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摘要：首次将机械精密故障诊断技术应用于国内煤炭行业。指出矿用旋转机械常见故障主要为基础弱和轴系不对中，并对此两类故障机理进行了深入的阐述。实践证明，该精密故障诊断技术可以有效地诊断出矿用旋转机械的常见故障隐患。
关键词：振动机理；旋转机械；基础弱；不对中；精密故障诊断
中图分类号：TH222．07 文献标志码：B 文章编号：0253-2336(2006)07-0056-04
Analysis on diagnosis and vibration mechanism of two kind
failures for mine rotary machinery
WANG Zhan-hong1, ZHENG Ji-guang1, XUAN Liang-zhu2
(1.Research Institute of Automatic Control, Xi'an Jiaotong University, Xi'an,710049 China;2.Equipment management Centre, Shendong Coal Company, Shenhua Group, Shenmu 719315, China)
对现场机械设备进行故障诊断，目前较成熟的手段是振动分析，即通过采集设备运行时的振动信号，经FFT等信号处理后，再从时、频、幅、相域进行综合分析比较，得出故障部位和原因。现场采集的大量信号频谱图显示，多是以工频为主，其次是工频和2倍频共存现象。经过实践证明，出现这种频谱是由于设备基础弱和轴系间不对中所至，这在以前(没有使用精密诊断之前)是不容易识别的故障。本文对矿用旋转机械这两类常见但又容易被忽视的故障机理进行阐述，对整个精密诊断系统进行简单介绍，并结合工程实例对两类故障进行分析诊断。
1 基础弱和不对中故障振动机理
1．1 基础弱故障振动机理
矿用现场设备一般都要安装在由水泥地板和钢板支架构成的专用基础上，基础弱是指该基础的刚度不足。基础弱的设备其振动频谱一般仅出现工频(设备的工作频率)。这是因为，从振动机理分析，任何转子系统总会有少量的质量不平衡，该不平衡会引起振动，基础刚度不足只是加剧了该不平衡所引起的振动幅度，而其本身并不会引起任何振动。
转子系统简单力学模型如图1所示。整个系统可简化为质量为M的柱状转子放在无质量的弹性转轴上，转轴中心为O，转子几何中心为O'，不平衡质量为m，集中于P点，偏心距为e=PO'，由于转子质量使转轴弯曲变形产生的扰度为r=00'，C为系统阻尼系数，K为支承刚度系数。当转子旋转时产生离心力F=meω2分别为：
由于此离心力的作用，使由转子和整个支承组成的系统发生强迫振动。其在水平和垂直方向的振动微分方程分别为：
式中，x，y分别为水平和垂直方向的振动位移，C1，C2分别为水平、垂直方向阻尼系数，K1， K2分别为水平、垂直方向刚度系数。以上两式的特解分别为：
从式(1)、(2)可以看出，振动频率为工频(ω/2π)。从振幅的表达式(3)、(4)可以看出，支承刚度K越小，振幅越大。可见，在同等条件下，基础等支承物的刚度K不同，设备振动幅度会出现很大的差异。因此，当基础刚度不足时，工频振动的幅值就会很大，这便是基础弱的故障振动机理。
1．2不对中故障振动机理
各个机器转子之间要协同工作，就必需将它们通过联轴器联结起来。在安装联结过程中，各转子轴线之间产生平行、角度或综合位移，即所谓的转子不对中[2]。绝对消除不对中是不可能的，但当不对中程度超过一定的量，会引起剧烈的振动，严重影响设备的运行寿命。下面主要分析齿式联轴器存在平行不对中时的振动机理。
当转子轴线之间存在平行位移时，联轴器的中间齿套和半联轴器组成移动副，不能相对转动，但是中间齿套却与半联轴器产生滑动而作平面圆周运动，中间齿套的质心便以轴线间的位移量d为直径作圆周运动，如图2所示。
在图2b中，O1，O2分别为主从动转子的轴心投影，o'为齿套质心。在转子转动过程中，由于两半联轴器均绕自己的轴心O1，O2转动，且分别和中间齿套啮合在一起，则两半联轴器在运动的同时必然要求中间齿套的质心O'也绕其轴心O1，O2转动，因此，同时要满足两个回转中心要求的齿套质心0'便以d=0102为直径作平面圆周运动。由图2b很容易得出o'绕0的运动轨迹：
式中，ω为转子角频率，φ为其初相。
由式(5)、式(6)可以看到，齿套质心的转动为转子角频率的2倍，当整个转子系统高速运转时，齿套的运动产生很大的激励力，引起转子产生径向振动，振动频率为转子工频的2倍。这就是在检测到2倍频时诊断为轴系不对中的理论根据。
