淺析振動(dòng)頻譜分析技術(shù)在旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷中的應(yīng)用

邢建兵 繆建明 羅偉 劉海燕

摘要：本文闡述了利用振動(dòng)頻譜分析技術(shù)對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析與處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷。此方法在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中為設(shè)備維護(hù)提供了重要依據(jù)，并取得了良好的使用效果和經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：振動(dòng)頻譜;旋轉(zhuǎn)機(jī)械;故障診斷

1.引言

隨著振動(dòng)頻譜分析技術(shù)日漸成熟，預(yù)知維修逐漸成為當(dāng)前設(shè)備精細(xì)化管理的一種趨勢(shì)。我公司于2006年10月購(gòu)買(mǎi)巡檢儀器對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械進(jìn)行系統(tǒng)、精密的點(diǎn)檢，通過(guò)采集數(shù)據(jù) ——數(shù)據(jù)回收——在線分析——故障診斷——落實(shí)整改等步驟和方法先后診斷和解決了不少旋轉(zhuǎn)機(jī)械早期故障，使旋轉(zhuǎn)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)真正做到了“可控”、“在控”，本文重點(diǎn)介紹了旋轉(zhuǎn)機(jī)械常見(jiàn)的三個(gè)案例，并對(duì)案例中的故障進(jìn)行詳細(xì)的分析和論證。

2.旋轉(zhuǎn)機(jī)械的特點(diǎn)

旋轉(zhuǎn)機(jī)械整個(gè)軸系包括電動(dòng)機(jī)和齒輪變速箱，我公司旋轉(zhuǎn)機(jī)械都是由主電機(jī)作為動(dòng)力源，帶動(dòng)變速箱運(yùn)行，其核心部分是轉(zhuǎn)子組件。由于整個(gè)轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，所以對(duì)其制造、安裝、調(diào)試、維護(hù)管理都有很高的要求。如果其中某個(gè)零件出了問(wèn)題，或在某個(gè)連接配合部位發(fā)生了異常的變動(dòng)，就可能會(huì)引起機(jī)組的強(qiáng)烈振動(dòng)，旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障的一般規(guī)律是：故障形成之后先經(jīng)歷一個(gè)較長(zhǎng)的發(fā)展過(guò)程，一旦有其它條件觸發(fā)，故障則呈指數(shù)級(jí)快速發(fā)展，直至演變?yōu)槭鹿实陌l(fā)生。設(shè)備早期故障一旦被檢測(cè)出來(lái)，設(shè)備狀態(tài)就已“在控”，我們就可以按照設(shè)備狀態(tài)的變化來(lái)決定是繼續(xù)運(yùn)行，還是停機(jī)檢修。對(duì)這類(lèi)機(jī)械進(jìn)行故障診斷時(shí)，首先抓住各個(gè)故障的特征頻率，對(duì)振動(dòng)信號(hào)作頻譜分析。頻譜分析就是將所測(cè)得時(shí)域信號(hào)變換成頻域加以分析。通常采用傅里葉變換，將復(fù)雜的信號(hào)分解為有限或無(wú)限個(gè)頻率的簡(jiǎn)諧分量，再把各次諧波按其頻率大小從低到高排列起來(lái)就成了頻譜。旋轉(zhuǎn)機(jī)械的振動(dòng)信號(hào)大多數(shù)是一些周期信號(hào)、準(zhǔn)周期信號(hào)、或平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)。 ?旋轉(zhuǎn)機(jī)械常見(jiàn)的故障一般包括軸承故障、不平衡、不對(duì)中、機(jī)械松動(dòng)等，要及時(shí)、準(zhǔn)確判斷旋轉(zhuǎn)機(jī)械是否發(fā)生故障、故障部位以及故障程度，則需要故障分析人員在充分熟悉被監(jiān)測(cè)設(shè)備的基礎(chǔ)上掌握扎實(shí)的振動(dòng)理論知識(shí)和一定的頻譜分析能力。每一種故障都有各自的特征頻率，故障頻率都與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速有關(guān)，或等于轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)頻率（簡(jiǎn)稱(chēng)轉(zhuǎn)頻或工頻）或倍頻或分頻。因此，分析振動(dòng)頻率與轉(zhuǎn)頻的關(guān)系是診斷旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。

3.現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用頻譜分析法的診斷實(shí)例

3.1不對(duì)中故障

2008年6月11日檢測(cè)球團(tuán)廠2#潤(rùn)磨電機(jī)時(shí)發(fā)現(xiàn)該機(jī)負(fù)載側(cè)軸向振動(dòng)達(dá)10.6mm/s，嚴(yán)重超標(biāo)。于是通過(guò)對(duì)振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析，具體診斷過(guò)程如下：

2008年6月11日下午使用HY-106B和PMS巡檢系統(tǒng)對(duì)電機(jī)和減速器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和振動(dòng)頻譜分析。

該軸系各測(cè)點(diǎn)軸向振動(dòng)速度值如表1所示（Av代表軸向振動(dòng)速度）：

測(cè)點(diǎn)

1

2

3

4

Av（mm/s）

2.9

10.6

4.5

5.5

表1?各測(cè)點(diǎn)軸向振動(dòng)速度一覽表

從上表振動(dòng)數(shù)據(jù)可以看出電機(jī)負(fù)載側(cè)軸向振動(dòng)遠(yuǎn)大于其它測(cè)點(diǎn)，頻譜圖中存在較大的二倍頻分量，且達(dá)到一倍頻的3.2倍，該現(xiàn)象說(shuō)明聯(lián)軸器存在嚴(yán)重的不對(duì)中故障。

