設備故障診斷在旋轉機械上的應用

楊會海

（山鋼股份萊蕪分公司特鋼事業部，山東萊蕪 271104）

1 設備故障診斷技術

（1）故障診斷技術的概念及內容。故障診斷是通過對設備狀況的信息采集分析，確定運行狀況，掌握故障原因及發展趨勢，并指導進行維修維護的一門技術。通過對設備診斷所需信息進行篩選、分析處理后，得到能代表設備狀態的參數，通過參數特征做出正確的故障診斷結論。主要包含設備運行狀態監測，運行狀態趨勢預報，以及故障類型、原因診斷等內容。

（2）設備故障診斷的基本步驟。設備故障診斷的實施過程如圖1所示。通過圖1可以將設備故障診斷的基本步驟歸納為：設備運行信號采集、信號處理、故障識別及診斷、制定維護方案等。以旋轉機械振動診斷為例，論述實施設備故障診斷的意義與應用效果。

圖1 設備故障診斷過程

2 旋轉機械振動診斷方法

2.1 波形分析法

（1）機械設備的振動波形是隨時間不斷變化的速度、位移或加速的曲線。凡是與同步振動有關聯的各種故障的振動都是周期性的函數，是以工作頻率為主結合若干高次諧波附加所組成的，如圖2所示。圖2為包含周期因素的振動波形。

圖2 含周期因素的振動波形

（2）波形分析法對旋轉機械故障的診斷，主要是通過對振動波形特征的分析來進行的。例如，對圖2進行平滑處理后，可得到圖3所示的曲線。該曲線是一條周期為T的正弦曲線。如果該曲線的頻率與旋轉機械的工作頻率相同時，可以初步判斷該旋轉機械的振動與轉子的不平衡有關。

圖3 平滑處理過的振動波形

2.2 軸心軌跡分析法

軸心軌跡就是旋轉機械轉子的軸心點相對于軸承座位移所形成的軌跡。通過位移傳感器采集軸心點相對軸承的位移信號，經過濾波處理在示波器上顯示軸心軌跡圖。通過軸心軌跡圖可以得到旋轉方向、形狀及穩定性等信息。軸心軌跡圖的形狀可以較好地反映設備運行的狀況及故障的類型。主要故障類型如下：

（1）不平衡。因轉子不平衡所產生的軸心軌跡在理論上表現為圓形，但是受到軸承油膜以及其他一些因素的影響，實際的軸心軌跡表現為一個橢圓形，橢圓中長軸傾角的變換主要是由于運行過程中溫度的變化所導致。

（2）不對中。由不對中所形成的軸心軌跡是通過2倍頻或4倍頻諧波分量經計算機仿真模擬而成。其中，隨著不對中程度的加劇，軸心軌跡的圖形會由橢圓形逐漸變成香蕉形，最后變成8字形狀。

當轉軸的轉動方向同軸心的軌跡方向相同時為正向進動，反之為逆向進動。一般情況下基本都為正向進動，當在轉軸與軸承間存在干摩擦或者帶有螺旋槳的旋轉機械等極少情況下，會產生逆向進動。一般而言軸心運動軌跡是保持穩定狀態的，但在發生軌跡大小、形狀及軌跡紊亂等情況時，表明旋轉機械的運行狀況發生變化或者出現運行異常。

2.3 頻譜分析法

頻譜分析法是利用計算機進行快速傅式變換來實現的。利用頻譜分析法提取頻譜圖中的診斷信息。在旋轉機械的故障診斷中，常用的頻譜圖主要有2種。

（1）幅值譜及相位譜。設X（f）為振動信號x（t）的傅式變換，

（2）自功率譜圖。自功率譜密度S（xf）簡稱為自功率譜，是信號樣本內含有的能量沿頻率軸的分布情況，多用在隨機信號為主的分析中。相對于幅值譜來說功率譜具有譜峰更加突出、應用更加廣泛等優點。

