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1、设备状态检测与故障诊断,程光友,上海容知测控技术有限公司,一、设备状态监测与诊断技术的基本概念,设备状态监测，是指用人工或专用的仪器工具，按照规定的监测点进行间断或连续的监测，掌握设备运行所处于的状态，有压力、流量、温度、振动与噪声等等。所谓的设备诊断技术，是指在设备运行中或基本不拆卸的情况下，根据设备的运行技术状态，判断故障的部位和原因，并预测设备今后的技术状态变化。,设备状态监测和诊断技术是两项既有区别又密切联系的设备管理技术。设备状态监测和诊断技术是实施状态维修、预知维修的重要基础。可以这么认为，设备状态监测是状态维修的初级阶段，通俗的说，它描述、反应的是设备运行状态的好与坏，而设备诊断
2、技术是状态监测后的识别和判断阶段，能够确定设备“生病”的部位与原因。,设备状态监测的对象一般以重点设备为主。目前，设备状态监测方法主要有两种： (1)由维修人员凭感官和普通测量仪，对设备的技术状态进行检查、判断，这是目前在 机械设备监测中最普遍采用的一种简易监测方法。 (2)利用各种监测仪器，对整体设备或其关键部位进行定期、间断或连续监测，以获得技术状态的图像、参数等确切信息，这是一种能精确测定劣化和故障信息的方法。,二、设备状态检测前期工作,检测对象的确定 检测对象的技术参数 检测对象的历史信息 检测对象监测部位的确定 检测部位的方向 检测工况的选择 检测仪器的选择,1）检测对象的确定,什么
3、是重点设备我们认为，凡是单机停机，处理比较困难，备品备件难以准备，影响整个生产过程的设备，以及影响产品质量的设备即为重点设备，我们应该把握好这类设备的运行状态。一般定义为：a、生产设备关键性（A类）指大型、高速、检修费用昂贵，采用在线监测系统、连续检测（投入费用较大）b、重要性生产设备（B类）采用离线状态监测仪器，配置便携式简易或精密检测分析仪器（数采），定期采集数据进行分析，（投入费用是可以接受的）c、一般性生产设备（C类）采用离线简易检测仪器，定一个标准来进行评判，也是比较普遍采用的一种常规做法。投入费用低，易掌握，便于普及。通常企业采用的比较多的就是c和b,随着计算机及网络技术的发展，国
4、外已经把设备管理上升到企业资产管理范畴，不仅重要、关键设备进行在线监测方式进行状态管理，而且一般设备也采用在线监测方式，从而保证设备状态的准确、及时得到监控。,2）检测对象的技术参数,只有我们明确了设备运行参数，才能够合理的选择传感器的类型，采集器的功能与精度，从而保证不遗漏其特征信息，同时节约投资。 振动参数常用的有A、V、D，三者经积分、微分转换。一般情况，对低频振动用D（小于100Hz）；高频振动用A（大于1KHz）；中频振动用V（101KHz）度量。单位：D-mm、m；V-cm/s、mm/s；A-m/s2、1 g=9.8m/s2,3）检测对象的历史信息,掌握检测对象的历史信息包括安装精
5、度要求，检修及故障处理信息，条件允许的情况下，做诊断工作的人员应该是自己去取得检修及故障处理信息，这对故障诊断能够起到事半功倍的效果。,4）检测对象监测部位的确定,因为我们已经明确了设备运行参数，掌握检测对象的历史信息，我们就顺理成章地把检测部位设置在如下位置： 1：故障发生部位 2：轴承定位部位 3：连接钢性好的部位。当我们确定好检测部位后，一定要做好标记。,5）检测部位的方向,对传动链不是非常复杂的设备，如风机，我们应该尽量采集水平、垂直、轴向三个方向的数据，从而方便我们分析故障的类型，对采用滚动轴承支撑的，非常有必要加上加速度参数的检测，因为滚动轴承故障特征一般在高频率区域。对传动链复杂
