设备故障诊断技术介绍

1、设备故障诊断技术简介上海华阳检测仪器有限公司Shanghai Huayang MeasuringInstruments Co., Ltd TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark0 o Current Document 设备故障诊断技术定义 （ 3 ）一二三四五六设备维修制度的发展 （ 4 ）检测参数类型 （ 5 ）振动检测中位移、速度和加速度参数的选择 （ 5 ）测点选择原则 （ 6 ）测点编号原则 （ 7 ）评判标准 （ 7 ）测量方向及代号 （ 10）八搜集和掌握有关的知识和资料 （ 10）九故障分析与诊断 （ 11）十常见故障的识别 （ 14）1不平衡 （

2、14）2不对中 （ 14）3机械松动 （ 15）4. 转子或轴裂纹 （ 15）5滚动轴承 （ 15）6滑动轴承 （ 16）7齿轮箱 （ 19）8传动皮带 （ 20）9叶轮、叶片和旋翼 （ 21）10电机 （ 22）11共振 （ 23）十一 . 故障分析方法 （ 25）1简易分析方法 （ 25）2频谱分析方法 （ 26）设备故障诊断技术简介设备故障诊断技术定义： 是一种为了 了解和掌握设备在 使用过程中 的状态 （在设备基本 不拆卸、不解体 的情况下 ） 而采用一定的 检测手段 ，根据检 测的 数据和经验 的积累，来 确定设备 整体或局部是正常或异常 、早期发 现设备故障及其原因、并能早期预报

3、设备故障发展趋势 的一门技术。通俗地说，它是一种给设备“ 看病 ”的技术。这里所说的 设备 指的 是机械设备。它包括 各类机械 ，例如：风机、压缩机等的 动设备 和容器、管道、阀门、工业炉等的 静设备 ，还包括某些 电器设备什么是故障？指的是 设备不能完成 其所规定的功能 ，称作“故障” 然而这些功能 是能够修复的 !若不能修复的 则称作“ 失效 ”，对于“ 失效”的机械设备只能更换。 这里关键 是如何能抓住一切有用的信息 , 运用知识 和经验 作出适当 的诊断结论。一设备维修制度的发展1事后维修 设备运行至 故障 停车后才进行修理 。2 预防维修按照预定的 检修时间 间隔进行维修（计划维修）

4、。3 预知维修 对设备进行 状态监测 ，根据 设备监测和诊断 的结果，视设备劣化或故障 的程度，安排在适当的时间进行必要的设备维修 。4预知维修优点提高设备运行安全性，防止不足维修而导致的事故 ; 提高维修经济效益，避免过剩维修造成的浪费 ; 提高设备使用合理性、运行安全性和经济性 ;延长贵重设备使用寿命 ; 实现设备使用、维修、生产的现代化 。5应用举例日本：事故率减少 75，维修费用降低 2550 ;英国： 2000个工业企业每年节省维修费用 3 亿英镑，收益为投入的 6倍 6设备状态监测设备状态监测 是实现预知维修 的基础。准确、全面的设备监测信息是实 现预知维修 的可靠保证 。7设备状

5、态监测方式 在线监测 ：投资成本高，监测对象以 关键设备 为主。 离线 检测：投资成本低，主要针对大量的 散在分布 的中小型设备二 检测参数类型 :振动 振动位移 d (mm) 、振动速度 v ( mm/s) 、振动加速度 a (m/s 2) 、温度t ( )、转 速n (rpm) 、厚度 (mm) 、电流I (mA) 、电压 U(mV) .1 振动位移 是指一个物体 离开其平衡位置 (参考位置) 的距离 或位置。 (用 d 表示，单位 mm)。2. 振 动 速 度 是 指 物 体 在 单 位 时 间 里 ， 离 开 其 平 衡 位 置 ， 作 往 复 运 动的快慢 程度。(用 v 表示，单位

