振動狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)基礎(chǔ)知識屈世棟天津石化公司裝備研究院

設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷的含義

設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測→不斷獲取設(shè)備在運行中或相對于靜態(tài)條件下的狀態(tài)信息，通過對這些信息的分析和處理，并結(jié)合設(shè)備的歷史狀況，來定量地掌握設(shè)備的技術(shù)狀態(tài)，預(yù)測設(shè)備壽命，為設(shè)備運行和按狀態(tài)維修提供技術(shù)基礎(chǔ)。設(shè)備故障→指設(shè)備系統(tǒng)或其中的元件/部件喪失了規(guī)定的功能，指的是可以修復(fù)的對象，而失效通常指的是不可修復(fù)的對象。設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷是設(shè)備診斷中的兩個過程，兩者既密切聯(lián)系又有區(qū)別。設(shè)備故障診斷的含義簡單的說，設(shè)備故障診斷就是給設(shè)備看病。指在設(shè)備運行中或者在基本不解體設(shè)備的情況下，對設(shè)備故障的性質(zhì)、原因、部位、程度等進行識別診斷，并提供維修維護措施。振動監(jiān)測診斷技術(shù)

振動監(jiān)測與診斷技術(shù)是普遍采用的基本方法，據(jù)統(tǒng)計70%的機械故障可從振動測量中檢測出來。選擇振動監(jiān)測的理由

振動監(jiān)測頻譜分析振動及其特點振動分類簡諧振動振動統(tǒng)計量振動及其特點廣泛性監(jiān)測有效性

振動AB復(fù)雜性D可識別性C研究對象振動頻率范圍振動信號的統(tǒng)計特征機械振動特征機械振動、土木結(jié)構(gòu)振動、地震和大地脈動、汽車飛機等運輸機械的振動、爆炸引起的沖擊振動等。低頻、高頻和超低頻振動。一般10Hz以下稱為超低頻，1kHz以下稱為低頻，10kHz以上稱為高頻。確定性振動與非確定性振動兩大類。確定性振動又分為周期性振動和非周期振動。強迫振動、自激振動和沖擊振動。振動分類振動監(jiān)測主要目的：研究上述各種振動的特征及其變化規(guī)律，從而找出振動原因。

簡諧振動及振動三要素如圖所示的彈簧-質(zhì)量塊系統(tǒng)，在外力作用下，質(zhì)量塊將做上下的運動。如果將一只鉛筆固定在這個作往復(fù)運動的質(zhì)量塊上，然后將記錄帶靠近它，這時質(zhì)量塊的振動響應(yīng)就會被記錄下來，記錄的波形即為位移隨時間的變化規(guī)律。質(zhì)量塊的運動即為人們常說的簡諧運動。簡諧運動的數(shù)學(xué)描述勻速圓周運動的投影即為簡諧運動，其位移D與時間t的關(guān)系可以用正弦曲線表示為:D（t）=Asin[(2π/T)t+φ]其中，A—最大振幅，偏離平衡位置的最大值，又稱峰值，2A為峰-峰值

T—振動的周期，完成一次振動所花的時間

φ—振動的初相位，描述振動在起始瞬間的狀態(tài)簡諧運動三要素在實際的測試工作中一般是知道了電機的轉(zhuǎn)速n，求頻率：兩者之間的關(guān)系是：f=n/60，例如：n=1500RPM，則f=25Hz振動周期T的倒數(shù)稱為振動頻率f，描述振動的快慢，即f=1/T，每秒鐘的振動次數(shù)，單位為Hz。如T=0.1s，則f=1/T=10（Hz），即每秒鐘振動十次。所以周期T越短，頻率f越高，振動得越快。簡諧運動三要素振動幅值表征機械振動的強度和能量，是評價機器狀態(tài)的主要參數(shù)。對振幅值有不同的描述方法，通常以峰值、峰峰值和有效值來表征。振動頻率為振動周期的倒數(shù)，每秒鐘振動的次數(shù)，單位為(1/s,Hz)描述振動的快慢，不同結(jié)構(gòu)、不同的零部件、不同的故障源，會產(chǎn)生不同頻率的機械振動，所以頻率的分析將成為進一步了解設(shè)備狀態(tài)的重要工具而相位是機器某一部分的振動與另一部位振動的相互關(guān)系，是用來表征機器振動特征的重要信息。用雙通道數(shù)據(jù)采集器采集數(shù)據(jù)是最方便的測試相位的方法。實際中關(guān)注的往往是兩個同頻率的信號的相位差。振幅、頻率和相位為簡諧運動的三要素，可以唯一地描述振動。實際振動及振動的時域指標(biāo)

