振動點檢系統(tǒng)在設(shè)備故障診斷與維修中的應(yīng)用

雒補清，劉衛(wèi)勝，秦 鵬，趙軒達

（晉西工業(yè)集團有限責(zé)任公司，山西太原 030027）

0 引言

設(shè)備是企業(yè)規(guī)模和現(xiàn)代化水平的一個重要標(biāo)志，也是社會生產(chǎn)力的重要因素，是企業(yè)完成生產(chǎn)任務(wù)的重要載體。因此如何管好、用好、維護好設(shè)備以及提高設(shè)備完好率、保證設(shè)備正常運行，是每位企業(yè)設(shè)備運維人員的重要責(zé)任。

近年來機械行業(yè)日益朝智能化、高速化、精密化的方向發(fā)展，其工作性能不斷改善，自動化程度和生產(chǎn)效率越來越高，機械設(shè)備的結(jié)構(gòu)也越來越復(fù)雜，出現(xiàn)的各類故障也有了新的變化。因此如何盡快診斷設(shè)備故障并加以解決，是設(shè)備維修人員面臨的主要課題。

1 設(shè)備故障情況

在運行過程中，設(shè)備內(nèi)部零件要承受力、熱、摩擦、磨損、腐蝕等多種作用，隨著使用時間的增長，其運行狀態(tài)不斷變化，有的性能將逐步退化，從而發(fā)生零部件的失效。設(shè)備故障一般是指設(shè)備失去或降低其規(guī)定功能的事件或現(xiàn)象，表現(xiàn)為設(shè)備的某些零部件失去原有的精度或性能，使設(shè)備不能正常運行，從而影響整個生產(chǎn)流程的正常運作。

設(shè)備發(fā)生故障的現(xiàn)象有很多，通常按其屬性分為電氣故障、機械故障、液壓與氣動故障等，其中尤以機械故障較多。并且機械故障維修成本高、維修時間長，對設(shè)備影響也較大。

2 機械故障原因分析

在機械故障的誘因中，振動是一項很重要的因素，故障發(fā)生后往往會以振動的形式向外界反饋。機械振動也是工業(yè)機械設(shè)備運行中常見的一種現(xiàn)象，一般情況下機械振動是有害的，因為振動會破壞機械的正常運作。但是在機械設(shè)備運行過程中，設(shè)備振動信號承載著設(shè)備的狀態(tài)信息，蘊含了豐富的設(shè)備異常或故障的信息，可以說振動特征是設(shè)備運行狀態(tài)優(yōu)劣的重要標(biāo)志。

在振動引起的故障中，實際診斷與維修過程中對振動不易測量，很多振動指標(biāo)無法量化，以前大多靠維修人員憑經(jīng)驗利用耳聽手摸的方法進行判斷，這樣的方式往往會導(dǎo)致無法準(zhǔn)確判斷故障原因，無法量化測量結(jié)果，增加故障診斷與維修的難度。因此，基于振動信號的故障監(jiān)測在設(shè)備診斷領(lǐng)域中是一種極為可靠有效的辦法。

3 設(shè)備應(yīng)用現(xiàn)狀

晉西工業(yè)集團有限責(zé)任公司現(xiàn)有設(shè)備中回轉(zhuǎn)類加工設(shè)備占比達到80%以上，振動引起的不平衡、不對中等問題常常使得軸承、主軸等旋轉(zhuǎn)零部件極易出現(xiàn)磨損故障，進而引起設(shè)備整體使用壽命的縮減。例如，數(shù)控機床的主軸部件更換軸承后，無法監(jiān)測動平衡，如果動平衡不能滿足要求就會出現(xiàn)以下問題：①主軸軸承使用壽命縮短，而主軸軸承價格昂貴，這樣會增加生產(chǎn)成本；②初始調(diào)定的主軸精度如徑向跳動、端向竄動等不能連續(xù)保持；③影響主電機軸承的使用壽命；④嚴(yán)重影響主軸驅(qū)動模塊和電源模塊的壽命。

同時，由于振動是相互串聯(lián)的，傳動鏈上只要有一組發(fā)生振動，整個傳動鏈就會產(chǎn)生振動，但傳動鏈上產(chǎn)生振動的振動源僅憑經(jīng)驗不易確定。傳動鏈上的振動產(chǎn)生的原因可能有以下3 種：①導(dǎo)軌無潤滑發(fā)生干摩擦產(chǎn)生振動；②軸承損壞引起振動；③電機本身產(chǎn)生振動。

