大型旋转机械状态检测与故障诊断讲义

大型旋转机械状态检测与故障诊断讲义

沈立智

阿尔斯通创为实技术发展（深圳）有限公司

2006年12月

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目 录

第一节 状态监测与故障诊断的基本知识 ............................................................... 4

一、

状态监测与故障诊断的意义 ................................................................................ 4

二、大机组状态监测与故障诊断常用的方法 ................................................................... 4 1. 振动分析法 ................................................................................................................................. 4 2. 油液分析法 ................................................................................................................................. 5 3. 轴位移的监测 ............................................................................................................................. 5 4. 轴承回油温度及瓦块温度的监测 ............................................................................................. 5 5. 综合分析法 ................................................................................................................................. 6 三、有关振动的常用术语 ................................................................................................... 6 1. 机械振动 ..................................................................................................................................... 6 2. 涡动、进动、正进动、反进动 ................................................................................................. 6 3. 振幅 ............................................................................................................................................. 7 3.1 振幅 ........................................................................................................................................... 7 3.2 峰峰值、单峰值、有效值 ....................................................................................................... 7 3.3 振动位移、振动速度、振动加速度 ....................................................................................... 7 3.4 振动烈度、振动标准 ............................................................................................................... 8 4. 频率 ............................................................................................................................................. 9 4.1 频率、周期 ............................................................................................................................... 9 4.2 倍频、一倍频、二倍频、0.5倍频、工频、基频、半频 ..................................................... 9 4.3 通频振动、选频振动 ............................................................................................................. 10 4.4 故障特征频率 ......................................................................................................................... 10 5. 相位 ........................................................................................................................................... 12 5.1 相位、相位差 ......................................................................................................................... 12 5.2 键相器 ..................................................................................................................................... 13 5.3 绝对相位 ................................................................................................................................. 13 5.4 同相振动、反相振动 ............................................................................................................. 14 5.5 相位的应用 ............................................................................................................................. 14 6. 相对轴振动、绝对轴振动、轴承座振动 ............................................................................... 16 7. 横向振动、轴向振动、扭转振动 ........................................................................................... 16 8. 刚性转子、挠性转子、圆柱形振动、圆锥形振动、弓状回转 ........................................... 17 9. 刚度、阻尼、临界阻尼 ........................................................................................................... 17 10. 临界转速 ................................................................................................................................. 18 11. 挠度、弹性线、主振型、轴振型 ......................................................................................... 18 12. 高点、重点 ............................................................................................................................. 19 13. 机械偏差、电气偏差、晃度 ................................................................................................. 20 14. 谐波、次谐波 ......................................................................................................................... 20 15. 同步振动、异步振动、亚异步振动、超异步振动 ............................................................. 20 16. 共振、高次谐波共振、次谐波共振 ..................................................................................... 21 17. 简谐振动、周期振动、准周期振动、瞬态振动、冲击振动、随机振动 ......................... 21 18. 自由振动、受迫振动、自激振动、参变振动 ..................................................................... 22 19. 旋转失速、喘振 ..................................................................................................................... 23 20. 半速涡动、油膜振荡 ............................................................................................................. 24

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第二节 状态监测与故障诊断的基本图谱 ............................................................. 26

一、常规图谱 ..................................................................................................................... 26 1. 机组总貌图 ............................................................................................................................... 26 2. 单值棒图 ................................................................................................................................... 26 3. 多值棒图 ................................................................................................................................... 27 4. 波形图 ....................................................................................................................................... 28 5. 频谱图 ....................................................................................................................................... 31 6. 轴心轨迹图 ............................................................................................................................... 31 7. 振动趋势图 ............................................................................................................................... 33 8. 过程振动趋势图 ....................................................................................................................... 36 9. 极坐标图 ................................................................................................................................... 36 10. 轴心位置图 ............................................................................................................................. 37 11. 全息谱图 ................................................................................................................................. 37 二、启停机图谱 ................................................................................................................. 38 1. 转速时间图 ............................................................................................................................... 38 2. 波德图 ....................................................................................................................................... 39 3. 奈奎斯特图 ............................................................................................................................... 41 4. 频谱瀑布图 ............................................................................................................................... 42 5. 级联图 ....................................................................................................................................... 43

第三节 故障诊断的具体方法及步骤 ..................................................................... 44

一、故障真伪的诊断 ......................................................................................................... 44 1. 首先应查询故障发生时生产工艺系统有无大的波动或调整 ............................................... 44 2. 其次应查看仪表、主要是探头的间隙电压是否真实可信 ................................................... 46 3. 应查看相关的运行参数有无相应的变化 ............................................................................... 48 4. 应察看现场有无人可直接感受到的异常现象 ....................................................................... 49 二、故障类型的诊断 ......................................................................................................... 51 1. 振动故障类型的诊断 ............................................................................................................... 51 1. 1主要异常振动分量频率的查找步骤及方法 ......................................................................... 52 a）先看棒图或多值棒图 .............................................................................................................. 52 b）依次调看振动趋势图 .............................................................................................................. 53 c）最后看频谱图 .......................................................................................................................... 53 1.2 根据异常振动分量的频率进行振动类型诊断 ..................................................................... 54 a) 主要异常振动分量为工频时 ................................................................................................... 54 b) 主要异常振动分量为低频时 ................................................................................................... 56 c) 主要异常振动分量为二倍频时 ............................................................................................... 58 d) 主要异常振动分量为其它频率时 ........................................................................................... 59 2. 轴位移故障原因的诊断 ........................................................................................................... 60 三、 故障程度的评估 ....................................................................................................... 61 四、 故障部位的诊断 ....................................................................................................... 63 五、 故障趋势的预测 ....................................................................................................... 64

