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振动故障诊断

2020-4-29 9:28:37      点击:
       振动故障诊断这一名称国外早在50多年前就已提出,但由于当时测试技术和振动故障特征知识的不足,所以这项技术在70年代前未有明显发展。我国提出振动故障诊断也有30多年的历史,由于国内机组振动的非凡性,因而在振动故障诊断方法,故障机理研究方面,具有独特的见解,经过50多年现场故障诊断的实践,在机组振动故障特征方面我们积累了丰富的知识,已扭转了振动故障原因难于查明的局面。
       故障诊断从目的来分,可分为在线诊断和离线诊断,前者是对运行状态下的机组振动故障原因作出粗线条的诊断,以便运行人员作出纠正性操作,防止事故扩大,因此诊断时间上要求很紧迫,目前采用计算机实现,故又称自动诊断系统。系统的核心是专家经验,但是如何将分散的专家经验系统化和条理化,变成计算机的语言,是目前国内外许多专家正在研究的一个问题,因此不能将这种诊断系统误解为能替代振动专家,即使将来,也是振动专家设计和制造诊断系统,为缺乏振动知识和经验的运行人员服务,而不是替代振动专家的作用。
离线诊断是为了消除振动故障而进行的诊断,这种诊断在时间要求上不那么紧迫,可以将振动信号、数据拿出现场,进行仔细地分析,讨论或模拟试验,因此称它为离线诊断。在故障诊断深入程度上要比在线诊断具体得多,因此难度大,本章要讨论的是离线故障诊断技术。


                                                                                    第一节机组振动故障诊断的思路和方法
2.1.1直观寻找振动故障
2.1.1.1振动故障直观可见性
       由于是采用肉眼或一般的测量直观去寻找,因此能找到的振动故障必然是直观可见的故障,例如轴承座松动、台板接触不好、转子上存在自由活动部件等,对于直观不能发现的故障,例如转子不平衡,系统共振,汽轮发电机转子存在热弯曲等故障,即使多次寻找,也无法查明。
2.1.1.2发现故障的偶然性
       即使对于直观可见的故障,也不是通过1—2次解体检查就能发现的,这是由于寻找本身带有较大的盲目性,因此能发现故障往往带有较大的偶然性,例如某厂一台国产100MW机组,新机启动发生发生2、3瓦振动大,经两次揭缸检查,都未能找到故障原因,而且经多次启停观察振动,都不能解说其故障原因,正在一筹莫展之际,一个运行人员无意间用听棒在2、3瓦之间听到异音,再次揭缸才发现高压转子4公斤重的中心孔堵头脱落掉在波形节联轴器内。
2.1.1.3设备结构和故障机理的复杂性
       显然对于结构和故障机理简单的回转机械,例如风机、水泵、一般电动机等,采用解体直观寻找振动故障成功率较高,但是对于结构复杂,非凡是大型汽轮发电机组,不仅零部件大而多、结构复杂,而且引起振动的机理也很复杂,一次解体寻找振动故障不可能对机组每一个部件都做仔细检查,即使是直观可见的振动故障,在一次解体寻找中也未必能发现,因此直观寻找在大机组上成功率往往是很低的。
2.1.2振动原因分析寻找
2.1.3振动故障诊断
       故障诊断与上述查明故障的方法最大区别是摆脱了振动故障以眼见为实的局限性,它是采用演绎推理的方法,以故障特征为基础,与振动特征进行比较、分析,或采用逐个排除的方法,对振动性质、故障原因和具体部件作出判定。
2.1.3.1反向推理
       反向推理也称目标直接推理,它是依据振动特征反推出振动故障原因,因此称它反向推理。在推理过程中只与单一的目标有关,当振动特征与故障特征符合时,即可做出诊断。
故障特征是指前人或个人在以往工作中经归纳总结得到具体的、明确的故障所呈现的振动现象和特点;振动特征是指要诊断的机组振动,经调查、测试、分析后归纳得出的振动现象和征兆。例如柔性转子存在一阶不平衡,在一阶临界转速下轴承或转轴振动必然会呈现显著峰值,则其故障特征是转子一阶不平衡,在一阶临界转速下发生强烈震动,则启动中一阶临界转速下强烈振动即为振动特征,若采用反向推理,即可做出该机组一阶临界转速下,强烈振动故障原因是转子存在一阶不平衡的诊断。
使用反向推理不需要了解故障范围,而只要对有关的故障特征有所了解,即可进行诊断,因此目前国内这种诊断方法应用相当广泛,而且国内外在线诊断目前主要也是采用这种推理方法。由于反向推理诊断故障轻易把握,所以目前已获得广泛应用,但是在实际诊断振动故障时往往会发生下列弊病。

