殷華彬，曾 牧

（中鋁青海分公司第二電解鋁廠，青海 大通 810108）

狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷在大中型螺桿空壓機上的應用與實踐

殷華彬，曾 牧

（中鋁青海分公司第二電解鋁廠，青海 大通 810108）

選用VB3000數據采集器、傳感器及Ascent數據庫軟件建立空壓機離線監(jiān)測系統(tǒng)，根據螺桿空壓機的結構特點，利用狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術，設置空壓機的檢測點，設定測量位置及測量項目，利用數據采集器及測振儀等，定期對螺桿空壓機軸承座振動數據進行采集、分析和診斷，發(fā)現(xiàn)設備運行中的早期故障，為設備維修提供可靠的信息，延長設備的使用壽命，減少設備維修費用，從而保障設備的安全運行。

狀態(tài)監(jiān)測；故障診斷；軸承；齒輪；聯(lián)軸器

0 前言

中鋁青海分公司電解一、二系列24臺多功能天車在用的空壓機為壽力螺桿空壓機，其特點是節(jié)能效果好。但在運行過程中，由于電解車間環(huán)境惡劣，加之日常維護保養(yǎng)不到位， 2006年至2012年連續(xù)發(fā)生9起空壓機未到大修周期就發(fā)生主機抱死事故。原因是軸承損壞，導致陰陽轉子抱死故障，損失嚴重，由于我公司沒有維修這種空壓機的能力，需要進行返廠維修，每臺主機維修成本約為10萬元，給公司造成了不小的損失。為了提高設備運行的安全性，需要制定措施來避免主機抱死故障的發(fā)生。為了減少空壓機運行中發(fā)生此類故障，延長其使用壽命，降低維修費用，需要對空壓機實施狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷。

1 狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷特點

設備的故障診斷是發(fā)現(xiàn)并確定故障的部位和性質，尋找故障的起因，預報故障的趨勢并提出相應的對策。

設備狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷就是指在機械基本不拆卸的情況下，在運行中掌握其運行狀態(tài)，早期發(fā)現(xiàn)故障，判斷故障的部位和原因，以及預報故障的發(fā)展趨勢。設備狀態(tài)監(jiān)測故障診斷的基本流程如圖1所示。

圖1 設備狀態(tài)監(jiān)測基本流程

現(xiàn)在狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷主要使用精密的儀器和方法，來對設備故障的存在部位、發(fā)生原因及故障類型進行識別和定量評價。狀態(tài)監(jiān)測主要分為離線監(jiān)測系統(tǒng)、在線監(jiān)測系統(tǒng)等，根據我分公司的實際情況，下面主要介紹離線監(jiān)測系統(tǒng)。

離線監(jiān)測系統(tǒng)一般由傳感器、采集器、監(jiān)測診斷軟件和微電腦組成。操作步驟為：利用監(jiān)測診斷軟件建立測試數據庫、將測試信息傳輸給數據采集器、用數據采集器完成現(xiàn)場巡回測試、將數據回放到數據庫中進行分析診斷。

實施狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷可有效改善運行設備的安全性、減少或消除運行故障，延長大修間隔，減少維修費用，提高設備的運轉率。

2 空壓機的狀態(tài)監(jiān)測

2.1 空壓機離線監(jiān)測系統(tǒng)的建立

我們使用Ascent數據庫軟件，在工作電腦上建立數據庫，通過與之相配套的普迪美VB3000數據采集器及傳感器建立離線監(jiān)測系統(tǒng)，對這兩種空壓機進行狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷，同時，使用VM-63A測振儀對每個測點的振幅進行測量。

2.2 空壓機相關監(jiān)測參數

在狀態(tài)監(jiān)測中，需要為每臺機器選擇監(jiān)測參數，確定設備重要零件的相關參數是非常重要的，因為在數據采集和監(jiān)測過程中，頻譜分析涉及設備傳動部件的轉速、軸承型號、齒輪齒數等參數，以確定監(jiān)測頻率范圍的最低和最高頻率，因此設備相關參數確定是非常必要的。

