设备状态监测与故障诊断方法技巧
发布时间：2016-12-02来源：装备保障管理网 编辑：将军
设备状态监测与故障诊断方法技巧
一、设备状态监测与故障诊断的基本环节
基本环节可分为状态监测、分析诊断和治理预防。
转轴、轴承、齿轮是组成设备传动链的三大组件，用振动法进行状态监测和故障诊断时，可用电涡流位移传感器在尽量靠近轴承的平面内相互垂直的两个方向上，测量转轴的径向振动，在靠近转轴端面处测量其轴向位移；也可用加速度传感器或速度传感器在轴承座底部或侧面测量机壳（轴承座）的水平、垂直和轴向振动。
通过对特征信号的监测、采集、记录、分析处理及数据或图谱显示，对照判断标准和参考图谱，对机械设备进行状态识别，并作出诊断结论。根据该结论选择巡回检测、监护运行或停机检修，对已确诊原因、部位和危险程度的设备故障，可采取调整、检修、更换等措施，防止类似故障再发生。
二、监测与诊断的方法技巧
1．概念清晰
异常振动往往标志着故障，欲根据提取的振动信号特征识别故障，就必须紧紧围绕时间、频率（转速）、周期、相位、振幅（能量）等参量进行分析。
工程上遇到的多为动态信号，其幅值随时间变化。动态信号又可分为确定性的周期信号（简谐信号、复杂周期信号）和非周期信号（准周期信号、瞬变信号）、非确定性的平稳随机信号（各态历经信号、非各态历经信号）和非平稳随机信号，这些信号与振动一一对应，并与故障关系密切。
振动有四种分类方法。一是按振动实质的动力学分类法，可分为强迫振动、瞬态振动、自激振动、参变振动；二是粗略估计故障部位的按振动频率高低分类法；三是根据信号特点区分出各种振动特征，并能对谱图特点作出理论说明的分类法；四是振动系统的特征（线性振动、非线性振动）分类法。
例如，转子不平衡和不对中故障产生简谐振动，这种在离心力作用下的振动属于强迫振动；当齿轮箱或机组同时存在几个转子不平衡或不对中故障时，产生复杂周期振动；滚动轴承元件损伤故障被激发导致的衰减振动，属于准周期振动；齿轮断齿、转子摩擦等故障则产生撞击的瞬态振动。 2．思路明确
(1)了解测试对象的原理，结构及运行状况。监测诊断前，应确认被测对象是旋转机械还是往复机械，是滑动轴承还是滚动轴承，机组传动链构成，以及是否存在外来激励；了解被测对象的运行状况及其故障历史，估计可能出现的故障及其部位，哪些参数变化最为敏感。
(2)估计被测对象的振动类型、振级和可能产生的最低、最高频率，计算故障频率，确定分析频带；根据机组结构和环境条件，选定传感器及仪器或监测诊断系统。例如滑动轴承可采用非接触式电涡流位移传感器，滚动轴承则采用速度或加速度传感器。
(3)选用适宜的监测诊断参数。位移d对低频信号（100Hz以下）非常敏感，反映了质点工作位置的变化程度，可监测位能对设备的破坏；速度V对中频信号（1kHz以下）非常敏感，反映了质点运动的快慢，可监测动能对设备的破坏；加速度a对高频信号（I kHz以上）非常敏感，反映了质点受力变化，可监测冲击力对设备的影响。虽然数学上三个量可以相互转换，实际测试中则应依据各自适宜的频率合理选用。
(4)绘制机组测点示意图、测试报告表。
(5)检查测试系统，确定传感器安装位置。
(6)对实测的振动特征数据和图谱，用判断标准或参考图谱反复对比、分析，从振动机理上逐项排除与故障无关的因素后，结合现场感官诊断经验作出诊断结论。
(7)采用对应的治理预防措施，以消除隐患或故障。 3．方法得当
如果有仅能显示振动幅值（或能量）大小的简易诊断仪器，应根据传感器的频响范围选择最优的安装方式，选好测点并做标记。要辨知仪器上显示振动幅值大小是哪种参数（加速度、速度、位移），有无分档量程（低通、高通、带通）及其用途，能否显示有量纲（或无量纲）的诊断参数值或分贝值等。
利用这类仪器，可选用振幅值（有效值Xrms峰值Xr、均值万）、趋势图、波形因数（峰值Xp ,均值X)、波峰因数（峰值Xp、有效值 )、无量纲参数、冲击脉冲等诊断法，对机组作出定性的简易诊断。
若具有多种分析功能的旋转（往复）式机械数据采集与处理系统（精密诊断仪器），则可同时测试四个测点的加速度参量信号和一个光电信号，或同时测试四个通道的位移参量信号和一个键相脉冲信号。采集存储振动信号后，仪器可在时域、幅域和频域上对任一信号给出加速度a、速度V和位移d三种谱图，给诊断者提供了极大的方便。
