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振动测量与设备故障诊断

一、概述

机械故障诊断学是一门近二十年内发展起来的新学科，是现代化设备维修技术的重要组成部分，并且正在日益成为设备维修管理工作现代化的一个重要标志。此项技术的应用主要是对确保机械设备的**，提高产品质量，节约维修费用以及防止环境污染起着很重要的作用。

在机械故障设备的的状态监测和故障诊断技术中有多种方法可使用。例如振动监测技术、油液分析技术、红外测温技术、声发射技术、无损检测技术等。其中振动监测技术是普遍采用的基本方法，因为振动的理论和测量方法都比较成熟，且简单易行。另外，据统计，机械故障90%可以从振动测量中检测出来。振动测量和信号分析一直是作为预知维修的主要手段，各行业设备部门要开展这项工作一般都是从这二方面起家的。

振动监测技术就是“对设备的振动信号进行检测、分析处理，故障识别和预报的一种技术”。

二、简易诊断与精密诊断

设备的状态监测技术是指对设备（部件、零件）的某些特征参数进行测试，并根据所得测定值与规定的正常值来作比较以判断设备的工作状态是否正常或异常（存在故障），也称为简易诊断。

设备故障诊断技术则不仅要对机器设备的状态是否正常作出判断，更重要的是对机器故障的原因、部位及严重程度作出估计。故称为精密诊断。

目前比较普及的还是简易诊断（状态监测），而精密诊断真正用于生产还是少数，而且主要用于高精尖设备上。这一状况欧美和日本都一样，具有普遍性。这表明简易诊断比较成熟，简便易行，而精密诊断还属于一种开发性技术，尚不够成熟。另外精密诊断的费用也比较高，需要精密的仪器，要由经过专门训练的工程师来进行，所以只在重要的设备上进行。这一点对我国开发推广诊断技术时值得注意。当前应该把重点放在普及简易诊断或状态监测上。同时积极开发精密诊断技术，使它尽快达到使用水平。据有关资料统计，利用简易诊断仪器可以解决设备运行中50%的故障。由此可见，简易诊断在设备管理与维修中的重要作用。

以日本新日铁公司为例，看设备诊断技术在设备管理与维修中的应用：（图1）
新日铁认为：在大型钢铁联合企业中，为确保全系统设备的正常运行，有两项技术必须实行。一是有效地监视机器状况，即“设备监测技术”。二是**的诊断方法。即：“精密诊断技术”。

1.“设备监测技术”。这类技术应满足如下要求

● 能迅速地对各种类型的机械进行测量

● 能进行现场结论

● 经济,使用方便

目前，新日铁在这方面已开发出了一系列的硬件，专门用于钢铁联合企业中的各类设备，新日铁把用于设备监测技术的硬件分为三类：

（1）类是供日常检查人员随身携带使用的，能定量显示结果的各种小型仪器。譬如：机器检测器，油膜检测器，小型测振仪、马达检测器，声发射裂纹检测器等。

（2） **类是监视仪表，通常是安装在现场的，可进行自动数据采样，自动数据记录与作为倾向管理的图谱相对照，异常情况判别图谱显示等等，譬如：旋转机械监视仪，压缩机监测仪，热轧机监视仪等。

（3）第三类是数据控制系统,这需要类仪器测量得到的数据作为输入才能进行工作。可自动处理大量测量数据，并记录，储存与控制图谱相对照，发出控制信号等

2.“精密诊断技术”

当通过使用设备监测技术进行测量，与作为倾向管理的图谱或数值相比较之后，当指出已存在故障或者是预测可能发生故障时，有必要进行精密诊断，通过精密诊断，不仅要确定故障是否的确存在，并且，当存在故障时，还需诊断出它的位置，原因及程度，新日铁认为：这类技术必须由专门的、称为精密诊断检查的技术人员来进行，在这方面，新日铁近几年来也开发出了二类仪器：

（1）一类是专门用的仪器，主要是用于旋转机械的，这类仪器通常必须配合各种软件技术（譬如：参照诊断手册，振动严重性判据等）进行使用，同时，结合设备状况进行分析、判断，譬如：旋转机械自动诊断系统，自动平衡仪，声发射裂纹分析仪等。

