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，請(qǐng)勿擅自整理發(fā)布 提示 本文旨在描述如何在常見的各種機(jī)械設(shè)備中應(yīng)用集成化狀態(tài)監(jiān)測(cè),。 狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)最基本的應(yīng)用就是在機(jī)械狀態(tài)惡化的情況下監(jiān)測(cè)并發(fā)現(xiàn)機(jī)械的故障,。但是，當(dāng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與控制器集成在一起時(shí),，將會(huì)在基礎(chǔ)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)之上,，發(fā)生一些微妙的變化，這種變化讓我們能夠獲得更多的信息,，從而使我們的機(jī)械設(shè)備變得智能化起來,，這也就是人們常說的——智能機(jī)器,。 本文將以向?qū)У姆绞揭徊讲降难菔救绾吾槍?duì)機(jī)器實(shí)現(xiàn)從基礎(chǔ)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)及保護(hù)，衍生至智能機(jī)器解決方案,。 按照目前規(guī)劃,，全手冊(cè)共分10個(gè)篇章。 第一篇章為簡(jiǎn)介內(nèi)容,。 第二篇章為狀態(tài)監(jiān)測(cè)的應(yīng)用基礎(chǔ),，會(huì)花一到兩個(gè)專題去介紹，為后續(xù)的篇幅打底,。 第三篇章為基于滾動(dòng)軸承的機(jī)械設(shè)備詳解,。內(nèi)容很多，會(huì)花至少十個(gè)以上專題去詳細(xì)介紹,，其中包含了大,、中、小型電機(jī),，皮帶機(jī),，燃?xì)廨啓C(jī)，風(fēng)力發(fā)電機(jī),，多種泵類設(shè)備,，齒輪箱設(shè)備，各種通風(fēng)機(jī)與鼓風(fēng)機(jī)以及冷卻裝置等,。由于涉及細(xì)節(jié)較多,，所以有時(shí)可能更新會(huì)比較慢。 第四篇章對(duì)應(yīng)的當(dāng)然是基于液膜軸承的機(jī)械設(shè)備,，內(nèi)容也相對(duì)較多,。包括電機(jī)，汽輪機(jī),，燃?xì)廨啓C(jī),，水輪機(jī)、風(fēng)機(jī),、泵,、壓縮機(jī)等等諸多相關(guān)機(jī)械,。 第五篇章側(cè)重于轉(zhuǎn)速的測(cè)量及應(yīng)用。 第六篇章重點(diǎn)介紹一些特殊的測(cè)量方法,，比如尖峰能量法。 第七篇章介紹一些特殊場(chǎng)合的應(yīng)用解決方案，如防爆環(huán)境等,。 第八篇章介紹控制器與狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的融合,。 第九和第十篇章將會(huì)聯(lián)合一些國際標(biāo)準(zhǔn)介紹振動(dòng)分析的法則和原理。 最后,，如果有條件的話,，將會(huì)挑選一些實(shí)用并且容易混淆的概念做詳細(xì)的解析 第一章：應(yīng)用概述 機(jī)器使用的軸承類型直接決定了傳感器的解決方案，選擇對(duì)的傳感器,，才能準(zhǔn)確并有效的監(jiān)測(cè)機(jī)器故障。對(duì)于每種軸承類型,，都會(huì)針對(duì)性的選擇一系列的機(jī)械類型提供具體的操作向?qū)?。所列出的機(jī)器都是一些比較基礎(chǔ)的機(jī)械單元，比如電機(jī),、風(fēng)機(jī),、齒輪箱等。當(dāng)使用該手冊(cè)時(shí),，首先應(yīng)當(dāng)針對(duì)每個(gè)機(jī)械單元單獨(dú)處理,，然后再整體考慮。 以某種泵為例,，先分別針對(duì)電機(jī)和水泵單獨(dú)安裝傳感器,，然后再整合到一起，并調(diào)整傳感器的個(gè)數(shù)及安裝位置：
