振動測量與設備故障診斷

一、概述
       機械故障診斷學是一門近二十年內發展起來的新學科，是現代化設備維修技術的重要組成部分，并且正在日益成為設備維修管理工作現代化的一個重要標志。此項技術的應用主要是對確保機械設備的安全，提高產品質量，節約維修費用以及防止環境污染起著很重要的作用。
       在機械故障設備的的狀態監測和故障診斷技術中有多種方法可使用。例如振動監測技術、油液分析技術、紅外測溫技術、聲發射技術、無損檢測技術等。其中振動監測技術是普遍采用的基本方法，因為振動的理論和測量方法都比較成熟，且簡單易行。另外，據統計，機械故障90%可以從振動測量中檢測出來。振動測量和信號分析一直是作為預知維修的主要手段，各行業設備部門要開展這項工作一般都是從這二方面起家的。
       振動監測技術就是“對設備的振動信號進行檢測、分析處理，故障識別和預報的一種技術”。
二、簡易診斷與精密診斷
       設備的狀態監測技術是指對設備（部件、零件）的某些特征參數進行測試，并根據所得測定值與規定的正常值來作比較以判斷設備的工作狀態是否正常或異常（存在故障），也稱為簡易診斷。
       設備故障診斷技術則不僅要對機器設備的狀態是否正常作出判斷，更重要的是對機器故障的原因、部位及嚴重程度作出估計。故稱為精密診斷。
       目前比較普及的還是簡易診斷（狀態監測），而精密診斷真正用于生產還是少數，而且主要用于高精尖設備上。這一狀況歐美和日本都一樣，具有普遍性。這表明簡易診斷比較成熟，簡便易行，而精密診斷還屬于一種開發性技術，尚不夠成熟。另外精密診斷的費用也比較高，需要精密的儀器，要由經過專門訓練的工程師來進行，所以只在重要的設備上進行。這一點對我國開發推廣診斷技術時值得注意。當前應該把重點放在普及簡易診斷或狀態監測上。同時積極開發精密診斷技術，使它盡快達到使用水平。據有關資料統計，利用簡易診斷儀器可以解決設備運行中50%的故障。由此可見，簡易診斷在設備管理與維修中的重要作用。
       以日本新日鐵公司為例，看設備診斷技術在設備管理與維修中的應用：（圖1）
       新日鐵認為：在大型鋼鐵聯合企業中，為確保全系統設備的正常運行，有兩項技術必須實行。一是有效地監視機器狀況，即“設備監測技術”。二是精確的診斷方法。即：“精密診斷技術”。
1.“設備監測技術”。這類技術應滿足如下要求
● 能迅速地對各種類型的機械進行測量
● 能進行現場結論
● 經濟,使用方便
    目前，新日鐵在這方面已開發出了一系列的硬件，專門用于鋼鐵聯合企業中的各類設備，新日鐵把用于設備監測技術的硬件分為三類：
（1） 第一類是供日常檢查人員隨身攜帶使用的，能定量顯示結果的各種小型儀器。譬如：機器檢測器，油膜檢測器，小型測振儀、馬達檢測器，聲發射裂紋檢測器等。
（2） 第二類是監視儀表，通常是安裝在現場的，可進行自動數據采樣，自動數據記錄與作為傾向管理的圖譜相對照，異常情況判別圖譜顯示等等，譬如：旋轉機械監視儀，壓縮機監測儀，熱軋機監視儀等。
（3） 第三類是數據控制系統,這需要第一類儀器測量得到的數據作為輸入才能進行工作。可自動處理大量測量數據，并記錄，儲存與控制圖譜相對照，發出控制信號等
2.“精密診斷技術”
       當通過使用設備監測技術進行測量，與作為傾向管理的圖譜或數值相比較之后，當指出已存在故障或者是預測可能發生故障時，有必要進行精密診斷，通過精密診斷，不僅要確定故障是否的確存在，并且，當存在故障時，還需診斷出它的位置，原因及程度，新日鐵認為：這類技術必須由專門的、稱為精密診斷檢查的技術人員來進行，在這方面，新日鐵近幾年來也開發出了二類儀器：
（1） 一類是專門用的儀器，主要是用于旋轉機械的，這類儀器通常必須配合各種軟件技術（譬如：參照診斷手冊，振動嚴重性判據等）進行使用，同時，結合設備狀況進行分析、判斷，譬如：旋轉機械自動診斷系統，自動平衡儀，聲發射裂紋分析儀等。
（2） 另一類是通用儀器，用于狀態診斷的測量及分析的儀器。譬如：信號記錄儀，信號分析儀，傳遞函數分析儀等。
       由“設備監測技術”和“精密診斷技術”這大類技術就構成了新日鐵的“設備狀態診斷系統”如圖2所示。

三、振動測量在機器狀態監測中的應用
1. 測量方法的進步
