方越 卓微科技
1.介紹
本指南向機(jī)械維修人員介紹用于檢測(cè)和分析機(jī)器部件故障的狀態(tài)監(jiān)測(cè)分析方法。
本指南并不打算使讀者成為一名分析專家。它只是告訴讀者一些常見的分析方法，并為理解機(jī)械分析的概念奠定基礎(chǔ)。此外，它還告訴讀者對(duì)特定機(jī)器進(jìn)行實(shí)際分析需要什么。
規(guī)則1：知道你知道什么，不知道什么！
經(jīng)常，會(huì)出現(xiàn)在分析數(shù)據(jù)中找不到答案的情況。在這種時(shí)候，“我不知道”是Z好的回答。一個(gè)錯(cuò)誤的診斷可能代價(jià)昂貴，并可能迅速降低機(jī)械維護(hù)工人的信譽(yù)。因此，需要一個(gè)振動(dòng)專家來(lái)分析這個(gè)問題。
1.1 檢測(cè)與分析
檢測(cè)機(jī)械問題和分析導(dǎo)致機(jī)械問題的原因之間的差異是巨大的。把具有很大振動(dòng)的軸承更換成新軸承可能是、但也可能不是軸承故障的Z終解決方案。經(jīng)常的，機(jī)器中出現(xiàn)的機(jī)械故障會(huì)導(dǎo)致軸承過早故障。要根本性的解決問題，必須找到軸承故障的相關(guān)因素或根本原因（如不對(duì)中、松動(dòng)、不平衡）。如果沒有遵循這一重要步驟，僅僅只是簡(jiǎn)單的更換軸承，而不是建立狀態(tài)監(jiān)測(cè)的解決方案，事故就會(huì)重復(fù)發(fā)生。盡早發(fā)現(xiàn)機(jī)械問題是十分必要的，這樣才能有效的計(jì)劃維修行動(dòng)和盡量減少停機(jī)時(shí)間。一旦檢測(cè)到異常，必須分析導(dǎo)致問題的原因。然后采用基于狀態(tài)監(jiān)測(cè)的解決方案，以防止問題再次發(fā)生。有一些關(guān)鍵知識(shí)為開發(fā)成功的狀況監(jiān)測(cè)軟件建立了基礎(chǔ)。首先，了解和理解行業(yè)術(shù)語(yǔ)。
1.2 振動(dòng)(振幅與頻率）
振動(dòng)是指機(jī)器的機(jī)械部件在對(duì)內(nèi)部或外部的力作出響應(yīng)時(shí)的行為。由于大多數(shù)旋轉(zhuǎn)部件問題都表現(xiàn)為振動(dòng)過大，由此，我們可以使用振動(dòng)信號(hào)來(lái)指示機(jī)器機(jī)械狀況。此外，每種機(jī)械問題或缺陷都會(huì)以其獨(dú)特的方式產(chǎn)生振動(dòng)。因此，我們分析了機(jī)器所表現(xiàn)的振動(dòng)的“模式”，以確定其原因，并制定適當(dāng)?shù)木S修步驟。
在分析振動(dòng)時(shí)，我們要觀察振動(dòng)信號(hào)的兩個(gè)成分：頻率和振幅。
頻率是事件在給定時(shí)間段內(nèi)發(fā)生的次數(shù)（振動(dòng)分析里的事件是指一個(gè)振動(dòng)周期）。振動(dòng)發(fā)生的頻率通常表示故障的類型。也就是說，某些類型的故障“典型的” 發(fā)生在特定的頻率。通過確定振動(dòng)發(fā)生的頻率，我們可以更清楚地了解振動(dòng)的原因。
振幅是振動(dòng)信號(hào)的大小。振動(dòng)信號(hào)的振幅決定了故障的嚴(yán)重程度，振幅越高，問題越嚴(yán)重。振幅取決于機(jī)器的類型，安裝形式、功率大小等因素！在測(cè)量振動(dòng)時(shí)，我們會(huì)使用某些標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量方法：
♦整體振動(dòng)或趨勢(shì)
♦相位
♦包絡(luò)或解調(diào)
♦高頻檢測(cè)(HFD)
