机械故障诊断的发展现状与前景剖析.doc

12机制二班 1202315072

《机械故障诊断技术》读书报告
MAO pei-gang
南阳理工机械与汽车工程学院 473004

动平衡诊断案例分析综述
Diagnosis of dynamic balance Case Analysis were Review

摘要
简要阐述组动平衡故障诊断中所使用的现代测试与分析技术。通过五个动不平衡故障的诊断与处理实例，指出了波德图、频谱图等现代分析技术对于组动平衡故障诊断的价值和意义；总结了基于现代测试与分析技术的动平衡故障的主要特征。；验证了影响系数法对于动平衡故障处理的准确性及实用性。对于提高动平衡故障诊断的准确性及其精度具有推广和借鉴意义。
关键词：动平衡 故障诊断 振动分析
Abstract
The modern measuring and analyzing technologies applied in the dynamic balance fault diagnoses are described briefly。In view of five dynamic unbalance fault diagnoses and treatments。the significance and purpose of the modern analyzing technologies such as Bode Plot，Spectrum Plot for the dynamic balance fault diagnoses are put forward，and its characteristics based on testing and analyzing technologies are summarized．The accuracy and practicability of the influence coefficient method for its treatment are proved．The instructions and experiences of improving the accuracy and precision of dynamic balance fault diagnoses are provided．
Keywords:dynamic balance fault diagnosis vibration analysis

目录

1信号分析方法 4
1.1频域分析方法 4
1.2频谱图分析方法 4
2故障实例 4
2.1案例一 4
2.1.1故障机器及故障分析 4
2.1.2机组动平衡故障的现场处理 6
2.1.3分析结论 6
2.2案例二 7
2.2.1故障诊断分析 7
2.2.2现场动平衡校验 9
2.2.3分析结果验证 9
2.3案例三 10
2.3.1机组技术参数及测点布置 10
2.3.2 机组振动数据采集及故障分析 10
2.3.3处理结果 12
2.4案例四 12
2.4.1空压机电机振动监测和故障诊断 12
2.4.2安装平衡块试重及校正后效果 13
2.5案例五 13
3结束语 14
参考文献 15

1信号分析方法
1.1频域分析方法
频域（频率域）—自变量是频率,即横轴是频率,纵轴是该频率信号的幅度,也就是通常说的频谱图。频谱图描述了信号的频率结构及频率与该频率信号幅度的关系。  
  对信号进行时域分析时，有时一些信号的时域参数相同，但并不能说明信号就完全相同。因为信号不仅随时间变化，还与频率、相位等信息有关，这就需要进一步分析信号的频率结构，并在频率域中对信号进行描述。
1.2频谱图分析方法
信号频谱分析就是利用MATLAB实现快速傅里叶变换的分析的方法，通过DSP数字信号处理器对实时采集到的信号进行FFT运算后实现时域与频域的转换，频谱分析主要分析信号是由哪些频率的正弦信号叠加得到的，以及这些正弦信号的振幅，反映的是频域中各频率分量幅值的大小，适用于非周期信号和持续时间很短的瞬态信号的频谱测量。
2故障实例
2.1案例一
2.1.1故障机器及故障分析
鄂坪水电站1 号机组是由型号为HLD294 － LJ －220 的水轮机和型号为SF38 － 18 /4250 的发电机所组成。额定功率为38 MW，额定转速为333． 3 r /min，上导轴承安装间隙为双边300um，下导轴承安装间隙为双边300um，水导轴承安装间隙为双边320um。机组启动时发现轴承摆度较大，经过多次对轴瓦检查与调整，故障仍不能消除。测量显示，在额定转速下，各轴承的摆度数据如表1 所示。

表一：1 号机组额定转速下摆度数据( 峰峰值) um

图1 1 号机组原始摆度波德图
根据表1 的数据，鄂坪水电站1 号机组上导、下导摆度分别为871um和597um。该值大大超过相应的导轴承间隙300um，因此存在严重的故障。图1 中的上图为相位随转速的变化; 下图为幅值随转速的变化; 实线为通频幅值，虚线为转频幅值。由从图1 可见，随着转速的升高，上导( 下导) 摆度的幅值与转速呈明显的抛物线关系，这就很好地说明了振动幅值与转速的平方成正比的关系，避免了变转速试验带来的繁琐工作，由此可以判断该发电机转子存一定的动不平衡。水导摆度( 未列出) 的幅值虽然呈现随转速升高而升高的趋势，但主要是受下导摆度的影响，只需对发电机转子进行平衡处理，即可明显改善水导的摆度。

