淺析振動(dòng)分析技術(shù)在旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備故障診斷中的應(yīng)用

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[摘要]機(jī)械振動(dòng)是一種十分普遍的現(xiàn)象，凡是運(yùn)動(dòng)的機(jī)械都存在程度不同的振動(dòng)。旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷是近年來(lái)國(guó)內(nèi)外發(fā)展較快的一門(mén)新興技術(shù)。旋轉(zhuǎn)機(jī)械監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)的研究與應(yīng)用對(duì)于避免巨額的經(jīng)濟(jì)損失和災(zāi)難性事故的發(fā)生有著重要意義。結(jié)合旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備的振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)管理，可以把設(shè)備通過(guò)振動(dòng)儀與人進(jìn)行信息溝通，明確設(shè)備的故障性質(zhì)、故障部位等，提高旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備運(yùn)行的安全可靠性。介紹振動(dòng)分析技術(shù)在旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備故障診斷中的應(yīng)用。

[關(guān)鍵詞]振動(dòng)分析 旋轉(zhuǎn)機(jī)械 故障診斷

中圖分類(lèi)號(hào)：TH12文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1671－7597（2009）0520021－01

一、前言

機(jī)械分為旋轉(zhuǎn)機(jī)械和往復(fù)機(jī)械兩種類(lèi)型，它們?cè)诮M成結(jié)構(gòu)、動(dòng)力學(xué)特征以及工作原理等方面都有所不同，故障信號(hào)的表現(xiàn)形式也存在差異。旋轉(zhuǎn)機(jī)械是工業(yè)上應(yīng)用最廣泛的機(jī)械。許多大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械，如：離心泵、電動(dòng)機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、壓縮機(jī)、汽輪機(jī)、軋鋼機(jī)等，還是石化、電力、冶金、煤炭、核能等行業(yè)中的關(guān)鍵設(shè)備，對(duì)這些設(shè)備加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，防止發(fā)生故障，具有十分重要的意義。本世紀(jì)以來(lái)，隨著機(jī)械工業(yè)的迅速發(fā)展，現(xiàn)代機(jī)械工程中的機(jī)械設(shè)備朝著輕型化、大型化、重載化和高度自動(dòng)化等方向發(fā)展。機(jī)械設(shè)備管理是一項(xiàng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ鳎枰獙?duì)設(shè)備建立一個(gè)完善的科學(xué)管理體系，利用現(xiàn)代科學(xué)的監(jiān)測(cè)儀器、系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，認(rèn)知設(shè)備狀態(tài)。做到設(shè)備靜態(tài)、動(dòng)態(tài)信息完整化、數(shù)字化，即有據(jù)可依，有數(shù)可查，實(shí)現(xiàn)科學(xué)的信息綜合處理。只要能夠正確識(shí)別設(shè)備的振動(dòng)信息就可掌握設(shè)備的動(dòng)態(tài)，把握設(shè)備的維修周期。機(jī)械故障診斷就是通過(guò)測(cè)量機(jī)器的信息，比如振動(dòng)信號(hào)，判斷其運(yùn)行狀態(tài)的一種現(xiàn)代化設(shè)備管理方法，振動(dòng)現(xiàn)象與其運(yùn)行狀態(tài)有著對(duì)應(yīng)的關(guān)系。

二、旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷的特點(diǎn)

旋轉(zhuǎn)機(jī)械的核心部分是轉(zhuǎn)子組件，它是由轉(zhuǎn)軸及固定在其上的各類(lèi)圓盤(pán)狀零件組成。由于整個(gè)轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，所以對(duì)其制造、安裝、調(diào)試、維護(hù)管理都有很高的要求。如果其中某個(gè)零件出了問(wèn)題，或在某個(gè)連接配合部位發(fā)生了異常的變動(dòng)，就可能會(huì)引起機(jī)組的強(qiáng)烈振動(dòng)。根據(jù)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在坐標(biāo)平面內(nèi)發(fā)生的振動(dòng)形式，轉(zhuǎn)子的振動(dòng)可分為橫向振動(dòng)（振動(dòng)發(fā)生在包括轉(zhuǎn)軸在橫向平面內(nèi)）、軸向振動(dòng)（振動(dòng)發(fā)生在轉(zhuǎn)軸的軸線(xiàn)方向上）、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)（沿轉(zhuǎn)軸軸線(xiàn)發(fā)生的扭振），旋轉(zhuǎn)機(jī)械大多數(shù)故障所激發(fā)的振動(dòng)為橫向振動(dòng)，是主要的研究對(duì)象。旋轉(zhuǎn)機(jī)械的振動(dòng)信號(hào)大多數(shù)是一些周期信號(hào)、準(zhǔn)周期信號(hào)、或平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)。因此，分析振動(dòng)頻率與轉(zhuǎn)頻的關(guān)系是診斷旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障的一把鑰匙。