2.3 空壓機狀態(tài)監(jiān)測測點的選擇

通過對空壓機的技術資料進行學習，熟悉壽力空壓機的結構特點，搞清楚其軸承所在位置，以確定空壓機數據采集測點的設置，測點的位置應盡量靠近軸承所在的機殼。

根據天車空壓機結構特點，其軸承座監(jiān)測測點的數字序列是從電機非驅動側至驅動側軸承座賦予數字1開始，朝著被驅動設備，按數字次序排列，直到最后一個軸承，數字前的字母表示測量點在靠近電機端或靠近壓縮機端，具體標志如圖2所示為M1、M2，F(xiàn)3、F4、F5、F6、F7、F8。

圖2 天車空壓機檢測點位置圖

每個測點振動測量的位置有三種，水平、垂直、軸向，在Ascent數據庫中為每臺空壓機設定好機器名，以便于區(qū)別。然后根據每臺空壓機的軸承及齒輪的特征頻率設置好每個測點測量位置及測量參數組，將設定好的測點通過數據線發(fā)送到VB3000數據采集器中，在現(xiàn)場進行模擬數據采集。根據現(xiàn)場實際設備結構及數據采集器的傳感器放置情況最終確定每個測點的測量位置及測量參數組。

監(jiān)測測點的數字序列是從電機非驅動端側的軸承座賦予數字1開始，朝著被驅動設備，按數字次序排列，直到最后一個軸承，數字前的字母表示測量點在靠近電機端或壓縮機端。

2.4 監(jiān)測標準的確定

2.4.1 振動速度標準

空壓機振動速度使用ISO2372國際振動質量評級標準，對其振動進行分析和判斷，該標準適用于轉速在600～12000r/min的各種機器。

2.4.2. 空壓機振動測量周期

測量周期根據空壓機的結構特點、傳動方式、運行模式、轉速、功率以及故障模式等因素進行確定：空壓站空壓機為連續(xù)運轉，功率較大，將振動監(jiān)測周期定為1次/1周；天車空壓機為間歇式運轉，將監(jiān)測周期定為2次/月。

3 空壓機障診斷的應用

為了對每臺空壓機的運行狀態(tài)有直觀的綜合判斷，我們制定了空壓機狀態(tài)監(jiān)測表，每月底對每臺空壓機一個月的振動情況進行分析和判斷，結合該月空壓機的日常維護及檢修情況，給出該空壓機是否需要安排檢修或繼續(xù)運行等結論。

經過兩年多對空壓機實施狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷，積累了不少空壓機故障診斷經驗，這期間診斷出幾起空壓機早期故障，都進行了及時處理，避免了大的故障的發(fā)生。這兩年多未再發(fā)生主機抱死故障，空壓機故障診斷取得了明顯的效果。

（1）聯(lián)軸器故障。2012年7月8日，我們對天車8#空壓機進行振動數據采集，測振儀測得F3測點水平方向振幅為0.12mm，表明該處的振動較大，我們對8#空壓機采集的振動數據進行分析時發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)3測點加速度值較大為2.119g，其加速度圖如圖3所示。表明F3點沖擊較大，較6月份的0.718g有較大的上升。其中，主機輸入軸轉動頻率25Hz處的加速度值最大，其余均為軸頻的高頻諧波，顯示該處可能存在轉頻類故障。同時，F(xiàn)6測點的加速度值為1.764g，較6月的0.892g有明顯上升，其頻譜圖如圖4所示。

圖3 F3點加速度解調圖

圖4 F6點水平方向加速度圖

圖5 F3水平方向振速頻譜圖

在對如圖5所示的F3點水平方向的振速頻譜進行分析時發(fā)現(xiàn)，頻譜顯示主機輸入軸2倍頻51Hz處振速幅值為1.29mm/s，是1倍頻25Hz處振速幅值0.568mm/s的2.27倍，初步判斷為聯(lián)軸器存在較為嚴重的平行不對中情況，由于聯(lián)軸器與F3測點最近，其不對中造成的沖擊造成F3點加速度值較上月迅速增加，從而造成其后端齒輪嚙合不良，產生沖擊，導致F6點加速度值較大。為防止由于沖擊較大，造成聯(lián)軸器或軸承損壞，必須立即對該空壓機進行停機檢修，7月9日對該空壓機進行檢修，打開聯(lián)軸器防護罩發(fā)現(xiàn)電機端聯(lián)軸器安裝盤由于頂絲松動，沿軸線方向向電機方向竄動22mm，彈性體損壞，更換彈性體并調整了聯(lián)軸器安裝盤后，啟動空壓機再進行數據采集和分析，振動數值恢復到正常范圍內，驗證了我們的判斷是正確的，同樣的問題發(fā)現(xiàn)又處理了3次。