本手冊(cè)將會(huì)涉及一些機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)相關(guān)的概念和術(shù)語,，同時(shí)一些故障診斷及信號(hào)處理的內(nèi)容可能會(huì)讓部分讀者感到困惑,，當(dāng)遇到這種情況時(shí)，可以參考振動(dòng)術(shù)語定義文檔,。 1.1概述 機(jī)械的種類千千萬萬,，如果實(shí)際遇到的機(jī)械類型與文中所提及的機(jī)械類型相距甚遠(yuǎn)，那么還是需要有專業(yè)的機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)人員提供相應(yīng)的建議。 通常來說,，按照軸承類型來分,，機(jī)器分滾動(dòng)軸承、液膜軸承,、套筒軸承等,；按照功能來分有電機(jī)、風(fēng)機(jī),、泵等,。當(dāng)然也經(jīng)常會(huì)按照功率的大小來分。有時(shí)甚至還會(huì)按照安裝方式來分,，比如立式或者臥式,。
1.1.1應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn) 本手冊(cè)將引用多種標(biāo)準(zhǔn)，后面羅列了各項(xiàng)國際標(biāo)準(zhǔn),。大多數(shù)情況下,，并不需要一一去閱讀這些標(biāo)準(zhǔn)。但是,，當(dāng)實(shí)際設(shè)定機(jī)械參數(shù)時(shí),，機(jī)械廠商提供的總振值報(bào)警線優(yōu)先級(jí)將高于標(biāo)準(zhǔn)中或本手冊(cè)中所描述的數(shù)值。 標(biāo)準(zhǔn)包含（具體內(nèi)容及名稱將不再贅述,，有興趣可自行網(wǎng)上搜閱）： APIStandard 670 ISO/TR19201 ISO7919-1/2/3/4/5 ISO13373-2 ISO14694 ISO10816-1/2/3/4/5/6/7/8 VDI3834 1.1.2機(jī)械保護(hù) 該手冊(cè)主要描述基于狀態(tài)維修的一種裝備及監(jiān)測(cè)手段,。當(dāng)然，手冊(cè)中提及的狀態(tài)監(jiān)測(cè)設(shè)備也可以用于機(jī)械保護(hù)解決方案,，但這些并不是本手冊(cè)所重點(diǎn)討論的內(nèi)容,。 保護(hù)系統(tǒng)有時(shí)需要本地繼電器的組態(tài)及表決邏輯，另外還有一些諸如軸位移,、軸承溫度,、脹差、熱膨脹等測(cè)量量,。這些內(nèi)容均不再做細(xì)節(jié)描述,。 機(jī)械保護(hù)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)參考API-670、ISO,、以及相關(guān)OEM廠商提供的標(biāo)準(zhǔn)文檔,。 1.1.3故障 對(duì)每個(gè)機(jī)器來講，機(jī)器故障多種多樣,。對(duì)于程式化的集成化狀態(tài)監(jiān)測(cè),，我們將主要討論常見故障或者根據(jù)機(jī)器的監(jiān)測(cè)史提出的針對(duì)性的故障。監(jiān)測(cè)這些故障的主要手段是通過FFT頻帶,，通常我們大概用5個(gè)頻帶即可,。更深入的分析，將會(huì)使用更多的頻帶。當(dāng)然,，針對(duì)每個(gè)頻帶,，還需要做特殊處理。 1.2軸承 對(duì)于機(jī)器而言,，或許其所使用的軸承類型對(duì)于故障診斷來說是最重要的一種機(jī)械特性,。畢竟軸承直接關(guān)系到整個(gè)軸系的穩(wěn)定運(yùn)行。本手冊(cè)僅討論三種最常見的軸承類型：滾動(dòng)軸承,、液膜軸承,、套筒軸承。其他類型的軸承將不再一一進(jìn)行討論,，如果確實(shí)用到了這三種以外的軸承類型,，那么請(qǐng)參考機(jī)器廠商提供的建議，或者把重點(diǎn)放在與軸承無關(guān)的故障分析章節(jié),。
