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旋轉(zhuǎn)設備振動監(jiān)測與診斷（一）

信息來源：發(fā)布時間：2020-12-30閱讀：566
     隨著我國工業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展，大型旋轉(zhuǎn)設備的應用越來越廣泛，從鋼鐵、煤炭、電力、水泥，到地鐵、飛機、火車、船舶等，都離不開旋轉(zhuǎn)設備的身影，比如泵與風機、汽輪機、燃氣輪機、渦輪機、飛機發(fā)動機等等，這些旋轉(zhuǎn)設備的穩(wěn)定運行對國民經(jīng)濟的發(fā)展越來越重要，一旦發(fā)生故障，都可能導致生產(chǎn)線停機，造成的損失是非常大的。
振動的監(jiān)測與診斷對提高旋轉(zhuǎn)設備的穩(wěn)定運行有很重要的作用，建立在現(xiàn)代故障診斷技術的監(jiān)測與診斷系統(tǒng)，可以實時監(jiān)測設備的運行狀態(tài)，通過對數(shù)據(jù)的處理與分析，可以發(fā)現(xiàn)設備故障的額原因以及預測設備可能的故障，為預防事故、科學安排檢修提供科學的依據(jù)。

 

□1 振動的分類

按振動規(guī)律分類：

按振動的規(guī)律，機械振動可以分為下面的幾類。

按振動頻率分類：
根據(jù)振動頻率的高低，振動可以分為三類：
低頻振動：頻率<10Hz
中頻振動：10Hz<頻率<1000Hz
高頻振動：頻率>1000Hz
 
□2 振動信號的物理量
振動的三個基本因素是振幅s、頻率f和相位φ。通常簡諧振動可以采用下面的函數(shù)來表示：
s=ASin(2π/T+  φ)                         
其中:
A：最大振幅（μm或者mm）,或者稱為峰值
t：時間（s）
T：周期（s）
φ：相位（rad）
振幅s可以反映振動的強度。
如果用振速v來表示：
v=ωt
ω為角速度，ω=2π/T
通常以速度均方根值來表示振速，它最能反應振動的烈度，目前許多標準都是采用速度均方根值Vrms作為判別的參數(shù),它與速度最大值Vp的關系：
Vrms=0.707Vp
頻率f表示物體每秒鐘振動的次數(shù)，單位為Hz。
f=ω/2π
頻率是振動診斷的一個重要參數(shù)，是判斷設備故障類型的主要依據(jù)。
相位角φ:表示振動的相對位置，不同振動源產(chǎn)生的振動都有各自的相位，相位相同的振動會引起共振，產(chǎn)生嚴重的后果；相位相反的振動會互相抵消，起到減振的效果。相位測量分析在故障診斷中也有相當重要的地位。
 
□3 振動的測量
振動的測量一般是測量振動體的位移、速度、加速度的大小，以及振動頻率、周期、相位、振型、頻譜等。
振幅的測量：
機械工程中一般采用速度傳感器或者加速度傳感器來測量機械振動。通常，對于低頻振動，主要測量的振幅是位移量；對于中頻振動，主要測量的振幅是速度量；對于高頻振動，主要測量的振幅是加速度。
 
速度傳感器和加速度傳感器都是接觸式傳感器，直接安裝在設備的測量點；渦流式傳感器是非接觸式傳感器，它結(jié)構(gòu)簡單，線性度好，抗干擾能力強，廣泛應用于不接觸式振動位移測量。
速度傳感器適用于測量軸承座、殼體以及基礎的一般頻帶內(nèi)的振動速度和振動位移。加速度傳感器適用于測量軸承座、殼體等的絕對運動。電渦流位移傳感器適合于測量轉(zhuǎn)子相對于軸承的相對位移，包括軸心平均位置及振動位移；它還可以測出轉(zhuǎn)軸軸心靜態(tài)位置的偏離，這個用于判斷軸心是否偏移很有好處。
頻率的測量：
頻率的測量一般采用頻譜分析儀直接測量。
總之，傳感器的選用以及測試對象和測試部位的選擇應當符合該部位的振動最能反映出測試對象的特點。
旋轉(zhuǎn)設備的測試內(nèi)容根據(jù)不同的目的，大概有以下幾方面：
1)運行中旋轉(zhuǎn)設備的振動監(jiān)測與保護。
2)流體壓力、流量、溫度的監(jiān)測與保護。
3)軸承溫度的監(jiān)測與保護。
4)轉(zhuǎn)子動平衡。
 
□4 振動信號的處理與分析
機械振動測量的信號中包含對診斷有用的信息，但是也有一些沒用的信息，為了提取有用的信息，就必須對信號進行處理。信號處理是設備診斷中不可缺少的重要手段。
振動信號的分析方法，可按信號處理方式的不同分為幅域分析、時域分析、頻域分析。
幅域分析是比較原始的一種分析方法，它只在波形的幅值上進行，比如計算波形的最大值、最小值、平均值、有效值等。
時域分析是研究信號在時間域內(nèi)的變化或者分布。
頻域分析是確定信號的頻域結(jié)構(gòu)，即信號中包含哪些頻率成分，分析的結(jié)果是以頻率為自變量的各種物理量的譜線或者曲線。
不同的分析方法是從不同的角度觀察、分析信號，使信號處理的結(jié)果更加豐富。
振動信號的時域分析：
振動信號的時域分析主要是指波形分析、軸心軌跡、相關分析和時序分析，他們可以在時域中提取信號的特征。
波形分析：
傳感器輸出的信號一般都是時間波形，對于具有明顯特征的波形，可以用來判斷設備的故障。例如，等距離的尖脈沖是沖擊的特征，削波表示有摩擦，正弦波主要是不平衡。
一般來說，正弦波一般表示不平衡故障；如下圖：
 