6、，机构特殊的设备，原则上要保证传感器安置在设备易发故障的轴承定位部位，一般取轴向。,检测部位的方向,对于单纯的旋转机械，每一个不同的检测方向，对应着不同的故障特征水平方向工频大，一般对应不平衡故障；垂直方向工频大，一般对应松动故障；轴向工频大，一般对应不对中故障；我们做设备故障诊断，不能单纯用谱图去对应故障关系，因为一个故障会对 应许多特征，他们不是一一对应关系，我们要综合分析，用不同的手段和方法去论证,6）检测工况的选择,1）机器运行有不同工况，如轻载与重载、快速与慢速、高压与低压、启动与制动等。在不同的工况条件下机器的振动是不一样的，其振动测量结果也会不同。通常在给机器作定期状态监测与趋势
7、分析时，我们一般选择机器的稳态工况即机器在正常运行时的工况为振动测量工况，若要给机器作故障诊断时，应在现场的条件许可下，我们一般选择能暴露机器故障的工况作为振动测量工况，因为这时记录下来包含有故障信息的振动信号，对以后的频谱分析会有帮助。,经验建议：,低速重载设备，建议在无载荷状态下进行数据采集与保存，这样能够让故障信息“自由释放”出来，特别是时域无量纲分析时，信息更加真实，对高速轻载设备，尽量保证分析数据是在工作状态下采集，这个时候的高频信息反映真实。,7）：检测仪器的选择,工欲善其事 ，必先利其器，对于刚刚接触设备状态监测与故障诊断工作的人员来说，选择适合自己企业、工作性质和应用环境的仪器
8、，这台仪器必须能为后续的工作提供正确的数据、正确的信息，然后才能提到正确的结论。这一步工作是后续工作的基础，基础牢固了，后续工作自然出色。,77）-1：检测仪器的选择,对 各项指标进行详细论证数据采集的正确性、完整性和使用性，分析方法的直观性和可读性，整套系统之间的联系及其稳定性，系统构成的方便性，外部因素影响恢复的方便性等等；机器的工作状态分为稳态和瞬态，稳态下负荷和转速是相对稳定的，需要采集的数据应该以静态数据为主，兼以少量动态数据。静态数据：振动峰峰值、间隙电压、1X、2X矢量、转速、时间标志等特征参数，可以用来制作各种XY关系图和趋势图。,7）-1：检测仪器的选择,瞬态常指开/停车过程
9、，也包括变负荷操作。一般来说，满足开、停车过程数据采集是至关重要的。要具备等时间或者等转速采样功能，在现场仪器要具备“应变”能力不管需要什么形式的数据，都能够准确采集，这个要求并不是每一个仪器厂家都能够做到的，因此，许多商家 可以轻描淡写地介绍自己的系统具有稳态和瞬态数据采集的能力及其响应的分析方法，而回避数据采集的实现方式和具体的指标。,7）-1：检测仪器的选择,要仪器厂家提供详细的技术指标，特别是开、停车过程数据采集的密度（多少组），波特图和极坐标图的分辨率（由多少点组成），1X矢量的获取方式，稳态下频谱的分辨率（多少线），这些可以帮助我们了解产品的内在质量，这也是满足正确故障诊断的基本要
10、求,7）-2：检测仪器的选择,关键性能指标谱线数-400、800、1600、3200、6400采样点数-1024、2048、4096、8192A/D转换位数12、16频率范围是否能够柔性设置数据精度-传感器的精度和仪器能力有关系参数能够自由设置，从而满足各类设备数据采集与诊断的需要,7）-3：检测仪器的选择,检测仪器配套的系统（软件）必须具备数据兼容性与开放性系统必须同时具备分析及管理功能分析方法、手段实用，针对性、目的性强具备方便接入ERP、EAM等系统的能力,专家和学者的关系、作用,博士、教授大多数是学者，不是专家，专家和学者是两个完全不同的概念，专家只能出自现场，职责是解决实际问题，是将
