【正文】 國(guó)內(nèi)設(shè)備專家則說，開展?fàn)顟B(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷工作是花小錢、省大錢，購置監(jiān)測(cè)儀器是花了一些錢，但有效地降低了故障損失和設(shè)備維修費(fèi)， 反而 節(jié)省了大錢。 我國(guó)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)起源于上世紀(jì)七十年代末。國(guó)外某些大公司的監(jiān)測(cè)與診斷部門也 同時(shí) 開展了一些服務(wù)與交流，客觀上起到了一定的推動(dòng)作用。 79 年到 83 年，一些受故障損失嚴(yán)重困擾的 石化 企業(yè)，購置了國(guó)外先進(jìn)的頻譜分析 儀等狀態(tài)監(jiān)測(cè)儀器，進(jìn)入了 初步 的實(shí)踐 階段， 1983 年，原國(guó)家經(jīng)委下達(dá)了《國(guó)營(yíng)工業(yè)交通設(shè)備管理試行條例》， 明確提出：“逐步采用現(xiàn)代故障診斷和狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)，發(fā)展以狀態(tài)監(jiān)測(cè)為基礎(chǔ)的預(yù)知性維修體制” ，從而把故障診斷納入企業(yè)管理法 規(guī)，對(duì)發(fā)展故障診斷技術(shù)具有極為重要的意義。九十年代起，火力發(fā)電行業(yè)開始開展大型汽輪發(fā)電機(jī)組的在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷工作，并且發(fā)展較為迅速。 狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù) 自身的 發(fā)展 過程 ，大致可歸納為以下三個(gè)階段： ① 離線的 FFT 分析儀階段 上世紀(jì)八十年代初、中期，通過磁帶記錄儀到現(xiàn)場(chǎng)記錄振動(dòng)信號(hào)，然后回實(shí)驗(yàn)室輸入 FFT（快速傅里 葉變換）分析儀回放，進(jìn)行頻譜分析，只有功率譜（幅值譜）及波形，少數(shù)配置雙通道時(shí)才能看到軸心軌跡，分析方法單一，基本上只能查幅值、頻率。 ③ 網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)測(cè)、診斷階段 上世紀(jì)九十年代末以來，充分利用企業(yè)內(nèi)部局域網(wǎng)和 Inter 網(wǎng)絡(luò)，做到資源共享、節(jié)省投資、遠(yuǎn)程診斷，所監(jiān)測(cè)的參數(shù)不再局限于振動(dòng)、軸位移、轉(zhuǎn)速，進(jìn)一步擴(kuò)展到流量、壓力、溫度等工藝過程量，對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的把握更加全面、準(zhǔn)確，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的專家遠(yuǎn)程診斷。然而，用戶現(xiàn)場(chǎng)人員最關(guān)心的是設(shè)備當(dāng)前故障的嚴(yán)重程度如何、今后的 發(fā)展趨勢(shì)怎樣、還能否繼續(xù)運(yùn)行下去、還能運(yùn)行多久等問題，恰恰在對(duì)故障程度的評(píng)估上以及故障趨勢(shì)的預(yù)報(bào)上，各家產(chǎn)品都顯得欠缺。 二、大機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷常用的方法 可作為機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷的信息是多種多樣的，主要有：振動(dòng)、聲音、變形、應(yīng)力、裂紋、磨損、腐蝕、溫度、壓力、流量、電流、轉(zhuǎn)速、扭矩、功率、等等。 1. 振動(dòng)分析法 振動(dòng)分析法 是對(duì)設(shè)備所產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)（對(duì)大機(jī)組來說，主要是是轉(zhuǎn)子相對(duì)于軸承的振 動(dòng)）進(jìn)行信號(hào)采集、數(shù)據(jù)處理后，根據(jù) 振幅、頻率、相位 及 相關(guān)圖譜所進(jìn)行的故障分析。 