應力波技術在設備狀態全周期監測診斷的運用與分析

劉大富

（江西銅業集團有限公司 貴溪冶煉廠，江西 貴溪 335424）

1 引言

設備全生命周期狀態監測診斷系統秉承當前的維護保養理念“未病先防、既病防變”，改變了常規的設備檢修思路和方法，從普遍采用的定期檢修向以提高設備可靠性為核心的狀態維修轉變，真正實現了預測維修和主動維修［1］。常規的技術分析，本質上都是事后才發出報警，即在故障實際發生以后發出報警，設備維護人員只能實施事后維修、非計劃停機，這樣給工廠造成巨額維修費用和生產損失。設備全生命周期健康狀態監測分析系統應力波的應用能對設備運行狀況進行全生命周期的監測和診斷，做出最早及可靠的偵判，對潛在的故障發出預警，提醒工廠維護人員及時采取恰當措施，避免非計劃停機和安全事故，減少維修費用、備件成本，保障設備的可靠運行［2］。

2 應力波介紹及其技術運用的優勢

應力波是應力和應變擾動的傳播形式，是在可變形固體介質中機械擾動表現為質點速度的變化和相應的應力、應變狀態的變化。應力、應變狀態的變化以波的方式傳播，稱為應力波［3］。

2.1 應力波技術監測靈敏度較高

應力波對高頻信號比較敏感，而當設備內部金屬體發生周期性和隨機性摩擦及沖擊時，引發的早期故障的特征信號大多集中在這個高頻率范圍，即38k+/-2k 赫茲范圍。不同部件之間發生相對運動，會產生摩擦和沖擊，部件內部首先會發生應力波變化。它屬于超聲波能量脈沖檢測，應力波在固體內部向各個方向沿著結構體輻射傳導，便于監測。

2.2 應力波能量可以量化

摩擦和沖擊摩擦與部件間相互接觸的表面面積、光滑度、相對表面速度、接觸壓力、潤滑條件、設備速度、負載變化存在關聯關系，沖擊與部件的沖擊速度、受損深度、受損尺寸和面積也存在關聯關系，通過量化摩擦和沖擊產生的應力波能量，可以很好地發現設備內部動態變化，便于對比。

2.3 “電子聽診”可以有效避免設備本體結構振動和噪聲干擾［4］

應力波傳感器相當于具有計算機功能的電子聽診器，它過濾掉了設備本體結構產生的振動和人耳可聽到的噪聲，因此，可以準確地捕捉內部細微的摩擦和沖擊變化，可以在設備產生故障并劣化發展，最終被傳統技術（潤滑、振動位移變化、溫度變化）發現之前的最早時刻或時期，對設備的健康狀態進行持續的監測。檢測更加精準。

2.4 簡單易用、易懂的圖形化分析

應力波檢測系統能夠提供能量趨勢、直方圖統計、頻譜特征FFT 三大分析工具，便于現場巡檢人員及設備管理專業人員等不同層次的人員對設備內部的摩擦和沖擊情況從宏觀和微觀兩個方面來做定性和定量分析，分析簡單易懂。

2.4.1 應力波能量圖

應力波能量圖用來表征設備運行過程中摩擦和沖擊的能量變化情況，健康的設備總體趨勢是相對平穩的，當內部的摩擦和沖擊相對于以前出現突變時，趨勢線會發生陡峭的上升，這表明設備內部檢測點附近出現了摩擦和沖擊演變。能量圖用來宏觀判斷設備是一種健康的工作狀態，還是不健康的工作狀態。綠色、黃色和紅色區域分別表示設備的健康狀態從健康到亞健康再到不健康的發展過程。

2.4.2 應力波直方圖

應力波直方圖用來表征設備運行過程中隨機性的摩擦和沖擊事件。它是一種數據統計分析，對一個周期時間內各種摩擦和沖擊能量出現的次數進行了統計，構建了直方圖。當直方圖成正態分布時，最小能量和最大能量處于穩定的位置，表明設備無隨機摩擦和沖擊發生；當直方圖成偏態分布時，最小能量和最大能量將向外側擴散，即越來越兩邊不對稱，表明設備內部的隨機性摩擦和沖擊在加劇。

圖1 應力波能量趨勢圖 平穩（左）突變（右）

圖2 應力波直方圖 健康（左） 不健康（右）

圖3 應力波頻譜FFT 圖 正常（左） 故障特征（右）

2.4.3 應力波頻譜圖

應力波頻譜圖是用來表征設備運行過程中周期性的摩擦和沖擊事件。它是一種對時域波形的FFT 變換，在豐富頻譜圖形上通過呈現不同的波峰和倍頻頻譜，不同的頻譜波形對應不同的故障特征頻率，利用現有的振動頻譜分析方法就可以識別頻率圖譜［5］。從而找到導致故障發生的原因和具體部件。

3 應力波技術的現場應用

3.1 貴溪冶煉廠某制氧空壓機設備狀態的現場短時間監測（1h）與分析

3.1.1 空壓機基本基本參數［6］

空壓機型號：DH80-16；介質: 空氣；流量:52000Nm3/h；轉速:7697/9435rpm；一、二、三、四級為滑動軸承。進氣壓力:0.0995MPa；排氣壓力:0.608MPa 。

