雒補(bǔ)清，劉衛(wèi)勝，秦 鵬，趙軒達(dá)

（晉西工業(yè)集團(tuán)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(gè)重要標(biāo)志，也是社會(huì)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(hù)好設(shè)備以及提高設(shè)備完好率、保證設(shè)備正常運(yùn)行，是每位企業(yè)設(shè)備運(yùn)維人員的重要責(zé)任。

近年來(lái)機(jī)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(dòng)化程度和生產(chǎn)效率越來(lái)越高，機(jī)械設(shè)備的結(jié)構(gòu)也越來(lái)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(yùn)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(shí)間的增長(zhǎng)，其運(yùn)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(yùn)行，從而影響整個(gè)生產(chǎn)流程的正常運(yùn)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(jī)械故障、液壓與氣動(dòng)故障等，其中尤以機(jī)械故障較多。并且機(jī)械故障維修成本高、維修時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)設(shè)備影響也較大。

2 機(jī)械故障原因分析

在機(jī)械故障的誘因中，振動(dòng)是一項(xiàng)很重要的因素，故障發(fā)生后往往會(huì)以振動(dòng)的形式向外界反饋。機(jī)械振動(dòng)也是工業(yè)機(jī)械設(shè)備運(yùn)行中常見的一種現(xiàn)象，一般情況下機(jī)械振動(dòng)是有害的，因?yàn)檎駝?dòng)會(huì)破壞機(jī)械的正常運(yùn)作。但是在機(jī)械設(shè)備運(yùn)行過程中，設(shè)備振動(dòng)信號(hào)承載著設(shè)備的狀態(tài)信息，蘊(yùn)含了豐富的設(shè)備異常或故障的信息，可以說振動(dòng)特征是設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)優(yōu)劣的重要標(biāo)志。

在振動(dòng)引起的故障中，實(shí)際診斷與維修過程中對(duì)振動(dòng)不易測(cè)量，很多振動(dòng)指標(biāo)無(wú)法量化，以前大多靠維修人員憑經(jīng)驗(yàn)利用耳聽手摸的方法進(jìn)行判斷，這樣的方式往往會(huì)導(dǎo)致無(wú)法準(zhǔn)確判斷故障原因，無(wú)法量化測(cè)量結(jié)果，增加故障診斷與維修的難度。因此，基于振動(dòng)信號(hào)的故障監(jiān)測(cè)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(tuán)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(dá)到80%以上，振動(dòng)引起的不平衡、不對(duì)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(jìn)而引起設(shè)備整體使用壽命的縮減。例如，數(shù)控機(jī)床的主軸部件更換軸承后，無(wú)法監(jiān)測(cè)動(dòng)平衡，如果動(dòng)平衡不能滿足要求就會(huì)出現(xiàn)以下問題：①主軸軸承使用壽命縮短，而主軸軸承價(jià)格昂貴，這樣會(huì)增加生產(chǎn)成本；②初始調(diào)定的主軸精度如徑向跳動(dòng)、端向竄動(dòng)等不能連續(xù)保持；③影響主電機(jī)軸承的使用壽命；④嚴(yán)重影響主軸驅(qū)動(dòng)模塊和電源模塊的壽命。

同時(shí)，由于振動(dòng)是相互串聯(lián)的，傳動(dòng)鏈上只要有一組發(fā)生振動(dòng)，整個(gè)傳動(dòng)鏈就會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，但傳動(dòng)鏈上產(chǎn)生振動(dòng)的振動(dòng)源僅憑經(jīng)驗(yàn)不易確定。傳動(dòng)鏈上的振動(dòng)產(chǎn)生的原因可能有以下3 種：①導(dǎo)軌無(wú)潤(rùn)滑發(fā)生干摩擦產(chǎn)生振動(dòng)；②軸承損壞引起振動(dòng)；③電機(jī)本身產(chǎn)生振動(dòng)。

日常維修中還存在著維修后重新裝配過程中動(dòng)平衡不準(zhǔn)確，出現(xiàn)新的機(jī)械振動(dòng)的現(xiàn)象。應(yīng)用振動(dòng)分析儀對(duì)設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)檢測(cè)，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(shí)也是設(shè)備大修后必要的驗(yàn)收手段。

