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设备状态监测与故障诊断
培训教材
上海容知测控技术有限公司
目 录
一、 设备状态监测与故障诊断技术概述 4
1.1设备状态监测和故障诊断技术的产生和作用 4
1.2设备状态监测和故障诊断的含义 5
1.3设备维修管理与设备监测诊断的关系 8
1.4振动监测诊断技术 10
二、 设备状态监测的实施 11
2.1设备基本资料 11
2.2设备监测点的选择与标注 12
2.3设备监测周期的确定 13
2.4设备监测信息采集 14
三、 设备振动监测和诊断的理论基础 15
3.1机械振动的分类 15
3.2简谐振动及振动三要素 17
3.3实际振动及振动的时域指标 18
3.4振动的频谱 20
四、 数据采集 23
4.1传感器知识 24
4.2采样 28
4.3信号处理 29
五、设备故障基本分析方法 30
5.1时域分析 30
5.2频谱分析 30
5.3趋势分析、多趋势分析、频率趋势分析 32
5.4瀑布图 34
5.5多时域、多频谱 35
5.6倒谱分析 36
5.7包络解调 37
5.8长时域波形 38
5.9交叉相位 39
5.10轴心轨迹 39
5.11波德图 40
六、设备状态的评价 41
6.1绝对判断标准 41
6.2相对判断标准 45
6.3类比判断标准 45
6.4波峰因素评价法 46
6.5频谱图报警法 46
七、机械设备常见故障振动监测诊断方法 46
7.1不平衡 47
7.2不对中 50
7.3机械松动 52
7.4滚动轴承故障 53
1、设备状态监测与故障诊断技术概述
1.1设备状态监测和故障诊断技术的产生和作用
有三个方面的因素成为设备状态监测和故障诊断技术产生、发展并广泛应用的驱动力,即:流程工业生产的现实需要、测试诊断技术和仪器的发展完善和国家有关的政策。
首先,设备状态监测和故障诊断技术的产生和发展是企业实际需要的结果,主要是设备的安全性、维修成本的压力。20 世纪60 年代以来,随着电子技术和计算机技术的快速发展,工业生产越来越现代化。设备和生产朝着大型化、高速化、自动化、连续化、智能化、环保化等方向发展。一方面设备更加精密复杂,许多故障很难靠人的感官发现,而且有些设备精密复杂,不允许随便解体检查;另一方面设备突发性事故造成的损失越来越大;三是设备的维修成本占总的生产成本越来越大。所以追求设备的高可靠性和最合理的维修方式是企业设备工程管理的必然选择。从技术背景方面看,20 世纪60 年代是计算机技术、电子测量技术和信号处理技术飞速发展的年代,FFT 算法语言的出现,把信号处理分析技术从硬件到软件,推向了全新的高度。此外可靠性工程、零部件失效机理的研究等,都为设备状态监测和故障诊断技术的产生和发展创造了有利条件。20 世纪70 年代以后,设备状态监测和故障诊断技术在发达国家得到了快速推广和发展,特别是美国、英国、日本、德国等国家。
中国从80 年代初期开始引进并应用设备诊断技术,20 年来,此项技术在中国各个行业得到了快速应用和发展,也受到中国政府的重视。李鹏总理在1986 年7 月2 日“第二次全国设备管理、维修工作座谈会”上指出,“应该从单纯的以时间周期为基础的检修制度,逐步发展到以设备的实际技术状态为基础的检修制度。… …这就要求我们采用一系列先进的仪器来诊断设备状况,通过检查诊断来确定检修的项目”。显然,设备的状态监测与故障诊断是现代化管理的技术基础。当前我国的设备维修体制,已开始从早期的事后维修和长期的按计划维修体制,过度到现代的、具有预知性的视情维修(或称状态维修)阶段。
在企业推广设备状态监测和故障诊断技术,可以达到以下目的/作用:
