楊會(huì)海

（山鋼股份萊蕪分公司特鋼事業(yè)部，山東萊蕪 271104）

1 設(shè)備故障診斷技術(shù)

（1）故障診斷技術(shù)的概念及內(nèi)容。故障診斷是通過(guò)對(duì)設(shè)備狀況的信息采集分析，確定運(yùn)行狀況，掌握故障原因及發(fā)展趨勢(shì)，并指導(dǎo)進(jìn)行維修維護(hù)的一門(mén)技術(shù)。通過(guò)對(duì)設(shè)備診斷所需信息進(jìn)行篩選、分析處理后，得到能代表設(shè)備狀態(tài)的參數(shù)，通過(guò)參數(shù)特征做出正確的故障診斷結(jié)論。主要包含設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，運(yùn)行狀態(tài)趨勢(shì)預(yù)報(bào)，以及故障類型、原因診斷等內(nèi)容。

（2）設(shè)備故障診斷的基本步驟。設(shè)備故障診斷的實(shí)施過(guò)程如圖1所示。通過(guò)圖1可以將設(shè)備故障診斷的基本步驟歸納為：設(shè)備運(yùn)行信號(hào)采集、信號(hào)處理、故障識(shí)別及診斷、制定維護(hù)方案等。以旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)診斷為例，論述實(shí)施設(shè)備故障診斷的意義與應(yīng)用效果。

圖1 設(shè)備故障診斷過(guò)程

2 旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)診斷方法

2.1 波形分析法

（1）機(jī)械設(shè)備的振動(dòng)波形是隨時(shí)間不斷變化的速度、位移或加速的曲線。凡是與同步振動(dòng)有關(guān)聯(lián)的各種故障的振動(dòng)都是周期性的函數(shù)，是以工作頻率為主結(jié)合若干高次諧波附加所組成的，如圖2所示。圖2為包含周期因素的振動(dòng)波形。

圖2 含周期因素的振動(dòng)波形

（2）波形分析法對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障的診斷，主要是通過(guò)對(duì)振動(dòng)波形特征的分析來(lái)進(jìn)行的。例如，對(duì)圖2進(jìn)行平滑處理后，可得到圖3所示的曲線。該曲線是一條周期為T(mén)的正弦曲線。如果該曲線的頻率與旋轉(zhuǎn)機(jī)械的工作頻率相同時(shí)，可以初步判斷該旋轉(zhuǎn)機(jī)械的振動(dòng)與轉(zhuǎn)子的不平衡有關(guān)。

圖3 平滑處理過(guò)的振動(dòng)波形

2.2 軸心軌跡分析法

軸心軌跡就是旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)子的軸心點(diǎn)相對(duì)于軸承座位移所形成的軌跡。通過(guò)位移傳感器采集軸心點(diǎn)相對(duì)軸承的位移信號(hào)，經(jīng)過(guò)濾波處理在示波器上顯示軸心軌跡圖。通過(guò)軸心軌跡圖可以得到旋轉(zhuǎn)方向、形狀及穩(wěn)定性等信息。軸心軌跡圖的形狀可以較好地反映設(shè)備運(yùn)行的狀況及故障的類型。主要故障類型如下：

（1）不平衡。因轉(zhuǎn)子不平衡所產(chǎn)生的軸心軌跡在理論上表現(xiàn)為圓形，但是受到軸承油膜以及其他一些因素的影響，實(shí)際的軸心軌跡表現(xiàn)為一個(gè)橢圓形，橢圓中長(zhǎng)軸傾角的變換主要是由于運(yùn)行過(guò)程中溫度的變化所導(dǎo)致。

（2）不對(duì)中。由不對(duì)中所形成的軸心軌跡是通過(guò)2倍頻或4倍頻諧波分量經(jīng)計(jì)算機(jī)仿真模擬而成。其中，隨著不對(duì)中程度的加劇，軸心軌跡的圖形會(huì)由橢圓形逐漸變成香蕉形，最后變成8字形狀。

