旋转机械故障的简易诊断方法分析

张宏乐

摘 要：在常用机电设备上，旋转机械是数量最多、应用最为广泛的一类部件，比如各类数控机床滚珠丝杠、压力泵、电动机等。尤其是一些涉及国计民生的重要工业部门的关键设备，如炼油厂、火电站、冶金企业的离心压缩机、汽轮机等一旦出现故障将给企业带来非常大的经济损失，正因如此，一直以来对关键旋转机械进行故障监测和诊断越来越受到企业的重视。

关键词：旋转机械;故障;简易诊断

近年来，随着机电设备自动化程度不断提高，要求设备性能指标愈来愈高，结构组成也愈来愈复杂，对操作人员的专业素养要求也愈来愈严格。自动化程度的提升，减轻了工人的劳动强度，提高了企业的生产效率，但另一方面，设备一旦出现故障，整条生产线都将受到很大影响。做好设备的日常维护，防止因小故障造成大停产是企业必须要考虑的问题，企业的设备维护工程师，必须要熟练掌握机械故障诊断与维修的技能。机械故障诊断，包含两大方面技术，即信号的监测收集和信号的分析处理，本文将从以下几个方面就如何简便、快速的判断设备机械故障，减少企业的经济损失对简易诊断法进行分析。

1 机械故障诊断基本内容

机电设备故障诊断主要包含三个方面的内容，即设备现场运行状态监测、设备运行状态的趋势预测和故障状态的确定。目前常用的故障诊断方法有以下几种：

（1）简易诊断法。通过使用可携带的检测设备，如测振仪、工业内窥镜、红外线探伤仪等仪器对机电设备进行日常巡检，根据测量数据，诊断设备运行状态。

（2）精密诊断法。对已产生异常状况的设备，结合简易诊断法得到的数据及故障现象，采用精密诊断仪器和各种先进分析方法，判断设备故障的类型、程度、部位和产生原因等。

（3）振動噪声测定法。机电设备在运行过程中都会产生振动和噪声，正常运行的振动和异常振动从频率、振幅等指标上都有较大差别。根据设备运行的振动数据，可有效诊断出故障的类别，该方法行之有效。

（4）无损检验。该方法是一种不破坏设备表面及内部结构，通过X射线、红外线等各种类型的射线，检测设备内部受损情况的方法，尤其是对设备零件自身的制造缺陷检测比较有效。缺点是大多数无损检验必须在静态环境下进行。

（5）设备性能参数对照测定法。机电产品的性能参数较多，主要包含保证设备正常运转的如数控车床的加工精度、汽柴油机的功率及油耗、电动机的输出功率、齿轮传动的最大扭矩等主要的功能指标，这些指标在设备出厂前就已经标定好，可以通过查看设备铭牌或说明书得到正常值范围。如果通过仪表监测或设备监测，发现相关性能参数值超出正常值，则需应用前述几种方法进行故障原因分析和确定。该方法主要是前述几种方法的辅助手段。

2 简易诊断法的特点

最常用的简易检测方法是通过技术人员携带可移动的检测仪器，以获取到的现场设备信号或使用过程中采集到的相关数据为依据，以标准值对照采集信号和数据，判断设备运行的正常与否。通常情况下，简易诊断主要作为现场设备运行情况的监测参考，如需进一步诊断设备情况，还需更为精密的诊断手段。简易诊断手段之所以在生产现场应用比较广泛，主要是其具有简单实用、投资较少、成效明显等特点。但是，由于便携式检测设备的功能较为单一，且受检测方法的限制，导致只能解决简单故障和故障的初步判定，如果故障较为复杂，或有多种故障叠加，此种诊断方法就无法适用了。虽然存在以上的一些问题，但简易诊断法还是具有较大的实用价值，在生产一线的应用较为普遍。

3 检测信号的测定

能否合理而准确地从设备中提取到信号，是进行设备状态诊断的基本先决条件，因此做好以下几个方面的工作非常关键。

3.1 准确地选择测定方式和测定参数[1]

目前，常用的振动信号测定方式有两种，即在线（On line）方式和离线（Off  line）方式。在线测定方式即采集信号和数据处理是分开进行的，而离线测定方式则是同步进行。简易诊断目前采用在线检测方法居多，采用现场计算机监测、专业软件分析等方式进行。

