淺談機(jī)械振動(dòng)波形對(duì)機(jī)械故障診斷的幫助

鄒健

摘要：由于我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)與科技的迅速發(fā)展，大量的機(jī)械設(shè)備產(chǎn)生并應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，但是，在科技改革創(chuàng)新的不斷深入和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)越發(fā)激烈的形勢(shì)中，人們愈發(fā)地關(guān)注機(jī)械設(shè)備的質(zhì)量與使用效率問(wèn)題，所以針對(duì)如何判斷機(jī)械設(shè)備出現(xiàn)故障的原因的研究也隨之展開(kāi)。本文主要針對(duì)機(jī)械振動(dòng)波形對(duì)機(jī)械故障診斷的幫助進(jìn)行簡(jiǎn)單的分析，討論收集信息的操作方式與過(guò)程，主要介紹如何利用波形分析判斷機(jī)械設(shè)備故障的機(jī)理以及振動(dòng)波形對(duì)機(jī)械故障診斷的幫助。

關(guān)鍵詞：故障診斷；狀態(tài)監(jiān)測(cè)；振動(dòng)信號(hào)；時(shí)域波形

目前，機(jī)械設(shè)備制造行業(yè)正處于迅速發(fā)展的階段。雖然診斷機(jī)械設(shè)備故障的科學(xué)技術(shù)已經(jīng)發(fā)展為一門(mén)涉及信息處理、模式識(shí)別、智能控制、數(shù)學(xué)、物理、計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)、通訊技術(shù)系統(tǒng)科學(xué)化學(xué)、信息科學(xué)、電工電子技術(shù)、人工智能以及機(jī)械設(shè)計(jì)加工制造等多種學(xué)科領(lǐng)域的綜合性技術(shù)[1]。但是傳統(tǒng)的設(shè)備故障診斷方法仍然被廣泛地應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，其中振動(dòng)監(jiān)測(cè)診斷技術(shù)是傳統(tǒng)故障診斷方法中應(yīng)用最廣泛且非常有效的方式，由于其具有簡(jiǎn)單高效的優(yōu)點(diǎn)而受到眾多機(jī)械設(shè)備故障檢測(cè)工作人員所喜愛(ài)，振動(dòng)監(jiān)測(cè)診斷技術(shù)是根據(jù)測(cè)量機(jī)械設(shè)備所得的機(jī)械振動(dòng)參數(shù)與其機(jī)構(gòu)特性進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)計(jì)算機(jī)信息處理系統(tǒng)對(duì)采集數(shù)據(jù)的處理結(jié)果來(lái)分析機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)并及時(shí)給出解決故障的方式。

1 機(jī)械故障原因

造成機(jī)械設(shè)備出現(xiàn)故障的主要原因之一就是由于機(jī)械設(shè)備振動(dòng)引起的，機(jī)械設(shè)備出現(xiàn)振動(dòng)是個(gè)非常復(fù)雜的問(wèn)題，并且許多方面的因素均可使其產(chǎn)生振動(dòng)。其中因?yàn)樾D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)類(lèi)型的機(jī)械設(shè)備具有數(shù)量多、種類(lèi)復(fù)雜、運(yùn)轉(zhuǎn)速度快以及消耗功率大等特點(diǎn)，同時(shí)一部分機(jī)械設(shè)備還工作多年，已經(jīng)處于設(shè)備老化階段，同時(shí)一部分轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械設(shè)備由于受到構(gòu)件磨損的影響，大大減少了其正常的工作壽命，因此在機(jī)械設(shè)備的工作過(guò)程中總是會(huì)出現(xiàn)非正常的振動(dòng)，機(jī)械設(shè)備經(jīng)常出現(xiàn)故障，在生產(chǎn)裝置的穩(wěn)定運(yùn)行方面產(chǎn)生了極大的影響，因此機(jī)械設(shè)備振動(dòng)的診斷和故障解決是現(xiàn)代化企業(yè)在機(jī)械設(shè)備檢修過(guò)程中的主要方式[1]。

