水泥機(jī)械設(shè)備振動分析與診斷方法的研究

王貴軍 姜波

【摘 要】本文對機(jī)械設(shè)備振動監(jiān)測和故障診斷技術(shù)的組成、功能及其發(fā)展進(jìn)行了綜述，主要介紹振動測試、特征提取、狀態(tài)識別及其裝置的發(fā)展，并展望它們的發(fā)展趨勢。

【關(guān)鍵詞】振動監(jiān)；故障診斷；特征提??；狀態(tài)識別

機(jī)械分為旋轉(zhuǎn)機(jī)械和往復(fù)機(jī)械兩種類型，它們在組成結(jié)構(gòu)、動力學(xué)特征以及工作原理等方面都有所不同，故障信號的表現(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、電動機(jī)、發(fā)動機(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，對這些設(shè)備加強(qiáng)監(jiān)測，防止發(fā)生故障，具有十分重要的意義。本世紀(jì)以來，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、重載化和高度自動化等方向發(fā)展。機(jī)械設(shè)備管理是一項嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ鳎枰獙υO(shè)備建立一個完善的科學(xué)管理體系，利用現(xiàn)代科學(xué)的監(jiān)測儀器、系統(tǒng)運行狀態(tài)參數(shù)，認(rèn)知設(shè)備狀態(tài)。做到設(shè)備靜態(tài)、動態(tài)信息完整化、數(shù)字化，即有據(jù)可依，有數(shù)可查，實現(xiàn)科學(xué)的信息綜合處理。只要能夠正確識別設(shè)備的振動信息就可掌握設(shè)備的動態(tài)，把握設(shè)備的維修周期。機(jī)械故障診斷就是通過測量機(jī)器的信息，比如振動信號，判斷其運行狀態(tài)的一種現(xiàn)代化設(shè)備管理方法，振動現(xiàn)象與其運行狀態(tài)有著對應(yīng)的關(guān)系。

1.應(yīng)用振動分析診斷旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備故障

1.1轉(zhuǎn)子不平衡

轉(zhuǎn)子不平衡引起的振動是旋轉(zhuǎn)機(jī)械的常見的多發(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）、裝配偏心以及在長期運行中產(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不平衡。不平衡振動的頻率一般很明顯，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，不平衡振動還會激起其他頻率成分例如分頻、倍頻等。影響不平衡振動的主要因素有三個，即轉(zhuǎn)子質(zhì)量、質(zhì)心到兩軸承連線的垂直距離（即偏心距）、轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角速度。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的離心力，這個離心力作用在支撐轉(zhuǎn)子的兩個軸承上，方向垂直于軸承中心。在診斷不平衡故障時，首先必須分析信號和頻率成分，是否有突出的轉(zhuǎn)頻，其次看振動的方向特征，必要時再分析振幅隨轉(zhuǎn)速的變化情況，或測量相位。

1.2轉(zhuǎn)子不對中

轉(zhuǎn)子不對中也是旋轉(zhuǎn)機(jī)械常見故障之一，主要包括轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)子之間的連接不對中，主要反映在聯(lián)軸器的對中性上；轉(zhuǎn)子軸頸與兩端軸承不對中。對滑動軸承來說，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。對滾動軸承來講，主要是因為兩端軸承座孔不同軸、軸承元件損壞、外圈配合松動，兩端支座變形等（對電動機(jī)而言是前后端蓋），都會引起不對中。轉(zhuǎn)子不對中將產(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，形成附加激勵引起機(jī)組強(qiáng)烈拆動等后果。不對中主要激發(fā)二倍轉(zhuǎn)頻或多倍轉(zhuǎn)頻振動。振動大小與不對中形式有一定關(guān)系，一般表現(xiàn)為軸向振動比較大。不對中引起的振動其振幅值與機(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，然而對轉(zhuǎn)速的變化影響不大。