實際振動信號比較復(fù)雜，往往是多個信號疊加的結(jié)果。在實際振動分析中，工程師們一直致力于尋找一些簡單的參數(shù)判別設(shè)備狀態(tài)，例如：振動位移、速度或加速度的峰-峰值、峰值、均方根值（即有效值Xrms）等。這些簡單的參數(shù)可用于識別設(shè)備狀態(tài)、報警以及進行設(shè)備的劣化傾向分析、進行狀態(tài)預(yù)測等。實際振動信號有量綱參數(shù)

均值；平均幅值；

方根幅值；均方根值亦即“有效值”有量綱參數(shù)中的均方根值即有效值Xrms表征了振動的破壞能力，是衡量振動能量大小的量。國際“振動烈度”標(biāo)準(zhǔn)ISO2372、ISO3945等皆采用振動速度有效值來度量。有量綱參數(shù)以上有量綱參數(shù)雖然會隨著故障的發(fā)展而上升，但也會因工作條件（負載、轉(zhuǎn)速）的變化而改變，因此，有量綱參數(shù)有其使用的局限性，即要盡量保證在相同的條件下測試數(shù)據(jù)。改善的辦法是引入無量綱參數(shù)，即所謂的歸一化處理。歸一化之后的參數(shù)與機器工作條件的關(guān)系不大，而對故障足夠敏感。無量綱參數(shù)無量綱參數(shù)另有裕度指標(biāo)：峭度、裕度及脈沖指標(biāo)對脈沖類故障比較敏感，特別是當(dāng)故障早期發(fā)生時，他們有明顯增加；但上升到一定程度后，隨著故障的逐漸發(fā)展，反而會下降，表明他們對早期故障有較高的敏感性，但穩(wěn)定性不好。一般來說，有效值rms的穩(wěn)定性較好，但對早期故障信號不敏感。所以，為了取得較好的效果，常常將他們同時使用，進行多趨勢分析，以兼顧敏感性和穩(wěn)定性。

振動的頻譜1、時域分析的局限性實際的振動往往由多個不同的信號組合而成，非常復(fù)雜。時域波形顯示了機器的實際振動形態(tài)。對于某些故障，其時域波形具有明顯的特征，可以直接觀察出周期振動信號、短脈沖信號等。但對時域波形進行分析比較困難，無法深入了解設(shè)備的真實狀態(tài)。這是因為時域波形只能反映信號的幅值隨時間的變化情況，除只有一個頻率分量的簡諧波外一般很難明確揭示信號的頻率組成和各頻率分量的大小。時域分析的局限性例如，下圖是一受噪聲干擾的多頻率成分周期信號的時域波形，從時域波形上很難看出其特征，但從信號的頻譜圖上卻可以判斷、并識別出信號中的幾個周期分量和它們的大小。振動信號的頻譜受噪聲干擾的多頻率成分周期信號的頻譜振動頻譜是振動幅值隨振動頻率而變化繪制出來的振動曲線圖，代表了信號在不同頻率分量處信號成分的大小，它能夠提供比時域信號波形更直觀，更豐富的信息，給我們提供了另外一個觀察設(shè)備狀態(tài)的工具，是信號分析、故障診斷中最常用的手段。信號從時域到頻域的轉(zhuǎn)換是基于傅里葉的如下理論：“現(xiàn)實當(dāng)中的任何正弦波形都能組合產(chǎn)生另一個比較復(fù)雜的波形，相反，現(xiàn)實當(dāng)中的任何復(fù)雜的波形都能夠被分解成為許多簡單的正弦波”。

信號從時域到頻域的轉(zhuǎn)換因此任何波形，無論多么復(fù)雜，都可以看成是由很多不同頻率和幅值的正弦波組成。信號從時域到頻域的轉(zhuǎn)換頻譜分析一般有兩種方法，即濾波法和FFT分析法。濾波法是讓振動信號通過不同帶寬的濾波網(wǎng)絡(luò)或可調(diào)帶通濾波器，分別測量各個頻段的振幅值，并以圖形方式顯示出來得到頻譜圖。FFT分析法是利用FFT信號分析儀，對振動信號進行快速傅里葉變換(FFT)，得到頻譜圖。典型振動信號的頻譜

特征頻率計算

機組軸的轉(zhuǎn)頻：1X=轉(zhuǎn)速/60，是計算后面各級轉(zhuǎn)子及轉(zhuǎn)子上各個轉(zhuǎn)動部件特征頻率的基礎(chǔ)各級軸的轉(zhuǎn)頻：根據(jù)傳動比來計算

