综合诊断方法在高速旋转机械故障诊断中的应用

卢少龙 陈贤荣

摘要：旋转机械是各种类型机械设备中数量最多应用最广的一类机械，特别是一些大型旋转机械，如汽轮机、离心式压缩机等成为支持国家经济命脉工业门类中的关键设备。高速旋转机械的故障诊断中，把在线振动曲线和典型故障振动特征频谱分析法以及润滑油样铁谱分析法相结合、互为验证，有别于依靠单一检测手段的故障诊断，能提高诊断的准确性、时效性，同时也为维修效果提供多手段的验证方法。

关键词：故障诊断、频谱分析、铁谱分析、在线监测

1.各种监测方式的优势与局限

现代化工业生产中，设备已基本实现了自动化运行，并建立了各种设备运行参数曲线及数据收集系统（如MES系统）。通过电流的变化曲线来判断电机的运行状况;通过在线振动曲线的变化来监控转子运行状况;通过润滑油分析监视磨损的发展;通过频谱分析准确定位故障部位。

1.1电流运行曲线

电流信号是电机运行时的实际电流，监测设备摩擦阻力增加引起电流增加的故障。从电流上可以判断电机是否正常运转，如果电流升高，則可能出现电机与其相联接设备的旋转部件卡死或者异常磨损、摩擦等情况。如果电流降低，则可能出现电机空转，主机设备不做功现象。电流运行曲线对于故障诊断来说单一的，无法知道引起设备故障的具体原因，但是可以给出一个诊断方向。

1.2在线振动曲线监测

在线振动曲线能够直观的看出振动值随时间的变化，从振动值上可以判读设备运行状态和健康状况。具有较强的时效性连续性好，且安装方便。一般以垂直安装监测竖直方向的振动值，无法解答引起设备振动变化的原因。

1.3频谱分析

状态监测是在设备运行或者基本不拆卸设备的情况下，通过仪器获得准确的设备信息。频谱分析是状态监测中使用最为广泛的方法之一。采集旋转机械带有周期的振动信号，这些振动信号并不是只包含单一频率成分的简谐振动，而是包含多种频率成分。这些频率成分往往直接于机械中各种零件的机械物理特性关联在一起，通过数学变换可以准确的反应设备各部件的运行状况，从而对设备的可靠性进行评价。频谱分析很精准的反映了设备的真实状况。因其采样和判读跟判读者能力和经验有很大关联，抗干扰能力偏弱。

1.4润滑油铁谱分析

铁谱分析是一种借助磁力将油液中的金属颗粒分离出来，并对这些颗粒进行分析的技术，是检测润滑油状态监测的一种有效手段，主要检测和诊断机械设备的齿轮箱、轴承系统和液压系统。根据摩擦学研究表明，磨粒的类型、数量和增加速度与摩擦表面材料的磨损程度和速度直接相关，而磨损形式、颜色和尺寸与磨损类型和磨损过程密切相关。因此该方法可以在判断磨损故障的位置、严重程度、发展趋势和原因方面发挥综合作用，对判断设备传动部件的磨损程度有较好的指向性。

2.综合故障诊断应用

如何利用众多监测数据开展综合性地故障诊断，精准地找出故障原因是状态维修关键。以我公司离心式高压风机为例，该风机为国外进口悬臂式离心风机，2011安装投用。设备连续运行近10年。转速2979r/min，轴承型号6240，润滑油为美孚46#抗磨液压油，主要由10000V高压电机、液压油站、主机部分组成，主机与电机使用柱销联轴器连接传动。该机配备电流运行曲线监测、在线振动曲线监测。振动监测通过DCS系统实现高限连锁，当叶轮端水平振动大于等于7mm/s时连锁停机。

2021年8月，在线振动发现振动增大但原因不明。随后进行的频谱分析发现主机叶轮端水平振动4.7mm/s，频谱以1X频为主并伴随有2X、3X、4X频出现。初步判断振动增大是由转子动不平衡或基座地脚松动引起。9月初利用临时短停的机会对该机地脚基座螺栓进行检查，并在线清洗叶轮。同时将润滑油取样进行铁谱分析。开机后叶轮端水平振动降至3.4mm/s，但频谱发现的故障并未排除。

9月11日该机在线振动突然增大，再次状态监测叶轮端水平振动4.8mm/s、轴向振动6.8mm/s，联轴器端水平振动4.8mm/s、轴向振动6.2mm/s，叶轮端水平振动频谱1X频为主（幅值6.48），伴随有2X、3X、4X频出现。联轴器端轴向振动频谱3X频为主（幅值7.01），伴随有1X、4X频出现。整机轴向振动较大，且3X频突出。主机两端轴承加速度谱高频有峰群出现，且时域指标中峭度增大但未见轴承故障特征频率。查看近两月该机的电流曲线，运行稳中略升。润滑油铁谱分析结果显示润滑油清洁度等级较高、各项指标在正常水平，未见异常磨损。

综合之前的检查和监测：地脚螺栓检查排除了地脚松动，润滑油铁谱分析排除了轴承故障，电机负荷未出现异常大幅增加说明各摩擦副基本正常。频谱中的峰群可视作轴承早期故障或为游隙偏大。叶轮水平频谱异常指向叶轮动平衡不佳，联轴器轴向频谱异常指向柱销故障。根据综合故障诊断结果检修目标设定为叶轮、联轴器。

3.检修

检修项目设置为拆检清洗叶轮，着色探伤检查叶轮焊缝，检查联轴器部件，复核对中。

实际检修发现联轴器柱销弹性块老化破裂，联轴器柱销孔未见明显磨损。对中数据检查无异常。叶轮表面有较多附着物遂彻底清洗叶轮。对叶轮焊缝着色探伤未发现缺陷。

4.结束语

对于现代企业的设备管理，故障预判断是设备可靠性运行的保障，是实现设备状况动态化管理、信息化管理的重要条件，而综合性故障诊断是故障预判断的核心。了解各种监测方式的优势与局限，通过综合故障诊断方法发挥各自特长，实现科学精准检修。在提升检修效率的同时减少生产时间占用，避免过度检修降低生产停滞损失。

参考文献：

[1]张碧波.《设备状态监测与故障诊断》

[2]张兴华，《频谱分析在风机状态监测中的应用》 中小企业管理与科技，2018年第5期