6、 mm/s)。(单位时间内的位移变 化率)。3 振动加速度- 是指物体在单位时间里， 振动速度 的变化程度(用 a 表示，单 位 m/s2 ) 。三 振动检测中位移、速度和加速度参数的选择 一般认为，对振动频率在 10Hz 以下，位移量较大的低频振动，选择 位移 为检测量。另外对于 某些高速旋转的机器 的振动，旋转精度要求较 高时，也用 位移 来衡量。对于多数机器来说，都用 速度 来评价其 振动强度 。经验表明在覆盖 10Hz 1000Hz的频带上， 速度 测量完整地表示了机器振动的严重程度。而 加速度 测量的适用范围可以达到 10000Hz 以上，对于宽频带测量、 高频振动和存在冲击振动的场

7、合都测量加速度。当齿轮、滚动轴承、轴瓦等出现剥落、磨损等缺陷时，往往首先在 高频段出现故障信息，只有当故障比较明显时，才能在低频段反映出来。 因此，通过检测 加速度 ，可以有效发现设备早期缺陷。 检测实践中， 往 往对位移、速度和加速度 进行联合测量。图 3-1 位移、速度和加速度参数的选择图 3-1 描述的是同一部机器的同一工况用三种传感器测量的幅频图，三 者均可用于机器状况的监测。但是速度计给出一个近似水平的谱，它所需的 动态范围小，因此，针对这一实际测量，速度计被称为“最佳参数”。而对 用位移计、加速度计测量，为了描述所有分量的变化，必须采用大得多的动 态范围。四 测点选择原则 （以振动

8、为例 ）1 传递路径最短 .2测点刚度最大 .3对测量参数响应最敏感 .4少界面 .5不能有空腔 . 6能反映整个设备信息 .注: 为保证测量数据 的一致性,测点一旦确定之后请及时做好 永久性的 标记,今后一般情况 下 不允许 再作变动 !五 测点编号原则 （以振动为例 ）动力源 输出位置 （轴承部位 ）定为 2 # 测点、自左向右依次（均在轴承 部位）为： 3# 、4#、5# . （ 详见图 5-1 所示 ）图 5-1 测点布置示意图六评判标准1绝对标准评判法：例如振动国际标准ISO 2372以及 表 6-1 国际标准 表 6-2注：用加速度档，分别用频率范围 （10 1000）Hz 及 （

9、10 5000）Hz 进行测量， 当两值不相等或相差悬殊（最大达 13 倍）时,即表明该测点所对应的部件有 故障。 表 6-3 往复式压缩机基础振动允许振幅压缩机转速（ r/min ）400400200200允许振幅（ mm ）0.150.200.25 表 6-4 一般参考评判标准振动参数进口国产计量单位A 度）（加速20.030.0m s2V（速度）2.03.0mm sD（位移）50 m注: 表中 1 3 等级为优 . 2 3 等级为良 . 3 3 等级为合格2 相对标准评判法 ：例如浴缸曲线表 6-4 旋转机械振动评判相对标准实际值与初始值的比值 振动频率 （ 倍）1234567低频振动

10、（ 1000HZ） （ 指振动速度和位移 ）良好注意危险高频振动 （ 1000HZ） （ 指振动加速度 ）良好注意危险3 类比标准评判法 ：例如，多台 同型号 、同规格、在相同条件下工作的电动机异常状态 相互之间 同测点的测量值 相比 大于 1. 6 倍以上.对于正常状态 超过 4 mm/s 的设备 和在正常状态 不足 1 mm/s 的设备 , 是一种 良好的实用的判别方法七 测量方向及代号 （以振动为例 ）举例： 4Ha - - - -意为 ：4# 测点 、水平位置、 加速度八搜集和掌握有关的知识和资料1 机器结构性能资料 ： 包括机器的工作原理，机器在整个生产过程中的地位 和作用，重要的动

11、态参数，如驱动功率、流量、压力、转速变化范围、电流、 电压、温度等，机器结构组成和参数，如轴承型式、密封结构、联轴节结构、 齿轮齿数、叶片数、共振频率、临界转速等等。2操作运行情况 ：包括负荷及其变化情况、润滑情况、起动和停机情况、工 艺参数变化情况等。3 机器周围环境的影响 ：包括温度、湿度、与其他机器的关联、地基沉降、 电压波动等因素对机器性能的影响。4 故障与维修情况 ：包括上次大修时间、大修时作过哪些调整、运转以来发 生故障及对故障处理情况的记录和档案、机器的薄弱环节及预计容易发生故 障的类型和部位、同型号、同工作条件下其他机器的故障情况等。九 故障分析与诊断根据振动信号识别设备故障是

