振动分析技术在设备故障诊断中应用浅析

电机、泵以及风机等设备均为石油化工生产的重要设备，这些设备一旦发生故障，将对安全生产造成不良影响。因此，加强对这类设备的维护、监测，确保其安全生产具有重大的意义。我和我的同志，通过对振动分析技术的研究，以及对旋转设备自诊断技术应用和实践，在旋转机械故障自诊断技术研究方面取得了一些经验，现介绍给大家，希望得到专家和同志们的批评指正。

一、振动分析技术的发展和实际运用

过去，我们对设备运行维护过程中主要靠传统的听、摸、看等简单手段来判断旋转设备运行的状态好坏。这种感性判断与设备实际运行状态相差很远，设备振动的波形的频谱的变化，不能凭人的听、摸、看检查出来，因此，经常出现一些突发性故障，例如最常见的轴承故障、齿轮故障、叶片脱落及动平衡等故障；使我们常处于一种被动检修状态，使小问题，酿成大事故。特别是化工生产连续性的特点，往往会由于一台设备的损坏处理不及时造成其它设备损坏的连锁反应。给安全生产和检修工作带来繁重的负担。因此，国内外的机械专家和设备管理人员都在寻求一种较好的解决办法，在故障初始状态就能准确判断事故的原因，使设备能够进行预维修，变被动为主动。经过广泛的探索和不断的实践，我们采用了振动分析系统对旋转机械设备进行故障检测。设备的状态监测故障诊断是在机械运行中或基本不拆卸机械结构的情况下，对机械技术状态进行定量测定，通过对所测信号的处理和分析，并结合诊断对象的历史状况，来定量识别机械设备及其零件、部件的实时技术状态，预测机械的异常及未来技术状态，并对故障部位、原因进行分析和判断，及时确定必要对策和最适宜的修理时间。设备状态监测故障诊断技术有利于企业实行现代设备管理；克服维修工作中“过剩维修”及“维修不足”现象，从而达到设备寿命周期内，实现费用最为经济和设备综合效率最高的目标。 对许多中外大型机械的事故分析表明，由于现代化机械设备向大型化、自动化、高精度、高效率、机电一体化等方向发展，其性能与复杂程度不断提高，各部分的关联也越来越大；机械设备相应出现突发性故障率高、停机损失大、维修费用高、维修周期长等一系列特点；为了确保大型机械的正常运行，并使其发挥最佳技术性能，就必须对其进行定期的状态监测和故障诊断。通过一段时间的实践应用，我们不仅掌握了该仪器的操作，而且从中摸索出一些诊断规律和实用技巧，并在实际应用中取得了良好的效果。目前，振动分析技术在对旋转机械设备故障进行诊断中已日臻成熟。

二、设备振动分析的工作原理简介

设备振动信号一般说来很复杂，但从数据处理分类来说，分为确定性信号和非确定性信号。通过对故障诊断实际应用中得出，在旋转机械中，机组的联接及转子存在不对中，不平衡，齿轮箱中轮齿的点蚀、剥落、断齿，滚动轴承中零部件损坏，滑动轴承中存在油膜涡动等等这些常见的故障，其信号都是确定性信号，都有可以用函数关系来描述，即通过理论计算和频谱分析技术均可确定它们的特征频率，从而确定故障的类型和部位。振动分析仪器利用电压加速度传感器将振动信号转换为电信号，对振动信号进行处理和分析，得到设备各种振动量的准确值，进而判断这些设备运转状态是否良好，故障的部位和故障原因，以及检修的方法。为了更好地研究振动分析设备故障诊断技术，首先要对波形理论、机械理论、以及计算机应用等有一定的了解。振动的参数指标很多，经过长期的实践和学习，我们认为时域波谱图、频域波谱图、轴心轨迹图、脉冲指标、峭度指标等对设备的故障分析很有效果。下面就北京利盟腾飞发展有限公司生产的LM8900系统所采集的数据和该公司研制的旋转机械自诊断系统软件，对设备故障进行分析进行论述。

三、基本图谱

1、 时域图谱

时域波形是最常见的工程信号，时域波形直观易于理解，但包含信息量大，不容易看出所包含的时域图谱可对设备整体性能进行评价，通过时域波形图谱可看出设备是否超标和零部件存在的问题。在LM8900系统所采集的时域波形图中给出了“峰值、均值、有效值、峭度指标和脉冲指标五个参量。在采集时，根据旋转设备运行的速度不同，可以选择“加速度、速度、和位移”三种不同的数据类型。

加速度，用于高速旋转设备诊断上，转速在10000rpm以上。以加速度的有效值判断设备运行状态，日本的标准是小于0.5mm/s2为良好状态，但国产设备一般都达不到此要求，经过实践，将其数值放大到1mm/s2;基本上满足要求。由于石油化工生产中转速超过去10000RPM的设备不多，因此，加速度值一般可作为设备故障诊断的辅助数据。

速度，用于中速旋转设备诊断上，转速在600rpm——10000rpm之间；速度的有效值小于4.5mm/s；可以判断该设备运行基本正常，超过11.8mm/s则是危险值，必须停车检修。速度值是最为常用的旋转机械设备故障诊断的值。
位移，用于低转速成设备诊断上，转速在600rpm以下，位移是低转速设备故障诊断的判断依据，0.06mm为危险值，而大于0.1mm则必须进行停车检修。由于低转速设备故障通过其它方法比较容易诊断，因此，位移值一般也只做设备故障诊断的辅助数据。

