旋转机械设备故障诊断技术分析

摘 要： 通过对大量旋转机械设备故障进行诊断技术的分析研究，对现今国内设备进行分析研究的基本诊断方法，掌握常用的故障诊断技术，对设备的振动故障进行诊断，分析故障的成因，从根本上减少设备故障的发生，降低故障发生的频次，提高整体生产效率，降低设备维护成本，提高整体利润。

关键词： 设备;故障诊断;旋转机械

1 旋转机械设备故障诊断概述

旋转机械在工业生产中占有举足轻重的地位，是安全生产当中很重要的因素之一。由于在日常生产生活当中，有很多因素不受人为因素控制，会产生不好的后果，带来巨大的损失，产生深远的社会影响。

1.1 什么是故障诊断技术

故障诊断也称诊断，是用来检查寻找故障的程序称为诊断程序，对其它设备或系统执行诊断的系统称为诊断系统。要对系统进行故障诊断，首先必须通过对设备诊断所需信息进行筛选、分析处理后，根据设备状态运行参数等等，最终给出解决方案，做出正确的诊断，实现故障恢复。就本系统而言，为保证旋转机械系统稳定性，专门设计了设备运行状态监测，运行状态趋势预报，以及故障类型、原因诊断等在内的故障诊断方案。

1.2 设备故障诊断的基本分类及步骤

故障诊断方法可以分成两大类：基于数学模型的故障诊断方法、基于人工智能的故障诊断方法。设备故障诊断的实施过程基本如下：通过信号采集系统将诊断系统的数字信号进行采集，经过分析记录仪以及信号采集系统将结果传递给计算机系统进行分析诊断。本文主要是通过对旋转机械振动基于数学模型的诊断，基于模糊数学的诊断方法，不需要建立精确的数学模型，适当的运用局部函数和模糊规则，进行模糊推理就可以实现模糊诊断的智能化。本文系统的论述实施设备故障诊断的意义与应用前景。

2 旋转机械设备振动故障及诊断方法

从上世纪的1960年代中期开始，由于传感器技术的不断发展更新，旋转机械的故障数据测量也变得越发简单，诊断系统更加完善，计算机系统的引进，使数据处理能够更加高效有序的进行。更加复杂的数学模型能够快速的进行分析，从而解决问题。许多诊断对象的故障状态是模糊的，诊断这类故障的一个有效的方法是应用模糊数学的理论。

2.1 基于机械振动波形的分析诊断

（1）旋转机械在运行过程中会出现振动，其振动波形会随着时间不断变化，通过传感器的信号采集能够发现其所发生的同步振动符合时间变化的速度、位移或加速度均为周期性的函数。而机械振动所引发的故障符合这种周期函数的基本特点，主要是在工作频率下有多次高次谐波附加而生成的。

（2）通过对振动波形的特征进行分析诊断旋转机械故障的方法叫做波形分析法。对上图进行分析可以看出这种曲线基本符合周期为t的正弦曲线。当该曲线频率与旋转机械的固有频路相同时，就可以初步诊断为旋转机械的转子不平衡导致了机械的振动。

2.2 基于旋转机械轴心运行轨迹的分析诊断

通过对旋转机械转子的轴心点相对于轴承座位移轨迹进行分析的方法就叫做轴心轨迹分析法。采集轴心点相对轴承的位移信号通过位移传感器以及信号放大器等，可以在示波器上显示出轴心运行轨迹。旋转的方向形状等关键信息都可以通过轴心轨迹图看出。它可以较好地反映设备运行的状况及故障的类型。主要故障类型有不平衡和中线不对正。理论上来讲，转子不平衡的轴心轨迹为圆形，但由于一些因素影响，实际轨迹椭圆形较多，运行温度变化会影响其长轴倾角的改变。而不对正情况会在计算机模拟显示当中主要外形为长条形或8字型。

在测量过程中，轴心轨迹会比较规整，但是当旋转机械的运行情况变化或者异常的情况下，轴心轨迹的大小形状等等会发生较大改变。

2.3 频谱分析法

利用计算机进行快速的傅氏变换来实现频谱分析，可以精准的提取出相应的诊断信息。在旋转机械的故障诊断中，常用的频谱图主要有幅值谱及相位谱和自功率谱。

幅值谱表示信号中不同频率的幅值在频率轴上的分布情况。相位谱表示信号中不同频率成分的相位沿频率轴的变化情况。功率谱指的是信号样本内含有的能量沿频率轴的分布情况，多用在随机信号为主的分析中。在现实应用中幅值谱的应用比较普遍，相位谱应用较少。而相对于幅值谱来说功率谱具有谱峰更加突出、应用更加广泛等优点。

3 故障形成机理及对应诊断方法

3.1 不平衡和不对中故障类型

1）旋转机械的转子不平衡振动由于发生的过程不同，可以分为初始不平衡、渐发不平衡以及突发不平衡。由于转子的质量中心不再轴线上，或是相对轴线分布不均匀，存在偏心距，在机械转动时产生离心力，因此产生了不平衡振动。离心力的周期与转子的转动周期相同，振动幅值大小与转速有关。而不对中主要是轴承不对中及轴系不对中，其中以轴系不对中最多。其中角度、平行容易发生不对中情况。

2）故障诊斷。当通频时域的波形图为近似等幅的正弦波时，轴心轨迹图与椭圆近似且比较稳定，径向上个点的振动存在一定幅度的相位差。由于不平衡振动是转子本身的离心力引起的横向振动，因此转速对不平衡振动的幅值影响较大，当产生共振时振动幅值达到最大的点。旋转机械存在不平衡振动时，工频相位随之改变。

当通频时域波形为周期性畸变正弦波时，频谱图为工频，对中偏差较大，轴心轨迹为长椭圆以及8字型，转子涡动为正进动基本上可以判断为不对中。轴系不对中的转子振动，会同时在轴向和径向上产生振动，振动幅值伴随负荷的增大而增大。

3.2 转子弯曲故障类型

1）转子弯曲振动机理。转子在极小概率下会出现弯曲振动。转子弯曲后不能动平衡校正。转子弯曲后的振动频率与工频相同，其轴线会出现偏离支撑点的径向变形。

2）转子弯曲诊断。转子弯曲后的振动时通频时域的波形为接近等幅的正弦波，轴心轨迹为椭圆形。因为转轴弯曲会出现摩擦，因此在频谱图、轨迹图等图形中还会存在摩擦特征。转子弯曲的振动会存在较大的径向振动，轴向方面也有一定的工频振动，振幅的大小对转速相当敏感，振幅与转速成正比。

4 结语

机械故障诊断最终的目的就是为了确保设备安全稳定运行。如何寻找更加有效的算法，并进行综合性的分析，确定设备的缺陷及故障，保证设备高效化运行，为企业创造更大的效益是今后研究的主要方向。

参考文献：

[1]张建.振动测试技术在旋转设备故障诊断中的应用[J].机械故障诊断技术，2017，1.

[2]韩清凯，等.旋转机械设备故障诊断方法的研究[J].故障转子系统的非线性分析与诊断方法，2016.

[3]寇惠，韩庆大.机械设备故障预测与健康管理综述[J].故障诊断的振动与测量技术，2016.

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