基于振動監(jiān)測技術(shù)在旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷中的應(yīng)用

屈海軍

摘要：旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷中通常采用振動監(jiān)測技術(shù)，同時利用綜合計算機(jī)技術(shù)、可編程技術(shù)、虛擬儀器技術(shù)等來展開旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障監(jiān)測工作，并利用現(xiàn)代化手段分析設(shè)備運行中產(chǎn)生的振動信號，便于實現(xiàn)多通道信息采集。旋轉(zhuǎn)機(jī)械在運行中，主要依賴于故障診斷系統(tǒng)，在防范故障隱患的環(huán)節(jié)，作業(yè)人員利用故障故障診斷系統(tǒng)，有效的排查設(shè)備運行中的安全問題，采用振動參數(shù)作為設(shè)備運行狀態(tài)的主要指標(biāo)，及時找到振動參數(shù)的共性，掌握旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷工作的關(guān)鍵。

關(guān)鍵詞：振動監(jiān)測;旋轉(zhuǎn)機(jī)械;運行過程;故障診斷;技術(shù)運用

一、前言

旋轉(zhuǎn)機(jī)械運行中時常出現(xiàn)問題，鑒于這種情況，管理人員對技術(shù)人員提出更為嚴(yán)格的旋轉(zhuǎn)機(jī)械操作技術(shù)要求，對故障檢測技術(shù)的要求也提高了。為提升故障診斷效果，需要積極了解旋轉(zhuǎn)機(jī)械工作現(xiàn)狀及故障診斷技術(shù)的原理，以此為基礎(chǔ)，增強(qiáng)對振動監(jiān)測技術(shù)的認(rèn)知，促進(jìn)故障診斷工作的順利進(jìn)行。加強(qiáng)振動監(jiān)測，遵循標(biāo)準(zhǔn)化的故障處理措施，主動排查旋轉(zhuǎn)機(jī)械運行中可能出現(xiàn)的隱患問題，積極了解故障問題的主要類型及發(fā)生的原因，總結(jié)成功的故障處理經(jīng)驗，以此推動振動監(jiān)測技術(shù)在故障診斷環(huán)節(jié)的運用。

二、旋轉(zhuǎn)機(jī)械的相關(guān)介紹

旋轉(zhuǎn)機(jī)械運行中主要有微機(jī)控制和自動控制這兩種方式，自動控制型的旋轉(zhuǎn)機(jī)械具有成本低廉、可靠性高、操作便利、速度快等優(yōu)勢，工作人員可借助自動控制機(jī)械對轉(zhuǎn)子不平衡進(jìn)行自動調(diào)節(jié)與控制，但必須要在平衡裝置過臨界轉(zhuǎn)速的情況下進(jìn)行，無法在全轉(zhuǎn)速狀態(tài)下自動調(diào)節(jié)平衡。可靠性是旋轉(zhuǎn)機(jī)械運行中的關(guān)鍵，要更高的提高設(shè)備的安全性，要對轉(zhuǎn)子部分進(jìn)行高精度平衡，在慣性作用下讓轉(zhuǎn)子主軸與旋轉(zhuǎn)機(jī)械軸重合，以此方式防止旋轉(zhuǎn)機(jī)械運行中振動嚴(yán)重。

三、旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷中振動監(jiān)測系統(tǒng)原理

振動監(jiān)測系統(tǒng)是集傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、采集技術(shù)等為一體，日常工作中是采用一體化模式監(jiān)測旋轉(zhuǎn)機(jī)械運行中的故障，并排查安全隱患。技術(shù)人員在故障診斷環(huán)節(jié)，采用振動監(jiān)測技術(shù)，利用測振系統(tǒng)將信息采集、存儲等相應(yīng)信息經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)發(fā)送至用戶終端，最終由用戶終端專用軟件來分析故障問題。用戶終端依據(jù)設(shè)定的預(yù)警系統(tǒng)依次檢測旋轉(zhuǎn)機(jī)械運行中的振動是否超標(biāo)、是否存在設(shè)備損壞等問題，在此環(huán)節(jié)，專家分析軟件快速得出某臺機(jī)械振動超標(biāo)及機(jī)械損壞等信息，做到防患于未然，并通過設(shè)置報警界線，對各個機(jī)械設(shè)備的運行情況進(jìn)行科學(xué)分析和預(yù)警。