一方面，由于在大機(jī)組的所有故障中，發(fā)生 振動(dòng)故障的概率最高 ；另一方面，振動(dòng)信號(hào) 所函括的設(shè)備狀態(tài)的 信息量最大 ，它既包含了轉(zhuǎn)子、軸承、聯(lián)軸器、齒輪、殼體、基礎(chǔ)、管線等機(jī)械零部件自身運(yùn)行狀態(tài)的信息，又包含了諸如轉(zhuǎn)速、流量、壓力、溫度、介質(zhì)組分、潤(rùn)滑油（主要是油溫）等工藝及運(yùn)行參數(shù)影響機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的信息，因?yàn)闄C(jī)械零部件或運(yùn)行參數(shù)的非正常變化，都會(huì)引起振動(dòng)值增大，振動(dòng)信息量如此之豐富， 是其它任何信息所無法比擬的；第三， 振動(dòng)信號(hào)易于拾取 ，便于在不影響機(jī)組運(yùn)行的情況下實(shí)行在線監(jiān)測(cè)和診斷。 采用振動(dòng)分析法，可以對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械大部分的故障類型進(jìn)行準(zhǔn)確的診斷，例如轉(zhuǎn)子不平衡、軸彎曲、軸橫向裂紋、滑動(dòng)軸承不良（間隙過大、磨損嚴(yán)重、剛度 10 差異大、軸頸偏心、軸承不對(duì)中、軸瓦或油擋錯(cuò)位、瓦面接觸差、瓦背緊力不足、可傾瓦搖擺性差等）、油膜渦動(dòng)及油膜振蕩、摩擦、轉(zhuǎn)子部件或支承部件松動(dòng)、軸系不對(duì)中 、結(jié)構(gòu)共振、旋轉(zhuǎn)失速及喘振、流體激振、電磁力激振、臨界轉(zhuǎn)速、聯(lián)軸器缺陷、齒輪缺陷、滾動(dòng)軸承缺陷、皮帶輪偏心等等。 2. 油液分析法 油液分析法是對(duì)潤(rùn)滑油本身以及油中微小顆粒所進(jìn)行的理化分析，也是大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械狀態(tài)檢測(cè)與故障診斷中的一個(gè)重要方法。 通過對(duì)潤(rùn)滑油油液的 粘度、閃點(diǎn)、酸值、破乳化度 、水分、機(jī)械雜質(zhì)、液相銹蝕試驗(yàn)、 抗氧化安全性 等各項(xiàng)主要性能指標(biāo)的檢驗(yàn)分析，可以準(zhǔn)確地掌握潤(rùn)滑油本身的 性能信息，也可以大概地了解到機(jī)組軸承、密封的工作狀況。其中，光譜分析能夠迅速、準(zhǔn)確、簡(jiǎn)便地測(cè)定出金屬或非金屬顆粒的元素成分及含量，但是對(duì)大顆粒（大于 5μm）測(cè)定的準(zhǔn)確性會(huì)降低，尤其是不能進(jìn)行磨粒的大小顆粒計(jì)數(shù)。因?yàn)椋Ｄp的磨粒為魚鱗狀，表面光滑，周邊圓滑，長(zhǎng)軸尺寸為 ~15μm（多數(shù)小于 5μm），厚 ~1μm，長(zhǎng)軸與厚度之比為 3~10；而非正常磨損磨粒的形貌則由于不同的產(chǎn)生原因分別形成為帶狀、球狀、晶體型層狀、螺旋狀、彎曲狀等，表面有劃痕，周邊不圓滑或有銳利的棱邊，磨粒的尺寸（除了滾動(dòng)軸承疲勞磨損的球狀 磨粒直徑為 1~5μm外）均大于 5μm、多數(shù)在20μm以上、較為嚴(yán)重時(shí)大于 100μm、甚至更大，磨粒的長(zhǎng)軸與厚度之比降低，大磨粒濃度 DL讀數(shù)與小磨粒濃度 DS讀數(shù)之差顯著增大。 11 3. 軸位移的監(jiān)測(cè) 在某些非正常的工況下，旋轉(zhuǎn)機(jī)械的 轉(zhuǎn)子 會(huì)因 軸向力 過大而產(chǎn)生較大的 軸向位移 ，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起推力軸承磨損，進(jìn)而發(fā)生轉(zhuǎn)子端面與隔板或缸體摩擦碰撞；汽輪 機(jī) 在啟動(dòng)和停車過程中，會(huì)因轉(zhuǎn)子與缸體受熱和冷卻不均而產(chǎn)生 差脹 ，嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生軸向動(dòng)靜摩擦。對(duì)軸位移進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)和故障診斷很有必要。 4. 