齒輪傳動：傳動比i12=n1/n2=Z2/Z1=f1/f2，

皮帶輪傳動：傳動比i12=n1/n2=D2/D1=f1/f2

注：1為主動輪，2為從動輪，

n為轉(zhuǎn)速，Z為齒輪齒數(shù)，D為皮帶輪節(jié)徑特征頻率計算葉片通過頻率：葉片數(shù)*軸的轉(zhuǎn)頻齒輪嚙合頻率：軸的轉(zhuǎn)頻*齒數(shù)皮帶輪特征頻率：（皮帶長度*轉(zhuǎn)頻）/（3.14*皮帶輪直徑）振動監(jiān)測故障或停機后較大損失的設(shè)備連續(xù)流程作業(yè)設(shè)備維修周期長或維修費用高的設(shè)備故障后會產(chǎn)生二次公害的設(shè)備沒有備用機組價格昂貴的設(shè)備監(jiān)測對象振動監(jiān)測的實施真實而充分地檢測到足夠數(shù)量能客觀地反映設(shè)備情況的振動信號是監(jiān)測診斷能否成功的關(guān)鍵。如果所檢測到的信號不真實、不典型、或不能客觀地充分地暴露設(shè)備的實際狀態(tài)，那么后續(xù)的各種功能再完善也等于零。因此，監(jiān)測點選擇的正確與否關(guān)系到能否對故障作出正確的監(jiān)測和診斷。選擇監(jiān)測點1總原則：能對設(shè)備振動狀態(tài)作出全面描述；盡可能選擇機器振動的敏感點，離機器核心部位最近的關(guān)鍵點和易產(chǎn)生劣化的易損點。2同時測量水平、垂直和軸向振動；測量點應(yīng)靠近軸承的承載區(qū)，與被監(jiān)測的轉(zhuǎn)動部件盡可能避免多層相隔，減少衰減量；監(jiān)測點必須有足夠的剛度。3監(jiān)測點不是越多越好，要以最少的傳感器，最靈敏地測出整個機組振動狀況。監(jiān)測點一經(jīng)確定，其位置一定要固定不變監(jiān)測部位的方向監(jiān)測部位的方向確定監(jiān)測周期12定期點檢:具體天數(shù)可根據(jù)不同對象確定。發(fā)現(xiàn)測定數(shù)據(jù)有變化征兆，應(yīng)縮短監(jiān)測周期，待振動值恢復(fù)正常后仍按原監(jiān)測周期。新安裝機器或大修前后應(yīng)頻繁檢測，直至運轉(zhuǎn)正常。3大型關(guān)鍵設(shè)備應(yīng)配備振動在線監(jiān)測系統(tǒng)。當(dāng)振動值超過規(guī)定值時報警并自動記錄異常信號。確定監(jiān)測周期的原則是超前于機器劣化速度。根據(jù)不同的監(jiān)測對象和不同的監(jiān)測點要“因機制宜”地確定監(jiān)測周期。確定測量參數(shù)對低頻振動常取位移或速度參數(shù)。對高頻振動常選用加速度作為監(jiān)測量。不是一成不變的，而要具體問題具體分析！A

C

B

選用傳感器傳感器的作用是把振動量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號，它有如下基本要求：A.具有較寬的動態(tài)范圍，即對非常微弱和非常劇烈的振動都能精確地響應(yīng)；B.具有較寬的頻率范圍；C.在其頻響范圍內(nèi)具有良好的線性度；D.抗干擾強，對環(huán)境變化具有較低的靈敏度；E.結(jié)構(gòu)堅固，工作可靠，能夠長時間保持穩(wěn)定。（1）位移傳感器這種傳感器的輸出電量與振動位移成正比，主要有：接觸型應(yīng)變式位移計，非接觸型電容式和電渦流式傳感器。通常測量大型旋轉(zhuǎn)機械軸位移時，需要用兩個相隔90度的電渦流位移傳感器來測量旋轉(zhuǎn)軸的徑向位移。傳感器必須牢牢固定在軸承座或框架基礎(chǔ)上，安裝比較麻煩。（2）速度傳感器常用的速度傳感器是慣性式磁電速度傳感器。固定在彈簧上的可動線圈隨設(shè)備振動作慣性振動時，切割磁力線而輸出與速度成正比的電壓。速度傳感器頻率范圍一般在10-1000Hz；輸出靈敏度較高。（3）加速度傳感器目前用得最廣泛的是壓電式加速度傳感器。壓電式加速度傳感器的核心是壓電晶體材料，通常是人工極化的鐵電陶瓷，當(dāng)受到應(yīng)力作用時，無論是拉伸、壓縮、還是剪切，在它兩個極板上都會出現(xiàn)與所加應(yīng)力成正比的電荷。當(dāng)加速度計受到振動時，內(nèi)部質(zhì)量塊的慣性力就作用在壓電晶體上，輸出的電荷量與振動加速度成正比。選用加速