离线振动监测的各种手段描述

leoli

　　转动设备的振动监测和故障诊断

　　故障诊断不等于频谱分析，这个概念是必须要清楚的，另外，故障诊断也不等于信号分析，还必须借助很多能辅证结论的其它信息。我曾经见过有些故障诊断人员把所有的精力都用于信号记录、分析，对出现故障的机组的信息反而没有重视，诊断的准确性差就是一种必然结果。也有些诊断人员只要诊断故障，就用极为有限的几种分析工具，老想着把所有希望寄托在这几张谱图上，显然也是不可能把故障诊断清楚的，给机器诊断故障振动监测只是部分信息，常用于诊断故障的工具如下，每一种分析方法都针对性，同时也具有局限性。时间波形虽然简单，但在某些场合非常有效;频谱虽然与大多故障特征具有对应关系，有时候也不能准确地反映机组运行状态。从不同的角度(域)看问题，得到的信息肯定也是局部的。正所谓：
　　横看成岭侧成峰，
　　远近高低各不同，
　　不识庐山真面目，
　　只缘身在此山中。
　　我们先把常用的一些分析工具复习一下，看一看各种工具到底有什么问题。
　　频谱：单通道频谱仅仅是振动在该方向上(传感器安装的方向)上的投影谱，不能全面反映全部的故障特征信息，正如早晨的投影和中午的投影不同一样，最好的方法还是应该采用矢量谱，这样可以获得唯一性的信息，免得X方向和Y方向的特征差异把你弄得晕头转向;
　　波形：单通道信号是投影信号，两个通道的波形特征有可能不同，幅值也不同。应考虑两个通道的振动幅值差异，这个幅值的差异有时候是很有用的，另外波形也是衡量振动稳定性的指标，其中许多无量纲参数都是从波形中计算得到的;
　　轴心轨迹：轴心轨迹反映了转子涡动的路径轨迹，是判断预负荷的重要工具。但是轨迹的几何中心是随工作状态不同而改变的，即有可能相似的轴心轨迹反映的状态不同，就是说，轴心轨迹也是一种不完整信息;
　　轴心位置：是衡量运行稳定性的重要标志，衡量指标有偏心率、方位角、旋转方向(现在有的系统中对轴心位置的理解是错误的，所以绘制出的图形也是错误的，不信大家可以仔细地了解一下。这样错误的图形提供的是错误的信息，错误的信息必然导致错误的结论);
　　截面全信息谱：对于采用电涡流传感器的系统来说，该方法提供了一个监测截面内所有唯一性信息，可以不用分析就可容易地识别出机组常见的故障，具有一定的“可视化”功能。这个方法是我们总结了多年故障诊断经验捣鼓出来的，我本人对此非常满意。这个方法解决了一个大家普遍头痛的问题——读图难的问题，我可以保证只要花十分钟，你就是没有接触过故障诊断，也能把机组存在的基本问题说个七七八八。对于壳体振动(以滚动轴承支撑)信号，我正在捣鼓一个方法，可以简单、有效地把故障信息提供给用户，现在快搞完了，到时候再给大家介绍罢。
　　相关值：温度(差)、流量、压力、负荷等，对于正确诊断故障也是非常重要的，不要把振动当成了诊断故障的唯一信息，毕竟光靠号脉不能诊断全部疾病，您说是吧?
　　下面我们把机组常见故障的基本知识准备一下。
　　转子本身：质量不平衡、临时弯曲、轴颈浅表层缺陷、转子动力学特性设计不合理、横向裂纹、其它
　　质量不平衡分为初始质量不平衡，即转子的质量不平衡是在制造过程中产生的;另一种是突发性质量不平衡，或者称为质量缺损，是转子在运行过程中因叶片断裂等因素造成的。除了其频谱特征(最好采用矢量谱)为1X特征外，在转速稳定的情况下，其幅值、相位也是稳定的，随转速变化最敏感。轴心轨迹的椭圆度是衡量质量不平衡与其它故障的指示性指标，当轨迹椭圆度过大时，就应考虑质量平衡以外的故障了。
　　对于一般的机组，振动测量点多为轴承座，时间波形和频谱就成为必须的分析工具了。需要注意的是，振动值的大小分布特征是大值端为不平衡力的产生点。
　　若转子属于柔性转子，则应通过波德图上三个不同的区域振动响应情况来确定引起振动大的原因，即K刚度、阻尼刚度和质量/加速度刚度三个区域。若属于质量/加速度刚度区域振动响应较大，则必须考虑对转子进行全速动平衡。
