风电故障诊断技术课件.ppt
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- 故障诊断 技术 课件
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1、1故障诊断技术故障诊断技术 -振动测试振动测试石磊2007年05月2-以可靠性为中心的维修以可靠性为中心的维修第一阶段:第一阶段:损坏后修换损坏后修换 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010第二阶段:第二阶段:定期大修定期大修工作的计划性工作的计划性控制系统出现控制系统出现出现体积大、出现体积大、速度慢的计算速度慢的计算机机第三阶段:第三阶段:状态监测状态监测可靠性和维修性设可靠性和维修性设计计危害分析危害分析故障模式和影响分故障模式和影响分析析专家系统专家系统体积小、速度快的体积小、速度快的计算机计算机3-以可靠性为中心的维修以可靠性为中心的维修4-以
2、可靠性为中心的维修以可靠性为中心的维修 由于旋转设备由于旋转设备70%70%以上的故障都可以由振动数值的变化表以上的故障都可以由振动数值的变化表现出来,因此在进行预防性维修的基础上,运转中设备有现出来,因此在进行预防性维修的基础上,运转中设备有50%50%以上问题可以由振动信号的变化分析出来,在设备故障以上问题可以由振动信号的变化分析出来,在设备故障停机之前及时解决。停机之前及时解决。据国外企业统计,采用诊断技术后事故率可减少据国外企业统计,采用诊断技术后事故率可减少75%75%,维,维修费用可降低修费用可降低25%25%50%50%。5-以可靠性为中心的维修以可靠性为中心的维修 由于旋转设备
3、由于旋转设备70%70%以上的故障都可以由振动数值的变化表以上的故障都可以由振动数值的变化表现出来,因此在进行预防性维修的基础上,运转中设备有现出来,因此在进行预防性维修的基础上,运转中设备有50%50%以上问题可以由振动信号的变化分析出来,在设备故障以上问题可以由振动信号的变化分析出来,在设备故障停机之前及时解决。停机之前及时解决。据国外企业统计,采用诊断技术后事故率可减少据国外企业统计,采用诊断技术后事故率可减少75%75%,维,维修费用可降低修费用可降低25%25%50%50%。6-名词术语名词术语 机械振动是指物体围绕其平衡位置附近来回摆动并随时间机械振动是指物体围绕其平衡位置附近来回
4、摆动并随时间变化的一种运动。机械振动通常以其幅值、周期(频率)和变化的一种运动。机械振动通常以其幅值、周期(频率)和相位来描述,它们是描述振动的三个基本参量。相位来描述,它们是描述振动的三个基本参量。幅值:表示物体动态运动或振动的幅度,它是机械振动幅值:表示物体动态运动或振动的幅度,它是机械振动强度的标志,也是机器振动严重程度的一个重要指标。振幅强度的标志,也是机器振动严重程度的一个重要指标。振幅的大小可以表示为峰峰值(的大小可以表示为峰峰值(P PP P)、单峰值()、单峰值(0 0P P)、有)、有效值(效值(RMSRMS)或平均值()或平均值(AverageAverage)。)。7-名词
5、术语名词术语 周期:物体完成一个完整的振动所需要的时间,以周期:物体完成一个完整的振动所需要的时间,以T0T0表表示。单位一般是用示。单位一般是用“秒秒”来表示。例如一个单摆,它的周期来表示。例如一个单摆,它的周期就是重锤从左运动到右,再从右运动回左边起点所需要的时就是重锤从左运动到右,再从右运动回左边起点所需要的时间。间。频率:是指振动物体在单位时间(频率:是指振动物体在单位时间(1 1秒)内所产生振动的秒)内所产生振动的次数,即次数,即HzHz,以,以f0f0表示。很显然,表示。很显然,f0f01 1T0T0。对于旋转机。对于旋转机械的振动来说,存在下述令人感兴趣的频率:械的振动来说,存在
