状态检测与故障诊断技术应用的研究.docx
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状态检测与故障诊断技术应用的研究
状态检测与故障诊断技术应用的研究
ResearchOnTheTechnologyOfStateDetectionAndFaultDiagnosis
独创性声明
本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。
论文中取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。
与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。
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日期：
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即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。
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状态检测与故障诊断技术应用的研究
摘要
设备状态监测和故障诊断技术是目前世界上比较先进的设备管理手段之一。
设备的故障诊断，就是利用科学的监测技术，对设备所处的状态进行监测，预测设备运行的可靠性，确定其整体或局部是正常或异常。
它能对设备故障的发展作出早期预报，对出现故障的原因、部位、危险程度等进行识别和评价，预报故障的发展趋势，迅速地查找故障源，提出对策建议，并针对具体情况迅速地排除故障，避免或减少事故的发生。
本文研究的主要内容是振动监测技术八钢设备状态维修的应用。
主要研究如下工作
1.运行状态监测：
在大型旋转机械设备运行过程中，对其产生的振动进行定周期检测、趋势比较判断，了解、掌握设备运行故障发展倾向状态信息，确定设备运行的可靠性，协助生产与设备管理方制定针对性强的检修项目以及合理的设备检修计划和检修周期，防止过修及失修；
2.故障原因诊断：
在大型旋转设备的运行周期趋势状态和临时异常状态监测基础上，对其监测图谱数据进行精密分析与诊断，确定设备故障部位、主导原因，协助生产方、设备管理方、维修方制定检修技术方案，提高检修质量；
3.检修质量控制：
依据监测提供的各类图谱数据对大型旋转设备检修过程全方位跟踪，设备检修前期的技术支持，检修过程的技术参数控制及调整，检修后设备运行质量跟踪、监测、评判，确定设备运行可靠程度，制定设备运行与检修的周期。
通过以上功能的实现，形成对现有点检定修的补充和完善，逐步将预防性定期维修过渡到“状态维修”，促进八钢公司设备管理能力的提升。
关键词：
状态检测；故障诊断；状态维修；
ResearchOnTheTechnologyOfStateDetectionAndFaultDiagnosis
Machinery
Abstract
Equipmentconditionmonitoringandfaultdiagnosistechnologyisoneofthemoreadvancedequipmentmanagementmethodsintheworld.Equipmentfaultdiagnosis,istheuseofscientificmonitoringtechnology,tomonitorthestatusoftheequipment,topredictthereliabilityofequipmentoperation,todeterminetheoverallorlocalisnormalorabnormal.Itcanmakeearlyforecastonthedevelopmentoftheequipmentfault,theidentificationandevaluationofcauses,faultlocation,risklevel,predictthedevelopmenttrendoffaultquicklylocatethefaultsource,putsforwardsomecountermeasuresandsuggestions,andaccordingtothespecificsituationquicklytroubleshoot,avoidorreducetheoccurrenceofaccidents.Themaincontentofthispaperistheapplicationofvibrationmonitoringtechnologyofequipmentstatemaintenance.Themainresearchworkisasfollows
1Statemonitoring:
intheoperationoflargerotatingmachineryintheprocessofvibrationdetection,periodictrendcomparison,tounderstandandgraspthedevelopmenttendencyofequipmentoperationandfaultstateinformationtodeterminethereliabilityoftheequipmentoperation,equipmentmanagementandproductionassistanceformaintenanceprojectsandstrongandreasonableequipmentmaintenanceplanandthemaintenancecycle,preventmaintenanceandrepair;
2Faultdiagnosis:
intrendcycleoflargerotatingequipmentandtemporaryabnormalstatemonitoringbasedonthepreciseanalysisanddiagnosisandmonitoringofthemapdata,determinethepartsofequipmentfailure,leadingcause,assisttheproduction,management,maintenanceequipmentfortechnicalschemeformaintenance,improvemaintenancequality;
3Maintenanceofqualitycontrol:
accordingtothemonitoringdataoftheprocesstoprovidevarioustypesofmaintenanceoflargerotatingequipmentfulltracking,equipmentmaintenancesupportthetechnology,technicalcontrolandadjustingtheparametersoftheprocessofinspection,maintenanceequipmentoperationqualitytracking,monitoring,evaluation,determinethereliabilityofequipmentoperationcycle,makingoperationandmaintenanceequipment.