本指南可分為幾個(gè)部分。每一節(jié)都解釋了關(guān)鍵的主題，并通過例子幫助讀者獲得清晰的理解。同時(shí)還提供了一個(gè)術(shù)語(yǔ)表。對(duì)于任何不熟悉的術(shù)語(yǔ)，請(qǐng)參考術(shù)語(yǔ)表。
2.整體振動(dòng)或趨勢(shì)
在狀態(tài)監(jiān)測(cè)中，Z常見和Z合乎邏輯的分析方法首先是機(jī)器振動(dòng)的總值的趨勢(shì)。這被用來(lái)觀察機(jī)器的整體振動(dòng)水平的變化情況。
總體振動(dòng)是指在指定的頻率范圍內(nèi)測(cè)量到的總振動(dòng)能量。例如，測(cè)量轉(zhuǎn)子的整體振動(dòng)，并將測(cè)量值與其正常值進(jìn)行比較。
然后，評(píng)估任何不一致的地方。高于正常的整體振動(dòng)讀數(shù)表明某種原因?qū)е聶C(jī)器或部件增加其振動(dòng)水平。成功的關(guān)鍵是找到這個(gè)原因是什么。
振動(dòng)被認(rèn)為是判斷低頻相關(guān)故障的Z佳診斷參數(shù)，這類故障，如不平衡、不對(duì)中、機(jī)械松動(dòng)、結(jié)構(gòu)共振、軟基礎(chǔ)、軸彎曲、軸承過度磨損或轉(zhuǎn)子葉片丟失。
精確地確定是哪種故障，我們首先需要理解振動(dòng)信號(hào)的特征。振動(dòng)信號(hào)特征有兩個(gè)主要組成部分：頻率范圍和振動(dòng)參量。
2.1 頻率范圍
監(jiān)測(cè)設(shè)備決定了整個(gè)振動(dòng)讀數(shù)的頻率范圍。一些數(shù)據(jù)采集設(shè)備有自己預(yù)定義的頻率范圍。一些數(shù)據(jù)采集器允許用戶選擇總體振動(dòng)測(cè)量的頻率范圍。
不幸的是，關(guān)于哪個(gè)頻率范圍能Z好地衡量整體振動(dòng)(盡管標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)制定了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)定義)的爭(zhēng)論還在進(jìn)行。
作為一個(gè)類比，我們可以把頻率范圍想象成是一個(gè)桶。如果這個(gè)桶在開始下雨時(shí)放在地上，一些雨落在桶里，一些雨落在地上。落入桶內(nèi)的雨是在預(yù)設(shè)定的頻率范圍內(nèi)。而落到地面上的雨超出了規(guī)定的頻率范圍。
2.2 振動(dòng)參量
振動(dòng)參量決定振動(dòng)測(cè)量值是如何表達(dá)的，通常包含：峰值、峰峰值、平均值和有效值（均方根）。當(dāng)使用正弦波形時(shí)，這些參量是相互直接關(guān)系的。當(dāng)比較總體振動(dòng)值時(shí)，參量必須保持一致。圖1顯示了正弦波形的峰值，平均值，均方根，與峰峰值。
圖1 振動(dòng)參量
峰值表示從零參考測(cè)量到的波形頂部的距離。為了討論的目的，我們定義峰值為1.0。
峰峰值是從波形頂部到波形底部測(cè)量的振幅。
平均值是波形的平均振幅。純正弦波形的平均值為零（它與正和負(fù)一樣）。然而，大多數(shù)真實(shí)的振動(dòng)波形并不是純正弦波形。此外，不以零伏為中心的波形會(huì)產(chǎn)生非零的平均值。
而可視化如何導(dǎo)出RMS值則比較困難。實(shí)際上，有效值就是概率與統(tǒng)計(jì)中的均方根值。一般來(lái)說，有效值是由直流能量與交流能量之間的數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換推導(dǎo)出的。在技術(shù)上，在時(shí)間波形上，它是均方根(RMS)。在FFT譜上，它是一組瞬時(shí)平方之和的平方根。如果你測(cè)量了一個(gè)純正弦波，有效值是峰值的0.707倍。
注意：峰值和峰峰值的值可以是真實(shí)測(cè)量得到的，也可以是通過計(jì)算而來(lái)的。通常計(jì)算是根據(jù)RMS值計(jì)算出來(lái)的。
