Transcript 机械故障诊断技术
第五章 设备状态的判定与趋势分析 5．1 设备状态诊断标准 • 5．1．1 振动诊断标准的判定参数 设备振动诊断标准 (或称判定标准)是通过振动测试与分析，用来评 价设备技术状态的一种标准。在选好对象设备，决定测试方案之后，就 要进行认真的测试。而对所测得的数值如何，判定它是正常值还是异常 值或故障值，就需要依靠诊断标准的帮助。因此诊断标准的制订和应用 是设备诊断工作中一项十分重要和必不可少的任务。 理论证明，振动部件的疲劳是与振动速度成正比，而振动所产生的 能量则是与振动速度的平方成正比，由于能量传递的结果造成了磨损和 其他缺陷，因此，在振动诊断判定标准中，是以速度为准比较适宜。 对于大多数的机器设备，最佳参数是也速度，这也就是为什么有很 多诊断标准，如IS02372、IS03945及VDl2056（德）等采用该参数的 原因，当然也还有一些标准，根据设备的低、高频工作状态，分别选用 振幅(位移)和加速度。 • 5．1．2 状态判定标准的分类 根据判定标准的制定方法的不同，通常将振动判定标准 分为三类。 1）绝对判定标准 绝对判定标准由某些权威机构颁布实施。由国家颁布的国家标准又称 为法定标准，具有强制执行的法律效力。还有由行业协会颁布的标准，称 为行业标准，国际标准化协会ISO颁布的国际标准。以及大企业集团联合 体颁布的企业集团标准。这些标准都是绝对判定标准，其适用范围覆盖颁 布机构所管辖的区域。 国际标准、国家标准、行业标准、企业集团标准都是根据某类设备长 期使用、观测、维修及测试后的经验总结，并规定了相应的测试方法。因 此在使用这些标准时，必需按规定的适用范围和测定方法操作。目前应用 较广泛的是： ISO 2372 《机器振动的评价标准基础》 ISO 3945 《振动烈度的现场测定与评定》 CDA/MS/NVSH 107 《轴承振动测量的判据》 VDI 2056 《震动烈度判据》 等 （德国标准） 2）相对判定标准 相对判定标准是对同一设备，在同一部位定期测试，按某个时刻的 正常值作为判定基准，而根据实测值与基准值的倍数，进行设备状态判 定的方法。 由于是基于设备自身某时刻的测量值作为判定基准，所以称为相对 判定标准。 3）类比判定标准 相对判定标准是建立在长期对某一设备的测量数据的基础上。若某 个设备运行时间不长、或没有建立长期测量数据的基础，在对设备进行 状态判定时，可以采用类比判定标准。 类比判定标准是对多台同样设备在相同条件下运行时，通过对各设 备的同一部位的测量值进行相互对比，来判定设备状态的方法。 • 5．1．3 振动判定标准介绍 1．旋转机械振动标准 (1)旋转机械几个常用的绝对标准 目前，旋转机械常用的振动诊断标准有国际标准化组织 颁布的ISO 2372和ISO 3945，德国标准VDI 12056，英国标 准BS4675，我国国家标准GB／T1l347一1989等。这些标准 在数值级别上大同小异，但在各类诊断文献中常以各自的标 准名称出现。 表5—1 ISO 2372和ISO 3945机械振动诊断标准 振动强度 分级范围 速度有效值 mm/s 0.28 0.45 0.28 0.71 0.45 0.71 1.12 1.80 2.80 4.50 7.10 11.2 18 28 45 71 ISO 2372 Ⅰ 级 A 1.12 1.80 B 2.80 4.50 C Ⅱ 级 A 45 A Ⅳ 级 A 刚性 基础 优 柔性 基础 优 B 良 B C 7.10 11.2 18 28 Ⅲ 级 ISO 3945 良 B 可 C 可 C D D D D 不可 不可 （2）旋转机械相对标准 表5—5 旋转机械振动诊断的相对标准 实测值与初值之 比 1 2 振动频率 低 频 振 动 （ ≤ 1000Hz） 良好 高频振动（>1000Hz） 3 4 5 注意 良好 6 7 危险 注意 注：1．本标准的判断依据有二：(1)实际测量振动值与其初始值之比； (2)所测振动信号的 频率范围。 2．标准将设备状态的评判分为三个等级：“良好…注意”、“危险”。 危险 （3）电动机振动标准 电动机也属于旋转机械。它是一种原动机，为它制定了专用标准后， 便于单机检测，有利于加强对电动机的维护管理。国际标准化组织制订的 ISO32373标准和德国标准DIN45665，在内容上是相同的，故合并列于表 5—6。 