设备故障诊断技术

北京盛智振通公司

设备状态监测与

故障诊断技术

尚振/p>

邮箱：shangzhenguo888@163.com第1页，共62页。一设备故障诊断技术的概况1、设备故障诊断技术定义：1-1定义：是一种了解和掌握设备在运行过程的状态（设备基本不拆卸、不解体情况），采用一定的检测手段，根据数据和经验的积累确定其整体或局部是正常或异常，能早期发现故障及原因，并能预报故障发展趋势的技术。第2页，共62页。状态监测与故障诊断的关系状态监测与故障诊断的关系：机械设备状态监测与故障诊断既有区别、又有联系，是同一学科的两个层次，（简易与精密）。状态监测也称为简易诊断，一般是通过测定设备的某些较单一的特征参数（如振动、温度、压力等）来检查设备状态。如果对设备进行定期或连续的状态监测，便可获得有关设备状态变化的趋势规律，据此可预测和预报设备的将来状态。故障诊断也为称精密诊断，不仅要掌握设备的状态正常与否，同时还需要对产生故障的原因、部件（位置）以及故障的严重程度进行深入的分析和判断。第3页，共62页。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、输变电设备、电工仪表等。第4页，共62页。仪器分类：离线测量仪表便携式测振表数据采集器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第5页，共62页。监测和诊断仪器的分类和功能第6页，共62页。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第7页，共62页。二、

振动测量基本特征参量的描述

振动是指物体在平衡位置上作往复运动的现象。简谐振动，如一个单摆或一个弹簧质量系统。1、振幅：是指振动物体偏离静平衡位置的最大距离。工程上常称为振动峰值，一般用A表示其振动强度。2、频率：是指振动物体往复一次所需的时间T称为周期，单位（s）秒。而振动物体在一秒钟往复的次数称为频率。用f表示，单位：Hz。周期与频率关系互为倒数f=1/T。有时也用角频率ω来表示。ω=2π/T=2πf。3、初始相位角：是指某一振动频率成分的初始点偏离平衡位置的相位，一般用φ表示。相位分析在故障诊断技术中越来越受到人们重视。因不同振源都会有各自的相位，相同的相位可能会引起合拍共振，产生严重后果；如相位相反可能会引起抵消，起到减振作用。第8页，共62页。三、振幅的表示方法

1、峰值：（单峰值、双峰值）表示波的最大位移。2、平均值：从数学关系上看对波形的绝对平均（一般不用它）只是对时间积分，没什么物理意义。3、有效值：均方根值、RMS。它是对幅值的最适当的度量。它既考虑了波形的时间历程又给出了与能量直接有关的量值，同时也代表了振动的破坏能力，通常称为“振动烈度”。常用于振动速度或加速度值。对于简谐振动来说，峰值A与其关系为：平均值=0.637A、有效值=0.707A。一些国际振动标准也常采用速度有效值来表示。第9页，共62页。四、振动参数选择

振动参数常用的有加速度、速度、位移，三者经积分转换。一般情况，对低频振动用位移（小于10Hz）；高频振动用加速度（大于1KHz）；中频振动用速度（10—1KHz）度量。机器内部损伤还未影响到机器实际工作能力前，高频分量就包含了缺损信息。当内部缺损发展较大时，才从低频信息上反映出来，因此、预测机器是否损坏，高频信息非常重要。单位：位移：um；速度：mm/s；加速度：m/s2或g，1g=9.8m/s2对简谐振动而言，d、v、a均为同频的简谐振动，若以振动位移d相位为参考基准，v超前d(π/20，a超前d(π)。第10页，共62页。五、

设备测点布置

1、测点应选择振动信号传递的通道上而且路线最短捷的位置，尽量减少中间界面（近轴端）。2、应选信号反应比较敏感部位做测点。如轴承座、机座，一般为典型测点。3、测点一旦选定，应做好定位标记。4、一般都要选定三个方向来评定振动，特别对低频振动，更要强调其方向性（高频振动对方向不敏感）；通常：H---平衡，V---松动，A---对中。5、对于大型机械设备，应比较全面规划布置测点，多参数测振，合理选用a、v、d。6、了解、掌握设备本身的技术状况，结构原理等历史资料，对分析、判断故障有参考价值。第11页，共62页。vHAV垂直A轴向H水平第12页，共62页。推荐布点顺序第13页，共62页。六、频带的设置

原则：应保证机器振动的所有特征频率信号都能记录下来，请注意二点：1必须通过计算，了解被测设备的特征频率，包括转频、倍频，以及发生故障时的特征频率、叶频、齿轮啮合频率、滚动轴承固有频率等。2合理选择传感器和检测仪器，注意它们的频响范围是否与被测机器特征频率相匹配。第14页，共62页。七、如何看振动波形及频谱

