機(jī)械設(shè)備動態(tài)運(yùn)行表征參數(shù)的分解與疊加

黃開萬

（昆明鋼鐵有限責(zé)任公司搬遷改造組，云南昆明 650000）

0 引言

機(jī)械設(shè)備都有特定的功能目的，為了保證機(jī)械設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，就要對該機(jī)械設(shè)備配備必要的三電系統(tǒng)、潤滑液壓系統(tǒng)等，所以一臺機(jī)械設(shè)備就是一個以機(jī)械為主體的多個系統(tǒng)有機(jī)混合的設(shè)備整體。組成機(jī)械設(shè)備整體的這些子系統(tǒng)相互聯(lián)系、相互影響、相互獨(dú)立，在運(yùn)行中，各個系統(tǒng)都有本質(zhì)的運(yùn)行特征，既要保證各系統(tǒng)運(yùn)行的整體統(tǒng)一性，又要保證每個單獨(dú)系統(tǒng)各自的獨(dú)立性，機(jī)械設(shè)備顯示的參數(shù)就含有其組成系統(tǒng)的特征，也就是說參數(shù)是多個系統(tǒng)參數(shù)的疊加，實(shí)際采集到的參數(shù)（振動、溫度、聲音）都不是一個簡單的參數(shù)，而是幾個甚至幾十個參數(shù)的疊加，通過設(shè)備動態(tài)運(yùn)行表征出來的參數(shù)，分解其疊加的各種因子，達(dá)到對設(shè)備運(yùn)行各因子所屬系統(tǒng)部件運(yùn)行情況進(jìn)行判斷，文中所指的溫度、振動和聲音，就是由各個子系統(tǒng)產(chǎn)生的溫度、振動和聲音特征的疊加，相互疊加的結(jié)果就體現(xiàn)在設(shè)備運(yùn)行的整體溫度、振動和聲音參數(shù)上，分解這些因子單獨(dú)的特征和疊加后的總體特征，就可以判斷設(shè)備的性能狀況，能夠?yàn)樵O(shè)備正常運(yùn)行維護(hù)提供幫助并指導(dǎo)設(shè)備各方面的工作。

1 對參數(shù)的分解和疊加

首先，研究機(jī)械設(shè)備的裝配圖和系統(tǒng)原理圖，掌握設(shè)備運(yùn)行是由哪些系統(tǒng)組成，把設(shè)備狀態(tài)組成的各個系統(tǒng)因子分解出來；其次，分析要研究的參數(shù)并掌握其傳動機(jī)理和特征參數(shù)的傳播機(jī)理；傳動機(jī)理就是機(jī)械設(shè)備從動力輸入到動力輸出的傳動付和傳動鏈以及傳動支撐結(jié)構(gòu)的情況，特征參數(shù)就是在監(jiān)測點(diǎn)檢測出來的數(shù)據(jù)包含些什么因子產(chǎn)生的影響；最后，根據(jù)參數(shù)組成的各個系統(tǒng)的特征和傳播機(jī)理，研究在設(shè)備監(jiān)測點(diǎn)應(yīng)有的影響，也就是其在檢測點(diǎn)應(yīng)該表現(xiàn)出來的溫度、振動或聲音大小，即各個系統(tǒng)因子在檢測點(diǎn)的整體參數(shù)中起到的影響程度。

