浅析机械设备的振动故障检测

2010-02-13蔡宇

装备制造技术 2010年3期

蔡宇

（江汉大学文理学院，湖北武汉430056）

机械设备的故障检测，主要包括状态检测和故障诊断两个方面，即对机械设备的运行情况进行检测，并在发现故障后进行诊断和处理。机械故障检测是现代化的产物，是随着设备的改进和维修发展起来的。经过30年的发展，机械检测技术已经广泛应用在了飞机和船舶发动机、大型电网系统、石油化工、飞机自动驾驶和矿山设备等领域。

1 机械故障检测技术的研究意义

在现代化的生产中，机械设备故障检测技术有着重要的意义。机械设备出现异常如果没有及时发现和处理，不仅会导致机械设备的损坏，更会造成人员伤亡的惨剧。所以关于机械故障检测技术的研究，就十分必要了。机械故障检测技术，还可以预防事故的发生和提高企业的经济效益。

1.1 预防事故发生保障人身和设备安全

在许多行业（如航天、航海、航空等）中，机械设备发生故障，不仅会导致经济的严重损失，也会带来严重的社会影响。仅仅依靠提高设备的安全性来避免事故的发生，是远远不够的，必须辅助以有效的机械设备检测技术，才可以防患于未然。

1.2 提高经济效益

选用机械故障诊断技术，在现代化的工业生产中，可以有效增加企业的经济效益。效益是多方面的，主要是降低机械设备的突发故障和减少设备的维修费用。突发的机械设备故障，会严重影响企业的生产，造成严重经济损失。虽然我国选用机械故障诊断技术的时间不是太长，但是也取得了优良的成绩。例如辽阳的石油化工集团，从国外引进了大型的机组，试机期间出现了多起机械故障，损坏了4个离心压缩机的转子，严重影响了生产。经过故障诊断和振动分析，把故障彻底的解决了。以前，铁路系统也曾出现了大规模的燃轴事件，严重影响了铁路运输的发展，后来选用红外技术，极大地减少了此类故障的发生。

机械设备的维修费用，主要是过剩维修。选用机械设备的状态检测技术，可以有效的避免过剩维修，减少企业对于维修费用的支出。以辽阳石油化工集团为例，该企业每年要停产维修一次，企业利润减少了4 000万元，维修费用4 000万元，合计8 000万元白白丢失了。国外的相关企业的维修期限大多是3～4年一次。由此可见，我国的过剩维修带来的损失是极为严重的。

2 机械故障检测的方法振动分析法

2.1 振动分析简介

机械设备在作业时，会不断的出现不同强度的振动。经验丰富的维修人员，通过触摸和倾听振动强度及声音，就可以判断出机械设备明显的故障。但关于设备早期或特征不突出的故障，维修人员还是无能为力。对机械设备进行振动检测的研究，不但可以有效地检测设备的运行情况，还可以正确的判断出故障的发生和进行处理，减少了对设备拆卸的次数。

在工业领域里，机械振动分析是衡量机械设备情况的重要指标之一。机械内部出现异常情况，随后就会出现振动的加大。零部件和设备表面就可以感受到振动，其实就是某一个振动源在设备内的传播，对应着设备和零部件的损坏或出现异常故障。例如零部件的原始制造误差、零部件间的滚动和摩擦、运动副间的空隙和回转机件的冲击等，都是机械设备的可能振动源。机械振动随着零部件间的摩擦、零部件表面的脱落、开裂等的变化而变化。机械设备也可能因为某一部件的微小振动，引发其他部件和设备的共振响应，造成设备的严重损坏。研究机械振动的目的，就是了解各种机械设备的振动现象的机理，获得机械振动包含的大量设备信息，对设备的运行情况进行检测，并分析可能存在的故障问题。依据对机械振动的研究和分析，就可以在不拆卸的前提下，对设备进行前期诊断和故障分析，并根据问题进行相应的处理。

由于振动诊断技术的理论和实践都较为完善，其诊断结果也较为准确，而备受关注，在机械故障诊断体系中有着主导地位，被广泛应用于各种设备的运行检测和故障诊断中。

2.2 振动分析方法

（1）振动信号的幅值分析方法。主要应用参数有最大值、最小值、均值、均方根值和绝对平均值。这些参数的计算简单，对于机械故障的诊断也有一定的作用。其缺点是对故障有不敏感性和区分故障难的特点，因为它们会随着工作条件（转速、负载）的转换而变化。所以，人们又引进了无量纲的幅域参数，例如脉冲指标、波形指标、峰值指标、裕度指标和峭度指标等。这些参数对机械故障的灵敏性能较好，对振动信号和频率变化不敏感，只是依据概率密度函数，所以广泛的应用在机械故障诊断中。

