振动监测故障诊断技术在大型机械设备上的应用

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doi：10.3969/j.issn.1006-8554.2013.07.0571 振动监测的基础-大型机械设备的特征大型机械设备中较大-部分都是大型旋转机械，大型旋转机械主要包括航空发动机、电动机、发电机组、轧钢机械、离心压缩机、蒸汽透平及各种使用齿轮传动装置进行增速减速的机械设备。虽然各种机械设备在功能使用上大不相同，但综合分析他们的共同点，可以看出大型旋转机械设备的功能都是依靠旋转动作来实现的，具有功率大，转速高等特点。其主要的构成部分大多包括转子、支撑转子轴承、定子、齿轮传动件、联轴节、叶轮与叶片、基座、机器壳体等。

这些大型机械，在运行过程中会引起振动，过大的振动容易造成机械的损坏，引发机械故障，机械振动的参数的变化可以更为直接快速地反应机械运行的状态。基于机械的这种特征，建立对机械的振动监测、分析，从而对机械故障进行诊断，维护机械安全稳定运行。

2 振动信号的识别与获取在大型机械设备运行过程中，都会产生振动现象，机械的振动存在着-定的规律，机械设备运行的状态信息大部分都可以通过设备的振动信号来表示，当机械设备运行出现故障或异常的时候，振动会出现振幅增大的变化。

机械设备运行中出现不同类型、性质、部位及原因的故障或异常，其产生的振动幅度是不同的，根据不同的振动规律特征，可以进-步分析振动的幅值大孝相位差别、波形形状、频率成分、能量分布等。即使是在设备之中，同-个故障发生在不同的部位，其故障激励传递通道也不同，振动的特征也会存在较大的差异。设备系统特性及故障激励决定了设备的振动。

振动信号的识别与获取，可以使用振动采集设备，将振动的信号进行采集、量化、编码，并通过常用的三维谱阵、频域分析法、瞬态信号分析法、时域分析法、轴心轨迹 图、波德图、数字滤波、相位分析等常用分析方法对振动信号进行分析处理，提炼出信号中反应出的机械运行状态。

3 大型机械设备常见故障及振动监测故障诊断技术的应用在大型机械设备运行之中，常见的故障问题主要发生在转子、滚动轴承、齿轮上，主要故障为转子不平衡故障、转子不对中故障、基座或装配松动故障、转子与定子摩擦故障、感应电机振动故障、滚动轴承故障、齿轮结构振动故障等。使用振动监测故障诊断技术可以有效地对故障进行诊断，维护机械正常运行。

3.1 转子不平衡故障在大型机械运行过程中，转子不平衡故障属于最为常见的机械故障问题。转子不平衡故障可以分为转子部件缺损与转子质量偏心两种情况。转子部件缺损是由于机械设备在运行过程中受到磨损或腐蚀或介质结垢或疲劳应力等作用，使得转子的零部件局部出现了损坏或脱落现象，从而引发转子不平衡故障，发出异常振动；转子质量偏心则是由转子材质不均匀或制造存在误差或装配误差等原因引起，发出异常振动信号。

转子不平衡最大 的特征表现为在基频对应 1x位置出现了波峰，且时域波形为正弦曲线，如图1：图 1 转子不平衡故障频谱图及时域波形图转子不平衡故障具备的振动特征如下：从振动频率上来分析，不平衡振动的频率成分单-而明确，如图 1中转子基频 ；在相位上分析 ，垂直方向与水平方向振动相差 90，并出现径向振动大于轴向振动，水平方向振动大于垂直方向振动的现象。

3.2 转子不对中故障转子不对中故障为机械常见故障之-，转子不对中会增加旋转力对密封件及轴承施加的应力强度，从而导致机械设备部件能耗增加并过早损坏，转子不对中分为平行不对中与轴线角度不对中两种情况。引起转子不对中的主要原因包括技术研 发元部件装配不精确 ，偶合面与轴线不垂直，地基柔性较大引起固定螺母移动，扭矩引起的柔性支撑扭曲变形等。

