振動點檢系統在設備故障診斷與維修中的應用

雒補清，劉衛勝，秦 鵬，趙軒達

（晉西工業集團有限責任公司，山西太原 030027）

0 引言

設備是企業規模和現代化水平的一個重要標志，也是社會生產力的重要因素，是企業完成生產任務的重要載體。因此如何管好、用好、維護好設備以及提高設備完好率、保證設備正常運行，是每位企業設備運維人員的重要責任。

近年來機械行業日益朝智能化、高速化、精密化的方向發展，其工作性能不斷改善，自動化程度和生產效率越來越高，機械設備的結構也越來越復雜，出現的各類故障也有了新的變化。因此如何盡快診斷設備故障并加以解決，是設備維修人員面臨的主要課題。

1 設備故障情況

在運行過程中，設備內部零件要承受力、熱、摩擦、磨損、腐蝕等多種作用，隨著使用時間的增長，其運行狀態不斷變化，有的性能將逐步退化，從而發生零部件的失效。設備故障一般是指設備失去或降低其規定功能的事件或現象，表現為設備的某些零部件失去原有的精度或性能，使設備不能正常運行，從而影響整個生產流程的正常運作。

設備發生故障的現象有很多，通常按其屬性分為電氣故障、機械故障、液壓與氣動故障等，其中尤以機械故障較多。并且機械故障維修成本高、維修時間長，對設備影響也較大。

2 機械故障原因分析

在機械故障的誘因中，振動是一項很重要的因素，故障發生后往往會以振動的形式向外界反饋。機械振動也是工業機械設備運行中常見的一種現象，一般情況下機械振動是有害的，因為振動會破壞機械的正常運作。但是在機械設備運行過程中，設備振動信號承載著設備的狀態信息，蘊含了豐富的設備異常或故障的信息，可以說振動特征是設備運行狀態優劣的重要標志。

在振動引起的故障中，實際診斷與維修過程中對振動不易測量，很多振動指標無法量化，以前大多靠維修人員憑經驗利用耳聽手摸的方法進行判斷，這樣的方式往往會導致無法準確判斷故障原因，無法量化測量結果，增加故障診斷與維修的難度。因此，基于振動信號的故障監測在設備診斷領域中是一種極為可靠有效的辦法。

3 設備應用現狀

晉西工業集團有限責任公司現有設備中回轉類加工設備占比達到80%以上，振動引起的不平衡、不對中等問題常常使得軸承、主軸等旋轉零部件極易出現磨損故障，進而引起設備整體使用壽命的縮減。例如，數控機床的主軸部件更換軸承后，無法監測動平衡，如果動平衡不能滿足要求就會出現以下問題：①主軸軸承使用壽命縮短，而主軸軸承價格昂貴，這樣會增加生產成本；②初始調定的主軸精度如徑向跳動、端向竄動等不能連續保持；③影響主電機軸承的使用壽命；④嚴重影響主軸驅動模塊和電源模塊的壽命。

同時，由于振動是相互串聯的，傳動鏈上只要有一組發生振動，整個傳動鏈就會產生振動，但傳動鏈上產生振動的振動源僅憑經驗不易確定。傳動鏈上的振動產生的原因可能有以下3 種：①導軌無潤滑發生干摩擦產生振動；②軸承損壞引起振動；③電機本身產生振動。

日常維修中還存在著維修后重新裝配過程中動平衡不準確，出現新的機械振動的現象。應用振動分析儀對設備進行狀態檢測，雖然不能作為設備大修周期確定的惟一依據，但是非常必要的參考條件，同時也是設備大修后必要的驗收手段。

4 機械振動原理

描述機械振動的3 個基本要素是振幅、頻率和相位，簡稱振動的三要素。

（1）振動幅值簡稱振幅，是描述振動體偏離其平衡位置大小的物理量，反映了設備振動的強弱。在振動簡易診斷中，常常用振幅的大小作為判斷設備運行狀態的依據。在振動測量中，振動的幅值一般用峰值、有效值或平均值來度量振動的量級。

（2）振動頻率是指單位時間內振動的次數。在機械設備中，每一個運動著的零部件都有其特定的固有頻率和振動頻率。通過分析設備的頻率特征，可以判斷設備的工作狀態。

（3）振動相位是指在任意時刻振動體所處的位置。在振動的合成中可以看到，相同的振動如果相位不同，能合成為不同的振動。在故障診斷中，設備振動相位的變化往往反映一些特定的故障。

振幅分別用振動位移、振動速度、振動加速度值加以描述、度量，三者相互之間可以通過微分或積分進行換算。在振動測量中，習慣上振動位移的量值為峰峰值，振動速度的量值為有效值（均方根值），振動加速度的量值是單峰值。

