17第十七章 现场简易振动诊断的实施步骤.docx
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17第十七章现场简易振动诊断的实施步骤
第十七章现场简易振动诊断的实施步骤
1实施现场简易振动诊断的6个步骤
现场诊断实践表明，对机器设备实施振动诊断，必须遵循正确的诊断程序，才能使诊断工作有条不紊地进行，并取得良好的效果。
反之，如果方法步骤不合理，或因考虑不周而造成某些环节上的缺漏，则将影响诊断工作的顺利进行，甚至中途遇挫，无果而终。
我们在这一章，专门讨论实施现场简易振动诊断方法步骤的有关问题。
通观振动诊断的全过程，诊断步骤可概括为3个环节，即：
准备工作、诊断实施、决策与验证。
下面，我们围绕这3个方面的内容，归纳为6个步骤介绍。
1.1了解诊断对象
诊断的对象就是机器设备。
在实施设备诊断之前，必须对它的各个方面有充分的认识了解，就像医生治病必须熟悉人体的构造一样。
经验表明，诊断人员如果对设备没有足够充分的了解，甚至茫然无知，那么，即使是信号分析专家也是无能为力的。
所以了解诊断对象是开展现场诊断的第一步。
了解设备的主要手段是开展设备调查。
表3-1所列内容，可供调查时参考。
概括起来，对一台列为诊断对象的设备要着重掌握5个方面的内容：
1、设备的结构组成
对设备的结构主要掌握两点：
1）搞清楚设备的基本组成部分及其联接关系。
一台完整的设备一般由三大部分组成，即：
原动机（大多数采用电动机，也有用内燃机、汽轮机、水轮机的，一般称辅机）、工作机（也称主机）和传动系统。
要分别查明它们的型号、规格、性能参数及联接的形式，画出结构简图，如图3-1所示。
2）必须查明各主要零部件（特别是运动零件）的型号、规格、结构参数及数量等，并在结构图上标明，或另予说明。
这些零件包括：
轴承型式、滚动轴承型号、齿轮的齿数、叶轮的叶片数、带轮直径、联轴器型式等。
2、机器的工作原理和运行特性
这主要了解以下内容：
1）各主要零部件的运动方式：
旋转运动还是往复运动；
2）机器的运动特性：
平稳运动还是冲击性运动；
3）转子运行速度：
低速（＜600r/min），中速（600~60000r/min）还是高速（＞60000r/min）；匀速还是变速；
4）机器平时正常运行时及振动测量时的工况参数值，如：
排出压力、流量、转速、温度、电流、电压等。
3、机器的工作条件
主要了解以下几项：
1）载荷性质：
均载、变载还是冲击负荷；
2）工作介质：
有无尘埃、颗粒性杂质或腐蚀性气（液）体。
3）周围环境：
有无严重的干扰（或污染）源存在，如振源、热源、粉尘等。
4、设备基础型式及状况
搞清楚是刚性基础还是弹性基础。
5、主要技术档案资料
有关设备的主要设计参数，质量检验标准和性能指标，出厂检验记录，厂家提供的有关设备常见故障分析处理的资料（一般以表格形式列出）；以及投产日期，运行记录，事故分析记录，大修记录等。
1.2确定诊断方案
在对诊断对象全面了解的基础上，接着就要确定具体的诊断方案。
诊断方案正确与否，关系到能否获得必要充分的诊断信息，必须慎重对待。
一个比较完整的现场振动诊断方案应包括下列内容：
1．选择测点
测点就是机器上被测量的部位，它是获取诊断信息的窗口。
测点选择正确与否，关系到能否获得我们所需要的真实完整的状态信息，只有在对诊断对象充分了解的基础上，才能根据诊断目的恰当地选择测点。
测点应满足下列要求：
（1）对振动反应敏感所选测点要尽可能靠近振源，避开或减少信号在传递通道上的界面、空腔或隔离物（如密封填料等），最好让信号成直线传播。
这样可以减少信号在传递途中的能量损失。
（2）信息丰富通常选择振动信号比较集中的部位，以便获得更多的状态信息。
（3）适应诊断目的所选测点要服从于诊断目的，诊断目的不同，测点也应随之改换位置。
