旋轉(zhuǎn)機(jī)械智能診斷分析

鐘灼均 東方電氣（成都）工程設(shè)計(jì)咨詢有限公司

振動(dòng)設(shè)備的故障診斷，主要以振動(dòng)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)分析為主，實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)設(shè)備振動(dòng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、管理和分析，以便及時(shí)采取有效措施，提高設(shè)備的安全可靠性，保證安全生產(chǎn)。

引起設(shè)備振動(dòng)過(guò)大的原因很多，對(duì)于一些使用滾動(dòng)軸承的設(shè)備，常見(jiàn)的故障原因包括軸承磨損或損壞、聯(lián)軸器不對(duì)中、安裝缺陷等，對(duì)于使用滑動(dòng)軸承的設(shè)備，例如汽輪機(jī)，常見(jiàn)的故障原因有：轉(zhuǎn)子不平衡、軸彎曲、油膜渦動(dòng)、油膜振蕩、機(jī)械松動(dòng)、摩擦、軸裂紋等等。針對(duì)上述常見(jiàn)故障，常用的診斷方式是頻譜分析。

一、故障診斷的常用圖譜及分析

（一）伯德（Bode）圖

伯德圖是反映機(jī)械振動(dòng)幅值、相位隨轉(zhuǎn)速變化的關(guān)系曲線。從圖形我們可以得到以下信息：

（1）轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在各種轉(zhuǎn)速下的振幅和相位；

（2）轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速；

（3）轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的共振放大系數(shù)；

（4）轉(zhuǎn)子的振型；

（5）系統(tǒng)的阻尼大??；

（6）轉(zhuǎn)子是否發(fā)生了熱彎曲。

伯德圖在故障診斷中，常用于汽輪機(jī)啟停階段的數(shù)據(jù)分析。對(duì)于此分析圖實(shí)際需要電渦流傳感器測(cè)量軸的振動(dòng)數(shù)據(jù)，鍵相傳感器測(cè)量相位數(shù)據(jù)以及轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)速。

（二）軸心軌跡圖

軸心軌跡一般是指轉(zhuǎn)子的軸心相對(duì)于軸承座在與軸線垂直的平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡。通常，轉(zhuǎn)子振動(dòng)信號(hào)中除了包含由不平衡引起的基頻振動(dòng)成分之外，還存在由于油膜渦動(dòng)、油膜振蕩、氣體激振、摩擦、不對(duì)中、嚙合等等原因引起的分?jǐn)?shù)諧波振動(dòng)、高次諧波振動(dòng)等等各種復(fù)雜的振動(dòng)成分，使得軸心軌跡的形狀表現(xiàn)出各種不同的特征。

軸心軌跡是電廠汽輪機(jī)故障分析中不可或缺的手段，對(duì)于此分析圖實(shí)際需要互成90 度的電渦流傳感器分別從2 個(gè)方向測(cè)量軸的振動(dòng)，鍵相傳感器測(cè)量相位。

（三）軸心位置圖

軸心位置圖用來(lái)顯示軸中心相對(duì)于軸承中心的位置。這種圖形提供了轉(zhuǎn)子在軸承中穩(wěn)態(tài)位置變化的觀測(cè)方法，用以判別軸是否處于正常位置。當(dāng)軸心位置超出一定范圍，則說(shuō)明軸承處于不正常工作狀態(tài)，從而可以判斷轉(zhuǎn)子的對(duì)中好壞、軸承的標(biāo)高是否正常，軸瓦是否磨損或變形等等。如果軸心位置上移，則預(yù)示著轉(zhuǎn)子不穩(wěn)定的開(kāi)始。通過(guò)對(duì)軸頸中心位置變化的監(jiān)測(cè)和分析，可以預(yù)測(cè)到某些故障，為故障的防治提供早期預(yù)報(bào)。

軸心位置圖同樣是電廠汽輪機(jī)故障分析中重要的手段，對(duì)于此分析圖實(shí)際需要互成90 度的電渦流傳感器分別從2 個(gè)方向測(cè)量軸的振動(dòng)，鍵相傳感器測(cè)量相位。

（四）機(jī)械振動(dòng)和頻譜分析

機(jī)械振動(dòng)是指物體圍繞其平衡位置附近來(lái)回?cái)[動(dòng)并隨時(shí)間變化的一種運(yùn)動(dòng)。機(jī)械振動(dòng)通常以其幅值、周期（頻率）和相位來(lái)描述，它們是描述振動(dòng)的三個(gè)基本參量。