(1) 保障设备安全运行,防止突发事故;
(2) 保证设备工作精度,提高产品质量;
(3) 实施预防维修/按状态维修,节约维修费用;
(4) 避免因设备事故造成的环境损坏和其他危害;
(5) 给企业带来较大的间接经济效益。
1.2设备状态监测和故障诊断的含义
设备状态监测和故障诊断是设备诊断中的两个过程,两者既有密切联系又有区别。
1.2.1 设备状态监测的含义
不断获取设备在运行中或相对于静态条件下的状态信息,通过对这些信息的分析和处理,
并结合设备的历史状况,来定量地掌握设备的技术状态,预测设备寿命,为设备运行和按状态维修提供技术基础。
设备状态信息的获得有很多种方法,其中振动监测和诊断技术是目前较普遍采用的方法
之一。机器内部发生异常时,一般都会伴随着出现异常振动、声音和设备性能的变化。通过对机械振动信息的测量和分析,往往可以不停机或不解体设备就可以对设备劣化的部位和故障的性质做出判断。由于振动测试的技术和仪器都比较成熟,在企业中得到了广泛的应用,产生了大量的经济效益和社会效益。
1.2.2 设备故障
故障是个非常广义的概念。简单地说,设备故障就是设备系统或其中的元件/部件丧失了规定的功能。与故障意义相近的还有一个叫“失效”的概念。失效通常指的是不可修复的对象;故障指的是可以修复的对象。为了对设备故障以更清楚地了解,参考图1-1,
图1-1 设备故障的含义
Ts:为设备缺陷开始出现时间点;Td:为设备缺陷可以被检出时间点;
Tf:为设备故障发生时间点; Tb:故障停机时间点。
设备缺陷刚开始出现时,由于检测技术水平和仪器仪表等因素限制往往难以发现;Td 实
际的位置则取决于是否对设备进行了监测、监测的技术手段和方法、监测人员的素质和能力等等。实际上设备监测的主要任务就是尽早检测出缺陷,并作好从Td 到Tf 之间的监测工作。由图1-1可知,如果设备因性能下降到表现为产量减少或者产品质量下降时,就认为设备故障已经发生,见图中性能临界点。设备故障出现后,如果不采取一定措施,设备性能往往将迅速下降,直到故障停机或发生设备事故。
1.2.3 设备故障的分类
设备故障的分类方法很多,从设备寿命周期看设备故障,可以分为两类:
●先天性故障——是由于设计、制造不当造成的设备固有缺陷引起的故障。对于此类故障必须通过技术改造来改进设备性能。常见的先天性故障有动态性不良,运行时发生迫振、自振或工作转速落入临界转速区;存在应力集中;运行点接近或落入非稳定区;零部件加工制造不良,精度不够;零部件材质不良,强度不够;转子动平衡精度不合乎技术要求等等。
●使用性故障——是由于安装维修、运行操作、设备自然劣化等因素引发的故障。安装维修方面的主要原因有安装不当;零部件错位;轴系对中不良(热膨胀考虑不够);机器几何参数(如配合间隙、过盈量及相对位置)调整不当等等。运行操作方面的原因主要有机器在非设计状态下运行;转子局部损坏或结垢、焊缝开裂、部件脱落;工艺参数不当(介质的温度、压力、流量、负荷),机器运行失稳;润滑或冷却不良;启动、停机或升速过程操作不当,暖机不够,热膨胀不均匀,或在临界区域停留过长等。设备劣化方面的主要原因有机器长期运行,零部件磨损、点蚀或腐蚀;配合面受力劣化、产生过盈不足或松动;转子挠度增大;机器基础沉降不均匀、机壳变形等;机器基础受损,基础的基础软化等。对于此类故障,要研究现有管理规程、操作规程、润滑规定是否合理,要改进不合理的规程、还要研究优化生产工艺和设备运行方式。
严格来讲,设备的先天性故障是人为因素故障,它除了与设计制造者的水平、责任心有关外,还受科学技术发展的阶段性制约。设备投入运行后,精心操作和日常管理成为最主要的人为因素。
1.2.4 设备故障模式
从可靠性的观点看设备故障模式有六种,如图1-2。模式A 是典型