單純不對中的振動波形比較穩(wěn)定、光滑、重復性好；如下圖：
轉(zhuǎn)子組件松動或者摩擦產(chǎn)生的波形比較毛糙、不平滑、不穩(wěn)定，還可能出現(xiàn)削波現(xiàn)象；
自激動振動，如油膜渦動、油膜振蕩等，其波形比較雜亂，重復性差，波動大。
軸心軌跡：
軸心運動軌跡是利用安裝在同一截面內(nèi)相互垂直的兩支電渦流傳感器對主軸振動測量后得到的，可以用來指示軸承的磨損、軸不對中、軸不平衡、軸承潤滑失穩(wěn)以及軸摩擦等。軸心軌跡非常直觀地顯示了轉(zhuǎn)子在軸承中的旋轉(zhuǎn)和振動情況，是設備故障振動中的重要特征信息。
正常情況下，軸心軌跡是穩(wěn)定的，旋轉(zhuǎn)過程中，軸軌跡基本上相互重合。如果軸心軌跡紊亂，形狀、大小不斷變化，則表示轉(zhuǎn)子運轉(zhuǎn)不穩(wěn)定，如果不及時檢查控制，很容易導致轉(zhuǎn)子失穩(wěn)，釀成大事故。
啟停機過程：
通常將設備啟停機過程的振動信號稱為瞬態(tài)信號，是轉(zhuǎn)子系統(tǒng)對轉(zhuǎn)速變化的響應，是轉(zhuǎn)子動態(tài)特性和故障征兆的反映。
用于啟停過程的分析方法很多，除了軸心軌跡、軸心位置和相位分析以外，主要通過奈魁斯特圖、波德圖和瀑布圖來分析啟停過程的特性。
奈魁斯特圖是將在啟停過程中每個轉(zhuǎn)速下的基頻振幅和相位用極坐標表示的一條曲線。利用奈魁斯特圖，可以分析振動振幅峰值和相位偏移，能夠發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的共振頻率和臨界轉(zhuǎn)速，還可以看出整個轉(zhuǎn)子系統(tǒng)對于不平衡的響應。
波德圖是將各個轉(zhuǎn)速下的振幅和相位分別繪制在以轉(zhuǎn)速為橫坐標的坐標系上，作用與奈魁斯特圖一樣。
瀑布圖是將各個轉(zhuǎn)速下的振動信號的幅值譜疊加而成的，縱坐標是轉(zhuǎn)速，橫坐標是頻率。瀑布圖反映了全部頻率分量的振幅變化情況，但顯示不了振動的相位信息。
振動信號的頻域分析：
對于機械振動的診斷而言，時域分析只能粗略地回答設備是否有故障，但不能提供故障發(fā)生部位等信息，而頻域分析能通過了解測試對象地動態(tài)特性，對設備地狀態(tài)做出準確評價，進而對設備故障進行定位。
設備故障發(fā)生時，往往會引起信號頻率結(jié)構(gòu)的變化，根據(jù)這些頻率成分的組成和大小，就可以對故障做出識別和評價。
頻域分析是以傅里葉積分為基礎，將復雜信號分解為有限或者無限個頻率的簡諧分量。
振動分析的任務就是從頻譜圖上把每個頻譜分量與監(jiān)測設備的部件對照聯(lián)系，給每條頻率賦予物理的解釋，主要包括：

  • 振動頻譜包含的頻譜分量

  • 每條頻譜分量的幅值

  • 這些頻譜分量之間的關系

  • 如果有高幅值的頻譜分量，它的來源以及對應設備的零部件

  • 如果能測相位，檢查相位是否穩(wěn)定

頻譜分析可以按下面的思路進行：
1）按高中低頻率，初步了解故障發(fā)生的部位
2）按工頻、諧波進行分析，振動信號大多數(shù)為工頻的整數(shù)倍，找出他們之間的聯(lián)系。
3）按特征頻譜分析。如不平衡必定產(chǎn)生工頻，氣流在葉片間流動必定有通過頻率，零部件沖擊有固有振動頻率等。
4）對主振幅值成分進行分析。頻譜分析時，首先要關注幅值較高的頻譜，如工頻過高，往往是不平衡導致；二倍頻過高，可能與設備不對中有關；0.5倍頻高，預示渦動失穩(wěn)；特低頻是由于喘振引起的；諧波豐富可能是松動造成。
5）通過頻譜對比分析發(fā)現(xiàn)異常。
 
總之，振動信號從幅域、時域和頻域反映了機器的運行狀態(tài)和故障的信息，通過振動分析可以識別和監(jiān)測設備的運行狀態(tài)，并控制或者減少振動，為設備的正常運行提供了科學的指導依據(jù)。
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