如图3-1，若要诊断风机叶轮是否平衡，应选择测点④；若要诊断电动机转子是否存在故障，则应选择测点①②。
（4）适于安置传感器测点必须有足够的空间用来安置传感器，并要保证有良好的接触。
测点部位还应有足够的刚度。
（5）符合安全操作要求由于现场振动测量是在设备运转的情况下进行的，所以在安置传感器时必须确保人身和设备安全。
对不便操作，或操作起来存在安全隐患的部位，一定要有可靠的保安措施；否则，只好暂时放弃。
在通常情况下，轴承是监测振动最理想的部位，因为转子上的振动载荷直接作用在轴承上，并通过轴承把机器与基础联接成一个整体，因此轴承部位的振动信号还反映了基础的状况。
所以，在无特殊要求的情况下，轴承是首选测点。
如果条件不允许，也应使测点尽量靠近轴承，以减小测点和轴承座之间的机械阻抗。
此外，设备的地脚、机壳、缸体、进出口管道、阀门、基础等部位，也是测振的常设测点，须根据诊断目的和监测内容决定取舍。
在现场诊断时常常碰到这样的情况，有些设备在选择测点时遇到很大的困难。
例如卷烟厂的卷烟机、包装机，其传动机构大都包封在机壳内部，不便对轴承部位进行监测。
这种情况在其他设备上也存在，比如在诊断一台立式钻床时，共选了13个测点，只有其中4个测点靠近轴承，其他都相距甚远。
凡碰到这种情况，只有另选测量部位。
若要彻底解决问题，必须根据适检性要求对设备的某些结构做一些必要的改造。
有些设备的振动特征有明显的方向性，不同方向的振动信号也往往包含着不同的故障信息。
因此，每一个测点一般都应测量三个方位，即水平方向（H），垂直方向（V）和轴向（A），如图3-2所示。
水平方向和垂直方向的振动反映径向振动，测量方向垂直于轴线；轴向振动的方向与轴线重合或平行。
测点一经确定，必须在每个测点的三个测量方位处做上永久性标记，如打上样冲眼，或加工出固定传感器的螺孔。
2、预估频率和振幅
振动测量前，对所测振动信号的频率范围和幅值大小要作一个基本的估计，为选择传感器、测量仪器和测量参数、分析频带提供依据，同时防止漏检某些可能存在的故障信号而造成误判或漏诊。
预估振动频率和幅值可采用下面几种简易方法：
1）根据长期积累的现场诊断经验，对各类常见多发故障的振动特征频率和振幅作一个基本估计。
2）根据设备的结构特点、性能参数和工作原理计算出某些可能发生的故障特征频率。
3）利用便携式振动测量仪，在正式测量前进行分区多点搜索测试，发现一些振动烈度较大的部位，再通过改变测量频段和测量参数进行多次测量，也可以大致确定其敏感频段和幅值范围。
4）广泛搜集诊断知识，掌握一些常用设备的故障特征频率和相应的幅值大小。
3、确定测量参数
振动测量，要求选用对故障反映最敏感的诊断参数来进行测量，这种参数被称之为“敏感因子”，即当机器状态发生小量变化时特征参数却发生较大的变化。
由于设备结构千差万别，故障类型多种多样，因此对每一个故障信号确定一个敏感因子是不可能的。
人们在诊断实践中总结出一条普遍性原则，即根据诊断对象振动信号的频率特征来选择诊断参数。
常用的振动测量参数有加速度、速度和位移，一般按下列原则选用：
低频振动（＜l0Hz）采用位移；
中频振动（10~1000Hz）采用速度；
高频振动（＞1000Hz）采用加速度。
对大多数机器来说，最佳诊断参数是速度，因为它是反映振动强度的理想参数，所以国际上许多振动诊断标准都是采用速度有效值（Vrms）作为判别参数。
以往我国一些行业标准大多采用位移（振幅）作诊断参数。
在选择测量参数时，还须与所采用的判别标准使用的参数相一致，否则判断状态时将无据可依。
4、选择诊断仪器
测振仪器的选择除了重视质量和可靠性外，最主要的还要考虑两条：
1）仪器的频率范围要足够宽，要求能记下信号内所有重要的频率成分，一般在10~10000Hz或更宽一些。
对于预示故障来说，高频成分是一个重要信息，机械早期故障首先在高频中出现，待到低频段出现异常时，故障已经发生了。
