第四期全国设备状态监测与故障诊断实用技术培训班讲义大型旋转机械的状态检测与故障诊断沈立智中国设备管理协会设备管理专题交流中心2007年9月 西安目录第一节状态监测与故障诊断的基本知识 (6)一、状态监测与故障诊断的意义及发展现状 (6)1. 状态监测与故障诊断的定义 (6)2. 状态监测与故障诊断的意义 (6)3. 状态监测与故障诊断的发展与现状 (8)二、大机组状态监测与故障诊断常用的方法 (9)1. 振动分析法 (9)2. 油液分析法 (10)3. 轴位移的监测 (11)4. 轴承回油温度及瓦块温度的监测 (11)5. 综合分析法 (11)三、有关振动的常用术语 (11)1. 机械振动 (11)2. 涡动、进动、正进动、反进动 (11)3. 振幅 (12)3.1 振幅 (12)3.2 峰峰值、单峰值、有效值 (12)3.3 振动位移、振动速度、振动加速度 (13)3.4 振动烈度 (13)4. 频率 (15)4.1 频率、周期 (15)4.2倍频、一倍频、二倍频、0.5倍频、工频、基频、转频 (15)4.3 通频振动、选频振动 (15)4.4 故障特征频率 (16)5. 相位 (19)5.1 相位 (19)5.2 键相器 (19)5.3 绝对相位 (19)5.4 相位差、相对相位 (20)5.4 同相振动、反相振动 (21)5.5 相位的应用 (21)6. 刚度、阻尼、临界阻尼 (23)7. 临界转速 (24)8. 挠度、弹性线、主振型、轴振型 (25)9. 相对轴振动、绝对轴振动、轴承座振动 (26)10. 横向振动、轴向振动、扭转振动 (26)11．刚性转子、挠性转子、圆柱形振动、圆锥形振动、弓状回转（弯曲振动） (26)12. 高点、重点 (27)13. 机械偏差、电气偏差、晃度 (28)14. 同步振动、异步振动、亚异步振动、超异步振动 (28)15. 谐波、次谐波（分数谐波） (28)16. 共振、高次谐波共振、次谐波共振 (29)17. 简谐振动、周期振动、准周期振动、瞬态振动、冲击振动、随机振动 (29)18. 自由振动、受迫振动、自激振动、参变振动 (32)19. 旋转失速、喘振 (33)20. 半速涡动、油膜振荡 (35)四、振动传感器的基本知识 (36)1. 振动传感器的构成及工作原理 (36)2. 振动传感器的类型 (36)3. 磁电式速度传感器 (37)4. 压电式加速度传感器 (37)5. 电涡流式位移传感器 (39)6. 常用振动传感器主要性能及优缺点 (40)第二节状态监测与故障诊断的基本图谱 (41)一、常规图谱 (41)1. 机组总貌图 (41)2. 单值棒图 (41)3. 多值棒图 (42)4. 波形图 (43)5. 频谱图 (46)6. 轴心轨迹图 (46)7. 振动趋势图 (48)8. 过程振动趋势图 (52)9. 极坐标图 (52)10. 轴心位置图 (53)11. 全息谱图 (53)二、启停机图谱 (54)1. 转速时间图 (54)2. 波德图 (55)3. 奈奎斯特图 (57)4. 频谱瀑布图 (58)5. 级联图 (59)第三节大型旋转机组常见振动故障的机理与诊断 (60)一、不平衡 (60)二、转子弯曲 (62)三、不对中 (64)四、轴横向裂纹 (69)五、支承系统连接松动 (71)第四节故障诊断的具体方法及步骤 (73)一、故障真伪的诊断 (73)1. 首先应查询故障发生时生产工艺系统有无大的波动或调整 (73)2. 其次应查看仪表、主要是探头的间隙电压是否真实可信 (75)3. 应查看相关的运行参数有无相应的变化 (77)4. 应察看现场有无人可直接感受到的异常现象 (78)二、故障类型的诊断 (80)1. 振动故障类型的诊断 (80)1. 1主要异常振动分量频率的查找步骤及方法 (80)1.2 根据异常振动分量的频率进行振动类型诊断 (82)2. 轴位移故障原因的诊断 (88)三、故障程度的评估 (89)四、故障部位的诊断 (92)五、故障趋势的预测 (93)附件一齿轮的故障诊断 (94)一、齿轮的常见故障 (94)1. 断齿 (94)2. 点蚀 (94)3. 磨损 (95)4. 胶合 (95)二、齿轮故障的特征信息 (95)1. 啮合频率及其谐波 (95)2. 信号调制和边带分析 (97)1) 幅值调制 (97)2) 频率调制 (99)3. 齿轮振动信号的其它成分 (100)1) 附加脉冲 (100)2) 隐含成分 (101)3) 滚动轴承信号及交叉调制 (101)4. 齿轮常见故障与特征频率及其谐波、以及边频带的小结 (102)三、齿轮故障的诊断方法 (103)1. 细化谱分析法 (104)2. 倒频谱分析法 (104)3. 时域同步平均法 (107)4. 自适应消噪技术 (108)附件二滚动轴承的故障诊断 (108)一、滚动轴承的常见故障 (108)1. 疲劳剥落（点蚀） (108)2. 磨损 (109)3. 胶合 (109)4. 断裂 (109)5. 锈蚀 (109)6. 电蚀 (109)7. 塑性变形（凹坑及压痕） (109)8. 保持架损坏 (110)二、引起滚动轴承振动的原因及其特征频率 (110)1. 由于结构特点引起的振动——滚动体通过载荷方向时产生的通过频率 (110)2. 由于轴承刚度非线性引起的振动 (110)3. 由于制造及装配等原因引起的振动 (111)1) 由于表面加工波纹引起的振动 (111)2) 由于滚动体大小不均匀引起的振动 (111)3) 由于轴承偏心引起的振动 (111)4) 由于轴承装歪或轴弯曲引起的振动 (111)5) 由于轴承装配过紧或过松引起的振动 (111)4. 由于润滑不良引起的振动 (111)5. 由于轴承工作表面上的缺陷引起的振动 (112)三、滚动轴承振动的固有频率和缺陷间隔频率 (113)1. 滚动轴承的固有频率 (113)1) 滚动轴承内、外圈固有频率的计算公式 (114)2) 钢球固有频率的计算公式 (114)2. 滚动轴承的缺陷间隔频率 (115)四、滚动轴承故障振动的诊断方法 (116)1. 合理选择分析频段的范围 (116)1) 低频段（0 ~ 1 kHz） (116)2) 中频段（1 ~ 20 kHz） (116)3) 高频段（20 ~ 80 kHz） (117)2. 传感器位置的选择 (117)3. 滚动轴承故障波形的评定指标及因数判断法 (118)1) 有效值X rms (118)2) 峰值X p (118)3) 波峰因数C f (119)4) 峭度β与峭度系数K (119)4. 滚动轴承的诊断方法 (120)1) 低频信号接收法 (120)2) 冲击脉冲法(SPM) (121)3) 共振解调法(IFD) (122)5. 轴承失效的四个阶段及各阶段内的主要特征频率成分 (124)第一节状态监测与故障诊断的基本知识一、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6～10％，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，几乎占了中央和地方税收总额（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。