1.诊断结果不肯定
       机组绝大多数振动故障特征有多方面的反映,不同的故障其特征存在着显著的交叉,例如转子不平衡过大,引起的是基频振动过大;同样支撑动刚度不足,轴系连接同心度、平直度偏差等故障,也是基频振动过大,也就是说故障和特征之间不是一一对应关系,而是多重交叉关系,而且一种故障在特征上有多方面的反映,就拿最简单的振动故障转子不平衡来说,它可以在升速过程中发生振动过大,但也有不大的,而只是在工作转速下振动大;有时则相反。从而依据振动特征反推故障,必然会得出几种不肯定的诊断结果,这就是目前一般都习惯采用的:可能是某种原因,或大概是某种原因。得出这种不肯定的诊断结果,从方法上来说是采用了反向推理的必然结果。但从主观上来说,做出这种诊断是事先给自己留好退路,因此严格的说,这是一种不负责任的诊断。
2.产生漏诊断和误诊断
      由于故障和特征之间不是一一对应的关系,一种故障在特征上有多重反映,不同的故障特征相互交叉等原因,在诊断的反向推理过程中,不仅可能会得出错误的诊断,而且还会漏掉真正引起振动的故障。出现漏诊断和误诊断几率虽然与本人对故障特征和振动特征熟悉广度和深度直接有关,但从诊断方法来说这种现象是难于避免的。
目前在实际振动故障诊断中,为了避免漏诊断,往往采取不惜误诊断的一种错误做法,将一台机组振动说成是多种故障原因的综合反映,为此对一台机组振动故障诊断往往提出4-5个或更多的可能原因,而且各个原因之间往往互不相干。但现场绝大部分实际机组振动的故障原因是1-2个,而且这些故障原因是相互密切相关的。
由现场消振经验证实,当故障诊断准确率为20%-30%时,虽然有一定的参考价值,但它的误导作用影响太大,会对消振带来极为不利的影响。
所谓故障诊断准确率,是指实际故障与诊断故障的符合程度,例如实际故障是一个,诊断出三个可能原因,其中一个符合,则其准确率为33;又如实际故障是两个,诊断出三个,但一个也不符合,其准确率为零。
振动故障诊断的实际价值是用来指导消振工作,因此故障诊断应在消振之前作出,但目前在一些文献中见到的振动故障诊断,实际是在消振之后作出的,这种总结分析对于提高今后故障诊断的熟悉是有必要的,但是对于消除这台机组的振动来说,已是多余的了。从这些资料统计来看,其诊断的准确率大部分为30左右,有些更低。假如拿当时的原始诊断来说,其准确率远低于30。

2.1.3.2正向推理
      使用正向推理诊断故障的前提,是振动故障范围必须明确,具体推理方法是在能够引起机组振动的全部原因(称故障总目录)中与实际机组存在的振动特征、故障历史、进行搜索、比较、分析、采取逐个排除的方法剩下不能排除的故障即为诊断结果--某种故障不能排除。这一诊断结果包含两层含义,一层是当只有一个故障不能排除时,它是引起振动故障的原因;另一层含义是当还剩下两个以上故障不能排除时,这些故障都是振动的可能原因,需要进一步做工作,排除其中无关的故障。
显然正向推理在排除和不能排除的故障比较中,也采用了反向推理,但是这种反向推理是在故障范围明确的前提下采用排除方法,因此思维方式上要比反向推理得直接诊断故障起来严密的多,由此可以获得很高的诊断严密性和诊断的准确率,基本上可以避免采用反向推理诊断故障所出现的陋诊断和误诊断的结果,但是要取得较高的诊断准确率和肯定的诊断结果,应把握以下要点。


1.振动故障范围
      这是采正向推理的大前提,在数学上称作边界条件,应明确,对机组振动故障诊断来说,应明确机组振动到底存在哪些故障及其相应特征,这显然是一个非常复杂和涉及面很广的问题,而且即使列全了机组振动的所有故障及其特征,在实际诊断时如何查找和记住这些特征,也将十分困难,况且前人还没有提供这些资料,所以在以往故障诊断中没有采用正向推理的。
经现场50多年故障诊断的实践、总结、归纳,目前已经明确了机组振动故障总目录、分目录及其相应的故障特征,为使诊断方便和实用,对于这些振动故障分类方法也进行较深入的研究。机组振动故障总目录、各类故障分目录及其特征、分类方法,这是本章讨论的主要内容,为采用正向推理诊断故障奠定了基础。

