离心压缩机典型振动故障分析与诊断

论文总字数：29208字

摘 要

压缩机是旋转机械的一种，在生产生活中应用十分广泛，其工作状态的变化对于工业和机械效率有重大影响。本文主要的关注点在于旋转机械的故障机理成因，以及常用的诊断和分析的手段和方法，并编制程序进行简易的频谱分析验证实验结果。

由于旋转机械的工作转速一般很高，机械密封也要求很严，很难实现拆卸检修的情况。因为旋转机械是一种依靠旋转运动工作的机械，依据自身的运行原理，所以在机械工作的过程中会产生周期性的信号，这些信号就成为故障检测和分析的主要信息，依据当前的数学和信号处理的技术，可以实现主要的故障诊断和监测。

依据多年来的实践总结，旋转机械存在的故障主要有转子弯曲、不平衡、油膜振荡、轴裂纹、基础或结构松动、动静结构碰摩、材料自身缺陷等等。对于不同的机械故障都有相对应的旋转信号特征，于是发展出频谱图、相位图、伯德图、瀑布图、频谱级联图、轴心轨迹图等分析手段，较为常用的是频谱图，能够反映大多数机械故障中存在的振动频率分量和比例大小，是十分直观且简易的方法。本方案的程序部分采用快速傅立叶变换（FFT）方法实现，能够对时域采样数据进行快速的数学转换，将数字以txt文本形式导出，通过作图程序可以验证所编程序的准确性。

关键词：旋转机械；压缩机；故障诊断；频谱分析；傅里叶变换

Vibration Fault Analysis and Diagnostics in Centrifugal Compressor

Abstract

Compressor one kind of rotary machine, it is widely used in industry and people daily life, changes in working conditions can make a great impact on its industrial and mechanical efficiency. The main focus of this paper is the failure mechanism which is caused of rotating machinery, as well as the means and methods used in the diagnosis and analysis, and make a program for simple spectral analysis to verify the results.

Since the working speed rotating machinery is generally high, the mechanical seal is also very strict, it’s very tough to disassemble a machine for repairing. Because the rotating machine is a rotary motion to rely on the work condition of the machine, based on their operating principle, so the process of mechanical work will generate periodic signals as major fault detection and analysis information. Based on current math and signal processing technology, we can achieve a major fault diagnosis and monitoring.

Combined with practice and experience, rotating machinery fault can be diagnosed such as main rotor bending, uneven film oscillation, shaft cracks, loose foundation or structure, static and dynamic structure Rub, defects in the material itself, and so on. For rotation signal characteristics of different mechanical failure has a corresponding, then develop a frequency spectrum, phase diagram, Bode plot, waterfall, cascade spectrum diagram, Orbit, and the like analytical tools, frequency spectrum is more commonly used, most mechanical failures can reflect the presence of vibration frequency components and the ratio of the size, it is very intuitive and easy way. The main propose of this project part is to make a program to do some simple analysis, this program is based on fast Fourier transform (FFT) method implementation can be time-domain samples data for quick mathematical transformation, the digital text to txt export, by drawing program can verify the accuracy of the programmed.

Keywords: rotary machine; compressor; fault diagnosis; spectrum analysis; fast Fourier transform

目 录

摘 要 …………………………………………………………………………………………Ⅰ

Abstract ……………………………………………………………………………………Ⅱ

第一章 绪论 ………………………………………………………………………………1

• 1. 引言 ……………………………………………………………………………………1
  2. 机械故障诊断技术和离心压缩机的发展及研究现状 ………………………………1