2 機(jī)械故障診斷

測(cè)量設(shè)備的機(jī)械振動(dòng)基本參數(shù)主要是測(cè)量振動(dòng)部件上某一點(diǎn)的振動(dòng)位移、速度、加速度以及振動(dòng)頻率和相位，利用測(cè)得的參數(shù)判斷該部件是否處于正常的工作狀態(tài)。而結(jié)構(gòu)形式與構(gòu)件振動(dòng)的動(dòng)態(tài)特性測(cè)量是在被測(cè)量的構(gòu)件上施加某種激振力，讓被檢測(cè)物體處于振動(dòng)狀態(tài)，然后測(cè)量振動(dòng)輸入與輸出的基本參數(shù)，最終利用所得確定被檢測(cè)構(gòu)件的固有頻率與振型等動(dòng)態(tài)參數(shù)。檢測(cè)設(shè)備機(jī)械振動(dòng)狀態(tài)的方法可分為低頻、中頻以及高頻三種類(lèi)型，由于振動(dòng)中致使機(jī)械設(shè)備產(chǎn)生故障的關(guān)鍵因素是應(yīng)力強(qiáng)度，而且與應(yīng)力和應(yīng)變強(qiáng)度之間有直接關(guān)聯(lián)的參數(shù)為位移量，所以低頻振動(dòng)監(jiān)測(cè)主要是通過(guò)測(cè)量機(jī)械部件振動(dòng)位移來(lái)判斷機(jī)械故障。中頻監(jiān)測(cè)方法則主要測(cè)量的是構(gòu)件振動(dòng)速度，因?yàn)闃?gòu)件振動(dòng)的疲勞程度和振動(dòng)能量均與構(gòu)件的振動(dòng)速度成正比。由于不僅運(yùn)動(dòng)的加速度能夠呈現(xiàn)振動(dòng)部件所承受沖擊力強(qiáng)度的大小，而且沖擊力大小與沖擊頻率和部件振動(dòng)加速度值之間成正比關(guān)系，所以高頻振動(dòng)監(jiān)測(cè)方法是通過(guò)測(cè)量部件振動(dòng)加速度。

從動(dòng)力學(xué)特征方面，可將機(jī)械振動(dòng)分為：自由振動(dòng)與固有振動(dòng)、強(qiáng)迫振動(dòng)和共振以及自激振動(dòng)三種類(lèi)型。在機(jī)械設(shè)備故障診斷過(guò)程中，自由振動(dòng)、強(qiáng)迫振動(dòng)以及自激振動(dòng)這三種振動(dòng)類(lèi)型分別被應(yīng)用于不同的領(lǐng)域。自由振動(dòng)多被用于檢測(cè)結(jié)構(gòu)件，檢測(cè)由于局部裂紋或者緊固松動(dòng)等問(wèn)題的出現(xiàn)引起結(jié)構(gòu)件相應(yīng)特性參數(shù)發(fā)生從而導(dǎo)致其產(chǎn)生的故障，大部分是通過(guò)脈沖力所激勵(lì)的自由振動(dòng)進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)構(gòu)件的固有頻率和阻尼系數(shù)等各個(gè)參數(shù)的變化。針對(duì)減速箱、電動(dòng)機(jī)以及低速旋轉(zhuǎn)設(shè)備等機(jī)械故障的檢測(cè)，大部分是通過(guò)強(qiáng)迫振動(dòng)的方式來(lái)進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)對(duì)強(qiáng)迫振動(dòng)的振動(dòng)頻率組成和振幅變化等特征參數(shù)判斷故障。而針對(duì)高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械設(shè)備和可以通過(guò)工藝流體進(jìn)行激勵(lì)的設(shè)備，在監(jiān)測(cè)強(qiáng)迫振動(dòng)的特征參數(shù)同時(shí)，還需要監(jiān)測(cè)由于自激振動(dòng)而引起的特征參數(shù)。