2 系统组成及特点
根据需要，选用美国某公司的恩泰克机械设备故障监测和诊断系统，在神府东胜煤田进行设备的精密诊断，这在国内煤炭行业尚属首例。恩泰克状态监测与诊断系统分离线和在线2种，使用的是其离线系统，系统由DPl500数据采集器／频谱分析仪配以970i、95001f型加速度传感器，奥德赛(Odyssey)机械设备故障高级监测和诊断软件及数台装有此软件和Oracle数据库的计算机组成。该系统通过振动加速度传感器感受被测对象的振动，由DPl500数据采集器/频谱分析仪采集振动信号，再通过串口通信将采集的信号传到此系统内的任一台计算机上，便可进行分析诊断，得出故障部位及原因。其整个系统框架如图3所示。
此系统将时、频、幅、相等多种故障诊断中常用的分析方法有机结合，在一次数据测量中，可同时获得时、频、幅、相等多种数据类型，使对故障的分析做到全面准确。同时，其数采器采用18位 A/D转换器，可测范围0.18Hz～75.3kHz，可以很好地满足对一些低速设备的测量要求，同类产品最低测量范围大多为lHz左右。
3 实例分析
通过诊断总结，矿用旋转机械常见故障主要为基础弱和轴系不对中这两类故障，虽然在前面已分别对这两类故障振动机理进行了阐述，但工程实际中设备往往不可能仅单纯表现出一类故障，多数情况下是两类甚至多类故障并存，这就需要综合分析，灵活判断。下面通过实例进行分析说明。
神东公司某矿选煤厂带式输送机机头的结构简图如图4所示。整个带式输送机由一台额定功率800kW，转速为1480r/min的电机通过联轴器直接驱动减速箱组成，固定在由水泥地板和钢板支架做成的专用刚性基础上。此带式输送机属新安装设备，振动一直很大，尤其是电机。选煤厂多次进行处理都没有解决问题，因此怀疑电机本身有问题。对其用恩泰克DPl500数采器进行了现场测量与分析，测量数据见表l。限于篇幅，这里仅给出电机靠联轴器端水平测点的分析过程。
第一次测量，各测点振值都较大，尤其是电机靠联轴器端水平处振值达64.2mm/s(有效值)，其对应频谱如图5所示。
可以看出，频谱图中主要是1500r/min电机工频，由于实际转速和分辨率的影响，电机工频不可能准确显示1480r/min。从此频谱分析可以看出，故障原因为基础偏弱，结合其它测点(有2倍频，这里没给出)，当时诊断为基础弱且电机与减速箱间轴系不对中，立即停机进行处理。
处理后振动情况有所好转，但仍感觉较大，于是对其进行了再次测量与分析，其对应频谱图如图6所示。可以看出，振值(18.3mm/s)比第一次减小了很多，但按国际振动标准IS010816-1，仍较大。
2次频谱图对比，1500r/min工频的振动幅值减小很多(3.65mm/s)，但其2倍频增大很多(13.8mm/s)。这是轴系不对中的典型频谱特征，这点从其对应时域波形图(图7)也可以看出。
从图7可以清楚地看到，其在一转(0.04s)内，振动幅值有明显变化，这是轴系不对中在时域波形的突出表现。结合其他测点，当时诊断：工频明显减少且其频谱分量很小说明基础加固满足要求，但2倍频的突出增大表明轴系不对中程度加剧。建议尽快安排对其进行严格对中度调整。后来证实在加固基础时，由于时间紧，怕耽误生产，在将电机拆下再装时根本没有严格按照安装要求进行对中调整。经过严格的对中度调整后各测点值都达到要求，设备运行状态良好，详见表l。
4结论与展望
通过诊断总结，矿用旋转机械常见故障主要为基础弱和轴系不对中，这在使用精密状态监测与诊断之前是很难发觉的故障。在以前设备出现振动过大，多归结于设备本身，由于问题得不到及时解决，往往造成巨大的经济损失。
矿用机械由于其运行环境特殊，对于基础强度的要求很高，对于新安装的设备振动过大，多数是由于基础强度不够和安装时轴系间不对中引起，应首先给以排除，以免时间过长造成设备的损坏。
在神府东胜煤田中尝试使用先进的精密状态监测与诊断系统，这在国内煤炭行业尚属首例。实践证明，煤炭行业中使用精密状态监测与诊断系统是切实可行的，且对企业减少设备故障率，提高生产效率起到了重要的作用。
参考文献：[1] 侯国元．旋转机械主频振动分析及诊断方法[J]．设备管理与维修，2000(6)．
[2] 韩捷，张瑞林．旋转机械故障机理及诊断技术[M]．北京：机械工业出版社，1997．
[3] 孙超，韩捷，关惠玲，等．齿式联轴器联结不对中振动机理及特性分析[J]．振动、测试与诊断，2004(3)．
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