6、下述令人感兴趣的频率:a a)转动轴的)转动轴的旋转频率;旋转频率;b b)各种振动分量的频率;)各种振动分量的频率;c c)机器自身和基础或)机器自身和基础或其它附着物的固有频率。其它附着物的固有频率。8-名词术语名词术语 相位:是指旋转机械测量中某一瞬间机器的选频振动信相位:是指旋转机械测量中某一瞬间机器的选频振动信号(如基频)与轴上某一固定标志(如键相器)之间的相位号(如基频)与轴上某一固定标志(如键相器)之间的相位差。差。振动速度相位超前振动位移振动速度相位超前振动位移9090;振动加速度相位超前振动加速度相位超前振动速度振动速度9090;振动加速度相位超前振动位移振动加速度相位超前振
7、动位移180180。9-名词术语名词术语峭峭 度度14201/3NqiaixxxN波形指标波形指标rmsxKx均方幅值平均幅值峰值指标峰值指标prmsxCx峰 值均 方 幅 值脉冲指标脉冲指标PxIx峰 值平 均 幅 值裕度指标裕度指标PrxLx峰 值方 根 幅 值10-振动传感器振动传感器 现场振动测试采用的传感器一般有非接触式电涡流传感器、现场振动测试采用的传感器一般有非接触式电涡流传感器、速度传感器、加速度传感器和复合传感器(它是由一个非接速度传感器、加速度传感器和复合传感器(它是由一个非接触传感器和一个惯性传感器组成)四种。每一种传感器都有触传感器和一个惯性传感器组成)四种。每一种传感
8、器都有它们固有的频响特性,其决定了各自的工作范围。它们固有的频响特性,其决定了各自的工作范围。11-振动传感器振动传感器12-常用图谱常用图谱时域波形时域波形总体上掌握所测信号随时间的变化规律总体上掌握所测信号随时间的变化规律,基本应用如下:基本应用如下:1)1)根据纵坐标刻度可了解到信号大小;根据纵坐标刻度可了解到信号大小;2)2)根据横坐标刻度可大致了解某些主要频率成分,根据横坐标刻度可大致了解某些主要频率成分,3)3)某些周期性或脉冲冲击信号在时域波形上更容易发现。某些周期性或脉冲冲击信号在时域波形上更容易发现。13-常用图谱常用图谱-波德图波德图 波德图是反映机器振动幅值和相位随转速变
9、化的关系曲线。波德图是反映机器振动幅值和相位随转速变化的关系曲线。横坐标是转速,纵坐标有两个,一个是振幅峰峰值,另一个横坐标是转速,纵坐标有两个,一个是振幅峰峰值,另一个是相位。是相位。14-常用图谱常用图谱-波德图波德图波德图上我们可以得到以下信息:波德图上我们可以得到以下信息:转子系统在各种转速下的振幅和相位;转子系统在各种转速下的振幅和相位;转子系统的临界转速;转子系统的临界转速;转子系统的共振放大系数转子系统的共振放大系数(Q=Amax(Q=Amax);一般小型机组;一般小型机组Q Q在在3 35 5甚至更小,而大型机组在甚至更小,而大型机组在5 57 7;超过上述数值,很可能;超过上
10、述数值,很可能是不安全的;是不安全的;转子的振型;转子的振型;系统的阻尼大小;系统的阻尼大小;转子上机械偏差和电气偏差的大小;转子上机械偏差和电气偏差的大小;转子是否发生了热弯曲。转子是否发生了热弯曲。由这些数据可以获得有关转子的动平衡状况和振动体的刚由这些数据可以获得有关转子的动平衡状况和振动体的刚度、阻尼特性等动态数据。度、阻尼特性等动态数据。15-常用图谱常用图谱-极坐标图极坐标图 极坐标图是波德图的极坐标表现形式,比波德图更为直观。极坐标图是波德图的极坐标表现形式,比波德图更为直观。图中用一旋转矢量的点代表转子的轴心,该点在各个转速下图中用一旋转矢量的点代表转子的轴心,该点在各个转速下