四、旋轉(zhuǎn)機(jī)械運行中常見故障

運行中旋轉(zhuǎn)機(jī)械產(chǎn)生了較大的振動，機(jī)械的運行頻率、幅度、方向等發(fā)生改變，如果不及時采取措施，將引發(fā)重大的安全事故。

轉(zhuǎn)子不平衡：旋轉(zhuǎn)機(jī)械運行過程中，轉(zhuǎn)子軸心質(zhì)量分布不合理，運作中產(chǎn)生附加慣性力，作業(yè)人員操作不當(dāng)，由于慣性力增加，轉(zhuǎn)子運行中出現(xiàn)了故障。轉(zhuǎn)子材質(zhì)不合格，比如在安裝環(huán)節(jié)，輸送介質(zhì)攜帶的附屬物粘附在轉(zhuǎn)子葉輪上，不平衡量沿著轉(zhuǎn)子、葉輪軸向、徑向等任意分布，慣性離心力增大，超出限制，從而導(dǎo)致運行中振動幅度和頻率發(fā)生了改變。

轉(zhuǎn)子不對中故障：軸承安裝底座安裝不合理，轉(zhuǎn)子軸運行中產(chǎn)生了預(yù)負(fù)荷，轉(zhuǎn)子軸中心線發(fā)生偏移，轉(zhuǎn)子高度不對中，由此引發(fā)軸承附加的負(fù)荷、轉(zhuǎn)子附加力等增大，軸承還需要對負(fù)荷進(jìn)行再次分配，這樣一來，不僅對軸承造成損傷，還導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動猛烈，引發(fā)安全隱患。

摩擦故障：旋轉(zhuǎn)機(jī)械運行中的摩擦故障有內(nèi)摩擦、動靜摩擦、外摩擦等幾種常見形式，運行頻率故障還伴隨有高頻分布的特點，低頻成分中含有高次諧波。長時間的運行導(dǎo)致軸承產(chǎn)生裂紋，在垂直方向上的橫向裂紋不對稱，頻率不穩(wěn)定，機(jī)械振動嚴(yán)重。比如內(nèi)摩擦故障：機(jī)械在負(fù)載作用下產(chǎn)生變形，單元件變形量增加，重新排列晶粒的環(huán)節(jié)，分子還需消耗很多能量，無法順利地將所有的輸入能量全部釋放。材料內(nèi)摩擦嚴(yán)重，加載金屬材料環(huán)節(jié)會消耗比卸載環(huán)節(jié)更多的應(yīng)力，致使機(jī)械振動強(qiáng)烈。外摩擦：軸承與葉輪的固定不穩(wěn)，高強(qiáng)度的作業(yè)環(huán)境中，旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)子彎曲變形，同時長時間的運行導(dǎo)致葉輪與轉(zhuǎn)子之間的摩擦力增大，位于葉輪圓盤接觸面上的轉(zhuǎn)子軸逐漸向兩邊滑動，內(nèi)摩擦又一次增大，軸新的橫向力產(chǎn)生彎矩。轉(zhuǎn)子動靜接觸摩擦：轉(zhuǎn)子運行中，軸承密封間隙小、潤滑度不夠，這都是造成轉(zhuǎn)子熱彎曲加劇的主要原因之一，旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動不規(guī)則，轉(zhuǎn)子失穩(wěn)，局部摩擦過大導(dǎo)致某一旋轉(zhuǎn)機(jī)械嚴(yán)重?fù)p壞，其運行頻率超出標(biāo)準(zhǔn)。

五、故障診斷振動監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

總體設(shè)計：合理設(shè)計故障診斷振動監(jiān)測系統(tǒng)，科學(xué)設(shè)計數(shù)據(jù)采集卡，采用正規(guī)廠商生產(chǎn)的多功能數(shù)據(jù)采集卡，其性能參數(shù)采用8路差分輸入法、16路單端輸入，采樣工作頻率可達(dá)到250KHz，如下圖1所示為振動監(jiān)測系統(tǒng)總體框架設(shè)計，作為參考。

旋轉(zhuǎn)機(jī)械運行過程中產(chǎn)生的故障問題，與各個部件的組成有關(guān)，由于系統(tǒng)內(nèi)預(yù)設(shè)了多個通道，便于實現(xiàn)對機(jī)械不同部件的轉(zhuǎn)子、軸承、等參數(shù)信息作出實時掌握，將從傳感器接收到的電路信號以電量形式輸出，同時依靠高頻濾波器和數(shù)據(jù)采集卡，將系統(tǒng)內(nèi)監(jiān)測到的信息快速傳遞至計算機(jī)系統(tǒng)，便于網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對其進(jìn)行高效處理[6]。下圖2為振動監(jiān)測中采集系統(tǒng)的硬件組成。