图2 额定转速下1 号机组上导摆度的频谱图
由图2 可见，1号机组额定转速上导摆度的频谱主要为1 倍频，反映相应的激振力为工频，振动为强迫振动。这同样也印证了该机组的故障为动不平衡。对此采用了影响系数法进行现场动平衡处理，共在发电机转子轮毂上部配重3 次。配重后，机组的摆度降到优良范围。整个动平衡过程见表2。动平衡后的上导－ X 摆度波德图示于图3。图3 中，实线为通频幅值; 虚线为转频幅值。该图显示，机组摆度随转速升高而升高的趋势已大大减缓。
数据及图表表明: 通过3 次加重，已使机组摆度大幅降低，达到了优秀水平，动平衡效果明显，所采用的分析处理方法准确、迅速、精度高。

表2 1 号机组动平衡过程及摆度数据( 峰峰值) um

图3 动平衡后1 号机组摆度波德图
机组动平衡故障的主要特征通过以上对水轮发电机组现代振动测试与分析技术的阐述及多台机组动平衡故障的诊断处理实践，可以发现，采用现代传感器技术和先进的仪器、仪表及软件技术，可以对水轮发电机组动平衡故障作出快速、准确的诊断。依据长期的诊断和处理实践，可以对水轮发电机组动平衡故障的主要特征归纳总结如下。
(1) 振动、摆度主要表现在发电机转子的轴承上，但对水轮机轴承会产生影响;
(2) 在额定转速条件下振动、摆度的幅值和相位比较稳定;
(3) 在频谱图上，在额定转速条件下，机组的上导、下导轴承的摆度、上机架、下机架径向振动的频谱以1 倍频为主，其分量占比达90%以上;
(4) 在波德图上，机组的上导、下导轴承摆度，上机架、下机架径向振动的幅值随转速上升呈近似抛物线形上升。
2.1.2机组动平衡故障的现场处理
现场通过加重的方式进行动不平衡故障的处理。根据上导、下导摆度或上机架、下机架径向振动的相对大小，额定转速，转子长径比等，可决定加重的端面和大小。大型机组可在轮毂沟中加重，小型机组一般可在转子轮毂上端面或下端面加重。在动平衡中采用影响系数法可很好地兼顾水导摆度的大小，并可在一定程度上综合考虑电磁不平衡的影响。所以，影响系数法实际上也是一种综合平衡法。实践表明，采用影响系数法进行水轮发电机组动平衡故障的处理是完全可行的，该方法具有准确、快速、平衡精度高的特点。
2.1.3分析结论
(1) 采用现代水轮发电机组振动测试与诊断技术进行动平衡故障诊断，具有直观、准确的特点，尤以波德图、频谱图具有较高的实用价值。
(2) 将影响系数法用于处理水轮发电机组动平衡故障，能够做到快速处理，且能兼顾不同的测点和工况，平衡精度高，因此可广泛用于水轮发电机组动平衡故障的处理。
2.2案例二
八钢能源中心动调的煤气风机主要负责为各分厂提供燃烧煤气，用于锅炉燃烧、钢材切割及钢水冶炼等生产主线。能源中心动调共有此类风机6台，此次选用的为2~3#风机。电机型号YB450S2-2，功率355 kW，转速为2 980 r/min；偶合器为调速型液力偶合器，调速范围为1 700~2 920 r/min；风机转子D700-11,叶轮质量300 kg，最高转速2 920 r/min。设备结构分布，见图1。设备自投产以来，运行平稳，各项参数正常。2013 年10月，风机轴承振动值逐渐上升，已达到机组报警值，由于该风机介质为煤气，须严格控制振动幅值，故针对风机进行周期监测，分析故障原因，准备实施检修。

图4煤气风机测点分布图

表3煤气风机检修前各测点振动幅值
2.2.1故障诊断分析
由表3可知，电机和偶合器各测点振动幅值都在设备正常运行标准范围（4.5 mm/s）以内，主要以风机自由端（6号点）轴向和垂直振动幅值超标。接着将通过分析风机的故障频率（图5和图6），来做出最终判断。由风机自由端（6号点）垂直方向的频谱图和时域波形，其振动幅值的最大值出现在频率47.5 Hz，也就是风机的转动频率，且其它倍频不明显，同时在时域波形中，波形规整，类似于正弦波形。初步诊断为风机叶轮不平衡或基础强度不够。

