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旋轉(zhuǎn)設(shè)備振動監(jiān)測與診斷(一)

信息來源:發(fā)布時間:2020-12-30閱讀:394
     隨著我國工業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展,大型旋轉(zhuǎn)設(shè)備的應(yīng)用越來越廣泛,從鋼鐵、煤炭、電力、水泥,到地鐵、飛機(jī)、火車、船舶等,都離不開旋轉(zhuǎn)設(shè)備的身影,比如泵與風(fēng)機(jī)、汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、渦輪機(jī)、飛機(jī)發(fā)動機(jī)等等,這些旋轉(zhuǎn)設(shè)備的穩(wěn)定運行對國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展越來越重要,一旦發(fā)生故障,都可能導(dǎo)致生產(chǎn)線停機(jī),造成的損失是非常大的。
振動的監(jiān)測與診斷對提高旋轉(zhuǎn)設(shè)備的穩(wěn)定運行有很重要的作用,建立在現(xiàn)代故障診斷技術(shù)的監(jiān)測與診斷系統(tǒng),可以實時監(jiān)測設(shè)備的運行狀態(tài),通過對數(shù)據(jù)的處理與分析,可以發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障的額原因以及預(yù)測設(shè)備可能的故障,為預(yù)防事故、科學(xué)安排檢修提供科學(xué)的依據(jù)。

 

□1 振動的分類

按振動規(guī)律分類:

按振動的規(guī)律,機(jī)械振動可以分為下面的幾類。

按振動頻率分類:
根據(jù)振動頻率的高低,振動可以分為三類:
低頻振動:頻率<10Hz
中頻振動:10Hz<頻率<1000Hz
高頻振動:頻率>1000Hz
 
□2 振動信號的物理量
振動的三個基本因素是振幅s、頻率f和相位φ。通常諧振動可以采用下面的函數(shù)來表示:
s=ASin(2π/T+  φ)                         
其中:
A:最大振幅(μm或者mm),或者稱為峰值
t:時間(s)
T:周期(s)
φ:相位(rad)
振幅s可以反映振動的強(qiáng)度。
如果用振速v來表示:
v=ωt
ω為角速度,ω=2π/T
通常以速度均方根值來表示振速,它最能反應(yīng)振動的烈度,目前許多標(biāo)準(zhǔn)都是采用速度均方根值Vrms作為判別的參數(shù),它與速度最大值Vp的關(guān)系:
Vrms=0.707Vp
頻率f表示物體每秒鐘振動的次數(shù),單位為Hz。
f=ω/2π
頻率是振動診斷的一個重要參數(shù),是判斷設(shè)備故障類型的主要依據(jù)。
相位角φ:表示振動的相對位置,不同振動源產(chǎn)生的振動都有各自的相位,相位相同的振動會引起共振,產(chǎn)生嚴(yán)重的后果;相位相反的振動會互相抵消,起到減振的效果。相位測量分析在故障診斷中也有相當(dāng)重要的地位。
 
3 振動的測量
振動的測量一般是測量振動體的位移、速度、加速度的大小,以及振動頻率、周期、相位、振型、頻譜等。
振幅的測量:
機(jī)械工程中一般采用速度傳器或者加速度傳感器來測量機(jī)械振動。通常,對于低頻振動,主要測量的振幅是位移量;對于中頻振動,主要測量的振幅是速度量;對于高頻振動,主要測量的振幅是加速度。
 
速度傳感器和加速度傳感器都是接觸式傳感器,直接安裝在設(shè)備的測量點;渦流式傳感器是非接觸式傳感器,它結(jié)構(gòu)簡單,線性度好,抗干擾能力強(qiáng),廣泛應(yīng)用不接觸式振動位移測量。
速度傳感器適用于測量軸承座、殼體以及基礎(chǔ)的一般頻帶內(nèi)的振動速度和振動位移。加速度傳感器適用于測量軸承座、殼體等的絕對運動。電渦流位移傳感器適合于測量轉(zhuǎn)子相對于軸承的相對位移,包括軸心平均位置及振動位移;它還可以測出轉(zhuǎn)軸軸心靜態(tài)位置的偏離,這個用于判斷軸心是否偏移很有好處。
頻率的測量:
頻率的測量一般采用頻譜分析儀直接測量。
總之,傳感器的選用以及測試對象和測試部位的選擇應(yīng)當(dāng)符合該部位的振動最能反映出測試對象的特點。
旋轉(zhuǎn)設(shè)備的測試內(nèi)容根據(jù)不同的目的,大概有以下幾方面:
1)運行中旋轉(zhuǎn)設(shè)備的振動監(jiān)測與保護(hù)。
2)流體壓力、流量、溫度的監(jiān)測與保護(hù)。
3)軸承溫度的監(jiān)測與保護(hù)。
4)轉(zhuǎn)子動平衡。
 
4 振動信號的處理與分析
機(jī)械振動測量的信號中包含對診斷有用的信息,但是也有一些沒用的信息,為了提取有用的信息,就必須對信號進(jìn)行處理。信號處理是設(shè)備診斷中不可缺少的重要手段。
振動信號的分析方法,可按信號處理方式的不同分為幅域分析、時域分析、頻域分析。
幅域分析是比較原始的一種分析方法,它只在波形的幅值上進(jìn)行,比如計算波形的最大值、最小值、平均值、有效值等。
時域分析是研究信號在時間域內(nèi)的變化或者分布。
頻域分析是確定信號的頻域結(jié)構(gòu),即信號中包含哪些頻率成分,分析的結(jié)果是以頻率為自變量的各種物理量的譜線或者曲線。
不同的分析方法是從不同的角度觀察、分析信號,使信號處理的結(jié)果更加豐富。
振動信號的時域分析:
振動信號的時域分析主要是指波形分析、軸心軌跡、相關(guān)分析和時序分析,他們可以在時域中提取信號的特征。
波形分析:
傳感器輸出的信號一般都是時間波形,對于具有明顯特征的波形,可以用來判斷設(shè)備的故障。例如,等距離的尖脈沖是沖擊的特征,削波表示有摩擦,正弦波主要是不平衡。
一般來說,正弦波一般表示不平衡故障;如下圖:
 