軟件系統(tǒng)設(shè)計：振動監(jiān)測系統(tǒng)軟件可分為采集控制、信號處理、故障診斷這幾個模塊內(nèi)容，利用功能強(qiáng)大的計算機(jī)設(shè)備實時接收并輸入各種信號波形，提高了數(shù)據(jù)采集及處理速度，保證了故障診斷信息的準(zhǔn)確性和全面性，并發(fā)揮出可靠性高、實時性等明顯優(yōu)勢。信號控制：利用信息采集卡實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)監(jiān)測數(shù)據(jù)的雙向數(shù)據(jù)通訊，首先作業(yè)人員從數(shù)據(jù)采集卡上讀取相應(yīng)的數(shù)字信號，將其及時存入數(shù)據(jù)庫，然后利用分析模塊進(jìn)行信號與數(shù)據(jù)的分析與處理[7]。采集過程中，技術(shù)人員利用8測試通道，實現(xiàn)單通道、多通道實時采集，另外技術(shù)人員也可將虛擬儀器作為采集中的助手，以此發(fā)揮出采樣多通道頻率信息的重要作用。

信號處理：信號處理的關(guān)鍵是在線分析、離線分析、波形分析等，各個部分密切配合的情況下可實現(xiàn)信號實時分析與處理[8]。狀態(tài)檢測的主要作用是實時監(jiān)測系統(tǒng)運行狀態(tài)，能夠進(jìn)行在線監(jiān)測和狀態(tài)分析，通過借助監(jiān)測參數(shù)掌握設(shè)備振動信號的特征值，監(jiān)測結(jié)果主要分為安全、超限、危險這幾種主要形式，其對應(yīng)的系統(tǒng)顯示顏色為綠色、橙色、紅色，作業(yè)人員在分析系統(tǒng)監(jiān)測故障的環(huán)節(jié)，主要采用模糊識別法和統(tǒng)計識別法，并配合逐項比較法和綜合分析法來診斷系統(tǒng)故障信息，形成故障特征列陣圖，提取多個頻段信息，這是系統(tǒng)振動特征參數(shù)向量的主要控制內(nèi)容，在此環(huán)節(jié)，可全面掌握系統(tǒng)故障機(jī)理。

數(shù)據(jù)處理中的注意事項：在數(shù)據(jù)處理中，技術(shù)人員要根據(jù)實際情況來分析數(shù)據(jù)處理中的關(guān)鍵內(nèi)容，及時分析轉(zhuǎn)子的振動狀態(tài)，加強(qiáng)頻域分析，便于進(jìn)一步增強(qiáng)故障診斷能力[9]。分析時域波形，利用時域波形來了解轉(zhuǎn)子的運行狀態(tài)，科學(xué)的判定機(jī)械設(shè)備振動值是否超標(biāo)，利用計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)了解采集通道的峰值和波形。借助計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)了解轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡、油膜滑動、摩擦等狀態(tài)，利用電渦流傳感器采集轉(zhuǎn)子運行信息，經(jīng)過濾波處理的過程后，及時繪制轉(zhuǎn)子運作軌跡，以此成為轉(zhuǎn)子運動狀態(tài)的主要監(jiān)測依據(jù)[10]。信號分析是時域分析的主要內(nèi)容之一，采用自相關(guān)函數(shù)分析不同時刻系統(tǒng)監(jiān)測信號之間的關(guān)系、信號頻率成分、波形狀態(tài)等，明確兩個信號的關(guān)系，利用多通道監(jiān)測機(jī)械振動特性，同時為系統(tǒng)故障處理工作提供科學(xué)的參考。