信号的三域分析谱图具有不同的特征和用途。时域波形主要用于以下场合：
(1)机器转速低于100r/min时；
(2)故障比较严重且有明显的冲击时；
(3)信号存在调频或调幅现象时；
(4)需要确定准确的振动幅值时；
(5)需要确定信号中是否有外部干扰（随机或固定的）时。
从时域波形可大致判断出主要频率的组成，例如旋转机械不平衡故障较严重时，信号中有明显的以轴旋转频率为特征的周期成分；转轴不对中时，信号在一个周期内旋转频率的二倍频成分明显增大。
利用时域的自相关函数可提取混于随机噪声中的周期分量，根据其形状可判断原信号的性质；运行正常的设备，其振动信号的自相关函数往往与宽带随机噪声的自相关函数相近（无周期性），而当设备有故障，特别是出现周期性冲击故障时，在滞后量为其周期的整倍数处，自相关函数会出现较大的峰值。
在频域上进行频谱分析时，可从以下几方面入手：
(1)按频谱的高中低频段进行分析，以了解主要故障发生的部位；按特征频率、工频、超谐波、次谐波进行分析，以确定转子故障的范围。
(2)对主振动成分的来源进行分析，如工频成分突出往往是不平衡所致，二倍频为主往往是不对中或转轴横向裂纹，透平压缩机喘振时振幅较正常时大为增加，喘振频率一般为0.5~50Hz。
(3)做频谱对比发现故障。
在幅域分析中，必须把有量纲、无量纲诊断参数和对故障信号敏感性好的峭度指标、裕度指标、脉冲指标与稳定性好的波形指标、均方根值（有效值）结合起来使用，以兼顾其敏感性和稳定性。
4．刻苦实践
实践是检验成效的唯一标准。作为科研部门应从实践中不断研究出新型适用的诊断方法；作为监测诊断仪器或系统的生产厂家，应结合生产现场需要，开发出性能稳定、功能齐全、易于安装或携带的监测与诊断仪器或系统；从事状态监测与故障诊断的工程技术人员，则应争取领导的大力支持，视情配置功能齐全的精密诊断仪器或系统，以坚韧不拔的毅力，不辞劳苦地去实践，将监测与诊断的理论、技巧、方法与生产实践有机结合起来，方能取得成效。
一、设备状态监测与故障诊断的基本环节
基本环节可分为状态监测、分析诊断和治理预防。
转轴、轴承、齿轮是组成设备传动链的三大组件，用振动法进行状态监测和故障诊断时，可用电涡流位移传感器在尽量靠近轴承的平面内相互垂直的两个方向上，测量转轴的径向振动，在靠近转轴端面处测量其轴向位移；也可用加速度传感器或速度传感器在轴承座底部或侧面测量机壳（轴承座）的水平、垂直和轴向振动。
通过对特征信号的监测、采集、记录、分析处理及数据或图谱显示，对照判断标准和参考图谱，对机械设备进行状态识别，并作出诊断结论。根据该结论选择巡回检测、监护运行或停机检修，对已确诊原因、部位和危险程度的设备故障，可采取调整、检修、更换等措施，防止类似故障再发生。
二、监测与诊断的方法技巧
1．概念清晰
异常振动往往标志着故障，欲根据提取的振动信号特征识别故障，就必须紧紧围绕时间、频率（转速）、周期、相位、振幅（能量）等参量进行分析。
工程上遇到的多为动态信号，其幅值随时间变化。动态信号又可分为确定性的周期信号（简谐信号、复杂周期信号）和非周期信号（准周期信号、瞬变信号）、非确定性的平稳随机信号（各态历经信号、非各态历经信号）和非平稳随机信号，这些信号与振动一一对应，并与故障关系密切。
振动有四种分类方法。一是按振动实质的动力学分类法，可分为强迫振动、瞬态振动、自激振动、参变振动；二是粗略估计故障部位的按振动频率高低分类法；三是根据信号特点区分出各种振动特征，并能对谱图特点作出理论说明的分类法；四是振动系统的特征（线性振动、非线性振动）分类法。
例如，转子不平衡和不对中故障产生简谐振动，这种在离心力作用下的振动属于强迫振动；当齿轮箱或机组同时存在几个转子不平衡或不对中故障时，产生复杂周期振动；滚动轴承元件损伤故障被激发导致的衰减振动，属于准周期振动；齿轮断齿、转子摩擦等故障则产生撞击的瞬态振动。 2．思路明确
