有的频响特性，其决定了各自的工作范围。,- 振动传感器,- 常用图谱时域波形,总体上掌握所测信号随时间的变化规律,基本应用如下：1)根据纵坐标刻度可了解到信号大小；2)根据横坐标刻度可大致了解某些主要频率成分，3)某些周期性或脉冲冲击信号在时域波形上更容易发现。,- 常

5、用图谱-波德图,波德图是反映机器振动幅值和相位随转速变化的关系曲线。横坐标是转速，纵坐标有两个，一个是振幅峰峰值，另一个是相位。,- 常用图谱-波德图,波德图上我们可以得到以下信息：转子系统在各种转速下的振幅和相位；转子系统的临界转速；转子系统的共振放大系数(Q=Amax)；一般小型机组Q在35甚至更小，而大型机组在57；超过上述数值，很可能是不安全的；转子的振型；系统的阻尼大小；转子上机械偏差和电气偏差的大小；转子是否发生了热弯曲。由这些数据可以获得有关转子的动平衡状况和振动体的刚度、阻尼特性等动态数据。,- 常用图谱-极坐标图,极坐标图是波德图的极坐标表现形式，比波德图更为直观。 图中用一

6、旋转矢量的点代表转子的轴心，该点在各个转速下所处位置的极半径就代表了轴的径向振幅，该点在极坐标上的角度就是此时振动的相位角。,- 常用图谱-频谱瀑布图,用某一测点在启停机（或正常运行中）时连续测得的一组频谱图按时间顺序组成的三维谱图就是频谱瀑布图。Z轴是时间轴相同阶次频率的谱线集和Z轴是平行的。从图中可以清楚地看出各种频率的振幅随时间是如何变化的。,- 常用图谱-轴心轨迹图,轴心轨迹一般是指转子上的轴心一点相对于轴承座在其与轴线垂直的平面内的运动轨迹。,- 常用图谱-轴心轨迹图,- 常用图谱-振动趋势图,在机组运行时，可利用趋势图来显示、记录机器的通频振动、各频率分量的振动、相位或其它过程参数

7、是如何随时间变化的。,- 常用图谱-波形频谱图,- 故障诊断,- 故障诊断故障原因分类,- 故障诊断故障原因分类,- 故障诊断不平衡,不平衡是各种旋转机械中最普遍存在的故障。引起转子不平衡的原因是多方面的，如转子的结构设计不合理、机械加工质量偏差、装配误差、材质不均匀、动平衡精度差；运行中联轴器相对位置的改变；转子部件缺损，如：运行中由于腐蚀、磨损、介质不均匀结垢、脱落；转子受疲劳应力作用造成转子的零部件（如叶轮、叶片、围带、拉筋等）局部损坏、脱落，产生碎块飞出等。,- 故障诊断不平衡,（1）时域波形近似正弦波。 （2）频谱能量集中于基频。并且会出现较小的高次谐波，呈“枞树形”。 （3）在临界

8、转速以下，振幅随转速的增加而增大；在临界转速以上，转速增加振幅趋于一个较小的稳定值；当转速接近临界转速时，发生共振，振幅具有最大峰值。振动幅值对转速的变化非常敏感。 （4）当工作转速一定时，相位稳定（因此才可以方便地做动平衡）。 （5）转子的轴心轨迹为椭圆。 （6）从轴心轨迹观察其进动特征为同步正进动。,- 故障诊断不平衡,- 故障诊断不平衡,- 故障诊断不平衡,- 故障诊断不对中,转子不对中通常是指相邻两转子的轴心线与轴承中心线的倾斜或偏移程度。转子不对中可分为联轴器不对中和轴承不对中。联轴器不对中又可分为平行不对中、偏角不对中和平行偏角不对中三种情况。平行不对中时振动频率为转子工频的两倍。

9、偏角不对中使联轴器附加一个弯矩，以力图减小两个轴中心线的偏角。轴每旋转一周，弯矩作用方向就交变一次，因此，偏角不对中增加了转子的轴向力，使转子在轴向产生工频振动。平行偏角不对中是以上两种情况的综合，使转子发生径向和轴向振动。轴承不对中实际上反映的是轴承座标高和轴中心位置的偏差。轴承不对中使轴系的载荷重新分配。负荷较大的轴承可能会出现高次谐波振动，负荷较轻的轴承容易失稳，同时还使轴系的临界转速发生改变。,- 故障诊断不对中,（1）故障特征频率为角频率的2、1倍频，及其高次谐波。 （2）由不对中产生的对转子的激励力随转速升高而成平方增大，因此，高速旋转机械应更加注重转子的对中要求。 （3）激励力与

10、不对中量成正比，随不对中量的增加呈线性增大。 （4）典型的轴心轨迹为月牙形、香蕉形，严重对中不良时的轴心轨迹可能出现“8”字形； （5）轴系具有过大的不对中量时，会由于联轴器不符合其运动条件而使转子在运动中产生巨大的附加径向力和轴向力，以及附加弯矩，使转子产生异常振动，轴承过早损坏，对转子系统具有较大的破坏性。,- 故障诊断不对中,- 故障诊断不对中,- 故障诊断轴承故障,特征频率分析法是对滚动轴承实施振动诊断的基本方法。滚动轴承的振动频率成分非常丰富， 图4-6轴承元件疲劳点蚀每一个元件都有各自的故障特征频率。因此，通过频谱分析不但可以判断轴承是否存在故障，而且可以对轴承中损坏元件的部位做出