實(shí)際應(yīng)用中，不用關(guān)心具體的數(shù)學(xué)計(jì)算公式，因?yàn)闋顟B(tài)監(jiān)測(cè)儀器計(jì)算值并顯示結(jié)果。重要的是要記住要在相同的頻率范圍和參量上測(cè)量信號(hào)，特別是在進(jìn)行信號(hào)對(duì)比的時(shí)候。
注意：為了比較的目的，測(cè)量類型（比如振動(dòng)加速度、振動(dòng)速度、振動(dòng)位移）和位置也必須相同。
收集準(zhǔn)確、可重復(fù)和可用的數(shù)據(jù)是很重要的。您可以通過以下針對(duì)傳感器位置的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。
2.3 測(cè)量傳感器位置
在采集機(jī)械振動(dòng)數(shù)據(jù)時(shí)，選擇機(jī)械振動(dòng)測(cè)量點(diǎn)非常重要。避免涂漆表面、軸承非承載區(qū)、外殼剖分面和結(jié)構(gòu)間隙。這些領(lǐng)域的響應(yīng)能力較差，并損害了數(shù)據(jù)的完整性。
當(dāng)使用手持式傳感器測(cè)量振動(dòng)時(shí)，必須執(zhí)行一致的讀數(shù)，并密切注意傳感器的位置、角度和接觸壓力。
如果可能，振動(dòng)應(yīng)作為正交方向進(jìn)行測(cè)量（三個(gè)方向的位置）：
軸向(A:axial)
水平方向(H:horizontal)
垂直方向(V:vertical)
其中，水平方向和垂直方向也統(tǒng)稱作徑向(R:radial。表示沿著轉(zhuǎn)子直徑的方向)
對(duì)于臥式設(shè)備，水平測(cè)量通常顯示Z大的振動(dòng)，因?yàn)闄C(jī)器在水平方向上由于沒有支撐而剛度較小。此外，不平衡是Z常見的機(jī)械問題之一，不平衡產(chǎn)生部分水平和部分垂直振動(dòng)合成的徑向振動(dòng)。因此，過大的水平振動(dòng)是不平衡的良好指標(biāo)。
對(duì)于臥式設(shè)備，垂直測(cè)量通常顯示出比水平測(cè)量更小的振動(dòng)，因?yàn)樵O(shè)備的剛度受安裝和重力影響較水平方向更大。
在理想的條件下，軸向測(cè)量顯示很小的振動(dòng)，因?yàn)榇蠖鄶?shù)設(shè)備工作時(shí)的力垂直于軸的徑向。
然而，不對(duì)中和軸彎曲的問題會(huì)在軸向平面上產(chǎn)生振動(dòng)。
圖2 標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量位置示意圖
注意：以上這些描述僅作為“典型”機(jī)器的指導(dǎo)方針。垂直安裝的設(shè)備，或以某種方式不是“典型”的設(shè)備可能會(huì)表現(xiàn)出不同的響應(yīng)。
由于我們通常知道各種機(jī)械問題是如何在每個(gè)方向上振動(dòng)的變化和差別，因此在這三個(gè)方向上進(jìn)行的振動(dòng)讀數(shù)可以提供很好的故障診斷依據(jù)。
測(cè)量應(yīng)盡可能靠近軸承，并避免從空心外殼上采集振動(dòng)信號(hào)（外殼可能因共振或松動(dòng)而振動(dòng)）。
注意：進(jìn)行包絡(luò)或解調(diào)測(cè)量時(shí)，應(yīng)盡可能靠近軸承載荷區(qū)域。
如果選擇不將加速度傳感器或其他類型的振動(dòng)傳感設(shè)備永久安裝到機(jī)器上，請(qǐng)選擇一個(gè)平整表面安裝和使用加速度傳感器。測(cè)量應(yīng)在相同的精確位置進(jìn)行比較（移動(dòng)加速度傳感器只有幾十毫米就可以產(chǎn)生完全不同的振動(dòng)讀數(shù)）。為了確保每次都在準(zhǔn)確的位置進(jìn)行測(cè)量，用永久油墨標(biāo)記測(cè)量點(diǎn)。我們強(qiáng)烈建議盡可能使用永久安裝的傳感器。這確保了數(shù)據(jù)是可重復(fù)的和一致的。下面的內(nèi)容包含了加速度傳感器的安裝規(guī)范。如果無(wú)法永久安裝傳感器，請(qǐng)使用磁性安裝裝置。