三、應(yīng)用振動(dòng)分析診斷旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備故障

（一）轉(zhuǎn)子不平衡

轉(zhuǎn)子不平衡引起的振動(dòng)是旋轉(zhuǎn)機(jī)械的常見(jiàn)的多發(fā)故障。產(chǎn)生不平衡的原因：旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)軸上所裝配的零部件，如果材質(zhì)不均勻（如鑄件中存在氣孔、砂眼，加工誤差）、裝配偏心以及在長(zhǎng)期運(yùn)行中產(chǎn)生不均勻磨損、腐蝕、變形，或者某些固定件松脫、各種附著物不均勻堆積等各種原因，都會(huì)導(dǎo)致零件發(fā)生質(zhì)心偏移而造成不平衡。不平衡包括靜不平衡和動(dòng)不平衡。不平衡振動(dòng)的頻率一般很明顯，主要表現(xiàn)不平衡轉(zhuǎn)子的故障頻率等于轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)頻率。除此之外，不平衡振動(dòng)還會(huì)激起其他頻率成分例如分頻、倍頻等。影響不平衡振動(dòng)的主要因素有三個(gè)，即轉(zhuǎn)子質(zhì)量、質(zhì)心到兩軸承連線(xiàn)的垂直距離（即偏心距）、轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角速度。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的離心力，這個(gè)離心力作用在支撐轉(zhuǎn)子的兩個(gè)軸承上，方向垂直于軸承中心。在診斷不平衡故障時(shí)，首先必須分析信號(hào)和頻率成分，是否有突出的轉(zhuǎn)頻，其次看振動(dòng)的方向特征，必要時(shí)再分析振幅隨轉(zhuǎn)速的變化情況，或測(cè)量相位。

（二）轉(zhuǎn)子不對(duì)中

轉(zhuǎn)子不對(duì)中也是旋轉(zhuǎn)機(jī)械常見(jiàn)故障之一，主要包括轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)子之間的連接不對(duì)中，主要反映在聯(lián)軸器的對(duì)中性上；轉(zhuǎn)子軸頸與兩端軸承不對(duì)中。對(duì)滑動(dòng)軸承來(lái)說(shuō)，這種情況產(chǎn)生的主要原因與軸承是否形成良好的油膜有直接關(guān)系。對(duì)滾動(dòng)軸承來(lái)講，主要是因?yàn)閮啥溯S承座孔不同軸、軸承元件損壞、外圈配合松動(dòng)，兩端支座變形等（對(duì)電動(dòng)機(jī)而言是前后端蓋），都會(huì)引起不對(duì)中。轉(zhuǎn)子不對(duì)中將產(chǎn)生一種附加彎矩，給軸承增加一種附加荷，致使軸承上的負(fù)荷重新分配，形成附加激勵(lì)引起機(jī)組強(qiáng)烈拆動(dòng)等后果。不對(duì)中主要激發(fā)二倍轉(zhuǎn)頻或多倍轉(zhuǎn)頻振動(dòng)。振動(dòng)大小與不對(duì)中形式有一定關(guān)系，一般表現(xiàn)為軸向振動(dòng)比較大。不對(duì)中引起的振動(dòng)其振幅值與機(jī)器的負(fù)荷有一定的關(guān)系，一般隨著負(fù)荷的增加而成正比的增加，然而對(duì)轉(zhuǎn)速的變化影響不大。

（三）機(jī)械松動(dòng)