Therealizationoftheabovefunctions,theformationofsupplementandimprovementtotheexistingpointsverificationrepair,preventivemaintenancewillgraduallytransitiontothe"maintenance",topromotetheabilityofthecompanytoenhancethemanagementofequipment.
Keywords:
Statedetection;Faultdiagnosis;Conditionbasedmaintenance;
目录
独创性声明I
学位论文版权使用授权书I
摘要II
AbstractIII
目录1
第一章绪论3
1.1研究背景3
1.1.1课题提出3
1.1.2研究目的4
1.1.3研究意义4
1.2研究现状4
1.2.1监测设备查验4
1.2.2监测对象选择4
1.2.3选择确定监测计划5
1.2.5数据采集5
1.2.6状态分析5
1.2.7监测验证5
1.3研究内容5
第二章状态监测在现场的开展8
2.1创造过程8
2.2监测过程8
2.2.1建立设备档案8
2.2.2监测点的选择与标注8
2.2.3测量参数类型选择9
2.2.4确定周期9
2.2.5振动数据的采集与管理9
2.3分析诊断10
2.3.1分析振动数据10
2.3.2频谱分析11
2.3.3时域波形分析11
2.3.4趋势分析和寿命预测12
2.4状态确认及验证13
第三章不平衡故障分析14
3.1典型频谱介绍14
3.2不平衡实例分析15
3.2.1典型案例15
3.2.2悬臂转子不平衡案例19
3.3本章小结23
第四章不对中故障诊断24
4.1典型频谱介绍24
4.2典型案例25
4.3本章小结30
第五章轴承故障诊断32
5.1滑动轴承典型频谱介绍[5][13]32
5.2滑动轴承的故障分类及波形特征33
5.2.1间隙过大（无涡动）33
5.2.2油膜涡动和油膜振荡频谱和波形特征34
5.2.3滑动轴承故障与不对中或松动故障的判别35
5.2.4摩擦频谱和波形特征36
5.3滚动轴承典型频谱37
5.4.1故障判断标准37
5.4案例分析39
5.4.1测点示意图：
39
5.4.2频谱图分析41
5.4.3检修后对比42
第六章减速机故障诊断44
6.1常见故障44
6.2齿轮故障的时域特征与频域特征44
6.3均匀磨损齿轮的时域特征与频域特征45
6.4齿轮不同轴的时域持征与频域特征46
6.5齿轮偏心时的时域特征与频域特征46
6.6局部异常的齿轮的时域特征与频域47
6.7．不平衡齿轮的时域特征与频48
6.8实例分析48
6.9本章小结53
第七章电机故障诊断55
7.1电机故障分类55
7.2实例分析55
7.2.1监测与检修过程描述55
7.2.2实例小结65
7.3本章小结66
7.3.1转子故障频谱和波形特征66
7.3.2定子故障频谱和波形特征67
第八章结论与打算69
8.1结论69
8.2打算70
参考文献71
致谢72
第一章绪论
1.1研究背景
1.1.1课题提出
目前的检修方式中事后维修和计划维修在现有维修体制中仍然占有重要地位，因此存在以下问题
（1）临时性维修频繁一些问题较多的机组往往不能适应由管理部门统一制定的计划检修安排，运行不到下一个检修时刻就必须强迫停运，进行事故性检修，导致企业连续化生产经常受到不期待的停机。
（2）维修不足机组由于各种原因在检修期未到时产生局部故障，但受到检修计划制约，带病运行，有时故障继续恶化造成运行代价和维修费用增大及不必要的事故损失，有时是严重事故。
