振動(dòng)測量與設備故障診斷

一、 概述

機械故障診斷學(xué)是一門(mén)近二十年內發(fā)展起來(lái)的新學(xué)科，是現代化設備維修技術(shù)的重要組成部分，并且正在日益成為設備維修管理工作現代化的一個(gè)重要標志。此項技術(shù)的應用主要是對確保機械設備的安全，提高產(chǎn)品質(zhì)量，節約維修費用以及防止環(huán)境污染起著(zhù)很重要的作用。

在機械故障設備的的狀態(tài)監測和故障診斷技術(shù)中有多種方法可使用。例如振動(dòng)監測技術(shù)、油液分析技術(shù)、紅外測溫技術(shù)、聲發(fā)射技術(shù)、無(wú)損檢測技術(shù)等。其中振動(dòng)監測技術(shù)是普遍采用的基本方法，因為振動(dòng)的理論和測量方法都比較成熟，且簡(jiǎn)單易行。另外，據統計，機械故障90%可以從振動(dòng)測量中檢測出來(lái)。振動(dòng)測量和信號分析一直是作為預知維修的主要手段，各行業(yè)設備部門(mén)要開(kāi)展這項工作一般都是從這二方面起家的。

振動(dòng)監測技術(shù)就是“對設備的振動(dòng)信號進(jìn)行檢測、分析處理，故障識別和預報的一種技術(shù)”。

二、簡(jiǎn)易診斷與精密診斷

設備的狀態(tài)監測技術(shù)是指對設備（部件、零件）的某些特征參數進(jìn)行測試，并根據所得測定值與規定的正常值來(lái)作比較以判斷設備的工作狀態(tài)是否正�；虍惓＃ù嬖诠收希�，也稱(chēng)為簡(jiǎn)易診斷。

設備故障診斷技術(shù)則不僅要對機器設備的狀態(tài)是否正常作出判斷，更重要的是對機器故障的原因、部位及嚴重程度作出估計。故稱(chēng)為精密診斷。

目前比較普及的還是簡(jiǎn)易診斷（狀態(tài)監測），而精密診斷真正用于生產(chǎn)還是少數，而且主要用于高精尖設備上。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(kāi)發(fā)性技術(shù)，尚不夠成熟。另外精密診斷的費用也比較高，需要精密的儀器，要由經(jīng)過(guò)專(zhuān)門(mén)訓練的工程師來(lái)進(jìn)行，所以只在重要的設備上進(jìn)行。這一點(diǎn)對我國開(kāi)發(fā)推廣診斷技術(shù)時(shí)值得注意。當前應該把重點(diǎn)放在普及簡(jiǎn)易診斷或狀態(tài)監測上。同時(shí)積極開(kāi)發(fā)精密診斷技術(shù)，使它盡快達到使用水平。據有關(guān)資料統計，利用簡(jiǎn)易診斷儀器可以解決設備運行中50%的故障。由此可見(jiàn)，簡(jiǎn)易診斷在設備管理與維修中的重要作用。

以日本新日鐵公司為例，看設備診斷技術(shù)在設備管理與維修中的應用：
新日鐵認為：在大型鋼鐵聯(lián)合企業(yè)中，為確保全系統設備的正常運行，有兩項技術(shù)必須實(shí)行。一是有效地監視機器狀況，即“設備監測技術(shù)”。二是精確的診斷方法。即：“精密診斷技術(shù)”。

1.“設備監測技術(shù)”。這類(lèi)技術(shù)應滿(mǎn)足如下要求
● 能迅速地對各種類(lèi)型的機械進(jìn)行測量
● 能進(jìn)行現場(chǎng)結論
● 經(jīng)濟,使用方便