图5 风机自由端（6V）频谱图

图6 风机自由端（6V）时域波形
转子不平衡常见频谱图和时域波形都与图5、图6相似，但常以水平方向振动最明显。此风机为悬臂风机，轴向方向较大可以理解，但查看表3发现其主要是垂直方向振动最大，轴向次之，而水平方向却在正常范围，这一特征给设备故障诊断带来了一些疑问。通过测量其底座位移，发现数据与其轴承座位移量相近。随后停机对风机底座进行加固，焊接加强筋，并对风机底座及外壳中分面螺栓进行坚固，后再次开机到工作转速，振动幅值下降了1.2 mm/s，效果不明显，故排除底座强度不够的原因。通过总结该类风机的历史维护经验，最终判断风机振动报警是由其叶轮动不平衡故障引起。停机对风机叶轮表面进行清理，同时安排技术人员准备进行叶轮动平衡校验。
2.2.2现场动平衡校验
由于年末生产需求，不能安排充裕时间进行风机转子离线动平衡校验，只好考虑对风机进行现场动平衡校验。在充分保证安全的前提下，用眼镜阀隔断风机进出口煤气，并按相关工艺要求对管道用空气进行吹扫置换，煤气浓度检测合格后方可作业。对设备进行现场动平衡校验，当前动平衡理论已经相当成熟，现代动平衡仪普遍采用影响系数法，又称测相平衡法，其步骤为( 以单面平衡为例) : ①首先测转频的振幅和相位; ②加试重; ③测取加试重后的振幅和相位; ④计算出应加的重量和位置。下面着重对配重计算及相位确定两个关键点进行说明。

表4 平衡后风机前后轴承振动数据

图7风机自由端（6v）瀑布图
2.2.3分析结果验证
（1）现场动平衡必须先判断设备为不平衡故障，而此类煤气风机的水平振动小，垂直和轴向却振动大，为不常见故障特征，给设备诊断带来了一定难度。
（2） 现场动平衡校验中试配重选择必须满足：加重前后振动幅值变化率超过10% 或振动相位变化＞15°⑶ 将数学矢量线性特性充分应用到影响系数法实践过程中，可为现场动平衡校验提供理论依据，简化校验过程中出现复杂问题。
2.3案例三
莱钢炼铁厂2#105 m2 烧结机于1995 年建成投产，配套的76 m2电除尘器进行烧结机机尾、带式冷却机、机头布料系统、大烟道放灰系统等粉尘的收集及处理。在除尘器运行过程中，因风机系统出现剧
烈振动导致故障停机，不能与生产设备同步运行，岗位粉尘严重超标。经查找，发现是由风机转子不平衡所致，此故障常规的处理方法是将风机转子拆卸后返厂作动平衡处理。莱钢炼铁厂通过状态检测和故障诊断，现场进行动平衡技术处理，有效缩短了检修时间，降低了维修费用，消除了设备故障。
2.3.1机组技术参数及测点布置
烧结机尾76 m2电除尘器风机为Y4 系列锅炉离心引风机，型号为Y4-73-25D 右旋，流量为218880~359 000 m3/h，压力3 187～3 079 Pa，配用Y500-8 型电机，叶轮直径2 500 mm。机组测点如图8所示。

图8 测点分布示意图
2.3.2 机组振动数据采集及故障分析
定期使用振动检测仪振通904 及设备振动检测诊断系统对风机运行状态进行跟踪检测，建立引风机运行数据库，通过对比数据库中风机各测点的振动量，发现其振动呈现上升趋势，其中测点1 水平振动值由2007 年10 月的9.63 um上升到2009 年1 月的85.32 um，特别是在2008 年11 月至2009 年1 月，其水平振值呈明显上升趋势，超过机组运行报警值。将测点振动值生成测点振动趋势见图2。

图9测点振动趋势
从图9可以看出，测点1 水平振动值上升幅度最大，已达到报警值，遂对其风机振动进行现场检测。得出测点1 水平振动频谱如图10所示，其振动波形如图11 所示。

图10测点1水平振动频谱

图11测点1水平振动波形
从图10、图11中可看出，其工频振值达85.32 um，其波形近似于正弦波，频谱图中谐波分量集中于基频，并且出现较小的高次谐波，使整个频谱呈所谓的“枞树形”。通过分析，判定主要故障为风机转子不平衡：
1）通过测点振动趋势图分析，其测点1 振动值上升幅度大，其他测点振值最大为65.34μm，位于轴承座后轴承，初步判测点2、3、4 振值增大为振动量传递引起。
2） 通过紧固地脚螺栓等措施，未发现地脚松动等现象，排除因机械松动引起故障。
3）通过波形及频谱图分析，其为典型的转子不平衡故障。对此，联系停机，经检查转子无积灰，排除因积灰部分脱落造成风机振动，决定实施现场动平衡解决故障。
2.3.3处理结果
焊接好配重块后，一次试车成功，各测点振动值均很小测点1 水平振动值下降至19.32 um。通过风机故障诊断及现场动平衡的应用，处理了风机转子不平衡故障，确保了烧结机机尾电除尘器的同步运行。成功打破了传统的维修模式，无需拆卸转子外委进行动平衡处理，节省了检修时间。
2.4案例四
某钢铁厂制氧空压机为单轴、离心式压缩机，操作介质为空气，额定转速4398r/min，齿轮传动同电机相连，电机转速1500r/min。机组结构及振动测点分布如图12 所示。

