设备状态监测与故障诊断技术第7章-状态监测与故障诊断应用实例

设备状态监测与故障诊断技术第7章-状态监测与故障诊断应用实例第一页，共34页。学习目标通过对本章的典型案例分析讲解：加深对前述章节的理解；加强应用理论知识解决实践问题能力的训练。

第二页，共34页。一、关键机组的晴雨表对于关键机组，故障诊断从业人员坚持监测并在机组异常时增加数据采集频次，以便密切关注它们的发展趋势。由于持之以恒地开展状态监测工作，提供了大量科学依据，绘制了一张特护机组的振动晴雨表，使他们始终能够对机组运行状况作出全方位的客观正确的评价，让设备时时受控、处处受控。应该说，大机组提升了状态监测的重要性，状态监测的持续有效开展又有力地推进了特护管理。第三页，共34页。圆盘反应器的搅拌器由一台四级减速齿轮箱带动，其传动系统如图7-1所示。计算出其主要频率成份，见表7-1。速比i=220.32

单位：Hz

输入轴

2#轴

3#轴

4#轴

输出轴

17.10

3.77

0.96

0.27

0.08

Ⅰ级啮合

Ⅱ级啮合

Ⅲ级啮合

Ⅳ级啮合

256.50

60.35

14.37

3.73图7-1圆盘反应器齿轮箱传动系统示意图表7-1圆盘反应器齿轮箱固有频率第四页，共34页。图7-2某圆盘反应器齿轮箱高速部频谱图

图7-2某圆盘反应器齿轮箱低速部频谱图

由于：①特征频率均为3.8Hz，与低速部Ⅳ级啮合频率及高速部第二根轴工频基本一致，这样就有两种故障可能，一是Ⅳ级啮合状况不好，二是第二根齿轮轴存在问题；②低速部振值较高速部大很多，且低速部测点位于Ⅳ级啮合点正下方；③受力分析，∵功率(P)=扭矩(N)×角速度(ω)，∴越往低速端，扭矩越大，受力越大（假设齿轮箱传递功率不损耗的情况下）；④从设计上看，Ⅳ级啮合配对齿轮模数虽然足够大，但是根据受力分析情况其中的14T小齿轮仍是一薄弱环节。

因此判断：故障源极有可能是14T小齿轮齿面损伤。第五页，共34页。将搅拌轴转速由4.5rpm降为4rpm；更换润滑油，添加抗磨剂；将振动、声音、温升、电流等纳入密集监控；对原润滑油进行铁谱分析（后来的检测报告证实油液中Fe含量偏高）；落实事故应急预案。第六页，共34页。（齿轮箱解体）结论：①14T小齿轮工作面磨损近1mm，啮合间隙严重超标；②受齿轮啮合相互影响，其他齿轮亦有不同程度磨损（其中Ⅲ级啮合两齿轮、Ⅳ级啮合大齿轮较严重）；③受啮合状况影响，14T小齿轮外侧轴承一滚子产生点蚀，如果继续运行下去，后果不堪设想。与先前判断相符。用十六字概括：“判断准确、决策果断、措施有力、检修及时”，堪称预测维修、决策维修的典范。降转速换油，加抗磨剂第七页，共34页。

由于：①图7-5中，输入轴工频2倍频38.94Hz成份较凸出；②图7-6中，Ⅰ级齿轮啮合频率2倍频1285Hz成份较凸出，且其周围以输入轴工频19.47Hz为间隔的边带频成份颇为丰富；③高速部存在异响；④输入端轴封渗油；⑤齿轮箱温度偏高；⑥润滑油粘度与机械杂质指标不合格；⑦经查高速部轴承座8颗固定螺栓中有2颗松动。因此判断：输入轴有不对中现象，且由此引起了齿轮不对中现象，同时输入轴与齿轮可能存在配合松动问题，键剪切或齿面出现损伤。图7-5该齿轮箱位移谱图图7-6该齿轮箱速度谱图输入轴工频啮合频率第八页，共34页。

结论：输入轴键槽划口、轴头磨损，键损伤，齿轮孔磨损、键槽磨损且存在少许压溃，如图7-8至图7-11所示，与先前判断相符。采取停机更换齿轮箱。图7-11齿轮轮毂孔、键槽情况图7-8该齿轮箱输入轴与键图7-9输入轴键槽划口情况第九页，共34页。四、涤纶短纤维纺丝计量泵减速机简易测振(仪)

