振動監測技術在設備故障診斷中的應用

鄭 起，龐子祺，劉小龍

（遼河油田油氣集輸公司，遼寧盤錦 124010）

0 引言

機械設備故障診斷技術的流程為：設備運行數據的獲取、提取異常故障特征、故障診斷、形成維修建議。機械設備的運行數據能夠直觀的反映出機械設備故障或異常信息，根據設備的運行狀態，選取合適的信號采集方法并進行分析，能夠有效的提高設備故障診斷的準確率。因此，準確、全面的采集到足夠數量而且真實有效的設備運行狀態信號是準確進行故障診斷的關鍵。狀態信號主要體現在以下方面：溫度、壓力、振動、光譜、鐵譜、轉速等，通過以上檢測方法獲取相應的數據，以此分析設備的運行狀態[1]。

1 旋轉機械的故障模式

由于旋轉機械存在先天設計缺陷、動平衡和聯軸器對中精度缺陷、設備日常維護和潤滑不到位等問題，使得旋轉機械在運行過程中可能會存在故障，旋轉機械的故障模式主要有以下3種：

（1）機械松動.機械松動分為結構松動和旋轉松動。支承系統緊力不足、結合面間隙過大、安裝不良、長期運行造成過度磨損、設計結構不合理以及無防松動措施等都是造成松動的常見原因[2]。機械松動也可以在達到工作溫度且部件已經熱膨脹后出現。

（2）轉子不平衡。轉子不平衡是由于轉子部件出現缺損或轉子部件質量偏心造成的故障，它是旋轉機械最常見的故障[3]。轉子制造誤差大、轉子結垢、介質帶液造成腐蝕、配合零件松動等都是造成轉子不平衡的原因。轉子不平衡可分為靜不平衡、偶不平衡和動不平衡3種情況。

（3）軸承故障。軸承是旋轉機械中最常用的部件之一，也是最常見的故障部件[4]。以軸承故障特征頻率來識別滾動軸承故障是目前簡單有效的方法。軸承故障主要是因為潤滑不良、負載過重、安裝不正以及異物進入等原因引起的。軸承故障表現形式為軸承磨損、銹蝕、膠合、碎裂、表面剝落、腐蝕等故障。

2 旋轉機械常見的監測方法

旋轉機械目前常用的監測參數包括：工藝運行參數、設備振動參數、設備本體溫度及相應的電流、電壓、電阻等參數，選擇合適的參數進行監測能夠極大的提高設備故障診斷的準確率。

（1）振動監測。此種方法是利用振動傳感器對設備的非旋轉部位進行監測。通過故障診斷儀和分析軟件，系統采集并顯示機組各部振動、轉速等參數，同時結合壓力、溫度、流量等工況信息，對機組振動數據進行橫向比較和多次測量數據的縱向比較，分析正常的和異常的時頻域特性圖譜，判斷出設備是否存在故障問題[5]。可以實現對設備故障做到早發現、早研判、早預警、早處置。為設備有效性評估、評價等提供有力數據支撐。

（2）溫度監測。軸承是旋轉設備最重要的機械部件之一，起著承受載荷和傳遞載荷的作用，同時軸承也是易損元件[6]。它的好壞對設備的正常運行影響極大。溫度監測因為結構簡單、操作方面，是對軸承比較有效的監測手段之一。它是通過預先埋置在軸承部位的溫度探頭或使用紅外熱成像儀檢測溫度變化，進行故障診斷。根據溫度的高低能夠直觀的判斷軸承零部件的運行狀態。

（3）電氣監測。電氣監測主要包括對設備的供電線路、PLC控制系統、絕緣情況、設備接地及電機的電壓、電流等參數進行監測。如果設備出現電氣故障，首先需要對電路的情況進行了解，對設備進行全方位的分析，采取行之有效的措施解決故障問題。電流監測是電氣最常見的監測方式之一，電流信號容易采集，同時便于與監測系統集成[7]。一旦電流異常增大，則需要對設備進行加密觀察或配合其他監測方式，查找數據異常原因。

（4）油液監測。油液監測是設備狀態診斷的重要分析手段之一，廣泛應用于各行各業，它是通過分析被監測設備在用潤滑油（脂）的理化指標如酸值、水分、閃點、黏度、機械雜質等性能狀況來判斷機器的運行狀態，并確定故障原因、類型的技術。據統計顯示，大多數設備零部件的失效和更換是屬于漸進的表面劣化，因此油液分析技術能夠有效的檢測設備零部件磨損失效的變化過程。

