S8000系统在设备管理中的应用

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随着生产装置 向着大型化 、自动化和连续化方向发展，生产对机械设备的要求越来越高 ，-些大型设备需要以单机 、满负荷 、长周期方式工作，任何机组出现问题都将严重影响装置的平稳运行，甚至停工，其经济损失是非常巨大的，这就对机械设备的安全性和可靠性提出了更高要求。除了在装置检修期间，充分做好机组的检修工作外 ，机组的运行维护也显得非常重要。机组状态监测和故障诊断是大型机组维护中的-个重要方面，在设备运行过程中，通过先进的技术手段及时发现异常和故障，把握它的发展趋势，通过分析找出问题的根源，从而尽早采取有效的预防措施或维修方案，为设备维护和维修提供依据 ，保证设备的安稳长满优运行。

-、 状态监测的常用图谱1.振动趋势图在机组运行时，可利用趋势图来显示 、记录机器的通频振动、各频率分量的振动、相位或其它过程参数是如何随时问变化的。

这种图形以不同长度的时间为横坐标，以振幅、相位或其它参数为纵坐标。在分析机组振动随时问、负荷 、轴位移或其它工艺参数的变化时，这种图给出的曲线十分直观，对于运行管理人员来说 ，用它来监视机组的运行状况是非常有用的。

2.波形频谱图在对振动信号进行分析时 ，在时域波形图上可以得到-些相关的信息 ，如振幅 、周期 (即频率)、相位和波形的形状及其变化。这些数据有助于对振动起因的分析及振动机理的研究。但由于从波形图上不能直接得到我们所需要的精确数据 ，现在已经很少有人用它来确定振动参数。但它可以在实时监测中作为示波器用来观察振动的形态和变化。

我们知道 ，对于-个复杂的非谐和的周期性的振动信号，可以用傅立叶级数展开的方法得到-系列的频率成分。对振动波形进行 FET处理则得到振动的频谱分布 ，即频谱图，该图反映了振动的频率结构 。

032 I中国化工贸易l 0羹 强Chromic 蠢穗尊3.波德图波德图是反映机器振动幅值、相位随转速变化的关系曲线 ，见图2-l。图形的横坐标是转速 ，纵坐标有两个 ，-个是振幅的峰 -峰值 ，另-个是相位。从波德图上我们可以得到以下信息：3.1转子系统在各种转速下的振幅和相位 ；3.2转子系统的临界转速；3.3转子系统的共振放大系数(QAmax/8)；-般小型机组 Q在3-5甚至更小 ，而大型机组在 5～7；超过上述数值，很可能是不安全的；3.4转子的振型 ；3.5系统的阻尼大小；3.6转子上机械偏差和电气偏差的大小；3.7转子是否发生了热弯曲。

4.频谱瀑布图用某-测点在启停机 (或正常运行中)时连续测得的-组频谱图按时间顺序组成的三维谱图就是频谱瀑布图 ，见下图。图中 z轴是时间轴相同阶次频率的谱线集和 z轴是平行的。从图中可以清楚地看 出各种频率的振幅随时间是如何变化的。

5.极联图极联图是在启停机转速连续变化时，不同转速下得到的频谱图依次组成的三维谱图。它的 z轴是转速，工频和各个倍频及分频 的轴线在图中是都以0点为原点相外发射的倾斜的直线。在分析振动与转速有关的故障时是很直观的。该图常用来了解各转速下振动频谱变化情况，可以确定转子临界转速及其振动幅值、半速涡动或油膜振荡的发生和发展过程等 (见图 5)。

6.轴心位置图轴心位置图用来显示轴颈中心相对于轴承中心位置。这种图形提2 0噩13麓3 年 月耱 中国化工贸易 C!hina Chemical Trade 信 息技术供了转子在轴承中稳态位置变化的观测方法，用以判别轴颈是否处于正常位置。

矗 . 聃船舶 呻 跫鬟襄 跫 氯蠹 蔼臻鬻 l 誊鬟襄 ： 磊 ! 啭神溉 蝴 赫啭； %溉端- - 辩 - ～ - ，- 酶 每赫 喜 自-- I 囊～ -蜗m r- 。E 1构 l 毒 - l：誊 鼢0 j 曩摊 虢博 - ～蕊 羲 译 ≈ ≮媲 嚼 a峨 魄l搬0- ≈ 黪磊蠢1图5J 《 / / 1 / ，f 、It i ： f 、 / 、 ；， / / 。25D -lO -l25 -e2 0 a2 l5 1 5图 6当轴心位置超出-定范围时，说明轴承处于不正常 的工作状态 ，从中可以判断转子的对中好坏、轴承的标高是否正常，轴瓦是否磨损或变形等等。如果轴心位置上移 ，则预示着转子不稳定的开始。通过对轴颈中心位置变化的监测和分析，可以预测到某些故障的来临，为故障的防治提供早期预报。