(1)了解测试对象的原理，结构及运行状况。监测诊断前，应确认被测对象是旋转机械还是往复机械，是滑动轴承还是滚动轴承，机组传动链构成，以及是否存在外来激励；了解被测对象的运行状况及其故障历史，估计可能出现的故障及其部位，哪些参数变化最为敏感。
(2)估计被测对象的振动类型、振级和可能产生的最低、最高频率，计算故障频率，确定分析频带；根据机组结构和环境条件，选定传感器及仪器或监测诊断系统。例如滑动轴承可采用非接触式电涡流位移传感器，滚动轴承则采用速度或加速度传感器。
(3)选用适宜的监测诊断参数。位移d对低频信号（100Hz以下）非常敏感，反映了质点工作位置的变化程度，可监测位能对设备的破坏；速度V对中频信号（1kHz以下）非常敏感，反映了质点运动的快慢，可监测动能对设备的破坏；加速度a对高频信号（I kHz以上）非常敏感，反映了质点受力变化，可监测冲击力对设备的影响。虽然数学上三个量可以相互转换，实际测试中则应依据各自适宜的频率合理选用。
(4)绘制机组测点示意图、测试报告表。
(5)检查测试系统，确定传感器安装位置。
(6)对实测的振动特征数据和图谱，用判断标准或参考图谱反复对比、分析，从振动机理上逐项排除与故障无关的因素后，结合现场感官诊断经验作出诊断结论。
(7)采用对应的治理预防措施，以消除隐患或故障。 3．方法得当
如果有仅能显示振动幅值（或能量）大小的简易诊断仪器，应根据传感器的频响范围选择最优的安装方式，选好测点并做标记。要辨知仪器上显示振动幅值大小是哪种参数（加速度、速度、位移），有无分档量程（低通、高通、带通）及其用途，能否显示有量纲（或无量纲）的诊断参数值或分贝值等。
利用这类仪器，可选用振幅值（有效值Xrms峰值Xr、均值万）、趋势图、波形因数（峰值Xp ,均值X)、波峰因数（峰值Xp、有效值 )、无量纲参数、冲击脉冲等诊断法，对机组作出定性的简易诊断。
若具有多种分析功能的旋转（往复）式机械数据采集与处理系统（精密诊断仪器），则可同时测试四个测点的加速度参量信号和一个光电信号，或同时测试四个通道的位移参量信号和一个键相脉冲信号。采集存储振动信号后，仪器可在时域、幅域和频域上对任一信号给出加速度a、速度V和位移d三种谱图，给诊断者提供了极大的方便。
信号的三域分析谱图具有不同的特征和用途。时域波形主要用于以下场合：
(1)机器转速低于100r/min时；
(2)故障比较严重且有明显的冲击时；
(3)信号存在调频或调幅现象时；
(4)需要确定准确的振动幅值时；
(5)需要确定信号中是否有外部干扰（随机或固定的）时。
从时域波形可大致判断出主要频率的组成，例如旋转机械不平衡故障较严重时，信号中有明显的以轴旋转频率为特征的周期成分；转轴不对中时，信号在一个周期内旋转频率的二倍频成分明显增大。
利用时域的自相关函数可提取混于随机噪声中的周期分量，根据其形状可判断原信号的性质；运行正常的设备，其振动信号的自相关函数往往与宽带随机噪声的自相关函数相近（无周期性），而当设备有故障，特别是出现周期性冲击故障时，在滞后量为其周期的整倍数处，自相关函数会出现较大的峰值。
在频域上进行频谱分析时，可从以下几方面入手：
(1)按频谱的高中低频段进行分析，以了解主要故障发生的部位；按特征频率、工频、超谐波、次谐波进行分析，以确定转子故障的范围。
(2)对主振动成分的来源进行分析，如工频成分突出往往是不平衡所致，二倍频为主往往是不对中或转轴横向裂纹，透平压缩机喘振时振幅较正常时大为增加，喘振频率一般为0.5~50Hz。
(3)做频谱对比发现故障。
在幅域分析中，必须把有量纲、无量纲诊断参数和对故障信号敏感性好的峭度指标、裕度指标、脉冲指标与稳定性好的波形指标、均方根值（有效值）结合起来使用，以兼顾其敏感性和稳定性。
4．刻苦实践
实践是检验成效的唯一标准。作为科研部门应从实践中不断研究出新型适用的诊断方法；作为监测诊断仪器或系统的生产厂家，应结合生产现场需要，开发出性能稳定、功能齐全、易于安装或携带的监测与诊断仪器或系统；从事状态监测与故障诊断的工程技术人员，则应争取领导的大力支持，视情配置功能齐全的精密诊断仪器或系统，以坚韧不拔的毅力，不辞劳苦地去实践，将监测与诊断的理论、技巧、方法与生产实践有机结合起来，方能取得成效。