一幅通过准确采集后得到的振动波形及频谱，才是有分析价值的，具体是：1、在了解设备技术参数和结构后，先进行频率计算，如，机器的工作频率、齿轮的啮合频率，风机、水泵的叶轮频率，滚动轴承的元件故障特征频率等，已备后用。2、解读：a、读频率，根据计算结果，找出谱图上相对应的机器设备转频、倍频、特征频率（如有误差，与分辨率有关）。b、看幅值，读上述这些单一频率幅值及整个测量频带范围内振动总量值，可列表对照。c、频谱图上的故障识别，定性定量分析，了解振动量上升的变化率及最大值是否接近允许值。第15页，共62页。不平衡不对中第16页，共62页。转子碰磨的时域，频域图形

第17页，共62页。转子不平衡的典型频谱

第18页，共62页。角度不对中的典型频谱

第19页，共62页。平行度不对中的典型频谱

第20页，共62页。转轴弯曲的典型频谱

第21页，共62页。转子不对中故障的诊断

第22页，共62页。轴承部件松动时的频谱

第23页，共62页。滚动轴承故障频率阶次图

第24页，共62页。第25页，共62页。第26页，共62页。第27页，共62页。第28页，共62页。第29页，共62页。

轴承疲劳时的加速度频谱

a—正常轴承；b—外圈疲劳；c—钢球疲劳；d—内圈疲劳第30页，共62页。精密诊断的方法频谱分析时域波形分析相位分析质量不平衡不对中机械松动摩擦10.轴承（滚动轴承和滑动轴承）11.电机故障齿轮故障共振和临界转速联轴器皮带故障叶片类设备（泵、压缩机故障）柴油机发电机组等第31页，共62页。故障诊断从熟悉方面着手第32页，共62页。频谱分析法频谱分析法是最基本和最常用的故障诊断方法。每种故障有其对应的特征频率。根据特征频率及其变化确定机器的故障性质和严重程度。第33页，共62页。转动机械常见故障的频率特征强迫振动类故障自激振动类故障R:转动频率第34页，共62页。不平衡不对中松动滚动轴承故障频率设备故障特征频率第35页，共62页。转子不平衡故障的频谱波形为简谐波，少毛刺。轴心轨迹为圆或椭圆。1X频率为主。轴向振动不大。振幅随转速升高而增大。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(垂直)1X频率(垂直)轴向很小轴向很小第36页，共62页。不平衡故障的特征不平衡故障的特征：1.振动频率主要是转速频率。转子每转一圈振动一次-单峰频谱2.波形近似为正弦波3.水平和垂直方向的相位相差90°4.振幅随转速提高而增加第37页，共62页。转子不平衡的类型第38页，共62页。时域波形分析

第39页，共62页。不对中故障特征第40页，共62页。不对中类型第41页，共62页。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）第42页，共62页。平行不对中1xrpm径向振动大,2x&3x处有谐波.2xrpm轴向振幅可能和1x的一样大或更大.在1x,2x和3x的径向振动可能比轴向小.图1–平行不对中引起的典型FFT

说明:转轴中心线平行但不相交

第43页，共62页。轴弯曲的故障诊断轴弯曲与不对中、不平衡都有高幅1X频率。第44页，共62页。不对中、不平衡和轴弯曲故障区分第45页，共62页。机械松动故障诊断旋转松动非旋转松动第46页，共62页。转子系统松动故障的频谱波形出现许多毛刺。谱图中噪声水平高。出现精确的倍频2X，3X…等成分。松动结合面两边，振幅有明显差别。电机水泵POPI转速的精确倍频成分本例中最高出现16X成分噪声水平高第47页，共62页。松动故障引起的间入谐量未松动时的频谱松动时的频谱

出现0.5X，1.5X2.5X，3.5X...等频率成分第48页，共62页。旋转松动故障第49页，共62页。轴承松动波谱第50页，共62页。结构松动（非旋转松动）第51页，共62页。松动结合面两边振动差别大50353815101218402558松动！松动！不松动不松动第52页，共62页。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dD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第53页，共62页。滚动轴承故障的频谱轴承每一种零件有其特殊的故障频率。随着故障发展，它的幅值增加，并有谐波；谐波两边产生边频。还可用如共振解调、倒频谱等诊断方法。电机离心泵PIPO1X2X频率故障基本频率6.71X基本频率的四个谐波第54页，共62页。齿轮故障的频谱齿轮啮合频率

GMF

齿数齿轮转速频率齿轮啮合频率两边有边频，间距为1X。随着齿轮故障发展，边频越来越丰富，幅值增加。可用倒频谱作进一步分析。OUBSISOL齿轮箱上辊下辊输入轴啮合频率GMF上边频下边频2X第55页，共62页。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。

第56页，共62页。

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10～1000HzI级：小型机械例15kW以下电机II级：中型机械例15～75kW以下电机和300kW以下机械III级：大型机械，刚性基础

600～12000r/minIV级：大型机械，弹性基础

600～12000r/minA－优，B－良，C－可，D－不可第57页，共62页。相对法确定振动限值12345678滚动轴承齿轮旋转机械滑动轴承＝(2~3)＝(4~6)报警值危险值正常值正常值第58页，共62页。

国际评判标准

第59页，共62页。建立监测档案

制表、记录测量值