1.2.1滾動(dòng)軸承 滾動(dòng)軸承通過內(nèi)外環(huán)之間保持架上安放的滾珠或滾動(dòng)體來承載。這些零部件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)將會(huì)帶來運(yùn)動(dòng)阻力,。這些運(yùn)動(dòng)阻力將會(huì)是監(jiān)測(cè)的信息來源,。 滾動(dòng)軸承有很多優(yōu)點(diǎn)，包括性價(jià)比,、尺寸,、重量、承載能力,、耐久性,、精度、摩擦等,。所以大多數(shù)中小型機(jī)器都會(huì)采用滾動(dòng)軸承,。 大多數(shù)滾動(dòng)軸承會(huì)安裝有保持架，保持架通過阻止?jié)L動(dòng)體之間相互接觸來減少摩擦,、磨損以及粘連,。 因此，軸承的故障是高度可預(yù)測(cè)的,，并且可以及時(shí)檢測(cè)出來,。 ISO標(biāo)準(zhǔn)中定義了軸承的生命周期，稱之為L10 Bearing Life,。當(dāng)然,，其轉(zhuǎn)速和負(fù)載將直接影響軸承的生命周期。 裝有滾動(dòng)軸承的機(jī)器,，通常采用殼振傳感器（或者稱之為地震式傳感器）測(cè)量,，這種類型的傳感器最常見的便是加速度計(jì)。這種傳感器一般通過螺釘直接安裝在軸承座上。特殊情況下,，如果現(xiàn)場(chǎng)不允許打孔,，那么有時(shí)會(huì)采用貼片安裝的方法，也就是將金屬墊片焊接或者黏貼至軸承座位置,，然后再把傳感器安裝至金屬墊片,。但是，無論是用螺釘還是金屬墊片,，都需要注意其接觸面,，一定要保證接觸面均勻，這樣才能夠保證監(jiān)測(cè)信號(hào)的準(zhǔn)確性,。當(dāng)然,，如果是用粘貼的方式，那么一定要采用堅(jiān)固可靠的結(jié)構(gòu)膠來進(jìn)行粘貼,。 振動(dòng)傳感器的安裝大多是安裝在徑向位置,，無論是垂直，還是水平,，都應(yīng)當(dāng)盡量保證90°角過軸心線,。當(dāng)然，有時(shí)為了監(jiān)測(cè)一些特殊的故障或振動(dòng)源,，也會(huì)安裝軸向傳感器,，也就是與軸心線平行的方向。 對(duì)于375kW功率以下的機(jī)器,，通常來說一個(gè)軸承位只需安裝一個(gè)徑向水平的傳感器就足夠了,。當(dāng)功率在375kW以上時(shí)，建議每個(gè)軸承位都安裝一個(gè)徑向水平和一個(gè)徑向垂直的傳感器,，同時(shí)針對(duì)每個(gè)軸系安裝一個(gè)軸向振動(dòng)傳感器,。 有的時(shí)候根據(jù)機(jī)械的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)不同，可能并不具備足夠的安裝條件,。那么,，將按照優(yōu)先級(jí)，針對(duì)每個(gè)軸承位選擇傳感器,。該優(yōu)先級(jí)為：徑向水平>徑向垂直>軸向,。 極特別情況下，如果整個(gè)機(jī)器所有軸承位都無法安裝傳感器,，那么最佳的選擇就是在整個(gè)軸系安裝一個(gè)軸向振動(dòng)傳感器,。 滾動(dòng)軸承故障 下表所述的故障類型將適用于安裝有滾動(dòng)軸承的機(jī)器。當(dāng)然不排除還有其他故障,，那將取決于機(jī)器的類型,、基礎(chǔ),、結(jié)構(gòu)以及連接部件。
滾動(dòng)軸承的振動(dòng)是由前面提及的零部件之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的阻力產(chǎn)生,，所以無論何種情況，該振動(dòng)都將是客觀存在的,，它取決于軸承的機(jī)械結(jié)構(gòu),。當(dāng)對(duì)應(yīng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)發(fā)生細(xì)微故障，那么對(duì)應(yīng)特征頻率的振動(dòng)信號(hào)也將會(huì)發(fā)生畸變,，下表將說明滾動(dòng)軸承的各機(jī)械結(jié)構(gòu)特征頻率是如何計(jì)算得出的,。 該表針對(duì)每個(gè)故障頻率將會(huì)列出兩種公式。第一種是高精度計(jì)算公式,。第二種是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)得出的公式,，因?yàn)榇蠖鄶?shù)情況下，我們可能無法獲得足夠的軸承信息去采用第一種公式計(jì)算故障頻率,。 滾動(dòng)軸承故障級(jí)別 滾動(dòng)軸承在損壞之前會(huì)呈現(xiàn)出幾種不同的故障級(jí)別,，通常來說遵循以下四個(gè)檢測(cè)階段。
