數據采集應用-機械設備振動監測和故障診斷

目前，在工業領域里煤炭、電力、化工及機械制造等行業中工業電機、風機、空壓機、沖壓機、水泵、數控機床、工程機械等設備被廣泛使用，在機械設備運行過程中，設備振動信號承載著設備的狀態信息，蘊含了豐富的設備異?；蛘吖收系男畔?，可以說振動特征是設備運行狀態好壞的重要標志。運維檢測行業中由于依靠人工點檢，工作人員在噪音、粉塵、強干擾的惡劣環境中無法長時間監測設備運行數據，設備因軸承磨損和不平衡造成帶傷工作無法被及時發現，導致機械故障頻繁發生，造成非預期停產，從而給企業帶來巨大損失。因此，基于振動信號的故障監測在設備診斷領域中是一種極為可靠有效的實施辦法。

什么是機械振動？

指物體圍繞其平衡位置附近來回擺動并隨時間變化的一種運動，是機械系統對激勵的響應。振動的強弱用振動量來衡量，振動量可以是振動體的位移、速度或加速度。機械振動有不同的分類方法.按產生振動的原因可分為自由振動、受迫振動和自激振動。

為什么要機器振動分析？

在機器振動的機械振動方面，振動分析是一項非常重要的技術。它是基于機器振動信號所提供的高信息內容，它是機器狀態的指示器，用于故障診斷。振動分析在預測維修程序中的基礎，廣泛應用于機械零件如軸承、軸、聯軸器、轉子、電機等的早期和嚴重故障的檢測和監測等。

描述機械振動的三個基本要素是振輻、頻率和相位，簡稱振動的三要素。  

■ 振動幅值，簡稱振幅，是描述振體偏離其平衡位置大小的物理量。振幅反映了設備振動的強弱。在振動簡易診斷中，常常用振幅的大小作為判斷設備運行狀態的依據。在振動精密診斷中，尋找振幅的頻率成分，是判斷設備故障部位的主要工作。在振動測量中，振動的幅值一般用峰值、有效值或平均值來度量振動的量級。

■ 振動頻率是指單位時間內振動的次數。在機械設備中，每一個運動著的零部件都有其特定的固有頻率和振動頻率。我們可以通過分析設備的頻率特征來判斷設備的工作狀態。若不了解設備的結構和運動零部件的振動頻率，就不能確切地判斷設備的故障。因此，設備振動頻率的計算和特征頻率的檢測，是故障診斷工作的重要環節。

■ 振動相位是指在任意時刻，振體所處的位置。在振動的合成中可以看到，相同的振動，若相位不同，能合成為不同的振動。在故障診斷中，設備振動相位的變化，往往反映一些特定的故障。相位的檢測和分析，可用于振型測量、諧波分析，以及設備動平衡的測定等。

機械振動的峰值、有效值、峰峰值、平均值之間的關系是什么呢？

以常見的機械振動—簡諧振動為例說明，有效值=0.707X 峰值=1.11X 平均值，峰值=1.414X 有效值=1.57X平均值，平均值=0.637X 峰值=0.90X 有效值，峰峰值=2X峰值。

振幅分別用振動位移、振動速度、振動加速度值加以描述、度量，三者相互之間可以通過微分或積分進行換算。在振動測量中，除特別注明外，習慣上振動位移的量值為峰峰值，單位是微米[μm]或毫米[mm]；振動速度的量值為有效值（均方根值），單位是毫米/秒[mm/s]；振動加速度的量值是單峰值，單位是米/秒平方[m/s2]或重力加速度[g]。

振動位移、速度、加速度之間又是什么關系？

加速度都是同頻率的簡諧波，三者的幅值依次為A、Aω、A，在相位上，加速度領先速度90°，速度領先位移90°，如下圖所示

機械設備振動監測和故障診斷的基礎

高質量的數據是機械設備振動監測和故障診斷成功的基礎。如何獲得穩定、高質量的、有效的振動數據，其取決于測量位置的選擇、機器和測點的識別、測量參數的正確選擇、正確合適的測量技巧、傳感器的正確和穩定安裝。

