状态监测与故障诊断的基本知识

状态监测与故障诊断的基本知识

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　　状态监测与故障诊断的基本知识

　　一、振动传感器的基本知识

　　必要而且准确的信息是进行故障诊断的前提条件。由于所有振动信息的源头均来自于传感器因此有必要了解一下振动传感器方面的基本知识。

　　1.振动传感器的构成及工作原理

　　振动传感器是将机械振动量转换为成比例的模拟电气量的机电转换装置。

　　传感器至少有机械量的接收和机电量的转换二个单元构成。机械接收单元感受机械振动但只接收位移、速度、加速度中的一个量机电转换单元将接收到的机械量转换成模拟电气量如电荷、电动势、电阻、电感、电容等另外还配有检测放大电路或放大器将模拟电气量转换、放大为后续分析仪器所需要的电压信号振动监测中的所有振动信息均来自于此电压信号。

　　2.振动传感器的类型

　　振动传感器的种类很多且有不同的分类方法。按工作原理的不同可分为电涡流式、磁电式电动式、压电式按参考坐标的不同可分为相对式与绝对式惯性式按是否与被测物体接触可分为接触式与非接触式按测量的振动参数的不同可分为位移、速度、加速度传感器以及由电涡流式传感器和惯性式传感器组合而成的复合式传感器等等。

　　在现场实际振动检测中常用的传感器有磁电式速度传感器其中又以绝对式应用较多、压电式加速度传感器和电涡流式位移传感器。其中加速度传感器应用最广而大型旋转机械转子振动的测量几乎都是涡流式传感器。

　　3.磁电式速度传感器

　　磁电式速度传感器的构造如下图所示。

　　磁电式速度传感器的工作原理是传感器固定在被测物体上物体振动时固定在壳体7上的磁钢5随壳体与物体一起振动而由弹簧片2和线圈3组成的弹簧—质量元件与磁钢的振动并不同步而是发生相对运动线圈切割磁钢的磁力线而产生电动势在磁通量及线圈参数均为常数的情况下电动势的大小与线圈切割磁力线的相对速度成正比。此相对速度对相对式显然是被测物体的相对振动速度对绝对式来说当传感器中的弹簧—质量元件的固有频率远小于被测物体的振动频率时线圈的振动速度会远小于磁钢的振动速度线圈与磁钢之间的相对速度接近于被测振动体相对于大地或惯性空间的绝对速度。总之可以认为磁电式速度传感器的输出电压与被测物体的振动速度成正比。

　　速度传感器通过积分电路可测得位移通过微分电路可测得加速度。

　　磁电式速度传感器的优点是灵敏度高输出信号大输出阻抗低电气性能稳定性好不易受外部噪声干扰不需外加电源安装简单使用方便对后续电路也无特殊要求缺点是动态频响范围有限尺寸和重量较大弹簧片容易发生疲劳损坏。速度传感器的构造特点决定了弹簧片为关键的矛盾点弹簧片厚弹簧—质量元件的固有频率就增高所能测得的低频范围变窄弹簧片薄易损坏使用寿命短。

　　4.压电式加速度传感器

　　某些晶体在受到沿一定方向的外力作用时其内部的晶格会发生变化产生极化现象同时在晶体的两个表面上产生了极性相反的电荷当外力消除后又恢复到原来的不带电状态当作用力方向改变时所产生的电荷的极性也随之改变晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比此现象称为压电效应。

　　压电式加速度传感器就是根据压电晶体受力后会在其两个表面产生不同电荷的压电效应来实现机电转换的。

　　压电式加速度传感器的构造如下图所示。

　　其工作原理是压电式加速度传感器的基座4固定或紧密接触于被测物体与物体一起振动由压紧弹簧1与惯性质量块2组成的弹簧—质量元件与基座的振动并不同步、而是发生相对运动压电晶体3受到质量块因相对振动加速度产生的惯性力作用而产生电荷电荷量的大小与惯性力成正比。当传感器中的弹簧—质量元件的固有频率远大于被测物体的振动频率时质量块的振动位移会远小于基座的振动位移质量块与基座之间的相对振动接近于基座、即被测物体的振动。因此压电式加速度传感器的输出电压与被测物体的振动加速度成正比。