11、理论实践化；学者出自实验室，任务是学术研究，进行理论创新，将实践理论化。专家要求对具体对象特性非常熟悉，特别是对象影响其正常运行的特性，更是要求掌握特别详细，学者要求将诸多特性归纳为共性，最后形成一套理论体系。现场技术人员整天和设备打交道，对设备最了解，因此解决问题的希望在于自己合理使用仪器/系统提供的信息，不能寄托在不了解设备的人身上。仪器/系统只能提供在常规条件下无法获取的设备信息，而不能提供完整的解决方案，虽然目前有辅助诊断系统，但当前要达到实用程度还有一定差距，如果过分夸大或者依赖仪器的能力，而忽视人的主观能动性，是不正确的故障诊断思路,三、设备状态检测的实施,A：“定周期”B： “定
12、人”C： “定部位”D： “定参数”E：设备状态评估,A：“定周期”,任何事物的变化过程都是由量变到质变的，设备的状态检测，贵在坚持，因此检测“周期”必须保证。在状态检测前期，我们应该适当把检测周期缩短，对比较关键、易发故障的设备，尽量保证一周2次，其监测过程大约一年。数据采集器应该采用带数据数据库管理功能，频谱记录分析软件的仪器。,B： “定人”,设备状态检测，一般都采用离线数据采集器，因此数据的真实性，在很大程度上也取决于检测人员的综合素质，从事该工作应该有比较强的责任心，因为离线检测仪器的传感器与被检测的设备是分离的，其位置发生改变，得到的数据会有很大区别，为了保证分析结果的可信度，数据
13、检测应该由“专人”负责，即“定人”。,C： “定部位”,现在做设备诊断工作的同志，往往认为对一台设备检测部位越多越好，通过几年工作的积累，我认为在该工作刚刚起步阶段，这个观点是成立，但是当数据积累到一定时候，我们就可以找出最能反应该设备运行状态的参数与部位，从而合理的选择检测“部位”，能够“定部位”。为什么现在很多同志对在线监测失去信心，很大程度上是因为监测“部位”与监测“参数”选择不合理，造成分析可信度降低，投入了比较大的投资，没有预期的效果。,D:定参数,（参数）频带设置原则上是应保证机器振动的所有特征频率信号都能记录下来，请注意二点： 1、 必须通过计算，了解被测设备的特征频率，包括转频
14、、倍 频，以及发生故障时的特征频率、叶频、齿轮啮合频率、滚动轴承固有频率等。 2、合理选择传感器和检测仪器，注意它们的频响范围是否与被测机器特征频率相匹配。 如：有时一台机器特征频率在1KHz以下低频段，但其滚动轴承或齿轮的故障信号又在1KHz的高频段。为了频谱分析时的需要，对这些测点频带可分两次设置。一次设在1KHz内。另一次设在5KHz，这样我们就可得到两次测试结果的频谱图，可以分别看出它在不同频带上的特征频率信号。,E：设备状态评估,设备状态评估，是设备故障诊断的基础。 我们对设备进行定期、定人、定部位检测，唯一的目的就是为了了解与掌握其运行状态正常、异常，有序的对设备进行维护处理。在现
15、阶段，我们应该通过简单的趋势分析、瀑布图等手段，大力推进设备状态评估基础工作。设备状态监测所用的仪器比较简单便宜，易于掌握，对人员素质要求不高，适合车间基层一级来组织实施，能够实现全员性，从而带动整个行业水平的提高。趋势分析是量的变化，瀑布图反应的是谱图结构的变化，如果我们日常工作能够准确掌握，就能够避免突发性事故。,四、故障诊断,故障诊断不仅要检查设备是否正常还要对设备故障的原因，部位以及严重程度进行深入分析做出判断，故它又称为精密诊断。,在设备故障诊断中，应用最多的技术是振动分析方法。其原因主要是：1、 在设备管理过程中，振动是设备的一项主要性能指标，振动强弱直接和故障相关，大型机组尤其如