当出现转子不对中故障的时候，会出现-种附加弯矩，弯矩形成附加激励；在振动频率上，平行不对中故障会引起2倍转频，轴线角度不对中表现为同频振动突出，两者共同点为出现旋转频率达到2倍基频或4倍基频，并有高次倍频现象发生，如图2：要 蔷础 a I I； - 0 图2 转子不对中故障频谱图与时域波形图出现平行不对中故障，表现在相位特征上为转子两端径向振动相位出现 180相差；出现轴线角度不对中故障，表现在相位特征上为联轴器两端轴向振动相位出现 180相差 ，但径向上相位相同。

3.3 基座或装配松动故障- 般来说，基座或装配松动是随着不平衡故障-起发生的，表现出来的振动波动体现出非线形，如地脚松动，其垂直方向的振动表现特别强烈而明显，如是零件配合上出现松动现象，其振动的方向特征并不明显；从振幅方面进行分析，基座或装配松动引起振动，其转速表现出忽大忽小无规律现象，呈现出跳跃式变化；在振动频率方面进行分析，除了基频成分以外，呈现基频奇数现象，伴随着3倍、5倍甚至是7倍谐波成分，频谱在结构上呈现梳妆。如图 3：O 曩 0 ， j ， 图3 基座或装配松动频谱及时域波形图3.4 转子与定子摩擦故障转子与定子摩擦属于干摩擦现象，大多数表现为径向中摩擦。出现转子与定子摩擦故障时，-般振动特征会表现出非线性振动，其频带范围较宽，除了基频外，还会有2倍或3倍甚至是 1/2、1/3谐波成分，其故障特征显示在时域波形图中，会出现削波状态，摩擦故障特有的标志为出现截头余弦”形状的波形图。在-些特殊的情况下，转子与定子摩擦故障也会引起系统固有频率的振动现象。

3.5 感应电机振动故障电动机，属于众多大型机械设备的核心设备，在机械故障中具有大型旋转机械的共同点。如存在转子不平衡、转子不Vo1.20。No.7。20l3对中、基座或装配松动、转子与定字摩擦等故障。针对电机进行振动感应，可以有效找出电机之中存在的问题。感应电机振动的内容主要包含机械与电气两个方面，在机械发生故障的原因中，不仅仅是机械，还可以是电气系统，如电压不稳定、匝间短路等问题引发电机异常的振动。在电动机运行过程中突然断电，电动机振动如立即下降为零，则表明电动机在电气系统方面存在着故障，如电动机振动下降速度不明显，则属于机械故障。

3.6 滚动轴承故障滚动轴承主要由保持架、滚动体、内圈及外圈等元件构成，属于旋转机械转子系统中的重要支撑部分。针对滚动轴承故障的诊断，其基本的方法就是分析滚轴之中的频率。在滚动轴承之中，每-个元件发生故障，都会出现不同的故障频率特征。-般来说，使用振动监测技术，不仅可以对滚动轴承是否存在故障进行分析，还可以对滚动轴承之中哪个元件出现了故障进行分析∩以依据滚动轴承的故障特征频率进行故障诊断，如保持架通过频率 F0.4Fr，内圈通过频率 FO。

6Z·n，外圈通过频率 F0.4Z·Fr。在公式之中，Fr属于轴承内圈回转的频率，z属于滚动体的个数。通过公式计算可以查看出各个元件部分是否存在故障。除此之外，滚动轴承故障还可能与安装工作有关，如轴承紧固过松或过紧、轴承装歪等安装上的问题，也可能导致振动异常。

3.7 齿轮结构振动故障在大型机械设备之中，齿轮担负着传递动力与运动的任务，属于最为常见的机器传动元件，齿轮的运行状态直接关系着整个大型机械设备的运行状态。由于齿轮在运行过程中受到的荷载较大，加之各种原因引起的故障，最终容易导致齿轮损伤并失效。

- 般将齿轮失效的类型分为两部分，-类属于齿轮的制造与装配不良引起 的齿轮失效，-类属于齿轮在长期工作运行中出现齿轮耗损引起的齿轮失效。齿轮损伤的比例如表1：表 1 齿轮损伤比例表齿轮的损伤类型 断齿 点蚀 划痕 磨损 其他百分比% 41 31 10 10 8使用振动监测对齿轮故障进行诊断最为有效的方法是使用齿轮振动功率谱，对齿轮振动功率谱进行分析；还有就是可以采用倒频谱分析齿轮的运行状态。对齿轮结构振动故障分析，首先要观察啮合频率幅值的变化，其次是分析啮合频率谐波图。