（2）另一类是通用仪器，用于状态诊断的测量及分析的仪器。譬如：信号记录仪，信号分析仪，传递函数分析仪等。

由“设备监测技术”和“精密诊断技术”这大类技术就构成了新日铁的“设备状态诊断系统”如图2所示。

三、振动测量在机器状态监测中的应用

1. 测量方法的进步

一台设计得很好的机器，它的固有振级也很低。但当机器磨损、基础下沉、部件变形时，机器的动态性能开始出现各种细微的变化：轴变得不对中，部件开始磨损，转子变得不平衡，间隙增大。所有这些因素都在振动能量的增加上反映出来。因此，振动加剧常常是机器要出毛病的一种标志，而振动是可以从机器的外表面测到的。

过去，设备工程师根据经验靠手摸、耳听来判断机器是否正常或其故障是否在发展。但今天机器的转速很高，许多起警告性的振动出现在高频段，因此，只有用仪器才能检测出来。做法是：在机器运行良好的状况下，具有一个典型的振级和频谱特征。而当机器的故障在发展的时候，机器的动态过程以及机器零件上的一些作用力也随着变化，从而影响机器的振动能级和频谱的图形。通过这样的振动的测量和分析，我们可以知道机器的工作状态的变化以及是否需要维修。

把振动测量用于机器状态监测值得注意的是：

成功未必取决于初期大量投资去配备带**计算机的分析仪器。许多成功的例子开始是在具有代表性的机组中采用不太昂贵的模拟式振动表和分析仪。当取得经验并计划扩充时，就自然地发展为采用更快更强有力的仪器。明智的做法是一开始就购买高质量的仪器。如果许多新方案由振动测量方面经验有限的工程师来承担，加上测量结果不准确而且前后矛盾就会大大限制视情维修的可信度。

上海星晟检测仪器有限公司就是遵循这一思路开发出一系列便携式测量仪器。像：VIB-5、VIB-10、VIB-15、VIB-20、BT2000、BA2010等产品。

2. 测量仪器及测量系统

对振动进行周期监测的仪器系统按其复杂程度可分成三档：

（1）简单系统

*简单的系统是用一种直读式的袖珍振动表在一定的频率范围内去测量振动级别。把测量结果与通用标准或每台机器的专用参考值相比较。

对那些用振动测量进行状态监测以取得经验的人员来说，一个高质量的手持振动计是需要的。这种振动计在10~1000HZ或10~10000HZ的频率范围内能读出单一的振动加速度或速度的均方根值（RMS）或峰值。速度的RMS值可直接与标准的振动严重性评定值相比较，从而知道需要维修的程度。虽然宽频带振动计在早期故障检测、诊断及损坏预测方面的作用是有限的，但也是必须的。

（2）振动状态监测的系统

（a）频率分析的基本系统

用于机器状态监测的频率分析系统有若干种配置方式。如果想从有限的投资开始而且只有几十个测量点时（不是几百和几千个测量点），电池供电的振动分析仪和振动能级记录仪是优越的。这种配套装置能对各监测点依次画出其窄带频谱图。每次测量和分析约需要几分钟，每个测量点的数据用手工登记在记录卡上。

把每个测量点的参考频谱记录下来并复制在透明的卡片上。以后取得的频谱放在参考频谱下面，两张卡片一对照立即可以找到差别所在。如果某一频率的振级增加就画出其振级——时间曲线，从而可预测其发展趋势。

有些用户平时只进行有规律的简单宽带监视，当振级有明显变化时才应用频率分析。这种方式有助于故障发展的诊断而不能用于早期警告和趋势发展的规律分析。

（b）先进的机器状态监测系统

当有大量的机器测点需要监测时，采用更完善的系统是合理的。操作人员可用加速度计与数据采集器（或数据记录仪）把每一个测试点的振动信号直接记录下来。回设备科后，再送到计算机里，用软件进行分析，这样做的优点是：速度快、扩大了仪器功能，改善了检测能力并降低了测量成本。

（3）长久性的机器振动监测

上面提到的机器振动监测系统都是基于周期性的测量与校对。而长久性监测先应用于那些对生产过程起重要作用的单台设备，当机器出现突然变化时，能立即或在几分钟之内向控制室提出警告，以便在灾难性故障出现之前即采取有效措施。这种系统在发电、石油化工工业中用得很多，用来监视汽轮机、进料泵和压气机等设备。

长久性状态监测系统的要条件是要有高可靠性、长期的稳定性及抗恶劣环境及抗误报警的能力，坚固的机器设计、能在潮湿与有灰尘的条件下工作再加上例行环境试验才能满足上述的严格要求。加速度计、电缆、接线盒等特别坚固的前线设备也需能在高温下工作。这种系统还包括一个自动测试系统，以便在事故报警时，操作人员立即核对哪些仪器的功能是正常的。

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