旋轉(zhuǎn)機(jī)械的振動(dòng)狀態(tài)信號(hào)檢測(cè)與故障診斷

機(jī)械發(fā)明愛(ài)好者

2023年2月23日 11:20

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旋轉(zhuǎn)機(jī)械如發(fā)電機(jī)、壓縮機(jī)、齒輪、軸承等，在各行業(yè)均有廣泛應(yīng)用，是各領(lǐng)域的關(guān)鍵機(jī)械設(shè)備或機(jī)械設(shè)備的關(guān)鍵部件。

隨著科技的快速發(fā)展，旋轉(zhuǎn)設(shè)備朝著大型化和復(fù)雜化方向發(fā)展，一旦發(fā)生故障，損失十分嚴(yán)重。

旋轉(zhuǎn)設(shè)備通過(guò)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)其功能，在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)一些小故障，這些故障可能會(huì)引發(fā)連鎖反應(yīng)，進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)設(shè)備發(fā)生大故障。

旋轉(zhuǎn)機(jī)械在運(yùn)行過(guò)程中伴有振動(dòng)，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，振動(dòng)信號(hào)也會(huì)出現(xiàn)異常，所以對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，能夠?qū)υO(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)和對(duì)故障進(jìn)行診斷，這有著重要的現(xiàn)實(shí)意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

一、旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障類(lèi)型及振動(dòng)信號(hào)特點(diǎn)

旋轉(zhuǎn)機(jī)械因其運(yùn)行特點(diǎn)，引起故障主要有三種原因：不平衡，不對(duì)中和因轉(zhuǎn)子受損出現(xiàn)動(dòng)靜碰擦。不同故障類(lèi)型產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)也不相同，分析不同故障的振動(dòng)信號(hào)特點(diǎn)，是旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障的前提。

1. 不平衡

轉(zhuǎn)型機(jī)制運(yùn)行過(guò)程中，轉(zhuǎn)子不平衡是普遍存在的問(wèn)題。因離心慣性力存在周期性，從而對(duì)轉(zhuǎn)子的激勵(lì)作用力不同，就使得其難以平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)。當(dāng)產(chǎn)生此類(lèi)故障時(shí)，轉(zhuǎn)子的軸心軌跡呈橢圓形；振動(dòng)信號(hào)的原始時(shí)間波形一般呈正弦波形；在頻譜圖中，基頻所占比重很大，其他倍頻占比重很小，諧波能量主要集中在基頻。

2. 不對(duì)中

復(fù)雜旋轉(zhuǎn)機(jī)械中，往往一系列轉(zhuǎn)軸，如果出現(xiàn)軸系對(duì)中不良，將會(huì)使各軸承的相對(duì)位置、軸系的工作狀態(tài)等都發(fā)生改變，同時(shí)還會(huì)引起軸系固有振動(dòng)頻率的改變。

當(dāng)發(fā)生此類(lèi)故障時(shí)，振動(dòng)信號(hào)的原始時(shí)間波形會(huì)從常規(guī)的正弦波發(fā)生畸變；

ω為機(jī)械的旋轉(zhuǎn)頻率，頻譜圖中常以1ω和2ω為主，故障程度越嚴(yán)重，2ω所占的比例就愈大，通常會(huì)超過(guò)1ω的比例；

軸向振動(dòng)的頻譜圖中，1ω幅值較大，并且振幅和相位通常較穩(wěn)定。

3. 動(dòng)靜碰摩

轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過(guò)程中可能會(huì)局部受損，出現(xiàn)局部動(dòng)靜碰摩，并引起不規(guī)則振動(dòng)，進(jìn)而造成受損程度加重，導(dǎo)致全周動(dòng)靜碰摩，最終將導(dǎo)致機(jī)械損壞。

出現(xiàn)此故障時(shí)，振動(dòng)信號(hào)的原始時(shí)間波形也將從正弦波發(fā)生畸變；輕度局部動(dòng)靜碰擦?xí)r，頻譜中以基頻成分的幅值為主，第2、第3階諧波幅值所占比例不高，且第2階諧波幅值大于第3階諧波幅值；

一旦出現(xiàn)全周動(dòng)靜碰擦?xí)r，轉(zhuǎn)子振動(dòng)會(huì)帶有亞異步成分，多為1階固有頻率，高階諧波消失。

二、旋轉(zhuǎn)機(jī)械的振動(dòng)診斷技術(shù)

振動(dòng)診斷技術(shù)廣泛應(yīng)用在機(jī)械設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷方面，尤其對(duì)于旋轉(zhuǎn)機(jī)械。振動(dòng)診斷具有不停機(jī)或不解體的情況下能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)測(cè)和診斷、技術(shù)比較成熟、診斷比較準(zhǔn)確等特點(diǎn)。

1. 振動(dòng)診斷原理

因振動(dòng)信號(hào)具有普遍性，機(jī)械設(shè)備在正常運(yùn)行時(shí)振動(dòng)的特征值具有一定的周期性和規(guī)律性，時(shí)域波形和頻域波形都在一定范圍內(nèi)。

當(dāng)機(jī)械設(shè)備運(yùn)行存在隱患或出現(xiàn)故障時(shí)，振動(dòng)信號(hào)也會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)變化，通過(guò)對(duì)振動(dòng)信號(hào)的監(jiān)測(cè)、分析，能夠判斷隱患和故障的類(lèi)型與程度，為制定檢修方案提供可靠的依據(jù)。

其常用的分析方法有：時(shí)域波形分析和頻域波形分析兩種。

時(shí)域波形分析主要考察振動(dòng)信號(hào)的時(shí)間歷程，根據(jù)時(shí)域波形特征值，尤其是歪度和峭度的變化情況，對(duì)其周期性和隨機(jī)性給出定性評(píng)價(jià)，從而評(píng)估出設(shè)備所處的狀態(tài)，該法能夠判斷出90%的故障特征；