軸承回油溫度及瓦塊溫度的監(jiān)測(cè) 對(duì)于滑動(dòng)軸承，檢修或運(yùn)行不當(dāng)都會(huì)造成軸承工作不良，從而引起軸承回油溫度及瓦塊溫度升高，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成燒瓦，因此對(duì)軸承回油溫度、瓦塊溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)非常必要。另外，用鉑電阻在距軸承合金 1mm 處測(cè)量瓦塊溫度時(shí)，一般不應(yīng)超過 110～ 115℃ 。 5. 綜合分析法 對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷，此外還有噪聲分析法、熱紅外分析法、應(yīng)力分析法等，以及觀察設(shè)備內(nèi)部情況的激光、光纖和設(shè)備成像技術(shù)，分析介質(zhì)成分的氣相色譜技術(shù)，檢驗(yàn)金屬內(nèi)部缺陷的 X 光射線、超聲波探傷技術(shù)等。運(yùn)行參數(shù)的監(jiān)測(cè)與分析一起進(jìn)行綜合分析的。簡(jiǎn)稱 振動(dòng) 。 振動(dòng)用基本參數(shù)、即所謂 “振動(dòng)三要素 ” — 振幅、頻率、相位 加以描述。 物體渦動(dòng)時(shí)，是在繞著 自身對(duì)稱軸旋轉(zhuǎn)（自轉(zhuǎn)）的同時(shí)，對(duì)稱軸又進(jìn)一步在繞著某一平衡位置旋轉(zhuǎn)（公轉(zhuǎn)），所以渦動(dòng)又稱為 進(jìn)動(dòng) 。 12 旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)子的實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是，在以角速度 ω（即轉(zhuǎn)速 n）繞著自身軸線ACB 旋轉(zhuǎn)（自轉(zhuǎn)）的同時(shí)，整個(gè)軸線又以角速度 Ω 繞著兩軸承中心連線 AOB在做圓周運(yùn)動(dòng)（公轉(zhuǎn)）。由于這種渦動(dòng)在徑向上所測(cè)得的振幅、頻率、相位在數(shù)值上與機(jī)械振動(dòng)相同，因此可以沿用機(jī)械振動(dòng)的許多成熟的理論、方法，所以旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)子的渦動(dòng)通常仍然稱作振動(dòng)。 正進(jìn)動(dòng) 是指渦動(dòng)方向與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相同的渦動(dòng)。 因?yàn)檗D(zhuǎn)子的實(shí)際振動(dòng)是渦動(dòng)，其渦動(dòng)軌跡通常為不規(guī)整的橢圓，因此需要配置兩個(gè)相互垂直的探頭才能較為準(zhǔn)確地測(cè)出轉(zhuǎn)子真實(shí)的振動(dòng)。 振幅是振動(dòng) 強(qiáng)度 和 能量 水平的標(biāo)志，是 評(píng)判 機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn) 狀態(tài)優(yōu)劣 的主要指標(biāo)。 峰峰值 是整個(gè)振動(dòng)歷程的最大值，即正峰與負(fù)峰之間的差值； 單峰值 是正峰或負(fù)峰的最大值； 有效值 即均方根值。它們之間的換算關(guān)系是：峰峰值＝ 2單峰值＝ 221/2有效值。 13 振動(dòng)位移、振動(dòng)速度、振動(dòng)加速度 振幅 分別用 振動(dòng)位 移、振動(dòng)速度、振動(dòng)加速度 值加以 描述 、度量，三者相互之間可以通過微分或積分進(jìn)行換算。 可以認(rèn)為，在低頻范圍內(nèi)，振動(dòng)強(qiáng)度與位移成正比；在中頻范圍內(nèi)，振動(dòng)強(qiáng)度與速度成正比；在高頻范圍內(nèi)，振動(dòng)強(qiáng)度與加速度成正比。 也可以認(rèn)為，振動(dòng)位移具體地反映了間隙的大小，振動(dòng)速度反映了能量的大小，振動(dòng)加速度反映了沖擊力的大小。 振動(dòng)烈度 振動(dòng)烈度 是振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)中的通用術(shù)語，是描述一臺(tái)機(jī)器振動(dòng)狀態(tài)的特征量。 