旋轉機械設備故障診斷技術分析

費冠華 李瑞洋 寧曉霞

摘 要： 通過對大量旋轉機械設備故障進行診斷技術的分析研究，對現今國內設備進行分析研究的基本診斷方法，掌握常用的故障診斷技術，對設備的振動故障進行診斷，分析故障的成因，從根本上減少設備故障的發生，降低故障發生的頻次，提高整體生產效率，降低設備維護成本，提高整體利潤。

關鍵詞： 設備;故障診斷;旋轉機械

1 旋轉機械設備故障診斷概述

旋轉機械在工業生產中占有舉足輕重的地位，是安全生產當中很重要的因素之一。由于在日常生產生活當中，有很多因素不受人為因素控制，會產生不好的后果，帶來巨大的損失，產生深遠的社會影響。

1.1 什么是故障診斷技術

故障診斷也稱診斷，是用來檢查尋找故障的程序稱為診斷程序，對其它設備或系統執行診斷的系統稱為診斷系統。要對系統進行故障診斷，首先必須通過對設備診斷所需信息進行篩選、分析處理后，根據設備狀態運行參數等等，最終給出解決方案，做出正確的診斷，實現故障恢復。就本系統而言，為保證旋轉機械系統穩定性，專門設計了設備運行狀態監測，運行狀態趨勢預報，以及故障類型、原因診斷等在內的故障診斷方案。

1.2 設備故障診斷的基本分類及步驟

故障診斷方法可以分成兩大類：基于數學模型的故障診斷方法、基于人工智能的故障診斷方法。設備故障診斷的實施過程基本如下：通過信號采集系統將診斷系統的數字信號進行采集，經過分析記錄儀以及信號采集系統將結果傳遞給計算機系統進行分析診斷。本文主要是通過對旋轉機械振動基于數學模型的診斷，基于模糊數學的診斷方法，不需要建立精確的數學模型，適當的運用局部函數和模糊規則，進行模糊推理就可以實現模糊診斷的智能化。本文系統的論述實施設備故障診斷的意義與應用前景。

2 旋轉機械設備振動故障及診斷方法

從上世紀的1960年代中期開始，由于傳感器技術的不斷發展更新，旋轉機械的故障數據測量也變得越發簡單，診斷系統更加完善，計算機系統的引進，使數據處理能夠更加高效有序的進行。更加復雜的數學模型能夠快速的進行分析，從而解決問題。許多診斷對象的故障狀態是模糊的，診斷這類故障的一個有效的方法是應用模糊數學的理論。

2.1 基于機械振動波形的分析診斷

（1）旋轉機械在運行過程中會出現振動，其振動波形會隨著時間不斷變化，通過傳感器的信號采集能夠發現其所發生的同步振動符合時間變化的速度、位移或加速度均為周期性的函數。而機械振動所引發的故障符合這種周期函數的基本特點，主要是在工作頻率下有多次高次諧波附加而生成的。

（2）通過對振動波形的特征進行分析診斷旋轉機械故障的方法叫做波形分析法。對上圖進行分析可以看出這種曲線基本符合周期為t的正弦曲線。當該曲線頻率與旋轉機械的固有頻路相同時，就可以初步診斷為旋轉機械的轉子不平衡導致了機械的振動。

2.2 基于旋轉機械軸心運行軌跡的分析診斷

通過對旋轉機械轉子的軸心點相對于軸承座位移軌跡進行分析的方法就叫做軸心軌跡分析法。采集軸心點相對軸承的位移信號通過位移傳感器以及信號放大器等，可以在示波器上顯示出軸心運行軌跡。旋轉的方向形狀等關鍵信息都可以通過軸心軌跡圖看出。它可以較好地反映設備運行的狀況及故障的類型。主要故障類型有不平衡和中線不對正。理論上來講，轉子不平衡的軸心軌跡為圓形，但由于一些因素影響，實際軌跡橢圓形較多，運行溫度變化會影響其長軸傾角的改變。而不對正情況會在計算機模擬顯示當中主要外形為長條形或8字型。

在測量過程中，軸心軌跡會比較規整，但是當旋轉機械的運行情況變化或者異常的情況下，軸心軌跡的大小形狀等等會發生較大改變。

2.3 頻譜分析法

利用計算機進行快速的傅氏變換來實現頻譜分析，可以精準的提取出相應的診斷信息。在旋轉機械的故障診斷中，常用的頻譜圖主要有幅值譜及相位譜和自功率譜。

幅值譜表示信號中不同頻率的幅值在頻率軸上的分布情況。相位譜表示信號中不同頻率成分的相位沿頻率軸的變化情況。功率譜指的是信號樣本內含有的能量沿頻率軸的分布情況，多用在隨機信號為主的分析中。在現實應用中幅值譜的應用比較普遍，相位譜應用較少。而相對于幅值譜來說功率譜具有譜峰更加突出、應用更加廣泛等優點。

3 故障形成機理及對應診斷方法

3.1 不平衡和不對中故障類型

1）旋轉機械的轉子不平衡振動由于發生的過程不同，可以分為初始不平衡、漸發不平衡以及突發不平衡。由于轉子的質量中心不再軸線上，或是相對軸線分布不均勻，存在偏心距，在機械轉動時產生離心力，因此產生了不平衡振動。離心力的周期與轉子的轉動周期相同，振動幅值大小與轉速有關。而不對中主要是軸承不對中及軸系不對中，其中以軸系不對中最多。其中角度、平行容易發生不對中情況。

2）故障診斷。當通頻時域的波形圖為近似等幅的正弦波時，軸心軌跡圖與橢圓近似且比較穩定，徑向上個點的振動存在一定幅度的相位差。由于不平衡振動是轉子本身的離心力引起的橫向振動，因此轉速對不平衡振動的幅值影響較大，當產生共振時振動幅值達到最大的點。旋轉機械存在不平衡振動時，工頻相位隨之改變。

當通頻時域波形為周期性畸變正弦波時，頻譜圖為工頻，對中偏差較大，軸心軌跡為長橢圓以及8字型，轉子渦動為正進動基本上可以判斷為不對中。軸系不對中的轉子振動，會同時在軸向和徑向上產生振動，振動幅值伴隨負荷的增大而增大。

3.2 轉子彎曲故障類型

1）轉子彎曲振動機理。轉子在極小概率下會出現彎曲振動。轉子彎曲后不能動平衡校正。轉子彎曲后的振動頻率與工頻相同，其軸線會出現偏離支撐點的徑向變形。

2）轉子彎曲診斷。轉子彎曲后的振動時通頻時域的波形為接近等幅的正弦波，軸心軌跡為橢圓形。因為轉軸彎曲會出現摩擦，因此在頻譜圖、軌跡圖等圖形中還會存在摩擦特征。轉子彎曲的振動會存在較大的徑向振動，軸向方面也有一定的工頻振動，振幅的大小對轉速相當敏感，振幅與轉速成正比。

4 結語

機械故障診斷最終的目的就是為了確保設備安全穩定運行。如何尋找更加有效的算法，并進行綜合性的分析，確定設備的缺陷及故障，保證設備高效化運行，為企業創造更大的效益是今后研究的主要方向。

參考文獻：

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