頻域波形分析，時(shí)域信號(hào)經(jīng)傅里葉變換，將其簡(jiǎn)化為有限或無(wú)限個(gè)頻率的簡(jiǎn)諧分量，在按照頻率高低對(duì)各次諧波進(jìn)行排列，通過(guò)觀察新增的頻率成分和原有頻率幅值的增長(zhǎng)情況，來(lái)判斷機(jī)械設(shè)備的故障位置和程度。

2. 診斷流程

振動(dòng)診斷技術(shù)在故障診斷時(shí)，一般采取的步驟為：

（1）分析機(jī)械設(shè)備易出故障的部位，確定出診斷范圍并選擇合理測(cè)量位置；

（2）選擇診斷方法，并根據(jù)所選的方法確定需要的振動(dòng)傳感器，如簡(jiǎn)易診斷，只需采用振動(dòng)計(jì)和振動(dòng)測(cè)量?jī)x等簡(jiǎn)單儀器；

（3）振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)采集，開(kāi)啟各個(gè)傳感器對(duì)機(jī)械設(shè)備的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)；

（4）振動(dòng)信號(hào)分析，常用的分析方法有時(shí)域分析法、頻域分析法、時(shí)頻域分析法；

（5）做出判斷，將采集到的振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)與正常運(yùn)行時(shí)特征值進(jìn)行對(duì)比分析，從而對(duì)設(shè)備存在的隱患和故障進(jìn)行判斷，并給出相應(yīng)的維護(hù)意見(jiàn)。

三、旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷實(shí)例

齒輪是旋轉(zhuǎn)機(jī)械的重要部件，也是易發(fā)生故障的部位。本節(jié)以齒輪為例，采用振動(dòng)診斷技術(shù)對(duì)其監(jiān)測(cè)和診斷。

1. 齒輪故障特點(diǎn)與診斷方法

當(dāng)齒輪發(fā)生故障時(shí)，振動(dòng)信號(hào)頻率、幅值等參數(shù)都會(huì)出現(xiàn)異常，如上表所示，不同類(lèi)型故障所對(duì)應(yīng)的振動(dòng)信號(hào)也不相同，尤其是邊頻帶會(huì)增多，對(duì)各種故障邊頻特征進(jìn)行分析，能更好地識(shí)別齒輪故障。

將有效故障特征進(jìn)行整合，形成故障診斷的專(zhuān)家知識(shí)庫(kù)，專(zhuān)家知識(shí)庫(kù)有助于提高故障診斷的自動(dòng)化和智能化水平。

同時(shí)再結(jié)合專(zhuān)業(yè)檢修人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集信號(hào)的分析，能夠及時(shí)、準(zhǔn)確地對(duì)故障隱患進(jìn)行預(yù)警和對(duì)已發(fā)故障進(jìn)行定位和判斷。

2. 齒輪特征頻率

以數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)，其振動(dòng)強(qiáng)度有增大趨勢(shì)，振動(dòng)烈度也有一定異常，對(duì)其進(jìn)行故障診斷。

該系統(tǒng)由兩級(jí)傳動(dòng)構(gòu)成：Ⅰ軸――Ⅱ軸――Ⅲ軸（主軸），其特征頻率為：主軸額定轉(zhuǎn)速為700r/min、頻率為11.7Hz時(shí)，Ⅱ軸的轉(zhuǎn)速為2310r/min、頻率為38.5Hz，Ⅰ軸的轉(zhuǎn)速為4270r/min，頻率為71.2Hz；Ⅰ軸和Ⅱ軸的嚙合頻率為2348Hz，Ⅱ軸和Ⅲ軸的嚙合頻率為711Hz。

3. 振動(dòng)診斷

由于儀表失靈在大機(jī)組所發(fā)生的各類(lèi)故障診斷中所占的概率較大，以及因生產(chǎn)工藝系統(tǒng)波動(dòng)或操作不當(dāng)(特別是在開(kāi)車(chē)或負(fù)荷調(diào)整的過(guò)程中)而產(chǎn)生的故障也常有發(fā)生。

因此切忌僅限于一、兩個(gè)因素就輕易判斷發(fā)生了機(jī)械設(shè)備故障，而應(yīng)該根據(jù)系統(tǒng)、儀表、運(yùn)行、現(xiàn)場(chǎng)等多方面情況進(jìn)行綜合的判斷。

四、結(jié)語(yǔ)

旋轉(zhuǎn)機(jī)械是各行業(yè)機(jī)械設(shè)備中的關(guān)鍵部位，其運(yùn)行狀態(tài)直接影響著整個(gè)設(shè)備的性能，因此對(duì)其狀態(tài)檢測(cè)和故障診斷具有重要意義。

旋轉(zhuǎn)機(jī)械主要因不平衡、不對(duì)中和動(dòng)靜碰擦等幾種原因發(fā)生故障，不同類(lèi)型的故障伴隨有不同特征的振動(dòng)信號(hào)。

振動(dòng)診斷是通過(guò)采集旋轉(zhuǎn)機(jī)械的振動(dòng)信號(hào)，再用時(shí)域分析法、頻域分析法、時(shí)頻域分析法等方法對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行對(duì)比、分析，從而判斷出其運(yùn)行狀態(tài)和對(duì)故障進(jìn)行診斷。

以某數(shù)控機(jī)床上齒輪箱為例，實(shí)例驗(yàn)證了振動(dòng)診斷技術(shù)在對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械狀態(tài)檢測(cè)和故障診斷上的可靠性。