轴心轨迹-般是指转子上的轴心-点相对于轴承座在其与轴线垂直的平 面内的运动轨迹。通常 ，转子振动信号中除了包含由不平衡引起的基频振动分量之外 ，还存在由于油膜涡动 、油膜振荡 、气体激振 、摩擦、不对中、啮合等等原因引起的分数谐波振动、亚异步振动、高次谐波振动等等各种复杂的振动分量，使得轴心轨迹的形状表现出各种不同的特征，其形状变得十分复杂，有时甚至是非常地混乱。

二、机组常见故障的判断1.转子不平衡不平衡是各种旋转机械中最普遍存在的故障。引起转子不平衡的原因是多方面的，如转子的结构设计不合理、机械加工质量偏差、装配误差、材质不均匀、动平衡精度差；运行中联轴器相对位置的改变；转子部件缺损，如：运行中由于腐蚀、磨损、介质不均匀结垢、脱落；转子受疲劳应力作用造成转子的零部件 (如叶轮、叶片、围带、拉筋等)局部损坏、脱落 ，产生碎块飞出等。

不平衡转子的振动信号，其时间波形和频谱图-般具有如下典型特征 ：1.1原始时域波形的形状接近-个纯正弦波 ；1.2振动信号的频谱图中，谐波能量主要是集中在转子的工作频率(ix)上，即基频振动成分所占的比例很大，而其它倍频成分所 占的比例相对较小；1.3在升降速过程中，当转速低于临界转速时，振幅随转速的增加而上升。当转速越过临界转速之后，振幅随转速的增加反而减小，并趋向于-个较小的稳定值。当转速等于或接近临界转速时，转子将会产生共振，此时的振幅具有最大峰值；1.4当工作转速-定时，振动的相位稳定；1.5转子的轴心轨迹图呈椭圆形 ；1.6转子的涡动特征为同步正进动；1.7纯静不平衡时支承转子的两个轴承同-方 向的振动相位相同，而纯力偶不平衡时支承转子的两个轴承振动呈反相 ，即相位差 1800。

但实际转子-般既存在-定的静不平衡，又存在-定的力偶不平衡(即存在动不平衡)，此时支承转子的两个轴承同-方向振动相位差在O～180。之间变化 ；1.8在外伸转子不平衡情况下可能会产生很大的轴向振动。在转子外伸端不平衡时，支承转子的两轴承的轴向振动相位相同；1.9因介质不均匀结垢时 ，工频幅值和相位是缓慢变化的。

： ； ： ： ： ： ：。 嬲 ： ： ： ： ： ： ：汽轮机转子不平衡的波形频谱图2.旋转失速与喘振旋转失速是压缩机中最常见的-种不稳定现象。当压缩机流量减少时，由于冲角增大，叶栅背面将发生边界层分离，流道将部分或全部被堵塞。这样失速区会以某速度向叶栅运动的反方向传播。实验表明 ，失速区的相对速度低于叶栅转动的绝对速度 。因此，我们可以观察到失速区沿转子的转动方向以低于工频的速度移动 ，故称分离区这种相对叶栅的旋转运动为旋转失速。

旋转失速使压缩机中的流动情况恶化，压比下降，流量及压力随时间波动。在-定转速下，当入口流量减少到某-值时，机组会产生强烈的旋转失速。强烈的旋转失速会进-步引起整个压缩机组系统的- 种危险性更大的不稳定的气动现象，即喘振。此外，旋转失速时压缩机叶片受到-种周期性的激振力，如旋转失速的频率与叶片的固有频率相吻合，则将引起强烈振动，使叶片疲劳损坏造成事故。

2.1旋转失速故障的识别特征：2.1.1振动发生在流量减小时 ，且随着流量的减小而增大；2.1.2振动频率与工频之比为小于 l的常值；2.1.3转子的轴向振动对转速和流量十分敏感；2.1.4排气压力有波动现象；2.1.5流量指示有波动现象；2.1.6机组的压比有所下降，严重时压比可能会突降；2.1.7分子量较大或压缩比较高的机组比较容易发生。

旋转失速严重时可以导致喘振，但二者并不是-回事。喘振除了与压缩机内部的气体流动情况有关之外，还同与之相连的管道 网络系统的工作特性有密切的联系。压缩机总是和管网联合工作的，为了保证-定的流量通过管网，必须维持-定压力，用来克服管网的阻力。

机组正常工作时的出口压力是与管网阻力相平衡的。但当压缩机的流###毋臻0黔㈣ 是； 疆疆穗巷l中国化工贸易l 033舌I 眦 卅 借信息技术 中国化 工贸易China Chemical Trade第3期l2p13午3月量减少到某-值时，出口压力会很快下降，然而由于管网的容量较大，管 网中的压力并不马上降低 ，于是 ，管网中的气体压力反而大于压缩机的出口压力 ，因此，管 网中的气体就倒流回压缩机 ，-直到管网中的压力下降到低于压缩机 出口压力为止。这时 ，压缩机又开始向管网供气，压缩机的流量增大，恢复到正常的工作状态。但当管网中的压力又回到原来的压力时，压缩机的流量又减少，系统中的流体又倒流。