16、此，机组振动超标对安全生产和企业经济效益影响很大。2、 在诊断技术上振动监测相对易于实现，且振动信息量大，检测技术比较成熟、监测手段比较多，易于得到故障诊断结论。振动信号作为一种动态数据，对其进行信号处理所得到的结论具有普遍适用的意义，其它许多与振动不同的物理现象都可按同样的方式加以描述和阐释。由于振动是一种普遍现象，振动理论内容十分丰富，因此受到人们普遍应用。,振动形式的描述,机械设备总是不可避免地会产生振动，除特殊需要，过大的振动是有害的。为了说明振动的特点，采用了多种描述方式。,时域描述：,1、 有两种表示方式，即振动波形和轴心运动轨迹。其中时域描述，可直观地了解振动随时间的变化情况，而
17、轴心运动轨迹则反映转轴在轴承中的横向运动情况，能粗略地估量振动平稳与否及对称程度。,频域描述：,将振动幅值、相位、能量情况按频率排列，有利于分析故障原因。,幅值描述：,现场主要采用峰值、峰峰值、有效值等概念来反映振动幅值的大小，其中又有位移、速度、加速度等不同振动量之分。位移峰峰值主要用来考核设备间隙的安全性。速度有效值用以反映振动能量的大小或破坏能力，是判断振动状态的主要指标。加速度峰值则和冲击相关联。,除上述三种主要描述方式外，还可将它们进行综合组合，以适应诊断工作的需求。,振型：,即按轴向位置将同一方位的同频振幅相连获得的振型曲线，用以估算转子与固定部件之间的内部间隙并估算转轴的“节点”
18、位置。,瀑布图：,将频谱按采集时间的顺序排列而成，用以观测开停车振动成分的变化情况。,极坐标图（奈魁斯特图）及波德图：,描述振幅相位随转速变化过程以极坐标表示即极坐标图，以直角坐标表示即波德图。其作用和瀑布图类似，主要用以确认共振频率。,全息谱图：,即将在空间相距 90 度的二同频率振动合成的轨迹按频率顺序排列得到的图形，用以全面了解设备振动情况，对故障诊断能起到很好作用,要做好设备诊断工作，我们非常有必要对 频谱结构与故障特性之间的关系有一个明确的界定：,带滑动轴承的机械的频谱特点,带滚动轴承的机械的频谱特点,滚动轴承故障的诊断,1：轴承每一种零件有其特殊的故障频率。2：随着故障发展，它的幅
19、值增加，并有谐波；谐波两边产生边频。3：还可用非频率域的诊断方法，如共振解调,齿轮故障的诊断,1：齿轮啮合频率GMF等于齿数乘以齿轮转速频率。2：齿轮啮合频率两边有边频，间距为1X。3：随着齿轮故障发展，边频越来越丰富，幅值增加。4：可用倒频谱作进一步分析。,齿轮频谱特点,精密诊断的方法,频谱分析法 每种故障有其对应的特征频率。据此确定机器的故障性质和严重程度。趋势分析法、频谱趋势分析法振动的通频幅值或特征频率幅值，随故障的发展而增大。据此判定机器的健康状态，并推测其寿命。,强迫振动类故障,自激振动类故障,转动机械常见故障的频率特征,诊断实例,B30#检测报告（一）,测点信息测点路径：大型厂设
20、备部机械专检站302500326(B线精轧机)22600101630#辊箱采样时间：2003-05-19 13:32:21运行转速：5600转 / 分采样频率：12800赫兹,时域波形,幅值谱,瀑布图,从谱图结构上可以看到156.3Hz调制信号，故障特征就是存在该频率的零部件，可以判断是轴承故障！望及时处理！,B30#检测报告 （二）,测量信息所属部门：设备部机械专检站设备编号：302500326(B线精轧机)测点编号：22600101630#辊箱采样时间：2003-05-22 13:18:48测量值：217.90 m/s2,幅值谱图,包络谱图,通过解调后，从谱图上看， 以187.5Hz为主要
21、频率，可以判定问题出现在锥箱输出轴（上辊），从更换下来的辊箱看，由于该轴上存在着轴承损坏隐患，导致辊箱上轴转动不灵活，希望密切注意。,基本情况介绍,大型厂精轧机增速箱结构图,图中AF为圆柱滚子轴承，G、I为深沟球轴承，H为四点轴承。双数轴为输出轴，转速为4500转/ 分。根据该设备结构定义巡检计划，规定对轴承G和I每隔7天，参数选择速度与加速度，A轴承用加速度参数，G轴承用速度参数，方向均为轴向（测点位置选择是根据：一是设备安装位置限制，方便检测，二是通过反复检测结果，发现这个位置信号反应最强烈）。,经过近两年的量化点检工作，积累了设备大量的运行状态数据，并且根据监测结果，指导了该设备2001