FTF頻率 對(duì)于FTF也就是保持架故障頻率,，很多時(shí)候并不是保持架損壞帶來的振動(dòng)信號(hào),。當(dāng)潤滑不良時(shí)，其振動(dòng)頻率也通常會(huì)發(fā)生在該頻率區(qū)間,。此時(shí),，如果確定潤滑沒有問題，并且該故障頻率下的振動(dòng)確實(shí)存在增幅,，那么基本就可以確定是軸承保持架故障,。 滾動(dòng)軸承自動(dòng)化診斷的頻帶設(shè)置 該部分內(nèi)容不會(huì)像前面所描述的那樣做那么細(xì)化的診斷及分析，畢竟,，作為自動(dòng)化診斷,，必須要簡(jiǎn)化診斷的復(fù)雜度而保證其時(shí)效性。這里設(shè)置的頻帶不僅包含了故障頻率,、故障頻率諧頻,，同時(shí)還包含了軸承固有頻率的信號(hào)采集。設(shè)置內(nèi)容如下表所示：
下面將這些頻帶一一映射至頻譜圖中便如下圖所示： 當(dāng)這些頻帶下的振動(dòng)信號(hào)發(fā)生變化時(shí),，還要考慮如下幾點(diǎn)： 1. 通過軸承故障的級(jí)別里提及的頻率區(qū)域來區(qū)分當(dāng)前軸承的故障階段,。 2. 有時(shí)在該頻帶內(nèi)可能還會(huì)包含其他的故障信號(hào)，所以在判定時(shí),，還要與對(duì)應(yīng)的其他故障頻率做排除處理,，來保障故障判斷的準(zhǔn)確性。 1.2.2液膜軸承 液膜軸承利用軸的旋轉(zhuǎn)（流體動(dòng)力）來制造出一股油楔,，然后使軸騎在這個(gè)油楔上,。或者加壓注油（流體靜力）,，從而將軸從軸承面上舉起來,。所以這種情況下,，我們很難通過監(jiān)測(cè)軸承座的振動(dòng)來檢測(cè)軸承故障，因?yàn)檩S與軸承表面是不是接觸的,，所以軸振動(dòng)很難傳遞到軸承座上,。 還有一種液膜軸承和套筒軸承類似，因此我們放在套筒類軸承部分去詳細(xì)介紹,。 很自然的,，我們?cè)跈z測(cè)液膜軸承時(shí)，通常情況下會(huì)采用非接觸式傳感器（比如電渦流傳感器）去直接透過軸承座測(cè)量軸的振動(dòng)位移,。 接下來的內(nèi)容將會(huì)介紹這種情況下的故障特征及其特征頻率,。 液膜軸承故障 下表所述的故障將適用于任何安裝有液膜軸承的機(jī)器。
其他潛在的故障取決于機(jī)械的類型、基礎(chǔ),、結(jié)構(gòu)以及其所連接的部件,。 1.2.3套筒軸承 套筒軸承基本可以說是最簡(jiǎn)單的一種軸承形式。簡(jiǎn)單來說就是把套管套在軸上,，套管的材料可以是銅,、合金或者塑料等。套管可以喂油,，也可以不喂,，利用其自身材料特性實(shí)現(xiàn)潤滑。 相對(duì)于滾動(dòng)軸承,，套筒軸承維護(hù)起來十分簡(jiǎn)單,。同時(shí)這類軸承可以承受更重的負(fù)載和更大的沖擊力及不對(duì)中力。所以,，與油膜軸承類似,，套筒軸承通常應(yīng)用于低轉(zhuǎn)速,，高功率的設(shè)備上,。另外有些往復(fù)式機(jī)械的曲軸也經(jīng)常會(huì)用到此類軸承。 不過,，同樣與液膜軸承類似,，這類軸承利用殼振傳感器測(cè)量相對(duì)比較困難。所以最好也是利用電渦流傳感器進(jìn)行測(cè)量,。但是,，大多數(shù)情況下，并不具備電渦流探頭的安裝條件,，因?yàn)闀?huì)破壞軸承的封閉性,。所以有時(shí)雖然信號(hào)比較微弱,，但是依然會(huì)在可接受的區(qū)域內(nèi)安裝加速度計(jì)來進(jìn)行振動(dòng)監(jiān)測(cè)。 接下來的內(nèi)容將會(huì)介紹這種情況下的故障特征及其特征頻率,。
套筒軸承故障 套筒軸承由于在結(jié)構(gòu)和液膜軸承十分類似,，所以其故障分析方法也基本和液膜軸承一樣。
