論化工機械設備的狀態監測與故障診斷

【摘要】化工企業機械設備發生故障時，在“事后維修”和“定期維修”的基礎上，提出了“預知維修”，對化工機械設備進行狀態監測和故障診斷。化工機械設備狀態監測和故障診斷的主要內容和方法，提出了功率譜分析技術的應用。

【關鍵詞】化工設備；狀態監測；故障診斷；預知維修；功率譜

【中圖分類號】TQ420.5 【文獻標識碼】A 【文章編號】1672—5158（2012）08—0003-01

化工企業機械設備繁多，當機械設備發生故障時，以往的維修方法是當機器損壞以后再維修，即“事后維修”。這種做法由于機器損壞、停機維修時間較長，不僅經濟損失大，也危及設備和人身安全。后來提出的“定期維修”，雖然能保證機器正常運行，但由于不知道機器在什么時候、什么部位發生什么樣的故障，所以很難正確地確定機器的檢修周期。在此基礎上，提出了“預知維修”，對化工機械設備進行狀態監測和故障診斷，提早預防，將隱患消除在萌芽狀態。

1 化工機械設備狀態監測和故障診斷

1.1 狀態監測和故障診斷包含內容

一是對設備的運行狀態進行監測；二是在發現異常后對設備的故障進行分析診斷。狀態監測的主要方法有趨勢監測和狀態檢查。趨勢監測是連續地或有規律地對機器有關參數進行測量和分析，確定機器的運行趨勢和狀況，提出機器劣化停機的預防時間。要選擇最敏感的特征信息，振動和噪聲能實時地、直觀地、精確地顯示出機器的動態特性及其變化過程，測試方法簡便易行，并且對它們也很敏感。所以振動信號譜分析技術已成為對機器進行狀態監測和診斷的主要方法。

1.2 故障診斷技術的分類

故障診斷技術可分為簡易診斷和精密診斷。簡易診斷就是使用簡單便攜的點檢儀器或專用儀器，對機器的狀態參數進行監測并作出初步的判斷；精密診斷就是運用如頻譜分析儀及其他一些計算機支持的儀器對監測到的信號進行數據處理分析，從而確定機器發生異常的原因、部位、程度及發展趨勢等，并決定應采取的對策。

2 設備狀態監測和故障診斷運用的主要技術

2.1 電子和計算技術

一些專用儀器和一些新的信號的拾取、分析及處理的方法基于該兩項技術。

2.2 聲、振測試和分析技術

機器設備運行狀態的好壞與機器的振動有著直接的聯系，它是目前狀態監測和故障診斷技術中應用最廣泛、最普遍的技術之一，且已取得較好的效果。

2.3 測溫技術

溫度的測試技術，尤其是適合于在線、非接觸式、遠距測試的紅外測溫技術的運用較為普遍，被測點的溫度數值可以直接讀出、因而在利用溫度對設備進行診斷能起到立竿見影的效果。

2.4 油液分析技術

磨損、疲勞和腐蝕是機械零件失效的三種主要形式和原因。而其中磨損失效約占80%左右，由于油液分析對磨損監測的靈敏性和有效性，因此這種方法在狀態監測和故障診斷中日益顯示其重要地位。

2.5 無損檢測技術

該技術是一門獨立的技術，被引進到狀態監測和故障診斷技術中。如超聲及射線探傷，磁粉、著色滲透的表面裂紋探傷及聲發射探傷等技術被用來對大型固定或運動著的裝置進行監測和診斷已越來越受到人們的重視。

3 振動信號的概念與處理方法

3.1 振動信號的概念

振動是指物體在平衡位置上作往復運動的現象。最簡單的就是簡諧振動，簡諧振動可以用正弦曲線或余弦曲線來表示。非確定性信號是指不能用數學關系式描述的信號，也無法預知其將來的幅值，又稱為隨機信號。在工程實踐中，采集到的幾乎全部是隨機信號。

3.2 隨機信號的分析和處理方法

主要有時域分析、頻域分析。常常采用倒頻譜分析法，與時域分析相比，它在頻率分辨方面大大提高了靈敏度。倒頻譜分析可以使信號中較低的幅值分量得到較高的增強，可以清楚地識別信號的組成，突出感興趣的周期成分，并且能清楚地分離邊帶信號和諧波。使用倒頻譜分析能夠清楚地檢測和分離出這些周期信號。

3.3 信號處理的要求

一是處理的快速性，二是高的分辨率。對信號處理的高分辨率的要求是來自于設備結構的復雜化和工作轉速的日益提高。研究任意頻帶的頻率分析技術，即細化分析技術，是應用最廣泛的是復調制FFT（快速傅氏變換）方法，它是一項最為有效地提高頻率分辨率的實用技術。

4 化工機械設備故障診斷

化工機械設備種類繁多，如汽輪機、壓縮機、泵、風機、電動機、粉碎機、膨脹機等，統稱為旋轉機械。旋轉機械故障的診斷，首先要根據各種故障發生的機理，尋找其特有的癥狀及敏感參數。

4.1 故障的簡易診斷方法

簡易診斷方法就是采用一些便攜式測振儀拾取信號，并直接由信號的某些參數或統計量構成診斷指標，根據對診斷指標的分析以判定設備是正常或是異常，主要是用于設備狀態監測中。正確地拾取信號是進行設備診斷的基礎或先決條件，因此需正確處理好以下幾個問題。

正確選擇測量方式和測量參數振動信號的采集有兩種測量方式，一種是離線測量，即采集信號和分析數據是分別進行的。測量參數的選擇除了根據頻率范圍外，還應同時考慮所采用的傳感器及判斷標準等。例如采用渦流傳感器進行軸心軌跡分析時，就要選擇輸出位移。采用國際標準進行振動等級評判時就必須輸出速度。

合理布置測點。因軸承是反映診斷信息最集中和最敏感的部位，主要測點應布置在的軸承部位。遵循原則：即每次測量要在同一測點進行，還要保持測量時設備的工況、測量的參數和使用的儀器和測量的方法相同，這樣才能保證每次所測數據的真實性和相互可比性。

選定合適的測量周期。測量周期是指每次采集信號的間隔時間。它與機器的類型及故障發展的速度有關。而一般低速旋轉機械或與磨損有關的故障，則可以采用較長的測量周期，但是一旦發現故障進展較快時，就應縮短測量周期。

4.2 齒輪故障診斷方法

由于齒輪傳動具有結構緊湊、效率高、壽命長、工作可靠和維修方便等特點。功率譜一般有三種頻率結構，分別對應于不同的原因。正常運行的齒輪的功率譜中一般可能同時有這三種頻率結構。隨著齒輪故障的產生，其線狀譜部分的幅值會上升。線狀譜，主要產生原因是齒輪的嚙合頻率及其諧波；山狀譜，主要產生原因是結構共振如齒輪軸橫向振動固有頻率；隨機譜，主要產生原因是隨機振動信號。

5 結語

功率譜分析作為目前振動監測和故障診斷中應用最廣的信號處理技術，它對齒輪的大面積磨損、點蝕等均勻故障有比較明顯的分析效果，但對齒輪的早期故障和局部故障不敏感。旋轉機械故障的診斷，不僅把測得的振動信號進行各種數據處理和分析，還要對振動的方向和位置、對機器的工作參數（如轉速、載荷、壓力、流量、潤滑油溫度及環境溫度等）的敏感特征進行識別。

參考文獻

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