日常維修中還存在著維修后重新裝配過程中動平衡不準(zhǔn)確，出現(xiàn)新的機械振動的現(xiàn)象。應(yīng)用振動分析儀對設(shè)備進行狀態(tài)檢測，雖然不能作為設(shè)備大修周期確定的惟一依據(jù)，但是非常必要的參考條件，同時也是設(shè)備大修后必要的驗收手段。

4 機械振動原理

描述機械振動的3 個基本要素是振幅、頻率和相位，簡稱振動的三要素。

（1）振動幅值簡稱振幅，是描述振動體偏離其平衡位置大小的物理量，反映了設(shè)備振動的強弱。在振動簡易診斷中，常常用振幅的大小作為判斷設(shè)備運行狀態(tài)的依據(jù)。在振動測量中，振動的幅值一般用峰值、有效值或平均值來度量振動的量級。

（2）振動頻率是指單位時間內(nèi)振動的次數(shù)。在機械設(shè)備中，每一個運動著的零部件都有其特定的固有頻率和振動頻率。通過分析設(shè)備的頻率特征，可以判斷設(shè)備的工作狀態(tài)。

（3）振動相位是指在任意時刻振動體所處的位置。在振動的合成中可以看到，相同的振動如果相位不同，能合成為不同的振動。在故障診斷中，設(shè)備振動相位的變化往往反映一些特定的故障。

振幅分別用振動位移、振動速度、振動加速度值加以描述、度量，三者相互之間可以通過微分或積分進行換算。在振動測量中，習(xí)慣上振動位移的量值為峰峰值，振動速度的量值為有效值（均方根值），振動加速度的量值是單峰值。

監(jiān)測點主要選擇在旋轉(zhuǎn)機械上，如電機的軸承座、主軸的支承點等部位，是旋轉(zhuǎn)機械的主要組成部分。

5 振動點檢系統(tǒng)的具體應(yīng)用

振動點檢系統(tǒng)是集振動測量分析、數(shù)據(jù)采集、趨勢分析、故障診斷、現(xiàn)場動平衡、起停車分析、軸心軌跡、固有頻率和臨界轉(zhuǎn)速共振頻率測量于一身的多功能分析儀器，它具備強大的監(jiān)測功能，能夠?qū)φ駝又械亩喾N技術(shù)指標(biāo)進行測量，同時多通道測量還能夠保證監(jiān)測的同步性和直觀性。在監(jiān)測的基礎(chǔ)上，振動點檢系統(tǒng)還能夠通過對速度、加速度、位移等測量數(shù)據(jù)進行頻譜分析和相位分析，具體判斷出故障的位置以及類型，并對每一次故障測量進行記錄分析，建立故障分析數(shù)據(jù)庫，對數(shù)據(jù)管理的同時最終實現(xiàn)對設(shè)備的周期性監(jiān)測。因此，對真空淬火爐風(fēng)機、強力旋壓機主電機及液壓電機等大型設(shè)備多次進行監(jiān)測、輔助修理，取得了良好效果。

5.1 真空淬火爐風(fēng)機

真空淬火爐頂部安裝有一臺大功率風(fēng)機，由一臺315 kW的2 極電機進行驅(qū)動。風(fēng)機轉(zhuǎn)速高達2990 r/min，由于負(fù)載大、使用時間長，設(shè)備故障高發(fā)。在設(shè)備巡回檢查中，多次對風(fēng)機側(cè)面的上、中、下和頂部共4 個點進行監(jiān)測，形成記錄作為振動檔案（表1）。在設(shè)備發(fā)生故障以后對修理效果進行監(jiān)測，和正常數(shù)據(jù)對比，判斷修理情況（表2～表3）。其中，監(jiān)測點A 點位于風(fēng)機側(cè)面底部，B 點位于風(fēng)機側(cè)面中部，C 點位于風(fēng)機側(cè)面上部，D點位于風(fēng)機頂部。

