淺析振動頻譜分析技術在旋轉(zhuǎn)機械故障診斷中的應用

邢建兵 繆建明 羅偉 劉海燕

摘要：本文闡述了利用振動頻譜分析技術對振動信號進行分析與處理，實現(xiàn)對旋轉(zhuǎn)機械的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷。此方法在實際應用過程中為設備維護提供了重要依據(jù)，并取得了良好的使用效果和經(jīng)濟效益。

關鍵詞：振動頻譜;旋轉(zhuǎn)機械;故障診斷

1.引言

隨著振動頻譜分析技術日漸成熟，預知維修逐漸成為當前設備精細化管理的一種趨勢。我公司于2006年10月購買巡檢儀器對旋轉(zhuǎn)機械進行系統(tǒng)、精密的點檢，通過采集數(shù)據(jù) ——數(shù)據(jù)回收——在線分析——故障診斷——落實整改等步驟和方法先后診斷和解決了不少旋轉(zhuǎn)機械早期故障，使旋轉(zhuǎn)設備的運行狀態(tài)真正做到了“可控”、“在控”，本文重點介紹了旋轉(zhuǎn)機械常見的三個案例，并對案例中的故障進行詳細的分析和論證。

2.旋轉(zhuǎn)機械的特點

旋轉(zhuǎn)機械整個軸系包括電動機和齒輪變速箱，我公司旋轉(zhuǎn)機械都是由主電機作為動力源，帶動變速箱運行，其核心部分是轉(zhuǎn)子組件。由于整個轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，所以對其制造、安裝、調(diào)試、維護管理都有很高的要求。如果其中某個零件出了問題，或在某個連接配合部位發(fā)生了異常的變動，就可能會引起機組的強烈振動，旋轉(zhuǎn)機械故障的一般規(guī)律是：故障形成之后先經(jīng)歷一個較長的發(fā)展過程，一旦有其它條件觸發(fā)，故障則呈指數(shù)級快速發(fā)展，直至演變?yōu)槭鹿实陌l(fā)生。設備早期故障一旦被檢測出來，設備狀態(tài)就已“在控”，我們就可以按照設備狀態(tài)的變化來決定是繼續(xù)運行，還是停機檢修。對這類機械進行故障診斷時，首先抓住各個故障的特征頻率，對振動信號作頻譜分析。頻譜分析就是將所測得時域信號變換成頻域加以分析。通常采用傅里葉變換，將復雜的信號分解為有限或無限個頻率的簡諧分量，再把各次諧波按其頻率大小從低到高排列起來就成了頻譜。旋轉(zhuǎn)機械的振動信號大多數(shù)是一些周期信號、準周期信號、或平穩(wěn)隨機信號。 ?旋轉(zhuǎn)機械常見的故障一般包括軸承故障、不平衡、不對中、機械松動等，要及時、準確判斷旋轉(zhuǎn)機械是否發(fā)生故障、故障部位以及故障程度，則需要故障分析人員在充分熟悉被監(jiān)測設備的基礎上掌握扎實的振動理論知識和一定的頻譜分析能力。每一種故障都有各自的特征頻率，故障頻率都與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速有關，或等于轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)頻率（簡稱轉(zhuǎn)頻或工頻）或倍頻或分頻。因此，分析振動頻率與轉(zhuǎn)頻的關系是診斷旋轉(zhuǎn)機械故障的基礎和關鍵。

3.現(xiàn)場應用頻譜分析法的診斷實例

3.1不對中故障

2008年6月11日檢測球團廠2#潤磨電機時發(fā)現(xiàn)該機負載側(cè)軸向振動達10.6mm/s，嚴重超標。于是通過對振動數(shù)據(jù)進行頻譜分析，具體診斷過程如下：

2008年6月11日下午使用HY-106B和PMS巡檢系統(tǒng)對電機和減速器進行數(shù)據(jù)采集和振動頻譜分析。

該軸系各測點軸向振動速度值如表1所示（Av代表軸向振動速度）：

測點

1

2

3

4

Av（mm/s）

2.9

10.6

4.5

5.5

表1?各測點軸向振動速度一覽表

從上表振動數(shù)據(jù)可以看出電機負載側(cè)軸向振動遠大于其它測點，頻譜圖中存在較大的二倍頻分量，且達到一倍頻的3.2倍，該現(xiàn)象說明聯(lián)軸器存在嚴重的不對中故障。