3.2 合理地分布监测点

3.2.1 主要监测点的分布

旋转机械上能反映其运动部件振动特征最敏感和最集中的部位是轴承，因此在设定监测点时应把主要监测点设在轴承部位。测定的信号值应包含两部分内容：轴承的振动和轴的位移，轴承的振动采用速度和加速度传感器，同时把测点布置在垂直（Z）、水平（Y）和轴向（X）三个方向上进行监测。这种方法可以检测出如非平衡、不对中、松动等常见故障。轴位移测定一般采用电涡流位移传感器。测点分布在垂直和水平两个方向上或呈45°分布。这种分布形式可检测出如半速涡流、油膜振荡及旋转失速、喘振等常见故障。

3.2.2 次要监测点的分布

结构较为简单的旋转机械，通过主要监测点即可反映全面的诊断信息，而结构较复杂的大型旋转机械则不然，必须通过设置次要监测点来辅助主要监测点得到设备的相关运行数据，如大型风力发电机组，一般会根据具体情况，在其机壳、箱体等部分增设次要监测点。

4 简易诊断方法原理

简易诊断方法识别设备状态主要采用统计分析法，统计量即前述导出的各种诊断指标。其中位移的峰-峰值Xp-p及振动烈度Vrms用得较多。如果在一定的时间段内，将测得的监测数据按先后时间顺序进行排序，就可以得到劣势趋势图。它表示某设备的具体的劣化进程。根据劣化趋势图，即可设别和预测设备的状态[2]。

如果只是依据上面提到的故障诊断的收集和判断方式，是无法实现机械故障的诊断的，通常还要理论联系实际，把收集到的故障数据信息与理论数据进行比对分类识别，这样才能将设备的故障情况进行清晰辨别，如故障出现的位置、故障的严重程度、故障产生的原因等都有一个明确的认识，真正做到为故障诊断提供必要的数据与信息支撑。

5 简易诊断方法应用实例

某化工厂一台大型合成气压缩机，由低压缸、中压缸和高压缸组成，并由蒸汽透平驱动。其结构简图及测点布置如图1所示。各监测点均装有某公司涡流式位移传感器。

5.1 故障描述

该机生产过程中出现中压气缸进气端监测点4的表头显示的轴振动逐渐由19μm增至65μm，超出产品设计阀值，而自动停机报警。次日重新开机后，振动值高达93μm，至该月底振动值达到极限值127μm。现场技术人员面对大大超出正常范围的监测参数，判断该设备出现了故障，但若停机将给公司带来每日过百万的经济损失。经公司技术部门会商，决定采用简易诊断方法对该设备进行不停机检测。

5.2 检测方法

检测采用便携式振动计，测量轴承的绝对振动，但因测点4的轴承座位于机壳筒体内部，与筒体之间还有一环形空腔，无法直接读出轴承振动值，因此采用中压缸进口端作为测点，来代替测点4，测定参数为Vrms及Xp-p，并分别测试垂直（V）和水平（H）两个方向的数据。

5.3 趋势图分析

分别对比该设备近3个月来的监测数据Vrms及Xp-p的劣化趋势图。参照ISO标准及本机的结构特点，根据数据判断，中压缸肯定处于异常状况。但由监测趋势图发现，测点的振动数据基本保持稳定，而未超出给定的域值。基于以上的判断，决定到该机大修时才停机检查，为该公司节省了大量的停机维修损失。如图2所示，为测点4振动值趋势图。

5.4 检修结果及故障原因分析[3]

该设备到期检修时进行了拆机检查，诊断结论是中压缸零部件发生故障，主要为一是轴承推力盤出现疲劳磨损;二是副推力瓦基环出现了破损情况，导致设备产生较大振动。维修人员对破损零件进行了更换，重启设备，报警消除，试运行一周，设备一切正常。

6 结束语

机械故障诊断是每个制造企业必须面对的难题，尤其是常作为运动件、应用广泛的旋转机械，本文从检测信号的测定、简易诊断方法原理两个方面对简易诊断法进行了阐述，并结合某公司设备故障实例介绍了该方法的应用，对工程实践具有一定的参考意义。

参考文献：

[1]何正嘉.模糊诊断原理及应用[M].西安交通大学出版社，2010.

[2]孙凯.旋转机械故障诊断技术在炼钢设备中的应用[J].内燃机与配件，2019，（17）.

[3]孟坤荫.旋转机械松动故障分析诊断[J].工程技术研究，2019，4（16），19-20.