振動測量與設(shè)備故障診斷

一、概述
       機(jī)械故障診斷學(xué)是一門近二十年內(nèi)發(fā)展起來的新學(xué)科，是現(xiàn)代化設(shè)備維修技術(shù)的重要組成部分，并且正在日益成為設(shè)備維修管理工作現(xiàn)代化的一個重要標(biāo)志。此項技術(shù)的應(yīng)用主要是對確保機(jī)械設(shè)備的安全，提高產(chǎn)品質(zhì)量，節(jié)約維修費(fèi)用以及防止環(huán)境污染起著很重要的作用。
       在機(jī)械故障設(shè)備的的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)中有多種方法可使用。例如振動監(jiān)測技術(shù)、油液分析技術(shù)、紅外測溫技術(shù)、聲發(fā)射技術(shù)、無損檢測技術(shù)等。其中振動監(jiān)測技術(shù)是普遍采用的基本方法，因為振動的理論和測量方法都比較成熟，且簡單易行。另外，據(jù)統(tǒng)計，機(jī)械故障90%可以從振動測量中檢測出來。振動測量和信號分析一直是作為預(yù)知維修的主要手段，各行業(yè)設(shè)備部門要開展這項工作一般都是從這二方面起家的。
       振動監(jiān)測技術(shù)就是“對設(shè)備的振動信號進(jìn)行檢測、分析處理，故障識別和預(yù)報的一種技術(shù)”。
二、簡易診斷與精密診斷
       設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)是指對設(shè)備（部件、零件）的某些特征參數(shù)進(jìn)行測試，并根據(jù)所得測定值與規(guī)定的正常值來作比較以判斷設(shè)備的工作狀態(tài)是否正常或異常（存在故障），也稱為簡易診斷。
       設(shè)備故障診斷技術(shù)則不僅要對機(jī)器設(shè)備的狀態(tài)是否正常作出判斷，更重要的是對機(jī)器故障的原因、部位及嚴(yán)重程度作出估計。故稱為精密診斷。
       目前比較普及的還是簡易診斷（狀態(tài)監(jiān)測），而精密診斷真正用于生產(chǎn)還是少數(shù)，而且主要用于高精尖設(shè)備上。這一狀況歐美和日本都一樣，具有普遍性。這表明簡易診斷比較成熟，簡便易行，而精密診斷還屬于一種開發(fā)性技術(shù)，尚不夠成熟。另外精密診斷的費(fèi)用也比較高，需要精密的儀器，要由經(jīng)過專門訓(xùn)練的工程師來進(jìn)行，所以只在重要的設(shè)備上進(jìn)行。這一點對我國開發(fā)推廣診斷技術(shù)時值得注意。當(dāng)前應(yīng)該把重點放在普及簡易診斷或狀態(tài)監(jiān)測上。同時積極開發(fā)精密診斷技術(shù)，使它盡快達(dá)到使用水平。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計，利用簡易診斷儀器可以解決設(shè)備運(yùn)行中50%的故障。由此可見，簡易診斷在設(shè)備管理與維修中的重要作用。
       以日本新日鐵公司為例，看設(shè)備診斷技術(shù)在設(shè)備管理與維修中的應(yīng)用：（圖1）
       新日鐵認(rèn)為：在大型鋼鐵聯(lián)合企業(yè)中，為確保全系統(tǒng)設(shè)備的正常運(yùn)行，有兩項技術(shù)必須實行。一是有效地監(jiān)視機(jī)器狀況，即“設(shè)備監(jiān)測技術(shù)”。二是精確的診斷方法。即：“精密診斷技術(shù)”。
1.“設(shè)備監(jiān)測技術(shù)”。這類技術(shù)應(yīng)滿足如下要求
● 能迅速地對各種類型的機(jī)械進(jìn)行測量
● 能進(jìn)行現(xiàn)場結(jié)論
● 經(jīng)濟(jì),使用方便
    目前，新日鐵在這方面已開發(fā)出了一系列的硬件，專門用于鋼鐵聯(lián)合企業(yè)中的各類設(shè)備，新日鐵把用于設(shè)備監(jiān)測技術(shù)的硬件分為三類：
