王貴軍 姜波

【摘 要】本文對機械設備振動監(jiān)測和故障診斷技術的組成、功能及其發(fā)展進行了綜述，主要介紹振動測試、特征提取、狀態(tài)識別及其裝置的發(fā)展，并展望它們的發(fā)展趨勢。

【關鍵詞】振動監(jiān)；故障診斷；特征提?。粻顟B(tài)識別

機械分為旋轉機械和往復機械兩種類型，它們在組成結構、動力學特征以及工作原理等方面都有所不同，故障信號的表現形式也存在差異。旋轉機械是工業(yè)上應用最廣泛的機械。許多大型旋轉機械，如：離心泵、電動機、發(fā)動機、發(fā)電機、壓縮機、汽輪機、軋鋼機等，還是石化、電力、冶金、煤炭、核能等行業(yè)中的關鍵設備，對這些設備加強監(jiān)測，防止發(fā)生故障，具有十分重要的意義。本世紀以來，隨著機械工業(yè)的迅速發(fā)展，現代機械工程中的機械設備朝著輕型化、大型化、重載化和高度自動化等方向發(fā)展。機械設備管理是一項嚴謹的工作，它需要對設備建立一個完善的科學管理體系，利用現代科學的監(jiān)測儀器、系統(tǒng)運行狀態(tài)參數，認知設備狀態(tài)。做到設備靜態(tài)、動態(tài)信息完整化、數字化，即有據可依，有數可查，實現科學的信息綜合處理。只要能夠正確識別設備的振動信息就可掌握設備的動態(tài)，把握設備的維修周期。機械故障診斷就是通過測量機器的信息，比如振動信號，判斷其運行狀態(tài)的一種現代化設備管理方法，振動現象與其運行狀態(tài)有著對應的關系。

1.應用振動分析診斷旋轉機械設備故障

1.1轉子不平衡

轉子不平衡引起的振動是旋轉機械的常見的多發(fā)故障。產生不平衡的原因：旋轉機械轉軸上所裝配的零部件，如果材質不均勻（如鑄件中存在氣孔、砂眼，加工誤差）、裝配偏心以及在長期運行中產生不均勻磨損、腐蝕、變形，或者某些固定件松脫、各種附著物不均勻堆積等各種原因，都會導致零件發(fā)生質心偏移而造成不平衡。不平衡包括靜不平衡和動不平衡。不平衡振動的頻率一般很明顯，主要表現不平衡轉子的故障頻率等于轉子的旋轉頻率。除此之外，不平衡振動還會激起其他頻率成分例如分頻、倍頻等。影響不平衡振動的主要因素有三個，即轉子質量、質心到兩軸承連線的垂直距離（即偏心距）、轉子的旋轉角速度。轉子旋轉時產生的離心力，這個離心力作用在支撐轉子的兩個軸承上，方向垂直于軸承中心。在診斷不平衡故障時，首先必須分析信號和頻率成分，是否有突出的轉頻，其次看振動的方向特征，必要時再分析振幅隨轉速的變化情況，或測量相位。

1.2轉子不對中

轉子不對中也是旋轉機械常見故障之一，主要包括轉子與轉子之間的連接不對中，主要反映在聯軸器的對中性上；轉子軸頸與兩端軸承不對中。對滑動軸承來說，這種情況產生的主要原因與軸承是否形成良好的油膜有直接關系。對滾動軸承來講，主要是因為兩端軸承座孔不同軸、軸承元件損壞、外圈配合松動，兩端支座變形等（對電動機而言是前后端蓋），都會引起不對中。轉子不對中將產生一種附加彎矩，給軸承增加一種附加荷，致使軸承上的負荷重新分配，形成附加激勵引起機組強烈拆動等后果。不對中主要激發(fā)二倍轉頻或多倍轉頻振動。振動大小與不對中形式有一定關系，一般表現為軸向振動比較大。不對中引起的振動其振幅值與機器的負荷有一定的關系，一般隨著負荷的增加而成正比的增加，然而對轉速的變化影響不大。