　　加速度传感器通过积分电路可测得速度通过二次积分电路可测得位移。

　　压电式加速度传感器的优点是体积小重量轻频率响应范围宽。适于测量高频、冲击信号例如齿轮、滚动轴承的振动测量耐温、耐蚀性较好不易损坏在实际测量中应用最广泛。由于压电晶体产生的电荷量很小加速度传感器需要配置电荷放大器因此造成内阻抗高、电荷放大器前的连接电缆容易受到外部电磁干扰。现在许多加速度传感器把放大电路集成到传感器内抗干扰能力得到大幅度的`提高。压电式加速度传感器的频响特性范围下限由电荷放大器决定上限由传感器的固有频率及安装谐振频率决定。即传感器与被测物体的接触及固定状况会**影响高频测量的范围其中钢螺栓联接固定方式的高频测量范围最高可达10000Hz磁铁固定式为2000Hz手持式最低仅数百Hz。

　　5.电涡流式位移传感器

　　电涡流式位移传感器由探头和前置放大器又称测隙仪二部分组成探头对着转子被测表面但并不接触留有一定的间隙用支架固定在轴承的瓦座上或机壳上通过延伸电缆与机壳外的前置放大器相连。

　　电涡流式位移传感器的构造如下图所示。

　　电涡流式位移传感器的工作原理是传感器的头部线圈与谐振电容、前置器内的石英振荡器构成高频12MHz电流振荡回路在头部线圈周围产生高频交变磁场。当磁场范围内出现金属导体、如转子时转子表面会产生感应电流即电涡流。电涡流产生的感应磁场反作用于线圈的高频磁场使线圈的阻抗或者说电感发生变化转子与探头之间的间隙δ越小电涡流就越大线圈的阻抗就越大、电感量就越小。在振荡器激励电流参数、线圈参数、金属转子电导率和磁导率都为常数的情况下电感量是间隙δ的单值函数。测出电感量的变化即可知道转子与探头的间隙变化。由延伸电缆输出的电感量变化信号为高频载波信号经前置放大器内的检波器放大、转换后输出的是直流电压信号。该电压与探头和转子之间的间隙δ成正比因此称为间隙电压。间隙电压U又可分为直流分量Uo和变化分量Ua两部分。直流分量对应于初始间隙又称安装间隙或平均间隙用于测量轴位移变化分量对应于振动间隙用于测量振动。测隙仪输出的间隙电压信号经后续仪表的进一步处理即可转化成轴振动、轴位移、转速、相位的数值以及状态监测的各种图谱。

　　电涡流式位移传感器是非接触式传感器具有灵敏度高、线性范围大、频响范围宽、具有零频响应、探头结构尺寸小、抗干扰能力强、适于远距离传送、易于校准标定等优点。与接触式传感器速度传感器、加速度传感器都是接触式相比电涡流式传感器能够更准确地测量出转子振动状况的各种参数尤其适用于大型旋转机械轴振动、轴位移、相位、轴心轨迹、轴心位置、差胀、等等的测量用途十分广泛。

　　二、状态监测与故障诊断的意义及发展现状

　　1.状态监测与故障诊断的定义通俗地说状态监测与故障诊断就是给机器看病。

　　人不可能不生病机器在运行过程中出现故障也是不可避免的。人生了病需要求医就诊机器出了故障也要找“医生”诊断病因。医生对病人的诊断是基于体征检查先看体温再进行验血、X光、心电图、B超、甚至CT等基础上的分析判断对机器故障的诊断同样也是基于状态监测先看总振动值再求助于频谱、波形、轴心轨迹、趋势图、波德图、全息谱图等基础上的综合性分析判断。

