旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備故障診斷技術(shù)分析

費(fèi)冠華 李瑞洋 寧曉霞

摘 要： 通過對大量旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備故障進(jìn)行診斷技術(shù)的分析研究，對現(xiàn)今國內(nèi)設(shè)備進(jìn)行分析研究的基本診斷方法，掌握常用的故障診斷技術(shù)，對設(shè)備的振動(dòng)故障進(jìn)行診斷，分析故障的成因，從根本上減少設(shè)備故障的發(fā)生，降低故障發(fā)生的頻次，提高整體生產(chǎn)效率，降低設(shè)備維護(hù)成本，提高整體利潤。

關(guān)鍵詞： 設(shè)備;故障診斷;旋轉(zhuǎn)機(jī)械

1 旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備故障診斷概述

旋轉(zhuǎn)機(jī)械在工業(yè)生產(chǎn)中占有舉足輕重的地位，是安全生產(chǎn)當(dāng)中很重要的因素之一。由于在日常生產(chǎn)生活當(dāng)中，有很多因素不受人為因素控制，會產(chǎn)生不好的后果，帶來巨大的損失，產(chǎn)生深遠(yuǎn)的社會影響。

1.1 什么是故障診斷技術(shù)

故障診斷也稱診斷，是用來檢查尋找故障的程序稱為診斷程序，對其它設(shè)備或系統(tǒng)執(zhí)行診斷的系統(tǒng)稱為診斷系統(tǒng)。要對系統(tǒng)進(jìn)行故障診斷，首先必須通過對設(shè)備診斷所需信息進(jìn)行篩選、分析處理后，根據(jù)設(shè)備狀態(tài)運(yùn)行參數(shù)等等，最終給出解決方案，做出正確的診斷，實(shí)現(xiàn)故障恢復(fù)。就本系統(tǒng)而言，為保證旋轉(zhuǎn)機(jī)械系統(tǒng)穩(wěn)定性，專門設(shè)計(jì)了設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測，運(yùn)行狀態(tài)趨勢預(yù)報(bào)，以及故障類型、原因診斷等在內(nèi)的故障診斷方案。

1.2 設(shè)備故障診斷的基本分類及步驟

故障診斷方法可以分成兩大類：基于數(shù)學(xué)模型的故障診斷方法、基于人工智能的故障診斷方法。設(shè)備故障診斷的實(shí)施過程基本如下：通過信號采集系統(tǒng)將診斷系統(tǒng)的數(shù)字信號進(jìn)行采集，經(jīng)過分析記錄儀以及信號采集系統(tǒng)將結(jié)果傳遞給計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行分析診斷。本文主要是通過對旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)基于數(shù)學(xué)模型的診斷，基于模糊數(shù)學(xué)的診斷方法，不需要建立精確的數(shù)學(xué)模型，適當(dāng)?shù)倪\(yùn)用局部函數(shù)和模糊規(guī)則，進(jìn)行模糊推理就可以實(shí)現(xiàn)模糊診斷的智能化。本文系統(tǒng)的論述實(shí)施設(shè)備故障診斷的意義與應(yīng)用前景。

2 旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備振動(dòng)故障及診斷方法

從上世紀(jì)的1960年代中期開始，由于傳感器技術(shù)的不斷發(fā)展更新，旋轉(zhuǎn)機(jī)械的故障數(shù)據(jù)測量也變得越發(fā)簡單，診斷系統(tǒng)更加完善，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的引進(jìn)，使數(shù)據(jù)處理能夠更加高效有序的進(jìn)行。更加復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型能夠快速的進(jìn)行分析，從而解決問題。許多診斷對象的故障狀態(tài)是模糊的，診斷這類故障的一個(gè)有效的方法是應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)的理論。

2.1 基于機(jī)械振動(dòng)波形的分析診斷

（1）旋轉(zhuǎn)機(jī)械在運(yùn)行過程中會出現(xiàn)振動(dòng)，其振動(dòng)波形會隨著時(shí)間不斷變化，通過傳感器的信號采集能夠發(fā)現(xiàn)其所發(fā)生的同步振動(dòng)符合時(shí)間變化的速度、位移或加速度均為周期性的函數(shù)。而機(jī)械振動(dòng)所引發(fā)的故障符合這種周期函數(shù)的基本特點(diǎn)，主要是在工作頻率下有多次高次諧波附加而生成的。

（2）通過對振動(dòng)波形的特征進(jìn)行分析診斷旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障的方法叫做波形分析法。對上圖進(jìn)行分析可以看出這種曲線基本符合周期為t的正弦曲線。當(dāng)該曲線頻率與旋轉(zhuǎn)機(jī)械的固有頻路相同時(shí)，就可以初步診斷為旋轉(zhuǎn)機(jī)械的轉(zhuǎn)子不平衡導(dǎo)致了機(jī)械的振動(dòng)。

