旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障的簡(jiǎn)易診斷方法分析

張宏樂(lè)

摘 要：在常用機(jī)電設(shè)備上，旋轉(zhuǎn)機(jī)械是數(shù)量最多、應(yīng)用最為廣泛的一類部件，比如各類數(shù)控機(jī)床滾珠絲杠、壓力泵、電動(dòng)機(jī)等。尤其是一些涉及國(guó)計(jì)民生的重要工業(yè)部門的關(guān)鍵設(shè)備，如煉油廠、火電站、冶金企業(yè)的離心壓縮機(jī)、汽輪機(jī)等一旦出現(xiàn)故障將給企業(yè)帶來(lái)非常大的經(jīng)濟(jì)損失，正因如此，一直以來(lái)對(duì)關(guān)鍵旋轉(zhuǎn)機(jī)械進(jìn)行故障監(jiān)測(cè)和診斷越來(lái)越受到企業(yè)的重視。

關(guān)鍵詞：旋轉(zhuǎn)機(jī)械;故障;簡(jiǎn)易診斷

近年來(lái)，隨著機(jī)電設(shè)備自動(dòng)化程度不斷提高，要求設(shè)備性能指標(biāo)愈來(lái)愈高，結(jié)構(gòu)組成也愈來(lái)愈復(fù)雜，對(duì)操作人員的專業(yè)素養(yǎng)要求也愈來(lái)愈嚴(yán)格。自動(dòng)化程度的提升，減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率，但另一方面，設(shè)備一旦出現(xiàn)故障，整條生產(chǎn)線都將受到很大影響。做好設(shè)備的日常維護(hù)，防止因小故障造成大停產(chǎn)是企業(yè)必須要考慮的問(wèn)題，企業(yè)的設(shè)備維護(hù)工程師，必須要熟練掌握機(jī)械故障診斷與維修的技能。機(jī)械故障診斷，包含兩大方面技術(shù)，即信號(hào)的監(jiān)測(cè)收集和信號(hào)的分析處理，本文將從以下幾個(gè)方面就如何簡(jiǎn)便、快速的判斷設(shè)備機(jī)械故障，減少企業(yè)的經(jīng)濟(jì)損失對(duì)簡(jiǎn)易診斷法進(jìn)行分析。

1 機(jī)械故障診斷基本內(nèi)容

機(jī)電設(shè)備故障診斷主要包含三個(gè)方面的內(nèi)容，即設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的趨勢(shì)預(yù)測(cè)和故障狀態(tài)的確定。目前常用的故障診斷方法有以下幾種：

（1）簡(jiǎn)易診斷法。通過(guò)使用可攜帶的檢測(cè)設(shè)備，如測(cè)振儀、工業(yè)內(nèi)窺鏡、紅外線探傷儀等儀器對(duì)機(jī)電設(shè)備進(jìn)行日常巡檢，根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)，診斷設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。

（2）精密診斷法。對(duì)已產(chǎn)生異常狀況的設(shè)備，結(jié)合簡(jiǎn)易診斷法得到的數(shù)據(jù)及故障現(xiàn)象，采用精密診斷儀器和各種先進(jìn)分析方法，判斷設(shè)備故障的類型、程度、部位和產(chǎn)生原因等。

（3）振動(dòng)噪聲測(cè)定法。機(jī)電設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中都會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，正常運(yùn)行的振動(dòng)和異常振動(dòng)從頻率、振幅等指標(biāo)上都有較大差別。根據(jù)設(shè)備運(yùn)行的振動(dòng)數(shù)據(jù)，可有效診斷出故障的類別，該方法行之有效。

（4）無(wú)損檢驗(yàn)。該方法是一種不破壞設(shè)備表面及內(nèi)部結(jié)構(gòu)，通過(guò)X射線、紅外線等各種類型的射線，檢測(cè)設(shè)備內(nèi)部受損情況的方法，尤其是對(duì)設(shè)備零件自身的制造缺陷檢測(cè)比較有效。缺點(diǎn)是大多數(shù)無(wú)損檢驗(yàn)必須在靜態(tài)環(huán)境下進(jìn)行。

（5）設(shè)備性能參數(shù)對(duì)照測(cè)定法。機(jī)電產(chǎn)品的性能參數(shù)較多，主要包含保證設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)的如數(shù)控車床的加工精度、汽柴油機(jī)的功率及油耗、電動(dòng)機(jī)的輸出功率、齒輪傳動(dòng)的最大扭矩等主要的功能指標(biāo)，這些指標(biāo)在設(shè)備出廠前就已經(jīng)標(biāo)定好，可以通過(guò)查看設(shè)備銘牌或說(shuō)明書(shū)得到正常值范圍。如果通過(guò)儀表監(jiān)測(cè)或設(shè)備監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)相關(guān)性能參數(shù)值超出正常值，則需應(yīng)用前述幾種方法進(jìn)行故障原因分析和確定。該方法主要是前述幾種方法的輔助手段。