11、所处位置的极半径就代表了轴的径向振幅,该点在极坐标上所处位置的极半径就代表了轴的径向振幅,该点在极坐标上的角度就是此时振动的相位角。的角度就是此时振动的相位角。16-常用图谱常用图谱-频谱瀑布图频谱瀑布图 用某一测点在启停机(或正常运行中)时连续测得的一组用某一测点在启停机(或正常运行中)时连续测得的一组频谱图按时间顺序组成的三维谱图就是频谱瀑布图。频谱图按时间顺序组成的三维谱图就是频谱瀑布图。Z Z轴是轴是时间轴相同阶次频率的谱线集和时间轴相同阶次频率的谱线集和Z Z轴是平行的。从图中可以轴是平行的。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。清楚地看出各种频率的振幅随时间是如何变
12、化的。17-常用图谱常用图谱-轴心轨迹图轴心轨迹图 轴心轨迹一般是指转子上的轴心一点相对于轴承座在其与轴心轨迹一般是指转子上的轴心一点相对于轴承座在其与轴线垂直的平面内的运动轨迹。轴线垂直的平面内的运动轨迹。18-常用图谱常用图谱-轴心轨迹图轴心轨迹图19-常用图谱常用图谱-振动趋势图振动趋势图 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振动、各频率分量的振动、相位或其它过程参数是如何随时间变化的。间变化的。20-常用图谱常用图谱-波形频谱图波形频谱图 21-故障诊断故障诊断带传动系统:带
13、传动系统:带驱动相关振动带驱动相关振动.支撑、紧固元件:支撑、紧固元件:机械性松弛机械性松弛.配合元件:配合元件:平行、平行、偏角不对中和轴承偏角不对中和轴承装配误差等装配误差等.转子:转子:摩擦摩擦.叶片、流体:叶片、流体:流体相关振动流体相关振动.电机:电机:电器相关振动电器相关振动.轴承:轴承:滚动元件相关振动滚动元件相关振动.齿轮:齿轮:偏心、磨损等偏心、磨损等.滑动轴承:滑动轴承:磨损、间磨损、间隙、油膜涡动隙、油膜涡动/振荡振荡.转子:转子:不平衡不平衡.转子转速同步:转子转速同步:拍振拍振.转子或其它结构:转子或其它结构:共振共振.22-故障诊断故障诊断故障原因分类故障原因分类故
14、障分类故障分类主要原因主要原因设计原因设计原因设计不当,动态特性不良,运行时发生强迫振动或自激振动设计不当,动态特性不良,运行时发生强迫振动或自激振动结构不合理,应力集中结构不合理,应力集中设计工作转速接近或落入临界转速区设计工作转速接近或落入临界转速区热膨胀量计算不准,导致热态对中不良热膨胀量计算不准,导致热态对中不良制造原因制造原因零部件加工制造不良,精度不够零部件加工制造不良,精度不够零件材质不良,强度不够,制造缺陷零件材质不良,强度不够,制造缺陷转子动平衡不符合技术要求转子动平衡不符合技术要求安装维修安装维修机械安装不当,零部件错位,预负荷大机械安装不当,零部件错位,预负荷大轴系不对中
15、轴系不对中机器几何参数(如配合间隙、过盈量及相对位置)调整不当机器几何参数(如配合间隙、过盈量及相对位置)调整不当管道应力大,机器在工作状态下改变了动态特性和安装精度管道应力大,机器在工作状态下改变了动态特性和安装精度转子长期放置不当,改变了动平衡精度转子长期放置不当,改变了动平衡精度未按规程检修,破坏了机器原有的配合性质和精度未按规程检修,破坏了机器原有的配合性质和精度23-故障诊断故障诊断故障原因分类故障原因分类故障分类故障分类主要原因主要原因操作运行操作运行工艺参数(如介质温度、压力、流量、负荷等)偏离设计值,机工艺参数(如介质温度、压力、流量、负荷等)偏离设计值,机器运行工况不正常器运