　　一家设备制造厂的技术人员在现场服务，只要机组开起来，振动值必定要超标，分析也总是平衡问题。这位技术人员问我，为什么每次做平衡都是合格的，可装上去了就又不平衡了呢?我说，低速平衡解决的问题与高速平衡解决的问题不同，对于柔性转子来说，高速动平衡是必须要做的，否则解决这个问题就难了。后来做了高速动平衡，振动问题彻底解决了，什么原因，大家可以看看波德图的三个区域就清楚了。
　　转子临时性弯曲除了符合质量不平衡的特征外，要注意以下几个环节的确认：
　　①
　　高振动幅值发生的位置，如汽轮机;
　　②
　　高振动幅值发生的环境，如开车阶段;
　　③
　　确认蒸汽透平暖机时间是否符合操作规程规定的时间要求。
　　若转子由于存放不合理造成的弯曲，则可以通过极坐标图上表现出的弯曲矢量大小来判断。转子动力学特性设计不合理在波德图上也可以确认出其原因。
　　轴颈的浅表层缺陷很容易被电涡流传感器探测出来，只要这个缺陷深度在传感器磁场的穿透深度之内。其特征是，在时间波形上叠加有周期性负脉冲，脉冲间隔取决于缺陷的数量，若只有一个缺陷，则会产生间隔与转速频率相同的负脉冲。负脉冲的绝对高度一般不随真正振动幅值的变化而变化，这也是识别轴颈浅表层缺陷的基本准则。
　　因电涡流传感器安装距离不符合要求，将键相信号耦合到振动信号中的特征也是如此，在实际中我们都遇到过的。
　　转子轴颈具有浅表层缺陷的实例很多，因脉冲幅值较大，往往严重影响检测仪表的读值。若具有在线监测系统，可在信号幅值计量前进行必要的信号预处理，将附加脉冲消除，得到正确的幅值及信号。
　　横向裂纹可采用1X矢量区域和2X矢量区域进行监测，其中2X矢量区域是较有效的方法，且较直观。
　　与转子：不对中、预负荷
　　不对中也属于预负荷。
　　一般教科书描述的诊断规则是2X特征，或“香蕉型”、“8”字型轨迹。但要注意，随着不对中程度的不同，其特征也是有区别的。数据一定要来自联轴器两端的测点，这样才能做到比较准确。利用联轴器两侧的轴心位置进行比较，也可以得到直观的对中信息。
　　对于一个机组来说，转子与转子之间的联轴器是一个相对“软”的环节，具有一定的预负荷吸收、补偿能力，诊断时应注意与其它类型的预负荷(如管道力等)的区别。一般来说，当机组存在单向预负荷时，联轴器的对中情况肯定受影响，但当作不对中来处理时，往往不能解决问题。
　　实际诊断时还应注意其它故障诱发的不对中问题，如因热膨胀不均匀最终也会导致不对中，但在处置时若按不对中处理肯定是不能解决问题的。
　　转子与轴承：摩擦、油膜涡动、油膜振荡
　　摩擦是机组运行中最忌讳的故障之一，也是能直接导致轴承损坏的故障之一。摩擦往往不是独立存在的故障，多与轴弯曲、失稳等故障并发，或者说是上述故障的并发症。
　　在诊断摩擦故障时，一定要区别“摩擦正在进行时”和“摩擦过去时”两种状态。一般教科书上所列举的摩擦特征对“正在进行时”是适用的，但对“过去时”需要其它特征来验证。
　　关于油膜涡动和油膜振荡，利用开停车时获得的三维频谱图最容易识别，涡动频率与转速频率保持一个固定的比例关系，如教科书上所说的0.42～0.48X，但最近的研究结果表明，涡动频率的范围要比传统教科书上所说的宽，在0.2～0.86X范围内均有可能产生油膜涡动;振动频率与转速频率无关，实际是修正的一阶固有频率，在三维频谱图上表现为随转速变化其频率不变。油膜失稳的处置原则在于消除产生失稳的诱发因素，如通过提高轴承的载荷系数提高其工作的稳定性，这里面可以调节的参数有轴承间隙和润滑油黏度，但在实际调节时一定要弄清原因后再决定调节方式。另外，转子动力学特性不佳或转子之间对中不良也有可能诱发轴承油膜失稳。
　　对于摩擦和油膜失稳，恩普特公司已经开发出了基于“可视化”的全新分析方法，可以让用户随时“看”到转子在轴承中是否趋于失稳或趋于摩擦，联轴器是否存在不对中。如果大家对这方面有兴趣，欢迎大家共同交流体会。
　　转子与密封：密封激励失稳，失稳这类问题识别容易处置难，运气好处理得顺利一些，运气不好的话处理要费很多时间。一家企业的稀硝酸机组因振动过大无法运行，干脆就开不起来，就是这个问题。机组无规律波动，每次波动历经数小时，但因机组波动时没能将此时的动态数据纪录下来，只有控制系统保存了趋势，因此到底是什么原因还不得而知。
　　操作：旋转失速、喘振
