振動分析技術在設備故障診斷中應用淺析

電機、泵以及風機等設備均為石油化工生產的重要設備，這些設備一旦發生故障，將對安全生產造成不良影響。因此，加強對這類設備的維護、監測，確保其安全生產具有重大的意義。我和我的同志，通過對振動分析技術的研究，以及對旋轉設備自診斷技術應用和實踐，在旋轉機械故障自診斷技術研究方面取得了一些經驗，現介紹給大家，希望得到專家和同志們的批評指正。

一、振動分析技術的發展和實際運用

過去，我們對設備運行維護過程中主要靠傳統的聽、摸、看等簡單手段來判斷旋轉設備運行的狀態好壞。這種感性判斷與設備實際運行狀態相差很遠，設備振動的波形的頻譜的變化，不能憑人的聽、摸、看檢查出來，因此，經常出現一些突發性故障，例如最常見的軸承故障、齒輪故障、葉片脫落及動平衡等故障；使我們常處于一種被動檢修狀態，使小問題，釀成大事故。特別是化工生產連續性的特點，往往會由于一臺設備的損壞處理不及時造成其它設備損壞的連鎖反應。給安全生產和檢修工作帶來繁重的負擔。因此，國內外的機械專家和設備管理人員都在尋求一種較好的解決辦法，在故障初始狀態就能準確判斷事故的原因，使設備能夠進行預維修，變被動為主動。經過廣泛的探索和不斷的實踐，我們采用了振動分析系統對旋轉機械設備進行故障檢測。設備的狀態監測故障診斷是在機械運行中或基本不拆卸機械結構的情況下，對機械技術狀態進行定量測定，通過對所測信號的處理和分析，并結合診斷對象的歷史狀況，來定量識別機械設備及其零件、部件的實時技術狀態，預測機械的異常及未來技術狀態，并對故障部位、原因進行分析和判斷，及時確定必要對策和最適宜的修理時間。設備狀態監測故障診斷技術有利于企業實行現代設備管理；克服維修工作中“過剩維修”及“維修不足”現象，從而達到設備壽命周期內，實現費用最為經濟和設備綜合效率最高的目標。 對許多中外大型機械的事故分析表明，由于現代化機械設備向大型化、自動化、高精度、高效率、機電一體化等方向發展，其性能與復雜程度不斷提高，各部分的關聯也越來越大；機械設備相應出現突發性故障率高、停機損失大、維修費用高、維修周期長等一系列特點；為了確保大型機械的正常運行，并使其發揮最佳技術性能，就必須對其進行定期的狀態監測和故障診斷。通過一段時間的實踐應用，我們不僅掌握了該儀器的操作，而且從中摸索出一些診斷規律和實用技巧，并在實際應用中取得了良好的效果。目前，振動分析技術在對旋轉機械設備故障進行診斷中已日臻成熟。

二、設備振動分析的工作原理簡介

設備振動信號一般說來很復雜，但從數據處理分類來說，分為確定性信號和非確定性信號。通過對故障診斷實際應用中得出，在旋轉機械中，機組的聯接及轉子存在不對中，不平衡，齒輪箱中輪齒的點蝕、剝落、斷齒，滾動軸承中零部件損壞，滑動軸承中存在油膜渦動等等這些常見的故障，其信號都是確定性信號，都有可以用函數關系來描述，即通過理論計算和頻譜分析技術均可確定它們的特征頻率，從而確定故障的類型和部位。振動分析儀器利用電壓加速度傳感器將振動信號轉換為電信號，對振動信號進行處理和分析，得到設備各種振動量的準確值，進而判斷這些設備運轉狀態是否良好，故障的部位和故障原因，以及檢修的方法。為了更好地研究振動分析設備故障診斷技術，首先要對波形理論、機械理論、以及計算機應用等有一定的了解。振動的參數指標很多，經過長期的實踐和學習，我們認為時域波譜圖、頻域波譜圖、軸心軌跡圖、脈沖指標、峭度指標等對設備的故障分析很有效果。下面就北京利盟騰飛發展有限公司生產的LM8900系統所采集的數據和該公司研制的旋轉機械自診斷系統軟件，對設備故障進行分析進行論述。

三、基本圖譜

1、 時域圖譜

時域波形是最常見的工程信號，時域波形直觀易于理解，但包含信息量大，不容易看出所包含的時域圖譜可對設備整體性能進行評價，通過時域波形圖譜可看出設備是否超標和零部件存在的問題。在LM8900系統所采集的時域波形圖中給出了“峰值、均值、有效值、峭度指標和脈沖指標五個參量。在采集時，根據旋轉設備運行的速度不同，可以選擇“加速度、速度、和位移”三種不同的數據類型。

加速度，用于高速旋轉設備診斷上，轉速在10000rpm以上。以加速度的有效值判斷設備運行狀態，日本的標準是小于0.5mm/s²為良好狀態，但國產設備一般都達不到此要求，經過實踐，將其數值放大到1mm/s²;基本上滿足要求。由于石油化工生產中轉速超過去10000RPM的設備不多，因此，加速度值一般可作為設備故障診斷的輔助數據。

速度，用于中速旋轉設備診斷上，轉速在600rpm——10000rpm之間；速度的有效值小于4.5mm/s；可以判斷該設備運行基本正常，超過11.8mm/s則是危險值，必須停車檢修。速度值是最為常用的旋轉機械設備故障診斷的值。
位移，用于低轉速成設備診斷上，轉速在600rpm以下，位移是低轉速設備故障診斷的判斷依據，0.06mm為危險值，而大于0.1mm則必須進行停車檢修。由于低轉速設備故障通過其它方法比較容易診斷，因此，位移值一般也只做設備故障診斷的輔助數據。

峭度指標，是一個比較抽象的概念，意義是“隨機過程X（T）四階原點矩；反應了波形中是否有沖擊及小組形的尖峭和平坦成度。”近年來，診斷工程師對該指標進行了深入研究后發現，峭度指標是診斷滾動軸承、齒輪和轉子上的轉動零部件等故障的重要依據，并提出了比較完整理論，即“雙浴缸”曲線，旋轉機械軸承或齒輪故障在發展過程中，峭度指標在經歷第一個平穩過渡后突然上升，然后，再次經歷平穩過度，再次突然上升，而此次的突然上升將造成設備的嚴重損壞 ，所以及時發現第二個浴缸底平面，是解決設備故障的最好時機，也是最后時機。峭度指標是個無量綱，理論上當峭度指標超過3 即說明該設備需進行檢修，但實踐證明，在不同的情況下，將峭度指標設定為4、5、6為危險值，均可滿足使用要求。

脈沖指標，是一個常見的無量綱，也比較好理解。對于旋轉機械設備故障診斷是一個輔助值。

2、頻域圖

頻域圖譜可以詳細分析旋轉機械設備故障存在具體問題，是設備診斷的重要工具。頻域圖譜和時域圖譜可經過快速傅立葉變換來實現相互轉換。

四、監測對象及判斷故障類型的方法

A、對象

1 轉子
2 轉子零件
3 基礎及附屬。

B、判斷故障先后順序：

先機組振動情況，后基礎振動情況，
先找轉子系統，后找附屬部分。

C、診斷旋轉機械的故障類型

1 轉子系統：

（1）不平衡
（2）不對中
（3）轉子組件松動
（4）轉子形變（彎曲，裂紋）

2 轉子零件：（1）滾動軸承

（2）滑動軸承
（3）齒輪、曲柄連桿機構

3 轉子系統（機組）及附屬部分：

剛性失穩
潤滑油壓力是否合適（油膜渦動）
通風系統（降溫系統）