六、旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷中振動監(jiān)測技術(shù)的注意事項

技術(shù)人員日常工作中對旋轉(zhuǎn)機(jī)械運行狀態(tài)進(jìn)行定期監(jiān)測，運用旋轉(zhuǎn)機(jī)械之前，先觀察其外觀是否完好、存在損壞，同時利用網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)測試旋轉(zhuǎn)機(jī)械內(nèi)部功能是否完好，確保機(jī)械設(shè)備功能完好后方可投入使用。比如認(rèn)真檢查氣管口與壓縮機(jī)的連接是否正確，利用焊條將回氣管與壓縮機(jī)連接好，將舊的過濾器更換掉，利用先進(jìn)工藝從壓縮機(jī)管口向內(nèi)部依次施壓，將壓縮機(jī)的運行壓力控制在0.8MPa。使用肥皂水檢測系統(tǒng)的泄露情況，檢測中發(fā)現(xiàn)氣泡較多，于是技術(shù)人員及時放掉氮氣，對冷凝器、回氣管與壓縮機(jī)的連接部位進(jìn)行重新焊接，使其焊接牢固，焊接好之后再次采用肥皂水測試系統(tǒng)泄露情況，將肥皂水測試泄露的過程進(jìn)行重復(fù)操作，直到無泄露出現(xiàn)為止。為防止設(shè)備損壞，加強(qiáng)對軸承的管理，軸承的好壞直接影響工作效率，為避免旋轉(zhuǎn)機(jī)械在運行過程中產(chǎn)生劇烈振動，也為防止噪音，密切關(guān)注軸承裝配不當(dāng)、水分侵入、潤滑不良等問題，對于損壞的軸承及時更換掉，并做好軸承更換登記。加強(qiáng)風(fēng)機(jī)振動監(jiān)測，規(guī)范電機(jī)運行，規(guī)定電機(jī)轉(zhuǎn)速為1480RPM，電機(jī)功率為YB250M4，統(tǒng)一風(fēng)機(jī)型號B47212NO，將風(fēng)機(jī)風(fēng)量控制在50800m/h左右。在壓縮機(jī)管口安裝壓力真空表，采用耐壓型膠管來連接真空泵，將系統(tǒng)的真空抽取干凈，最佳的時間為1個小時，從而將旋轉(zhuǎn)機(jī)械運行中的壓力控制在合理范圍內(nèi)。待真空抽取干凈，將真空泵撤走，立即關(guān)閉壓力表閥門，同時接上制冷劑鋼瓶，當(dāng)真空充注量達(dá)到80%，及時停止充注操作，啟動壓縮10分鐘后開始進(jìn)行試機(jī)，在此環(huán)節(jié)檢查管口是否堵塞、系統(tǒng)運行溫度是否正常，待系統(tǒng)溫度檢測正常方可進(jìn)行封口處理。

七、常見故障振動監(jiān)測診斷及處理

轉(zhuǎn)子不平衡故障的診斷：某旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備軸承箱表面振動強(qiáng)度為14.3mm/s，軸向振動強(qiáng)度13.9mm/s，垂直振動強(qiáng)度達(dá)到11.8mm/s，水平波、垂直波均為正弦波，根據(jù)振動波形判斷此次故障為轉(zhuǎn)子不平衡故障。利用振動監(jiān)測系統(tǒng)對轉(zhuǎn)子進(jìn)行動平衡狀態(tài)監(jiān)測，嚴(yán)格遵照標(biāo)準(zhǔn)要求將轉(zhuǎn)子上各個部位的小零件安裝好，將松動的零件及時利用螺栓固定好，使其穩(wěn)固。認(rèn)真清理轉(zhuǎn)子表面，對有污垢的部位進(jìn)行及時處理。為保證轉(zhuǎn)子不平衡故障處理的及時性，管理人員要制定有效的旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障振動監(jiān)測處理措施，以此來約束作業(yè)人員，認(rèn)真做好轉(zhuǎn)子的清理工作，按照制度要求，加強(qiáng)對轉(zhuǎn)子各個部位的有效檢修，仔細(xì)檢查各個部位的零件是否穩(wěn)固，是否存在污垢，有無松動的情況，嚴(yán)格執(zhí)行故障振動監(jiān)測處理制度。對于出現(xiàn)異常的旋轉(zhuǎn)機(jī)械，立即停機(jī)檢查，做好安全防護(hù)，采用專業(yè)技術(shù)將損壞的轉(zhuǎn)子及時更換掉，保證轉(zhuǎn)子故障問題處理的及時性，更好的發(fā)揮振動監(jiān)測技術(shù)的優(yōu)勢。

故障診斷中運用振動監(jiān)測技術(shù)的案例：某旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷人員，為及時排查減速器運行故障，及時對其進(jìn)行振動信息監(jiān)測，展開振動故障測試。主要對減速器各個軸端的振動情況進(jìn)行科學(xué)檢測，在此環(huán)節(jié)獲取以下測點的振動速度信息：電機(jī)內(nèi)風(fēng)扇軸承振動速度3.200mm/s，齒輪軸承振動速度2.142mm/s，減速器輸入端振動速度2.357mm/s，第二軸左端軸承振動速度0.653mm/s，第二軸右端軸承振動速度1.225mm/s，第三軸左端軸承振動速度1.124mm/s，第三軸右端軸承振動速度1.084mm/s，輸出端軸承振動速度0.556mm/s。

