傳統的預防性維護不僅會(huì )導致浪費的機器停機時(shí)間，還會(huì )導致過(guò)早更換零件。成功實(shí)施狀態(tài)監測程序可以使機器充分發(fā)揮其能力，而不必在固定的時(shí)間段停止機器進(jìn)行檢查。

多年來(lái)，人們已經(jīng)知道可以通過(guò)對振動(dòng)運動(dòng)的詳細分析來(lái)評估機器的機械完整性。許多機械問(wèn)題最初是通過(guò)機械振動(dòng)幅度的變化來(lái)識別的。此外，振動(dòng)頻率以及振動(dòng)運動(dòng)的位置和方向是問(wèn)題類(lèi)型和嚴重程度的指標。振動(dòng)特性可明顯分為強制振動(dòng)和自由振動(dòng)兩種。典型的強迫振動(dòng)涉及諸如質(zhì)量不平衡、不對中以及電氣或機械性質(zhì)的激勵等問(wèn)題。自由振動(dòng)是一種自激現象，它取決于系統的幾何形狀、質(zhì)量和阻尼，通常由結構、聲學(xué)共振以及空氣動(dòng)力或流體動(dòng)力激發(fā)引起。

振動(dòng)信號攜帶有關(guān)激振力及其傳播到振動(dòng)傳感器的結構路徑的信息。機器在健康狀態(tài)下會(huì )產(chǎn)生特定顏色的振動(dòng)，并且其中的組件退化會(huì )導致振動(dòng)信號的特征發(fā)生變化）。

基于狀態(tài)的維護和預測狀態(tài)監測正成為一個(gè)重要問(wèn)題，因為在過(guò)去幾年中，由于不必要或不當進(jìn)行的維護而浪費了多達三分之一的維護成本。

信號處理算法的實(shí)現可以使用不同的計算技術(shù)來(lái)完成。這些技術(shù)包括但不限于快速傅里葉變換 (FFT)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )和小波分析，這些技術(shù)已應用于工業(yè)系統中的振動(dòng)監測和檢測。

狀態(tài)監測提供有關(guān)工業(yè)機械的健康和維護要求的信息，并用于廣泛的工業(yè)應用。振動(dòng)、溫度、潤滑劑質(zhì)量和功耗等參數可用于監測設備的機械狀態(tài)（。長(cháng)期以來(lái)，機器狀態(tài)監測一直被認為是避免機器災難性故障的最有效和最具成本效益的方法之一。最有效和最具成本效益的組是振動(dòng)分析。然而，最近的證據表明，振動(dòng)狀態(tài)監測技術(shù)提供了更多和更可靠的信息，從而產(chǎn)生了更有效的維護計劃，為工業(yè)帶來(lái)了巨大的成本效益。特別是振動(dòng)分析已被用作預測性維護程序一段時(shí)間，并作為對機械維護決策的支持。作為一般規則，機器不會(huì )在沒(méi)有某種形式的警告的情況下發(fā)生故障或故障，這表現為振動(dòng)水平的增加。通過(guò)測量和分析機器的振動(dòng)，可以確定缺陷的性質(zhì)和嚴重程度，從而預測機器的故障。來(lái)自機器的整體振動(dòng)信號來(lái)自許多與其可能耦合的組件和結構。然而，機械缺陷會(huì )產(chǎn)生不同頻率的特征振動(dòng)，這可能與特定的機器故障條件有關(guān)。通過(guò)分析時(shí)間和頻譜并使用信號處理技術(shù)，

材料和方法

試驗臺設計：該臺架設計包括一個(gè)未損壞的軸承、損壞的軸承、一個(gè)耦合盤(pán)系統，以施加軸不對中和松動(dòng)。裝置的照片如圖 1 所示。

可以調整耦合盤(pán)以產(chǎn)生角度偏差。所有測試都針對 2、6 和 10 葉片風(fēng)扇進(jìn)行，以在我們的電動(dòng)機上施加三種不同的負載，但本研究顯示了 10 葉片的結果。用于實(shí)驗的試驗臺組件由電動(dòng)機組成，已連接到葉片風(fēng)扇。電動(dòng)機功率為 1.5 kW (2 hp)，三相，可變轉速。電動(dòng)機的詳細情況如表1所示。

在磨合期后定期收集振動(dòng)數據。振動(dòng)分析的實(shí)驗程序包括在電動(dòng)機上的兩個(gè)選定位置讀取振動(dòng)讀數。

圖一

表一

分別取電動(dòng)機的驅動(dòng)端（DE）和非驅動(dòng)端（NDE）。

使用 振動(dòng)傳感器（上海測振是振動(dòng)傳感器制造商）對電動(dòng)機的 DE 和 NDE 進(jìn)行振動(dòng)測量。因此，它的加速度計非常適合在信號衰減很小的臟場(chǎng)或高溫環(huán)境中使用。來(lái)自加速度計的信號被記錄在便攜式狀態(tài)監測信號分析儀中。一般來(lái)說(shuō)，電動(dòng)機可能很難分析。