22、年7月10日和7月16日两次维修，避免了事故的发生，基本实现了该类设备的预知维修。,图4 轴承A测点状态趋势图,图4为轴承A测点从2000年12月5日到2002年5月21日期间振动加速度信号测量值趋势图，其中报警线的设置为：一级报警值为20（m/s2）；二级报警值为40（m/s2）；三级报警值为80（m/s2）。,在2001年6月22日，轴承A出现振动异常（对应图4中点1），其测量值超过预设一级报警线，出现该情况后，调整该设备点检计划，进行重点跟踪。7月10日，该轴承振动明显加剧，测量值超过预设三级报警线（对应图4中点2）。,图4 轴承A测点状态趋势图,在其频谱图（如图5所示）中出现明显的故障
23、信号调制现象，其频率为双数轴旋转频率75.60HZ，频谱图中以轴承D的滚动体频率、内圈频率及倍频为主要成份，峭度指标达5.82，根据上述情况，判断轴承A或者D发生内圈故障。,图5 2001年7月10日轴承A测点振动加速度信号频谱图,对该设备进行停机修理，设备解体后发现：A轴承内圈已经剥落近四分之三，而且滚动体也同时出现剥落现象，更换轴承后设备恢复6月22日前的运行状态。7月16日上述情况再次发生（对应图4中点3），而且振动测量值超过7月10日，这个时候我们就没有要求监控运行，明确提出是轴承出现内圈故障，必须立即停机检修。,图4 轴承A测点状态趋势图,图6 7月16日轴承A测点加速度信号谱图,诊
24、断验证,解体后，我们发现A轴承内圈剥落20mm左右，通过两次经验的积累，我们认为：只要出现上述频谱特征，故障就会是轴上轴承出现故障，也为我们诊断类似故障提供了一个有力的判据。,2002年6月26日，现场维护人员在例行点检监测时发现10号轧机声音异常，而且振动值比以往高，通知有关技术人员，到现场进行检测、分析诊断，如图：,测量信息采样时间: 2002-06-26 15:44:53所属部门: 设备部机械专检站设备编号: 302500215(10#水平轧机)测点编号: 220001011减速机一轴测 量 值: 8.9 mm/s检测人员: 程光友,时域波形,通过谱特征及该设备历史情况分析，设备存在很大
25、的共振现象，初步认为问题是某一部件松动，于是要求在交接班时间必须停机检查，发现一轴轴承座（非定位端）联结螺栓已经全部松动，紧固后，从时域波形上就没有了密集的波形特征，共振现象消失，运行正常。见下图：,幅值谱图,测量信息采样时间: 2002-06-26 16:38:39所属部门: 设备部机械专检站设备编号: 302500215(10#水平轧机)测点编号: 220001011减速机一轴测 量 值: 1.8 mm/s,时域波形,幅值谱图,经验及体会,设备故障诊断过程中，我们非常忌讳用某一个频率刻意去对应某一部件的特征频率，就匆忙下结论，而应该用不同的方法和手段去认证该频率的属性。目前，我们想完全从幅值谱图上得到设备的运行状态信息，对具体设备做出及时诊断会受到一定的制约，原因是我们没有正确完整的轴承参数，检测仪器的分辨率决定你不可能在谱图上找到你计算出来的频率，那么，我们必须采用目前已经成熟的分析诊断技术，利用不同的手段，从不同的角度来论证我们的分析判断，如；利用包络技术，我们可以从高频中，提取低频信号，从而帮助我们找到引发故障的具体部件，采用倒谱分析，确定低频及冲击信息。,谢谢大家,2004年11月,