2 關(guān)于溫度參數(shù)的分解和疊加原理

設(shè)備運(yùn)行參數(shù)檢測點(diǎn)通常在傳動軸軸承座處，主傳動軸的支撐軸承座通常都是最優(yōu)選擇點(diǎn)，設(shè)備運(yùn)行中，軸承座監(jiān)測點(diǎn)檢測出來的溫度，通常包含自身運(yùn)動摩擦、擠壓、碰撞等產(chǎn)生的熱量和潤滑油油溫的影響以及其他零件運(yùn)動，包括負(fù)荷產(chǎn)生的熱量通過對流、傳導(dǎo)、輻射等方式傳遞的熱量，這個過程就是溫度的分解過程；溫度的傳遞規(guī)律是按照比熱容Q=cm△t 來分析和分解。檢測點(diǎn)收集處理顯示的溫度，是各個因子在檢測點(diǎn)吸熱或放熱后，特定點(diǎn)的一個溫度疊加，其規(guī)律是監(jiān)測點(diǎn)各個參與熱量交換的物質(zhì)比容熱與其質(zhì)量大小和溫度升高（或降低）量的乘積，通常，通過顯示的溫度和已經(jīng)設(shè)置的溫度限額，不需要進(jìn)行計(jì)算，只要通過對各因子的分解和各因子本身特征互相疊加對比就可以分析溫度狀況，如果有異常，也基本上可以判斷異常是哪個或哪些因子引起。

如一臺雙支撐、中間葉輪、集中稀油潤滑的離心風(fēng)機(jī)（結(jié)構(gòu)如圖1）。其動力輸入、傳動鏈、裝配結(jié)構(gòu)十分清晰。葉輪兩端的軸承座軸瓦溫度是設(shè)備運(yùn)行參數(shù)最重要的檢測點(diǎn)，在檢測點(diǎn)檢測到的溫度參數(shù)應(yīng)分解為：①軸承座運(yùn)轉(zhuǎn)過程中軸瓦與軸摩擦、擠壓或者碰撞等產(chǎn)生的熱量對軸承座支撐軸瓦的影響；②潤滑油經(jīng)過軸承座熱交換后（可能吸熱也可能發(fā)熱）對軸承座支撐軸瓦的影響；③風(fēng)機(jī)運(yùn)行中葉輪對空氣做功產(chǎn)生的熱量通過空氣或軸傳遞到軸承座支撐軸瓦的影響；④電機(jī)運(yùn)行產(chǎn)生的熱量通過軸或空氣傳遞到軸承座支撐軸瓦的影響；⑤其他影響，如大氣溫度。

圖1 離心風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)

2.1 軸瓦溫度分解

軸瓦從停止?fàn)顟B(tài)到正常運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)是逐步升溫到溫度穩(wěn)定的過程，通常升溫到120 ℃以內(nèi)某個溫度輕微波動后溫度運(yùn)行。

2.2 潤滑油溫分解

離心風(fēng)機(jī)稀油潤滑供油溫度通常在（30～50）℃，吸收軸瓦溫度，即潤滑冷卻軸瓦后，在比供油溫度高的狀態(tài)下回油。

2.3 風(fēng)機(jī)葉輪做功后介質(zhì)溫度分解

由于葉輪是把電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能后再轉(zhuǎn)化成介質(zhì)動能的部件，被做功后的介質(zhì)溫度提升，會通過空氣對流和葉輪及軸熱傳遞到軸承座的軸瓦，這個過程很容易通過一般的溫度檢測儀順著葉輪到軸承座方向的梯度分析找出此因子影響。

2.4 電機(jī)運(yùn)行發(fā)熱傳遞分解

電機(jī)運(yùn)行過程中也會產(chǎn)生熱量，會通過空氣對流和電機(jī)軸熱傳遞到軸承座的軸瓦，這個過程很容易通過一般的溫度檢測儀順著電機(jī)軸到軸承座方向的梯度分析找出此因子影響。