2.2 基于旋轉(zhuǎn)機(jī)械軸心運(yùn)行軌跡的分析診斷

通過對旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)子的軸心點(diǎn)相對于軸承座位移軌跡進(jìn)行分析的方法就叫做軸心軌跡分析法。采集軸心點(diǎn)相對軸承的位移信號通過位移傳感器以及信號放大器等，可以在示波器上顯示出軸心運(yùn)行軌跡。旋轉(zhuǎn)的方向形狀等關(guān)鍵信息都可以通過軸心軌跡圖看出。它可以較好地反映設(shè)備運(yùn)行的狀況及故障的類型。主要故障類型有不平衡和中線不對正。理論上來講，轉(zhuǎn)子不平衡的軸心軌跡為圓形，但由于一些因素影響，實(shí)際軌跡橢圓形較多，運(yùn)行溫度變化會影響其長軸傾角的改變。而不對正情況會在計(jì)算機(jī)模擬顯示當(dāng)中主要外形為長條形或8字型。

在測量過程中，軸心軌跡會比較規(guī)整，但是當(dāng)旋轉(zhuǎn)機(jī)械的運(yùn)行情況變化或者異常的情況下，軸心軌跡的大小形狀等等會發(fā)生較大改變。

2.3 頻譜分析法

利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行快速的傅氏變換來實(shí)現(xiàn)頻譜分析，可以精準(zhǔn)的提取出相應(yīng)的診斷信息。在旋轉(zhuǎn)機(jī)械的故障診斷中，常用的頻譜圖主要有幅值譜及相位譜和自功率譜。

幅值譜表示信號中不同頻率的幅值在頻率軸上的分布情況。相位譜表示信號中不同頻率成分的相位沿頻率軸的變化情況。功率譜指的是信號樣本內(nèi)含有的能量沿頻率軸的分布情況，多用在隨機(jī)信號為主的分析中。在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中幅值譜的應(yīng)用比較普遍，相位譜應(yīng)用較少。而相對于幅值譜來說功率譜具有譜峰更加突出、應(yīng)用更加廣泛等優(yōu)點(diǎn)。

3 故障形成機(jī)理及對應(yīng)診斷方法

3.1 不平衡和不對中故障類型

1）旋轉(zhuǎn)機(jī)械的轉(zhuǎn)子不平衡振動(dòng)由于發(fā)生的過程不同，可以分為初始不平衡、漸發(fā)不平衡以及突發(fā)不平衡。由于轉(zhuǎn)子的質(zhì)量中心不再軸線上，或是相對軸線分布不均勻，存在偏心距，在機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生離心力，因此產(chǎn)生了不平衡振動(dòng)。離心力的周期與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)周期相同，振動(dòng)幅值大小與轉(zhuǎn)速有關(guān)。而不對中主要是軸承不對中及軸系不對中，其中以軸系不對中最多。其中角度、平行容易發(fā)生不對中情況。

2）故障診斷。當(dāng)通頻時(shí)域的波形圖為近似等幅的正弦波時(shí)，軸心軌跡圖與橢圓近似且比較穩(wěn)定，徑向上個(gè)點(diǎn)的振動(dòng)存在一定幅度的相位差。由于不平衡振動(dòng)是轉(zhuǎn)子本身的離心力引起的橫向振動(dòng)，因此轉(zhuǎn)速對不平衡振動(dòng)的幅值影響較大，當(dāng)產(chǎn)生共振時(shí)振動(dòng)幅值達(dá)到最大的點(diǎn)。旋轉(zhuǎn)機(jī)械存在不平衡振動(dòng)時(shí)，工頻相位隨之改變。

當(dāng)通頻時(shí)域波形為周期性畸變正弦波時(shí)，頻譜圖為工頻，對中偏差較大，軸心軌跡為長橢圓以及8字型，轉(zhuǎn)子渦動(dòng)為正進(jìn)動(dòng)基本上可以判斷為不對中。軸系不對中的轉(zhuǎn)子振動(dòng)，會同時(shí)在軸向和徑向上產(chǎn)生振動(dòng)，振動(dòng)幅值伴隨負(fù)荷的增大而增大。

3.2 轉(zhuǎn)子彎曲故障類型

1）轉(zhuǎn)子彎曲振動(dòng)機(jī)理。轉(zhuǎn)子在極小概率下會出現(xiàn)彎曲振動(dòng)。轉(zhuǎn)子彎曲后不能動(dòng)平衡校正。轉(zhuǎn)子彎曲后的振動(dòng)頻率與工頻相同，其軸線會出現(xiàn)偏離支撐點(diǎn)的徑向變形。

2）轉(zhuǎn)子彎曲診斷。轉(zhuǎn)子彎曲后的振動(dòng)時(shí)通頻時(shí)域的波形為接近等幅的正弦波，軸心軌跡為橢圓形。因?yàn)檗D(zhuǎn)軸彎曲會出現(xiàn)摩擦，因此在頻譜圖、軌跡圖等圖形中還會存在摩擦特征。轉(zhuǎn)子彎曲的振動(dòng)會存在較大的徑向振動(dòng)，軸向方面也有一定的工頻振動(dòng)，振幅的大小對轉(zhuǎn)速相當(dāng)敏感，振幅與轉(zhuǎn)速成正比。

4 結(jié)語

機(jī)械故障診斷最終的目的就是為了確保設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行。如何尋找更加有效的算法，并進(jìn)行綜合性的分析，確定設(shè)備的缺陷及故障，保證設(shè)備高效化運(yùn)行，為企業(yè)創(chuàng)造更大的效益是今后研究的主要方向。

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