此外，旋轉機械振動診斷方法還包括轉速跟蹤分析法、統計分析法，以及近年來取得新進展的全息譜及全息瀑布圖等分析方法。

3 旋轉機械故障機理與診斷

3.1 不平衡

（1）不平衡振動機理。旋轉機械的轉子不平衡振動按發生的過程可以分為初始不平衡、漸發不平衡以及突發不平衡。產生不平衡振動的根本原因是轉子的中心偏離軸線，即轉子質量相對軸心線分布不均勻，轉子的質心與軸線存在一定量的偏心距，在轉動過程中產生離心力，轉子每旋轉一周 離心力方向進行一次循環變化，轉子在該離心力的作用下產生振動，不平衡振動頻率與轉速相同，振動幅值與轉速有關。

（2）不平衡的診斷。通過不同特征進行判斷：①通頻時域的波形圖為近似等幅的正弦波；②頻譜圖以工頻為主，其他頻率因素較小；③軸心軌跡圖是一穩定且長短周差別較小的橢圓；④在轉速固定情況下，相位相對穩定；⑤全息圖譜上工頻橢圓較圓較大，其他較小；⑥在徑向上各個點的振動存在一定相位差；⑦不平衡振動是由離心力作用產生的橫向振動，徑向振動較大；⑧轉速對不平衡振動幅值影響較大，當轉速接近臨界轉速時產生共振，此時振動幅值最大；⑨旋轉機械存在不平衡振動時，工頻相位隨之改變。

3.2 不對中

（1）不對中振動機理。主要有軸承不對中及軸系不對中，其中以軸系不對中居多。軸系不對中又包括角度不對中、平行不對中及平行與角度都不對中3種情況。軸系不對中不僅對軸承不對中有影響，還對聯軸器及轉子產生周期的附加力，造成轉子振動并加速聯軸器和軸承損壞等。

（2）不對中診斷。通過特征判斷：①通頻時域波形為周期性畸變正弦波，波峰峰值翻倍，重復性能更優；②在頻譜圖上以工頻及2倍頻為主，對中偏差越大，2倍頻的比例就越大；③軸心軌跡呈現橢圓形、香蕉型及8字型等形狀，但相對穩定；④旋轉機械轉子渦動為正進動；⑤兩側聯軸器軸向的振動相位差為180°工頻反向振動；⑥兩側聯軸器的徑向振動相位差大多數是近180°的2倍頻反向振動；⑦軸系不對中的轉子振動，會同時在軸向和徑向上產生振動；⑧不對中轉子的振動幅值伴隨負荷的增大而增大。

3.3 轉子彎曲

（1）轉子彎曲振動機理。一般出現轉子彎曲的幾率較小，但偶爾也會出現彎曲振動的情況。轉子彎曲分為永久性彎曲和臨時性彎曲，無論出現何種彎曲都無法利用動平衡的方法進行校正。轉子出現彎曲軸線將以某一定徑向變形偏離兩支撐點的幾何中心線，旋轉過程中會出現很大的振動，振動頻率為工頻。

（2）轉子彎曲診斷。可通過特征進行判斷：①通頻時域的波形為接近等幅的正弦波；②從頻譜圖上以工頻成分為主，并有一定成分的諧波；③軸心軌跡為長短基本相同的橢圓；④因為轉軸彎曲會存在不同程度的軸瓦摩擦，因此在頻譜圖、軌跡圖等圖形中還會存在摩擦特征；⑤在趨勢圖上臨時性彎曲是逐漸形成的，較熱負荷變化相對滯后；⑥轉子彎曲的振動會存在較大的徑向振動，軸向方面也有一定的工頻振動；⑦振幅的大小對轉速相當敏感，振幅與轉速成正比；⑧隨轉速的不斷變化，相位的變化非常小。

4 結語

機械故障診斷最終的目的就是為了防止設備事故的發生，確保設備安全穩定運行。通過對設備故障診斷知識的學習，掌握一些常用的設備故障診斷技術，通過對設備運行數據進行提取處理，用科學的方法進行推斷，來判斷設備的工作狀況，確定設備的缺陷及故障，保證設備高效化運行，為企業創造更大的效益。

［1］廖伯瑜.機械故障診斷基礎［M］.北京：冶金工業出版社，1995.

［2］韓捷，張瑞林，等.旋轉機械故障機理及診斷技術［M］.北京：機械工業出版社，1997.

［3］張安華.機電設備狀態監測與診斷技術［M］.西安：西北工業大學出版社，1995.