12、件难度很大的工作。这主要因为：同一故障 可以表现出多种症候，同一症候可由不同故障引起，不同类 型的机器其故障与症候的对应关系可能不完全一样，这种关系又与运行条件、 环境条件、故障历史及维修情况有密切联系。在故障诊断中，熟悉和掌握机 器的结构、特性、使用和维修情况以及实际诊断经验都是很重要的。1 注意发展和变化在分析和诊断故障时，应注意从发展变化中得出准确的结论。 单独一次 测量 往往难于对故障判断 有较大把握 ，反复多次 的跟踪测量、分析能使诊断更接近于真 实情况。为此， 应注意积累和研究机器正常运行状态下的振动数据， 包括基频的幅 值和相位、次谐波和高次谐波的幅值和相位、其他重要频率分量的幅

13、值、时 域波形以及轴心轨迹的形状、大小和旋转方向等。对当前机器的振动信号进行各种观察和分析时， 应与正常运行状态下的 振动进行比较 ，注意哪些参数发生了变化及变化程度如何。例如：基频分量变化不大 而 2f （ 注：f，倍频之意。f = 机器转速/ 60 ，单位为：赫芝 或Hz ，下同 ） 幅值明显增大可能说明 不对中加剧； 喘振 使轴向振动变化明显； 而不平衡增大 使 水平和垂直 方向振动同步增长 。趋势分析 也是有效的方法，不但分析振动 有效值 或峰- 峰值变化趋势， 而且分析基频、 12f 、2f 等各频率分量的变化趋势，从而得出振动是稳 定不变、逐渐上升、时升时降还是迅速增大等信息。例如

14、，不平衡加大使振 动缓慢而稳定上升，叶片断落则使振动幅值突然上升。2 辅助测试有些情况下，为了确定或排除某些可能的故障，需要进行一些辅助测试。 这些辅助测试包括：变转速 振动测试；变负荷 振动测试；变润滑系统参数（油温、油压）振动测试； 起动或停车过程振动测试； 共振频率 测试；机壳、基座或管道 某些部件的测试 。3分析振动的方向性和幅值稳定性般说来 ： 不平衡量增大 ，则径向 水平、垂直 两个方向的振幅 同时增长 ； 不对中径向振幅增大 ，但同时还可引起轴向振动； 基座松动时垂直方向振动明显大于水平 方向振动； 转子组件松动 引起的振动，其 幅值不稳 定； 油膜涡动和油膜振荡则以径向振动为主

15、 ，振幅不稳定； 转子裂纹 引起的 2倍频振动，水平方向和垂直方向的振幅 大小相近（ 4 分析各频率成分的相位 不平衡引起的基频振动分量与转轴相位标志之间的角度（即基频分量的相位）保持不变，水平方向与垂直方向振动 相位相差约 90。平行不对中引起的径向振动在轴两端反向，即相位相差180；角不对中引起的径向振动在轴两端同向，即相位差为零。 ）5 观察随转速的变化转速变化 主要指设备在 起动和停车 过程中所经历的各种转速，振动信号 能显示出 故障 与转速 的关系，以此可区分不同故障。例如： 不平衡 引起的振动幅值 随转速 的增大而增大，并在通过 临界转速 时有 峰值出现； 不对中 引起的振动 与转

16、速关系不大。十 常见故障的识别1 不平衡 故障原因 当转子质量中心偏离转动中心时出现不平衡。造成不平衡的原因 通常是：装配不适当、转子上有附加物生成、转子质量磨损、转子破裂或丢 失部件。 特征（ 1） 径向振动大 。（ 基频幅值随转速增大而增大，这是不平衡的重要特征 。） （2）轴向振动较小 。2 不对中 故障原因 两个相连接的机器轴线不平行或不重合，一个或多个轴承安装倾 斜或偏心，即为不对中。造成不对中的原因可以是装配不当，调整不够，基 础损坏，热胀或联轴节锁死。 特征1）轴向振动大 有稳定的高峰，一般达到径向振动的 50%以上，若与径向振动一样大或比径向 振动更大，表明情况严重。（2）径向