（3）维修过剩对于设备状态较好的机组进行了不必要的检修，由此造成设备有效利用时间的损失和人力、物力、财力的浪费，甚至引发维修故障。
（4）盲目维修根据计划检修的标准项目和依靠经验制定的部分非标准项目进行检修，对机组并不一定做到对症下药。
（5）人员成本大需要一只数量庞大的维修队伍来支撑设备的维修，劳动效率低。
检修中心针对检修人力资源不足，而实际检修项目针对性不强，利用振动巡检仪对八钢公司旋转机械开展状态监测和故障诊断，指导设备生产运行管理和检修技术方案决策，增强设备检修的针对性，缓解检修资源与项目计划的缺陷，是对点检定修的完善和补充，将预防性定期维修逐步过渡到“状态维修”，提高设备生产效率的必要手段。
并建立适应八钢公司设备状态检测的管理体系，预测并作出正确的维护计划；通过成功执行设备状态检测、检测设备运行状态、及时诊断和排除设备故障，为企业创造巨大的经济效益；
1.1.2研究目的
设备状态监测与故障诊断的实质是了解和掌握设备在运行过程中的状态，评价、预测设备的可靠性，早期发现故障，并对其原因、部位、危险程度等进行识别，预报故障的发展趋势。
采用振动测试技术通过离线巡检仪进行振动数据采集、回收，依据其提供的真实、有效、可靠保证各类图谱数据，对振动量和过程量进行相关性的分析与诊断，对设备进行状态趋势监测和故障原因分析，判断和识别设备故障发展倾向和主导因素。
1.1.3研究意义
以故障诊断技术为支点，搭建集数据采集、状态检测、故障诊断分析、预警、检修实绩评价为一体可共享平台，为八钢主作业线的关键旋转设备的安装、使用、维护提供全面技术支撑。
对目前实行的点检定修的完善和补充，提高定修准确率实现状态维修，大量节约设备维护费用。
指导现场检修，评价检修实绩，提高检修效率节约人力成本。
预知设备故障，预防设备事故，保障主作业线生产时间；
1.2研究现状
机械设备的维修已从早期的事后维修、计划维修逐步发展到状态维修。
通过状态监测提高八钢设备管理能力。
1.2.1监测设备查验
对现有监测设备性能进行核对，确定开展设备状态监测与故障诊断的能力与工作内容。
1.2.2监测对象选择
了解、掌握和确定开展状态监测与故障诊断需求的设备清单，建立设备精密点检管理网络；将八钢公司内部炼铁分公司高炉风机、焦化煤气风机、烧结主抽风机、制粒机、混合机、炼钢煤气风机、各单位关键A类高压水泵等关键核心旋转设备纳入到监测范围；共655套（台），按区域、设备要求不同建立状态监测设备库。
1.2.3选择确定监测计划
按区域、设备性能确定监测参数、周期、监测部位；编制树状设备结构图，标定状态监测数据采集部位1438个，监测矢量点16191个，设置状态监测周期。
1.2.4建立预知维修标准参数系统
依据设备结构、性能确定并建立设备监测参数判定引用的绝对标准；通过设备正常运行的初次监测建立设备监测参数判定的相对标准。
1.2.5数据采集
依据监测计划制定监测作业卡，定期采集监测数据；依据现场日常点检发现，对设备异常进行临时异常监测数据采集。
1.2.6状态分析
工作内容包含设备状态监测与设备故障诊断两方面，对监测图谱数据进行精密分析，不仅要对设备运行是否正常做出诊断，还要对设备产生的故障原因、部位和严重程度做出判断，出具监测趋势异常、故障原因分析、解决技术建议等报告，为设备管理决策提供依据，向生产、设备管理及检修方提供设备运行与检修技术支持信息。
1.2.7监测验证
通过设备故障治理过程全方位跟踪，对检修过程的技术参数控制及调整，检修后设备运行质量跟踪、监测，实现对监测报告准确性的验证。
通过对以上工作进行汇总、统计、分析，确定其持续改进的方向，有效推进其开展，实现建立新的维修管理体制目标。
1.3研究内容
