基于振動監(jiān)測工業(yè)機組狀態(tài)的方法

賈進林 林振昌 劉立強

摘? 要：工業(yè)機組通常體積大，結(jié)構(gòu)較復雜，價格高，處在生產(chǎn)線的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，發(fā)現(xiàn)問題和檢修較困難，以振動監(jiān)測為基礎(chǔ)的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測，通過采集機組關(guān)鍵環(huán)節(jié)的振動值，對時域波形進行傅里葉變換轉(zhuǎn)換為波形頻譜圖，通過分析設(shè)備的運行頻譜，可以預知設(shè)備可能存在的故障和對故障發(fā)生的可能進行預判，從而為生產(chǎn)安排和檢修提供參考依據(jù)，進而推動生產(chǎn)效率的提高。

關(guān)鍵詞：加速度傳感器;減速機;狀態(tài)監(jiān)測;振動;傅里葉變換

中圖分類號：TP212? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

1 工業(yè)運動機組狀態(tài)監(jiān)測方案

工業(yè)機組，象發(fā)電機、減速機、電機和風機等，通常具有結(jié)構(gòu)復雜、檢修困難、高價值、處在生產(chǎn)的關(guān)鍵點等特點，如果損壞，將造成較大的損失。工業(yè)機械的振動信號中蘊含著豐富的設(shè)備狀態(tài)信息，象機組不平衡、不對中、潤滑油污染、齒輪嚙合故障、葉片故障、定子故障、組件共振、轉(zhuǎn)子故障、皮帶振動、軸承故障等，很多故障模式下的振動特征參數(shù)具有設(shè)備當前狀態(tài)和趨勢的變化特征。因此選用機組的振動參數(shù)進行機組的健康狀態(tài)分析。通過建立特征參數(shù)時間、事件的序列預測模型，進行相應故障模式的分析預報工作，可以較全面地反映設(shè)備運行狀態(tài)?？梢园l(fā)現(xiàn)設(shè)備的早期故障，為生產(chǎn)和檢修提供參考依據(jù)，延長計劃停機時間，減少非計劃停機次數(shù)，提高運行效率和提高經(jīng)濟效益。

1.1 設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測的目標

（1）實時監(jiān)測設(shè)備健康狀態(tài)、工藝工況。

（2）減少非計劃停機，延長檢修周期。

（3）降低維護成本，提高效益。

（4）降低勞動強度，提高效率。

（5）節(jié)能降耗，有利于環(huán)保。

（6）培養(yǎng)儲備技術(shù)力量。

1.2 設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測實現(xiàn)過程

機組的振動值通過加速度振動傳感器采集，針對減速機，在減速機關(guān)鍵部位安裝振動加速度傳感器，在機組附近設(shè)置數(shù)據(jù)采集站，采集站采集傳感器的數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)遠傳到服務上，服務器對采集到的數(shù)據(jù)分析，對采集到的振動時域波形圖進行傅里葉變換為波形頻譜圖，對設(shè)備各部位的運行頻譜進行分析，進而確定設(shè)備的運行健康狀況，提出診斷建議。

2 監(jiān)測點選擇

機組監(jiān)測，通過了解機組的機械結(jié)構(gòu)、運行原理、運行特性、工作條件等，確定機組的監(jiān)測位置，監(jiān)測點布置在機組的軸承座和行星輪位置，測點位置盡量靠近軸承承載區(qū)，在高轉(zhuǎn)速位置布置高頻振動加速度傳感器，在低頻運動位置布置低頻振動加速度傳感器。

象某減速機組測點設(shè)置可以布置在電機和減速機的軸承相關(guān)位置。在電機設(shè)置2個測點：分別設(shè)置在電機驅(qū)動端軸承徑向水平和電機驅(qū)動端軸承徑向垂直，均使用高頻加速度傳感器，實現(xiàn)電機驅(qū)動端軸承監(jiān)測。在減速機設(shè)置6個測點：在減速機輸入端軸承徑向和減速機輸入端軸承軸向分別安裝高頻加速度傳感器，實現(xiàn)減速機輸入端軸承監(jiān)測;在減速機第二軸軸承徑向安裝高頻加速度傳感器，實現(xiàn)減速機第二軸軸承監(jiān)測;在減速機第三軸軸承徑向安裝高頻加速度傳感器，實現(xiàn)減速機第三軸軸承監(jiān)測;在減速機輸出軸軸承徑向和減速機輸出軸軸承軸向分別安裝低頻加速度傳感器，實現(xiàn)減速機輸出軸軸承監(jiān)測。