       一臺設計得很好的機器，它的固有振級也很低。但當機器磨損、基礎下沉、部件變形時，機器的動態性能開始出現各種細微的變化：軸變得不對中，部件開始磨損，轉子變得不平衡，間隙增大。所有這些因素都在振動能量的增加上反映出來。因此，振動加劇常常是機器要出毛病的一種標志，而振動是可以從機器的外表面測到的。
       過去，設備工程師根據經驗靠手摸、耳聽來判斷機器是否正常或其故障是否在發展。但今天機器的轉速很高，許多起警告性的振動出現在高頻段，因此，只有用儀器才能檢測出來。做法是：在機器運行良好的狀況下，具有一個典型的振級和頻譜特征。而當機器的故障在發展的時候，機器的動態過程以及機器零件上的一些作用力也隨著變化，從而影響機器的振動能級和頻譜的圖形。通過這樣的振動的測量和分析，我們可以知道機器的工作狀態的變化以及是否需要維修。
      把振動測量用于機器狀態監測值得注意的是：
      成功未必取決于初期大量投資去配備帶高級計算機的分析儀器。許多成功的例子開始是在具有代表性的機組中采用不太昂貴的模擬式振動表和分析儀。當取得經驗并計劃擴充時，就自然地發展為采用更快更強有力的儀器。明智的做法是一開始就購買高質量的儀器。如果許多新方案由振動測量方面經驗有限的工程師來承擔，加上測量結果不準確而且前后矛盾就會大大限制視情維修的可信度。
      上海星晟檢測儀器有限公司就是遵循這一思路開發出一系列便攜式測量儀器。像：VIB-5、VIB-10、VIB-15、VIB-20、BT2000、BA2010等產品。
2. 測量儀器及測量系統
    對振動進行周期監測的儀器系統按其復雜程度可分成三檔：
（1） 簡單系統
    最簡單的系統是用一種直讀式的袖珍振動表在一定的頻率范圍內去測量振動級別。把測量結果與通用標準或每臺機器的專用參考值相比較。
對那些用振動測量進行狀態監測以取得經驗的人員來說，一個高質量的手持振動計是需要的。這種振動計在10~1000HZ或10~10000HZ的頻率范圍內能讀出單一的振動加速度或速度的均方根值（RMS）或峰值。速度的RMS值可直接與標準的振動嚴重性評定值相比較，從而知道需要維修的程度。雖然寬頻帶振動計在早期故障檢測、診斷及損壞預測方面的作用是有限的，但也是必須的。
（2） 振動狀態監測的系統
（a） 頻率分析的基本系統
       用于機器狀態監測的頻率分析系統有若干種配置方式。如果想從有限的投資開始而且只有幾十個測量點時（不是幾百和幾千個測量點），電池供電的振動分析儀和振動能級記錄儀是優越的。這種配套裝置能對各監測點依次畫出其窄帶頻譜圖。每次測量和分析約需要幾分鐘，每個測量點的數據用手工登記在記錄卡上。
       把每個測量點的參考頻譜記錄下來并復制在透明的卡片上。以后取得的頻譜放在參考頻譜下面，兩張卡片一對照立即可以找到差別所在。如果某一頻率的振級增加就畫出其振級——時間曲線，從而可預測其發展趨勢。
      有些用戶平時只進行有規律的簡單寬帶監視，當振級有明顯變化時才應用頻率分析。這種方式有助于故障發展的診斷而不能用于早期警告和趨勢發展的規律分析。
（b） 先進的機器狀態監測系統
       當有大量的機器測點需要監測時，采用更完善的系統是合理的。操作人員可用加速度計與數據采集器（或數據記錄儀）把每一個測試點的振動信號直接記錄下來。回設備科后，再送到計算機里，用軟件進行分析，這樣做的優點是：速度快、擴大了儀器功能，改善了檢測能力并降低了測量成本。
（3） 永久性的機器振動監測
      上面提到的機器振動監測系統都是基于周期性的測量與校對。而永久性監測首先應用于那些對生產過程起重要作用的單臺設備，當機器出現突然變化時，能立即或在幾分鐘之內向控制室提出警告，以便在災難性故障出現之前即采取有效措施。這種系統在發電、石油化工工業中用得很多，用來監視汽輪機、進料泵和壓氣機等設備。
    永久性狀態監測系統的首要條件是要有高可靠性、長期的穩定性及抗惡劣環境及抗誤報警的能力，堅固的機器設計、能在潮濕與有灰塵的條件下工作再加上例行環境試驗才能滿足上述的嚴格要求。加速度計、電纜、接線盒等特別堅固的前線設備也需能在高溫下工作。這種系統還包括一個自動測試系統，以便在事故報警時，操作人員立即核對哪些儀器的功能是正常的。