16、行工况不正常机器在超速、超负荷下运行,改变了机器的工作特性机器在超速、超负荷下运行,改变了机器的工作特性运行点接近或落入临界转速区运行点接近或落入临界转速区润滑或冷却不良润滑或冷却不良转子局部损坏或结垢转子局部损坏或结垢起停机或升降速过程操作不当,暖机不够,热胀不均或在临界区起停机或升降速过程操作不当,暖机不够,热胀不均或在临界区停留时间过久停留时间过久机器劣化机器劣化长期运行,转子挠度增大或动平衡劣化长期运行,转子挠度增大或动平衡劣化转子局部损坏、脱落或产生裂纹转子局部损坏、脱落或产生裂纹零部件磨损、点蚀或腐蚀等零部件磨损、点蚀或腐蚀等配合面受力劣化,产生过盈不足或松动等,破坏了配合性质和精
17、配合面受力劣化,产生过盈不足或松动等,破坏了配合性质和精度度机器表面沉降不均,机器壳体变形机器表面沉降不均,机器壳体变形24-故障诊断故障诊断不平衡不平衡 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
18、;转子受疲劳应力作用腐蚀、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。坏、脱落,产生碎块飞出等。25-故障诊断故障诊断不平衡不平衡(1 1)时域波形近似正弦波。)时域波形近似正弦波。(2 2)频谱能量集中于基频。并且会出现较小的高次谐波,呈)频谱能量集中于基频。并且会出现较小的高次谐波,呈“枞树形枞树形”。(3 3)在临界转速以下,振幅随转速的增加而增大;在临界转)在临界转速以下,振幅随转速的增加而增大;在临界转速以上,转速增加振幅趋于一个较小的稳定值;当转速接近
19、速以上,转速增加振幅趋于一个较小的稳定值;当转速接近临界转速时,发生共振,振幅具有最大峰值。振动幅值对转临界转速时,发生共振,振幅具有最大峰值。振动幅值对转速的变化非常敏感。速的变化非常敏感。(4 4)当工作转速一定时,相位稳定(因此才可以方便地做动)当工作转速一定时,相位稳定(因此才可以方便地做动平衡)。平衡)。(5 5)转子的轴心轨迹为椭圆。)转子的轴心轨迹为椭圆。(6 6)从轴心轨迹观察其进动特征为同步正进动。)从轴心轨迹观察其进动特征为同步正进动。26-故障诊断故障诊断不平衡不平衡27-故障诊断故障诊断不平衡不平衡28-故障诊断故障诊断不平衡不平衡29-故障诊断故障诊断不对中不对中 转
20、子不对中通常是指相邻两转子的轴心线与轴承中心线的倾转子不对中通常是指相邻两转子的轴心线与轴承中心线的倾斜或偏移程度。转子不对中可分为联轴器不对中和轴承不对中。斜或偏移程度。转子不对中可分为联轴器不对中和轴承不对中。联轴器不对中又可分为平行不对中、偏角不对中和平行偏角不对联轴器不对中又可分为平行不对中、偏角不对中和平行偏角不对中三种情况。平行不对中时振动频率为转子工频的两倍。偏角不中三种情况。平行不对中时振动频率为转子工频的两倍。偏角不对中使联轴器附加一个弯矩,以力图减小两个轴中心线的偏角。对中使联轴器附加一个弯矩,以力图减小两个轴中心线的偏角。轴每旋转一周,弯矩作用方向就交变一次,因此,偏角不
