旋轉機械故障的簡易診斷方法分析

張宏樂

摘 要：在常用機電設備上，旋轉機械是數(shù)量最多、應用最為廣泛的一類部件，比如各類數(shù)控機床滾珠絲杠、壓力泵、電動機等。尤其是一些涉及國計民生的重要工業(yè)部門的關鍵設備，如煉油廠、火電站、冶金企業(yè)的離心壓縮機、汽輪機等一旦出現(xiàn)故障將給企業(yè)帶來非常大的經(jīng)濟損失，正因如此，一直以來對關鍵旋轉機械進行故障監(jiān)測和診斷越來越受到企業(yè)的重視。

關鍵詞：旋轉機械;故障;簡易診斷

近年來，隨著機電設備自動化程度不斷提高，要求設備性能指標愈來愈高，結構組成也愈來愈復雜，對操作人員的專業(yè)素養(yǎng)要求也愈來愈嚴格。自動化程度的提升，減輕了工人的勞動強度，提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率，但另一方面，設備一旦出現(xiàn)故障，整條生產(chǎn)線都將受到很大影響。做好設備的日常維護，防止因小故障造成大停產(chǎn)是企業(yè)必須要考慮的問題，企業(yè)的設備維護工程師，必須要熟練掌握機械故障診斷與維修的技能。機械故障診斷，包含兩大方面技術，即信號的監(jiān)測收集和信號的分析處理，本文將從以下幾個方面就如何簡便、快速的判斷設備機械故障，減少企業(yè)的經(jīng)濟損失對簡易診斷法進行分析。

1 機械故障診斷基本內(nèi)容

機電設備故障診斷主要包含三個方面的內(nèi)容，即設備現(xiàn)場運行狀態(tài)監(jiān)測、設備運行狀態(tài)的趨勢預測和故障狀態(tài)的確定。目前常用的故障診斷方法有以下幾種：

（1）簡易診斷法。通過使用可攜帶的檢測設備，如測振儀、工業(yè)內(nèi)窺鏡、紅外線探傷儀等儀器對機電設備進行日常巡檢，根據(jù)測量數(shù)據(jù)，診斷設備運行狀態(tài)。

（2）精密診斷法。對已產(chǎn)生異常狀況的設備，結合簡易診斷法得到的數(shù)據(jù)及故障現(xiàn)象，采用精密診斷儀器和各種先進分析方法，判斷設備故障的類型、程度、部位和產(chǎn)生原因等。

（3）振動噪聲測定法。機電設備在運行過程中都會產(chǎn)生振動和噪聲，正常運行的振動和異常振動從頻率、振幅等指標上都有較大差別。根據(jù)設備運行的振動數(shù)據(jù)，可有效診斷出故障的類別，該方法行之有效。

（4）無損檢驗。該方法是一種不破壞設備表面及內(nèi)部結構，通過X射線、紅外線等各種類型的射線，檢測設備內(nèi)部受損情況的方法，尤其是對設備零件自身的制造缺陷檢測比較有效。缺點是大多數(shù)無損檢驗必須在靜態(tài)環(huán)境下進行。

（5）設備性能參數(shù)對照測定法。機電產(chǎn)品的性能參數(shù)較多，主要包含保證設備正常運轉的如數(shù)控車床的加工精度、汽柴油機的功率及油耗、電動機的輸出功率、齒輪傳動的最大扭矩等主要的功能指標，這些指標在設備出廠前就已經(jīng)標定好，可以通過查看設備銘牌或說明書得到正常值范圍。如果通過儀表監(jiān)測或設備監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)相關性能參數(shù)值超出正常值，則需應用前述幾種方法進行故障原因分析和確定。該方法主要是前述幾種方法的輔助手段。

2 簡易診斷法的特點

最常用的簡易檢測方法是通過技術人員攜帶可移動的檢測儀器，以獲取到的現(xiàn)場設備信號或使用過程中采集到的相關數(shù)據(jù)為依據(jù)，以標準值對照采集信號和數(shù)據(jù)，判斷設備運行的正常與否。通常情況下，簡易診斷主要作為現(xiàn)場設備運行情況的監(jiān)測參考，如需進一步診斷設備情況，還需更為精密的診斷手段。簡易診斷手段之所以在生產(chǎn)現(xiàn)場應用比較廣泛，主要是其具有簡單實用、投資較少、成效明顯等特點。但是，由于便攜式檢測設備的功能較為單一，且受檢測方法的限制，導致只能解決簡單故障和故障的初步判定，如果故障較為復雜，或有多種故障疊加，此種診斷方法就無法適用了。雖然存在以上的一些問題，但簡易診斷法還是具有較大的實用價值，在生產(chǎn)一線的應用較為普遍。

3 檢測信號的測定

能否合理而準確地從設備中提取到信號，是進行設備狀態(tài)診斷的基本先決條件，因此做好以下幾個方面的工作非常關鍵。

3.1 準確地選擇測定方式和測定參數(shù)[1]

目前，常用的振動信號測定方式有兩種，即在線（On line）方式和離線（Off ?line）方式。在線測定方式即采集信號和數(shù)據(jù)處理是分開進行的，而離線測定方式則是同步進行。簡易診斷目前采用在線檢測方法居多，采用現(xiàn)場計算機監(jiān)測、專業(yè)軟件分析等方式進行。