2 簡(jiǎn)易診斷法的特點(diǎn)

最常用的簡(jiǎn)易檢測(cè)方法是通過(guò)技術(shù)人員攜帶可移動(dòng)的檢測(cè)儀器，以獲取到的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備信號(hào)或使用過(guò)程中采集到的相關(guān)數(shù)據(jù)為依據(jù)，以標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)照采集信號(hào)和數(shù)據(jù)，判斷設(shè)備運(yùn)行的正常與否。通常情況下，簡(jiǎn)易診斷主要作為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行情況的監(jiān)測(cè)參考，如需進(jìn)一步診斷設(shè)備情況，還需更為精密的診斷手段。簡(jiǎn)易診斷手段之所以在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用比較廣泛，主要是其具有簡(jiǎn)單實(shí)用、投資較少、成效明顯等特點(diǎn)。但是，由于便攜式檢測(cè)設(shè)備的功能較為單一，且受檢測(cè)方法的限制，導(dǎo)致只能解決簡(jiǎn)單故障和故障的初步判定，如果故障較為復(fù)雜，或有多種故障疊加，此種診斷方法就無(wú)法適用了。雖然存在以上的一些問(wèn)題，但簡(jiǎn)易診斷法還是具有較大的實(shí)用價(jià)值，在生產(chǎn)一線的應(yīng)用較為普遍。

3 檢測(cè)信號(hào)的測(cè)定

能否合理而準(zhǔn)確地從設(shè)備中提取到信號(hào)，是進(jìn)行設(shè)備狀態(tài)診斷的基本先決條件，因此做好以下幾個(gè)方面的工作非常關(guān)鍵。

3.1 準(zhǔn)確地選擇測(cè)定方式和測(cè)定參數(shù)[1]

目前，常用的振動(dòng)信號(hào)測(cè)定方式有兩種，即在線（On line）方式和離線（Off ?line）方式。在線測(cè)定方式即采集信號(hào)和數(shù)據(jù)處理是分開(kāi)進(jìn)行的，而離線測(cè)定方式則是同步進(jìn)行。簡(jiǎn)易診斷目前采用在線檢測(cè)方法居多，采用現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)、專業(yè)軟件分析等方式進(jìn)行。

3.2 合理地分布監(jiān)測(cè)點(diǎn)

3.2.1 主要監(jiān)測(cè)點(diǎn)的分布

旋轉(zhuǎn)機(jī)械上能反映其運(yùn)動(dòng)部件振動(dòng)特征最敏感和最集中的部位是軸承，因此在設(shè)定監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)應(yīng)把主要監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)在軸承部位。測(cè)定的信號(hào)值應(yīng)包含兩部分內(nèi)容：軸承的振動(dòng)和軸的位移，軸承的振動(dòng)采用速度和加速度傳感器，同時(shí)把測(cè)點(diǎn)布置在垂直（Z）、水平（Y）和軸向（X）三個(gè)方向上進(jìn)行監(jiān)測(cè)。這種方法可以檢測(cè)出如非平衡、不對(duì)中、松動(dòng)等常見(jiàn)故障。軸位移測(cè)定一般采用電渦流位移傳感器。測(cè)點(diǎn)分布在垂直和水平兩個(gè)方向上或呈45°分布。這種分布形式可檢測(cè)出如半速渦流、油膜振蕩及旋轉(zhuǎn)失速、喘振等常見(jiàn)故障。

3.2.2 次要監(jiān)測(cè)點(diǎn)的分布

結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單的旋轉(zhuǎn)機(jī)械，通過(guò)主要監(jiān)測(cè)點(diǎn)即可反映全面的診斷信息，而結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械則不然，必須通過(guò)設(shè)置次要監(jiān)測(cè)點(diǎn)來(lái)輔助主要監(jiān)測(cè)點(diǎn)得到設(shè)備的相關(guān)運(yùn)行數(shù)據(jù)，如大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，一般會(huì)根據(jù)具體情況，在其機(jī)殼、箱體等部分增設(shè)次要監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

4 簡(jiǎn)易診斷方法原理

簡(jiǎn)易診斷方法識(shí)別設(shè)備狀態(tài)主要采用統(tǒng)計(jì)分析法，統(tǒng)計(jì)量即前述導(dǎo)出的各種診斷指標(biāo)。其中位移的峰-峰值Xp-p及振動(dòng)烈度Vrms用得較多。如果在一定的時(shí)間段內(nèi)，將測(cè)得的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)按先后時(shí)間順序進(jìn)行排序，就可以得到劣勢(shì)趨勢(shì)圖。它表示某設(shè)備的具體的劣化進(jìn)程。根據(jù)劣化趨勢(shì)圖，即可設(shè)別和預(yù)測(cè)設(shè)備的狀態(tài)[2]。