表1 正常情況下的振動數(shù)據(jù)值 mm/s

表2 巡檢中測到的振動數(shù)據(jù)值 mm/s

表3 修理后測到的振動數(shù)據(jù)值 mm/s

對照國家大型風(fēng)機（電機功率≥75 kW）振動質(zhì)量評級標(biāo)準(zhǔn)ISO 2372《設(shè)備振動標(biāo)準(zhǔn)》，表2 中C 點的振動烈度已經(jīng)遠超出振動標(biāo)準(zhǔn)合格值（11.2 mm/s），說明風(fēng)機軸承磨損較嚴(yán)重或存在其他問題，面臨損壞的風(fēng)險。為避免突然損壞可帶來的不利影響，決定提前進行修理。經(jīng)過更換電機轉(zhuǎn)子軸、采用進口SKF 軸承、重新制作上端蓋軸承室、修整風(fēng)葉、轉(zhuǎn)子帶風(fēng)葉動平衡校正等多項措施，修理完成后安裝到真空爐并進行試驗，振動數(shù)據(jù)值較?。ū?），滿足ISO 2372 標(biāo)準(zhǔn)振動烈度值。說明修理效果良好，達到了預(yù)防性維修的要求。

5.2 強力旋壓機液壓站電機和主軸電機振動測試

這臺進口設(shè)備已經(jīng)使用了17 年，某天90 kW 的液壓站電機運行中突然聲音異常，經(jīng)測量電機前端蓋部位振動數(shù)據(jù)達到14.8 mm/s，已經(jīng)超出該功率電機的振動標(biāo)準(zhǔn)值。用手觸摸電機前后端蓋，明顯感覺到電機前端蓋部位振動較大。因此在電機未完全損壞的情況下對其進行修理，更換前后軸承后恢復(fù)正常。

該設(shè)備主軸也出現(xiàn)類似情況，在運行過程中操作人員發(fā)現(xiàn)聲音異常，初始維修人員判定是主軸故障。后用振動點檢系統(tǒng)測量主軸卡盤根部上、下、側(cè)面振動，振動數(shù)值很小未發(fā)現(xiàn)異常。繼續(xù)檢查傳動鏈上游，打開主軸電機護罩，檢查130 kW 的主軸異步電機，用振動點檢系統(tǒng)測試電機前后軸承部位上、下、側(cè)面的振動值，前后明顯不一，且前端軸承處（靠近皮帶輪處）數(shù)值較大。隨后立即對該主軸電機更換軸承并進行動平衡修理，使用效果良好。

5.3 在立式加工中心設(shè)備上進行監(jiān)測

一臺新購進的國產(chǎn)四軸聯(lián)動立式加工中心，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速達到3100 r/min 時，機床床身、主軸等振動較大，加工的產(chǎn)品刀紋較粗，不能滿足產(chǎn)品工藝要求。后用設(shè)備振動點檢系統(tǒng)測量，在轉(zhuǎn)速為500 r/min、1000 r/min、1500 r/min、2000 r/min、2500 r/min、3000 r/min、3500 r/min 等速度段依次測量，發(fā)現(xiàn)當(dāng)轉(zhuǎn)速超過3000 r/min 后，振動數(shù)據(jù)明顯加大，具體為轉(zhuǎn)速在3100～3800 r/min振動數(shù)值最為明顯，其他速度段則比較平穩(wěn)。機床廠家對此問題多次進行整改，略有好轉(zhuǎn)，但仍不能完全消除振動。在此情況下提醒編程及操作人員，合理選用主軸轉(zhuǎn)速范圍，避開振動較大的速度段，以滿足生產(chǎn)需求。

6 結(jié)束語

振動點檢系統(tǒng)是近年來廣泛使用的設(shè)備輔助診斷與修理儀器，對機械設(shè)備維修與管理裨益良多。其功能強大，性能先進，能幫助企業(yè)運維人員有效發(fā)現(xiàn)問題并加以解決。結(jié)合公司設(shè)備實際運行情況，定期定人對關(guān)鍵核心設(shè)備進行振動狀態(tài)監(jiān)測，將設(shè)備的運行健康狀態(tài)做到了可控、在控，避免設(shè)備的突發(fā)性事故，確保設(shè)備安全可靠,不斷探索和實現(xiàn)設(shè)備“定修”管理向“狀態(tài)”管理過渡，可以有效縮短設(shè)備修理時間，延長設(shè)備使用壽命，提高設(shè)備利用率。該系統(tǒng)的其他功能，如動平衡檢測、頻譜分析、數(shù)據(jù)庫建立等方法，仍需要進一步熟悉和使用，以徹底解決設(shè)備運行中存在的問題，為企業(yè)發(fā)展貢獻力量。