（2）軸承故障。2013年6月16日，對天車16#空壓機采集的頻譜進行分析時發(fā)現(xiàn)， 其1#主機陽轉子后端1F4測點水平方向加速度值為3.867g，如圖6所示。顯示該測點沖擊能量較大，其中12Hz處的加速度值最大為0.484g。該測點1F4為1號主機陽轉子后端軸承座位置，其軸承為圓柱滾子軸承，型號為NJ316。需要對該軸承的特征頻率進行計算，對其振動進行詳細分析。

由《實用軸承手冊》查得：NJ316軸承的滾動體直徑d=18mm，滾動體節(jié)圓直徑D=130mm，接觸角α=0，滾動體數量為17個。

該空壓機電機轉速頻率為24.6Hz，大齒輪齒數z1=100，主機陽轉子端齒輪齒數Z2=83。

圖6 2#空壓機1號主機1F4測點加速度圖

得：

由公式（2）、（3）、（4）、（5）得到：

滾動體特征頻率

保持架特征頻率

內圈特征頻率

外圈特征頻率

由NJ316軸承的特征頻率可知，12Hz為軸承保持架特征頻率，顯示軸承保持架處的沖擊能量較大。

對如圖7所示的1F4測點頻譜進行分析，該測點垂直方向頻譜圖中出現(xiàn)軸承保持架特征頻率12Hz的振速幅值為0.252mm/s及2、3倍頻等高階諧波，初步判斷為軸承保持架故障，造成軸承運行產生沖擊，從而造成該處測點加速度值較大。由于軸承的保持架是軸承元件中最薄弱的部位，如其損壞將造成軸承卡死，進而造成主機抱死故障的發(fā)生，因此，該空壓機需要停機檢修。通過對1號主機檢查，解體發(fā)現(xiàn)該處軸承保持架損壞，如圖8所示。更換軸承后空壓機恢復正常運行。說明我們的判斷是正確的。

圖7 2#空壓機1#主機1F4水平頻譜圖

圖8 1號主機拆解后主機陽轉子后端軸承保持架損壞，滾動體脫出

4 結束語

2010年5月至今通過對24臺空壓機實施狀態(tài)監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)和預測到9臺次空壓機故障，通過及時檢修防止了設備運行狀況的繼續(xù)惡化，避免了設備部件過早損壞，延長了設備使用壽命，取得了相當可觀的經濟效益。同時，我們也積累了空壓機振動故障診斷的經驗，為今后更好的開展空壓機狀態(tài)監(jiān)測打下了良好基礎。由于空壓機故障較為復雜，引起的原因多種多樣，涉及如噪聲辨識、振動等相關知識，如何充分利用多種監(jiān)測儀器，通過比較、對照等一系列工作，準確診斷空壓機故障產生原因，從而迅速解決問題是我們今后設備狀態(tài)監(jiān)測工作的一項重要內容。

（編輯：余東梅）

Application and Practice of Condition Monitoring and Fault Diagnosis in Large and Medium Size Screw Air Compressor

YIN Hua-bin, ZENG Mu
(Chinalco-Qinghai Aluminum CO.,Datong 810108,China)

VB3000 Data Acquisition System, Sensor and Ascent Database Software are selected to establish off-line monitoring system for air compressor. The technology is used for acquisition, analysis and diagonsis of data. The information can be provided for the device, the service life of device can be prolonged, the maintenance costs of the device can be reduced and thus the device can run safely.

condition monitoring; fault diagnosis; bearing; gear; coupler

TH17，TH45

B

1005-4898（2014）05-0054-05

10.3969/j.issn.1005-4898.2014.05.12

殷華彬（1973-），男，河南洛陽人，高級工程師。

2013-10-14