損壞的軸承：使用 1 mm 線(xiàn)切割方法損壞測試軸承。線(xiàn)切割去除了第一軸承外圈的一部分直至外滾道以及第二軸承的內圈的一部分。損壞旨在造成外圈和內圈類(lèi)型的缺陷。當滾動(dòng)體滾動(dòng)通過(guò)損壞時(shí)，這些可能會(huì )產(chǎn)生脈沖類(lèi)型的信號。

軸不對中：耦合盤(pán)系統旨在將軸不對中施加到未損壞的軸承上。聯(lián)軸器系統由兩個(gè)圓盤(pán)組成：一個(gè)連接到一個(gè)短的從動(dòng)軸上，另一個(gè)連接到一個(gè)較長(cháng)的軸上，通過(guò)移動(dòng)圓盤(pán)使支撐軸承產(chǎn)生相當大的角度不對中。通過(guò)擰緊/松開(kāi)平頭螺釘，圓盤(pán)相對于彼此移動(dòng)，平頭螺釘推到鍵上。

不對中會(huì )在每個(gè)軸上產(chǎn)生彎曲力矩，這會(huì )在 1x rpm 時(shí)產(chǎn)生強烈的振動(dòng)，但在 2x rpm 時(shí)，兩個(gè)軸承的軸向方向上只會(huì )產(chǎn)生一些振動(dòng)。

松動(dòng)：電機底座螺絲因電機丟失而松動(dòng)。

結果與討論

振動(dòng)分析的最基本形式稱(chēng)為整體振動(dòng)測量。該讀數提供了一個(gè)數字，描述了機器發(fā)出的振動(dòng)能量的總量。這個(gè)想法是，更多的振動(dòng)表明存在問(wèn)題。已經(jīng)制定了許多標準和指南來(lái)解釋各種機器類(lèi)型可接受的水平。

在機械振動(dòng)監測與分析領(lǐng)域，ISO（國際標準化組織）制定并發(fā)布了多種相關(guān)標準。

振動(dòng)嚴重性評估標準被認為是 ISO/TC108 最重要的活動(dòng)之一。ISO/10816 系列（6 部分）機械振動(dòng) - 通過(guò)測量非旋轉部件來(lái)評估機器振動(dòng)。

ISO 10816-1 是描述使用套管和/或基礎測量評估機械振動(dòng)的一般要求的基本文件。每個(gè)系列文件的后續部分適用于不同類(lèi)別和類(lèi)型的機械，并包括用于評估振動(dòng)嚴重程度的特定評估標準。因此，我們一直使用標準 ISO 10816-1 進(jìn)行測試。

采集機器狀況的信號數據，包括運行速度為 500、1000 和 1500 rpm 時(shí)這些機器狀況的健康電機、損壞的軸承、軸未對準和松動(dòng)。數據分析需要將每個(gè)測試條件獲得的曲線(xiàn)與模擬的特定機器故障的預期曲線(xiàn)進(jìn)行比較。

從時(shí)域和頻域圖中確定的顯著(zhù)頻率尖峰也與理論振動(dòng)故障特征進(jìn)行了比較。

健康的機器：結果表明，健康的電動(dòng)機在 1500 rpm（500 和 1000 rpm 相同）的 RMS 值處于可接受的狀態(tài)，也是軸承狀況值。整體振動(dòng)的平均值為 1.76，標準偏差為 0.27。ISO 10816-1 中該電動(dòng)機的臨界整體振動(dòng)推薦值為 2.8 mm sec ^–1 ，測量值及其平均值均低于標準值。說(shuō)明電動(dòng)機狀況良好。軸承條件的平均值為 0.37，標準偏差為 0.10。根據結果，電動(dòng)機的軸承處于可接受的狀態(tài)（表2）。

表 2顯示了測量日期、mm sec ^–1 RMS、軸承狀態(tài) (BC) 和整體振動(dòng)的警報狀態(tài)，以及電機 DE 的 BC，還顯示了整體振動(dòng)和軸承狀態(tài)的平均值和標準偏差。

電機松動(dòng)：結果表明，松動(dòng)的電機在 1500 rpm（500 和 1000 rpm）下的 RMS 值處于臨界狀態(tài)，但軸承狀態(tài)值處于可接受狀態(tài)。

表2：電動(dòng)機從動(dòng)端（DE）的整體振動(dòng)和軸承狀況

表三：松動(dòng)狀態(tài)下電動(dòng)機從動(dòng)端（DE）的整體振動(dòng)和軸承狀況

整體振動(dòng)平均值為 5.08，標準差為 1.43。

ISO 10816-1中該電動(dòng)機的臨界整體振動(dòng)推薦值為2.8 mm sec ^–1，其測量值和平均值均高于標準值和健康電動(dòng)機中電動(dòng)機的RMS值。說(shuō)明電動(dòng)機狀況不佳，此狀況為松動(dòng)。軸承條件的平均值為 0.19，標準偏差為 0.05。根據結果，電動(dòng)機的軸承處于可接受的狀態(tài)。