表5—6 ISO32373和DIN45665 电动机振动标准 质量等级 转速 r/min N（正常值） 600～3600 1.8 2.8 4.5 600～1800 0.71 1.12 1.8 1800～3600 1.12 1.8 2.8 600～1800 0.45 0.71 1.12 1800～3600 0.71 1.12 1.8 H（良好级） S（特佳级） 电 动 机 中 心 高 H=80～400mm， 允 许 最 大 Vrms(mm/s) S≤H≤132 132<H≤225 225<H≤400 注：1．本标准把电动机按其中心高度(H)分为三个类型，中心高度越大，振动阈值越大。 2．电动机状态判别分为三个等级：正常、良好、特佳。 3．本标准是指电动机在空转（不带负荷）条件下的阈值。 4．诊断参数为速度有效值(Vrms)。 (4) 汽轮机及汽轮发电机组振动标准 汽轮机也属于旋转机械的类型。表5一7为我国水电部于1959年颁布 的《电力工业技术管理法规》，其中规定1500r／min、3000r／min和 5000r／min之内的汽轮发电机组轴承的振动标准。 表5一7 转速 r/min 水电部汽轮发电机组振动标准（轴承双振幅允许值） 标准（Dp-p / μm） 优 良 合格 1500 30以下 50以下 70以下 3000 20以下 30以下 50以下 ≤3000 10以下 30以下 30以下 注：1．本标准规定测点位置在轴承处的垂直和水平方向。 2．阈值的大小取决于汽轮机的转速，转速愈大，振动位移允许值愈小。 3．状态评判分为三个等级：“优”、“良”、“合格”。 4．诊断参数为位移峰峰值(即双振幅)。 表5—8为国际电工委员会(IEC)推荐的汽轮机振动标准 标准（Dp-p |μm） 轴承上 轴上（靠近轴承） ≤1000 75 150 转速 （r/min） 1500 3000 3600 50 25 21 100 50 44 ≥6000 12 20 注：1．本标准按转速将汽轮机分为五种类型，随转速增大：汽轮机允许振幅减小。 2．表中分别列出两种测量方式的标准值，即：测量轴承与测轴，轴振动允许值约 为 轴承振动的2倍。 3．测量参数为位移峰峰值。 (5)离心鼓风机和压缩机振动标准 表5—9为机电部关于《离心鼓风机和压缩机技术条件》中规定的轴 承振动标准。 表5—9 离心鼓风机和压缩机技术振动标准 转速 （r/min） ≤1000 1500 3000 3600 ≥6000 75 50 25 21 12 轴承上 150 100 50 44 20 轴上（靠近轴承） 注：1．本标准按转速将离心鼓风机和压缩机分为4个类型，转速越高，允许振动值越小。 2．测点部位分两种型式：主轴轴承和齿轮箱轴承，后者振动值允差略高予前者。 3．诊断参数为振动位移峰峰值(双幅)。 标准（Dp-p |μm） （其它，如：机床、齿轮、轴承等机械的判定标准，请参考教材本章的内容） (6)略（见书） (7)行业设备判断标准 国内有的部门也曾制定了本行业的设备判断标准。表5—13 是化工 行业制订的几种设备的振动标准。 表5—13 部分化工设备的振幅标准 序号 设备类别 1 活塞式压缩机① 基础振动 2 3 4 5 汽轮机 离心式压缩机 离心式冷冻机 螺杆式压缩机 6 离心式通(鼓)风机 7 轴流式通风机 设备转速 r/min <200 200～400 >400 1000 1500 2000 2500 3000 4000 允许全振幅 mm 0.25 0.15 0.10 0.02 0.015 0.015 0.05 0.12 0.11 0.10 0.09 0.06 0.05 0.15 标准代号 HGJ1018—79 HGJ1019—79 HGJ1020—79 HGJ1021—79 HGJ1022—79 HGJ1024—79 HGJ1025—79 (8)部分引进设备振动标准 表5—15 日本制造厂为宝钢引进设备提供的部分振动标准 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 设备名称 高炉引风机 烧结机主排风机 转炉OG风机 初轧均热炉风机 焦化煤气排送机 烧结余热回收风机 烧结冷却机送风机 除尘风机 测定位置 轴 轴承 轴承 轴承 轴承 轴承 轴承 轴承 功率 KW 4800 9300 3100 370 830 转速 r/min 3000 1000 600～1450 1426 7308 570～1440 750 振动标准 Dp-p μm 50 28 80 80 30 33 53 1.68 mm/s 注：1．本表所列全部是风机的振动标准。考虑的相关因素有：转速、功率、测点位置及 设备的作业地位等，这也是参考使用表中数据时应当考虑的。 2．判断参数为位移峰峰值(Dp-p)。 (9)类比判断标准 当有数台机型相同，规格一致的设备，在相同的条件下对它们进行 同等测量时，一般按下列标准判断： 1）在低频段(≤1000Hz)测量，其振动值大于其它大多数设备振动 值的l 倍以上时，判为异常；在高频段(>1000 Hz)实测振动值大于正 常值的2倍以上时，判为异常。 2）在低频段测量，若其振动值大于其他设备的2倍以上；或高频段 的振动测值大于其他设备4倍以上时，一般判为故障严重，应考虑停 机修理。 5．2 设备状态劣化趋势分析 • 5．2．1 状态趋势分析在故障监测预警中的作用 设备诊断的实质就是设备运行状态识别。在工业现场有 两类设备诊断模式都在应用，一类是在线故障监测诊断系统 ，它依靠复杂的测试分析系统对重要设备进行24小时的连续 监测分析。另一种是采用便携式仪器，对设备进行定期的巡 检，记录所测定的参数，根据在时间历程的数据进行故障判 断、劣化趋势分析。这类模式称为点巡检制度。又称定人员、 定时间、定测点参数、定测点部位、定测量仪器的五定作业 制度。 这两种设备诊断模式都在使用过程中产生大量的具有时 间序列特征的数据，是设备状态劣化趋势分析的基础。趋势 分析属于预测技术，对于设备劣化趋势分析属于设备趋势管 理的内容，也是状态预知维修与其他维修方式相比，所具有 的显著而独特的方式，其目标是从过去和现在的已知情况出 发，利用一定技术手段，去分析设备的正常、异常和故障三 种状态，推测故障的发展过程，有利维修决策和过程控制。 设备劣化趋势分析的作用有： l）检查设备状态是否处于控制范围以内； 2）观测设备状态的变化趋向或现实状况； 3）预测设备状态发展到危险水平的时间； 4）早期发现设备异常，及时采取对策； 5）及时找出有问题的设备(提交精密诊断)。 趋势图样例 设备劣化趋势分析的 数据类型可以是状态信号 分析中的各项时域指标， 也可以是频谱分析中的某 一特征频率的振幅，或者 是执行点巡检制度所获得 的记录数据。 图5—5是时域指标的 趋势分析图例。其中：最 下面的趋势曲线是有效值 Vrms；中间的趋势曲线是 峰值指标；最上面的是劣 化指标——峭度值β2。 图5—5 时域指标的趋势分析图例 绘制趋势管理图的步骤 第1步 制作图表格式 首先要编制如图5—6所示的表，在左上栏绘出设备简 图，标明测点。设备的规格参数是诊断的重要依据，必须 从实填写。 第2步 标明刻度 低频领域以振动速度表示，选择合适的计量单位，如 图所示的范围在0.01—10cm／s之间，每格为0.1cm/s。 中频领域Hd及高频领域Hi以加速度g为计量单位。 第3步 填入标准值 把设备在正常状态下的振值作为标准值 记入图表。当 无历史数据或经验数据以确定标准值时，可用正常状态下 的振动平均值取代。 第4步 填入判断标准 需填入报警(Caution)值Xc及危险(Danger)值Xd，当 无历史数据或经验数据时，可利用第3步中在正常状态下 测得的N个振值，首先计算出标准方差σ，然后再利用σ 计算出报警值Xc及危险值Xd。以上报警值和危险值都必须 记入图中。 第5步 按时间序列填写测定值 按规定的点检测定周期，对被监测的设备各规定测点 进行设备状态参数的测取，然后将测得的值按时间序列的 先后填入表格，用曲线或折线将这些数据点连接起来，构 成了设备状态参数的趋势曲线。 • 5．2．2 趋势分析应用方法 即便是趋势管理图中的总体测量值都是位于注意范围之 内，也必须经常注意有无任何特殊的趋势。因为设备如在正 常状态下，其测点值是中间多两端少，在标准线 的上下均 等，并且应是随机分布。因此，在采用了理论性的统计方法 之后，对数据的不规则性的检查很有必要，在现场如能对以 下五项进行检验，将会取得好的效果。 1）测点值的连接链是否够长； 2）测点值是否偏向标准值(x )的一侧； 3）测点值是否多分布于注意线(±x )的近旁； 4）测点值是否具有一定的倾向性； 5）测点值是否具有一定的周期性。 通常当测定值跑出 上下管理线外时，已经 有了设备存在异常的证 据，所以可以很好地判 定异常。若要更好地进 行趋势分析，请看教材 中丰田利夫的经验。 通常在线机械故障 监测诊断系统自带趋势 分析功能模块，因此很 方便观察预测的趋势走 向。而点巡检模式下的 测量数据则需要利用 Excel电子表格来进行 趋势预报分析。 y = 3E-05x2 - 2.125x + 41199 1.80 1.60 1.40 1.20 1.00 0.80 0.60 0.40 0.20 0.00 2月2日 3月24日 5月13日 7月2日 图5—8 从测量数据拟合抛物线趋势公式 8月21日