3 設備故障診斷實例

3.1 壓縮機電機松動問題

某廠壓縮車間5#壓縮機為往復式壓縮機，其配套電機為增安型三相異步電機，型號為YAKK 5003-6，功率為710 kW，轉速為991 r/min。主要負責為壓縮機提供機械能。

在對該電機空載試運轉時，使用手持式測振儀對此電機進行測量，電機驅動端振動速度超過3.01 mm/s，已超過GB/T 10068—2020《軸中心高為56 mm及以上電機的機械振動 振動的測量、評定及限值》[8]標準中對電機振動值的限定要求（表1），且經過一次維修后，效果并沒有改善，振動過大的現象依舊存在。

表1 不同軸中心高H用位移和速度表示的振動強度限值

采用離線監測的方法對此電機進行故障診斷。在監測前首先咨詢此電機的歷史維保記錄，逐個檢查電機的地腳螺栓，并沒有發現地腳螺栓出現松動的情況。隨后采用8通道故障診斷儀對電機兩端的水平、垂直及軸向6個點位進行振動信號的采樣，并進行故障分析，以下是分析的具體過程。

電機轉速為991 r/min，因此轉動頻率為16.5 Hz，從圖1徑向水平方向的頻域圖譜可以看到，整機振動頻率以整數倍頻為主。

圖1 電機驅動端徑向水平頻域波形

首先可以排除動平衡故障，如果電機存在不平衡故障，電機的高數倍頻不會突出，所以根據經驗判斷電機不存在平衡的問題。再結合檢測前對該設備的現場檢查及對溫度的監測，發現驅動端軸承溫度在運行過程中逐漸上升，振動幅值不穩定，在1～3 mm/s之間波動，根據表2轉子支承部件松動故障特征綜合判斷，電機空載情況下，電機驅動端時域及頻域波形呈現出驅動端存在松動現象[9]。

表2 轉子支承部件松動的故障特征

最終在返廠維修后，電機拆檢檢查發現電機轉子鐵芯與轉子焊筋處有2處縫隙，經測量有0.5 mm間隙（圖2）。轉子內風扇支撐桿處出現裂縫脫焊現象（圖3），符合前期診斷結果。

圖2 轉子鐵芯與轉子焊筋處有2處0.50 mm縫隙

圖3 風扇支撐桿處脫焊

3.2 空壓機軸承損壞問題

空壓機是裝置生產過程中提供儀表風的重要設備，一旦損壞，會導致裝置內的氣動閥門處于失控狀態，影響生產平穩運行。在正常運行過程中，空壓機的在線振動探頭發出報警，顯示空壓機振動速度已超過標準要求，螺桿泵自由端垂直振動速度達到9.13 mm/s，驅動端垂直振動速度也達到5.94 mm/s。

通過圖譜分析，螺桿泵與電機均以20 Hz為主導故障頻率，圖4為螺桿泵端水平振動頻率圖譜。

圖4 螺桿泵端水平振動頻率圖譜

因電機軸承型號為SKF 6316/C3，經查詢軸承保持架在3 000 r/min時的故障特征頻率為19.5 Hz，SKF 6316/C3軸承的特征頻率參數為：轉速3000 r/min時，內圈特征頻率245.5 Hz；外圈特征頻率154.5 Hz；滾動體特征頻率207.5 Hz；保持架特征頻率19.5 Hz。考慮到故障診斷儀頻率分辨存在一定的誤差，故推斷電機軸承保持架損壞為機組呈現20 Hz主導頻率的原因。因螺桿機與電機采用止口螺栓連接，同時整機采用柔性基礎，螺桿機下部基礎自由度最大，故機組運行時，由電機端軸承損壞產生的振動傳導至螺桿泵端并進行了放大。后依據診斷結果對電機進行維修，拆卸后，發現軸承保持架已嚴重損壞（圖5）。

圖5 電機軸承保持架損壞

4 結束語

設備故障將導致相關生產或者過程設備失效，從而帶來生產停工、設備損壞等問題，給企業帶來無法彌補的經濟損失。以旋轉設備常見故障及相關的監測方法為切入點，介紹振動監測與故障診斷技術的應用與實例，通過此項技術，能夠實現設備在運行過程中，對其振動狀態的監測與分析，依據相應的分析結果，判定設備是否存在異常或故障，并對未來的狀態進行預測，以制定相應的檢維修計劃，避免設備的維修不足和過度維修，實現節約費用、提質增效以及安全生產的目的。