大型旋转机械状态监测与故障诊断讲义全.doc

大型旋转机械状态监测与故障诊断讲义市创为实技术发展二00五年十二月目 录第一节状态监测与故障诊断的基本知识一、状态监测与故障诊断的意义4二、大机组状态监测与故障诊断常用的方法41．振动分析法42．油液分析法53．轴位移的监测54．轴承回油温度与瓦块温度监测 55．综合分析法5三、有关振动的常用术语51．机械振动52．涡动、进动、正进动、反进动、弓状回转63．振动的基本参数—振幅、频率、相位64．相对轴振动、绝对轴振动、轴承座振动95．径向振动、横向振动、轴向振动96．刚度、阻尼、临界阻尼97．临界转速108．刚性转子、挠性转子109．挠度、弹性线、主振型、轴振型1010．通频振动、选频振动、工频振动1111．谐波、次谐波1112．同步振动、异步振动、亚异步振动、超异步振动1213．共振、高次谐波共振、次谐波共振1214．简谐振动、周期振动、准周期振动、瞬态振动、冲击振动、随机振动1215．自由振动、受迫振动、自激振动、参变振动1316．高点、重点1417．同相振动、反相振动1518．机械偏差、电气偏差、晃度1519．旋转失速、喘振1620．半速涡动、油膜振荡17第二节状态监测与故障诊断的基本图谱18一、常规图谱181．机组总貌图182．单值棒图193．多值棒图194．波形图205．频谱图236．轴心轨迹图237．振动趋势图258．过程振动趋势图289．极坐标图2810．轴心位置图2911．全息谱图29二、启停机图谱301．转速时间图302．波德图313．奈奎斯特图324．频谱瀑布图345．级联图34第三节故障诊断的具体方法与步骤35一、故障真伪的诊断351．首先应查询故障发生时生产工艺系统有无大的波动或调整352．其次应查看探头的间隙电压是否真实可信373．应查看相关的运行参数有无相应的变化394．应察看现场有无人可直接感受到的异常现象40二、故障类型的诊断421．振动故障类型的诊断421.1主要异常振动分量频率的查找步骤与方法431.2 根据异常振动分量频率进行振动类型诊断452．轴位移故障原因的诊断47三、故障程度的评估48四、故障部位的诊断50五、故障趋势的预测51第一节状态监测与故障诊断的基本知识一、状态监测与故障诊断的意义故障是指机械设备丧失了原来所规定的性能和状态。

通常把机械设备在运行中所发生的状态异常、缺陷、性能恶化、以与事故前期的状态统统称为故障，有时也把事故直接归为故障而大机组的故障诊断，则是根据对大机组进行状态监测所获得的信息，结合机组的工作原理、结构特点、运行状况，对有可能发生的故障进行分析、预报，对已经或正在发生的故障进行分析、判断，以确定故障的性质、类别、程度、部位与趋势，对维护机组的正常运行和合理检修提供正确的技术支持大型旋转机械由于功率大、转速高、流量大、压力高、结构复杂、监控仪表繁多、运行与检修要求高，因此在设计、制造、安装、检修、运行等诸多环节上稍有不当，都会造成机组在运行时发生种种故障大型机组本身价格昂贵，其故障停机又会引起整个生产装置的全面停产，会给企业、社会、国家造成巨大的经济损失因此，认真做好大机组的状态监测与故障诊断工作，对避免恶性事故的发生、降低故障停机次数、缩短故障停机检修时间、减少企业的经济损失是十分有益的二、大机组状态监测与故障诊断常用的方法1. 振动分析法振动分析法是大机组状态监测与故障诊断所使用的主要方法振动分析法是对设备所产生的机械振动（对大机组来说，主要是是转子相对于轴承的振动）进行信号采集、数据处理后，根据振幅、频率、相位与相关图谱所进行的故障分析。