生产线位号修前修后生产线位号修前修后9K93.020.5713K73.070.78212.970.4793.030.73173.120.72162.860.77232.890.43212.890.6110K12.980.61222.760.6442.780.57242.690.5563.010.6514K92.990.6411K12.980.48122.870.582.830.69132.640.42123.040.78142.560.7193.110.79172.710.63223.060.7415K53.070.7212K12.980.52103.040.7392.790.46122.990.72132.680.43172.850.68162.650.6516K12.830.61203.010.79222.750.58长期以来，以“听、看、摸、嗅”为主，必须增加“测”的手段(巡检方式)采用简易测振仪对所有减速机进行状态监测，先后将幅值超过3m/s2、2.5m/s2的机台逐月安排检修。2002年累计安排修理34台减速机，见右表，大大改善了机组运行状况。定量分析使检修之计划性、针对性、预防性、彻底性有机地结合了起来，成为当时该厂实施企业量化管理的一个亮点。第十页，共34页。以往经验判断可能是输入轴上的主动齿轮松动引起啮合状况不好。跟踪监测时，发现其振动幅值有显著上升，且边带频更加丰富，表明故障进一步恶化，很有可能轮齿已经损伤。解体检修，发现主动齿轮上有一齿齿面剥落，输入轴与主动齿轮配合松动，于是更换输入轴、配对弧锥齿轮等件，组装后开车恢复正常。1．长边轴齿轮箱故障[剥落→配合松动；松动→断齿]（齿轮箱A）齿轮啮合频率二倍频2fc（805.11Hz）成份较高，说明齿轮啮合状况欠佳，存在齿轮不对中现象。同时，啮合频率fc（402.54Hz）及2fc周围均出现了以输入轴工频fz输入（17.51Hz）和输出轴工频fz输出（11.5Hz）为间隔的边带频，其中尤以840.13Hz（2fc+2fz输入）谱线最为突出，因此根据图7-8齿轮箱A频谱图啮合频率2倍频率第十一页，共34页。图7-9齿轮箱B焊接处理后谱图图7-10齿轮箱B第一次修后谱图图7-11齿轮箱B第二次修前谱图图7-12齿轮箱B第二次修后谱图齿轮箱B于2004年11月15日对大齿轮与输出轴实施焊接处理，采集数据见图7-9；17日更换传动部件，但由于新弧锥齿轮不成对引发了剧烈的振动；之后密切关注，分别见图7-10（399.91Hz为啮合频率，边带频间隔为输入轴工频17.35Hz）、图7-11，期间振动总幅值呈下降趋势，边带频成份却呈上升趋势，这显然是零件塑性变形所致，而结合从新齿轮不成对造成啮合点分布不正确的角度去分析，最有可能的情况是小齿轮正在逐渐损伤以及其与输入轴之间的配合正在逐渐变松；12月1日小齿轮即多齿折断，最终再更换一对齿轮后恢复正常（见图7-12）。焊接处理（大齿轮与输出轴）更换传动部件2倍啮合频率出现塑形变形更换齿轮第十二页，共34页。总结齿轮箱B的故障诊断经验，我们可以得出这样一个结论：①边带频是比齿轮啮合频率本身更好的齿轮故障的指示；②一般地，可用啮合频率与其周围边带频的幅值差来指示齿轮的好坏，幅值差越小，故障程度越严重。更有甚者，边带频超过啮合频率本身的情况，如图所示，这说明必须安排停机修理了。啮合频率边带频第十三页，共34页。