角度：
始終垂直于表面（90°±10°）
壓力：
磁性安裝：表面應(yīng)無(wú)潤(rùn)滑脂油漆。
手持式：必須使用一致的手動(dòng)壓力。通常我們不建議使用此方法。
永久安裝：詳見圖3中的規(guī)范。
圖3 永久安裝的傳感器的規(guī)格示例
2.4 Z佳測(cè)量條件
理想情況下，應(yīng)在機(jī)器在正常條件下運(yùn)行時(shí)進(jìn)行測(cè)量。例如，當(dāng)轉(zhuǎn)子、軸承座和主軸承達(dá)到其正常穩(wěn)定的工作溫度，且機(jī)器的運(yùn)行速度在制造商的規(guī)格范圍內(nèi)（額定電壓、流量、壓力和負(fù)載）時(shí)，進(jìn)行測(cè)量。如果機(jī)器是變速機(jī)器，則應(yīng)在某一近似工況下進(jìn)行測(cè)量。這確保了機(jī)器的能量沒有過大的變化。我們建議偶爾在極端評(píng)級(jí)條件下進(jìn)行測(cè)量，以確保不會(huì)遺漏只在極端條件下出現(xiàn)的異常問題。
2.5 總體振動(dòng)趨勢(shì)
可能評(píng)估振動(dòng)嚴(yán)重程度Z有效和可靠的方法是將相同測(cè)量點(diǎn)的Z新總體振動(dòng)讀數(shù)與以前的讀數(shù)進(jìn)行比較。這允許您查?測(cè)量得到的振動(dòng)值是如何隨時(shí)間變化的總體趨勢(shì)。當(dāng)值顯示在趨勢(shì)圖中時(shí)，現(xiàn)在和過去讀數(shù)之間的趨勢(shì)比較很容易分析。
圖4 一個(gè)趨勢(shì)圖的示例
趨勢(shì)圖是一條折線圖，它顯示隨時(shí)間變化的當(dāng)前和過去的總體振動(dòng)值。過去的值應(yīng)該包括一個(gè)基線讀數(shù)�；�值可以在大修后或當(dāng)其他指示燈顯示機(jī)器運(yùn)行良好時(shí)獲得。將隨后的測(cè)量結(jié)果與基準(zhǔn)線進(jìn)行比較，以確定機(jī)械設(shè)備的變化。
隨著時(shí)間的推移，將機(jī)器與自身進(jìn)行比較是機(jī)器問題檢測(cè)的首選方法，因?yàn)槊颗_(tái)機(jī)器在其運(yùn)行過程中的測(cè)量值都是的。例如，一些部件的正常大小的振動(dòng)，對(duì)大多數(shù)機(jī)器來(lái)說將被認(rèn)為是有問題的。也就是說，目前的讀數(shù)可能導(dǎo)致分析師認(rèn)為存在問題，而趨勢(shì)圖和基線將清楚地顯示，對(duì)該機(jī)器來(lái)說這種程度的振動(dòng)是正常的。
ISO標(biāo)準(zhǔn)是一個(gè)很好的起點(diǎn)（直到機(jī)器自身的標(biāo)準(zhǔn)隨著監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)積累建立起來(lái)）。
ISO標(biāo)準(zhǔn)為多種類的機(jī)械定義了“好”或“不好”的狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)，但并不是“”的標(biāo)準(zhǔn)。請(qǐng)記住，每一臺(tái)機(jī)器都是：
♦不同方式制造
♦不同的安裝（基礎(chǔ)）
♦在不同條件下運(yùn)行（負(fù)載、速度、材料、環(huán)境）不同的維護(hù)保養(yǎng)
