振動監(jiān)測技術(shù)在旋轉(zhuǎn)機械故障診斷中的應(yīng)用

錢強

(云銅股份 冶煉加工總廠，昆明 650102)

隨著旋轉(zhuǎn)機械設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度的提高，旋轉(zhuǎn)機械發(fā)生故障的潛在可能性和方式也在相應(yīng)增加。旋轉(zhuǎn)機械（特別是高速旋轉(zhuǎn)機械）在運行過程中影響因素較多，比如：設(shè)備制造質(zhì)量、使用正確與否、裝配質(zhì)量、潤滑等。故障發(fā)生時，往往最直接的體現(xiàn)就是旋轉(zhuǎn)機械設(shè)備振動發(fā)生了異常變化。因此，針對旋轉(zhuǎn)機械設(shè)備的故障診斷，振動監(jiān)測技術(shù)是最常用、最有效的一種診斷技術(shù)。本文詳細(xì)介紹振動監(jiān)測技術(shù)的原理、應(yīng)用及診斷方法，并結(jié)合企業(yè)近兩年來在狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷方面的應(yīng)用實例，來說明如何在工礦企業(yè)中利用振動監(jiān)測技術(shù)來對旋轉(zhuǎn)機械實施狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷，進而提升設(shè)備管理水平。

1 振動監(jiān)測技術(shù)原理

振動是指物體圍繞某一固定位置來回擺動并隨時間變化的一種運行，在機械設(shè)備的振動監(jiān)測過程中，振動監(jiān)測技術(shù)是一種普遍被采用的基本方法，這是因為，對于機械設(shè)備(特別是旋轉(zhuǎn)機械設(shè)備)來說，振動是普遍的；其次，利用振動監(jiān)測，可以不用停機或解體就能實現(xiàn)對設(shè)備故障的判斷；再次，振動的理論和測量方法比較成熟。其主要分為時域波形分析及頻域波形分析兩種。

1.1 時域波形分析

時域波形分析是通過觀察振動信號的時間歷程，對其信號的周期性及隨機性給出定性評價，可估計設(shè)備所處的技術(shù)狀態(tài)。

一般理念認(rèn)為時域分析不像頻域分析那么有效，但事實上，通過對比時域波形可以判斷出90%的故障特征，在利用時域波形時，要特別注意歪度（是否對稱）及峭度（沖擊特征）的變化。

1.2 頻域波形分析

由于一般工程上所測得的多為時域信號，而為了通過所測得的振動信號觀測了解診斷對象的運行狀態(tài)，往往需要頻域信息；使用最普遍的變換方法為傅里葉變換，利用它將復(fù)雜信號分解為有限或無限個頻率的簡諧分量，把各次諧波按其頻率大小從低到高排列起來就形成了頻譜。

機械設(shè)備故障的發(fā)生、發(fā)展一般都會引起振動頻率的變化，這種變化主要體現(xiàn)在兩個方面：

(1)增出新的頻率成分；

(2)原有頻率的幅值增長。當(dāng)旋轉(zhuǎn)設(shè)備振動信號頻譜出來后，就可以精確地判斷其故障部位及嚴(yán)重程度。

2 典型振動故障的表現(xiàn)形式

對于旋轉(zhuǎn)機械設(shè)備來說，引起振動的原因主要有如下幾種：(1)轉(zhuǎn)子不平衡；(2)軸系不對中；(3)轉(zhuǎn)子摩擦等。

2.1 轉(zhuǎn)子不平衡

轉(zhuǎn)子不平衡是旋轉(zhuǎn)機械中普遍存在的問題，不平衡的轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)時，由于周期性的離心慣性力對轉(zhuǎn)子的激勵作用力，影響轉(zhuǎn)子的平穩(wěn)運轉(zhuǎn)。其故障特征如下：

(1)振動信號的原始時間波形為正弦波形；

(2)振動信號的頻譜圖中，諧波能量主要集中于基頻，即基頻所占的比例很大，其它倍頻成分所占的比例很??；

(3)轉(zhuǎn)子的軸心軌跡呈橢圓形。

2.2 軸系不對中

這也是一種常見的故障方式，對中不良的軸系，不僅會改變轉(zhuǎn)子軸頸上各軸承的相互位置和軸系的工作狀態(tài)，同時也有可能會改變整個軸系的固有頻率。其故障特征如下：