所以，仪器的频率范围要能覆盖高频低频各个频段。
2）要考虑仪器的动态范围。
要求测量仪器在一定的频率范围内能对所有可能出现的振动数值，从最高到最低均能保证一定的显示（或记录）精度。
这种能够保证一定精度的数值范围称为仪表的动态范围。
对多数机械来说，其振动水平通常是随频率而变化的。
5、选择与安装传感器
用于振动测量的传感器有三种类型，一般都是根据所测量的参数类别来选用：
测量位移采用涡流式位移传感器，测量速度采用电动式速度传感器，测量加速度采用压电式加速度传感器。
由于压电式加速度传感器的频响范围比较宽（见第7章中图7-5），所以现场测量时在没有特殊要求的情况下，常用它同时测量位移、速度和加速度三个参数，基本上能满足要求。
有关测量仪器和传感器的选择与使用，请参阅本书第7章的有关部分。
振动测量不但对传感器的性能质量有严格要求，对其安装形式也很讲究，不同的安装形式适用不同的场合。
图3-3是压电式加速度传感器几种常用安装形式的性能比较，其中以采用钢制螺柱安装最为理想。
在现场测量时，尤其是大范围的普查测试，以采用永久性磁座安装最简便。
在测量前，传感器的性能指标须经检测合格。
这里还须要说明，在测量转子振动时，有两种不同的测量方式，即测量绝对振动和相对振动。
由转子交变力激起的轴承的振动称为绝对振动；在激振力作用下，转子相对于轴承的振动称为相对振动。
压电式加速度传感器是用于测量绝对振动的，而测量转子相对振动须使用涡流式位移传感器，其安装形式请参阅第7章图7-2。
在现场实行简易振动诊断主要是使用压电式加速度传感器测量轴承的
绝对振动。
6、做好其他相关事项的准备
测量前的准备工作一定要仔细。
为了防止测量失误，最好在正式测量前做一次模拟测试，以检验仪器是否正常，准备工作是否充分。
比如检查仪器的电量是否充足，这看起来似乎是小事，但也绝不能疏忽，在现场常常发生因仪器无电而使诊断工作不得不中止的情况。
各种记录表格也要准备好，真正作到“万事俱备”。
1.3进行振动测量与信号分析
1．两种测量系统
目前，现场简易振动诊断测量系统可采取两种基本形式，它们分别代表了简易诊断发展的不同阶段，其结构组成及特点分述如下。
（1）模拟式测振仪所构成的测量系统我国企业开展设备诊断的初期（即20世纪80年代），现场简易振动诊断广泛采用模拟式测振仪，其完整的测量系统构成如图3-4所示，其基本功能主要是测量机器的振动参数值，对设备作出有无故障的判断。
当需要对设备状态作进一步分析时，可加上一台简易示波器和一台简易频率分析仪，组成如图3-4的简易测量系统，既可以观察振动波形，又可以在现场作简易频率分析，这种简易测量分析系统在现场诊断中也能解决大量的问题，发挥了很大的作用，即使到现在仍有它存在的价值。
（2）以数据采集器为代表的数字式测振仪器所构成的简易振动诊断测量系统设备诊断技术发展到20世纪80年代末、90年代初，以数据采集器为代表的便携式多功能测振仪器在企业中得到了广泛推广应用，逐步取代了模拟式测振仪，成了现场简易诊断的主角，使简易诊断技术发生了革命性的变化。
其操作方法之简便，功能之丰富，是模拟式仪器望尘莫及的。
图3-5是采用振通—904数据采集器在现场作振动测量的图示。
这种测量系统非常简单，就是一台手持式数据采集器和传感器用一根电缆连接起来就成。
其功能除了测量各种振动参数外，还可以在现场作时域、频域、相域等多种分析，并兼有数据存储功能。
2．振动测量与信号分析
在确定了诊断方案之后，根据诊断目的对设备进行各项相关参数测量。
在所测参数中必须包括标准中所采用的参数，以便进行状态识别时使用。
如果没有特殊情况，每个测点必须测量水平（H）、垂直（V）和轴向（A）3个方向的振动值。
对于初次测量的信号，要进行信号重放和直观分析，检查测得的信号是否真实。
若对所测的信号了解得比较清楚，对信号的特性心中有数，那么在现场可以大致判断所测得信号的幅值及时域波形的真实性。