機(jī)械松動(dòng)也是旋轉(zhuǎn)機(jī)械比較常見(jiàn)的故障，松動(dòng)有兩種情況，一種是地腳螺栓連接松動(dòng)。它帶來(lái)的后果是引起整個(gè)機(jī)器松動(dòng)。另一種情況是零件之間正常的配合關(guān)系被破壞造成配合間隙超差而引起的松動(dòng)，比如滾動(dòng)與軸承的內(nèi)圈與轉(zhuǎn)軸或外圈與軸承座孔之間的配合，因喪失了配合精度而造成松動(dòng)。由松動(dòng)引起的振動(dòng)具有一定的非線(xiàn)性，其振動(dòng)信號(hào)的頻率成分相當(dāng)復(fù)雜，除了基頻（等于轉(zhuǎn)頻）以外，還產(chǎn)生高頻次諧波和分頻振動(dòng)，頻譜結(jié)構(gòu)成梳狀，有時(shí)還表現(xiàn)出一些方向特征很明顯，主要在垂直方向很強(qiáng)烈。

（四）摩擦

摩擦故障形式有多種多樣。如轉(zhuǎn)子與密封件的摩擦，轉(zhuǎn)子與隔板之間的摩擦，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子與定子的摩擦，葉輪、齒輪、風(fēng)扇與機(jī)殼或護(hù)罩的摩擦、滾動(dòng)軸承外圈與軸承孔、以及轉(zhuǎn)軸與軸承內(nèi)圈或轉(zhuǎn)軸與其他零件因配合松動(dòng)而引發(fā)的摩擦。摩擦一般引起非線(xiàn)性振動(dòng)，頻帶范圍較寬，除了一倍基頻外還有二倍基頻、三倍基頻等高次諧波，以及1/2、1/3等低次諧波。在某些情況下還會(huì)激起系統(tǒng)的固有頻率。摩擦振動(dòng)的時(shí)域波形上常常表現(xiàn)為削波狀態(tài)，“截頭余弦”形狀的時(shí)域波形常被視為摩擦故障的重要標(biāo)志。

（五）滾動(dòng)軸承引起的故障振動(dòng)

滾動(dòng)軸承的振動(dòng)頻率成分非常豐富，每一個(gè)元件都有各自的故障特征頻率。根據(jù)頻帶不同，在軸承故障診斷中可利用的固有振動(dòng)有三種：軸承外圈一階徑向固有振動(dòng)，其頻帶在（18）kHz范圍內(nèi)；軸承其它元件的固有振動(dòng)，其頻帶在（20一60）kHz范圍內(nèi)；加速度傳感器的一階固有頻率。磨損后軸承與正常軸承的振動(dòng)相比，兩者都是無(wú)規(guī)則的，振幅的概率密度大體均為正態(tài)分布，頻譜亦無(wú)明顯差別，只是振動(dòng)有效值和峰值比正常時(shí)大。一般說(shuō)來(lái)特征頻率的計(jì)算非常復(fù)雜，在現(xiàn)場(chǎng)不便進(jìn)行，但在診斷時(shí)通過(guò)頻率分析不但可以發(fā)現(xiàn)故障，而且可以確定發(fā)生故障的元件。

四、結(jié)束語(yǔ)

在進(jìn)行旋轉(zhuǎn)機(jī)械的故障診斷時(shí)，往往故障與征兆之間不完全是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，有時(shí)各種故障同時(shí)發(fā)生，使故障

診斷起來(lái)更加復(fù)雜。隨著狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)不斷的發(fā)展，故障診斷已成為一種新的工程技術(shù)。正確掌握振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)也是一項(xiàng)重要的工作，除了采用絕對(duì)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)外，企業(yè)還應(yīng)根據(jù)不同設(shè)備的情況建立一套相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)，即將測(cè)量值與初始值相比較作出判斷?？傊?，正確判斷故障，不僅需要掌握相關(guān)振動(dòng)學(xué)方面的知識(shí)，還要對(duì)所測(cè)的設(shè)備非常了解，認(rèn)真聽(tīng)取現(xiàn)場(chǎng)操作人員、修理技術(shù)人員的意見(jiàn)后，才能得到符合實(shí)際情況的診斷結(jié)果。