旋转设备振动监测与诊断(一)

浏览数量:28     作者:本站编辑     发布时间: 2021-01-04      来源:本站

转自风机技术研究

随着我国工业现代化的发展,大型旋转设备的应用越来越广泛,从钢铁、煤炭、电力、水泥,到地铁、飞机、火车、船舶等,都离不开旋转设备的身影,比如泵与风机、汽轮机、燃气轮机、涡轮机、飞机发动机等等,这些旋转设备的稳定运行对国民经济的发展越来越重要,一旦发生故障,都可能导致生产线停机,造成的损失是非常大的。振动的监测与诊断对提高旋转设备的稳定运行有很重要的作用,建立在现代故障诊断技术的监测与诊断系统,可以实时监测设备的运行状态,通过对数据的处理与分析,可以发现设备故障的额原因以及预测设备可能的故障,为预防事故、科学安排检修提供科学的依据。

1 振动的分类

按振动规律分类:

按振动的规律,机械振动可以分为下面的几类。

图片1

按振动频率分类:根据振动频率的高低,振动可以分为三类:

低频振动:频率<10Hz

中频振动:10Hz<频率<1000Hz

高频振动:频率>1000Hz
2 振动信号的物理量

振动的三个基本因素是振幅s、频率f和相位φ。通常简谐振动可以采用下面的函数来表示:s=ASin(2π/T+  φ)                       

 其中:

A:最大振幅(μm或者mm),或者称为峰值

t:时间(s)

T:周期(s)

φ:相位(rad)

振幅s可以反映振动的强度。

如果用振速v来表示:v=ωt

ω为角速度,图片2

通常以速度均方根值来表示振速,它最能反应振动的烈度,目前许多标准都是采用速度均方根值Vrms作为判别的参数,它与速度最大值Vp的关系:Vrms=0.707Vp

频率f表示物体每秒钟振动的次数,单位为Hz。

图片3

频率是振动诊断的一个重要参数,是判断设备故障类型的主要依据。

相位角φ:表示振动的相对位置,不同振动源产生的振动都有各自的相位,相位相同的振动会引起共振,产生严重的后果;相位相反的振动会互相抵消,起到减振的效果。相位测量分析在故障诊断中也有相当重要的地位。
3 振动的测量

振动的测量一般是测量振动体的位移、速度、加速度的大小,以及振动频率、周期、相位、振型、频谱等。

振幅的测量:

机械工程中一般采用速度传感器或者加速度传感器来测量机械振动。通常,对于低频振动,主要测量的振幅是位移量;对于中频振动,主要测量的振幅是速度量;对于高频振动,主要测量的振幅是加速度。速度传感器和加速度传感器都是接触式传感器,直接安装在设备的测量点;涡流式传感器是非接触式传感器,它结构简单,线性度好,抗干扰能力强,广泛应用不接触式振动位移测量。速度传感器适用于测量轴承座、壳体以及基础的一般频带内的振动速度和振动位移。加速度传感器适用于测量轴承座、壳体等的绝对运动。电涡流位移传感器适合于测量转子相对于轴承的相对位移,包括轴心平均位置及振动位移;它还可以测出转轴轴心静态位置的偏离,这个用于判断轴心是否偏移很有好处。

频率的测量:

频率的测量一般采用频谱分析仪直接测量。总之,传感器的选用以及测试对象和测试部位的选择应当符合该部位的振动最能反映出测试对象的特点。旋转设备的测试内容根据不同的目的,大概有以下几方面:1)运行中旋转设备的振动监测与保护。

2) 流体压力、流量、温度的监测与保护。

3) 轴承温度的监测与保护。

4)转子动平衡。
4 振动信号的处理与分析

机械振动测量的信号中包含对诊断有用的信息,但是也有一些没用的信息,为了提取有用的信息,就必须对信号进行处理。信号处理是设备诊断中不可缺少的重要手段。振动信号的分析方法,可按信号处理方式的不同分为幅域分析、时域分析、频域分析。幅域分析是比较原始的一种分析方法,它只在波形的幅值上进行,比如计算波形的最大值、最小值、平均值、有效值等。时域分析是研究信号在时间域内的变化或者分布。频域分析是确定信号的频域结构,即信号中包含哪些频率成分,分析的结果是以频率为自变量的各种物理量的谱线或者曲线。不同的分析方法是从不同的角度观察、分析信号,使信号处理的结果更加丰富。

振动信号的时域分析:

振动信号的时域分析主要是指波形分析、轴心轨迹、相关分析和时序分析,他们可以在时域中提取信号的特征。

波形分析:传感器输出的信号一般都是时间波形,对于具有明显特征的波形,可以用来判断设备的故障。例如,等距离的尖脉冲是冲击的特征,削波表示有摩擦,正弦波主要是不平衡。一般来说,正弦波一般表示不平衡故障;如下图:

图片4

单纯不对中的振动波形比较稳定、光滑、重复性好;如下图:

图片5

转子组件松动或者摩擦产生的波形比较毛糙、不平滑、不稳定,还可能出现削波现象;自激动振动,如油膜涡动、油膜振荡等,其波形比较杂乱,重复性差,波动大。

轴心轨迹:

轴心运动轨迹是利用安装在同一截面内相互垂直的两支电涡流传感器对主轴振动测量后得到的,可以用来指示轴承的磨损、轴不对中、轴不平衡、轴承润滑失稳以及轴摩擦等。轴心轨迹非常直观地显示了转子在轴承中的旋转和振动情况,是设备故障振动中的重要特征信息。正常情况下,轴心轨迹是稳定的,旋转过程中,轴轨迹基本上相互重合。如果轴心轨迹紊乱,形状、大小不断变化,则表示转子运转不稳定,如果不及时检查控制,很容易导致转子失稳,酿成大事故。

启停机过程:

通常将设备启停机过程的振动信号称为瞬态信号,是转子系统对转速变化的响应,是转子动态特性和故障征兆的反映。

用于启停过程的分析方法很多,除了轴心轨迹、轴心位置和相位分析以外,主要通过奈魁斯特图、波德图和瀑布图来分析启停过程的特性。

奈魁斯特图是将在启停过程中每个转速下的基频振幅和相位用极坐标表示的一条曲线。利用奈魁斯特图,可以分析振动振幅峰值和相位偏移,能够发现转子的共振频率和临界转速,还可以看出整个转子系统对于不平衡的响应。

波德图是将各个转速下的振幅和相位分别绘制在以转速为横坐标的坐标系上,作用与奈魁斯特图一样。瀑布图是将各个转速下的振动信号的幅值谱叠加而成的,纵坐标是转速,横坐标是频率。瀑布图反映了全部频率分量的振幅变化情况,但显示不了振动的相位信息。

振动信号的频域分析:

对于机械振动的诊断而言,时域分析只能粗略地回答设备是否有故障,但不能提供故障发生部位等信息,而频域分析能通过了解测试对象地动态特性,对设备地状态做出准确评价,进而对设备故障进行定位。设备故障发生时,往往会引起信号频率结构的变化,根据这些频率成分的组成和大小,就可以对故障做出识别和评价。

频域分析是以傅里叶积分为基础,将复杂信号分解为有限或者无限个频率的简谐分量。振动分析的任务就是从频谱图上把每个频谱分量与监测设备的部件对照联系,给每条频率赋予物理的解释,主要包括:

振动频谱包含的频谱分量

每条频谱分量的幅值

这些频谱分量之间的关系

如果有高幅值的频谱分量,它的来源以及对应设备的零部件

如果能测相位,检查相位是否稳定

频谱分析可以按下面的思路进行:

1)按高中低频率,初步了解故障发生的部位

2)按工频、谐波进行分析,振动信号大多数为工频的整数倍,找出他们之间的联系。

3)按特征频谱分析。如不平衡必定产生工频,气流在叶片间流动必定有通过频率,零部件冲击有固有振动频率等。

4)对主振幅值成分进行分析。频谱分析时,首先要关注幅值较高的频谱,如工频过高,往往是不平衡导致;二倍频过高,可能与设备不对中有关;0.5倍频高,预示涡动失稳;特低频是由于喘振引起的;谐波丰富可能是松动造成。

5)通过频谱对比分析发现异常。
总之,振动信号从幅域、时域和频域反映了机器的运行状态和故障的信息,通过振动分析可以识别和监测设备的运行状态,并控制或者减少振动,为设备的正常运行提供了科学的指导依据。

 


健龙(海宁)机械工业有限公司
中国风机互联网产业平台
官网: www.jianlonggongye.com
 地址: 浙江省海宁市尖山新区厂店城二区2幢11层
 电话: 0573-87958866
 邮件: mmfj@mmfj.cn
友情链接:钢丝绳索具   吊装带   精密铸造   吊具
版权  健龙(海宁)机械工业有限公司   浙ICP备19041692号