頻譜分析的基礎(chǔ)是快速傅里葉變換（FFT）。將頻率不同的兩個(gè)以上的簡(jiǎn)諧振動(dòng)合成便形成一個(gè)復(fù)合振動(dòng)，這種復(fù)合振動(dòng)是非簡(jiǎn)諧的，但仍然是周期性振動(dòng)。反過(guò)來(lái)，任何周期性振動(dòng)又可以分解成若干個(gè)簡(jiǎn)諧振動(dòng)，分解使用的數(shù)學(xué)工具就是傅里葉變換。

二、案例分析

案例一：

某廠，在運(yùn)行過(guò)程中，集控室VMS 上位機(jī)出現(xiàn)#2 爐一次風(fēng)機(jī)B 振動(dòng)測(cè)點(diǎn)報(bào)警，隨后采集此風(fēng)機(jī)水平及垂直測(cè)點(diǎn)的頻譜圖進(jìn)行分析（均以頻譜以1 倍頻及其諧波為主要成分），此風(fēng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速為1493 RPM。從水平測(cè)點(diǎn)頻譜圖上發(fā)現(xiàn)風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)端水平方向的振動(dòng)總量達(dá)到43.48mm/s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)的要求。從垂直測(cè)點(diǎn)頻譜圖上風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)端垂直方向的振動(dòng)總量達(dá)到20.93mm/s，也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

初步診斷及建議：

1）結(jié)合交叉通道相位測(cè)試，經(jīng)分析認(rèn)為主要原因是風(fēng)機(jī)負(fù)荷輸入端軸承座松動(dòng)，其次是轉(zhuǎn)子存在一定的不平衡量。

2）建議盡快停機(jī)檢修，首先處理風(fēng)機(jī)負(fù)荷輸入端軸承松動(dòng)問(wèn)題，然后根據(jù)振動(dòng)情況再解決轉(zhuǎn)子不平衡問(wèn)題。

該臺(tái)風(fēng)機(jī)經(jīng)過(guò)檢修后，驅(qū)動(dòng)端水平方向的振動(dòng)總量下降到4.95mm/s。

同樣，風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)端垂直方向的振動(dòng)總量下降到1.10mm/s。

案例二：

某電廠，運(yùn)行人員在VMS 中調(diào)取#1 爐等離子火檢風(fēng)機(jī)A 的振動(dòng)頻譜時(shí)發(fā)現(xiàn)異常。

該風(fēng)機(jī)的電機(jī)非驅(qū)動(dòng)端水平測(cè)點(diǎn)頻譜圖，電機(jī)非驅(qū)動(dòng)端水平方向的頻譜中含153.28Hz 及其諧波。

同樣，在電機(jī)驅(qū)動(dòng)端水平方向的頻譜中，也發(fā)現(xiàn)了153.28Hz 及其諧波，電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速是2990RPM，電機(jī)驅(qū)動(dòng)端軸承型號(hào)：6308；電機(jī)非驅(qū)動(dòng)端軸承型號(hào)：6308。查閱電機(jī)軸承的故障特征頻率，發(fā)現(xiàn)該型號(hào)軸承的外圈故障頻率（BPFO）是152.57Hz，基本與153.28 一致。

診斷與建議：初步判定為電機(jī)軸承外圈故障，建議對(duì)電機(jī)軸承進(jìn)行檢查，必要時(shí)予以更換。

該廠在檢修時(shí)，對(duì)該電機(jī)的軸承進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)軸承損壞，并進(jìn)行了更換。從此處發(fā)現(xiàn)振動(dòng)分析是可以做一定程度的預(yù)判故障，盡可能提早提醒現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)人員做預(yù)測(cè)性維修。

三、結(jié)語(yǔ)

本文主要講述了部分當(dāng)前的振動(dòng)設(shè)備故障分析手段。這些手段均以傅里葉變換和頻譜分析為基礎(chǔ)，經(jīng)多年發(fā)展，衍生出多種圖譜分析。這些圖譜分析方式豐富了現(xiàn)場(chǎng)故障診斷的方式，簡(jiǎn)化了分析流程。但是我們也要看到，單一的圖譜分析并不能滿足實(shí)際需要；很多故障需要多種圖譜，綜合分析，才能得出可靠的結(jié)論。當(dāng)前階段，振動(dòng)設(shè)備的故障分析以人工分析為主，智能化不夠。未來(lái)，如何提高智能分析將會(huì)是許多專家和學(xué)者的研究方向。