（1） 第一類是供日常檢查人員隨身攜帶使用的，能定量顯示結(jié)果的各種小型儀器。譬如：機(jī)器檢測器，油膜檢測器，小型測振儀、馬達(dá)檢測器，聲發(fā)射裂紋檢測器等。
（2） 第二類是監(jiān)視儀表，通常是安裝在現(xiàn)場的，可進(jìn)行自動數(shù)據(jù)采樣，自動數(shù)據(jù)記錄與作為傾向管理的圖譜相對照，異常情況判別圖譜顯示等等，譬如：旋轉(zhuǎn)機(jī)械監(jiān)視儀，壓縮機(jī)監(jiān)測儀，熱軋機(jī)監(jiān)視儀等。
（3） 第三類是數(shù)據(jù)控制系統(tǒng),這需要第一類儀器測量得到的數(shù)據(jù)作為輸入才能進(jìn)行工作。可自動處理大量測量數(shù)據(jù)，并記錄，儲存與控制圖譜相對照，發(fā)出控制信號等
2.“精密診斷技術(shù)”
       當(dāng)通過使用設(shè)備監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行測量，與作為傾向管理的圖譜或數(shù)值相比較之后，當(dāng)指出已存在故障或者是預(yù)測可能發(fā)生故障時，有必要進(jìn)行精密診斷，通過精密診斷，不僅要確定故障是否的確存在，并且，當(dāng)存在故障時，還需診斷出它的位置，原因及程度，新日鐵認(rèn)為：這類技術(shù)必須由專門的、稱為精密診斷檢查的技術(shù)人員來進(jìn)行，在這方面，新日鐵近幾年來也開發(fā)出了二類儀器：
（1） 一類是專門用的儀器，主要是用于旋轉(zhuǎn)機(jī)械的，這類儀器通常必須配合各種軟件技術(shù)（譬如：參照診斷手冊，振動嚴(yán)重性判據(jù)等）進(jìn)行使用，同時，結(jié)合設(shè)備狀況進(jìn)行分析、判斷，譬如：旋轉(zhuǎn)機(jī)械自動診斷系統(tǒng)，自動平衡儀，聲發(fā)射裂紋分析儀等。
（2） 另一類是通用儀器，用于狀態(tài)診斷的測量及分析的儀器。譬如：信號記錄儀，信號分析儀，傳遞函數(shù)分析儀等。
       由“設(shè)備監(jiān)測技術(shù)”和“精密診斷技術(shù)”這大類技術(shù)就構(gòu)成了新日鐵的“設(shè)備狀態(tài)診斷系統(tǒng)”如圖2所示。

三、振動測量在機(jī)器狀態(tài)監(jiān)測中的應(yīng)用
1. 測量方法的進(jìn)步
       一臺設(shè)計得很好的機(jī)器，它的固有振級也很低。但當(dāng)機(jī)器磨損、基礎(chǔ)下沉、部件變形時，機(jī)器的動態(tài)性能開始出現(xiàn)各種細(xì)微的變化：軸變得不對中，部件開始磨損，轉(zhuǎn)子變得不平衡，間隙增大。所有這些因素都在振動能量的增加上反映出來。因此，振動加劇常常是機(jī)器要出毛病的一種標(biāo)志，而振動是可以從機(jī)器的外表面測到的。
       過去，設(shè)備工程師根據(jù)經(jīng)驗靠手摸、耳聽來判斷機(jī)器是否正常或其故障是否在發(fā)展。但今天機(jī)器的轉(zhuǎn)速很高，許多起警告性的振動出現(xiàn)在高頻段，因此，只有用儀器才能檢測出來。做法是：在機(jī)器運(yùn)行良好的狀況下，具有一個典型的振級和頻譜特征。而當(dāng)機(jī)器的故障在發(fā)展的時候，機(jī)器的動態(tài)過程以及機(jī)器零件上的一些作用力也隨著變化，從而影響機(jī)器的振動能級和頻譜的圖形。通過這樣的振動的測量和分析，我們可以知道機(jī)器的工作狀態(tài)的變化以及是否需要維修。
      把振動測量用于機(jī)器狀態(tài)監(jiān)測值得注意的是：
      成功未必取決于初期大量投資去配備帶高級計算機(jī)的分析儀器。許多成功的例子開始是在具有代表性的機(jī)組中采用不太昂貴的模擬式振動表和分析儀。當(dāng)取得經(jīng)驗并計劃擴(kuò)充時，就自然地發(fā)展為采用更快更強(qiáng)有力的儀器。明智的做法是一開始就購買高質(zhì)量的儀器。如果許多新方案由振動測量方面經(jīng)驗有限的工程師來承擔(dān)，加上測量結(jié)果不準(zhǔn)確而且前后矛盾就會大大限制視情維修的可信度。