本文是围绕所在单位的设备状态监测的目前水平，通过设备状态监测与故障诊断，了解和掌握设备在运行过程中的状态，评价、预测设备的可靠性，早期发现故障，并对其原因、部位、危险程度等进行识别，预报故障的发展趋势。
采用振动测试技术通过离线巡检仪进行振动数据采集、回收，依据其提供的真实、有效、可靠保证各类图谱数据，对振动量和过程量进行相关性的分析与诊断，对设备进行状态趋势监测和故障原因分析，判断和识别设备故障发展倾向和主导因素；
以下是论文各章节内容的具体安排：
第一章：
绪论，说明课题的来源、目的及意义，设备状态监测与故障诊断的研究现状及发展趋势。
第二章：
状态监测在现场的开展，分析旋转设备的结构特点，确定监测和诊断的对象；研究状态监测的监测参数、测点及方向、测试工况和监测周期的确定方法；建立测试系统；研究信号采样处理方法；建立旋转机械状态判断标准；对旋转机械运行状态进行识别及趋势分析。
第三章：
不平衡故障分析，不平衡是各种旋转机械中最普遍存在的故障。
引起转子不平衡的原因是多方面的，如转子的结构设计不合理、机械加工质量偏差、装配误差、材质不均匀、动平衡精度差；运行中联轴器相对位置的改变；转子部件缺损如：
运行中由于腐蚀、磨损、介质不均匀结垢、脱落；转子受疲劳应力作用造成转子的零部件（如叶轮、叶片、围带、拉筋等）局部损坏、脱落，产生碎块飞出等。
第四章：
不对中故障诊断，转子不对中通常是指相邻两转子的轴心线与轴承中心线的倾斜或偏移程度。
转子不对中可分为联轴器不对中和轴承不对中。
联轴器不对中又可分为平行不对中、角度不对中和平行角度不对中三种情况。
第五章：
轴承故障诊断，滑动轴承常见的故障有：
轴瓦钨金的磨损剥落、局部熔化、钨金与瓦壳分离等。
故障的特征是轴承瓦温及出口润滑油温升高，振动加剧。
滚动轴承故障特征频率是轴承滚珠、保持架、轴承内滚道和轴承外滚道故障频率。
第六章：
减速机故障诊断，减速机内部结构复杂，有轴承特征频率、齿轮固有频率、齿轮啮合频率、齿轮轴旋转频率等成风，其频带较宽，需要把所测振动按频带分类，然后根据各类振动分类诊断。
第七章电机故障诊断，在电机故障频谱中有电机转动频率、故障频率、电源频率、轴承特征频率等各种复杂频率，电机状态监测目的是通过频谱分析，找出电机松动、不平衡、摩擦、不对中、轴承故障等原因，针对滑动轴承电机还要找出电机气隙偏差故障、磁力中心线漂移故障、联轴器故障、转子水平偏移等故障。
第八章：
总结了本人所做的工作，指出目前存在的问题以及今后发展方向，展望其应用前景。
第二章状态监测在现场的开展
2.1创造过程
06年1月在炼铁分公司运行作业区开始使用手持式便携测振仪采集数据，对检修效果进行判断；07年7月使用华阳106B状态巡检仪在炼铁分公司内进行周期性状态检测，至08年5月进入检修中心对八钢公司范围内大型旋转设备建立设备网络、定期检测，向各区域设备室反馈检测信息，帮助检修计划的排定和指导现场的检修，并对检修效果进行评价；
2.2监测过程
2.2.1建立设备档案
掌握设备结构，设备参数，设备工作条件，设备工作原理，设备大型维修情况和设备履历等。
例如：
轴的转速、电机功率、转子直径、叶片数、轴承型号、齿轮齿数等；
2.2.2监测点的选择与标注
（1）测量部位应选在设备上对振动敏感的部位，机器振动的敏感点，离机器核心部位最近的关键点，容易产生劣化现象的易损点。
一般把轴承处选为主要测点，把机壳、箱体、基础的部位选作辅助测点；大型设备的测点选择应能反映设备的全部状态，在设备的前、后、上、下、左、右、和中间部位都要有测点。
在选择测点是还需考虑环境因素的影响，尽可能的避免选择在高温、高湿、出风口和温度变化剧烈的地方作为测量点，确保测量数据的准确性和有效性；