由于：①啮合频率309.79Hz周围321.3Hz、332.75Hz等输入轴边带频成分显著；②振动幅值较上月反而有所下降，但此前该设备危险指数一直在“主要转动设备运行晴雨表”中高居榜首。因此判断：因此怀疑故障情况已经发生变化，根据经验，结合频谱特征，判断可能是局部塑性变形导致幅值反降。结论：输入轴小齿轮齿损伤，且轴孔配合松动，与先前判断相符。图7-14某三道牵伸机修后频谱图图7-13某三道牵伸机修前频谱图啮合频率啮合频率边频带边频带第十四页，共34页。仔细分析上述三个故障案例，我们发现这样一个现象：即三台齿轮箱都存在轴与齿轮轮毂之间的轴孔配合松动。这应该归因于两接触表面（轴孔配合面）间的微量振动所产生的微动磨损。事实上，齿面磨损、齿面点蚀、齿面剥落与断齿等齿轮基本失效形式，除了与齿轮制造、安装、维护等因素有关外，有很大一部分原因是由于轴孔配合逐渐变松而诱发的，这是一种典型的渐发性故障。边频带分析可以帮助我们进行诊断。第十五页，共34页。3．三道牵伸机轴承故障表7-3HV582型三道牵伸机输入轴轴承故障频率表（单位：Hz）位号型号转速基频保持架滚动体外环内环前轴承22318CDE4687rpm11.454.73762.8775.79107.4后轴承22320CDE4687rpm11.454.72361.9775.58107.6图7-152006年4月份测试谱图图7-16球笼联轴节更换前图7-15为正常谱图。图7-16显示，三道牵伸机振动幅值超过第六章第四节表6-6所列振动标准（试行）中的ALARM2（P117），逼近临界值，输入轴轴承存在故障隐患，同时有丰富的以球笼联轴节工频11.45Hz为间隔的边带频成份，反映出球笼联轴节状况不好。第十六页，共34页。16日开盖检查，发现输入轴后轴承由于轴挡未装已发生移位并跑内圈，复位并安装轴挡恢复。17日更换球笼联轴节。显然由于主要故障尚未排除，更换球笼联轴节之后测试频谱（图7-17）仍然异常。待生产调度妥善后，安排长时间停机修理，最终于23日更换输入轴两轴承后排除故障，见图7-18。图7-17球笼联轴节更换后图7-18轴承更换后需要说明的是，这一故障的诱发源是上次修理时后轴承端部未装轴挡。第十七页，共34页。对于涤纶短纤维后处理装置齿轮箱故障，一方面，经过多年刻苦钻研和努力实践，积累了宝贵的经验，目前已经具备了一定的故障分析和判断能力，可以及时掌握设备运行的动态信息；一方面，通过长期以来对故障机理研究发现，在确保润滑万无一失的前提下，齿轮箱故障多是由于疲劳破坏所致，渐发性故障居多，从其早期形成到丧失功能一般有一个较长期的过程，这使诊断人员有充分的时间观察其故障劣化发展情况；一方面，短纤后处理装置属间歇制工作设备，可以利用了桶时间进行检修。所有这些为在涤纶短纤维后处理装置推行设备状态维修创造了极为有利的条件，近十年来，编者原所在单位已根据状态监测情况，对生产线安排了多次深度检修，如齿轮箱开盖检查、调整、紧固，并处理了上百起故障，基本上做到了在高度预知的情况下，适时地、合理地安排预防性修理。第十八页，共34页。

由于：①g/SE值非常大，其反应出冲击能量的大小；②频谱中转速频率占绝对优势；③该测点位于前轴承座，且采集方向为径向。

因此判断：第一种可能，前轴承座内部存在径向撞击力；第二种可能，靠近前轴承的弹性柱销联轴器存在故障。结论：对该水泵进行检修，经解体前轴承座后发现，轴承跑外圈并伴有撞击，已将轴承座内孔磨出约1mm多深的凹痕，润滑油呈黑色，与此前第一种判断基本相符。图7-19该水泵前轴承座径向g/SE频谱图第十九页，共34页。动力设备在工业生产中虽属辅助和服务性质，但关系到生产能否顺利而不间断地进行，因此也应始终把其维护、修理和运行的安全可靠置于首位，并突出抓好状态监测工作。动力机泵一般均有备台可以切换，属间歇制工作设备，可作为推行设备状态维修的试点。总结在动力设备推行状态维修的经验，最重要的一点就是，状态监测在使维修活动之计划性、针对性、预防性、彻底性更加有机地结合起来的同时，大大提高了维修活动的经济性，即在确保设备正常工作的前提下，避免过剩的维修活动，提高设备的可利用率，充分发挥零件的最大寿命，真正做到视状态维修。第二十页，共34页。一、引言单独驱动——由多台电机分别拖动集体驱动——由单台电机一并拖动东洋纺年产1.5万吨涤纶短纤维后处理生产线采取了集体驱动的方式。其中的主传动组件（习惯上称为长边轴，其动力源为一台250kW直流电机）驱动着从导丝机到卷曲机的各单元机，以保证各单元机之间在一定的牵伸比要求下，线速度协调一致，实现全流程同步运转。第二十一页，共34页。长边轴共有12台减（变）速器，电机与减速器之间、减（变）速器之间、减（变）速器与单元机之间由不同直径的轴和各种联轴节（或转矩限制器）联接。图7-25是中段短纤后处理装置传动系统图，其中包含了长边轴的MG、BG3、CG3、BG2、CG2五台减（变）速器和第二牵伸机（DF2）、第三牵伸机（DF3）两台关键单元机第二节状态监测在集体驱动装置中的应用第二十二页，共34页。

显然，长边轴在传递动力的同时，也传递着振动与噪声；而在正常生产时，纤维丝束成为各单元机之间的另一根纽带。因此，一旦某个部位发生了故障，这种故障信息往往波及其它部位，这不但给日常的设备维护保养工作带来了很大的困难，同时也对状态监测与故障诊断工作造成了许多困惑。