（2）振动信号的相关分析方法。通过相关系数和相关函数来完成，就是通过相关函数分析两个信号间的依赖性和相关性。在自相关函数中，不包括相位信息，只有单一的量值关系。互相关函数不仅包括信号的相位信息，还对分析振动信号的特性有一定的帮助。

（3）振动信号的频域分析方法。其根本就是频谱分析，就是分析动态信号的相位、幅值和频率的转换关系。频谱分析包括了细化谱分析、倒频谱分析、功率谱密度函数分析、全息谱分析、最大熵谱分析以及冲击响应谱分析等。被广泛的应用在信号处理方法的，就是频域分析。机械设备的故障，都会引发振动频率的改变。频域分析还可以研究系统的输出和输入关系及传递性能，极大的帮助我们了解系统的特性和故障来源信息的改变等。

（4）振动信号的时序分析法。就是依据有序的检测数据进行数学的统计分析和处理，是结合系统分析和数据统计处理的方法。不仅可以对系统进行动态的分析，还可以对设备的状态和趋势作出早期预报和控制。建立时序模型，是时序分析的重要手段。时序模型谱克服了常规的FFT谱分析法所存在的误差，其优点是谱的峰值清晰，频率坐标准确，分辨率高，谱线光滑和不要求周期采样等。

（5）振动信号的特征分析法。就是根据机械的基本运用变量，对机械设备的部件振动量值的大小进行特征的描述，信号会随着机械自变量的不同而改变。特征分析法主要有以下数种：功率谱分析，阶比谱分析，坎贝尔图谱分析（频率坎贝尔图、阶次坎贝尔图），跟踪谱分析（频率跟踪、阶比跟踪及复合功率跟踪），时间谱阵分析（包括频率谱阵与阶比谱阵），转速谱阵分析（包括频率谱阵与阶比谱阵）。特征分析法通过以上几种的特征频率，把信息筛选出来，分析其变化特征，确定设备是否运行正常。

3 滚动轴承的故障诊断方法

被广泛应用在机械中的滚动轴承，同样是最易出问题的部件之一。据统计，机械设备故障中30%以上都是和滚动轴承有关联。轴承在作业时的好坏，直接影响设备的工作，轴承的损坏，不仅造成设备发出异常声音和振动，还有可能毁坏设备。选用诊断的仪器，对设备进行振动测量（例如加速度、冲击脉冲、速度等），并结合标准的测量值进行对比，看是否超出界定的值域，来判断轴承是否存在故障。

轴承的诊断方法主要有：

（1）振幅值诊断法。峰值为XP，平均值为X。由于峰值表现的是某一时刻振动幅值的最大值，一般适用于轴承表面损伤类的有冲击的故障。峰值也常适用在轴承转速较低的情况下。峰值测量从参数的选择上一般检测仪器都选用加速度峰值。均值的诊断效果和峰值差不多，由于测量值稳定，一般适用在磨损类的振动幅值随着时间变化的故障。均值也常常适用在转速较高的情况下，在参数的选择上，选择加速度均值。

（2）波形指标诊断法。波形指标的定义是峰值和均值之比（XP/X）。波形指标诊断也是滚动轴承的简易诊断方法之一。XP/X过大，说明滚动轴承有可能出现点蚀的现象；XP/X值过小，则可能是轴承发生了磨损。

（3）峰值指标诊断法。峰值指标定义就是峰值和均方根值之比（XP/XRMS）。由于其不受传感器和放大器变化的影响，也不受轴承的尺寸、转速和负载的影响，较为容易对滚动轴承作出诊断。峰值指标通常诊断点蚀类故障，峰值指标随着时间变化趋势的检测，从而可以有效地对轴承故障进行早期预测和检测出轴承故障的变化。当峰值维持在稳定的值域内，表明滚动轴承没有发生故障，一旦峰值出现偏差和增大，就说明轴承出现了损坏。

（4）概率密度诊断法。运行良好的滚动轴承的振动概率密度曲线，呈现的是正态分布曲线，一旦出现曲线的分散和偏斜，就表明滚动轴承发生了故障。

（5）峭度系数诊断法。运行良好的轴承的振动幅值呈现正态分布曲线，峭度值域大约在3左右。滚动轴承出现故障和故障的发展情况，会使得峭度值出现波动变化，主要应用在点蚀类的故障。