僅僅通過比較當(dāng)前的測(cè)量值與ISO標(biāo)準(zhǔn)或其他標(biāo)準(zhǔn)、或測(cè)量參數(shù)大小來(lái)判斷機(jī)器的狀況是不現(xiàn)實(shí)的。通過比較當(dāng)前值與歷史值，您可以輕松地看到機(jī)器的狀態(tài)隨時(shí)間的變化。
3.振動(dòng)測(cè)量方法
測(cè)量振動(dòng)是對(duì)周期性運(yùn)動(dòng)的測(cè)量。圖5中的彈簧質(zhì)量模型用來(lái)說明振動(dòng)。
圖5 彈簧質(zhì)量系統(tǒng)
當(dāng)運(yùn)動(dòng)時(shí)，質(zhì)量塊M在彈簧上振蕩。將振蕩視為隨時(shí)間變化的位置會(huì)產(chǎn)生一個(gè)正弦波。起點(diǎn)（當(dāng)質(zhì)量塊M處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)）是零點(diǎn)。一個(gè)完整的循環(huán)顯示質(zhì)量塊相對(duì)于其參考（零）的正位移和負(fù)位移。位移是指對(duì)象相對(duì)于參考對(duì)象的距離或位置的變化。位移的大小是以振幅來(lái)測(cè)量的。
位移有兩個(gè)可測(cè)量的導(dǎo)數(shù)：速度和加速度。
速度是位移隨時(shí)間的變化。它是移動(dòng)距離的變化率（如：毫米/秒）。
加速度是指速度的變化速率。例如，如果速度從0 增加到1米/秒需要1秒，則加速度為1米/每秒的平方()。
因此，振動(dòng)具有三個(gè)可測(cè)量的特性（參數(shù)）：位移、速度和加速度。雖然這三個(gè)參數(shù)在數(shù)學(xué)上是相關(guān)的，但它們是三個(gè)不同的特征表達(dá)，而不是相同特征的三個(gè)名稱。
3.1 振動(dòng)位移
在狀態(tài)監(jiān)測(cè)中通常以毫米或微米為單位測(cè)量，位移是物體相對(duì)于參考位置的距離變化。位移通常是用一個(gè)傳感器來(lái)測(cè)量的，通常被稱為位移探頭或渦流探頭來(lái)測(cè)量。位移探頭是一種測(cè)量?jī)蓚�(gè)表面之間的相對(duì)距離的非接觸裝置。
位移探頭通常會(huì)監(jiān)測(cè)軸的振動(dòng)，通常用于滑動(dòng)軸承的機(jī)器上。
位移探頭只測(cè)量軸或轉(zhuǎn)子相對(duì)于機(jī)器外殼的運(yùn)動(dòng)。如果機(jī)器和轉(zhuǎn)子一起移動(dòng)，即使機(jī)器可能嚴(yán)重振動(dòng)，位移測(cè)量也會(huì)很小或?yàn)?。
位移探頭也用于測(cè)量軸的相位。軸相位是軸上的已知標(biāo)記與振動(dòng)信號(hào)之間的角度差。這種角度關(guān)系用于轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡和軸心軌跡分析。
圖6 百分表（左）測(cè)量位移。一個(gè)常見的位移探頭（右，接觸式測(cè)量）
3.2 振動(dòng)速度
在狀態(tài)監(jiān)測(cè)中，速度測(cè)量以厘米/秒(cm/s)或毫米/秒(mm/sec)為單位進(jìn)行。速度是對(duì)信號(hào)位移變化速率的度量。它是Z常見的機(jī)器振動(dòng)測(cè)量方法。在歷史上，速度傳感器是Z早用于機(jī)器狀況監(jiān)測(cè)的電子傳感器之一。這部分是由于產(chǎn)生了等量的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)；無(wú)論頻率如?，速度都保持不變。然而，在低頻（低于10Hz）或高頻（2kHz以上），速度傳感器失去其有效性。
原來(lái)的速度傳感器使用一個(gè)線圈在磁場(chǎng)中振動(dòng)，以產(chǎn)生一個(gè)與機(jī)器的表面速度成正比的電壓。今天， 隨著低成本和通用加速度傳感器的到來(lái)，大多數(shù)速度值是通過將加速度讀數(shù)積分到速度域中得到的。