（2）对于低频振动，一般在水平、垂直和轴向三个方向进行测量；对于高频振动则只需在径向进行测量即可；
（3）数字序列从驱动器非驱动侧的轴承座开始，赋予其数字001，朝着被驱动设备进行数字排列，直到第一根轴线的最后一个轴承；
（4）为了保证所测数据的可比性，测点一经选定就作出相应标记，以使每次测量都在同一测点上进行；同时，保证每次测量时设备的工况都相同；
2.2.3测量参数类型选择
测量参数一般有位移、速度、加速度。
表2.1不同的频率采用不同的测量参数
Table2.1differentfrequencyusingdifferentmeasurementparameters
振幅参数
工程单位
位移
m、mm、μm
速度
m/s、mm/s
加速度
mm/s2、m/s2
表2.2测量参数的选择
Table2.2selectionofmeasurementparameters
参数
频率范围
适用情况
位移
0～100Hz
旋转轴的摆动，轴振动
速度
10~1000Hz
旋转机械的振动
加速度
＞1000Hz
滚动轴承和齿轮的缺陷引起的振动
2.2.4确定周期
测量周期即每次测量的实践间隔，它的选取以设备的类型和故障发展的速度为依据；对高速旋转机械（如透平机、压缩机）天/次、对于低速旋转设备（如风机、水泵）周/次，当发现故障劣化速度较快时，缩短测量周期，对于新安装和大修后的设备则频繁检测，直到运行正常；
2.2.5振动数据的采集与管理
按区域建立设备网络并建立状态监测数据库，严格安装监测线路和监测周期对设备进行定期监测。
采集设备振动数据时，对温度、压力等过程数据也进行记录，便于比较和趋势管理；为保证测量结果的可比性，在振动监测中做到“四同”，即测量仪器相同、测量仪器设置相同、测量位置方向相同、设备工况相同；监测人员及时做好测量记录的整理和备份工作，对存在疑义的数据记录及时核准；将八钢公司高炉风机、焦化煤气风机、烧结主抽风机、制粒机、混合机、炼钢煤气风机、各单位关键A类高压水泵等按区域建立状态监测数据库，现将八钢公司共655套（台），按区域、设备要求不同建立状态监测设备库。
选择确定监测计划：
按区域、设备性能确定监测参数、周期、监测部位；编制树状设备结构图，标定状态监测数据采集部位1438个，监测矢量点16191个，设置状态监测周期。
2.3分析诊断
2.3.1分析振动数据
对采集的频谱、时域波形和趋势等参数进行分析。
发现结果显示超过了报警极限值即表明该设备出现了故障。
（1）建立标准
1）振动标准（国际/国内/行业）法、类比判断法、趋势图法等
表2.3ISO10816国际振动标准
Table2.3ISO10816internationalvibrationstandard
额定功率大于300KW小于50MW的大型机器电机转轴高度H≥315mm
支撑类型
区域边界
位移有效值/μm
速度有效值/（mm/s）
刚性
A/B
29
2.3
B/C
57
4.5
C/D
90
7.1
柔性
A/B
45
3.5
B/C
90
7.1
C/D
140
11
注：
区域说明区域A优质B良好C注意D危险
2）参考设备制造商的建议标准
3）长期监测设备，创建特定设备的标准
（2）振动标准的应用
1）绝对标准：
在同一部位（主要在轴承座上）测定的数值与“判断标准”相比较，判断结果为优质、良好、注意、危险
2）相对标准：
对同一设备的同一测点在同一方向的同一工况下的振动值进行定期检测，将设备的正常值作为初始值，根据后来的实测值与初始值来比较判断设备的状态；
3）类比标准：
数台机型相同、规格相同和工况相同的
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