一方面，由于在大型旋转机械的所有故障中，振动故障出现的概率最高；另一方面，振动信号包含了丰富的机械与运行的状态信息，它既包含了转子、轴承、联轴器、基础、管线等机械零部件运行中自身状态的信息，又包含了诸如转速、流量、进出口压力以与温度、油温等影响运行状态的信息；第三，振动信号易于拾取，便于在不影响机组运行的情况下实行监测和诊断因此，振动分析法是旋转机械故障诊断中运用最广泛、最有效的方法，同时也是大机组故障诊断的主要方法采用振动分析法，可以对旋转机械大部分的故障类型进行准确的诊断，如转子动不平衡问题、转子弯曲、轴承工作不良、油膜涡动与油膜振荡、转子热不对中、动静件摩擦、旋转失速与喘振、转轴的横向裂纹、机械松动、结构共振等等2. 油液分析法油液分析法是对机组在用润滑油的油液本身与油中微小颗粒所进行的理化分析通过对润滑油的粘度、闪点、酸值、破乳化度、水分、机械杂质、液相锈蚀试验、抗氧化安全性等各种主要性能指标的检验分析，不仅可以掌握润滑油本身的性能信息，而且也可以了解到机组轴承、密封的工作状况尤其是对油液中不溶物质，主要是微小固体颗粒所进行的铁谱分析、光谱分析、颗粒计数，可以识别油液中所含各种颗粒的化学成分与其浓度、形貌、尺寸，从而对润滑、特别是轴承合金、轴颈、浮环、机械密封的动静环、油封、油檔、等摩擦付的磨损状态进行科学的分析与诊断。

因此，油液分析法也是大型旋转机械故障诊断中的一个重要方法3. 轴位移的监测在某些非正常的工况下，大型旋转机械的转子会因轴向力过大而产生较大的轴向位移，严重时会引起推力轴承磨损，进而发生转子（如叶轮）端面与隔板或缸体摩擦碰撞；汽轮机在启动和停车过程中，会因转子与缸体受热和冷却不均而产生差胀，严重时会发生轴向动静摩擦尽管转子轴位移故障的概率不是很高，但也常有发生，特别是一旦发生后对设备造成的损坏往往是灾难性的所以，对轴位移进行状态监测和故障诊断很有必要4. 轴承回油温度与瓦块温度的监测检修或运行中的操作不当都会造成轴承工作不良，从而引起轴承瓦块温度与轴承回油温度升高，严重时会造成烧瓦所以对轴承回油温度、瓦块温度进行监测也很必要API （美国石油协会标准）规定，轴承进出口润滑油的正常温升应小于28℃，轴承出口处的最高油温应小于82℃另外，用铂电阻在距轴承合金1mm处测量瓦块温度时，一般不应超过110～115℃由于温度的反映往往滞后，具体的测量方法与测量位置等又各不一样，因此应具体情况具体分析5. 综合分析法在进行实际的大机组状态监测与故障诊断时，往往是将以上各种方法连同工艺与运行参数的监测与分析一起进行综合分析的。

三、有关振动的常用术语1. 机械振动机械振动是物体相对于平衡位置所作的的往复运动通常用振动的基本参数、即所谓的“振动三要素”— 振幅、频率、相位加以描述例如，机器箱体的颤动、管线的抖动、叶片的摆动等都属于机械振动2. 涡动、进动、正进动、反进动、弓状回转涡动是转动物体相对于平衡位置所作的旋转运动旋转机械转子的实际运动状态是，一方面绕着本身的轴线旋转（自转），另一方面整个轴线又绕着某一平衡位置同时在做旋转运动（公转）转子实际上是做旋转状的涡动，并不是往复状的机械振动由于这种涡动在径向上所测得的振幅、频率、相位在数值上与机械振动一样，因此可以沿用机械振动的许多成熟的理论、方法，所以旋转机械转子的涡动通常仍然称作振动但是，在研究大机组转子的振动时，不应该忘记转子的振动实际上是涡动的这一基本特点由于转子是在自转的同时、进一步在作公转，所以涡动也称为进动正进动是指涡动方向与转子旋转方向一样的涡动反进动是指涡动方向与转子旋转方向相反的涡动由于不平衡等其它力矩的作用，旋转状态下挠性转子的轴线并非是直线，而是呈弓状弯曲的形状，因此转子的涡动又被形象地称作弓状回转3. 振动的基本参数—振幅、频率、相位a）振幅振幅是物体动态运动或振动的幅度。