當(dāng)轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)方向同軸心的軌跡方向相同時(shí)為正向進(jìn)動(dòng)，反之為逆向進(jìn)動(dòng)。一般情況下基本都為正向進(jìn)動(dòng)，當(dāng)在轉(zhuǎn)軸與軸承間存在干摩擦或者帶有螺旋槳的旋轉(zhuǎn)機(jī)械等極少情況下，會(huì)產(chǎn)生逆向進(jìn)動(dòng)。一般而言軸心運(yùn)動(dòng)軌跡是保持穩(wěn)定狀態(tài)的，但在發(fā)生軌跡大小、形狀及軌跡紊亂等情況時(shí)，表明旋轉(zhuǎn)機(jī)械的運(yùn)行狀況發(fā)生變化或者出現(xiàn)運(yùn)行異常。

2.3 頻譜分析法

頻譜分析法是利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行快速傅式變換來(lái)實(shí)現(xiàn)的。利用頻譜分析法提取頻譜圖中的診斷信息。在旋轉(zhuǎn)機(jī)械的故障診斷中，常用的頻譜圖主要有2種。

（1）幅值譜及相位譜。設(shè)X（f）為振動(dòng)信號(hào)x（t）的傅式變換，

（2）自功率譜圖。自功率譜密度S（xf）簡(jiǎn)稱為自功率譜，是信號(hào)樣本內(nèi)含有的能量沿頻率軸的分布情況，多用在隨機(jī)信號(hào)為主的分析中。相對(duì)于幅值譜來(lái)說(shuō)功率譜具有譜峰更加突出、應(yīng)用更加廣泛等優(yōu)點(diǎn)。

此外，旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)診斷方法還包括轉(zhuǎn)速跟蹤分析法、統(tǒng)計(jì)分析法，以及近年來(lái)取得新進(jìn)展的全息譜及全息瀑布圖等分析方法。

3 旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障機(jī)理與診斷

3.1 不平衡

（1）不平衡振動(dòng)機(jī)理。旋轉(zhuǎn)機(jī)械的轉(zhuǎn)子不平衡振動(dòng)按發(fā)生的過(guò)程可以分為初始不平衡、漸發(fā)不平衡以及突發(fā)不平衡。產(chǎn)生不平衡振動(dòng)的根本原因是轉(zhuǎn)子的中心偏離軸線，即轉(zhuǎn)子質(zhì)量相對(duì)軸心線分布不均勻，轉(zhuǎn)子的質(zhì)心與軸線存在一定量的偏心距，在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生離心力，轉(zhuǎn)子每旋轉(zhuǎn)一周 離心力方向進(jìn)行一次循環(huán)變化，轉(zhuǎn)子在該離心力的作用下產(chǎn)生振動(dòng)，不平衡振動(dòng)頻率與轉(zhuǎn)速相同，振動(dòng)幅值與轉(zhuǎn)速有關(guān)。

（2）不平衡的診斷。通過(guò)不同特征進(jìn)行判斷：①通頻時(shí)域的波形圖為近似等幅的正弦波；②頻譜圖以工頻為主，其他頻率因素較?。虎圯S心軌跡圖是一穩(wěn)定且長(zhǎng)短周差別較小的橢圓；④在轉(zhuǎn)速固定情況下，相位相對(duì)穩(wěn)定；⑤全息圖譜上工頻橢圓較圓較大，其他較小；⑥在徑向上各個(gè)點(diǎn)的振動(dòng)存在一定相位差；⑦不平衡振動(dòng)是由離心力作用產(chǎn)生的橫向振動(dòng)，徑向振動(dòng)較大；⑧轉(zhuǎn)速對(duì)不平衡振動(dòng)幅值影響較大，當(dāng)轉(zhuǎn)速接近臨界轉(zhuǎn)速時(shí)產(chǎn)生共振，此時(shí)振動(dòng)幅值最大；⑨旋轉(zhuǎn)機(jī)械存在不平衡振動(dòng)時(shí)，工頻相位隨之改變。