4 機(jī)械振動(dòng)原理

描述機(jī)械振動(dòng)的3 個(gè)基本要素是振幅、頻率和相位，簡(jiǎn)稱振動(dòng)的三要素。

（1）振動(dòng)幅值簡(jiǎn)稱振幅，是描述振動(dòng)體偏離其平衡位置大小的物理量，反映了設(shè)備振動(dòng)的強(qiáng)弱。在振動(dòng)簡(jiǎn)易診斷中，常常用振幅的大小作為判斷設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的依據(jù)。在振動(dòng)測(cè)量中，振動(dòng)的幅值一般用峰值、有效值或平均值來(lái)度量振動(dòng)的量級(jí)。

（2）振動(dòng)頻率是指單位時(shí)間內(nèi)振動(dòng)的次數(shù)。在機(jī)械設(shè)備中，每一個(gè)運(yùn)動(dòng)著的零部件都有其特定的固有頻率和振動(dòng)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(dòng)相位是指在任意時(shí)刻振動(dòng)體所處的位置。在振動(dòng)的合成中可以看到，相同的振動(dòng)如果相位不同，能合成為不同的振動(dòng)。在故障診斷中，設(shè)備振動(dòng)相位的變化往往反映一些特定的故障。

振幅分別用振動(dòng)位移、振動(dòng)速度、振動(dòng)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(jìn)行換算。在振動(dòng)測(cè)量中，習(xí)慣上振動(dòng)位移的量值為峰峰值，振動(dòng)速度的量值為有效值（均方根值），振動(dòng)加速度的量值是單峰值。

監(jiān)測(cè)點(diǎn)主要選擇在旋轉(zhuǎn)機(jī)械上，如電機(jī)的軸承座、主軸的支承點(diǎn)等部位，是旋轉(zhuǎn)機(jī)械的主要組成部分。

5 振動(dòng)點(diǎn)檢系統(tǒng)的具體應(yīng)用

振動(dòng)點(diǎn)檢系統(tǒng)是集振動(dòng)測(cè)量分析、數(shù)據(jù)采集、趨勢(shì)分析、故障診斷、現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)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(cè)量于一身的多功能分析儀器，它具備強(qiáng)大的監(jiān)測(cè)功能，能夠?qū)φ駝?dòng)中的多種技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)多通道測(cè)量還能夠保證監(jiān)測(cè)的同步性和直觀性。在監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，振動(dòng)點(diǎn)檢系統(tǒng)還能夠通過對(duì)速度、加速度、位移等測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)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(duì)每一次故障測(cè)量進(jìn)行記錄分析，建立故障分析數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)數(shù)據(jù)管理的同時(shí)最終實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的周期性監(jiān)測(cè)。因此，對(duì)真空淬火爐風(fēng)機(jī)、強(qiáng)力旋壓機(jī)主電機(jī)及液壓電機(jī)等大型設(shè)備多次進(jìn)行監(jiān)測(cè)、輔助修理，取得了良好效果。

5.1 真空淬火爐風(fēng)機(jī)

真空淬火爐頂部安裝有一臺(tái)大功率風(fēng)機(jī)，由一臺(tái)315 kW的2 極電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速高達(dá)2990 r/min，由于負(fù)載大、使用時(shí)間長(zhǎng)，設(shè)備故障高發(fā)。在設(shè)備巡回檢查中，多次對(duì)風(fēng)機(jī)側(cè)面的上、中、下和頂部共4 個(gè)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，形成記錄作為振動(dòng)檔案（表1）。在設(shè)備發(fā)生故障以后對(duì)修理效果進(jìn)行監(jiān)測(cè)，和正常數(shù)據(jù)對(duì)比，判斷修理情況（表2～表3）。其中，監(jiān)測(cè)點(diǎn)A 點(diǎn)位于風(fēng)機(jī)側(cè)面底部，B 點(diǎn)位于風(fēng)機(jī)側(cè)面中部，C 點(diǎn)位于風(fēng)機(jī)側(cè)面上部，D點(diǎn)位于風(fēng)機(jī)頂部。