21、对中增轴每旋转一周,弯矩作用方向就交变一次,因此,偏角不对中增加了转子的轴向力,使转子在轴向产生工频振动。平行偏角不对加了转子的轴向力,使转子在轴向产生工频振动。平行偏角不对中是以上两种情况的综合,使转子发生径向和轴向振动。轴承不中是以上两种情况的综合,使转子发生径向和轴向振动。轴承不对中实际上反映的是轴承座标高和轴中心位置的偏差。轴承不对对中实际上反映的是轴承座标高和轴中心位置的偏差。轴承不对中使轴系的载荷重新分配。负荷较大的轴承可能会出现高次谐波中使轴系的载荷重新分配。负荷较大的轴承可能会出现高次谐波振动,负荷较轻的轴承容易失稳,同时还使轴系的临界转速发生振动,负荷较轻的轴承容易失稳,同时
22、还使轴系的临界转速发生改变。改变。30-故障诊断故障诊断不对中不对中(1 1)故障特征频率为角频率的)故障特征频率为角频率的2 2、1 1倍频,及其高次谐波。倍频,及其高次谐波。(2 2)由不对中产生的对转子的激励力随转速升高而成平方增大,)由不对中产生的对转子的激励力随转速升高而成平方增大,因此,高速旋转机械应更加注重转子的对中要求。因此,高速旋转机械应更加注重转子的对中要求。(3 3)激励力与不对中量成正比,随不对中量的增加呈线性增大。)激励力与不对中量成正比,随不对中量的增加呈线性增大。(4 4)典型的轴心轨迹为月牙形、香蕉形,严重对中不良时的轴心)典型的轴心轨迹为月牙形、香蕉形,严重对
23、中不良时的轴心轨迹可能出现轨迹可能出现“8”8”字形;字形;(5 5)轴系具有过大的不对中量时,会由于联轴器不符合其运动条)轴系具有过大的不对中量时,会由于联轴器不符合其运动条件而使转子在运动中产生巨大的附加径向力和轴向力,以及附加弯件而使转子在运动中产生巨大的附加径向力和轴向力,以及附加弯矩,使转子产生异常振动,轴承过早损坏,对转子系统具有较大的矩,使转子产生异常振动,轴承过早损坏,对转子系统具有较大的破坏性。破坏性。31-故障诊断故障诊断不对中不对中32-故障诊断故障诊断不对中不对中33-故障诊断故障诊断轴承故障轴承故障 特征频率分析法是对滚动轴承实施振动诊断的基本方法。特征频率分析法是对
24、滚动轴承实施振动诊断的基本方法。滚动轴承的振动频率成分非常丰富,滚动轴承的振动频率成分非常丰富,图图4-64-6轴承元件疲劳点轴承元件疲劳点蚀每一个元件都有各自的故障特征频率。因此,通过频谱分蚀每一个元件都有各自的故障特征频率。因此,通过频谱分析不但可以判断轴承是否存在故障,而且可以对轴承中损坏析不但可以判断轴承是否存在故障,而且可以对轴承中损坏元件的部位做出准确判断。由于最初轴承振动信号是高频信元件的部位做出准确判断。由于最初轴承振动信号是高频信号,早期故障的振动信号十分微弱,往往淹没在其他相对强号,早期故障的振动信号十分微弱,往往淹没在其他相对强烈的振动之中,因此,通过对振动信号作频率分析
25、可以避免烈的振动之中,因此,通过对振动信号作频率分析可以避免漏检的情况漏检的情况34-故障诊断故障诊断轴承故障轴承故障(1 1)疲劳剥落损伤)疲劳剥落损伤 当轴承上产生了疲劳剥落坑后,在轴承运转中会因为碰撞而产生冲当轴承上产生了疲劳剥落坑后,在轴承运转中会因为碰撞而产生冲击脉冲。在轴承剥落坑处碰撞产生的冲击力的脉冲宽度一般都很小,大击脉冲。在轴承剥落坑处碰撞产生的冲击力的脉冲宽度一般都很小,大致为微秒级。因力的频谱宽度与脉冲持续时间成反比,所以其频谱可从致为微秒级。因力的频谱宽度与脉冲持续时间成反比,所以其频谱可从直流延展到直流延展到100100500kHz500kHz。疲劳剥落损伤可以在很宽
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