它是振动强度和能量水平的标志，也是评判机器运转状态优劣的一个主要指标振幅的量值可以表示为峰－峰值（P－P）、单峰值（0－P）、有效值（rms）或平均值（Average）峰－峰值是整个振动历程的最大值，即正峰与负峰之间的差值；单峰值是正峰或负峰的最大值；有效值即均方根值只有在纯正弦波的情况下，单峰值等于峰－峰值的1/2，有效值等于峰值的0.707倍，平均值等于峰值的0.637倍；平均值在振动测量中很少使用振幅分别采用振动的位移、速度或加速度值加以描述、度量，三者可以通过微分或积分进行换算在振动测量中，除特别注明外，振动位移的量值为峰－峰值，单位是微米[μm]或密耳[mil]；振动速度的量值为有效值，单位是毫米/秒[mm/s]或英寸/秒[ips]；振动加速度的量值是单峰值，单位是重力加速度[g]一般认为，在低频围，振动强度与位移成正比；在中频围，振动强度与速度成正比；在高频围，振动强度与加速度成正比也可以认为，振动位移具体地反映了动、静间隙的变化，振动速度反映了能量的大小，振动加速度反映了冲击力的大小所以，在工厂的实际应用中，大机组转子相对于轴承的振动用振动位移的峰－峰值表示，大机组轴承箱与缸体、中小型机泵的振动一般用振动速度的有效值表示，某些滚动轴承与齿轮的振动用振动加速度表示。

振动烈度是我国与国际振动标准的通用术语，是描述一台机器振动状态的特征量，无论各标准对振动测量与评定方法做了怎样的规定，几乎都用振动速度的均方根值进行度量（大机组除外）因此，对一般转动设备，只有振动速度才有振动标准可参照，才能对机器运转状态的优劣进行评定右图为中石化旋转机械振动标准SHS 01003-2004关于机器振动烈度的评定等级表其它我国与国际振动标准关于机器振动烈度的评定等级也大致如此其中，根据输出功率、机器－支承系统的刚性等将旋转机械分为如下4类：Ⅰ—小型转机，如15 kW以下的电机；Ⅱ—安装在刚性基础上的中型转机，功率在300 kW以下；Ⅲ—大型转机，机器－支承系统为刚性支承状态；Ⅳ—大型转机，机器－支承系统为挠性支承状态当支座的固有频率大于转子轴承系统的固有频率时，机器－支承系统为刚性支承状态；当支座的固有频率小于转子轴承系统的固有频率时，机器－支承系统为挠性支承状态对大机组而言，没有权威的振动评定等级标准，但根据权威的API标准规定，转子振动位移的峰－峰值不应超过A 值（A=25.4√12000/N，N为最续工作转速）或25.4μm，取二者之中的较小值b) 频率周期T是物体完成一个振动过程所需要的时间，单位是秒 [s] 。

例如一个单摆，它的周期就是重锤从左运动到右，再从右运动回左边起点所需要的时间频率f是物体每秒钟振动的次数，单位是赫兹 [Hz] 频率是振动特性的标志，是分析振动原因的重要依据频率与周期互为倒数，f＝1 / T各种不同类型的故障所引起的振动都有各自的特征频率例如，转子动不平衡的振动频率是工频，齿式联轴器（带中间齿套）不对中的振动频率是二倍频，油膜涡动的振动频率是0.5倍频，等等通过对振动频率成分的查找，可以探索构成振动激振力的来源，有助于对机器进行故障类型的判别但是反过来，某种振动频率可能和多种类型的故障有关联例如，动不平衡的特征频率是工频，但不能说工频高就是发生了动不平衡，因为某些轴承与对中不良等的振动频率也是工频因此，振动频率和振动故障的对应关系并不是唯一的为了得到正确的诊断结论，需要对各种振动信息进行综合分析对旋转机械而言，转子的转速N、角速度ω都可以看作频率，称为旋转频率、转速频率，或N、ω、f不分，都直接简称为频率，相互换算关系为：f = N /60＝ω/2π，其中转速N为转/分钟[r/min]，角速度ω为弧度/秒[rad/s。