表1 正常情況下的振動(dòng)數(shù)據(jù)值 mm/s

表2 巡檢中測(cè)到的振動(dòng)數(shù)據(jù)值 mm/s

表3 修理后測(cè)到的振動(dòng)數(shù)據(jù)值 mm/s

對(duì)照國(guó)家大型風(fēng)機(jī)（電機(jī)功率≥75 kW）振動(dòng)質(zhì)量評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)ISO 2372《設(shè)備振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》，表2 中C 點(diǎn)的振動(dòng)烈度已經(jīng)遠(yuǎn)超出振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)合格值（11.2 mm/s），說明風(fēng)機(jī)軸承磨損較嚴(yán)重或存在其他問題，面臨損壞的風(fēng)險(xiǎn)。為避免突然損壞可帶來(lái)的不利影響，決定提前進(jìn)行修理。經(jīng)過更換電機(jī)轉(zhuǎn)子軸、采用進(jìn)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(dòng)平衡校正等多項(xiàng)措施，修理完成后安裝到真空爐并進(jìn)行試驗(yàn)，振動(dòng)數(shù)據(jù)值較?。ū?），滿足ISO 2372 標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)烈度值。說明修理效果良好，達(dá)到了預(yù)防性維修的要求。

5.2 強(qiáng)力旋壓機(jī)液壓站電機(jī)和主軸電機(jī)振動(dòng)測(cè)試

這臺(tái)進(jìn)口設(shè)備已經(jīng)使用了17 年，某天90 kW 的液壓站電機(jī)運(yùn)行中突然聲音異常，經(jīng)測(cè)量電機(jī)前端蓋部位振動(dòng)數(shù)據(jù)達(dá)到14.8 mm/s，已經(jīng)超出該功率電機(jī)的振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)值。用手觸摸電機(jī)前后端蓋，明顯感覺到電機(jī)前端蓋部位振動(dòng)較大。因此在電機(jī)未完全損壞的情況下對(duì)其進(jìn)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(yùn)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(dòng)點(diǎn)檢系統(tǒng)測(cè)量主軸卡盤根部上、下、側(cè)面振動(dòng)，振動(dòng)數(shù)值很小未發(fā)現(xiàn)異常。繼續(xù)檢查傳動(dòng)鏈上游，打開主軸電機(jī)護(hù)罩，檢查130 kW 的主軸異步電機(jī)，用振動(dòng)點(diǎn)檢系統(tǒng)測(cè)試電機(jī)前后軸承部位上、下、側(cè)面的振動(dòng)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(duì)該主軸電機(jī)更換軸承并進(jìn)行動(dòng)平衡修理，使用效果良好。

5.3 在立式加工中心設(shè)備上進(jìn)行監(jiān)測(cè)

一臺(tái)新購(gòu)進(jìn)的國(guó)產(chǎn)四軸聯(lián)動(dòng)立式加工中心，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速達(dá)到3100 r/min 時(shí)，機(jī)床床身、主軸等振動(dòng)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(dòng)點(diǎn)檢系統(tǒng)測(cè)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(cè)量，發(fā)現(xiàn)當(dāng)轉(zhuǎn)速超過3000 r/min 后，振動(dòng)數(shù)據(jù)明顯加大，具體為轉(zhuǎn)速在3100～3800 r/min振動(dòng)數(shù)值最為明顯，其他速度段則比較平穩(wěn)。機(jī)床廠家對(duì)此問題多次進(jìn)行整改，略有好轉(zhuǎn)，但仍不能完全消除振動(dòng)。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(dòng)較大的速度段，以滿足生產(chǎn)需求。

6 結(jié)束語(yǔ)

振動(dòng)點(diǎn)檢系統(tǒng)是近年來(lái)廣泛使用的設(shè)備輔助診斷與修理儀器，對(duì)機(jī)械設(shè)備維修與管理裨益良多。其功能強(qiáng)大，性能先進(jìn)，能幫助企業(yè)運(yùn)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(shí)際運(yùn)行情況，定期定人對(duì)關(guān)鍵核心設(shè)備進(jìn)行振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)，將設(shè)備的運(yùn)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(shí)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(shí)間，延長(zhǎng)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(dòng)平衡檢測(cè)、頻譜分析、數(shù)據(jù)庫(kù)建立等方法，仍需要進(jìn)一步熟悉和使用，以徹底解決設(shè)備運(yùn)行中存在的問題，為企業(yè)發(fā)展貢獻(xiàn)力量。