振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷技術(shù)應(yīng)用

   摘    要：本文主要討論設(shè)備狀態(tài)診斷技術(shù)，闡述振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測中有關(guān)振動(dòng)監(jiān)測的方法、故障及原因分析，并通過實(shí)例的詳細(xì)分析，以便更詳細(xì)地介紹振動(dòng)診斷技術(shù)。 
       關(guān)鍵詞：振動(dòng)監(jiān)測 數(shù)據(jù)采集 頻譜分析 故障診斷 
       1 前言 
       設(shè)備的維修方式已經(jīng)從事后維修、計(jì)劃維修到設(shè)備現(xiàn)代管理下的狀態(tài)維修，也就是預(yù)知維修。開展設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測及診斷工作就是為了避免設(shè)備突發(fā)性故障造成的巨大損失，減少計(jì)劃維修所造成的一些浪費(fèi)，不斷提高設(shè)備完好率、設(shè)備使用效益率。
振動(dòng)是設(shè)備常見的現(xiàn)象，通過振動(dòng)檢測技術(shù)可以掌握設(shè)備的運(yùn)行狀況，解決大部分設(shè)備的潛在問題。 
       2 常見機(jī)械振動(dòng)故障及分析方法 
       常見的機(jī)械故障一般可分為不平衡、不對中、機(jī)械松動(dòng)、軸承問題、機(jī)械摩碰等幾種情況。頻域分析方法已成為機(jī)械設(shè)備故障診斷的主要內(nèi)容，通過振動(dòng)數(shù)據(jù)采集及頻域信號的分析處理，可以很明顯的區(qū)別一些常見的機(jī)械故障。 
       2.1 不平衡 
       引起不平衡原因主要有轉(zhuǎn)子結(jié)垢、掉塊、轉(zhuǎn)子變形、彎曲及回轉(zhuǎn)中心與質(zhì)心不重合等。不平衡在時(shí)域波形圖中與頻域波形圖中特征很突出，主要時(shí)域波形圖、頻譜圖及特征如下： 

       A． 隨著轉(zhuǎn)速的升降，振幅隨之升降 
       B． 頻譜圖中有較穩(wěn)定的高峰，諧波能量集中在基頻(1X)，基頻為轉(zhuǎn)速n/60，其它信頻幅值很小 
       C． 振動(dòng)的時(shí)域波形為正弦波 
       2.2 不對中 
       機(jī)組安裝后，轉(zhuǎn)子軸線或其延長線不重合，稱為不對中，不對中分為三種情況：平行不對中、角度不對中、平行和角度不對中。
不對中故障產(chǎn)生的頻譜圖特征如下： 

       A．轉(zhuǎn)子徑向振動(dòng)出現(xiàn)2倍頻，以1倍頻和2倍頻分量為主，不對中越嚴(yán)重，2倍頻所占比例越大 
       B．轉(zhuǎn)子軸向振動(dòng)在1倍頻、2倍頻甚至3倍頻處有穩(wěn)定的高峰，一般達(dá)到徑向振動(dòng)的50%以上，若與徑向振動(dòng)一樣大或更大，表明情況嚴(yán)重，應(yīng)及時(shí)處理，一般4~10倍頻分量較小 
       C． 軸承不對中時(shí)，徑向振動(dòng)較大，有可能出現(xiàn)高次諧波，振動(dòng)不穩(wěn)定 
       D． 負(fù)荷變化導(dǎo)致振動(dòng)值變化 
       E． 時(shí)域波形穩(wěn)定，每轉(zhuǎn)出現(xiàn)1個(gè)、2個(gè)或3個(gè)峰值 
       2.3 機(jī)械松動(dòng) 
       機(jī)械松動(dòng)分為結(jié)構(gòu)松動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)部件松動(dòng)，造成機(jī)械松動(dòng)的原因是：安裝不良、長期磨損、基礎(chǔ)或機(jī)座損壞、零部件破壞。機(jī)械松動(dòng)故障的頻譜圖和波形特征： 