單純不對的振動波形比較穩(wěn)定、光滑、重復(fù)性好;如下圖:
轉(zhuǎn)子組件松動或者摩擦產(chǎn)生的波形比較毛糙、不平滑、不穩(wěn)定,還可能出現(xiàn)削波現(xiàn)象;
自激動振動,如油膜渦動、油膜振蕩等,其波形比較雜亂,重復(fù)性差,波動大。
軸心軌跡:
軸心運動軌跡是利用安裝在同一截面內(nèi)相互垂直的兩支電渦流傳感器對主軸振動測量后得到的,可以用來指示軸承的磨損、軸不對中、軸不平衡、軸承潤滑失穩(wěn)以及軸摩擦等。軸心軌跡非常直觀地顯示了轉(zhuǎn)子在軸承中的旋轉(zhuǎn)和振動情況,是設(shè)備故障振動中的重要特征信息。
正常情況下,軸心軌跡是穩(wěn)定的,旋轉(zhuǎn)過程中,軸軌跡基本上相互重合。如果軸心軌跡紊亂,形狀、大小不斷變化,則表示轉(zhuǎn)子運轉(zhuǎn)不穩(wěn)定,如果不及時檢查控制,很容易導(dǎo)致轉(zhuǎn)子失穩(wěn),釀成大事故。
啟停機(jī)過程:
通常將設(shè)備啟停機(jī)過程的振動信號稱為瞬態(tài)信號,是轉(zhuǎn)子系統(tǒng)對轉(zhuǎn)速變化的響應(yīng),是轉(zhuǎn)子動態(tài)特性和故障征兆的反映。
用于啟停過程的分析方法很多,除了軸心軌跡、軸心位置和相位分析以外,主要通過奈魁斯特圖、波德圖和瀑布圖來分析啟停過程的特性。
奈魁斯特圖是將在啟停過程中每個轉(zhuǎn)速下的基頻振幅和相位用極坐標(biāo)表示的一條曲線。利用奈魁斯特圖,可以分析振動振幅峰值和相位偏移,能夠發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的共振頻率和臨界轉(zhuǎn)速,還可以看出整個轉(zhuǎn)子系統(tǒng)對于不平衡的響應(yīng)。
波德圖是將各個轉(zhuǎn)速下的振幅和相位分別繪制在以轉(zhuǎn)速為橫坐標(biāo)的坐標(biāo)系上,作用與奈魁斯特圖一樣。
瀑布圖是將各個轉(zhuǎn)速下的振動信號的幅值譜疊加而成的,縱坐標(biāo)是轉(zhuǎn)速,橫坐標(biāo)是頻率。瀑布圖反映了全部頻率分量的振幅變化情況,但顯示不了振動的相位信息。
振動信號的頻域分析:
對于機(jī)械振動的診斷而言,時域分析只能粗略地回答設(shè)備是否有故障,但不能提供故障發(fā)生部位等信息,而頻域分析能通過了解測試對象地動態(tài)特性,對設(shè)備地狀態(tài)做出準(zhǔn)確評價,進(jìn)而對設(shè)備故障進(jìn)行定位。
設(shè)備故障發(fā)生時,往往會引起信號頻率結(jié)構(gòu)的變化,根據(jù)這些頻率成分的組成和大小,就可以對故障做出識別和評價。
頻域分析是以傅里葉積分為基礎(chǔ),將復(fù)雜信號分解為有限或者無限個頻率的簡諧分量。
振動分析的任務(wù)就是從頻譜圖上把每個頻譜分量與監(jiān)測設(shè)備的部件對照聯(lián)系,給每條頻率賦予物理的解釋,主要包括:
  • 振動頻譜包含的頻譜分量

  • 每條頻譜分量的幅值

  • 這些頻譜分量之間的關(guān)系

  • 如果有高幅值的頻譜分量,它的來源以及對應(yīng)設(shè)備的零部件

  • 如果能測相位,檢查相位是否穩(wěn)定

頻譜分析可以按下面的思路進(jìn)行:
1)按高中低頻率,初步了解故障發(fā)生的部位
2)按工頻、諧波進(jìn)行分析,振動信號大多數(shù)為工頻的整數(shù)倍,找出他們之間的聯(lián)系。
3)按特征頻譜分析。如不平衡必定產(chǎn)生工頻,氣流在葉片間流動必定有通過頻率,零部件沖擊有固有振動頻率等。
4)對主振幅值成分進(jìn)行分析。頻譜分析時,首先要關(guān)注幅值較高的頻譜,如工頻過高,往往是不平衡導(dǎo)致;二倍頻過高,可能與設(shè)備不對有關(guān);0.5倍頻高,預(yù)示渦動失穩(wěn);特低頻是由于喘振引起的;諧波豐富可能是松動造成。
5)通過頻譜對比分析發(fā)現(xiàn)異常。
 
總之,振動信號從幅域、時域和頻域反映了機(jī)器的運行狀態(tài)和故障的信息,通過振動分析可以識別和監(jiān)測設(shè)備的運行狀態(tài),并控制或者減少振動,為設(shè)備的正常運行提供了科學(xué)的指導(dǎo)依據(jù)。
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