3 數(shù)據(jù)分析過程

數(shù)據(jù)分析采用傅里葉變換函數(shù)進行計算，將無序的原始時域波形圖轉(zhuǎn)換為清晰可視的波形平鋪圖。傅里葉原理表明：任何連續(xù)測量的時序或者信號，表示為不同頻率的正弦波信號的無限疊加。利用傅里葉變換算法將直接測量到的原始信號，以累加方式來計算該信號中不同正弦波信號的頻率、振幅和相位，將圖像從空間域轉(zhuǎn)換到頻率域。轉(zhuǎn)換過程如圖1所示。

根據(jù)機器特定的故障類型把頻譜分成不同的頻帶，設(shè)備在出現(xiàn)故障時，振動值會偏高，故障現(xiàn)象會出現(xiàn)對應的特征頻率，設(shè)備部位對應的頻帶振動譜線會出現(xiàn)偏移、倍頻、邊帶等現(xiàn)象，根據(jù)譜線的不同現(xiàn)象，進而判斷設(shè)備故障的部位，故障的類型等。

早期的故障點會產(chǎn)生高頻低能量的弱信號，很容易在復雜的機械環(huán)境中淹沒，不能達到理想的分析效果，因此，需要進一步對信號進行調(diào)制解調(diào)，屏蔽低頻高能的信號，將高頻低能的信號放大，進而發(fā)現(xiàn)機組故障早期最微弱的故障信號。

4 監(jiān)測故障類型與效果

通過以上方案，可以對設(shè)備的軸承、齒輪、軸承等關(guān)鍵部位進行狀態(tài)監(jiān)測。可實現(xiàn)監(jiān)測的故障類型及故障部位/部件主要有：不平衡——主軸、齒輪箱各軸，軸不對中——傳動鏈各轉(zhuǎn)動設(shè)備軸，軸承不對中—傳動鏈各轉(zhuǎn)動設(shè)備軸承、聯(lián)軸器，轉(zhuǎn)動系（軸）彎曲或裂紋——傳動鏈各轉(zhuǎn)軸，機械松動——傳動鏈各設(shè)備及轉(zhuǎn)軸、軸承、聯(lián)軸器，齒輪缺陷、齒形誤差、齒面磨損、箱體共振、斷齒、潤滑不良——齒輪箱，軸向躥動——齒輪箱、 傳動鏈 各設(shè)備軸承，軸承運行條件或尺寸變化、滾動軸承磨損、軸承內(nèi)圈故障、軸承外圈故障、軸承滾動體故障、軸承保持架故障——各軸承。

軸承和齒輪等機械零件發(fā)生磨損時，首先會產(chǎn)生輕微的點蝕，當齒輪和軸承對轉(zhuǎn)動的部件遇到零點上的點蝕時，會產(chǎn)生很強的沖擊信號，沖擊信號的強度與軸承和齒輪的表面磨損程度相關(guān)。隨著時間的推移，點蝕越來越嚴重，故障程度不斷加深，能量增大。采用這種振動監(jiān)測方法，可以發(fā)現(xiàn)機組早期的故障現(xiàn)象，可極早地發(fā)現(xiàn)軸承和齒輪的各種早期損壞，預判故障的發(fā)展趨勢，提前制定維修方案和計劃，避免機組軸承和齒輪的損壞程度不斷加重，確保設(shè)備的安全穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。

5 機組狀態(tài)監(jiān)測的意義

5.1 建立預知性維護、維修體系

狀態(tài)監(jiān)測能夠監(jiān)測機組的健康指數(shù)，真實記錄機組在各個時間段的運轉(zhuǎn)情況，實時的狀態(tài)監(jiān)測能夠掌握機組運行動態(tài)，監(jiān)測早期故障事件發(fā)展，根據(jù)即將發(fā)生問題的跡象來定性、定位和定量地給出指導維修的指導性意見。避免了災難性故障的發(fā)生，減少了生產(chǎn)損失及相應的危險，并能夠減少維修時間，避免過度維修從而增加生產(chǎn)效益。

5.2 主動性可靠維修

主動排除故障，降低運行風險，延長使用壽命，提高設(shè)備利用率，根據(jù)檢測狀況進行維護并對工作和過程進行全面監(jiān)視。減少機器檢修的次數(shù)，并將其降到最少，從而減少維護成本，降低因檢修產(chǎn)生的間接損失。消除因不必要維修給平穩(wěn)運行的機器帶來的故障風險，提高設(shè)備的可用性。

5.3 分析診斷

通過診斷分析算法，快速分析故障存在的原因和部位，提供決策意見，減少決策時間，并檢驗維修質(zhì)量，積累設(shè)備狀態(tài)運行維護經(jīng)驗，減少昂貴的備件費用，從而有效推動生產(chǎn)效率的提高。

參考文獻

[1]韓清凱，于曉光.基于振動分析的現(xiàn)代機械故障診斷原理及應用[M].北京：科學出版社，2010.