4 振动监测故障诊断技术在大型机械中的实际案例应用分析如轧机出现齿轮断齿故障，通过振动监测获取齿轮故障时的时域波形图(图4)、自相关图(图5)等。

根据时域波形图分析，可以判断冲击故障发生在输入轴中，将冲击特性原因考虑在内，判断出输入轴齿轮可能发生了断齿故障。

(下转第98页)技 术研发1)深层搅拌桩施工的主要程序为：①软土基坑中障碍物的清除以及场地的平整；②深层搅拌桩桩位的测放；③深层搅拌桩桩机的对位，最后是钻进、加浆、提钻、插管和移位，从而完成施工。经过施工后的开挖检查和分析，复合喷锚施工中的深层搅拌桩施工成桩质量良好。在完成浆喷桩施工以后，按照浆喷桩养护施工的长短 ，-般在28 d左右进行喷锚网施工和土方开挖。

2)软基坑工程中喷锚网-般选择钢筋 网，锚杆选择花管，进行全程注浆。喷锚网施工的施工工序如下：①进行测量放线 ；②软土基坑的开挖 ；③对开挖 的基坑进行修坡，④进行初喷并打入花管；⑤进行钢筋网的布置，⑥进行复喷并实施养护；⑦进行注浆并养护 ；⑧紧接着是下-层软土基坑的开挖。

在钢筋网的布置中，分布筋-般沿着基坑坡面布置，加强筋沿着锚杆进行纵横向的布置，而且要和锚杆焊接好。

2.3 淤泥土层中复合喷锚技术的应用重点及效果软土基坑中存在-定的淤泥土层，在淤泥土层 中应用复合喷锚技术时，应该注意以下几点 ：1)在基坑中实施井点降水过程中，与边坡的距离不应该太小，不然会导致基层底部 的边坡支护面-直在水力坡度最大的地方 ，会导致基坑中的基底淤泥土层向外挤出，发生边坡失稳。

2)在淤泥土层中设置锚钉时，应该将其长度和方向适当地变化 ，使得锚钉在非淤泥质土层中牢固的锚固，并且具有要求的锚固长度。

3)x，1软土基坑中边坡底位置的淤泥质土层需要进行加固∩以选择钢管桩进行加固，避免了淤泥土向着基坑中滑移的可能性。淤泥层 的加固可以选择微型碎石压浆桩，施工流程为成孑L、直径钢管设置、下直径碎石和压水泥浆等。

软土地基地下室施工中，需要将周围的临时荷载合理控V0J.20。No.7。2013制，使得喷锚支护结构不需要进行额外荷载的承担。在施工后对基坑和周围建筑物的位移和沉降的监测结果表明，软土基坑中各测点都保持稳定，测点裂缝也保持稳定。喷锚支护技术在施工中对工程造价、结构安全和环境条件充分考虑，效果良好。

2.4 复合喷锚技术在软土基坑中的整体应用效果复合喷锚技术在软土基坑中的实际整体应用效果有以下三方面：①此技术的应用使得工程的工期缩短，喷锚支护能够和土方施工同步进行，软土基坑开挖到基底，喷锚支护也到基底，在土方开挖结束后，垫层通过浇筑完成。②复合喷锚技术具有良好的支护效果，在开挖基坑以后，当主体结构完成时，软土基坑坑顶的相关位移满足规范要求。③复合喷锚技术具有良好的社会经济效益。应用此技术进行软土基坑施工，比- 般的桩排支护施工节省资金，-般能节省40%～50%左右。

3 结语软土基坑施工中采用复合喷锚技术，使得其边坡水平位移比较小，稳定性良好。喷锚支护结构能对基坑土体进行主动支护，且和土体协同工作，喷锚支护结构中的钢筋网喷层的柔性和整体性较好，使得喷层和锚杆的内应力分布得到有效调整，实践表明，复合喷锚技术在软土基坑中具有 良好的实际应用效果。