監測點主要選擇在旋轉機械上，如電機的軸承座、主軸的支承點等部位，是旋轉機械的主要組成部分。

5 振動點檢系統的具體應用

振動點檢系統是集振動測量分析、數據采集、趨勢分析、故障診斷、現場動平衡、起停車分析、軸心軌跡、固有頻率和臨界轉速共振頻率測量于一身的多功能分析儀器，它具備強大的監測功能，能夠對振動中的多種技術指標進行測量，同時多通道測量還能夠保證監測的同步性和直觀性。在監測的基礎上，振動點檢系統還能夠通過對速度、加速度、位移等測量數據進行頻譜分析和相位分析，具體判斷出故障的位置以及類型，并對每一次故障測量進行記錄分析，建立故障分析數據庫，對數據管理的同時最終實現對設備的周期性監測。因此，對真空淬火爐風機、強力旋壓機主電機及液壓電機等大型設備多次進行監測、輔助修理，取得了良好效果。

5.1 真空淬火爐風機

真空淬火爐頂部安裝有一臺大功率風機，由一臺315 kW的2 極電機進行驅動。風機轉速高達2990 r/min，由于負載大、使用時間長，設備故障高發。在設備巡回檢查中，多次對風機側面的上、中、下和頂部共4 個點進行監測，形成記錄作為振動檔案（表1）。在設備發生故障以后對修理效果進行監測，和正常數據對比，判斷修理情況（表2～表3）。其中，監測點A 點位于風機側面底部，B 點位于風機側面中部，C 點位于風機側面上部，D點位于風機頂部。

表1 正常情況下的振動數據值 mm/s

表2 巡檢中測到的振動數據值 mm/s

表3 修理后測到的振動數據值 mm/s

對照國家大型風機（電機功率≥75 kW）振動質量評級標準ISO 2372《設備振動標準》，表2 中C 點的振動烈度已經遠超出振動標準合格值（11.2 mm/s），說明風機軸承磨損較嚴重或存在其他問題，面臨損壞的風險。為避免突然損壞可帶來的不利影響，決定提前進行修理。經過更換電機轉子軸、采用進口SKF 軸承、重新制作上端蓋軸承室、修整風葉、轉子帶風葉動平衡校正等多項措施，修理完成后安裝到真空爐并進行試驗，振動數據值較小（表3），滿足ISO 2372 標準振動烈度值。說明修理效果良好，達到了預防性維修的要求。

5.2 強力旋壓機液壓站電機和主軸電機振動測試

這臺進口設備已經使用了17 年，某天90 kW 的液壓站電機運行中突然聲音異常，經測量電機前端蓋部位振動數據達到14.8 mm/s，已經超出該功率電機的振動標準值。用手觸摸電機前后端蓋，明顯感覺到電機前端蓋部位振動較大。因此在電機未完全損壞的情況下對其進行修理，更換前后軸承后恢復正常。

該設備主軸也出現類似情況，在運行過程中操作人員發現聲音異常，初始維修人員判定是主軸故障。后用振動點檢系統測量主軸卡盤根部上、下、側面振動，振動數值很小未發現異常。繼續檢查傳動鏈上游，打開主軸電機護罩，檢查130 kW 的主軸異步電機，用振動點檢系統測試電機前后軸承部位上、下、側面的振動值，前后明顯不一，且前端軸承處（靠近皮帶輪處）數值較大。隨后立即對該主軸電機更換軸承并進行動平衡修理，使用效果良好。

5.3 在立式加工中心設備上進行監測

一臺新購進的國產四軸聯動立式加工中心，當主軸轉速達到3100 r/min 時，機床床身、主軸等振動較大，加工的產品刀紋較粗，不能滿足產品工藝要求。后用設備振動點檢系統測量，在轉速為500 r/min、1000 r/min、1500 r/min、2000 r/min、2500 r/min、3000 r/min、3500 r/min 等速度段依次測量，發現當轉速超過3000 r/min 后，振動數據明顯加大，具體為轉速在3100～3800 r/min振動數值最為明顯，其他速度段則比較平穩。機床廠家對此問題多次進行整改，略有好轉，但仍不能完全消除振動。在此情況下提醒編程及操作人員，合理選用主軸轉速范圍，避開振動較大的速度段，以滿足生產需求。

6 結束語

振動點檢系統是近年來廣泛使用的設備輔助診斷與修理儀器，對機械設備維修與管理裨益良多。其功能強大，性能先進，能幫助企業運維人員有效發現問題并加以解決。結合公司設備實際運行情況，定期定人對關鍵核心設備進行振動狀態監測，將設備的運行健康狀態做到了可控、在控，避免設備的突發性事故，確保設備安全可靠,不斷探索和實現設備“定修”管理向“狀態”管理過渡，可以有效縮短設備修理時間，延長設備使用壽命，提高設備利用率。該系統的其他功能，如動平衡檢測、頻譜分析、數據庫建立等方法，仍需要進一步熟悉和使用，以徹底解決設備運行中存在的問題，為企業發展貢獻力量。