2.2喘振故障的识别特征：2.2.1产生喘振故障的对象为气体压缩机组或其它带长管道、容器的气体动力机械；2.2.2喘振发生时，机组的入口流量小于相应转速下的最小流量；2.2.3喘振时，振动的幅值会大幅度波动；2.2.4喘振时，振动的特征频率-般在 l～15Hz之内；与压缩机后面相联的管网及容器的容积大小成反比；2.2.5机组及与之相连的管道等附着物及地面都发生强烈振动 ；2.2.6出口压力呈大幅度的波动 ；2.2.7压缩机的流量呈大幅度的波动；2.2.8电机驱动的压缩机组的电机电流呈周期性的变化 ；2.2.9喘振时伴有周期性的吼叫声 ，吼叫声的大小与所压缩气体的分子量和压缩比成正比。

；' tI l -誊 鞋雹。 。 。 ' 1 j：. 毒 l。 t ： i 。 4 。 ：警 尊旋转失速时的波形频谱图 旋转失速时的轴心轨迹图3.油膜涡动和油膜振荡油膜涡动和油膜振荡是滑动轴承中由于油膜的动力学特性而引起的-种 自激振动。

油膜涡动-般是由于过大的轴承磨损或间隙，不合适的轴承设计，润滑油参数的改变等因素引起的。根据振动频谱很容易识别油膜涡动，其出现时的振动频率接近转速频率的-半 ，随着转速的提高 ，油膜涡动的故障特征频率与转速频率之比也保持在-个定值上始终不变，常称为半速涡动。

汽轮机轴承发生严重油膜涡动时的波形频谱图冁 l 艰酶 棼 椭 。 l x 。 -。 .r ，. -i i -。 l ∞ 始 粕 l拙链l甓。 Il l 。

-汽轮机轴承发生较轻的油膜涡动时的轴心轨迹图034 1中国化工贸易l 0 i 0j器 辨z。嚣 I 囊霉膜涡动使轴承损坏的照片4.机械偏差和电气偏差在振动信号中，之所以会出现机械偏差和 电气偏差的问题 ，这是由非接触式电涡流传感器的工作原理所决定的。

切削加工不完善的轴表面 (椭圆形或不同轴)会产生-种正弦动态运动的指示 ，其频率与旋转部件的旋转频率相-致。不完善的切削表面的原因通常是由于最后加工的机床的轴承的磨损、刀具变钝 、进给太快或机床的其它缺陷产生的 ，或者是车床顶针的磨损造成的。轴颈表面上的不光滑或其它缺陷，如划痕、凹坑 、毛刺、锈疤等也将会产生偏差输出。

检验这种误差状态的最简单的方法是用百分表检查轴颈的跳动值。

百分表的波动值将确认非接触式 电涡流传感器所观察到的被测表面的误差存在的情况。

轴颈的被测表面应该象滑动轴承的轴颈表面那样精心地保护 ，在吊装时，所采用的缆绳要避开传感器测量的表面区域，存放转子的支撑架应保证不会引起轴颈表面的划痕、凹陷等。

- 般来说 ，只要磁场是均匀的或对称的，电涡流传感器在所存在的磁场中都能令人满意地工作。如果轴上某-表面区域有很高的磁性，而其余的表面是非磁性的或者只有很低的磁性，这就可能会 出现电气偏差。这是由于来自电涡流传感器的磁场作用到这种轴颈表面上时 ，引起了传感器灵敏度的改变。

另外，镀层的不均匀 、转子材料的不均匀等也会引起 电气偏差 。

转子存在机械和电气偏差的轴颈振动信号波德图三、结论重大机器设备的状态监测技术已是企业现代化管理的重要组成部分。机器状态的在线监测与故障诊断是保证机器设备长周期安全运行，提高企业生产率的重要手段。炼油部的旋转机械状态监测和分析系统自投用以来 ，能准确地对压缩机组进行实时状态检测和故障分析 、诊断。同时为了保证机组系统正常稳定运行 ，最快解决故障，最大限度地减少维护工作量，实现了远程诊断 、维护。-旦设备出现故障迹象 ，立刻记录该状态下的相关图谱，并进行诊断、分析，掌握现状，进行研究并制定维护 、解决方案 ，将故障消灭在萌芽状态 ，避免不必要的停车。设备员还能根据诊断的结果，提前做好对机组设备的检修、维护的准备，指导排除故障，大大提高了排障的效率和准确率。并能提高设备的管理水平，取得了很好的经济效果和社会效益。