　　离心式压缩机的工作过程是介质通过叶轮流道压缩后排出，满足特定的工艺要求，如果入口流量低于设计流量时，介质在流道内的工作状态发生变化(流体流动状态)，产生失速、脱离，在叶轮内形成一个与叶轮旋转方向相反的失速运动，若旋转失速频率与叶片或转子的固有频率相接近或吻合，就会导致振动响应剧烈增大。喘振是旋转失速发展的后续阶段，有些像油膜涡动与振荡的关系。
　　无论是旋转失速，还是喘振，都有一个共同的特点，就是与入口流量密切相关。此类故障只有密切控制入口流量，才能避免因入口流量导致的失稳。入口流量不足可能是真实的入口流量不足，也可能入口堵塞导致的流量不足，如叶轮被异物堵塞。
　　用频谱识别此类故障比较直观，旋转失速的频率一般在转子转动频率的1/2～1/5之间，且为一相对固定的数值(取决于气体脱离团的数目)，振动幅值一般随出口压力增大而增大，随流量减小而增大。发生旋转失速时，轴向振动对转速和流量很敏感，排气压力波动，机组压比下降;喘振频率多处于10Hz以下，出口压力大幅度波动，呈周期性。
　　对于离心式压缩机，因生产过程工艺条件的改变而降低负荷、降速时，应特别注意此类故障的发生。
　　机械本体：轴承座松动/破裂、管道力
　　轴承座松动的实例是有的，破裂的故障我本人没有见过。
　　座松动我认为比较容易识别，一般情况下，对于水平剖分式设备，水平方向的振动值应该比较大，若你发现垂直方向的壳体振动值明显大于水平方向振动值时，十有八九是轴承座松动了。单纯从频谱识别轴承座松动反而不很直观，因为松动因其轻微的冲击会导致频谱中的频率成分很多，识别起来比较困难。
　　管道力的问题我也遇到过，并且做了妥当的处置，等后面讲具体的故障诊断逻辑中再细说吧。
　　基础：软脚/刚度不足
　　基础的问题主要是刚性问题。当然也有因机器振动太大把基础损坏了的，但毕竟不多见。
　　有一次我为一家企业办故障诊断学习班，期间他们找了一台机器作为实习点，让我给这台机器进行诊断。当时没有分析仪器，只有一台振动烈度测量仪，一台冲击脉冲计，最后还是诊断出来是基础问题，后来他们把这台机器的基础重新弄了，机器现在还在使用。振动烈度反映的是什么?是平均振动能量。测量的结果确实超标，是不是轴承出毛病了?用冲击脉冲计验证一下，发现轴承没有问题，剩下的问题是确定到底是什么影响的振动，可能是平衡?对中?轴承座松动?基础?这些故障中轴承座松动可以通过振动方向上振动值的分布进行确认，经确认没有这个问题。基础?我围着基础转了一圈，发现一个角有一裂缝，冷却水不停地望里灌，但从来没有看见有水溢出，说明这个角已经“软”了，基础肯定有问题。于是就建议到检修的时候重新灌基础，最终解决了这台机器的振动问题。
　　还有一次在诊断中发现有人站在基础上机组的振动就降低，我连监测都每做，告诉他们基础刚度过低，加固吧!问题解决了，他们向我索取报告，我说没报告，没有测哪来的报告?为什么我肯定是刚度问题呢?因为这台机组的基础实在薄弱，加上人站在上面振动降低的实际情况，还用得着监测吗?
　　部件：滚动轴承、齿轮故障
　　滚动轴承的故障诊断受很多因素的影响，其中最大的影响因素是信号的信噪比问题。由于壳体振动的耦合通道多，也就是说干扰因素也多，我们期望的信号信噪比较低，有时候可能根本无法应用。对于滚动轴承信号分析，无外乎几种方法：一是专用的方法，如SPM法，对滚动轴承故障比较灵敏，但对其他故障没有诊断能力;二是利用信号预处理技术，将信号中感兴趣的频段提取出来，再进行分析，如包络解调法等。看一看教科书，对滚动轴承故障诊断的篇幅不小，但在使用时应注意一个问题，所有的特征频率计算都是假设轴承内圈与轴没有相对滑动，考虑到相对滑动时，公式计算出来的特征频率存在一定误差，也就是说，测量出来的特征频率有可能与计算值不同，在工程上我们只考虑差不多就行了，不要斤斤计较。
　　齿轮故障分析也存在类似滚动轴承的问题，所用的方法主要是基于某一中心频率的边频带分析和倒谱分析。
　　有资料说，对于滚动轴承监测，如果使用振动速度作为检测参数，最好采用峰值计量，这样可以充分考虑冲击信号的影响，我本人认为很有道理，大家不妨在实际检测中实践一下，检验一下其实用性。