峭度指标，是一个比较抽象的概念，意义是“随机过程X（T）四阶原点矩；反应了波形中是否有冲击及小组形的尖峭和平坦成度。”近年来，诊断工程师对该指标进行了深入研究后发现，峭度指标是诊断滚动轴承、齿轮和转子上的转动零部件等故障的重要依据，并提出了比较完整理论，即“双浴缸”曲线，旋转机械轴承或齿轮故障在发展过程中，峭度指标在经历第一个平稳过渡后突然上升，然后，再次经历平稳过度，再次突然上升，而此次的突然上升将造成设备的严重损坏 ，所以及时发现第二个浴缸底平面，是解决设备故障的最好时机，也是最后时机。峭度指标是个无量纲，理论上当峭度指标超过3 即说明该设备需进行检修，但实践证明，在不同的情况下，将峭度指标设定为4、5、6为危险值，均可满足使用要求。 [p]

脉冲指标，是一个常见的无量纲，也比较好理解。对于旋转机械设备故障诊断是一个辅助值。

2、频域图

频域图谱可以详细分析旋转机械设备故障存在具体问题，是设备诊断的重要工具。频域图谱和时域图谱可经过快速傅立叶变换来实现相互转换。

四、监测对象及判断故障类型的方法

A、对象

1 转子
2 转子零件
3 基础及附属。

B、判断故障先后顺序：

先机组振动情况，后基础振动情况，
先找转子系统，后找附属部分。

C、诊断旋转机械的故障类型

1 转子系统：

（1）不平衡
（2）不对中
（3）转子组件松动
（4）转子形变（弯曲，裂纹）

2 转子零件：（1）滚动轴承

（2）滑动轴承
（3）齿轮、曲柄连杆机构

3 转子系统（机组）及附属部分：

刚性失稳
润滑油压力是否合适（油膜涡动）
通风系统（降温系统）

D、转子常见故障及特征

五、实际采集与分析

在实际应用过程中，我们测试了辽通公司半贫液碳酸钾溶液泵1107－JA和乙烯公司的火炬气体压缩机GB701A，巧合的是乙烯公司的GB701A压缩机正处于检修的前期，所以成功地采集到了该设备的故障图谱，并为该设备的检修提出了参考意见。 [p]

1、火炬气体压缩机GB701A是，双螺杆容积式泵，相对结构比较复杂。检测时该设备正处于检修前期，通过检测，成功地检查该设备故障的特征谱线，并为检修提供参考依据。下面是对该设备的检测情况。

设备名称：火炬气体压缩机GB701A；
设备编号：GB701A；
测点名称：主螺杆轴承A2；
测点编号：主螺杆轴承A2；
设备功率：25KW；
安装地点：乙烯界区；
采样时间：2005513 09:19:17
数据类型： 速度

测点名称：副螺杆轴伸端A1；
测点编号：副螺杆轴伸端A2；
设备功率：25KW；
安装地点：乙烯界区；
采样时间：2005513 09:19:17
数据类型： 速度

诊断结论：

根据机螺杆压缩机的全面监测振动图谱，我们发现压缩机A部的垂直和水平振动都很大，水平振动更大，我们认为其振动主要原因可能在螺杆A1处，那里可能存在轴承问题及转子平衡问题，建议重点检查和排除，建议尽快更换，以避免大的故障。我们认为该螺杆压缩机存在的故障可能为：

一． 螺杆压缩机轴A处轴承存在大的磨损故障，建议及时解体检查更换。
二． 螺杆压缩机A轴承松动，即轴承跑套，建议螺杆压缩机重点检查该测点轴承。还需要检查螺杆压缩机转子组件是否松动及动平衡是否超差。这个原因可能是整个机螺杆压缩机强烈振动的主要根源。
三． 检查机螺杆压缩机基础，是否松动或共振。

我们建议具体的维检修方案：

一． 检查更换螺杆压缩机A处滚动轴承，重点检查该轴承间隙和是否跑套。
二． 若依然不能解决振动问题，检查螺杆压缩机转子组件和转子动平衡。 [p]

以上诊断意见供检修参考。

检测诊断人员：郑传桥
制表日期：2005-5-14

2、半贫液碳酸钾溶液泵是我集团辽通公司重要的设备之一，为蒸气透平为动力的离心式泵，使用滑动轴承，多年来由于精心维护，使用状况一直处于良好状态，下面是对该设备的诊断情况。

设备名称：半贫液泵；
设备编号：1107-JA ；
测点名称：泵A1；
测点编号：泵A1；
设备功率：35KW；
安装地点：合成生产界区；
采样时间：2005513 10:17:34
数据类型： 速度

诊断结论：

通过对该设备测得的频谱进行分析，从时域图中我们可以清楚地看出，该谱线疏密均匀，没有截波现象，峰值、均值、有效值和峭度指标均在正常范围之内。频域图虽然幅值分布不是均匀的一倍频、二倍频均匀递减速，但有效值低于正常（11.2）的十几倍，因此该设备运转，因此可以判断该设备运行基本正常。

检测诊断人员：郑传桥
制表日期：2005-5-14

通过以上的检测结果，我们可以大体看出来，设备状态监测技术在实际生产应用中所取得的效果。并且，设备状态监测技术还为设备的出厂检验；购置设备的质量验收；设备报废的依据等方面均提供了可靠的依据。

我集团公司设备状态监测技术推广实施的比较早，并取得了良好的效果，实行设备状态监测进行检修后，基本上保障设备安全，减少了恶性事故的发生；保障了设备技术状况，防止突发故障；实施状态维修，节约了续修费用；避免设备事故带来的环境污染；减少故障停机日，实现企业经济效益最大化。

现代化设备诊断技术还包括；振动诊断技术、温度监测技术、油液分析技术、无损探伤技术、噪声测量、压力测量、流量测量等技术手段。