方越 卓微科技
1.介绍
本指南向机械维修人员介绍用于检测和分析机器部件故障的状态监测分析方法。
本指南并不打算使读者成为一名分析专家。它只是告诉读者一些常见的分析方法，并为理解机械分析的概念奠定基础。此外，它还告诉读者对特定机器进行实际分析需要什么。
规则1：知道你知道什么，不知道什么！
经常，会出现在分析数据中找不到答案的情况。在这种时候，“我不知道”是Z好的回答。一个错误的诊断可能代价昂贵，并可能迅速降低机械维护工人的信誉。因此，需要一个振动专家来分析这个问题。
1.1 检测与分析
检测机械问题和分析导致机械问题的原因之间的差异是巨大的。把具有很大振动的轴承更换成新轴承可能是、但也可能不是轴承故障的Z终解决方案。经常的，机器中出现的机械故障会导致轴承过早故障。要根本性的解决问题，必须找到轴承故障的相关因素或根本原因（如不对中、松动、不平衡）。如果没有遵循这一重要步骤，仅仅只是简单的更换轴承，而不是建立状态监测的解决方案，事故就会重复发生。尽早发现机械问题是十分必要的，这样才能有效的计划维修行动和尽量减少停机时间。一旦检测到异常，必须分析导致问题的原因。然后采用基于状态监测的解决方案，以防止问题再次发生。有一些关键知识为开发成功的状况监测软件建立了基础。首先，了解和理解行业术语。
1.2 振动(振幅与频率）
振动是指机器的机械部件在对内部或外部的力作出响应时的行为。由于大多数旋转部件问题都表现为振动过大，由此，我们可以使用振动信号来指示机器机械状况。此外，每种机械问题或缺陷都会以其独特的方式产生振动。因此，我们分析了机器所表现的振动的“模式”，以确定其原因，并制定适当的维修步骤。
在分析振动时，我们要观察振动信号的两个成分：频率和振幅。
频率是事件在给定时间段内发生的次数（振动分析里的事件是指一个振动周期）。振动发生的频率通常表示故障的类型。也就是说，某些类型的故障“典型的” 发生在特定的频率。通过确定振动发生的频率，我们可以更清楚地了解振动的原因。
振幅是振动信号的大小。振动信号的振幅决定了故障的严重程度，振幅越高，问题越严重。振幅取决于机器的类型，安装形式、功率大小等因素！在测量振动时，我们会使用某些标准的测量方法：
♦整体振动或趋势
♦相位
♦包络或解调
♦高频检测(HFD)
本指南可分为几个部分。每一节都解释了关键的主题，并通过例子帮助读者获得清晰的理解。同时还提供了一个术语表。对于任何不熟悉的术语，请参考术语表。
2.整体振动或趋势
在状态监测中，Z常见和Z合乎逻辑的分析方法首先是机器振动的总值的趋势。这被用来观察机器的整体振动水平的变化情况。
总体振动是指在指定的频率范围内测量到的总振动能量。例如，测量转子的整体振动，并将测量值与其正常值进行比较。
然后，评估任何不一致的地方。高于正常的整体振动读数表明某种原因导致机器或部件增加其振动水平。成功的关键是找到这个原因是什么。
振动被认为是判断低频相关故障的Z佳诊断参数，这类故障，如不平衡、不对中、机械松动、结构共振、软基础、轴弯曲、轴承过度磨损或转子叶片丢失。
精确地确定是哪种故障，我们首先需要理解振动信号的特征。振动信号特征有两个主要组成部分：频率范围和振动参量。
2.1 频率范围
监测设备决定了整个振动读数的频率范围。一些数据采集设备有自己预定义的频率范围。一些数据采集器允许用户选择总体振动测量的频率范围。
不幸的是，关于哪个频率范围能Z好地衡量整体振动(尽管标准化组织(ISO)制定了一个标准定义)的争论还在进行。
作为一个类比，我们可以把频率范围想象成是一个桶。如果这个桶在开始下雨时放在地上，一些雨落在桶里，一些雨落在地上。落入桶内的雨是在预设定的频率范围内。而落到地面上的雨超出了规定的频率范围。
2.2 振动参量
振动参量决定振动测量值是如何表达的，通常包含：峰值、峰峰值、平均值和有效值（均方根）。当使用正弦波形时，这些参量是相互直接关系的。当比较总体振动值时，参量必须保持一致。图1显示了正弦波形的峰值，平均值，均方根，与峰峰值。
图1 振动参量
峰值表示从零参考测量到的波形顶部的距离。为了讨论的目的，我们定义峰值为1.0。
峰峰值是从波形顶部到波形底部测量的振幅。
平均值是波形的平均振幅。纯正弦波形的平均值为零（它与正和负一样）。然而，大多数真实的振动波形并不是纯正弦波形。此外，不以零伏为中心的波形会产生非零的平均值。
而可视化如何导出RMS值则比较困难。实际上，有效值就是概率与统计中的均方根值。一般来说，有效值是由直流能量与交流能量之间的数学转换推导出的。在技术上，在时间波形上，它是均方根(RMS)。在FFT谱上，它是一组瞬时平方之和的平方根。如果你测量了一个纯正弦波，有效值是峰值的0.707倍。