(1)振動信號的原始時間波形為畸變的正弦波形；

(2)徑向振動信號的頻譜圖中，以一倍頻和二倍頻分量為主，軸系不對中越嚴(yán)重，其二倍頻分量所占的比例就越大，多數(shù)情況會超過一倍頻；

(3)軸向振動的頻譜圖中以一倍頻幅值較大，且振動幅值和相位穩(wěn)定。

2.3 轉(zhuǎn)子摩擦

轉(zhuǎn)子摩擦是一個復(fù)雜的過程，一般來說，局部摩擦?xí)l(fā)生在全周摩擦之前，局部摩擦?xí)鸩灰?guī)則的振動，隨著振動的加劇，摩擦性質(zhì)會發(fā)生變化，由局部摩擦向全周摩擦過渡，全周摩擦?xí)?dǎo)致機械的損壞。其故障特征如下：

(1)振動信號的原始時間波形為畸變的正弦波形；

(2)當(dāng)發(fā)生輕度摩擦?xí)r，頻譜中仍然以基頻成分的幅值為主，而高階諧波中的第2、第3階諧波幅值一般并不太高，且第2階諧波幅值必定大于第3階諧波幅值；

(3)在發(fā)生全周摩擦的情況下，轉(zhuǎn)子振動一般會帶有亞異步成分，多為轉(zhuǎn)子發(fā)生摩擦?xí)r的1階固有頻率，高階諧波基本消失。

3 應(yīng)用舉例

基于故障診斷的重要性，分廠近幾年來逐步開展了“點檢定修”的設(shè)備管理模式，利用振動監(jiān)測儀器，對分廠主要旋轉(zhuǎn)類設(shè)備進行狀態(tài)監(jiān)測，取得了很好的效果，下面就具體實例予以介紹。

3.1 艾薩鍋爐給水泵

熔煉分廠艾薩余熱鍋爐給水泵，主要擔(dān)負(fù)向余熱鍋爐汽包供水的功能。該設(shè)備為德國KSB公司進口設(shè)備，共有2臺，在建廠初期為了合理利用余熱蒸汽，2#給水泵驅(qū)動方式為汽輪機驅(qū)動，且為主機運行，后因公司技術(shù)改造，余熱蒸汽用于汽輪發(fā)電，2#給水泵改為電動機（國產(chǎn)）驅(qū)動方式，改造后電動機振動逐漸增加，近年來多次發(fā)生電動機自由端軸承燒損、泵體內(nèi)止推盤和平衡轂?zāi)p過快或斷裂事故，給生產(chǎn)造成極大的影響。

與國內(nèi)多級給水泵相比，KSB給水泵在結(jié)構(gòu)上最大的區(qū)別就是：水泵結(jié)構(gòu)采用了節(jié)流襯套擔(dān)負(fù)滑動軸承功能，靠節(jié)流襯套間隙形成的水膜來潤滑。水泵高速運轉(zhuǎn)時，節(jié)流襯套之間，節(jié)流襯套與平衡轂之間形成水膜，使整個旋轉(zhuǎn)體懸浮運轉(zhuǎn)。襯套之間的間隙是保證水泵安全平穩(wěn)運行的關(guān)鍵，水泵結(jié)構(gòu)圖見圖1（水泵結(jié)構(gòu)圖)所示。工作時，壓力水經(jīng)過平衡轂與節(jié)流襯套間的間隙進入平衡轂與止推盤間形成的平衡壓力腔體，通過止推盤與軸間的節(jié)流口回流到水泵的入口。平衡轂右端受到來自水泵腔體內(nèi)的壓力，左端受到來自平衡壓力腔內(nèi)的壓力，兩端壓力的平衡狀態(tài)是決定整個旋轉(zhuǎn)體軸向平衡狀態(tài)的關(guān)鍵。