       A．強(qiáng)徑向振動(dòng)，特別是垂直方向，出現(xiàn)3~10倍頻 
       B．徑向振動(dòng)較大，尤其垂直徑向振動(dòng)較大 
       C．有時(shí)含有1/2倍頻，3/2倍頻等分?jǐn)?shù)頻分量 
       D．軸向振動(dòng)很小或正常,這也是與不對中故障的明顯區(qū)別 
       E．時(shí)域波形雜亂，有明顯的不穩(wěn)定的非周期信號 
       2.4軸承問題 
       旋轉(zhuǎn)機(jī)械化是故障診斷的重點(diǎn)，而很多旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障都和軸承有關(guān)。據(jù)統(tǒng)計(jì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械的故障40%是由軸承引起的，它的好壞對機(jī)器的工作狀況影響極大，軸承的缺陷會導(dǎo)致機(jī)器劇烈振動(dòng)和噪聲，甚至?xí)鹪O(shè)備的損壞。 
       軸承按其結(jié)構(gòu)分為滾動(dòng)軸承和滑動(dòng)軸承。滾動(dòng)軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中由于各種原因引起損壞，如裝配不當(dāng)，潤滑不良，水分和異物侵入，腐蝕和過載等可使軸承過早損壞。主要故障表現(xiàn)為：疲勞剝落、磨損、塑性變形、銹蝕、斷裂、膠合、保持架損壞。 
       2.4.1 滾動(dòng)軸承 
       滾動(dòng)軸承的特征頻率與故障具體部位、滾動(dòng)軸承零件幾何尺寸、軸承工作轉(zhuǎn)速等因素有關(guān)。如果不計(jì)軸承各元件彈性變形，并認(rèn)為滾動(dòng)與滾道之間為純滾動(dòng)，則各故障特征頻率為： 
       a) 內(nèi)環(huán)的頻率為： fr=n/60 
       b) 保持架的旋轉(zhuǎn)頻率（或滾動(dòng)體的公轉(zhuǎn)頻率）：fc=1/2{1-d/D(cosa)}fr 
       c) 外環(huán)故障頻率： 
       Zfc=Z/2{1-d/D(cosa)}fr 
       d) 內(nèi)環(huán)故障頻率： 
       Zfi= Z/2{1+d/D(cosa)}fr 
       式中　 Ｚ——軸承滾動(dòng)體個(gè)數(shù) 
       D——軸承的節(jié)徑 
       d——滾動(dòng)體直徑 
       a——接觸角 
       2.4.2 滑動(dòng)軸承 
       滑動(dòng)軸承可能有多種故障，其中包括間隙過大，油膜振蕩以及摩擦。造成這些故障的原因是裝配不當(dāng)，潤滑不良，負(fù)荷欠妥，長久磨損及軸承設(shè)計(jì)不當(dāng)?shù)取；瑒?dòng)軸承的故障一般在頻譜圖上表現(xiàn)為半頻故障，間隙過大時(shí)（4~10）倍頻分量較顯著，類似于機(jī)械松動(dòng)的現(xiàn)象，但軸向振動(dòng)較大；油膜渦動(dòng)有較大的徑向振動(dòng)，頻譜圖中有明顯而穩(wěn)定的渦動(dòng)頻率分量（42%~48%），可能有高次諧波分量。 
       渦動(dòng)頻率與機(jī)械松動(dòng)或軸承摩擦區(qū)分： 
       A． 為了區(qū)分渦動(dòng)頻率（42%~48%）分量與機(jī)械松動(dòng)或軸承摩擦產(chǎn)生的1/2分量，須使用高分辨率頻譜標(biāo)記，應(yīng)使頻率分辨率達(dá)到轉(zhuǎn)速的2%~5% 
       B． 機(jī)器啟動(dòng)過程中，如果達(dá)到臨界轉(zhuǎn)速時(shí)油膜渦動(dòng)開始出現(xiàn)，則當(dāng)轉(zhuǎn)速超過臨界轉(zhuǎn)速后渦動(dòng)仍會存在，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過臨界轉(zhuǎn)速的兩倍時(shí)，油膜振蕩可能會出現(xiàn)。一旦出現(xiàn)油膜振蕩，振幅急劇增大，即使再提高轉(zhuǎn)速，振幅也不會減小。 
       C． 渦動(dòng)頻率與軸和軸承間隙有關(guān)，間隙增大時(shí)渦動(dòng)頻率減小。 
       3 實(shí)際應(yīng)用 
       3. 1 大型風(fēng)機(jī)的振動(dòng)檢測和故障分析 
       江鈴汽車股份有限公司車身廠涂裝車間噴漆線上的風(fēng)機(jī)是我公司關(guān)鍵設(shè)備，其配用的電機(jī)、風(fēng)機(jī)整體安裝在密封環(huán)境內(nèi)，對于電機(jī)、風(fēng)機(jī)的異常情況很難及時(shí)發(fā)現(xiàn)，如果設(shè)備不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)或因?yàn)楣收贤C(jī)，就會嚴(yán)重影響生產(chǎn)，使企業(yè)遭受經(jīng)濟(jì)損失。因此對設(shè)備在線監(jiān)控，掌握設(shè)備運(yùn)行狀況和劣化趨勢，及早發(fā)現(xiàn)和消除故障隱患就顯得尤為重要。 
       監(jiān)測中心對噴漆線上的四臺風(fēng)機(jī)使用西馬力的“小博士”設(shè)備巡檢儀實(shí)施監(jiān)控。在2002年10月28日發(fā)現(xiàn)其中的三號風(fēng)機(jī)振動(dòng)異常。 
       機(jī)組有關(guān)參數(shù)如下： 
       電機(jī)型號為： YB250M-4 
       電機(jī)功率：55KW 
       電機(jī)轉(zhuǎn)速：1480RPM 
       風(fēng)機(jī)型號為：B4-72-12NO 
       風(fēng)機(jī)風(fēng)量：50800m3/h 
       風(fēng)機(jī)壓力為1657Pa；風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為900RPM 
       電機(jī)和風(fēng)機(jī)之間用皮帶連接。 
       測點(diǎn)布置如下圖所示： 