3.3 振動(dòng)加速度
加速度是指速度的變化速率，加速度可以用加速度傳感器來(lái)測(cè)量。加速度傳感器通常包含一個(gè)或多個(gè)壓電晶體元件和一個(gè)質(zhì)量塊。
圖7 加速度計(jì)
當(dāng)質(zhì)量塊和它們所附著的機(jī)械設(shè)備表面一起振動(dòng)時(shí)，晶體受到質(zhì)量塊運(yùn)動(dòng)發(fā)生的壓力。當(dāng)壓電晶體受力時(shí)，它產(chǎn)生與加速度成正比的電輸出。
加速度傳感器是在寬頻率范圍內(nèi)(0到400kHz以上，我們通常用到的是傳感器的安裝諧振頻，要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于加速度傳感器本身的頻帶范圍)工作的堅(jiān)固設(shè)備。這種檢查較寬頻率范圍的能力是加速度傳感器的主要優(yōu)勢(shì)（特別應(yīng)用于滾動(dòng)軸承和齒輪故障診斷）。然而，由于速度是監(jiān)測(cè)振動(dòng)Z常見的測(cè)量值，加速度測(cè)量通常被積分得到速度（要么在加速度傳感器內(nèi)部積分，要么由數(shù)據(jù)收集器進(jìn)行積分）。加速度單位為g，或m/秒平方。
我們可以通過在軸承座上安裝加速度計(jì)來(lái)測(cè)量?速度和推導(dǎo)速度。這些測(cè)量值由狀態(tài)監(jiān)測(cè)設(shè)備記錄、分析，并顯示為表格和圖表。振幅與時(shí)間的圖稱為時(shí)間波形。
1.1 時(shí)間波形分析
圖8中的時(shí)間波形圖說明了加速度傳感器或速度傳感器的信號(hào)振幅（y軸）隨時(shí)間（x軸）是如何顯示的。Z簡(jiǎn)單的時(shí)間波形是特定系統(tǒng)、機(jī)器或參數(shù)在一定時(shí)間內(nèi)發(fā)生的記錄。例如，地震儀測(cè)量了發(fā)生地震時(shí)地球在給定時(shí)間內(nèi)的震動(dòng)程度。這與在時(shí)間波形中記錄的內(nèi)容類似。（注：有一種振動(dòng)隨時(shí)間的變化圖稱為時(shí)間趨勢(shì)圖，其與時(shí)間波形圖的區(qū)別在于后者是短時(shí)間大量數(shù)據(jù)采集，通常是每秒采集成千上萬(wàn)個(gè)數(shù)據(jù)）
時(shí)間波形顯示了一個(gè)原始振動(dòng)的短時(shí)間樣本。雖然通常沒有其他分析格式那么有用，但時(shí)間波形分析可以提供關(guān)于機(jī)器狀態(tài)的線索，而這些線索在頻譜中并不總是明顯的。因此，時(shí)間波形應(yīng)被用作分析程序的一部分。有一些故障類型，在頻譜中不易分析，而在時(shí)間波形上十分明顯（比如：齒輪斷齒故障）。
圖8 一個(gè)時(shí)間波形的示例
未完待續(xù)......
成都卓微科技有限公司（卓微科技）致力于設(shè)備自診斷的關(guān)鍵器件和核心軟件研發(fā)。卓微科技的核心團(tuán)隊(duì)在傳感器領(lǐng)域、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)軟件開發(fā)和應(yīng)用方面具有豐富經(jīng)驗(yàn)；在四川德陽(yáng)羅江軍民融合基地建有生產(chǎn)和測(cè)試中心。
“卓爾不凡，見微知著”：精確診斷+智能識(shí)別是卓微科技在設(shè)備健康管理和故障診斷領(lǐng)域持續(xù)追求的目標(biāo)！
聯(lián)系電話：028-87816741 18908045531
郵箱地址：18908045531@189.cn
聯(lián)系地址：成都市成華區(qū)崔家店路75號(hào)航天科工通信技術(shù)研究院23樓
1011次