圖1 水泵結(jié)構(gòu)圖

故障出現(xiàn)后，點檢人員利用振動診斷儀器，對艾薩2#給水泵進行故障診斷，由于該機組振動較大，運行過程中聯(lián)軸器端面間隙完全消失，明顯是水泵內(nèi)部磨損導(dǎo)致的故障，經(jīng)分析后決定采取振動分析法對2#給水泵進行故障診斷，測點選取部位為電機負(fù)載端軸承，圖2（電機軸向振動時域與頻域波形圖（速度））與圖3（電機徑向振動時域與頻域波形圖（速度））為利用診斷設(shè)備對電動機負(fù)載端徑向、軸向振動波形。

從圖2與圖3可以看出，電機軸承振動有以下特征：

圖2 電機徑向振動時域與頻域波形圖（速度）

圖3 電機軸向振動時域與頻域波形圖（速度）

(1)、振動信號的原始時間波形為畸變的正弦波；

(2)、在徑向振動信號的頻譜圖中，以一倍頻和二倍頻分量為主，軸系不對中越嚴(yán)重，其二倍頻分量所占的比例就越大，多數(shù)情況超過一倍頻分量；

(3)在軸向振動的頻譜分析中，以一倍頻幅值較大，且振動幅值和相位穩(wěn)定。以上3個特征表明電機與水泵之間存在嚴(yán)重的不對中現(xiàn)象?，F(xiàn)場對水泵與電機同心度進行檢查，發(fā)現(xiàn)水泵與電機確實存在不對中現(xiàn)象，并且多次重復(fù)測量電機與水泵之間的徑向同心度，發(fā)現(xiàn)測量數(shù)值不一，百分表讀數(shù)變化大。

同時在每次故障發(fā)生后，電機與泵體間的聯(lián)軸器端面間隙值從預(yù)留的3 mm變?yōu)?，說明水泵旋轉(zhuǎn)體向電機一側(cè)有軸向竄動，電機承受了過大的軸向力導(dǎo)致軸承燒損。

在排除機組同心度調(diào)校問題，即調(diào)校過程中同心度測量數(shù)值不一，可以判定，問題不在檢修調(diào)校方面，問題可能存在于水泵內(nèi)部，結(jié)合水泵結(jié)構(gòu)圖分析，水泵內(nèi)部需要控制的尺寸主要有軸向竄動量與水泵進出口滑動軸承間隙，在更換新的止推盤與平衡轂后對水泵軸向竄動間隙進行測量，數(shù)值及相應(yīng)的位置如下圖4（水泵軸向竄動間隙測量數(shù)值）所示，可以看出，水泵軸向竄動左右相差0.03 mm，在范圍內(nèi)，但上下偏差達(dá)到0.53 mm，數(shù)值嚴(yán)重超標(biāo)。

圖4 水泵軸向竄動間隙測量數(shù)值

針對機組在同心度調(diào)校過程中旋轉(zhuǎn)數(shù)次同一點數(shù)值不同的現(xiàn)狀，可以確定，水泵軸承間隙過大可能是這一事故的主要原因，當(dāng)水泵進口端或出口端滑動軸承間隙超過標(biāo)準(zhǔn)值，會導(dǎo)致盤車過程中，水泵聯(lián)軸器端位置不一，進而導(dǎo)致水泵同心度測量過程中徑向數(shù)值不一致，因為水泵滑動軸承磨損超標(biāo)，也會導(dǎo)致水泵的軸向竄動數(shù)值上下偏差較大。

針對這一診斷結(jié)果，隨后對水泵進行解體檢查，發(fā)現(xiàn)其進口端軸承配合間隙值為：0.52 mm（圓周方向，下同），而出口端軸承配合間隙值為0.18 mm，兩者相差很大，同時，查對配合標(biāo)準(zhǔn)值為0.20 mm～0.35 mm，可以確認(rèn)，造成此次事故的根本原因是：水泵進口端軸承磨損過大，間隙值超標(biāo)。

在更換新備件后，水泵出口平衡轂與節(jié)流襯套間隙為0.18 mm；水泵進口段節(jié)流襯套之間間隙：Φ0.21 mm。安裝水泵頭時，測量平衡轂與止推盤間的間隙值，圓周上各點間隙值最大相差僅0.06 mm，在檢修完畢后，對水泵運行狀態(tài)進行檢測，機組運行良好，振動平穩(wěn)，機組聲音較檢修前有很大的改觀，運行至今，在嚴(yán)格的點檢制度下，沒有發(fā)生電機燒壞的事故。