1.3機械松動

機械松動也是旋轉機械比較常見的故障，松動有兩種情況，一種是地腳螺栓連接松動。它帶來的后果是引起整個機器松動。另一種情況是零件之間正常的配合關系被破壞造成配合間隙超差而引起的松動，比如滾動與軸承的內圈與轉軸或外圈與軸承座孔之間的配合，因喪失了配合精度而造成松動。由松動引起的振動具有一定的非線性，其振動信號的頻率成分相當復雜，除了基頻（等于轉頻）以外，還產生高頻次諧波和分頻振動，頻譜結構成梳狀，有時還表現出一些方向特征很明顯，主要在垂直方向很強烈。

1.4摩擦

摩擦故障形式有多種多樣。如轉子與密封件的摩擦，轉子與隔板之間的摩擦，電動機轉子與定子的摩擦，葉輪、齒輪、風扇與機殼或護罩的摩擦、滾動軸承外圈與軸承孔、以及轉軸與軸承內圈或轉軸與其他零件因配合松動而引發(fā)的摩擦。摩擦一般引起非線性振動，頻帶范圍較寬，除了一倍基頻外還有二倍基頻、三倍基頻等高次諧波，以及1/2、1/3等低次諧波。在某些情況下還會激起系統(tǒng)的固有頻率。摩擦振動的時域波形上常常表現為削波狀態(tài)，“截頭余弦”形狀的時域波形常被視為摩擦故障的重要標志。

2.振動監(jiān)測技術

目前，監(jiān)測機械設備狀態(tài)的手段雖然很多，但實踐證明，振動信號監(jiān)測是一種易于實現而又可靠的辦法。設備振動信號是設備狀態(tài)信息的載體，它蘊含了豐富的設備異?；蚬收系男畔ⅲ駝犹卣魇窃O備運行狀態(tài)好壞的重要標志。因此，振動測試是設備狀態(tài)信號采集的基本測試手段。對振動信號的檢測能夠獲得設備狀態(tài)的有效信息，對它的分析則是設備診斷領域中一個被廣泛采用的方法?，F代傳感技術的發(fā)展為振動信號的測試提供了有力的保證?，F代的振動測試都是采用電測法，即把待測的機械振動量的變化轉化成電量的變化，這種機——電轉換是通過傳感器來實現的。因此傳感器性能的好壞直接影響到振動測量結果的準確性和可靠性，從而影響分析和診斷結果的正確性。機械振動參數的測量分為接觸式測量和非接觸式測量。測量用傳感器主要采用電渦流傳感器、速度傳感器和加速度傳感器三種，一般分別用于低頻、中頻和高頻范圍的振動測量。近年來，微電子技術的新發(fā)展和新應用，微機化機械加工技術的不斷更新和加工工藝的不斷改進，現代動與沖擊測量傳感器正朝著更小、更輕、更可靠耐用和更價廉物美的方向發(fā)展。國內外不斷成功地研制和開發(fā)了微電容式、微應變式、石英振梁式、靜電平衡式等新型加速度傳感器以及激光測振儀等新型位移傳感器，這些傳感技術大大推動測試技術的發(fā)展。數據采集卡的性能不斷提高是計算機正確分析的前提。

高新技術的數采器件不斷出現、性能價格比不斷提高，A/D、放大器、模擬通道開關等芯片不斷有新產品世，這些高新技術產品使高速數據采集不再是一件困難的事。

3.結束語

在進行旋轉機械的故障診斷時，往往故障與征兆之間不完全是一一對應的關系，有時各種故障同時發(fā)生，使故障診斷起來更加復雜。隨著狀態(tài)監(jiān)測技術不斷的發(fā)展，故障診斷已成為一種新的工程技術。正確掌握振動標準也是一項重要的工作，除了采用絕對的國際標準外，企業(yè)還應根據不同設備的情況建立一套相對標準，即將測量值與初始值相比較作出判斷?？傊?，正確判斷故障，不僅需要掌握相關振動學方面的知識，還要對所測的設備非常了解，認真聽取現場操作人員、修理技術人員的意見后，才能得到符合實際情況的診斷結果。

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