　　状态监测是指通过一定的途径了解和掌握设备的运行状态包括利用监测与分析仪器在线的或离线的采用各种检测、监视、分析和判别方法对设备当前的运行状态做出评估属于正常、还是异常对异常状态及时做出报警并为进一步进行的故障分析、性能评估等提供信息和数据。

　　故障是指机械设备丧失了原来所规定的性能或状态。通常把设备在运行中所发生的状态异常、缺陷、性能恶化、以及事故前期的状态统统称为故障有时也把事故直接归为故障。而故障诊断则是根据状态监测所获得的信息结合设备的工作原理、结构特点、运行参数、历史状况对可能发生的故障进行分析、预报对已经或正在发生的故障进行分析、判断以确定故障的性质、类别、程度、部位及趋势对维护设备的正常运行和合理检修提供正确的技术支持。

　　2.状态监测与故障诊断的意义

　　状态监测与故障诊断技术的由来及发展与十分可观的故障损失以及设备维修费密切相关而状态监测与故障诊断的意义则是有效地遏制了故障损失和设备维修费用。具体可归纳如下几个方面

　　1及时发现故障的早期征兆以便采取相应的措施避免、减缓、减少重大事故的发生

　　2一旦发生故障能自动纪录下故障过程的完整信息以便事后进行故障原因分析避免再次发生同类事故

　　3通过对设备异常运行状态的分析揭示故障的原因、程度、部位为设备的在线调理、停机检修提供科学依据延长运行周期降低维修费用

　　4可充分地了解设备性能为改进设计、制造与维修水平提供有力证据。

　　自上世纪七十年代以来国内外石化、化工、电力、钢铁等行业为了极大限度地提高经济效益生产规模不断扩大生产装置向着大型化、高速化、自动化、连续化、单系列化发展装置中的关键设备均无备机一旦出现故障停机将导致整个装置停产所造成的经济损失是十分巨大的。例如一个年加工原油500万吨的炼油厂停产一天的经济损失达二千多万元一个年产30万吨合成氨的化肥厂停产一天的经济损失达二百五十万元一台30万千瓦的发电机组停产一天的经济损失达二百万元。由于大型转动设备的检修周期较长、备件价格昂贵一次故障停机的总经济损失多数都在千万元以上。

　　设备维修费在生产成本中所占的比重很大对于工业发达的国家来说任何一家公司的维修费都是一个可观的数字。国外研究表明维修费随设备技术含量的提高而增加并且与维修体制密切相关。在日本由于较为重视状态监测与故障诊断工作上世纪九十年代初工业装置的维修费为年销售额的610加上库存的备品备件总维修费达销售额的25在美国根据美国国家统计局发布的资料1980年美国工业设备的维修费达2460亿美元几乎占了**和地方税收总额7500亿美元的三分之一而其中的750亿美元是因不当维修包括缺乏正确的状态监测与故障诊断给浪费了在我国的石化行业伴随着维修体制的逐步改进、以及状态监测与故障诊断工作的逐步开展和提高维修费所占的比重呈逐步下降趋势上世纪八十年代为年产值的20左右九十年代为15左右近年来为10左右、甚至略低。