綜合以上數(shù)據(jù)分析，我們?cè)\斷結(jié)論為電機(jī)負(fù)載側(cè)軸向振動(dòng)嚴(yán)重超標(biāo)主要是由安裝不對(duì)中故障造成。于是發(fā)放信息聯(lián)絡(luò)處單要求分廠立即停機(jī)重調(diào)同心度，停機(jī)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)該柱銷(xiāo)聯(lián)軸器軸心徑向位移達(dá)0.4?mm，遠(yuǎn)超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的0.05?mm，振動(dòng)數(shù)據(jù)已降為4.9?mm/s?，運(yùn)行恢復(fù)正常。

3.2不平衡故障

煉鐵一廠1#礦槽除塵電機(jī)自2006年12月起開(kāi)始納入PMS設(shè)備巡檢系統(tǒng)，該電機(jī)運(yùn)行狀況一直穩(wěn)定，至2008年5月2日兩側(cè)軸承座水平徑向振動(dòng)最大值均未超過(guò)2.9mm/s。但自2008年5月6起電機(jī)兩側(cè)軸承座水平徑向振動(dòng)開(kāi)始出現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，到2008年6月3日達(dá)到6.3?mm/s。于是通過(guò)對(duì)振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析，對(duì)電機(jī)振動(dòng)突然增大的問(wèn)題進(jìn)行了故障診斷，診斷過(guò)程如下：

2008年6月6日上午再次用HY-106B和PMS巡檢系統(tǒng)對(duì)電機(jī)和風(fēng)機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和振動(dòng)頻譜分析，采集數(shù)據(jù)時(shí)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)為750?r/min。

該軸系各測(cè)點(diǎn)水平徑向振動(dòng)速度值如表1所示（Hv代表水平徑向振動(dòng)速度）：

測(cè)點(diǎn)

1

2

3

4

5

6

Hv（mm/s）

6.0

5.7

4.7

4.8

5.2

5.0

表1?各測(cè)點(diǎn)水平徑向振動(dòng)速度一覽表

風(fēng)機(jī)的振動(dòng)是運(yùn)行中常見(jiàn)的故障，引起風(fēng)機(jī)異常振動(dòng)的主要原因有轉(zhuǎn)子不平衡、轉(zhuǎn)子不對(duì)中、機(jī)件松動(dòng)、油膜振蕩、內(nèi)摩擦。從表1振動(dòng)速度值來(lái)看，?6個(gè)測(cè)點(diǎn)中水平徑向振動(dòng)基本在同一級(jí)數(shù)。

該軸系各測(cè)點(diǎn)水平徑向振動(dòng)位移量如表2所示（Hd代表水平徑向振動(dòng)位移）：

測(cè)點(diǎn)

1

2

3

4

5

6

Hd（μm）

225

215

180

185

191

189

表2?各測(cè)點(diǎn)水平徑向振動(dòng)位移量一覽表

從表2數(shù)據(jù)可以看出各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)位移量嚴(yán)重超標(biāo)（6極電機(jī)軸承振動(dòng)位移量允許最大值為100μm）。

綜合以上數(shù)據(jù)分析，我們?cè)\斷為該電機(jī)振動(dòng)加劇是由于風(fēng)機(jī)葉輪嚴(yán)重不平衡故障引起，而引起風(fēng)機(jī)葉輪不平衡故障主要有以下兩點(diǎn)①葉輪積灰不均或硬灰掉落②葉輪磨損不均。

4.故障處理

我們測(cè)得水泥基座振動(dòng)為0.6mm/s，預(yù)埋件基座振動(dòng)0.8mm/s，基礎(chǔ)的振動(dòng)很小，進(jìn)一步證實(shí)造成整個(gè)軸系在“搖晃”的故障原因應(yīng)該在風(fēng)機(jī)上。為避免故障擴(kuò)大損壞設(shè)備，我們當(dāng)即要求分廠對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行停機(jī)檢查，發(fā)現(xiàn)該風(fēng)機(jī)葉輪有一處葉片脫落，更換風(fēng)機(jī)后測(cè)得振動(dòng)如下，

測(cè)點(diǎn)

1

2

3

4

5

6

Hv（mm/s）

2.1

2.7

2.4

2.1

3.2

2.8

更換風(fēng)機(jī)后水平振動(dòng)頻譜特征基本未變，幅值降低至正常范圍內(nèi)，表明風(fēng)機(jī)葉輪不平衡的故障已消除，風(fēng)機(jī)的運(yùn)行已趨于正常。

5.結(jié)語(yǔ)

通過(guò)實(shí)施設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷技術(shù)后，一方面提高了對(duì)設(shè)備狀態(tài)、劣化趨勢(shì)的認(rèn)知和控制能力，針對(duì)故障原因使搶修做到有的放矢，有效避免了重大故障的發(fā)生;另一方面，我們對(duì)數(shù)據(jù)不超標(biāo)、振動(dòng)未發(fā)現(xiàn)異常的電機(jī)實(shí)行延期下線，期間加強(qiáng)點(diǎn)檢頻次，進(jìn)一步提高了設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)率，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命。