图12 制氧空压机结构及振动测点分布示意图
该空压机电机自2009 年开始投运以来，电机驱动端振动一直接近高限制。2014 年11 月空压机组大修后试车，电机振动如前。后因其他原因更换电气模块停机8h 后，再开机电机驱动端振动值高达150μm，严重超标，机组跳机。随后使用离线振动数据采集仪器进行精确测量和故障分析。
2.4.1空压机电机振动监测和故障诊断
（1）幅值特征
由图13可见， 在空压机组启动后，随着转速的增大，电机振动幅值也是不断增大，尤其以电机驱动端X 方向增幅最大，振动幅值最高达到了150μm，严重超过机组运行报警值。
（2）频率特征
以电机驱动端X 方向测点进行分析，振动频谱图如图14。由图可见，
谐波能量集中于基频，2 倍频及其他倍频非常小，甚至没有。对比基频和通频，基频振动值138μm，超过了通频幅值150μm 的80%，这是转子不平衡的典型特征。同时也看不出明显的半频及低频分量，说明不存在动静部件机械碰磨、松动等。
（3）时域特征
图15 所示为电机驱动端X 方向测点时域波形图，由图可见，测点振动时域波形在一个周期内为典型的正弦波，故障状态下的时域波形较正常运行状态下时域波形振幅增大。通过以上数据分析，基本确定电机振动大是转子存在不平衡造成的。决定立即实施现场动平衡解决故障。

图13空压机组启机过程各振动测点振动趋势图

图14 电机驱动端X 方向测点振动频谱图

图15电机驱动端X 方向测点振动时域波形图
2.4.2安装平衡块试重及校正后效果
停机后， 打开人孔， 将611g 平衡块配重加到280°位置上。封闭人孔，启动电机后，振动值下降为0.8mm/s，一次试车成功。电机驱动端X 方向振动值下降为60μm，振动合格。
2.5案例五
某乙烯厂C401 丙烯制冷压缩机,由美国YOKO 公司生产，于1995 年在厂丙烯腈车间投用。该机组从2001 年8 月大修以来，压缩机的两轴承振动值从检修后的26μm，经过一段时间的运行（约半年）后，渐渐地爬升到37μm，远远地超出了其报警值33μm，在连锁停车值38μm 附近波动，多次意外停车，严重地影响了机组的正常运行。
公司组织人员对此机组进行停车检修。下边的两幅图为停车
前、后轴承上两个测点的波形频谱图，明显可看出主频为工频的现象。现场专家根据现场的实际情况和机组运行的数据图谱做了如下结论：1、转子不平衡。 2、压缩机驱动端轴瓦磨损量较大。3、压缩机存在气隙偏心。4、蒸汽透平与增速器间不对中，并波及到压缩机转子，对其振动产生影响。
图16各测点的波形频谱图和轴心轨迹
机组开盖后，发现驱动端轴瓦间隙为0.11mm，较去年安装时的间隙增大0.04mm；油槽端轴瓦间隙为0.11mm，较去年安装时的间隙增大0.01mm，两相比较，驱动端轴瓦存在较大磨损。检查转子时发现平衡盘存在十分明显的偏磨，中间迷宫密封也存在磨损。后来，转子送沈阳做动平衡，发现转子存在低速不平衡而高速平衡。
通过S8000 系统进行的预知维修，可以在机组开盖前准确预测机组存在的故障原因，从而可以提前为机组的针对性维修进行相关的准备，最终大大缩减机组维修的时间。本次维修，前后只花了10 天时间，非常顺利；机组运行至今，振动值都在11um 以内，运行非常平稳。
3结束语
在现代化生产中，机械设备的故障诊断技术越来越受到重视，近年来故障诊断技术呈现的发展趋势有诊断对象的多样化、诊断技术多元化、故障诊断实时化、诊断监控一体化、诊断方法智能化、监测诊断系统网络化、诊断系统可扩展化。现代机械故障诊断技术正在成为信息、监控、通信、计算机和人工智能等集成技术，并逐渐发展成为一个多学科交叉的新学科。通过以上的案例分析我们可以看出，故障诊断技术对当今无论是企业还是社会都有十分重要的作用和意义。

参考文献
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