綜合以上數(shù)據(jù)分析，我們診斷結(jié)論為電機負載側(cè)軸向振動嚴重超標主要是由安裝不對中故障造成。于是發(fā)放信息聯(lián)絡處單要求分廠立即停機重調(diào)同心度，停機檢測發(fā)現(xiàn)該柱銷聯(lián)軸器軸心徑向位移達0.4?mm，遠超過標準規(guī)定的0.05?mm，振動數(shù)據(jù)已降為4.9?mm/s?，運行恢復正常。

3.2不平衡故障

煉鐵一廠1#礦槽除塵電機自2006年12月起開始納入PMS設備巡檢系統(tǒng)，該電機運行狀況一直穩(wěn)定，至2008年5月2日兩側(cè)軸承座水平徑向振動最大值均未超過2.9mm/s。但自2008年5月6起電機兩側(cè)軸承座水平徑向振動開始出現(xiàn)增長趨勢，到2008年6月3日達到6.3?mm/s。于是通過對振動數(shù)據(jù)進行頻譜分析，對電機振動突然增大的問題進行了故障診斷，診斷過程如下：

2008年6月6日上午再次用HY-106B和PMS巡檢系統(tǒng)對電機和風機進行數(shù)據(jù)采集和振動頻譜分析，采集數(shù)據(jù)時風機轉(zhuǎn)數(shù)為750?r/min。

該軸系各測點水平徑向振動速度值如表1所示（Hv代表水平徑向振動速度）：

測點

1

2

3

4

5

6

Hv（mm/s）

6.0

5.7

4.7

4.8

5.2

5.0

表1?各測點水平徑向振動速度一覽表

風機的振動是運行中常見的故障，引起風機異常振動的主要原因有轉(zhuǎn)子不平衡、轉(zhuǎn)子不對中、機件松動、油膜振蕩、內(nèi)摩擦。從表1振動速度值來看，?6個測點中水平徑向振動基本在同一級數(shù)。

該軸系各測點水平徑向振動位移量如表2所示（Hd代表水平徑向振動位移）：

測點

1

2

3

4

5

6

Hd（μm）

225

215

180

185

191

189

表2?各測點水平徑向振動位移量一覽表

從表2數(shù)據(jù)可以看出各測點振動位移量嚴重超標（6極電機軸承振動位移量允許最大值為100μm）。

綜合以上數(shù)據(jù)分析，我們診斷為該電機振動加劇是由于風機葉輪嚴重不平衡故障引起，而引起風機葉輪不平衡故障主要有以下兩點①葉輪積灰不均或硬灰掉落②葉輪磨損不均。

4.故障處理

我們測得水泥基座振動為0.6mm/s，預埋件基座振動0.8mm/s，基礎的振動很小，進一步證實造成整個軸系在“搖晃”的故障原因應該在風機上。為避免故障擴大損壞設備，我們當即要求分廠對風機進行停機檢查，發(fā)現(xiàn)該風機葉輪有一處葉片脫落，更換風機后測得振動如下，

測點

1

2

3

4

5

6

Hv（mm/s）

2.1

2.7

2.4

2.1

3.2

2.8

更換風機后水平振動頻譜特征基本未變，幅值降低至正常范圍內(nèi)，表明風機葉輪不平衡的故障已消除，風機的運行已趨于正常。

5.結(jié)語

通過實施設備狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術后，一方面提高了對設備狀態(tài)、劣化趨勢的認知和控制能力，針對故障原因使搶修做到有的放矢，有效避免了重大故障的發(fā)生;另一方面，我們對數(shù)據(jù)不超標、振動未發(fā)現(xiàn)異常的電機實行延期下線，期間加強點檢頻次，進一步提高了設備的運轉(zhuǎn)率，延長了設備的使用壽命。