3.2 不對(duì)中

（1）不對(duì)中振動(dòng)機(jī)理。主要有軸承不對(duì)中及軸系不對(duì)中，其中以軸系不對(duì)中居多。軸系不對(duì)中又包括角度不對(duì)中、平行不對(duì)中及平行與角度都不對(duì)中3種情況。軸系不對(duì)中不僅對(duì)軸承不對(duì)中有影響，還對(duì)聯(lián)軸器及轉(zhuǎn)子產(chǎn)生周期的附加力，造成轉(zhuǎn)子振動(dòng)并加速聯(lián)軸器和軸承損壞等。

（2）不對(duì)中診斷。通過(guò)特征判斷：①通頻時(shí)域波形為周期性畸變正弦波，波峰峰值翻倍，重復(fù)性能更優(yōu)；②在頻譜圖上以工頻及2倍頻為主，對(duì)中偏差越大，2倍頻的比例就越大；③軸心軌跡呈現(xiàn)橢圓形、香蕉型及8字型等形狀，但相對(duì)穩(wěn)定；④旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)子渦動(dòng)為正進(jìn)動(dòng)；⑤兩側(cè)聯(lián)軸器軸向的振動(dòng)相位差為180°工頻反向振動(dòng)；⑥兩側(cè)聯(lián)軸器的徑向振動(dòng)相位差大多數(shù)是近180°的2倍頻反向振動(dòng)；⑦軸系不對(duì)中的轉(zhuǎn)子振動(dòng)，會(huì)同時(shí)在軸向和徑向上產(chǎn)生振動(dòng)；⑧不對(duì)中轉(zhuǎn)子的振動(dòng)幅值伴隨負(fù)荷的增大而增大。

3.3 轉(zhuǎn)子彎曲

（1）轉(zhuǎn)子彎曲振動(dòng)機(jī)理。一般出現(xiàn)轉(zhuǎn)子彎曲的幾率較小，但偶爾也會(huì)出現(xiàn)彎曲振動(dòng)的情況。轉(zhuǎn)子彎曲分為永久性彎曲和臨時(shí)性彎曲，無(wú)論出現(xiàn)何種彎曲都無(wú)法利用動(dòng)平衡的方法進(jìn)行校正。轉(zhuǎn)子出現(xiàn)彎曲軸線將以某一定徑向變形偏離兩支撐點(diǎn)的幾何中心線，旋轉(zhuǎn)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)很大的振動(dòng)，振動(dòng)頻率為工頻。

（2）轉(zhuǎn)子彎曲診斷?？赏ㄟ^(guò)特征進(jìn)行判斷：①通頻時(shí)域的波形為接近等幅的正弦波；②從頻譜圖上以工頻成分為主，并有一定成分的諧波；③軸心軌跡為長(zhǎng)短基本相同的橢圓；④因?yàn)檗D(zhuǎn)軸彎曲會(huì)存在不同程度的軸瓦摩擦，因此在頻譜圖、軌跡圖等圖形中還會(huì)存在摩擦特征；⑤在趨勢(shì)圖上臨時(shí)性彎曲是逐漸形成的，較熱負(fù)荷變化相對(duì)滯后；⑥轉(zhuǎn)子彎曲的振動(dòng)會(huì)存在較大的徑向振動(dòng)，軸向方面也有一定的工頻振動(dòng)；⑦振幅的大小對(duì)轉(zhuǎn)速相當(dāng)敏感，振幅與轉(zhuǎn)速成正比；⑧隨轉(zhuǎn)速的不斷變化，相位的變化非常小。

4 結(jié)語(yǔ)

機(jī)械故障診斷最終的目的就是為了防止設(shè)備事故的發(fā)生，確保設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行。通過(guò)對(duì)設(shè)備故障診斷知識(shí)的學(xué)習(xí)，掌握一些常用的設(shè)備故障診斷技術(shù)，通過(guò)對(duì)設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行提取處理，用科學(xué)的方法進(jìn)行推斷，來(lái)判斷設(shè)備的工作狀況，確定設(shè)備的缺陷及故障，保證設(shè)備高效化運(yùn)行，為企業(yè)創(chuàng)造更大的效益。

［1］廖伯瑜.機(jī)械故障診斷基礎(chǔ)［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1995.

［2］韓捷，張瑞林，等.旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障機(jī)理及診斷技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997.

［3］張安華.機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)［M］.西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，1995.