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第一节 状态监测与故障诊断的基本知识

一、 状态监测与故障诊断的意义

状态监测是指通过一定的途径了解和掌握设备的运行状态，包括利用监测与分析仪表（定时的或非定时的、在线的或离线的），采用各种检测、监视、分析和判别方法，结合设备的历史和现状，对设备当前的运行状态作出评估（属于正常、还是异常），对异常状态及时作出报警，并为进一步进行故障分析、性能评估等提供信息和数据。

故障是指机械设备丧失了原来所规定的性能或状态。通常把机械设备在运行中所发生的状态异常、缺陷、性能恶化、以及事故前期的状态统统称为故障，有时也把事故直接归为故障。

而大型旋转机械机组的故障诊断，则是根据对大机组进行状态监测所获得的信息，结合机组的工作原理、结构特点、运行状况，对有可能发生的故障进行分析、预报，对已经或正在发生的故障进行分析、判断，以确定故障的性质、类别、程度、部位及趋势，对维护机组的正常运行和合理检修提供正确的技术支持。

大型旋转机械由于功率大、转速高、流量大、压力高、结构复杂、监控仪表繁多、运行及检修要求高，因此在设计、制造、安装、检修、运行等诸多环节上稍有不当，都会造成机组在运行时发生种种故障。大型机组本身价格昂贵，其故障停机又会引起整个生产装置的全面停产，会给企业、社会、国家造成巨大的经济损失。因此，认真做好大机组的状态监测与故障诊断工作，对避免恶性事故的发生、降低故障停机次数、缩短故障停机检修时间、减少企业的经济损失是十分有益的。

二、大机组状态监测与故障诊断常用的方法

1. 振动分析法

振动分析法是大机组状态监测与故障诊断所使用的主要方法。

振动分析法是对设备所产生的机械振动（对大机组来说，主要是是转子相对于轴承的振动）进行信号采集、数据处理后，根据振幅、频率、相位及相关图谱所进行的故障分析。

一方面，由于在大型旋转机械的所有故障中，振动故障出现的概率最高；另一方面，振动信号包含了丰富的机械及运行的状态信息，它既包含了转子、轴承、

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联轴器、基础、管线等机械零部件运行中自身状态的信息，又包含了诸如转速、流量、进出口压力以及温度、油温等影响运行状态的信息；第三，振动信号易于拾取，便于在不影响机组运行的情况下实行在线监测和诊断。因此，振动分析法是旋转机械故障诊断中运用最广泛、最有效的方法，同时也是大机组故障诊断的主要方法。采用振动分析法，可以对旋转机械大部分的故障类型进行准确的诊断，如转子动不平衡问题、转子弯曲、轴承工作不良、油膜涡动及油膜振荡、转子热不对中、动静件摩擦、旋转失速及喘振、转轴的横向裂纹、机械松动、结构共振等等。

2. 油液分析法

油液分析法是对润滑油本身以及油中微小颗粒所进行的理化分析，也是大机组状态检测与故障诊断中的一个重要方法。

油液分析法主要分为两大类，一类是润滑油油液本身的常规理化分析，另一类是对油中所含有的微小颗粒所进行的铁谱分析、光谱分析、颗粒计数等。

通过对润滑油油液的粘度、闪点、酸值、破乳化度、水分、机械杂质、液相锈蚀试验、抗氧化安全性等各种主要性能指标的检验分析，可以准确地掌握润滑油本身的性能信息，也可以大概地了解到机组轴承、密封的工作状况。

通过对对油液中不溶物质、主要是微小固体颗粒所进行的铁谱分析、光谱分析，不仅可以定性、而且可以定量地测定颗粒的构成元素及浓度，尤其是通过铁谱显微镜或光谱显微镜等手段还可以观察到微小颗粒的形貌、尺寸及其分布，从而能够对磨损状态进行科学的分析与诊断。即，根据元素及浓度来判断哪个零部件（如轴颈、轴承、油封、浮环、机械密封、齿轮、齿式联轴器等）发生了非正常磨损，根据浓度、尤其是颗粒的形貌、尺寸来判断其当前的磨损程度。

3. 轴位移的监测

在某些非正常的工况下，大型旋转机械的转子会因轴向力过大而产生较大的轴向位移，严重时会引起推力轴承磨损，进而发生转子（如叶轮）端面与隔板或缸体摩擦碰撞；汽轮机在启动和停车过程中，会因转子与缸体受热和冷却不均而产生差胀，严重时会发生轴向动静摩擦。尽管转子轴位移故障的概率不是很高，但也常有发生，特别是一旦发生后对设备造成的损坏往往是灾难性的。所以，对轴位移进行在线状态监测和故障诊断很有必要。

4. 轴承回油温度及瓦块温度的监测

检修或运行中的操作不当都会造成轴承工作不良，从而引起轴承回油温度及瓦块温度升高，严重时会造成烧瓦，因此对轴承回油温度、瓦块温度进行监测非常必要。API （美国石油协会标准）规定，轴承进出口润滑油的正常温升应小

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