 

       全部測點(diǎn)都分布在對振動(dòng)影響最為敏感的滾動(dòng)軸承處，測點(diǎn)分三個(gè)方向，即垂直（V）、水平（H）和軸向（A）。因?yàn)樵O(shè)備轉(zhuǎn)速不高，我們選擇振動(dòng)速度為檢測參數(shù)。振動(dòng)值如下表， 

       故障分析和診斷 ： 
       根據(jù)檢測標(biāo)準(zhǔn)ISO2372，從各點(diǎn)振動(dòng)值看，風(fēng)機(jī)雖然安裝在彈性基礎(chǔ)上，但各測點(diǎn)水平方向和垂直方向振值均屬超標(biāo)，電機(jī)轉(zhuǎn)速為1480RPM，基頻為24.67HZ；風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為900RPM，基頻為15HZ。由頻譜圖看出振動(dòng)的異常點(diǎn)都集中在基頻上，低于或高于基頻的振動(dòng)值都很小，軸向的頻譜圖顯示振動(dòng)數(shù)值都正常。據(jù)此可以判斷風(fēng)機(jī)存在不平衡現(xiàn)象，可能是風(fēng)機(jī)風(fēng)葉磨損不均勻，或者是風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)垢造成。經(jīng)過對風(fēng)機(jī)進(jìn)行停機(jī)拆卸，發(fā)現(xiàn)風(fēng)機(jī)風(fēng)葉嚴(yán)重積灰，于我們所作的故障分析基本相符，經(jīng)過清理風(fēng)機(jī)積灰后，風(fēng)機(jī)的振動(dòng)異常明顯消除。 
       3. 2 滾筒破碎篩的振動(dòng)檢測和故障診斷
設(shè)備情況 型號： 非標(biāo)， 電機(jī)功率：5.5KW 轉(zhuǎn)速：1480RPM 轉(zhuǎn)速比為1.409
測點(diǎn)如圖所示：

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表2（單位：mm/s）： 

       由上可經(jīng)看出,1、2、3、4、測點(diǎn)振動(dòng)沒有超過國際振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)4.5mm/s，應(yīng)對第5和6測點(diǎn)進(jìn)行分析，從第5測點(diǎn)頻譜圖來看，最大值出現(xiàn)在146HZ處，第6測點(diǎn)最大值出現(xiàn)在198HZ處。由于測點(diǎn)設(shè)在軸承座上，首先應(yīng)檢查故障是否出現(xiàn)在軸承上，了計(jì)算5號測點(diǎn)軸承外環(huán)故障頻率為145.67HZ，6號測點(diǎn)的內(nèi)環(huán)故障頻率為197.31HZ，通過對照軸承故障特征頻率表，可以判斷5號軸承故障出現(xiàn)在軸承外圈，6號軸承故障出現(xiàn)在軸承內(nèi)圈，可能是表面磨損。經(jīng)更換軸承后，振動(dòng)正常。 

       4  結(jié)論： 
       設(shè)備監(jiān)測與診斷技術(shù)可以有效地避免意外事故，節(jié)約大量維修費(fèi)用，無論對安全生產(chǎn)還是對設(shè)備維護(hù)都具有十分重要的意義。設(shè)備狀態(tài)檢測工作的開展為設(shè)備預(yù)防性維修提供了可靠的理論依據(jù)，對確保設(shè)備修理的及時(shí)性、準(zhǔn)確性起到了關(guān)鍵作用。隨著人們對設(shè)備保護(hù)意識的加強(qiáng)和設(shè)備維護(hù)認(rèn)識的深入，該項(xiàng)技術(shù)越來越受到人們的重視。展望未來，開展設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷將是現(xiàn)代大、中型企業(yè)必不可少的重要手段。