01、測量位置的選擇

盡量靠近軸承；數據采集的三個方向必須選擇剛性良好處；對低速重負荷軸承，在負載區域設置采集點；安全第一，必要時安裝固定傳感器；水平方向盡量接近水平軸線；垂直方向盡量接近垂直軸線；軸向與軸平行，每次在相同位置，如3:00, 9:00；對泵，不要將密封位置誤認為軸承；不要在基座或基礎上測取軸承數據；不要將測量位置放在薄板上，如電機端罩。

02、機器和測點識別

制定機器和測點命名規則, 并保持一致；從電動機外端軸承開始，到被驅動機器外端軸承結束；對每臺機器畫一個圖，注明測量位置，包括結構參數和運行參數范圍，測點命名順序如下圖所示。

03、測量參數的正確選擇

測量參數的正確選擇，以機器的常見故障和關鍵部件為出發點，根據不同設備選擇不同的測量參數，產生寬頻帶振動的設備可有多個設置參數，具體的應用如下表所示。

04、正確合適的測量技巧

不要使傳感器晃動或滑動；手持式測量時施加穩定的手力；磁場和電磁波可能影響數據采集器和傳感器；不要使用相對測量位置太大的傳感器或磁力太強影響機器運行；對低于300CPM的測量，不要使電纜晃動；在采集數據前使信號穩定（一般5至6秒）；使振動幅值在儀器測量范圍1/3以上；使用數據采集器的現場檢查功能紀錄觀察的信息，側臉技巧如下圖所示。

05、傳感器的正確和穩定安裝

在曲面上測量要進行處理或使用V槽磁座；確保傳感器和磁座間的接觸清潔而緊固；如果測量2000Hz以上的頻率，去掉測量位置的油漆；如果安裝固定墊或盤，粘結劑要有較好的傳遞特性和適當的厚度；保證測量表面清潔，安裝示意圖如下圖所示。

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機械振動分析檢測的主要手段

傳統機械設備狀態監測和故障診斷主要依靠人的分析，常用的振動監測分為離線監測和在線監測。

■ 離線監測：是為了消除振動故障而進行的診斷，這種診斷在時間要求上不那么緊迫，設備檢維修人員和現場生產操作人員只需要定期測量、記錄和跟蹤設備狀態，或當設備出現異常時，臨時測量，最后對設備故障進行仔細的分析、討論。

■ 在線監測：是對運行狀態下的機組振動故障原因作出及時準確的診斷，以便運行人員作出糾正性操作，防止事故擴大。因此，在線診斷在診斷時間上要求相對比較緊迫，主要以專家診斷為主、計算機輔助的方式，故又稱為專家診斷系統。系統的核心是專家經驗，主要用于大型旋轉機器和關鍵設備，如汽輪發電機組、水輪發電機組、大型風機、壓縮機、泵類等軸承或軸振動的連續監測、超限報警、故障診斷、事故追憶等。

故障診斷專家利用平臺提供的時域分析、頻域分析、包絡分析、趨勢分析、瀑布圖等分析手段，結合自身對故障理論的理解和設備當前實際狀態，給現場工作人員提供一個合理的維修維保建議，從而保障設備連續可靠地運轉。

由于工業界生產效率的提高，同時對生產安全也重視起來，為了避免由于非預期設計振動造成相應損失，機械設備的振動監控的重要性也日益加強。

而振動頻率分析儀是對機械振動監控的重要儀器設備。其通過相應處理技術，得到振動信號的相應頻率信息，從而幫助監控人員判斷目前設備的運行情況，達到對機械振動進行有效監控的目的。為了避免機械設備異常振動所帶來的故障及損失是不可估量的，所以對工業機械設備做振動分析是非常有必要的!

可用于機電測試故障診斷的采集卡有: