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文档简介

振动状态监测技术基础知识屈世栋天津石化公司装备研究院

设备状态监测和故障诊断的含义

设备状态监测→不断获取设备在运行中或相对于静态条件下的状态信息,通过对这些信息的分析和处理,并结合设备的历史状况,来定量地掌握设备的技术状态,预测设备寿命,为设备运行和按状态维修提供技术基础。设备故障→指设备系统或其中的元件/部件丧失了规定的功能,指的是可以修复的对象,而失效通常指的是不可修复的对象。设备状态监测和故障诊断是设备诊断中的两个过程,两者既密切联系又有区别。设备故障诊断的含义简单的说,设备故障诊断就是给设备看病。指在设备运行中或者在基本不解体设备的情况下,对设备故障的性质、原因、部位、程度等进行识别诊断,并提供维修维护措施。振动监测诊断技术

振动监测与诊断技术是普遍采用的基本方法,据统计70%的机械故障可从振动测量中检测出来。选择振动监测的理由

振动监测频谱分析振动及其特点振动分类简谐振动振动统计量振动及其特点广泛性监测有效性

振动AB复杂性D可识别性C研究对象振动频率范围振动信号的统计特征机械振动特征机械振动、土木结构振动、地震和大地脉动、汽车飞机等运输机械的振动、爆炸引起的冲击振动等。低频、高频和超低频振动。一般10Hz以下称为超低频,1kHz以下称为低频,10kHz以上称为高频。确定性振动与非确定性振动两大类。确定性振动又分为周期性振动和非周期振动。强迫振动、自激振动和冲击振动。振动分类振动监测主要目的:研究上述各种振动的特征及其变化规律,从而找出振动原因。

简谐振动及振动三要素如图所示的弹簧-质量块系统,在外力作用下,质量块将做上下的运动。如果将一只铅笔固定在这个作往复运动的质量块上,然后将记录带靠近它,这时质量块的振动响应就会被记录下来,记录的波形即为位移随时间的变化规律。质量块的运动即为人们常说的简谐运动。简谐运动的数学描述匀速圆周运动的投影即为简谐运动,其位移D与时间t的关系可以用正弦曲线表示为:D(t)=Asin[(2π/T)t+φ]其中,A—最大振幅,偏离平衡位置的最大值,又称峰值,2A为峰-峰值

T—振动的周期,完成一次振动所花的时间

φ—振动的初相位,描述振动在起始瞬间的状态简谐运动三要素在实际的测试工作中一般是知道了电机的转速n,求频率:两者之间的关系是:f=n/60,例如:n=1500RPM,则f=25Hz振动周期T的倒数称为振动频率f,描述振动的快慢,即f=1/T,每秒钟的振动次数,单位为Hz。如T=0.1s,则f=1/T=10(Hz),即每秒钟振动十次。所以周期T越短,频率f越高,振动得越快。简谐运动三要素振动幅值表征机械振动的强度和能量,是评价机器状态的主要参数。对振幅值有不同的描述方法,通常以峰值、峰峰值和有效值来表征。振动频率为振动周期的倒数,每秒钟振动的次数,单位为(1/s,Hz)描述振动的快慢,不同结构、不同的零部件、不同的故障源,会产生不同频率的机械振动,所以频率的分析将成为进一步了解设备状态的重要工具而相位是机器某一部分的振动与另一部位振动的相互关系,是用来表征机器振动特征的重要信息。用双通道数据采集器采集数据是最方便的测试相位的方法。实际中关注的往往是两个同频率的信号的相位差。振幅、频率和相位为简谐运动的三要素,可以唯一地描述振动。实际振动及振动的时域指标

实际振动信号比较复杂,往往是多个信号叠加的结果。在实际振动分析中,工程师们一直致力于寻找一些简单的参数判别设备状态,例如:振动位移、速度或加速度的峰-峰值、峰值、均方根值(即有效值Xrms)等。这些简单的参数可用于识别设备状态、报警以及进行设备的劣化倾向分析、进行状态预测等。实际振动信号有量纲参数

均值;平均幅值;

方根幅值;均方根值亦即“有效值”有量纲参数中的均方根值即有效值Xrms表征了振动的破坏能力,是衡量振动能量大小的量。国际“振动烈度”标准ISO2372、ISO3945等皆采用振动速度有效值来度量。有量纲参数以上有量纲参数虽然会随着故障的发展而上升,但也会因工作条件(负载、转速)的变化而改变,因此,有量纲参数有其使用的局限性,即要尽量保证在相同的条件下测试数据。改善的办法是引入无量纲参数,即所谓的归一化处理。归一化之后的参数与机器工作条件的关系不大,而对故障足够敏感。无量纲参数无量纲参数另有裕度指标:峭度、裕度及脉冲指标对脉冲类故障比较敏感,特别是当故障早期发生时,他们有明显增加;但上升到一定程度后,随着故障的逐渐发展,反而会下降,表明他们对早期故障有较高的敏感性,但稳定性不好。一般来说,有效值rms的稳定性较好,但对早期故障信号不敏感。所以,为了取得较好的效果,常常将他们同时使用,进行多趋势分析,以兼顾敏感性和稳定性。

振动的频谱1、时域分析的局限性实际的振动往往由多个不同的信号组合而成,非常复杂。时域波形显示了机器的实际振动形态。对于某些故障,其时域波形具有明显的特征,可以直接观察出周期振动信号、短脉冲信号等。但对时域波形进行分析比较困难,无法深入了解设备的真实状态。这是因为时域波形只能反映信号的幅值随时间的变化情况,除只有一个频率分量的简谐波外一般很难明确揭示信号的频率组成和各频率分量的大小。时域分析的局限性例如,下图是一受噪声干扰的多频率成分周期信号的时域波形,从时域波形上很难看出其特征,但从信号的频谱图上却可以判断、并识别出信号中的几个周期分量和它们的大小。振动信号的频谱受噪声干扰的多频率成分周期信号的频谱振动频谱是振动幅值随振动频率而变化绘制出来的振动曲线图,代表了信号在不同频率分量处信号成分的大小,它能够提供比时域信号波形更直观,更丰富的信息,给我们提供了另外一个观察设备状态的工具,是信号分析、故障诊断中最常用的手段。信号从时域到频域的转换是基于傅里叶的如下理论:“现实当中的任何正弦波形都能组合产生另一个比较复杂的波形,相反,现实当中的任何复杂的波形都能够被分解成为许多简单的正弦波”。

信号从时域到频域的转换因此任何波形,无论多么复杂,都可以看成是由很多不同频率和幅值的正弦波组成。信号从时域到频域的转换频谱分析一般有两种方法,即滤波法和FFT分析法。滤波法是让振动信号通过不同带宽的滤波网络或可调带通滤波器,分别测量各个频段的振幅值,并以图形方式显示出来得到频谱图。FFT分析法是利用FFT信号分析仪,对振动信号进行快速傅里叶变换(FFT),得到频谱图。典型振动信号的频谱

特征频率计算

机组轴的转频:1X=转速/60,是计算后面各级转子及转子上各个转动部件特征频率的基础各级轴的转频:根据传动比来计算

齿轮传动:传动比i12=n1/n2=Z2/Z1=f1/f2,

皮带轮传动:传动比i12=n1/n2=D2/D1=f1/f2

注:1为主动轮,2为从动轮,

n为转速,Z为齿轮齿数,D为皮带轮节径特征频率计算叶片通过频率:叶片数*轴的转频齿轮啮合频率:轴的转频*齿数皮带轮特征频率:(皮带长度*转频)/(3.14*皮带轮直径)振动监测故障或停机后较大损失的设备连续流程作业设备维修周期长或维修费用高的设备故障后会产生二次公害的设备没有备用机组价格昂贵的设备监测对象振动监测的实施真实而充分地检测到足够数量能客观地反映设备情况的振动信号是监测诊断能否成功的关键。如果所检测到的信号不真实、不典型、或不能客观地充分地暴露设备的实际状态,那么后续的各种功能再完善也等于零。因此,监测点选择的正确与否关系到能否对故障作出正确的监测和诊断。选择监测点1总原则:能对设备振动状态作出全面描述;尽可能选择机器振动的敏感点,离机器核心部位最近的关键点和易产生劣化的易损点。2同时测量水平、垂直和轴向振动;测量点应靠近轴承的承载区,与被监测的转动部件尽可能避免多层相隔,减少衰减量;监测点必须有足够的刚度。3监测点不是越多越好,要以最少的传感器,最灵敏地测出整个机组振动状况。监测点一经确定,其位置一定要固定不变监测部位的方向监测部位的方向确定监测周期12定期点检:具体天数可根据不同对象确定。发现测定数据有变化征兆,应缩短监测周期,待振动值恢复正常后仍按原监测周期。新安装机器或大修前后应频繁检测,直至运转正常。3大型关键设备应配备振动在线监测系统。当振动值超过规定值时报警并自动记录异常信号。确定监测周期的原则是超前于机器劣化速度。根据不同的监测对象和不同的监测点要“因机制宜”地确定监测周期。确定测量参数对低频振动常取位移或速度参数。对高频振动常选用加速度作为监测量。不是一成不变的,而要具体问题具体分析!A

C

B

选用传感器传感器的作用是把振动量转换成相应的电信号,它有如下基本要求:A.具有较宽的动态范围,即对非常微弱和非常剧烈的振动都能精确地响应;B.具有较宽的频率范围;C.在其频响范围内具有良好的线性度;D.抗干扰强,对环境变化具有较低的灵敏度;E.结构坚固,工作可靠,能够长时间保持稳定。(1)位移传感器这种传感器的输出电量与振动位移成正比,主要有:接触型应变式位移计,非接触型电容式和电涡流式传感器。通常测量大型旋转机械轴位移时,需要用两个相隔90度的电涡流位移传感器来测量旋转轴的径向位移。传感器必须牢牢固定在轴承座或框架基础上,安装比较麻烦。(2)速度传感器常用的速度传感器是惯性式磁电速度传感器。固定在弹簧上的可动线圈随设备振动作惯性振动时,切割磁力线而输出与速度成正比的电压。速度传感器频率范围一般在10-1000Hz;输出灵敏度较高。(3)加速度传感器目前用得最广泛的是压电式加速度传感器。压电式加速度传感器的核心是压电晶体材料,通常是人工极化的铁电陶瓷,当受到应力作用时,无论是拉伸、压缩、还是剪切,在它两个极板上都会出现与所加应力成正比的电荷。当加速度计受到振动时,内部质量块的惯性力就作用在压电晶体上,输出的电荷量与振动加速度成正比。选用加速

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