圖4 空壓機現場圖片

3.1.2 機組運行狀況

空壓機振動一級軸承X/Y 向振動分別29μm/37μm；二級軸承X/Y向振動 分別34μm/45μm；三 級 軸 承X/Y 向 振 動 分別105μm/37μm；四 級 軸 承X/Y 向 振 動 分 別35μm/86μm；三級葉輪及軸的區域在X 方向的振動值比其他各級區域值偏明顯高。

3.1.3 現場監測與分析

分別在三、四級葉輪側及軸承位置安裝測點，如圖5、圖6 所示位置。

圖5 三、四級葉輪監測點

圖6 三四齒軸承監測點

3.1.4 檢測數據

在三級葉輪側監測點的分別測出應力波能量趨勢圖、直方圖、頻譜圖。從圖7、8、9 可知，該點的應力波能量值平穩。該直方圖“高瘦”，摩擦和沖擊較為平穩。從頻譜圖可看到，譜線平坦，該監測區域未發現明顯的周期性摩擦和沖擊事件。

在三級軸承監測點處分別測出應力波能量趨勢圖、直方圖、頻譜圖。從圖10、11、12 可知，該點的應力波能量值存在不平穩的波動。該點的直方圖“高瘦”，摩擦和沖擊相對平穩。該點存在接近電機轉速的頻率24.414Hz(1464rpm) 和接近高速軸的頻譜149.536Hz(8972rpm)以及頻率99.487Hz(與交流電50Hz 成兩倍關系)三條譜線。表明該監測點覆蓋區域存在與高速軸相關的摩擦不穩定事件。能量值為3～4mV，表明當前摩擦和沖擊不嚴重。

圖7 三級葉輪遠離齒輪箱應力波圖

圖8 三級葉輪遠離齒輪箱直方圖

圖9 三級葉輪遠離齒輪箱頻譜圖

圖10 三級葉輪靠近齒輪箱應力波圖

圖11 三級葉輪靠近齒輪箱直方圖

圖12 三級葉輪靠近齒輪箱頻譜圖

在四級葉輪側監測點的分別測出應力波能量趨勢圖、直方圖、頻譜圖。從圖13、14、15 可知，該點的應力波能量值比較平穩。該直方圖“高瘦”，摩擦和沖擊平穩。該點的頻譜平穩，沒有明顯的周期性沖擊事件。

圖13 四級葉輪遠離齒輪箱測量點應力波趨勢圖

圖14 為四級葉輪遠離齒輪箱測量點直方圖圖

在四級軸承監測點處分別測出應力波能量趨勢圖、直方圖、頻譜圖。從圖16、17、18 可以看出該應力波能量值比較平穩；該點的直方圖能量范圍較三級葉輪寬一些，但形態仍然呈現對稱狀態，表明內部摩擦和沖擊相對平穩。存在接近高速軸頻率156.86Hz(9411rpm)、接近低速軸頻率128.174Hz(7690rpm)和接近電機轉速頻率24.414Hz(1464rpm)的三條譜線。表明該監測點覆蓋區域存在與高速軸相關的摩擦不穩定事件。能量值為6～10mV，表明當前摩擦和沖擊不嚴重。

圖15 四級葉輪遠離齒輪箱監測點頻譜圖

圖16 四級葉輪靠近齒輪箱監測點應力波能量趨勢圖

圖17 四級葉輪靠近齒輪箱監測點的直方圖

圖18 四級葉輪靠近齒輪箱監測點頻譜圖

3.2 運用分析

從當前短時間的監測數據可以得出，應力波能夠有效監測設備內部摩擦和沖擊的變化。在三級葉輪區域有異常摩擦存在，尤其是在高速軸軸承箱附近。四級葉輪的滑動軸承潤滑情況比三級葉輪的滑動軸承潤滑情況差。葉輪未發現明顯的部件磨損，但設備當前的摩擦情況處于相對穩定狀態。尚未發現部件級損傷，未發現較為明顯的劣化跡象，設備依然處于正常服役狀態。建議持續監測設備的工作狀態，如果發現設備監測的直方圖變得更加偏態（能量向兩側或者單側持續傾斜），請對滑動軸承的潤滑情況進行檢查；如果發現應力波能量值持續上升，請對軸平衡進行檢查。結合實際監測現場的情況，請對三、四級葉輪蝸殼、齒輪箱的螺栓全部進行緊固檢查，尤其對三四級軸瓦間隙、磨損進行檢查。

4 結語

綜上所述，運用應力波技術長周期的對設備進行傳感監測和設備監測數據實時分析，可以全面掌握設備的日常運行情況、運行趨勢，尋找形成故障的原因，在故障發生早期、前期預測潛在的故障，密切關注偵測判斷具體設備部件故障的劣化，達到實時感知、全面分析、準確預測和定位的典型效果，為保障生產設備安全、穩定地完成生產任務、提升設備檢修工作水平、降低維護費用、優化備品備件和物料管理奠定技術基礎。