目前，新日鐵在這方面已開(kāi)發(fā)出了一系列的硬件，專(zhuān)門(mén)用于鋼鐵聯(lián)合企業(yè)中的各類(lèi)設備，新日鐵把用于設備監測技術(shù)的硬件分為三類(lèi)：
（1） 第一類(lèi)是供日常檢查人員隨身攜帶使用的，能定量顯示結果的各種小型儀器。譬如：機器檢測器，油膜檢測器，小型測振儀、馬達檢測器，聲發(fā)射裂紋檢測器等。
（2） 第二類(lèi)是監視儀表，通常是安裝在現場(chǎng)的，可進(jìn)行自動(dòng)數據采樣，自動(dòng)數據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：旋轉機械監視儀，壓縮機監測儀，熱軋機監視儀等。
（3） 第三類(lèi)是數據控制系統,這需要第一類(lèi)儀器測量得到的數據作為輸入才能進(jìn)行工作�？勺詣�(dòng)處理大量測量數據，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)”

當通過(guò)使用設備監測技術(shù)進(jìn)行測量，與作為傾向管理的圖譜或數值相比較之后，當指出已存在故障或者是預測可能發(fā)生故障時(shí)，有必要進(jìn)行精密診斷，通過(guò)精密診斷，不僅要確定故障是否的確存在，并且，當存在故障時(shí)，還需診斷出它的位置，原因及程度，新日鐵認為：這類(lèi)技術(shù)必須由專(zhuān)門(mén)的、稱(chēng)為精密診斷檢查的技術(shù)人員來(lái)進(jìn)行，在這方面，新日鐵近幾年來(lái)也開(kāi)發(fā)出了二類(lèi)儀器：
（1） 一類(lèi)是專(zhuān)門(mén)用的儀器，主要是用于旋轉機械的，這類(lèi)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(dòng)嚴重性判據等）進(jìn)行使用，同時(shí)，結合設備狀況進(jìn)行分析、判斷，譬如：旋轉機械自動(dòng)診斷系統，自動(dòng)平衡儀，聲發(fā)射裂紋分析儀等。
（2） 另一類(lèi)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，傳遞函數分析儀等。
由“設備監測技術(shù)”和“精密診斷技術(shù)”這大類(lèi)技術(shù)就構成了新日鐵的“設備狀態(tài)診斷系統”。

三、振動(dòng)測量在機器狀態(tài)監測中的應用

1. 測量方法的進(jìn)步

一臺設計得很好的機器，它的固有振級也很低。但當機器磨損、基礎下沉、部件變形時(shí)，機器的動(dòng)態(tài)性能開(kāi)始出現各種細微的變化：軸變得不對中，部件開(kāi)始磨損，轉子變得不平衡，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(lái)。因此，振動(dòng)加劇常常是機器要出毛病的一種標志，而振動(dòng)是可以從機器的外表面測到的。

過(guò)去，設備工程師根據經(jīng)驗靠手摸、耳聽(tīng)來(lái)判斷機器是否正�；蚱涔收鲜欠裨诎l(fā)展。但今天機器的轉速很高，許多起警告性的振動(dòng)出現在高頻段，因此，只有用儀器才能檢測出來(lái)。做法是：在機器運行良好的狀況下，具有一個(gè)典型的振級和頻譜特征。而當機器的故障在發(fā)展的時(shí)候，機器的動(dòng)態(tài)過(guò)程以及機器零件上的一些作用力也隨著(zhù)變化，從而影響機器的振動(dòng)能級和頻譜的圖形。通過(guò)這樣的振動(dòng)的測量和分析，我們可以知道機器的工作狀態(tài)的變化以及是否需要維修。

把振動(dòng)測量用于機器狀態(tài)監測值得注意的是：
成功未必取決于初期大量投資去配備帶高級計算機的分析儀器。許多成功的例子開(kāi)始是在具有代表性的機組中采用不太昂貴的模擬式振動(dòng)表和分析儀。當取得經(jīng)驗并計劃擴充時(shí)，就自然地發(fā)展為采用更快更強有力的儀器。明智的做法是一開(kāi)始就購買(mǎi)高質(zhì)量的儀器。如果許多新方案由振動(dòng)測量方面經(jīng)驗有限的工程師來(lái)承擔，加上測量結果不準確而且前后矛盾就會(huì )大大限制視情維修的可信度。