如果缺少资料和经验，应进行多次复测和试分析，确认测试无误后再作记录。
如果所使用的仪器具有信号分析功能，那么，在测量参数之后，即可对该点进一步作波形观察、频率分析等有关项目，特别对那些振动超常的测点作这种分析很有必要。
测量后要把信号储存起来。
若使用振通数采器之类的仪器，只需按“存波形”键即可，数据存储是自动完成的。
3．数据记录整理
测量数据一定要作详细记录。
记录数据要有专用表格，作到规范化，完整而不遗漏。
除了记录仪器显示的参数外，还要记下与测量分析有关的其他内容，如环境温度、电源参数、仪器型号、仪器的通道数（数采器有单通道、双通道之分），以及测量时设备运行的工况参数（如负荷、转速、进出口压力、轴承温度、声音、润滑等）。
如果不及时记录，以后无法补测，将严重影响分析判断的准确性。
对所测得的参数值，最好进行分类整理，比如，按每个测点的各个方向整理，用图形或表格表示出来，这样易于抓住特征，便于发现变化清况。
也可以把一台设备定期测定的数据或相同规格设备的数据分别统计在一起，这样有利于比较分析。
数采器都有存储功能，但存储时间有限，因此测量结束后对存储的数据要及时记录整理，防止过期消失。
1.4实施状态判别
根据测量数据和信号分析所得到的信息，对设备状态作出判别。
首先判断它是否正常，然后对存在异常的设备作进一步分析，指出故障的原因、部位和程度。
对那些不能用简易诊断解决的疑难故障，须动用精密诊断手段去加以确诊。
有关简易诊断的状态识别问题参看本书第5章。
1.5作出诊断决策
通过测量分析、状态识别等几个程序，弄清了设备的实际状态，为处理决策创造了条件。
这时应当提出处理意见：
或是继续运行，或是停机修理。
对需要修理的设备，应当指出修理的具体内容，如待处理的故障部位、所需要更换的零部件等。
1.6检查验证
设备诊断的全过程并不是到作出结论就算结束了，最后还有重要的一步，必须检查验证诊断结论及处理决策的结果。
诊断人员应当向用户了解设备拆机检修的详细情况及处理后的效果，如果有条件的话，最好亲临现场察看，检查诊断结论与实际情况是否符合，这是对整个诊断过程最权威的总结。
2诊断效果的评估与维修整治
2.1开展设备诊断效果评估的必要性
1）现代生产经济活动，都要求讲究经济效果，务求以较小的资金投入，获得较大的产出效果。
作为现代设备管理重要内容之一的设备状态监测与故障诊断技术，也毫不例外，它不仅应该而且能够创造出较大的经济效果。
2）自1983年国家经委提出要逐步采用现代故障诊断和状态监测技术以来，国内经过不懈努力，已经取得了很多可喜成绩。
例如铁路因采用红外轴温探测器而获益逾2亿元；全国仅部分采用铁谱技术即增产3815万元和节约8451万元；辽阳石化因改变维修方式增效2740万元。
3）然而由于长期以来在国内缺乏一套比较统一和科学有效的评估计算方法，从而使得一些确已获得的良好效益，不能正确地计算出来，并取得生产、计划和财务部门的确认，既影响了工作人员的积极性，也在一定程度上不利诊断技术和预测维修体制的推广。
2.2国内外设备诊断效果评估的多样性及其焦点
在1994年中国设备管理协会主持了设备诊断工程软件包的开发，并在其中列入了“设备诊断技术应用效益分析”软件的编制。
当时从收集到的1983年以来国内外的效益分析资料共16例进行研究，既包括了冶金、石化、电力、煤炭、机械和建工等主要行业，也涉及中、美、日、德、丹麦和新加坡等不同国家，通过分析：
1、从效益计算的项目看
不同的国家与行业各自有所侧重，他们的确认项目从表3-2的分布可以看出。
从16个效益项目的分析中，可以看到有6个项目得到了较普遍的认可。
它们是（括号里的数字是认可数／全部数）：
（1）防止突发事故，保证设备安全和产品质量。
（7／16）
（2）减少停机时间，防止停产损失。
（6／16）