因此，可以認(rèn)為振動(dòng)烈度就是振動(dòng)速度的有效值。 對(duì)大型旋轉(zhuǎn)機(jī)組轉(zhuǎn)子振動(dòng)的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，我國(guó)及國(guó)際振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)幾乎都規(guī)定用在靠近軸承處軸頸振動(dòng)位移的峰峰值進(jìn)行度量。對(duì)石油化工用離心式壓縮機(jī)及汽輪機(jī)，API61 API612 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，在制造廠進(jìn)行機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)時(shí)，轉(zhuǎn)子振動(dòng)位移的峰峰值 Xpp 不應(yīng)超過 A 值或 ， A = (12020/n)1/2， n 為最大連續(xù)工作轉(zhuǎn)速。在無制造商規(guī)定時(shí)，也可以認(rèn)為： 14 Xpp≤ A 時(shí) ， 為優(yōu)良狀態(tài)， A 為 (12020/n)1/2 及 ； A＜ Xpp≤ B 時(shí) ， 為合格狀態(tài)， B＝ (～ )A，轉(zhuǎn)速較低時(shí)取大值，轉(zhuǎn)速高時(shí)取小值， B 為低報(bào)警值； B＜ Xpp≤ C 時(shí) ， 為不合格狀態(tài)， C＝ ， C 為高報(bào)警值或連鎖值； Xpp＞ C 時(shí)， 為不允許狀態(tài)。 右圖為中石化旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn) SHS 010032020 關(guān)于機(jī)器振動(dòng)烈度 的評(píng)定等級(jí)表。例如， ISO 3945 對(duì)轉(zhuǎn)速為600~12020 r/min，功率大于 300kW 的大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械的標(biāo)準(zhǔn)與此完全相同；德國(guó)工程師協(xié)會(huì)VDI 2056 標(biāo)準(zhǔn)與此基本相同（低一格）。 當(dāng)支座 的固有頻率大于轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)的固有頻率時(shí)，為剛性支承狀態(tài)；當(dāng)支座的固有頻率小于轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)的固有頻率時(shí)，為撓性支承狀態(tài)。21/2))103Xpp ≈Xpp103Xp ≈Xp/f [mm/s] 式中， Xpp～振動(dòng)位移峰峰值， [μm]； 15 Xp～振動(dòng)加 速度單峰值， [g]； f～主振動(dòng)的頻率，通常取工頻， [Hz]。 4. 頻率 頻率、周期 頻率 f 是物體每秒鐘內(nèi)振動(dòng)循環(huán)的次數(shù)，單位是赫茲 [Hz]。 周期 T 是物體完成一個(gè)振動(dòng)過程所需要的時(shí)間，單位是秒 [s] 。 頻率與周期互為倒數(shù)， f＝ 1/T。因此轉(zhuǎn)速 n、角速度 ω 都可以看作頻率，稱為旋轉(zhuǎn)頻率、轉(zhuǎn)速頻率、圓頻率，或 n、 ω、 f 不分，都直接簡(jiǎn)稱為頻率， 它們之間的 換算關(guān)系為： f = n/60， ω＝ 2πf＝ 2πn/60≈， 其中轉(zhuǎn)速 n 的單位為轉(zhuǎn) /分鐘 [r/min]，角速度 ω 的 單位為弧度 /秒 [rad/s]。 倍頻 就是用轉(zhuǎn)速頻率的倍數(shù)來表示的振動(dòng)頻率。其中，一倍頻，即 實(shí)際運(yùn)行轉(zhuǎn)速頻率又稱為工頻 、基頻、轉(zhuǎn)頻， 倍頻又稱為半頻。 通頻振動(dòng)、選頻振動(dòng) 通頻振動(dòng) 是原始的、未經(jīng)傅里葉變換分解處理的、由各頻率振動(dòng)分量相互迭加 后的總振動(dòng) 。 選頻振動(dòng) 是從通頻振動(dòng)中所分解出來的、振動(dòng)波形是單一正弦波 的、 某一 選定 頻率 的振動(dòng)（如工頻、 倍頻、二倍頻 、 ? ）。