1.3機(jī)械松動

機(jī)械松動也是旋轉(zhuǎn)機(jī)械比較常見的故障，松動有兩種情況，一種是地腳螺栓連接松動。它帶來的后果是引起整個機(jī)器松動。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，比如滾動與軸承的內(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。由松動引起的振動具有一定的非線性，其振動信號的頻率成分相當(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，頻譜結(jié)構(gòu)成梳狀，有時還表現(xiàn)出一些方向特征很明顯，主要在垂直方向很強(qiáng)烈。

1.4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而引發(fā)的摩擦。摩擦一般引起非線性振動，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。在某些情況下還會激起系統(tǒng)的固有頻率。摩擦振動的時域波形上常常表現(xiàn)為削波狀態(tài)，“截頭余弦”形狀的時域波形常被視為摩擦故障的重要標(biāo)志。

2.振動監(jiān)測技術(shù)

目前，監(jiān)測機(jī)械設(shè)備狀態(tài)的手段雖然很多，但實踐證明，振動信號監(jiān)測是一種易于實現(xiàn)而又可靠的辦法。設(shè)備振動信號是設(shè)備狀態(tài)信息的載體，它蘊含了豐富的設(shè)備異常或故障的信息，而振動特征是設(shè)備運行狀態(tài)好壞的重要標(biāo)志。因此，振動測試是設(shè)備狀態(tài)信號采集的基本測試手段。對振動信號的檢測能夠獲得設(shè)備狀態(tài)的有效信息，對它的分析則是設(shè)備診斷領(lǐng)域中一個被廣泛采用的方法?，F(xiàn)代傳感技術(shù)的發(fā)展為振動信號的測試提供了有力的保證?，F(xiàn)代的振動測試都是采用電測法，即把待測的機(jī)械振動量的變化轉(zhuǎn)化成電量的變化，這種機(jī)——電轉(zhuǎn)換是通過傳感器來實現(xiàn)的。因此傳感器性能的好壞直接影響到振動測量結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，從而影響分析和診斷結(jié)果的正確性。機(jī)械振動參數(shù)的測量分為接觸式測量和非接觸式測量。測量用傳感器主要采用電渦流傳感器、速度傳感器和加速度傳感器三種，一般分別用于低頻、中頻和高頻范圍的振動測量。近年來，微電子技術(shù)的新發(fā)展和新應(yīng)用，微機(jī)化機(jī)械加工技術(shù)的不斷更新和加工工藝的不斷改進(jìn)，現(xiàn)代動與沖擊測量傳感器正朝著更小、更輕、更可靠耐用和更價廉物美的方向發(fā)展。國內(nèi)外不斷成功地研制和開發(fā)了微電容式、微應(yīng)變式、石英振梁式、靜電平衡式等新型加速度傳感器以及激光測振儀等新型位移傳感器，這些傳感技術(shù)大大推動測試技術(shù)的發(fā)展。數(shù)據(jù)采集卡的性能不斷提高是計算機(jī)正確分析的前提。

高新技術(shù)的數(shù)采器件不斷出現(xiàn)、性能價格比不斷提高，A/D、放大器、模擬通道開關(guān)等芯片不斷有新產(chǎn)品世，這些高新技術(shù)產(chǎn)品使高速數(shù)據(jù)采集不再是一件困難的事。

3.結(jié)束語

在進(jìn)行旋轉(zhuǎn)機(jī)械的故障診斷時，往往故障與征兆之間不完全是一一對應(yīng)的關(guān)系，有時各種故障同時發(fā)生，使故障診斷起來更加復(fù)雜。隨著狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)不斷的發(fā)展，故障診斷已成為一種新的工程技術(shù)。正確掌握振動標(biāo)準(zhǔn)也是一項重要的工作，除了采用絕對的國際標(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標(biāo)準(zhǔn)，即將測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)振動學(xué)方面的知識，還要對所測的設(shè)備非常了解，認(rèn)真聽取現(xiàn)場操作人員、修理技術(shù)人員的意見后，才能得到符合實際情況的診斷結(jié)果。

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