注意：峰值和峰峰值的值可以是真实测量得到的，也可以是通过计算而来的。通常计算是根据RMS值计算出来的。
实际应用中，不用关心具体的数学计算公式，因为状态监测仪器计算值并显示结果。重要的是要记住要在相同的频率范围和参量上测量信号，特别是在进行信号对比的时候。
注意：为了比较的目的，测量类型（比如振动加速度、振动速度、振动位移）和位置也必须相同。
收集准确、可重复和可用的数据是很重要的。您可以通过以下针对传感器位置的几个关键技术来实现这一点。
2.3 测量传感器位置
在采集机械振动数据时，选择机械振动测量点非常重要。避免涂漆表面、轴承非承载区、外壳剖分面和结构间隙。这些领域的响应能力较差，并损害了数据的完整性。
当使用手持式传感器测量振动时，必须执行一致的读数，并密切注意传感器的位置、角度和接触压力。
如果可能，振动应作为正交方向进行测量（三个方向的位置）：
轴向(A:axial)
水平方向(H:horizontal)
垂直方向(V:vertical)
其中，水平方向和垂直方向也统称作径向(R:radial。表示沿着转子直径的方向)
对于卧式设备，水平测量通常显示Z大的振动，因为机器在水平方向上由于没有支撑而刚度较小。此外，不平衡是Z常见的机械问题之一，不平衡产生部分水平和部分垂直振动合成的径向振动。因此，过大的水平振动是不平衡的良好指标。
对于卧式设备，垂直测量通常显示出比水平测量更小的振动，因为设备的刚度受安装和重力影响较水平方向更大。
在理想的条件下，轴向测量显示很小的振动，因为大多数设备工作时的力垂直于轴的径向。
然而，不对中和轴弯曲的问题会在轴向平面上产生振动。
图2 标准的测量位置示意图
注意：以上这些描述仅作为“典型”机器的指导方针。垂直安装的设备，或以某种方式不是“典型”的设备可能会表现出不同的响应。
由于我们通常知道各种机械问题是如何在每个方向上振动的变化和差别，因此在这三个方向上进行的振动读数可以提供很好的故障诊断依据。
测量应尽可能靠近轴承，并避免从空心外壳上采集振动信号（外壳可能因共振或松动而振动）。
注意：进行包络或解调测量时，应尽可能靠近轴承载荷区域。
如果选择不将加速度传感器或其他类型的振动传感设备永久安装到机器上，请选择一个平整表面安装和使用加速度传感器。测量应在相同的精确位置进行比较（移动加速度传感器只有几十毫米就可以产生完全不同的振动读数）。为了确保每次都在准确的位置进行测量，用永久油墨标记测量点。我们强烈建议尽可能使用永久安装的传感器。这确保了数据是可重复的和一致的。下面的内容包含了加速度传感器的安装规范。如果无法永久安装传感器，请使用磁性安装装置。
角度：
始终垂直于表面（90°±10°）
压力：
磁性安装：表面应无润滑脂油漆。
手持式：必须使用一致的手动压力。通常我们不建议使用此方法。
永久安装：详见图3中的规范。
图3 永久安装的传感器的规格示例
2.4 Z佳测量条件
理想情况下，应在机器在正常条件下运行时进行测量。例如，当转子、轴承座和主轴承达到其正常稳定的工作温度，且机器的运行速度在制造商的规格范围内（额定电压、流量、压力和负载）时，进行测量。如果机器是变速机器，则应在某一近似工况下进行测量。这确保了机器的能量没有过大的变化。我们建议偶尔在极端评级条件下进行测量，以确保不会遗漏只在极端条件下出现的异常问题。
2.5 总体振动趋势
可能评估振动严重程度Z有效和可靠的方法是将相同测量点的Z新总体振动读数与以前的读数进行比较。这允许您查?测量得到的振动值是如何随时间变化的总体趋势。当值显示在趋势图中时，现在和过去读数之间的趋势比较很容易分析。
图4 一个趋势图的示例
趋势图是一条折线图，它显示随时间变化的当前和过去的总体振动值。过去的值应该包括一个基线读数。基线值可以在大修后或当其他指示灯显示机器运行良好时获得。将随后的测量结果与基准线进行比较，以确定机械设备的变化。
随着时间的推移，将机器与自身进行比较是机器问题检测的首选方法，因为每台机器在其运行过程中的测量值都是的。例如，一些部件的正常大小的振动，对大多数机器来说将被认为是有问题的。也就是说，目前的读数可能导致分析师认为存在问题，而趋势图和基线将清楚地显示，对该机器来说这种程度的振动是正常的。
ISO标准是一个很好的起点（直到机器自身的标准随着监测的数据积累建立起来）。
ISO标准为多种类的机械定义了“好”或“不好”的状态标准，但并不是“”的标准。请记住，每一台机器都是：
♦不同方式制造
♦不同的安装（基础）
♦在不同条件下运行（负载、速度、材料、环境）不同的维护保养