例如，轉(zhuǎn)子不平衡的振動(dòng)頻率是工頻，齒式聯(lián)軸器（帶中間齒套）不對(duì)中的振動(dòng)頻率是二倍頻，油膜渦動(dòng)的振動(dòng)頻率是 倍頻 (實(shí)際上要小一點(diǎn) )，等等。 但是反過來， 某種 振動(dòng) 頻率又和多種類型的故障有關(guān)聯(lián) 。因此，頻率和振動(dòng)故障的對(duì)應(yīng)關(guān)系并不是唯一的。 常見的故障特征頻率 及相應(yīng)的故障類型，簡(jiǎn)要介紹如下： ① 工頻 工頻 成分 在所有情況下都存在，工頻幅值幾乎總是最大，應(yīng)該在其發(fā)生異常增大的情況下才視為故障特征頻率。多數(shù)（ 60％以上）為 不平衡 故障，如轉(zhuǎn)子發(fā)生機(jī)械損傷脫 落（斷葉片、葉輪破裂等）、結(jié)垢、初始不平衡，以及軸彎曲等；同時(shí)，相當(dāng)數(shù)量（接近 40％）為 軸承偏心 類故障，如間隙過大、軸承合金磨損、軸頸與軸承偏心、軸承座剛度差異過大等；此外，還有剛性聯(lián)軸器的角度（端面）不對(duì)中 ；支座、殼體、基礎(chǔ)的松動(dòng)、變形、裂縫等 支承剛度異常 引起的振動(dòng)或共振；運(yùn)行轉(zhuǎn)速接近 臨界轉(zhuǎn)速 ；發(fā)電機(jī)及 電 動(dòng) 機(jī) 轉(zhuǎn)子 偏心 等。 二倍頻所對(duì)應(yīng)的故障類型較為集中。 ③ 低頻 （低于工頻的頻率） 正常情況下， 低頻 成分 往往不存在或者以微量幅值（一般不大于 3μm）存在，在其大于 3~5μm的情況下，就應(yīng)該以故障特征頻率的預(yù) 兆加以關(guān)注了?？蛇M(jìn)一步分為兩種類型，一種是分?jǐn)?shù)諧波 17 振動(dòng)，如 1/2 倍頻、 1/3 倍頻 、 ? ，且頻率成分較多，多數(shù)為 摩擦 及 松動(dòng) 故障，如密封、油封、油擋的摩擦，軸承瓦背緊力不夠等；另一種是亞異步振動(dòng)，對(duì)應(yīng)的為 流體動(dòng)力激振 類故障，如 旋轉(zhuǎn)失速、喘振、油膜渦動(dòng)、油膜振蕩、密封流體激振 ，此外還有 進(jìn)汽（氣）激振 等，其中油膜振蕩、密封流體激振為自激振動(dòng)，是一種很危險(xiǎn)、能量很大的振動(dòng)，一般發(fā)生在轉(zhuǎn)速高于第一臨界轉(zhuǎn)速之后，多數(shù)是在二倍第一臨界轉(zhuǎn)速以上，頻率成分較為單一。 ⑤ 機(jī)器自身和基礎(chǔ)或其它附著物的固有頻率 ⑥ 齒輪故障的 特征頻率 由于齒輪的輪齒在進(jìn)入和脫離嚙合時(shí)，載荷突變、碰撞加劇，瞬時(shí)的高頻沖擊振幅與周期性變化的轉(zhuǎn)頻振幅相互疊加而產(chǎn)生幅值調(diào)制；制造時(shí)的輪齒分度不均勻、即周節(jié)誤差使旋轉(zhuǎn)速率發(fā)生變化則產(chǎn)生了頻率調(diào)制。 i f ， i 為正整數(shù)（ i＝ 1， 2， 3， … ） 式中， fm～嚙合頻率 ，為載波頻率， fm＝ f1z1＝ f2z2， 其中， f f z z2 分別為主動(dòng)輪、從動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速頻率及齒數(shù)； f～齒輪的轉(zhuǎn)速頻率，為調(diào)制頻率。 如果缺陷分布較均勻、如磨損，頻譜圖上的邊頻帶則顯現(xiàn)為窄、高、起伏大；如果發(fā)生斷齒或大的局部性缺陷，邊帶則寬、低、平。因此，每個(gè)滾動(dòng)體在通過載荷方向時(shí)就會(huì)發(fā)生一次力的變化，內(nèi)圈及軸頸、外圈及軸承座也同時(shí)受到一次激勵(lì)，此激勵(lì)頻率稱為滾動(dòng)體的通過頻率 fe。 滾動(dòng)軸承的缺陷間隔頻率 由于潤(rùn)滑不良、載荷過大、異物侵入、銹蝕等原因，會(huì)引起軸承工作表面上的剝落、膠合、裂紋、腐蝕凹坑、壓痕等離散型缺陷或損傷。同時(shí)由于持續(xù)時(shí)間極短，能量 分散在極寬的頻率范圍上，完全可以激發(fā)起軸承各元件以其固有頻率的振動(dòng)，就像用小錘輕輕敲擊大鐘可以使鐘發(fā)出聲音（固有頻率的振動(dòng)）一樣。 由局部缺陷引起的沖擊振動(dòng)的間隔頻率的計(jì)算公式見下表。 除轉(zhuǎn)速 n 外， D、 d、 α、 z 均可根據(jù)軸承型號(hào)由軸承樣本查出