2.分层次诊断

       在正向推理中采用分层次是能获得严密和可靠诊断的一种有效思维方式。所谓分层次,具体是指先大范围,后小范围,再具体到某一种故障和某一个部件。大范围故障划分方法见本章第二、三两节,小范围和具体故障划分方法见本章第四至十六节。在每一层次上诊断首先要明确这一层的故障范围及其相应的故障特征、机理,在对机组振动特征已全面和深入了解的基础上,做严密推理,才能获得可靠和肯定的诊断。
3.故障特征和故障机理
       直观寻找和分析寻找振动故障的基础,是眼见为实;推理诊断振动故障的基础是故障特征和故障机理,前者是直观可见的,后者是抽象的。
上述已经指出,由于故障和特征之间不是一一对应的关系,不同的故障特征的相互交叉,造成反向推理诊断结果不肯定和误诊断,克服这一缺点的有效措施,一是采用正向推理;二是明了故障机理,通过故障机理的分析,若不能解说故障特征多重性和相互的交叉现象及故障形成史,也可排除特征相似但实际与发生振动无关的故障。若是同时存在两个以上故障时,应说明各个故障之间的相互关系,及各个故障在振动中所占的相对量值,这样才能保证诊断结果的准确性,以及消振对策切实有效。为此本章在介绍各种故障特征的同时,还着重阐述了故障机理。
4.振动特征和振动机理
       假如说把握故障特征和故障机理是获得正确诊断结果的先决条件,那么正确获取机组振动特征和振动机理,是获取准确必要条件,若采用正向推理,首先应全面地获取振动特征及其历史,查明振动机理,只有这样才能排除所有的无关故障,获得肯定的诊断,本章将具体介绍如何尽快地、正确地获取机组振动特征的方法和经验,这是采用正向推理的依据。在偏离振动特征,或在不可靠的振动特征基础上所做的推理,只能是直观想像凭空的推测,不能称为故障诊断。正确具体的推理步骤的归纳,可参考本章第十七节诊断实例一至四。
这里应说明,在目前振动故障诊断中,经常将某些与振动特征不符的故障首先排除,这种排除法从形式上来说与正向推理中逐个排除故障的方法相似,但它是在故障范围没有确定的前提下所做的推理,诊断的结果只能缩小怀疑面,而最终仍不能获得肯定的诊断结果,因此仍属反向推理范畴。

2.1.4目前振动故障诊断准确率低的原因

       我国振动故障诊断早在1982年已提出,是各种故障诊断中最早提出的,至今虽然只有十多年的历史,但在全国各地已得到了不同程度的普及。不过前面已经指出,其故障诊断的准确率还是很低的。下面进一步讨论目前故障诊断准确率低的主要原因。
2.1.4.1注重力集中在直观可见故障上
       机组一旦发生振动,尽管还没有开始寻找振动故障,但往往将注重力集中到机组已发现的一些故障上,实际上这些可见故障有些与振动有关,有些与振动无关,而且引起振动的真正故障原因可能还未发现和熟悉到,因为引起振动的许多故障一般是十分隐蔽的、直观是不能见到的,因此把诊断故障的注重力首先集中在机组已呈现的一些故障上,尽管对这些已见故障特征和机组振动现象也进行了对比分析,但严格地说这不能称作故障诊断,而应是分析寻找故障,其准确率显然不会高。
2.1.4.2习惯于反向推理
       早先由于对故障特征广度和深度了解较少以及振动故障范围不明确,因此只能使用反向推理,在今天对于大多数初涉及故障诊断的人来说往往也是从反向推理开始,久而久之形成习惯,而且长期以来对于故障诊断方法本身没有引起普遍的关注,因而加深了这种传统做法的发展和延伸。
上述已经指出,反向推理不仅诊断结果不肯定,而且还存在误诊断和漏诊断的可能,怕漏诊断,又采用不怕误诊断的错误做法,这种诊断方法和做法直接决定了不可能获得高的诊断准确率。
2.1.4.3对把握机组振动故障范围、故障特征和机理的重要性熟悉不足
       目前振动故障诊断准确率不高,除受传统影响和反向推理影响外,还有一个重要原因是对于把握机组故障范围、故障特征及机理的重要性未能引起充分的重视,所以当碰到机组振动时,主要凭个人经验和习惯做法去处理,例如空负荷下发生振动,首先想到的是机组中心、轴瓦工作及紧力;带负荷后发生振动,想到的是汽缸膨胀、轴系统热态对中,但对于这些振动的故障范围、故障特征及机理,却很少认真研究,产生这种现象的原因一方面是受传统习惯的影响,另一方面是受不确切的故障特征的误导,例如一些教科书和文献指出,存在2x(两倍转子工作频率)振动分量,是转子不对中,在这里既没有给出量值,也没有指出在什么故障范围内、应排除特征的影响下,不仅对一般工程师会产生误导得出错误的诊断,而且对从事振动专业工作多年的工程师,也会产生误导,给消振带来严重不利的影响,详见本章十七节,诊断实例一、二。
接受误导的主观原因,是对于故障诊断方法、机组振动故障范围、故障特征及机理了解不够,因而对不确切的故障特征和经验缺乏分辨能力。