（3）免除过剩维修，节约维修费用。
（11／16）
（4）对比BOM和CBM，可减少事故、节约费用。
（5／16）
（5）提高可利用率和延寿，减少购量，增加生产。
（6／16）
（6）合理利用零配件，减少备件库存。
（7／16）
然而其他有些方面，尽管数字比例不大，但也并不可忽视，例如产品索赔谈判、设备设计改造以及节能降耗等。
2、从效益计算的难易程度看
一般可以分为三种类型
1）容易计算，可以定量算出：
如
（2）（3）（7）（13）
2）较难计算，要求充分数据：
如
（1）（4）（5）（14）（15）（16）
3）难以计算，只可定性分析：
如（6）（8）（9）（10）（11）（12）
关键在于企业各种事件概率的统计，如有完整的可靠概率，即可变定性为定量计算。
此外也非定性不重要，如在防止人身伤亡和避免环境污染方面，也是国家重视项目。
3、从效益计算的方法看
一般可以分为两种
（1）精密诊断效益计算方法由于它不是本书的内容，故仅列出其算法来源于下：
1）由N.Varaprasad及B.V.A.Rao所提出的“对以状态为基础的维修所提供的费用模型”。
2）由丰田利夫所提出的“如何正确确定设备管理中的最佳维修战略”。
（2）简易诊断效益计算方法它是参照简易诊断的作法，以部分可以获得的数据为基础，算法比较简单，不需要更多的数据，但是计算精度不是很高。
具体算法内容可以从下述的几个案例看出
2.3国内外的几个典型算法案例
1．沈阳第一机床厂的算法案例
1990年沈阳第一机床厂能源设备处李振山发表的“简易故障诊断技术应用初探”一文中，论述了应用效果的评价，应从以下方面考虑；
1）由于可以进行不停机检测，并且可以提前发现故障信号，因而可避免拆机检查，减少技术、施工准备造成的停歇时间，从而使间接维修时间大幅度下降；
2）提前发现和预测故障，可以提前制定最佳修理方案，选择最佳的修理时机，从而可使直接维修时间大幅度减少
3）提高机床加工质量的效益；
4）改善劳动条件；
5）节约人工费、材料费。
两年来仅对9台机床的故障诊断，就多增效益一万余元。
他的效益计算公式
如下：
V总=Vl·（T1＋T2＋T3＋T4＋T5）十V2十V3十V4十V5
式中V总——故障诊断总效益（元）；
Vl——机床每小时创造价值（元）；
T1——技术准备减少时间（h）
T2——施工准备减少时间（h）；
T3——利用维修窗口时间（h）；
T4——直接修理减少时间（h）；
T5——不停机检测占用时间（h）
V2——节约修理费用价值（元）；
V3——提高产品质量价值（元）；
V4——改善劳动条件价值（元）；
V5——其他节约价值（元）。
应用该算法所作的效益综合统计见表3-3。
该厂装机容量为100万kW，电费为0.015美元／kWh，年产值为1亿美元，事故停机损失为15万美元／天。
该厂共有50个部位要监侧，需投资20万美元，监测费用为1.5万美元／年。
根据可靠性计算，整个系统可能有14次事故停机假定采用诊断技术有50%的事故被检查出来，而其中的50%是由诊断系统监测出来的，另有20%是伪警报。
每次事故停机要用3天的检修时间，则该诊断系统能节约的费用B及诊断投资A分别为：
B=0.5×0.5×14×3×15000×（1－0.2）＝1260000美元／年
A=（200000／10年折旧）＋15000＝35000美元／年
3、辽阳石化公司的算法案例
1990年5月辽阳石化公司提出了，他们尼龙、聚醋、聚乙烯、聚丙烯等生产线原设计每年运行8000h，每年有30天左右的停车大检修时间，如以停车一次需耗大修费4000万元，少得生产效益4000万元计，则每停车大修一次共减少效益8000万元，如能改为三年修二次，即连续运行12240h，则平均每年可增加效益2667万元；若二年一修，即运行16560h，每年可增效益4000万元，三年一修，即运行达25200h，每年可增效益5333万元。