如果只是依據(jù)上面提到的故障診斷的收集和判斷方式，是無(wú)法實(shí)現(xiàn)機(jī)械故障的診斷的，通常還要理論聯(lián)系實(shí)際，把收集到的故障數(shù)據(jù)信息與理論數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)分類識(shí)別，這樣才能將設(shè)備的故障情況進(jìn)行清晰辨別，如故障出現(xiàn)的位置、故障的嚴(yán)重程度、故障產(chǎn)生的原因等都有一個(gè)明確的認(rèn)識(shí)，真正做到為故障診斷提供必要的數(shù)據(jù)與信息支撐。

5 簡(jiǎn)易診斷方法應(yīng)用實(shí)例

某化工廠一臺(tái)大型合成氣壓縮機(jī)，由低壓缸、中壓缸和高壓缸組成，并由蒸汽透平驅(qū)動(dòng)。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖及測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。各監(jiān)測(cè)點(diǎn)均裝有某公司渦流式位移傳感器。

5.1 故障描述

該機(jī)生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)中壓氣缸進(jìn)氣端監(jiān)測(cè)點(diǎn)4的表頭顯示的軸振動(dòng)逐漸由19μm增至65μm，超出產(chǎn)品設(shè)計(jì)閥值，而自動(dòng)停機(jī)報(bào)警。次日重新開(kāi)機(jī)后，振動(dòng)值高達(dá)93μm，至該月底振動(dòng)值達(dá)到極限值127μm。現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員面對(duì)大大超出正常范圍的監(jiān)測(cè)參數(shù)，判斷該設(shè)備出現(xiàn)了故障，但若停機(jī)將給公司帶來(lái)每日過(guò)百萬(wàn)的經(jīng)濟(jì)損失。經(jīng)公司技術(shù)部門會(huì)商，決定采用簡(jiǎn)易診斷方法對(duì)該設(shè)備進(jìn)行不停機(jī)檢測(cè)。

5.2 檢測(cè)方法

檢測(cè)采用便攜式振動(dòng)計(jì)，測(cè)量軸承的絕對(duì)振動(dòng)，但因測(cè)點(diǎn)4的軸承座位于機(jī)殼筒體內(nèi)部，與筒體之間還有一環(huán)形空腔，無(wú)法直接讀出軸承振動(dòng)值，因此采用中壓缸進(jìn)口端作為測(cè)點(diǎn)，來(lái)代替測(cè)點(diǎn)4，測(cè)定參數(shù)為Vrms及Xp-p，并分別測(cè)試垂直（V）和水平（H）兩個(gè)方向的數(shù)據(jù)。

5.3 趨勢(shì)圖分析

分別對(duì)比該設(shè)備近3個(gè)月來(lái)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)Vrms及Xp-p的劣化趨勢(shì)圖。參照ISO標(biāo)準(zhǔn)及本機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，根據(jù)數(shù)據(jù)判斷，中壓缸肯定處于異常狀況。但由監(jiān)測(cè)趨勢(shì)圖發(fā)現(xiàn)，測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)數(shù)據(jù)基本保持穩(wěn)定，而未超出給定的域值。基于以上的判斷，決定到該機(jī)大修時(shí)才停機(jī)檢查，為該公司節(jié)省了大量的停機(jī)維修損失。如圖2所示，為測(cè)點(diǎn)4振動(dòng)值趨勢(shì)圖。

5.4 檢修結(jié)果及故障原因分析[3]

該設(shè)備到期檢修時(shí)進(jìn)行了拆機(jī)檢查，診斷結(jié)論是中壓缸零部件發(fā)生故障，主要為一是軸承推力盤出現(xiàn)疲勞磨損;二是副推力瓦基環(huán)出現(xiàn)了破損情況，導(dǎo)致設(shè)備產(chǎn)生較大振動(dòng)。維修人員對(duì)破損零件進(jìn)行了更換，重啟設(shè)備，報(bào)警消除，試運(yùn)行一周，設(shè)備一切正常。

6 結(jié)束語(yǔ)

機(jī)械故障診斷是每個(gè)制造企業(yè)必須面對(duì)的難題，尤其是常作為運(yùn)動(dòng)件、應(yīng)用廣泛的旋轉(zhuǎn)機(jī)械，本文從檢測(cè)信號(hào)的測(cè)定、簡(jiǎn)易診斷方法原理兩個(gè)方面對(duì)簡(jiǎn)易診斷法進(jìn)行了闡述，并結(jié)合某公司設(shè)備故障實(shí)例介紹了該方法的應(yīng)用，對(duì)工程實(shí)踐具有一定的參考意義。

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