　　维修体制的变革经历了故障维修、预防性维修和预知性维修三个阶段。

　　最初是故障维修又称为事后维修“小车不倒只管推”设备什么时候坏了、什么时候修盲目、无计划、设备损坏程度大、维修费用高。

　　长期以来大多数工厂沿用的是定期的预防性维修体制也称计划维修它是根据生产计划和经验规定在设备运行一确定时间后停下进行解体、检查、修理、更换零部件。这种维修制度下无论设备有无毛病都要解体是一种过剩维修浪费人工、物料机器过多拆卸既容易降低原有精度又容易发生人为故障。因此预防性维修带有很大的盲目性既不经济又不合理。预知性维修是以状态监测与故障诊断技术为基础、以设备实际状况为依据、根据生产需要制定出预知性维修计划的维修体制。预知性维修要求不断地测知表征设备实际状态的参数对测得参数进行分析、判断做出是否发生故障以及故障类型、故障程度的评价推测机器状态的发展趋势估算出最佳的维修时机。预知性维修的目标是需要停车时才停车需要换件时才换件需要维修什么项目如某处轴承、某根转子、某处对中、某个齿轮、才维修什么项目。显然预知性维修比较先进、经济。据日本资料介绍采用设备故障诊断技术故障停机时间可降低75每年设备维修费可减少2550。无怪国外有些专家认为把少量美元花费在状态监测上比把上百万美元花费在因设备严重损坏而引起强迫停机后的检修上更有价值。从开展此项工作中尝到甜头的国内设备专家则说开展状态监测与故障诊断工作是花小钱、省大钱购置监测仪器是花了一些钱但有效地降低了故障损失和设备维修费反而节省了大钱。

　　3.状态监测与故障诊断的发展与现状

　　状态监测与故障诊断技术是近三十年来国内外发展较快的一门新兴学科。

　　我国状态监测与故障诊断技术起源于上世纪七十年代末。那时建国后首批从西方工业发达国家成套引进的13套大化肥装置以及随后不久引进的大化纤、大乙烯等装置正处于建成后的试车、开车阶段由于某些机组事故频发促进了高校及科研单位对这项技术的理论研究和实际应用。国外某些大公司的监测与诊断部门也同时开展了一些服务与交流客观上起到了一定的推动作用。79年起有些企业开始研究西方设备维修体制从中感受到状态监测与预知性维修的重要意义。79年到83年一些受故障损失严重困扰的石化企业购置了国外先进的频谱分析仪等状态监测仪器进入了初步的实践阶段1983年原国家经委下达了《国营工业交通设备管理试行条例》明确提出“逐步采用现代故障诊断和状态监测技术发展以状态监测为基础的预知性维修体制”

　　从而把故障诊断纳入企业管理法规对发展故障诊断技术具有极为重要的意义。自1984年起石化企业逐步建立起以总公司、公司总厂、厂的三级状态监测机构配置人员购置仪器培训学**相互交流全面开展了状态监测与故障诊断工作整体水平得到提高。九十年代起火力发电行业开始开展大型汽轮发电机组的在线状态监测与故障诊断工作并且发展较为迅速。进入本世纪以来在钢铁、炼铝、水力发电、风力发电、空分等行业内伴随着技术先进的大型转动设备的投入使用状态监测与故障诊断技术也开始得到重视与应用并呈现出上升的趋势。

　　状态监测与故障诊断技术自身的发展过程大致可归纳为以下三个阶段

　　①　离线的FFT分析仪阶段

　　上世纪八十年代初、中期通过磁带记录仪到现场记录振动信号然后回实验室输入FFT快速傅里叶变换分析仪回放进行频谱分析只有功率谱幅值谱及波形少数配置双通道时才能看到轴心轨迹分析方法单一基本上只能查幅值、频率。

　　②　离线或在线的计算机辅助监测、诊断阶段

　　上世纪八十年代末期至九十年代中期通过计算机完成信息采集、信号分析、数据库管理、甚至给出诊断结论有各种图谱分析方法多样更加注重幅值、频率、相位信息的全面、综合利用还涌现出专家辅助诊断系统。

　　③　网络化监测、诊断阶段

　　上世纪九十年代末以来充分利用企业内部局域网和Internet网络做到资源共享、节省投资、远程诊断所监测的参数不再局限于振动、轴位移、转速进一步扩展到流量、压力、温度等工艺过程量对设备运行状态的把握更加全面、准确实现了真正意义上的专家远程诊断。

　　如今在对设备当前运行状态的监测以及故障原因的诊断方面可以说国内外状态监测与故障诊断产品无论是在线的、还是离线的的性能都达到了较为令人满意的水平。然而用户现场人员最关心的是设备当前故障的严重程度如何、今后的发展趋势怎样、还能否继续运行下去、还能运行多久等问题恰恰在对故障程度的评估上以及故障趋势的预报上各家产品都显得欠缺。因此状态预报是目前监测诊断技术中较为薄弱的环节。