轉(zhuǎn)子不對中故障診斷：為保證轉(zhuǎn)子不對中故障診斷的有效性，技術(shù)人員先了解這個故障的振動敏感參數(shù)，轉(zhuǎn)子不對中故障振動敏感參數(shù)統(tǒng)計結(jié)果。

解決轉(zhuǎn)子不對中故障時，首先分析故障原因，然后有針對性的解決問題，轉(zhuǎn)子不對中故障的原因體現(xiàn)在這些方面：設(shè)計原因，如操作人員對熱膨脹量的計算不夠合理、未考慮到真空度、介質(zhì)壓力等對轉(zhuǎn)子運作的影響，采用振動監(jiān)測方式了解到，因轉(zhuǎn)子材料質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，導(dǎo)致運行環(huán)節(jié)其受熱不均勻、相應(yīng)的冷態(tài)數(shù)據(jù)達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)要求。重新定位并加固主減速機(jī)，將主減速機(jī)安置在不偏離中心線的位置上，利用鋼板制作斜鐵，及時調(diào)整好斜鐵在底座的位置，從而確保中心線標(biāo)高與主機(jī)之間的距離在設(shè)定范圍內(nèi)，避免位置偏差，防止設(shè)計階段出現(xiàn)轉(zhuǎn)子對中不平衡的問題。比如安裝檢修的環(huán)節(jié)，為保證故障診斷的有效性，及時校正并調(diào)整主減速機(jī)與三聯(lián)箱中心線，最大限度控制好中心線誤差，同時認(rèn)真將存在污垢的三聯(lián)箱清理干凈，定期清洗并加潤滑油，檢修完成后還要利用水平儀檢測兩端法蘭高標(biāo)能夠達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)化操作要求。

摩擦故障振動監(jiān)測診斷：旋轉(zhuǎn)機(jī)械摩擦故障具有非線性的特征，當(dāng)局部出現(xiàn)摩擦故障，頻率成分較為豐富，當(dāng)摩擦程度加重時，超諧波、次諧波等的階次都減小，軸瓦磨損時，作業(yè)人員在分析潤滑油樣的環(huán)節(jié)發(fā)現(xiàn)磨粒沿著磁波線呈長鏈狀排列。根據(jù)摩擦故障的特性，將振動監(jiān)測技術(shù)靈活用于振動監(jiān)測環(huán)節(jié)，針對旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動幅度、頻率等，及時提出故障振動監(jiān)測方法，同時考慮摩擦故障的處理過程，便于有序的展開摩擦故障處理，酌情增加潤滑油的用量。

提高操作人員的專業(yè)技能：為防止旋轉(zhuǎn)機(jī)械在運行中出現(xiàn)嚴(yán)重振動，作業(yè)人員平時要加強(qiáng)對旋轉(zhuǎn)機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)化操作及振動監(jiān)測診斷等方面的知識，不斷更新自身的知識結(jié)構(gòu)，做好技術(shù)準(zhǔn)備，以便在旋轉(zhuǎn)機(jī)械出現(xiàn)振動故障時，能夠運用專業(yè)知識進(jìn)行振動監(jiān)測，快速找到故障原因，并采用自學(xué)方式，強(qiáng)化專業(yè)知識吸收和鞏固，使自身的能力更好的適應(yīng)崗位工作。

八、結(jié)束語

綜上所述：本文以旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動故障診斷為例，主要研究振動監(jiān)測系統(tǒng)原理、旋轉(zhuǎn)機(jī)械運行中常見故障、故障診斷振動監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計、運用振動監(jiān)測技術(shù)的關(guān)鍵、常見故障振動監(jiān)測診斷及處理等內(nèi)容。為促進(jìn)振動監(jiān)測技術(shù)有效運用，需加強(qiáng)振動監(jiān)測系統(tǒng)的總體設(shè)計和軟件設(shè)計，重視故障診斷，及時解決轉(zhuǎn)子不平衡、轉(zhuǎn)子不對中、摩擦故障等引發(fā)的振動問題，同時主動與專業(yè)有關(guān)的內(nèi)容，注重振動監(jiān)測技術(shù)在旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷環(huán)節(jié)的利用，加強(qiáng)技術(shù)學(xué)習(xí)，從而提升專業(yè)水平。

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