振動(dòng)測(cè)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(gè)重要標(biāo)志。此項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用主要是對(duì)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(cè)和故障診斷技術(shù)中有多種方法可使用。例如振動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)、油液分析技術(shù)、紅外測(cè)溫技術(shù)、聲發(fā)射技術(shù)、無損檢測(cè)技術(shù)等。其中振動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)是普遍采用的基本方法，因?yàn)檎駝?dòng)的理論和測(cè)量方法都比較成熟，且簡(jiǎn)單易行。另外，據(jù)統(tǒng)計(jì)，機(jī)械故障90%可以從振動(dòng)測(cè)量中檢測(cè)出來。振動(dòng)測(cè)量和信號(hào)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(xiàng)工作一般都是從這二方面起家的。
       振動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)就是“對(duì)設(shè)備的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)、分析處理，故障識(shí)別和預(yù)報(bào)的一種技術(shù)”。
二、簡(jiǎn)易診斷與精密診斷
       設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)是指對(duì)設(shè)備（部件、零件）的某些特征參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，并根據(jù)所得測(cè)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(jiǎn)易診斷。
       設(shè)備故障診斷技術(shù)則不僅要對(duì)機(jī)器設(shè)備的狀態(tài)是否正常作出判斷，更重要的是對(duì)機(jī)器故障的原因、部位及嚴(yán)重程度作出估計(jì)。故稱為精密診斷。
       目前比較普及的還是簡(jiǎn)易診斷（狀態(tài)監(jiān)測(cè)），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(jiǎn)易診斷比較成熟，簡(jiǎn)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(diǎn)對(duì)我國開發(fā)推廣診斷技術(shù)時(shí)值得注意。當(dāng)前應(yīng)該把重點(diǎn)放在普及簡(jiǎn)易診斷或狀態(tài)監(jiān)測(cè)上。同時(shí)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(jì)，利用簡(jiǎn)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(jiǎn)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(xiàng)技術(shù)必須實(shí)行。一是有效地監(jiān)視機(jī)器狀況，即“設(shè)備監(jiān)測(cè)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(cè)技術(shù)”。這類技術(shù)應(yīng)滿足如下要求
● 能迅速地對(duì)各種類型的機(jī)械進(jìn)行測(cè)量
● 能進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)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(cè)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(cè)器，油膜檢測(cè)器，小型測(cè)振儀、馬達(dá)檢測(cè)器，聲發(fā)射裂紋檢測(cè)器等。
（2） 第二類是監(jiān)視儀表，通常是安裝在現(xiàn)場(chǎng)的，可進(jìn)行自動(dòng)數(shù)據(jù)采樣，自動(dòng)數(shù)據(jù)記錄與作為傾向管理的圖譜相對(duì)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(cè)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(cè)量得到的數(shù)據(jù)作為輸入才能進(jìn)行工作。可自動(dòng)處理大量測(cè)量數(shù)據(jù)，并記錄，儲(chǔ)存與控制圖譜相對(duì)照，發(fā)出控制信號(hào)等
2.“精密診斷技術(shù)”
       當(dāng)通過使用設(shè)備監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行測(cè)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(cè)可能發(fā)生故障時(shí)，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(shí)，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(cè)，振動(dòng)嚴(yán)重性判據(jù)等）進(jìn)行使用，同時(shí)，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(dòng)診斷系統(tǒng)，自動(dòng)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(cè)量及分析的儀器。譬如：信號(hào)記錄儀，信號(hào)分析儀，傳遞函數(shù)分析儀等。
       由“設(shè)備監(jiān)測(cè)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(dòng)測(cè)量在機(jī)器狀態(tài)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用
1. 測(cè)量方法的進(jìn)步
       一臺(tái)設(shè)計(jì)得很好的機(jī)器，它的固有振級(jí)也很低。但當(dāng)機(jī)器磨損、基礎(chǔ)下沉、部件變形時(shí)，機(jī)器的動(dòng)態(tài)性能開始出現(xiàn)各種細(xì)微的變化：軸變得不對(duì)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(dòng)能量的增加上反映出來。因此，振動(dòng)加劇常常是機(jī)器要出毛病的一種標(biāo)志，而振動(dòng)是可以從機(jī)器的外表面測(cè)到的。