2. 測量儀器及測量系統

對振動(dòng)進(jìn)行周期監測的儀器系統按其復雜程度可分成三檔：
（1） 簡(jiǎn)單系統
最簡(jiǎn)單的系統是用一種直讀式的袖珍振動(dòng)表在一定的頻率范圍內去測量振動(dòng)級別。把測量結果與通用標準或每臺機器的專(zhuān)用參考值相比較。
對那些用振動(dòng)測量進(jìn)行狀態(tài)監測以取得經(jīng)驗的人員來(lái)說(shuō)，一個(gè)高質(zhì)量的手持振動(dòng)計是需要的。這種振動(dòng)計在10~1000HZ或10~10000HZ的頻率范圍內能讀出單一的振動(dòng)加速度或速度的均方根值（RMS）或峰值。速度的RMS值可直接與標準的振動(dòng)嚴重性評定值相比較，從而知道需要維修的程度。雖然寬頻帶振動(dòng)計在早期故障檢測、診斷及損壞預測方面的作用是有限的，但也是必須的。
（2） 振動(dòng)狀態(tài)監測的系統
（a） 頻率分析的基本系統
用于機器狀態(tài)監測的頻率分析系統有若干種配置方式。如果想從有限的投資開(kāi)始而且只有幾十個(gè)測量點(diǎn)時(shí)（不是幾百和幾千個(gè)測量點(diǎn)），電池供電的振動(dòng)分析儀和振動(dòng)能級記錄儀是優(yōu)越的。這種配套裝置能對各監測點(diǎn)依次畫(huà)出其窄帶頻譜圖。每次測量和分析約需要幾分鐘，每個(gè)測量點(diǎn)的數據用手工登記在記錄卡上。
把每個(gè)測量點(diǎn)的參考頻譜記錄下來(lái)并復制在透明的卡片上。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(huà)出其振級——時(shí)間曲線(xiàn)，從而可預測其發(fā)展趨勢。
有些用戶(hù)平時(shí)只進(jìn)行有規律的簡(jiǎn)單寬帶監視，當振級有明顯變化時(shí)才應用頻率分析。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)展的規律分析。
（b） 先進(jìn)的機器狀態(tài)監測系統
當有大量的機器測點(diǎn)需要監測時(shí)，采用更完善的系統是合理的。操作人員可用加速度計與數據采集器（或數據記錄儀）把每一個(gè)測試點(diǎn)的振動(dòng)信號直接記錄下來(lái)�；卦O備科后，再送到計算機里，用軟件進(jìn)行分析，這樣做的優(yōu)點(diǎn)是：速度快、擴大了儀器功能，改善了檢測能力并降低了測量成本。
（3） 永久性的機器振動(dòng)監測
上面提到的機器振動(dòng)監測系統都是基于周期性的測量與校對。而永久性監測首先應用于那些對生產(chǎn)過(guò)程起重要作用的單臺設備，當機器出現突然變化時(shí)，能立即或在幾分鐘之內向控制室提出警告，以便在災難性故障出現之前即采取有效措施。這種系統在發(fā)電、石油化工工業(yè)中用得很多，用來(lái)監視汽輪機、進(jìn)料泵和壓氣機等設備。
永久性狀態(tài)監測系統的首要條件是要有高可靠性、長(cháng)期的穩定性及抗惡劣環(huán)境及抗誤報警的能力，堅固的機器設計、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(mǎn)足上述的嚴格要求。加速度計、電纜、接線(xiàn)盒等特別堅固的前線(xiàn)設備也需能在高溫下工作。這種系統還包括一個(gè)自動(dòng)測試系統，以便在事故報警時(shí)，操作人員立即核對哪些儀器的功能是正常的。