3.2 75 t循環(huán)流化床鍋爐給水泵

在艾薩鍋爐停產(chǎn)檢修期間，75 t循環(huán)流化床鍋爐負(fù)責(zé)全廠蒸汽的供應(yīng)，自從2010年投產(chǎn)以來，給水泵機組振動基本平穩(wěn)，2011年11月19日定期點檢人員發(fā)現(xiàn)2#給水泵電機自由端振動異常，隨即對其進行精密點檢，測量電機自由端軸承徑向水平振動速度與振動加速度，其時域波形與頻域波形見圖5(給水泵電機自由端徑向振動時域與頻域圖（速度）)與圖6(給水泵電機自由端徑向振動時域與頻域圖（加速度）)所示。

利用振動診斷儀器對電機自由端振動波形加以分析，從圖5分析得出，自由端振動速度有效值為9.27 mm/s，從圖6分析得出，振動加速度有效值為38.41 m/s2，峭度值8.98；從圖5及圖6可以看出，電機自由端速度、加速度幅值嚴(yán)重超標(biāo)且有明顯沖擊信號，經(jīng)與負(fù)載端對比及現(xiàn)場檢查診斷為電機自由端軸承磨損故障，且根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備振動程度、設(shè)備運行速度等判斷，該故障應(yīng)及時處理。

隨即對電機自由端軸承（NU 215）進行解體檢修，見圖7（電機自由端軸承磨損情況圖）所示，可以看出自由端電機軸承有明顯的磨損痕跡，對照標(biāo)準(zhǔn)NU 215徑向原始游隙為0.025 mm～0.075 mm；而測量拆卸下軸承徑向游隙達(dá)到0.105 mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出標(biāo)準(zhǔn)。

在更換游隙合格的新軸承后，機組運行正常，電機自由端振動與聲音明顯好轉(zhuǎn)，其時域波形與頻域波形見圖8（檢修后電機自由端徑向振動時域與頻域圖（速度））與圖9（檢修后電機自由端徑向振動時域與頻域圖（加速度））所示，從圖8分析得出，自由端振動速度有效值為1.13 mm/s，從圖9分析得出，振動加速度有效值為6.05 m/s2，完全在控制范圍以內(nèi)，能夠滿足設(shè)備的安全運行。

4 結(jié)語

圖5 給水泵電機自由端徑向振動時域與頻域圖（速度）

圖6 給水泵電機自由端徑向振動時域與頻域圖（加速度）

圖7 電機自由端軸承磨損情況圖

圖8 檢修后電機自由端徑向振動時域與頻域圖（速度）

圖9 檢修后電機自由端徑向振動時域與頻域圖（加速度）

隨著企業(yè)設(shè)備精細(xì)化管理的發(fā)展，總廠適時提出“點檢定修”的設(shè)備維修管理模式，持續(xù)開展Tn PM管理，這就要求設(shè)備管理人員應(yīng)具備扎實的理論功底與實踐經(jīng)驗。利用先進的故障診斷技術(shù)，采取合理的診斷儀器，制定合理的診斷方法，結(jié)合設(shè)備實際運行工況，對設(shè)備運行中出現(xiàn)的故障進行狀態(tài)分析，在杜絕過量維修以及維修不足方面具有重要的實踐意義。

[1]柏學(xué)恭，田馥林，泵與風(fēng)機檢修[M].北京：中國電力出版社，2008.135-142.

[2]張來斌，王朝暉，張喜廷，樊建春，機械設(shè)備故障診斷技術(shù)及方法[M].北京：石油工業(yè)出版社，2002.201-205.

[3]陳進，機械設(shè)備故障診斷技術(shù)及其應(yīng)用[M].上海：上海高教電子音像出版社，2003.121-125.

[4]師漢民，諶剛，吳雅.機械振動系統(tǒng)—分析·測試·建?！Σ遊M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2001.134-139.

[5]王金福，李富才，機械故障診斷技術(shù)中的信號處理方法：時域分析[J].噪聲與振動控制，2013，33(2)：128-132.

[6]韓寶坤，張文浩，曹曙明，宋靈濤，離心式風(fēng)機蝸殼的振動與聲輻射控制[J].噪聲與振動控制，2013，33(1)：201-203.