11、准确判断。由于最初轴承振动信号是高频信号，早期故障的振动信号十分微弱，往往淹没在其他相对强烈的振动之中，因此，通过对振动信号作频率分析可以避免漏检的情况,- 故障诊断轴承故障,（1）疲劳剥落损伤 当轴承上产生了疲劳剥落坑后，在轴承运转中会因为碰撞而产生冲击脉冲。在轴承剥落坑处碰撞产生的冲击力的脉冲宽度一般都很小，大致为微秒级。因力的频谱宽度与脉冲持续时间成反比，所以其频谱可从直流延展到100500kHz。疲劳剥落损伤可以在很宽的频率范围内激发起轴承传感器系统的固有振动。在简单情况下，碰撞频率就等于滚动体在滚道上的通过频率或滚动体的自转频率。 （2）磨损 虽然振动信号呈现较强的随机性，但随着磨损

12、的进行，振动加速度峰值和有效值缓慢上升。如果不发生疲劳剥落，最后振动幅值可比最初增大很多倍。 （3）胶合 胶合是指轴承中金属与金属之间直接接触，从而使润滑剂恶化甚至发生碳化，最终使轴承卡死不能正常的工作。在轴承运转过程中，发生胶合轴承的振动加速度比起其温度的变化能更早的预报胶合的发生。,- 故障诊断轴承故障,当滚动轴承某元件出现局部损伤时，机器在运行中就会产生相应的振动频率，称为故障特征频率，又叫轴承通过频率。各元件的通过频率分别计算如下： 内圈通过频率即单位时间内内圈上的某一损伤点与滚动体接触的次数：,- 故障诊断轴承故障,外圈通过频率即单位时间内外圈上的某一损伤点与滚动体接触的次数：滚动体

13、通过频率即单位时间内滚动体上某一损伤点与内圈或外圈接触的次数：保持架通过频率 ：,- 故障诊断轴承故障,- 故障诊断轴承故障,由发电机前轴承振动时域图可以看到，发电机轴承明显存在冲击现象，冲击周期T=0.1s，同时存在T=6ms的边频。从发电机前轴承振动频域放大图可以看到主要是10.986Hz及其2，3，4谐波。由此可以判断，此电机轴承保持架存在故障。,- 齿轮箱的故障诊断常见失效形式,一、齿面磨损 二、齿面胶合和擦伤 三、齿面接触疲劳 四、弯曲疲劳与断齿 五、轴不平衡、不对中和弯曲 六、滚动轴承的失效,- 齿轮箱的故障诊断常见失效形式,齿轮磨粒磨损 若滑油供应不足或工作齿面上有外来的微小颗粒

14、，则齿面将发生剧烈的磨粒磨损。 腐蚀磨损 以化学腐蚀作用为主并伴有机械磨损的一种损伤形式 。齿轮轮齿端面冲击磨损 变速箱齿轮在换档时，轮齿端面经常受到冲击载荷而导致齿端面磨损。,一、齿面磨损,- 齿轮箱的故障诊断常见失效形式,二、齿面胶合和擦伤,齿轮两啮合齿面的金属，发生胶合磨损是在一定压力下直接接触，“焊合”后又有相对运动，金属从齿面上撕落，或从一个齿面向另一个齿转移而引起损伤的现象。 胶合磨损的宏观特征是齿面沿滑动速度方向呈现深、宽不等的条状粗糙沟纹，在齿顶和齿根处较为严重。 冷粘合撕伤在重载低速传动的情况下形成 ，由于局部压力很高，表面油膜破裂，造成轮齿金属表面直接接触。 热粘合撕伤通常

15、是在高速或重载中速传动中，由于齿面接触点局部温度升高，油膜及其它表面膜破裂，表层金属熔合而以撕裂形成的。,- 齿轮箱的故障诊断常见失效形式,三、齿面接触疲劳,齿轮在啮合过程中，既有相对滚动，又有相对滑动。这两种力的作用使齿轮表面层深处产生脉动循环变化的剪应力。轮齿表面在这种剪应力反复作用下，引起局部金属剥落而造成损坏 。,麻点和疲劳剥落齿轮在接触应力作用下，工作表面呈痘斑、片状的疲劳损伤，称为麻点疲劳剥落。,- 齿轮箱的故障诊断常见失效形式,三、齿面接触疲劳,浅层疲劳剥落 比麻点剥落大而深的接触疲劳剥落损伤称为浅层疲劳剥落。呈鳞片状，通常坑深约0.4mm，但在硬化层深度以内。硬化层疲劳剥落 经

16、表面强化处理的齿轮在工作过程中出现大块状剥落，深度达到硬化层过渡过区，称为硬化层疲劳剥落 。,- 齿轮箱的故障诊断常见失效形式,四、弯曲疲劳与断齿,轮齿承受载荷，如同悬臂梁，其根部受到脉动循环的弯曲应力作用。当这种周期性的应力过高时，会在根部产生裂纹，并逐渐扩展。当剩余部分无法承担外载荷时，就会发生断齿。,- 齿轮箱的故障诊断常见失效形式,五、轴不平衡、不对中和弯曲,轴产生较严重的不平衡问题一般来源于下列几个方面： 1. 制造过程中工艺和加工存在问题，新制造的轴也会产生 严重的不平衡现象； 2. 在使用过程中轴受到过大的瞬时冲击载荷的作用，产生弯曲或永久变形； 3. 长期在较大的偏载工况下工作，由于疲劳作用产生永久变形。,- 齿轮箱的故障诊断常见失效形式,六、滚动轴承的失效,滚动轴承的常见失效形式有：内环、外环或滚动体的点蚀和疲劳剥落，保持架损坏。,