二、故障情况2002年11月17日晚，某公司一条短纤生产线挂丝生产后，DF2即出现异常振动，并伴有规律性声响。当夜对DF2进行第一次开箱检查，检查重点为输入轴和过桥轴，未能排除故障。第二十三页，共34页。18日上午，在空载状态下对DF2进行测试分析。

由于：①特征频率是2#辊轴与浸渍辊中间轴之间的齿轮传动啮合频率156Hz；②图7-22中156Hz旁还出现了以牵伸辊工频3.52Hz为间隔的边带频。

因此判断：2#辊轴存在故障信息，一般为轴孔松动、键剪切所致。

根据分析结果：对DF2进行第二次开箱检查，检查重点为2#辊轴和浸渍辊中间轴，发现2#辊轴上42T齿轮与轴之间盘动存在周向位移，与监测结果相符。

图7-25DF2过桥轴频谱图图7-26DF22#辊轴频谱图第二节状态监测在集体驱动装置中的应用第二十四页，共34页。对DF2实施检修，更换2#辊轴、42T齿轮、键等件。但再次挂丝开车后，异响并未就此消除。（事实上，从拆下来的情况看，轴孔及键配合尺寸超差并不严重，当时就觉得此处隐患不象是主因。）在接下来的时间里，又对与DF2毗邻联结的BG2、CG3进行了开盖检查，均未果。起初认为，既然声响由DF2发出，理所当然问题应该出在那一带（注：DF2与DF3实际相距数米），其实这一观点带有较大的片面性。转而将目光投向了其它机台。恰在此时，19日下午，现场发生了变化，长边轴中段以及DF3都出现了类似响声，而此时DF2的响声似乎并不明显了，这意味着症结不一定就出在DF2附近。第二十五页，共34页。扩大监测范围，图7-27便是19日晚在DF3过桥轴处测得的频谱图。从图中不难发现，过桥轴工频6.41Hz及输入轴工频11.38Hz均有明显的谐波频率成分，其中尤以过桥轴工频的4倍频25.63Hz和输入轴工频的3倍频34.15Hz幅值为最高，这说明DF3过桥轴、输入轴均存在问题。再看图7-28，这是在BG3处采集的频谱图，BG3齿轮啮合频率398.44Hz、DF3Ⅰ级传动齿轮啮合频率307.37Hz、Ⅱ级传动齿轮啮合频率179.29Hz周围均存在以DF3过桥轴工频为间隔的边带频，另外也有以输入轴工频为间隔的边带频（387.06Hz）。此外，MG、CG3等处也存在类似情况，这里就不再一一赘述。图7-27DF3过桥轴频谱图图7-28BG3频谱图过桥轴输入轴4倍3倍DF3II级啮合频率DF3I级啮合频率BG3齿轮啮合频率第二十六页，共34页。BG2输入端显然存在上述故障信息，而此故障信息在输出端已经明显衰减。图7-29BG2输入端频谱图图7-30BG2输出端频谱图20日上午，再作一次系统监测，长边轴几台减速器的测试数据（均为垂直方向）见下表。比较表中数据，得知BG3处振动最大，与其相连的单元机正是DF3。减速器名称MGBG3CG3BG2CG2位移值（μm）4.68778.63485.35336.89016.1896速度值（mm/s）1.57874.26021.09882.84011.1393第二十七页，共34页。综合上述情况：DF3输入轴、过桥轴存在严重故障。由于：①工频fz、2fz、3fz及高次fz成份均有出现；②存在以工频fz为间隔的边带频成份；③几台减速器中，与DF3相连的BG3振动最大；④故障部位在恒定转速、负荷下，幅值不稳定（“开”和“闭”两种变化）。因此判断：输入轴、过桥轴很有可能已经出现了裂纹。损坏情况：

DF3输入轴、过桥轴上的键已严重剪切，输入轴产生周向约270°裂纹，并由此导致前排几对齿轮已出现胶合现象，如果再拖几天，将会发生DF3大齿轮全部打坏的恶性事故。监测日期2002/11/192002/11/202002/11/22位移值（μm）17.18112.8043.183(正常)速度值（mm/s）2.5161.96941.0048(正常)第二节状态监测在集体驱动装置中的应用第二十八页，共34页。由于第三牵伸机在纺丝生产流程中的特殊地位（线速度最高/负载最大）加之纤维丝束的纽带作用，可以将其看作主动机，而将第二牵伸机看作拖动机，亦或说，某种程度上主电机是在第二牵伸机处作负功。因此，当第二牵伸机存在薄弱环节（2#辊轴）时，其响声很大，但将其排除后，第三牵伸机自身的问题便逐渐暴露无疑。最后总结一条重要经验，