      上海星晟檢測儀器有限公司就是遵循這一思路開發(fā)出一系列便攜式測量儀器。像：VIB-5、VIB-10、VIB-15、VIB-20、BT2000、BA2010等產(chǎn)品。
2. 測量儀器及測量系統(tǒng)
    對振動進(jìn)行周期監(jiān)測的儀器系統(tǒng)按其復(fù)雜程度可分成三檔：
（1） 簡單系統(tǒng)
    最簡單的系統(tǒng)是用一種直讀式的袖珍振動表在一定的頻率范圍內(nèi)去測量振動級別。把測量結(jié)果與通用標(biāo)準(zhǔn)或每臺機(jī)器的專用參考值相比較。
對那些用振動測量進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測以取得經(jīng)驗的人員來說，一個高質(zhì)量的手持振動計是需要的。這種振動計在10~1000HZ或10~10000HZ的頻率范圍內(nèi)能讀出單一的振動加速度或速度的均方根值（RMS）或峰值。速度的RMS值可直接與標(biāo)準(zhǔn)的振動嚴(yán)重性評定值相比較，從而知道需要維修的程度。雖然寬頻帶振動計在早期故障檢測、診斷及損壞預(yù)測方面的作用是有限的，但也是必須的。
（2） 振動狀態(tài)監(jiān)測的系統(tǒng)
（a） 頻率分析的基本系統(tǒng)
       用于機(jī)器狀態(tài)監(jiān)測的頻率分析系統(tǒng)有若干種配置方式。如果想從有限的投資開始而且只有幾十個測量點時（不是幾百和幾千個測量點），電池供電的振動分析儀和振動能級記錄儀是優(yōu)越的。這種配套裝置能對各監(jiān)測點依次畫出其窄帶頻譜圖。每次測量和分析約需要幾分鐘，每個測量點的數(shù)據(jù)用手工登記在記錄卡上。
       把每個測量點的參考頻譜記錄下來并復(fù)制在透明的卡片上。以后取得的頻譜放在參考頻譜下面，兩張卡片一對照立即可以找到差別所在。如果某一頻率的振級增加就畫出其振級——時間曲線，從而可預(yù)測其發(fā)展趨勢。
      有些用戶平時只進(jìn)行有規(guī)律的簡單寬帶監(jiān)視，當(dāng)振級有明顯變化時才應(yīng)用頻率分析。這種方式有助于故障發(fā)展的診斷而不能用于早期警告和趨勢發(fā)展的規(guī)律分析。
（b） 先進(jìn)的機(jī)器狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)
       當(dāng)有大量的機(jī)器測點需要監(jiān)測時，采用更完善的系統(tǒng)是合理的。操作人員可用加速度計與數(shù)據(jù)采集器（或數(shù)據(jù)記錄儀）把每一個測試點的振動信號直接記錄下來。回設(shè)備科后，再送到計算機(jī)里，用軟件進(jìn)行分析，這樣做的優(yōu)點是：速度快、擴(kuò)大了儀器功能，改善了檢測能力并降低了測量成本。
（3） 永久性的機(jī)器振動監(jiān)測
      上面提到的機(jī)器振動監(jiān)測系統(tǒng)都是基于周期性的測量與校對。而永久性監(jiān)測首先應(yīng)用于那些對生產(chǎn)過程起重要作用的單臺設(shè)備，當(dāng)機(jī)器出現(xiàn)突然變化時，能立即或在幾分鐘之內(nèi)向控制室提出警告，以便在災(zāi)難性故障出現(xiàn)之前即采取有效措施。這種系統(tǒng)在發(fā)電、石油化工工業(yè)中用得很多，用來監(jiān)視汽輪機(jī)、進(jìn)料泵和壓氣機(jī)等設(shè)備。
    永久性狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的首要條件是要有高可靠性、長期的穩(wěn)定性及抗惡劣環(huán)境及抗誤報警的能力，堅固的機(jī)器設(shè)計、能在潮濕與有灰塵的條件下工作再加上例行環(huán)境試驗才能滿足上述的嚴(yán)格要求。加速度計、電纜、接線盒等特別堅固的前線設(shè)備也需能在高溫下工作。這種系統(tǒng)還包括一個自動測試系統(tǒng)，以便在事故報警時，操作人員立即核對哪些儀器的功能是正常的。