17、振动大3. 机械松动 故障原因机械松动分为结构松动和转动部件松动。造成机械松动的原因是：安装 不良、长期工作造成过渡磨损、基础或基座损坏或零部件破坏。 特征（1）径向 （特别是垂直方向 ）振动大 振动可能具有高度的方向性。 时域波形可能较杂乱，有明显的不稳定的非周期信号。可能有大的冲击信号。（ 2） 轴向振动小或正常 。4. 转子或轴裂纹大功率发电机组超寿命运行，有时转子或轴上会出现裂纹，及时确定裂纹 的存在，可防止突然断裂的灾难性事故。（1）转子或轴裂纹日渐扩展和加深，使 1 f 、2f 分量的幅值随时间而稳定地增 长，这是存在裂纹与其他产生 1f 、2f 分量的故障之间最大的区别。应在对转

18、子 1 f 、 2 f 分量进行长期状态监测的基础上进行趋势分析，当确认上述二分量的幅值随时间 呈稳定增长趋势时，可能存在转子或轴裂纹。（2）在升速或降速过程中，当转速通过 1/2 倍一阶临界转速 时， 2f 分量由于共振 而对裂纹非常敏感，其幅值会发生显著变化。同理，转速通过 1/3 倍一阶临界转速时， 3 f 分量的幅值也会发生显著变化。因此，应当监测 2f 和 3 f 分量随转速的变化。 当确认转速等于 1/2 或 1/3 倍一阶临界转速 而 2 f 和 3f 分量显著改变时，可能存在 转子或轴裂纹。5滚动轴承 故障原因 滚动轴承的早期故障是滚子和滚道剥落、凹痕、破裂、腐蚀和杂物嵌入。

19、产生原因包括搬运粗心、安装不当、不对中、轴承倾斜、轴承选用不正确、 润滑不足或密封失效、负载不合适以及制造缺陷。 轴承故障 特征频率 的计算公式 如下所 示 内环滚动，外环静止 （最常见情形 ） ：2）外滚道 f2 60R d cos0R 0.4N ；3）内滚道2 60d cos 0R0.6N4）滚fb子2 60 d DN10)1 Rd R1)保持架 f c= 1cos 0.4 2 60D60式中 ： R 转速（ RPM） ;d 滚子直径；D 节园直径； 接触角；N 滚子数。6 滑动轴承 . 故障原因 滑动轴承可能有多种故障，其中包括间隙过大，油膜涡动和油膜振荡以 及摩擦。造成这些故障的原因是

20、装配不当，润滑不良，负荷欠妥，长久磨损 及轴承设计不当。（1） . 间隙过大（无涡动） 轴与轴承间隙过大，这种情况类似于 不对中 和 机械松动 ，应注意其区别： a径向振动较大，特别是垂直方向； b可能有较大的轴向振动，特别对于止推轴承；c径向和轴向时域波形为稳定的周期波形占优势，每转一圈有1、2或 3个峰值。没有较大的加速度的冲击现象。若轴向振动与径向振动大小相近， 表明问题严重。分析 ：间隙过大与不对中的区分可根据以下两点： a间隙过大时垂直方向振动比水平方向更大； b而不对中时垂直与水平方向振动相同； 间隙过大与机械松动的区分可根据以下两点： a间隙过大时其时域波形为稳定的周期波形占优势

21、，且没有大的冲击现 象；而机械松动时其时域波形较杂乱，有明显的非周期性信号使波形不稳 定；.b间隙过大时轴向振动可能较大，特别是止推轴承！而机械松动时轴向 振动较小或正常。一般应在 排除机械松动 的可能性之后再确认间隙过大 。（ 2） 油膜涡动和油膜振荡 在轴与轴承间隙太大或机组热态不对中等引起较大振动的情况下，若加 之轴承设计不当、润滑不良或由于载荷、转速的突变破坏了 正常润滑状态，可能产生油膜涡动 （042048）f 。在此情同 况下，如果转速高于 轴系 一阶临界转速 的 2 倍，则涡动可能发展成更危险的 油膜振荡。较大的径向振动； 轴向振动在涡动频率处的分量较小；. 若在 一阶临界转速频