       過去，設(shè)備工程師根據(jù)經(jīng)驗(yàn)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(dòng)出現(xiàn)在高頻段，因此，只有用儀器才能檢測(cè)出來。做法是：在機(jī)器運(yùn)行良好的狀況下，具有一個(gè)典型的振級(jí)和頻譜特征。而當(dāng)機(jī)器的故障在發(fā)展的時(shí)候，機(jī)器的動(dòng)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(dòng)能級(jí)和頻譜的圖形。通過這樣的振動(dòng)的測(cè)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(dòng)測(cè)量用于機(jī)器狀態(tài)監(jiān)測(cè)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(jí)計(jì)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(dòng)表和分析儀。當(dāng)取得經(jīng)驗(yàn)并計(jì)劃擴(kuò)充時(shí)，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(dòng)測(cè)量方面經(jīng)驗(yàn)有限的工程師來承擔(dān)，加上測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確而且前后矛盾就會(huì)大大限制視情維修的可信度。
      上海星晟檢測(cè)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(cè)量?jī)x器。像：VIB-5、VIB-10、VIB-15、VIB-20、BT2000、BA2010等產(chǎn)品。
2. 測(cè)量?jī)x器及測(cè)量系統(tǒng)
    對(duì)振動(dòng)進(jìn)行周期監(jiān)測(cè)的儀器系統(tǒng)按其復(fù)雜程度可分成三檔：
（1） 簡(jiǎn)單系統(tǒng)
    最簡(jiǎn)單的系統(tǒng)是用一種直讀式的袖珍振動(dòng)表在一定的頻率范圍內(nèi)去測(cè)量振動(dòng)級(jí)別。把測(cè)量結(jié)果與通用標(biāo)準(zhǔn)或每臺(tái)機(jī)器的專用參考值相比較。
對(duì)那些用振動(dòng)測(cè)量進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)以取得經(jīng)驗(yàn)的人員來說，一個(gè)高質(zhì)量的手持振動(dòng)計(jì)是需要的。這種振動(dòng)計(jì)在10~1000HZ或10~10000HZ的頻率范圍內(nèi)能讀出單一的振動(dòng)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(dòng)嚴(yán)重性評(píng)定值相比較，從而知道需要維修的程度。雖然寬頻帶振動(dòng)計(jì)在早期故障檢測(cè)、診斷及損壞預(yù)測(cè)方面的作用是有限的，但也是必須的。
（2） 振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)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(cè)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(gè)測(cè)量點(diǎn)時(shí)（不是幾百和幾千個(gè)測(cè)量點(diǎn)），電池供電的振動(dòng)分析儀和振動(dòng)能級(jí)記錄儀是優(yōu)越的。這種配套裝置能對(duì)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)依次畫出其窄帶頻譜圖。每次測(cè)量和分析約需要幾分鐘，每個(gè)測(cè)量點(diǎn)的數(shù)據(jù)用手工登記在記錄卡上。
       把每個(gè)測(cè)量點(diǎn)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(duì)照立即可以找到差別所在。如果某一頻率的振級(jí)增加就畫出其振級(jí)——時(shí)間曲線，從而可預(yù)測(cè)其發(fā)展趨勢(shì)。
      有些用戶平時(shí)只進(jìn)行有規(guī)律的簡(jiǎn)單寬帶監(jiān)視，當(dāng)振級(jí)有明顯變化時(shí)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(shì)發(fā)展的規(guī)律分析。
（b） 先進(jìn)的機(jī)器狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
       當(dāng)有大量的機(jī)器測(cè)點(diǎn)需要監(jiān)測(cè)時(shí)，采用更完善的系統(tǒng)是合理的。操作人員可用加速度計(jì)與數(shù)據(jù)采集器（或數(shù)據(jù)記錄儀）把每一個(gè)測(cè)試點(diǎn)的振動(dòng)信號(hào)直接記錄下來。回設(shè)備科后，再送到計(jì)算機(jī)里，用軟件進(jìn)行分析，這樣做的優(yōu)點(diǎn)是：速度快、擴(kuò)大了儀器功能，改善了檢測(cè)能力并降低了測(cè)量成本。
（3） 永久性的機(jī)器振動(dòng)監(jiān)測(cè)
      上面提到的機(jī)器振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)都是基于周期性的測(cè)量與校對(duì)。而永久性監(jiān)測(cè)首先應(yīng)用于那些對(duì)生產(chǎn)過程起重要作用的單臺(tái)設(shè)備，當(dāng)機(jī)器出現(xiàn)突然變化時(shí)，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(cè)系統(tǒng)的首要條件是要有高可靠性、長(zhǎng)期的穩(wěn)定性及抗惡劣環(huán)境及抗誤報(bào)警的能力，堅(jiān)固的機(jī)器設(shè)計(jì)、能在潮濕與有灰塵的條件下工作再加上例行環(huán)境試驗(yàn)才能滿足上述的嚴(yán)格要求。加速度計(jì)、電纜、接線盒等特別堅(jiān)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(gè)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，以便在事故報(bào)警時(shí)，操作人員立即核對(duì)哪些儀器的功能是正常的。