1.2.1 机械故障诊断技术的发展 …………………………………………………………2

1.2.2 机械故障诊断的主要内容 …………………………………………………………2

1.3 本文研究目的和主要内容 ………………………………………………………………3

第二章 离心压缩机概述 ……………………………………………………………………4

2.1 离心压缩机的基本原理 ………………………………………………………………4

2.2 离心压缩机的结构 ……………………………………………………………………4

第三章 故障诊断与信号处理的基本方法 ………………………………………………6

3.1 机械振动理论简介 ……………………………………………………………………6

3.2 信号处理方法 …………………………………………………………………………6

3.2.1时域频域分析方法 ……………………………………………………………………7

3.2.2 轴心轨迹图 …………………………………………………………………………8

3.2.3 极坐标图、伯德图 ………………………………………………………………9

第四章 离心压缩机常见故障及机理…………………………………………………………10

4.1 转子不平衡 ………………………………………………………………………………10

4.2 转子不对中 ………………………………………………………………………………11

4.3 油膜振荡 ………………………………………………………………………………12

4.4 旋转失速与喘振 …………………………………………………………………………12

4.5 摩擦和松动 ………………………………………………………………………………14

4.6 轴裂纹 ……………………………………………………………………………………14

4.7 故障小结 ………………………………………………………………………………17

第五章 频谱分析的原理和软件实现…………………………………………………………20

5.1频谱分析的基本理论 ……………………………………………………………………20

5.1.1傅里叶变换 …………………………………………………………………………20

5.1.2 离散傅里叶变换 ……………………………………………………………………21

5.1.3 快速傅里叶变换 ……………………………………………………………………22

5.2 软件编制和C 实现 ……………………………………………………………………25

5.2.1 FFT地址关系 …………………………………………………………………………25

5.2.2 FFT主体函数的运算流程 …………………………………………………………27

5.2.3 软件运行截图及初步检验 …………………………………………………………28

第六章 实例分析和软件验证 ………………………………………………………………30

6.1 故障实例分析1 …………………………………………………………………………30

6.2 故障实例分析2 …………………………………………………………………………33

6.3 故障实例分析3 …………………………………………………………………………36

6.4 软件结果对比 …………………………………………………………………………39

第七章 总结 ………………………………………………………………………………41

致 谢 …………………………………………………………………………………………42

参考文献 ……………………………………………………………………………………43

第一章 绪 论

1.1 引言

旋转机械在生产生活的各个领域广泛应用，在能源动力领域内更是发挥关键性的作用，产生动力和消耗动力的大户都是旋转机械；在化工和机械制造等领域，旋转机械的运行状况直接影响到产品的质量和生产效率；对于旋转机械的故障诊断和检测是十分必要的。风机是一种典型的旋转机械，广泛应用于石油、化工、电力、冶金等行业，对国民经济的发展有重要的意义。通常，风机尤其是大中型风机振动比较强烈，噪声较大，容易发生故障。一旦出现故障，将会引起生产线上主机的停产，从而使经济损失严重。

对于大多数旋转机械，拆卸式检修耗时长、代价高，不适合当代的工业系统，现在一般都采用在重要部位安装传感器检测最典型的故障信号，可以省时省力的解决故障诊断问题。现代的故障诊断技术日趋完善，积累了丰富的经验和处理解决方案，形成了多种信号处理方法，方便了工程技术人员在实践中应用。

1.2 机械故障诊断技术和离心压缩机的发展及研究现状

1.2.1 机械故障诊断技术的发展

对机械设备的故障诊断实际上自工业化生产以来就已经存在，早期的故障主要通过人为凭借经验判断。而故障诊断作为一门技术学科出现，是在20世纪60年代才开始的，1967年在美国宇航局(NASA)的倡议下，开始组建了美国机械故障研究组织，主要从事机械故障诊断技术的研究与推广，研究结果丰厚，并且成功地运用于航天、工业、军事等行业的机械设备中。随后，其他国家也开展了故障诊断技术的研究，像德国、日本等。国外的机械故障诊断技术经过多年积累，有了长足的发展，在故障诊断及相关技术方面，进行了许多探索与研究，如数据获取、故障机理、特征提取、信号处理、模式识别和智能诊断等。在另一方面，机械诊断的应用范围越来越广，刺激形成了产业化的发展模式，许多大型企业都开发出了机械诊断程序，其中有西屋电气公司、西门子公司、瑞士的ABB公司等。这些公司企业的介入，对于机械诊断技术的进步起到了重要的推动作用。

我国的故障诊断技术和研究是从20世纪70年代末开始的，主要发展过程经历了三个阶段：

（1）早期:主要采用FFT分析仪进行离线的故障诊断，方法简单固定，对象单一，无法适用于多设备的诊断。（2）中期:诊断技术的研究和实现主要由计算机完成，在此阶段中出现了很多其他的故障诊断方法，如全息谱分析、小波分析等，由此开始，机械诊断的范围也开始不断扩大。（3）近期:自20世纪90年代末期以来，整体故障诊断技术朝着高度的网络化、集成化、智能化发展，诊断对象进一步多样化，监测数据也更加多样，如温度、压力、流量等。

从总体情况分析，我国的故障诊断技术的发展经历了从简易诊断到复杂诊断、从人工判别到智能诊断、从借鉴国外技术到白主研发的过程，并且近年来逐步缩小了与国外技术的差距。

1.2.2 机械故障诊断的主要内容

（1）故障机理的研究

对于引起机械故障的各种原因（包括内在外在的物理、化学方面的原因），通过理论分析计算或实验研究对于已有现象或实验结果进行阐释，研究故障原因和故障征兆的一般关系，为故障诊断提供客观依据。故障机理的研究属于故障诊断体系里的基础性研究，具有重要意义。

（2）故障信号的检测与获取

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