22、率 处出现显著峰值，则表明已出现油膜振荡；. 时域波形中稳定的周期信号占优势，每转一周少于一个峰值，没有 较大的加速度冲击。（3） . 摩擦 轴颈与轴承表面直接接触就发生磨擦，摩擦可以是间断的或连续的。引 起摩擦的原因是润滑不足，间隙不适当，载荷不正确或其他故障造成的较大 振动。摩擦往往造成轴的反向涡动。特征 . 对于间断性摩擦：径向振动 较大；时域波形中有不稳定的 冲击信号占优势 ，轴每转一圈只有少于一个的峰值；轴向振动 小。 . 对于连续摩擦：径向振动大（止推轴承除外），高频部分能量较大；时域波形中有不稳定的“噪声”信号；轴向振动小（对于止推轴承，有摩擦时其轴向振动大于径向振动）。7 齿轮

23、箱 故障原因 齿轮箱会有一些特殊的故障，如节线偏斜、偏心、齿距误差、齿面磨损、 点蚀和剥落、断齿等。造成上述故障的原因有：制造缺陷、安装调整不当、 过量磨损、润滑不足、污染、金属疲劳和超负荷运转等。上述故障虽然可在 频谱 上反映出来，但由于齿轮箱 频谱看起来比较复杂， 辨认比较困难。一个有效可行的方法是，针对每个齿轮箱，在状态良好、工 作正常情况下采集得到其 基准频谱 ，并在状态监测和故障诊断中通过 对比基 准频谱 发现问题。 基准频谱 齿轮啮合频率 的计算（1）齿轮啮合频率 计算：设两轴转速分别为 f 1、f 2，两齿轮齿数分别为 Z1、Z2，则：啮合频率 fc= f 1 Z1= f 2 Z

24、2（ 2）由边频间距代表的调制频率可以是：. 各轴转速（输入轴、输出轴、中间轴）；. 外部转速或负荷的波动频率；. 波动啮合频率 等于 （啮合频率 f c）（f 1与 f 2的最小公倍数 ） ；（3）若同时存在两种以上的故障，则 各故障频率 之和或之差 也可能成为 调制频率 ，这也称为“ 中间调制 ”频率。8传动皮带 故障原因造成传动皮带故障的原因由：皮带轮不对中，皮带轮偏心、安装不当，皮 带张力调节不当，皮带过量磨损或制造上的缺陷（尤其是加强皮带）。 特征（1）径向 振动出现在 皮带频率 的 2、4、6 倍频处，若有较大峰值，则存 在故障；（2）轴向 振动，若与 径向 一样，也在 皮带频率

25、2 倍频处有较大峰值， 则为皮带轮不对中；（3）在时域波形上每转一周出现 2、4 或 6 个峰值。s = 1 - n n 1皮带频率 由下式计算 :皮带轮速度 皮带轮直径皮带频率 = 皮带长度9 叶轮、叶片和旋翼 故障原因以流体力驱动的机器或者用于抽动、压缩、传输流体的机器，都有叶轮、 叶片和旋翼。由于流体或热力的影响，它们易于受到破坏或磨损。故障原因 有：部件破损，装配不当，流动不规则，热力不平衡，污物进入，叶轮、叶 片和旋翼的磨损。 特征（1）叶片通过频率分量及其谐波分量大而且有边带，径向和轴向振动同 是这样；（2）叶片损坏可造成不平衡，其特征类似于不平衡特征）；（3）叶轮松动的特征类似于机械松动；（4）转子与机壳间的摩擦其特征类似于滑动轴承的摩擦。叶轮及叶片 通过频率 由下式计算 ：通过频率 =（ 轴转速 60 ）叶片数10电机1电机故障 电机与其他旋转机械一样，可能产生不平衡、不对中、机械松动、轴承 故障及共振等问题。本节就电机特有的故障，介绍其诊断方法。这些特有故 障包括：转子断条或裂纹、转子偏心、相位不平衡、转子或定子铁芯 松动、 转 子弯曲或转子偏离磁场中心。2转