綜合診斷方法在高速旋轉機械故障診斷中的應用

盧少龍 陳賢榮

摘要：旋轉機械是各種類型機械設備中數量最多應用最廣的一類機械，特別是一些大型旋轉機械，如汽輪機、離心式壓縮機等成為支持國家經濟命脈工業門類中的關鍵設備。高速旋轉機械的故障診斷中，把在線振動曲線和典型故障振動特征頻譜分析法以及潤滑油樣鐵譜分析法相結合、互為驗證，有別于依靠單一檢測手段的故障診斷，能提高診斷的準確性、時效性，同時也為維修效果提供多手段的驗證方法。

關鍵詞：故障診斷、頻譜分析、鐵譜分析、在線監測

1.各種監測方式的優勢與局限

現代化工業生產中，設備已基本實現了自動化運行，并建立了各種設備運行參數曲線及數據收集系統（如MES系統）。通過電流的變化曲線來判斷電機的運行狀況;通過在線振動曲線的變化來監控轉子運行狀況;通過潤滑油分析監視磨損的發展;通過頻譜分析準確定位故障部位。

1.1電流運行曲線

電流信號是電機運行時的實際電流，監測設備摩擦阻力增加引起電流增加的故障。從電流上可以判斷電機是否正常運轉，如果電流升高，則可能出現電機與其相聯接設備的旋轉部件卡死或者異常磨損、摩擦等情況。如果電流降低，則可能出現電機空轉，主機設備不做功現象。電流運行曲線對于故障診斷來說單一的，無法知道引起設備故障的具體原因，但是可以給出一個診斷方向。

1.2在線振動曲線監測

在線振動曲線能夠直觀的看出振動值隨時間的變化，從振動值上可以判讀設備運行狀態和健康狀況。具有較強的時效性連續性好，且安裝方便。一般以垂直安裝監測豎直方向的振動值，無法解答引起設備振動變化的原因。

1.3頻譜分析

狀態監測是在設備運行或者基本不拆卸設備的情況下，通過儀器獲得準確的設備信息。頻譜分析是狀態監測中使用最為廣泛的方法之一。采集旋轉機械帶有周期的振動信號，這些振動信號并不是只包含單一頻率成分的簡諧振動，而是包含多種頻率成分。這些頻率成分往往直接于機械中各種零件的機械物理特性關聯在一起，通過數學變換可以準確的反應設備各部件的運行狀況，從而對設備的可靠性進行評價。頻譜分析很精準的反映了設備的真實狀況。因其采樣和判讀跟判讀者能力和經驗有很大關聯，抗干擾能力偏弱。

1.4潤滑油鐵譜分析

鐵譜分析是一種借助磁力將油液中的金屬顆粒分離出來，并對這些顆粒進行分析的技術，是檢測潤滑油狀態監測的一種有效手段，主要檢測和診斷機械設備的齒輪箱、軸承系統和液壓系統。根據摩擦學研究表明，磨粒的類型、數量和增加速度與摩擦表面材料的磨損程度和速度直接相關，而磨損形式、顏色和尺寸與磨損類型和磨損過程密切相關。因此該方法可以在判斷磨損故障的位置、嚴重程度、發展趨勢和原因方面發揮綜合作用，對判斷設備傳動部件的磨損程度有較好的指向性。

2.綜合故障診斷應用

如何利用眾多監測數據開展綜合性地故障診斷，精準地找出故障原因是狀態維修關鍵。以我公司離心式高壓風機為例，該風機為國外進口懸臂式離心風機，2011安裝投用。設備連續運行近10年。轉速2979r/min，軸承型號6240，潤滑油為美孚46#抗磨液壓油，主要由10000V高壓電機、液壓油站、主機部分組成，主機與電機使用柱銷聯軸器連接傳動。該機配備電流運行曲線監測、在線振動曲線監測。振動監測通過DCS系統實現高限連鎖，當葉輪端水平振動大于等于7mm/s時連鎖停機。

2021年8月，在線振動發現振動增大但原因不明。隨后進行的頻譜分析發現主機葉輪端水平振動4.7mm/s，頻譜以1X頻為主并伴隨有2X、3X、4X頻出現。初步判斷振動增大是由轉子動不平衡或基座地腳松動引起。9月初利用臨時短停的機會對該機地腳基座螺栓進行檢查，并在線清洗葉輪。同時將潤滑油取樣進行鐵譜分析。開機后葉輪端水平振動降至3.4mm/s，但頻譜發現的故障并未排除。

9月11日該機在線振動突然增大，再次狀態監測葉輪端水平振動4.8mm/s、軸向振動6.8mm/s，聯軸器端水平振動4.8mm/s、軸向振動6.2mm/s，葉輪端水平振動頻譜1X頻為主（幅值6.48），伴隨有2X、3X、4X頻出現。聯軸器端軸向振動頻譜3X頻為主（幅值7.01），伴隨有1X、4X頻出現。整機軸向振動較大，且3X頻突出。主機兩端軸承加速度譜高頻有峰群出現，且時域指標中峭度增大但未見軸承故障特征頻率。查看近兩月該機的電流曲線，運行穩中略升。潤滑油鐵譜分析結果顯示潤滑油清潔度等級較高、各項指標在正常水平，未見異常磨損。

綜合之前的檢查和監測：地腳螺栓檢查排除了地腳松動，潤滑油鐵譜分析排除了軸承故障，電機負荷未出現異常大幅增加說明各摩擦副基本正常。頻譜中的峰群可視作軸承早期故障或為游隙偏大。葉輪水平頻譜異常指向葉輪動平衡不佳，聯軸器軸向頻譜異常指向柱銷故障。根據綜合故障診斷結果檢修目標設定為葉輪、聯軸器。

3.檢修

檢修項目設置為拆檢清洗葉輪，著色探傷檢查葉輪焊縫，檢查聯軸器部件，復核對中。

實際檢修發現聯軸器柱銷彈性塊老化破裂，聯軸器柱銷孔未見明顯磨損。對中數據檢查無異常。葉輪表面有較多附著物遂徹底清洗葉輪。對葉輪焊縫著色探傷未發現缺陷。

4.結束語

對于現代企業的設備管理，故障預判斷是設備可靠性運行的保障，是實現設備狀況動態化管理、信息化管理的重要條件，而綜合性故障診斷是故障預判斷的核心。了解各種監測方式的優勢與局限，通過綜合故障診斷方法發揮各自特長，實現科學精準檢修。在提升檢修效率的同時減少生產時間占用，避免過度檢修降低生產停滯損失。

參考文獻：

[1]張碧波.《設備狀態監測與故障診斷》

[2]張興華，《頻譜分析在風機狀態監測中的應用》 中小企業管理與科技，2018年第5期