仅仅通过比较当前的测量值与ISO标准或其他标准、或测量参数大小来判断机器的状况是不现实的。通过比较当前值与历史值，您可以轻松地看到机器的状态随时间的变化。
3.振动测量方法
测量振动是对周期性运动的测量。图5中的弹簧质量模型用来说明振动。
图5 弹簧质量系统
当运动时，质量块M在弹簧上振荡。将振荡视为随时间变化的位置会产生一个正弦波。起点（当质量块M处于静止状态时）是零点。一个完整的循环显示质量块相对于其参考（零）的正位移和负位移。位移是指对象相对于参考对象的距离或位置的变化。位移的大小是以振幅来测量的。
位移有两个可测量的导数：速度和加速度。
速度是位移随时间的变化。它是移动距离的变化率（如：毫米/秒）。
加速度是指速度的变化速率。例如，如果速度从0 增加到1米/秒需要1秒，则加速度为1米/每秒的平方()。
因此，振动具有三个可测量的特性（参数）：位移、速度和加速度。虽然这三个参数在数学上是相关的，但它们是三个不同的特征表达，而不是相同特征的三个名称。
3.1 振动位移
在状态监测中通常以毫米或微米为单位测量，位移是物体相对于参考位置的距离变化。位移通常是用一个传感器来测量的，通常被称为位移探头或涡流探头来测量。位移探头是一种测量两个表面之间的相对距离的非接触装置。
位移探头通常会监测轴的振动，通常用于滑动轴承的机器上。
位移探头只测量轴或转子相对于机器外壳的运动。如果机器和转子一起移动，即使机器可能严重振动，位移测量也会很小或为0。
位移探头也用于测量轴的相位。轴相位是轴上的已知标记与振动信号之间的角度差。这种角度关系用于转子动平衡和轴心轨迹分析。
图6 百分表（左）测量位移。一个常见的位移探头（右，接触式测量）
3.2 振动速度
在状态监测中，速度测量以厘米/秒(cm/s)或毫米/秒(mm/sec)为单位进行。速度是对信号位移变化速率的度量。它是Z常见的机器振动测量方法。在历史上，速度传感器是Z早用于机器状况监测的电子传感器之一。这部分是由于产生了等量的动态运动；无论频率如?，速度都保持不变。然而，在低频（低于10Hz）或高频（2kHz以上），速度传感器失去其有效性。
原来的速度传感器使用一个线圈在磁场中振动，以产生一个与机器的表面速度成正比的电压。今天， 随着低成本和通用加速度传感器的到来，大多数速度值是通过将加速度读数积分到速度域中得到的。
3.3 振动加速度
加速度是指速度的变化速率，加速度可以用加速度传感器来测量。加速度传感器通常包含一个或多个压电晶体元件和一个质量块。
图7 加速度计
当质量块和它们所附着的机械设备表面一起振动时，晶体受到质量块运动发生的压力。当压电晶体受力时，它产生与加速度成正比的电输出。
加速度传感器是在宽频率范围内(0到400kHz以上，我们通常用到的是传感器的安装谐振频，要远远小于加速度传感器本身的频带范围)工作的坚固设备。这种检查较宽频率范围的能力是加速度传感器的主要优势（特别应用于滚动轴承和齿轮故障诊断）。然而，由于速度是监测振动Z常见的测量值，加速度测量通常被积分得到速度（要么在加速度传感器内部积分，要么由数据收集器进行积分）。加速度单位为g，或m/秒平方。
我们可以通过在轴承座上安装加速度计来测量?速度和推导速度。这些测量值由状态监测设备记录、分析，并显示为表格和图表。振幅与时间的图称为时间波形。
1.1 时间波形分析
图8中的时间波形图说明了加速度传感器或速度传感器的信号振幅（y轴）随时间（x轴）是如何显示的。Z简单的时间波形是特定系统、机器或参数在一定时间内发生的记录。例如，地震仪测量了发生地震时地球在给定时间内的震动程度。这与在时间波形中记录的内容类似。（注：有一种振动随时间的变化图称为时间趋势图，其与时间波形图的区别在于后者是短时间大量数据采集，通常是每秒采集成千上万个数据）
时间波形显示了一个原始振动的短时间样本。虽然通常没有其他分析格式那么有用，但时间波形分析可以提供关于机器状态的线索，而这些线索在频谱中并不总是明显的。因此，时间波形应被用作分析程序的一部分。有一些故障类型，在频谱中不易分析，而在时间波形上十分明显（比如：齿轮断齿故障）。
图8 一个时间波形的示例
未完待续......
成都卓微科技有限公司（卓微科技）致力于设备自诊断的关键器件和核心软件研发。卓微科技的核心团队在传感器领域、设备状态监测软件开发和应用方面具有丰富经验；在四川德阳罗江军民融合基地建有生产和测试中心。
“卓尔不凡，见微知著”：精确诊断+智能识别是卓微科技在设备健康管理和故障诊断领域持续追求的目标！
联系电话：028-87816741 18908045531
邮箱地址：18908045531@189.cn
联系地址：成都市成华区崔家店路75号航天科工通信技术研究院23楼
1005次