3時(shí)域波形分析

從70年代末期開(kāi)始，機(jī)械設(shè)備故障診斷技術(shù)便在國(guó)內(nèi)出現(xiàn)并且迅速發(fā)展，故障診斷技術(shù)從簡(jiǎn)單的測(cè)振儀表發(fā)展為借助計(jì)算機(jī)的輔助診斷技術(shù)，使人們能夠更加迅速、精準(zhǔn)以及可靠的診斷機(jī)械設(shè)備故障。機(jī)械振動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)作為機(jī)械設(shè)備故障診斷中最為常用的方法之一，通過(guò)計(jì)算機(jī)整理所測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行機(jī)械振動(dòng)時(shí)域分析、振動(dòng)頻道分析以及振動(dòng)構(gòu)件軸心軌跡分析等[2]。雖然對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行振動(dòng)頻域分析、軸心軌跡分析、三維譜陣分析以及小波分析等方法，但都各自存在一定程度的片面性[3]。然而機(jī)械設(shè)備振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域波形能夠非常直觀地反映出測(cè)量的數(shù)據(jù)信息，因此其重要性至今是任何故障診方法無(wú)法替代的。因?yàn)閷?shí)際的工作環(huán)境比較復(fù)雜且變化莫測(cè)，因此不同的設(shè)備、相同設(shè)備的不同檢測(cè)點(diǎn)甚至相同測(cè)點(diǎn)的不同方向，其振動(dòng)時(shí)域波形都呈現(xiàn)不同的形態(tài)，存在一定的差異，不能夠完全相同。正是因?yàn)椴ㄐ嗡幍男螒B(tài)不相同，所以才能夠詳細(xì)地反映出不同的故障信息。從而根據(jù)對(duì)振動(dòng)信號(hào)與波形的研究與分析，對(duì)機(jī)械設(shè)備的故障進(jìn)行相應(yīng)的識(shí)別和判斷。時(shí)域波形是機(jī)械設(shè)備振動(dòng)分析技術(shù)中能夠?yàn)楣收显\斷提供最為真實(shí)和詳細(xì)的信息，同時(shí)不會(huì)出現(xiàn)像頻譜分析方因?yàn)樾盘?hào)轉(zhuǎn)化而丟失信息的現(xiàn)象，所以在故障分析和診斷的過(guò)程中，采用頻譜分析和時(shí)域波形分析相結(jié)合的方式，能夠讓故障診斷結(jié)果更加精準(zhǔn)。

機(jī)械設(shè)備振動(dòng)分析作為監(jiān)測(cè)旋轉(zhuǎn)類(lèi)型機(jī)械運(yùn)行狀態(tài)和故障診斷的主要方式，被大量應(yīng)用于工礦企業(yè)當(dāng)中，特別是因?yàn)槠淅谜駝?dòng)頻譜診斷機(jī)械設(shè)備故障的方式已經(jīng)被大部分現(xiàn)場(chǎng)故障診斷技術(shù)人員所認(rèn)可，然而許多技術(shù)人員在進(jìn)行分析過(guò)程中經(jīng)常忽略對(duì)時(shí)域波形的研究與分析，錯(cuò)誤的以為從時(shí)域波形上無(wú)法找到產(chǎn)生故障的原因，從而出現(xiàn)重視頻域忽視時(shí)域的現(xiàn)象，在此通過(guò)一個(gè)真實(shí)的案例來(lái)詳細(xì)說(shuō)明分析時(shí)域波形對(duì)故障診斷的重要性。機(jī)械振動(dòng)分析首先是利用數(shù)據(jù)采集器測(cè)量構(gòu)件的振動(dòng)參數(shù)，通常通過(guò)儀器測(cè)得的數(shù)據(jù)大多都是以時(shí)間波形的形式存在，時(shí)間波形不僅顯示直觀、容易被理解，而且相對(duì)于某些故障信號(hào)波形具有非常明顯的特征，所以可以利用時(shí)間波形先進(jìn)行一定的處理與分析，例如不平衡、不對(duì)中以及沖擊等故障在時(shí)域波形上會(huì)被清晰地顯示出來(lái)[4]。

4結(jié)論

通過(guò)以上分析可知：通過(guò)對(duì)設(shè)備機(jī)械振動(dòng)信號(hào)時(shí)域波形的分析與識(shí)別，能夠有效地判斷機(jī)械設(shè)備的故障。這一技術(shù)能夠彌補(bǔ)其他技術(shù)存在的不足之處。如果能夠在監(jiān)測(cè)和診斷實(shí)踐過(guò)程中，把它和其他判斷方法相結(jié)合，可以很大程度地提升故障診斷的可靠性與準(zhǔn)確性。所以，對(duì)振動(dòng)時(shí)域波形的分析與研究是十分關(guān)鍵的。

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