2.5 其他因子的分解

如大氣溫度等因子影響等，或者周圍環(huán)境溫度的因子影響要視具體情況分析，這里不過多討論。

根據(jù)前面的因子分解，影響風(fēng)機(jī)軸承座軸瓦溫度的各個因子情況見圖2。

圖2 影響風(fēng)機(jī)軸承座軸瓦溫度的各個因子

3 關(guān)于振動參數(shù)的分解和疊加原理

溫度、振動通常在統(tǒng)一檢測點(diǎn)檢測，都在傳動軸承座處。振動的表征值可以是振動加速度、振動速度和振幅，在機(jī)械設(shè)備振動檢測上，振動速度比較直接。振動產(chǎn)生的原因主要是零部件運(yùn)動過程中的碰撞、擠壓、摩擦以及殘余不平衡等造成，這些與零部件加工精度有關(guān)，也與零部件損壞程度有關(guān)。機(jī)械設(shè)備的振動通過傳動鏈和支撐結(jié)構(gòu)件傳遞，檢測點(diǎn)檢測到的振動參數(shù)是多個振動的疊加，分解這些疊加因子，就可以分析出振動異常的部位以及振動狀況。機(jī)械設(shè)備的振動大多是非簡諧的周期振動，任意周期振動都可以通過簡諧波分析，分解成一系列簡諧振動的疊加，根據(jù)數(shù)學(xué)原理非簡諧的周期振動可以用如下傅里葉函數(shù)由式（1）表示：

式中a0為直流分量，ωO為基頻，φ＝arctanbn/an，An、ω、φ 之間的變化形成的圖形是一些離散的垂線，也就是頻譜。頻譜分析實(shí)際也就是因子分解，其各個頻率段上顯示的振動速度、振動位移或者振動加速度可以很直觀的分析出來，如圖3 所示。

幅頻特征圖中表達(dá)了在基頻的幅值和多次諧波的幅值，根據(jù)不同部位零部件產(chǎn)生的頻率不同，對應(yīng)分解和分析不同部位零部件運(yùn)行情況。

圖3 幅頻特征

4 關(guān)于聲音的分解和疊加

機(jī)械設(shè)備運(yùn)行部件摩擦、擠壓和碰撞產(chǎn)生聲音，通常稱為噪聲，屬于機(jī)械結(jié)構(gòu)振動性噪聲，耳朵可以聽到的是（20～20 000）Hz的頻率段，所有噪聲基本上是整個設(shè)備各個部位產(chǎn)生的噪聲的矢量疊加，聲音是波，也有能量，除真空中不能傳播外，可以通過各種介質(zhì)進(jìn)行傳播。噪聲的分析在設(shè)備狀態(tài)分析上有許多儀器儀表來檢測和分析，生產(chǎn)過程中，設(shè)備正常運(yùn)行，產(chǎn)生的噪聲也基本是平穩(wěn)的，但設(shè)備運(yùn)行異常時，噪聲也就不平穩(wěn)，甚至尖叫，噪聲是判斷設(shè)備運(yùn)行狀況的重要參數(shù)，有時是聽到異常噪聲后，說明設(shè)備已經(jīng)產(chǎn)生故障或隱患擴(kuò)大，才開始通過溫度和振動檢測來分析設(shè)備狀況，檢查設(shè)備問題出處。噪聲源和振動源是統(tǒng)一的，噪聲變化，振動和溫度也會變化，這3 個參數(shù)相互映證，同向發(fā)展。一般的機(jī)械設(shè)備運(yùn)行噪聲不需要直接用儀器分解判斷噪聲源和噪聲等級，感到噪聲異常后直接通過溫度和振動分析來判斷，同時，不同部位產(chǎn)生的噪聲不同來輔助分解判斷，最后疊加結(jié)果與振動是一致的，這是噪聲分解和疊加的特殊性。

5 結(jié)束語

溫度、振動和噪聲是任何一臺機(jī)械設(shè)備運(yùn)行過程中必然顯示出來的特征參數(shù)，這3 個參數(shù)相互印證、同向發(fā)展，之間密閉可分。通過這3 個參數(shù)的分解，實(shí)現(xiàn)對整套設(shè)備的各個組成部位的特征分析，通過各個組成部位的特征分析和判斷，疊加出整體設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。運(yùn)用這種思路和方法，能有效提高設(shè)備狀態(tài)運(yùn)行管理和維護(hù)，隨著國家工業(yè)智能制造發(fā)展方向，也為設(shè)備實(shí)現(xiàn)智能化運(yùn)行和維護(hù)提供基礎(chǔ)。