3.2 合理地分布監(jiān)測點

3.2.1 主要監(jiān)測點的分布

旋轉機械上能反映其運動部件振動特征最敏感和最集中的部位是軸承，因此在設定監(jiān)測點時應把主要監(jiān)測點設在軸承部位。測定的信號值應包含兩部分內(nèi)容：軸承的振動和軸的位移，軸承的振動采用速度和加速度傳感器，同時把測點布置在垂直（Z）、水平（Y）和軸向（X）三個方向上進行監(jiān)測。這種方法可以檢測出如非平衡、不對中、松動等常見故障。軸位移測定一般采用電渦流位移傳感器。測點分布在垂直和水平兩個方向上或呈45°分布。這種分布形式可檢測出如半速渦流、油膜振蕩及旋轉失速、喘振等常見故障。

3.2.2 次要監(jiān)測點的分布

結構較為簡單的旋轉機械，通過主要監(jiān)測點即可反映全面的診斷信息，而結構較復雜的大型旋轉機械則不然，必須通過設置次要監(jiān)測點來輔助主要監(jiān)測點得到設備的相關運行數(shù)據(jù)，如大型風力發(fā)電機組，一般會根據(jù)具體情況，在其機殼、箱體等部分增設次要監(jiān)測點。

4 簡易診斷方法原理

簡易診斷方法識別設備狀態(tài)主要采用統(tǒng)計分析法，統(tǒng)計量即前述導出的各種診斷指標。其中位移的峰-峰值Xp-p及振動烈度Vrms用得較多。如果在一定的時間段內(nèi)，將測得的監(jiān)測數(shù)據(jù)按先后時間順序進行排序，就可以得到劣勢趨勢圖。它表示某設備的具體的劣化進程。根據(jù)劣化趨勢圖，即可設別和預測設備的狀態(tài)[2]。

如果只是依據(jù)上面提到的故障診斷的收集和判斷方式，是無法實現(xiàn)機械故障的診斷的，通常還要理論聯(lián)系實際，把收集到的故障數(shù)據(jù)信息與理論數(shù)據(jù)進行比對分類識別，這樣才能將設備的故障情況進行清晰辨別，如故障出現(xiàn)的位置、故障的嚴重程度、故障產(chǎn)生的原因等都有一個明確的認識，真正做到為故障診斷提供必要的數(shù)據(jù)與信息支撐。

5 簡易診斷方法應用實例

某化工廠一臺大型合成氣壓縮機，由低壓缸、中壓缸和高壓缸組成，并由蒸汽透平驅動。其結構簡圖及測點布置如圖1所示。各監(jiān)測點均裝有某公司渦流式位移傳感器。

5.1 故障描述

該機生產(chǎn)過程中出現(xiàn)中壓氣缸進氣端監(jiān)測點4的表頭顯示的軸振動逐漸由19μm增至65μm，超出產(chǎn)品設計閥值，而自動停機報警。次日重新開機后，振動值高達93μm，至該月底振動值達到極限值127μm。現(xiàn)場技術人員面對大大超出正常范圍的監(jiān)測參數(shù)，判斷該設備出現(xiàn)了故障，但若停機將給公司帶來每日過百萬的經(jīng)濟損失。經(jīng)公司技術部門會商，決定采用簡易診斷方法對該設備進行不停機檢測。

5.2 檢測方法

檢測采用便攜式振動計，測量軸承的絕對振動，但因測點4的軸承座位于機殼筒體內(nèi)部，與筒體之間還有一環(huán)形空腔，無法直接讀出軸承振動值，因此采用中壓缸進口端作為測點，來代替測點4，測定參數(shù)為Vrms及Xp-p，并分別測試垂直（V）和水平（H）兩個方向的數(shù)據(jù)。

5.3 趨勢圖分析

分別對比該設備近3個月來的監(jiān)測數(shù)據(jù)Vrms及Xp-p的劣化趨勢圖。參照ISO標準及本機的結構特點，根據(jù)數(shù)據(jù)判斷，中壓缸肯定處于異常狀況。但由監(jiān)測趨勢圖發(fā)現(xiàn)，測點的振動數(shù)據(jù)基本保持穩(wěn)定，而未超出給定的域值?；谝陨系呐袛?，決定到該機大修時才停機檢查，為該公司節(jié)省了大量的停機維修損失。如圖2所示，為測點4振動值趨勢圖。

5.4 檢修結果及故障原因分析[3]

該設備到期檢修時進行了拆機檢查，診斷結論是中壓缸零部件發(fā)生故障，主要為一是軸承推力盤出現(xiàn)疲勞磨損;二是副推力瓦基環(huán)出現(xiàn)了破損情況，導致設備產(chǎn)生較大振動。維修人員對破損零件進行了更換，重啟設備，報警消除，試運行一周，設備一切正常。

6 結束語

機械故障診斷是每個制造企業(yè)必須面對的難題，尤其是常作為運動件、應用廣泛的旋轉機械，本文從檢測信號的測定、簡易診斷方法原理兩個方面對簡易診斷法進行了闡述，并結合某公司設備故障實例介紹了該方法的應用，對工程實踐具有一定的參考意義。

參考文獻：

[1]何正嘉.模糊診斷原理及應用[M].西安交通大學出版社，2010.

[2]孫凱.旋轉機械故障診斷技術在煉鋼設備中的應用[J].內(nèi)燃機與配件，2019，（17）.

[3]孟坤蔭.旋轉機械松動故障分析診斷[J].工程技術研究，2019，4（16），19-20.