套筒軸承在進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)時(shí)最大的問題就是傳感器安裝條件。大多數(shù)情況下,，探頭根本無法伸至軸承位置,。但是為了監(jiān)測(cè)到軸承的振動(dòng)信號(hào)，所以有時(shí)會(huì)使用加速度傳感器,，并不是像大家所想象的一樣接觸式傳感器就無法檢測(cè)到套筒軸承或者液膜軸承的振動(dòng)信號(hào),，只是振動(dòng)信號(hào)的幅值通常會(huì)大幅度衰減，大多數(shù)情況下都會(huì)衰減一半以上,，有時(shí)甚至高達(dá)90%,。因此這種情況下大多都是用來檢測(cè)軸承的后期故障，而不是早起的預(yù)防性維護(hù)而已,。所以,，重點(diǎn)來了，有一種專門針對(duì)液膜及套筒軸承的分析方法,，就是油液分析,，雖然油液分析相對(duì)比較笨拙，分析比較困難,，但無疑這是最有效的預(yù)防性維護(hù)手段,。 另外，當(dāng)監(jiān)測(cè)的機(jī)器是滑動(dòng)軸承或者套筒軸承時(shí),。機(jī)器其他位置的振動(dòng)曲線（尤其是采用加速度傳感器時(shí)）的變化及報(bào)警線設(shè)定,，一定要區(qū)別于滾動(dòng)軸承。因?yàn)楸O(jiān)測(cè)到的信號(hào)由于液膜的緩沖,，已經(jīng)衰減了很多高頻振動(dòng)的幅值,，所以對(duì)應(yīng)的總振動(dòng)值也會(huì)相應(yīng)的降低。 1.3電機(jī) 由于電機(jī)這種機(jī)器在工業(yè)中屬于最常見的機(jī)器驅(qū)動(dòng)單元,，所以理所當(dāng)然的吸引了大多數(shù)人的注意力,。 通常情況下來講，電機(jī)分三大類：交流異步電機(jī),、交流同步電機(jī)和直流電機(jī),。在這三類電機(jī)中，又?jǐn)?shù)交流異步電機(jī)最為常見,。所以本手冊(cè)將重點(diǎn)以交流異步電機(jī)為例來進(jìn)行分析說明,。 上圖中列出了電機(jī)常見的一些傳感器安裝位置,。圖中可見，這些傳感器將主要集中在軸承附近,，并且測(cè)點(diǎn)將盡可能的離軸承最近,。 其實(shí)交流異步電機(jī)最主要的振源并不是電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子本身，而是電機(jī)風(fēng)扇和整流罩帶來的振動(dòng)異常,。所以我們?cè)诎惭b傳感器時(shí)需要盡可能的避免安裝在整流罩上,。不過，如果整流罩覆蓋了整個(gè)電機(jī),，我們無法將傳感器安裝到有效位置時(shí),，則可以考慮與設(shè)備制造商配合打通機(jī)罩或者切割一個(gè)缺口出來，從而讓傳感器鉆進(jìn)去,。當(dāng)然,，這種安裝方式如果不是電機(jī)廠家配套，很難接受,。實(shí)在沒辦法,，可以選擇把傳感器安裝在電機(jī)底座位置，或者選擇不測(cè)風(fēng)扇端的軸承位,。 另外還有一個(gè)常見的問題就是一些小點(diǎn)的電機(jī),，軸承位并沒有足夠的空間安裝振動(dòng)傳感器，即便是一些比較小的傳感器,，也至少需要1英寸（25.4mm）寬的平面,。 傳感器的安裝直接影響測(cè)量的結(jié)果，所以盡量不要在不平坦的表面安裝傳感器,，因?yàn)檫@樣做會(huì)導(dǎo)致測(cè)量誤差,，甚至可能帶來錯(cuò)誤的信號(hào)。 機(jī)器上安裝多少傳感器取決于機(jī)器本身的大小,。通常情況下來講,，對(duì)于500馬力（375千瓦）以下的電機(jī)，每個(gè)軸承位安裝一個(gè)傳感器即可,。高于這個(gè)功率的電機(jī)可以在每個(gè)軸承位安裝兩個(gè)傳感器,。這兩個(gè)傳感器，一個(gè)盡可能保證徑向水平,，一個(gè)盡可能保證徑向垂直方向,。如果每個(gè)軸承位只安裝一個(gè)傳感器,，那么就盡量保證徑向水平方向,。當(dāng)然，如果水平方向沒有足夠的安裝條件,，也可以選擇安裝在徑向垂直方向,，但是,，作為一根軸系上的傳感器，一家人一定要保持整整齊齊,。比如電機(jī)前端軸承位安裝在了徑向垂直方向,，那么電機(jī)后端軸承位如果安裝傳感器，也一定要安裝在徑向垂直方向,。如果是角度安裝（比如斜45°角）,，那么另一個(gè)傳感器也要盡可能的保持該角度安裝。 |
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