表 3顯示了測量日期、mm sec ^–1 RMS、軸承狀態(tài) (BC) 和整體振動(dòng)警報狀態(tài)，以及電機 DE 的 BC 以及整體振動(dòng)和軸承狀態(tài)的平均值和標準偏差。表 3顯示了該位置電動(dòng)機從動(dòng)端 (DE) 的整體振動(dòng)和軸承狀況的數值數據。

根據結果（圖 2），電動(dòng)機 DE 的速度頻譜顯示出對應于三倍軸速（75 Hz）的主頻率。

表四：1500 rpm 時(shí)電動(dòng)機從動(dòng)端 (DE) 的整體振動(dòng)和軸承狀況（軸不對中）

圖2：松動(dòng)狀態(tài)下電動(dòng)機DE的頻譜結果

圖三：1500 rpm時(shí)電動(dòng)機DE的頻譜（未對準狀態(tài)）

在一些速度譜中，觀(guān)察到電動(dòng)機速度頻率為0.5、1.0和1.5的次諧波，表現為松動(dòng)。

軸不對中：在測試軸不對中故障時(shí)，預測頻率以各種轉速為例。1500 rpm 時(shí)軸速的頻率分量如表 4所示。圖 3顯示了顯著(zhù)的頻率峰值（軸速為 1500 rpm），它出現在 2 倍軸速頻率 (SSF) 處，而較小的尖峰出現在 1 倍和 3 倍軸速頻率處，表明不對中。

表五：內圈軸承不良位置電動(dòng)機從動(dòng)端整體振動(dòng)及軸承狀況

圖四：電動(dòng)機內圈軸承不良位置的頻譜結果

結果表明，松動(dòng)的整體振動(dòng)平均值沒(méi)有顯著(zhù)差異，但它們的頻譜差異很大，因此我們使用頻譜分析來(lái)發(fā)現電動(dòng)機的錯位和松動(dòng)。

軸承損壞：根據結果，整體振動(dòng)和軸承狀況的平均值與其他情況和健康狀況有顯著(zhù)差異。表 5顯示了內圈壞軸承中電動(dòng)機轉速為 500 rpm 時(shí)的數值數據。

僅在模擬軸承損壞時(shí)，實(shí)驗裝置成功地關(guān)聯(lián)了每個(gè)轉速下滾珠通過(guò)頻率的理論計算。圖 4中的突出峰使研究人員能夠輕松識別和比較相應的頻率。光譜顯示峰值對應于 BPFI 的 1-2 倍。

表 6顯示了電機在軸承位置不良時(shí)轉速為 1500 rpm 的數值數據。結果表明，整體振動(dòng)和軸承狀況有所增加。

表六：電機在 1500 rpm 時(shí)的整體振動(dòng)和軸承狀況，軸承損壞

根據結果，圖 4中顯示的電動(dòng)機從動(dòng)端 (DE) 的整體振動(dòng)高于標準值。

結果表明，在 500 和 1500 rpm 時(shí)的 RMS 值處于臨界和警告狀態(tài)。軸承狀況值也處于不良狀況。電動(dòng)機整體振動(dòng)和軸承狀況的平均值和標準偏差見(jiàn)表 6。

振動(dòng)與故障診斷的相關(guān)性：振動(dòng)分析技術(shù)已被用于評估電動(dòng)機的狀況并診斷電動(dòng)機的任何問(wèn)題。我們實(shí)驗研究的振動(dòng)分析結果表明我們的電機默認設置。電動(dòng)機振動(dòng)分析發(fā)現電動(dòng)機存在松動(dòng)、不對中、軸承不良等現象。

振動(dòng)分析和故障診斷之間的相關(guān)性非常好，因為振動(dòng)技術(shù)能夠解決不同的問(wèn)題，從而呈現更廣泛的機器狀態(tài)圖。振動(dòng)分析檢測到電機持續存在缺陷，以及組裝時(shí)外殼可能出現機械松動(dòng)。振動(dòng)分析證實(shí)發(fā)生了三體滾動(dòng)動(dòng)作，并且電動(dòng)機的使用壽命很長(cháng)。振動(dòng)分析技術(shù)能夠涵蓋更廣泛的電機診斷和電機故障。

結論

實(shí)驗結果表明，模擬各種機器故障模式的振動(dòng)監測裝置確實(shí)能夠獨立地同時(shí)產(chǎn)生常見(jiàn)的機器故障。在這種情況下，學(xué)生們能夠對構建的鉆機進(jìn)行實(shí)際測試，以確認預測的預期理論頻率。

振動(dòng)分析是監測機械健康狀況的最有效技術(shù)。它在機器故障的根本原因分析方面具有互補優(yōu)勢，并且是診斷機器狀況的天然盟友。它強化了在每種技術(shù)中看到的跡象，并在突出特定磨損條件方面具有獨特的診斷優(yōu)勢。