据他们考察，美国洛杉矶和旧金山有两家炼油厂，从20世纪70年代就推行状态监测维修，一般透平压缩机组6~7年才解体一次；许多装置3~4年才大修一次，从而取得了明显效益，而现在辽化公司亦已达到了三年一修水平
4、河北开滦煤矿的算法案例
1993年12月在河北唐山召开的一次煤矿设备诊断成果鉴定会上，开滦赵各庄和荆各庄两矿均作了经济技术分析报告，其中荆各庄矿采煤面应用铁谱分析的效益算法如下：
（1）经济分析原则经济效益估算是假设不作铁谱监测，机械设备突发性损坏，导致停机停产所造成的直接经济损失
（2）基本情况1991年至1992年对荆各庄矿EDW-170以及MXA-300/315型采煤机进行了监测，并曾多次准确预报事故和提供工况：
其中有5次检验证明预报准确，4次液压系统故障，1次摇臂故障，从而避免了事故的发生
（3）经济效益计算
1）停产损失：
按5次事故如停机修复均需1.2班左右，而采煤机每班开机至少产煤850t，每吨煤的售价为80元，则1.2×5×850×80＝40.8万元
2）配件损失：
按液压配件每次损坏需0.5~0.6万元，而摇臂故障不计，则0.5×4=2万元
3）停产节电：
额定功率为，采煤机300kW、溜子320kW，下运转载机80kW，下运带式输送机150kW，负荷率平均按90%折算。
电费0.2元／kWh，每班开机时间为6h，则（320＋320＋150＋80）×1.2×6×5×0.2=5508元。
综合以上三个效益分项可得出：
总经济效益=40.8+2-0.5508=42.2492万元
2.4当前设备诊断效益计算难点及其解决方法
1、当前设备诊断效益计算的难点所在
1）由于事故防止，没有人员伤亡，所计效益就难以为有关部门，特别是财务部门的承认。
而只有像延长了检修周期，增加了产品生产，在设备缺陷下未停机而获得的多产，企业年度千元产值维修费的减少及库存备件和流动资金的下降，才会给予确认。
2）由于当前国内大部分企业，未能够实施可靠性维修，故障统计数据不全，难以建立具体设备的故障概率曲线，计算出MTBF的有效数据，因而就不能从故障历史的规律上，计算出每年造成的生产损失，以及由于减少了这些损失所获得的节约效益。
2、解决设备诊断效益分析难点的方法
1）从总体上在于加强设备管理，严格统计制度，建立设备一生的信息子库，运用数据说话，做到以理服人。
2）要加强宣传和逐步实施可靠性维修，促进计算机辅助设备数据库的建立，并定期总结分析及有计划地制订各类关键设备的可靠性概率曲线。
3）要注意日常数据的采集和统计工作，这包括全企业以及逐台设备的生产效益、维修费用、配件消耗、工时定额乃至事故造成的人员伤亡和生产损失，以及开展诊断的投资费用。
4）当前国家在农田水利方面开展了减灾免灾工作，从而对比过去，取得了很大的免灾效益，这是国务院和财政部所确认并通报的，据此推进设备诊断的免灾效益，也自然合理。
2.5设备简易诊断效益计算方法
它是从理论分析中，选取适用于当前设备管理和数据库水平的部分，并且吸取沈阳第一机床厂、美国PEKRAL发电厂、辽化公司和开滦煤矿的计算方法的经验，所开发的一种诊断效益计算方法，其全部内容均汇集于中国设备管理协会所组织开发的ZGK-1ll设备诊断工程软件包中。
下述简易诊断效益计算算法，特点是计算简单、所需数据较少，当然此算法准确度一般，但仍可用。
（1）减少突发事故，降低修复费用
式中C1——因突发事故而需修复或重置的费用（元）；
k——事故成立系数，k=0或1；
C1s——减少突发事故，年度总节约（元／年）。
（2）减少停机时间，降低停产损失
式中T1——发生故障的停机时间（天／次）；
C0——该类设备平均生产效益定额（元／天）；
CDS——减少停机时间，年度总效益（元／年）
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