電機(jī)預(yù)測(cè)性維修上的振動(dòng)檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用

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摘要：目前，設(shè)備維護(hù)開展以預(yù)防性維修為主，隨著設(shè)備運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)，設(shè)備出現(xiàn)重大停機(jī)故障的風(fēng)險(xiǎn)大大增加，常規(guī)的預(yù)防性維修不能滿足現(xiàn)場(chǎng)的需求，需要引入狀態(tài)檢測(cè)，進(jìn)行預(yù)測(cè)性維修。預(yù)測(cè)性維修可以提前預(yù)知設(shè)備故障，避免嚴(yán)重設(shè)備故障的發(fā)生，同時(shí)，可以針對(duì)性的指導(dǎo)設(shè)備維修，減少維護(hù)的時(shí)間和成本。振動(dòng)監(jiān)控是預(yù)測(cè)性維修的重要手段，通過專用傳感器對(duì)設(shè)備的振動(dòng)參數(shù)收集與分析，可以準(zhǔn)確判斷設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，預(yù)知設(shè)備故障。

關(guān)鍵詞：軸承；小孔腐蝕；振動(dòng)傳感器；傅立葉變換；動(dòng)不平衡；預(yù)測(cè)性維修

1軸承

對(duì)于大型電機(jī)來說，它的滾動(dòng)軸承是維護(hù)的重點(diǎn)，需要消耗大量的人力和物力進(jìn)行周期性加油以及檢查等，但是，軸承也是最容易出現(xiàn)故障的區(qū)域，一旦大型電機(jī)的軸承出現(xiàn)磨損破裂，很容易導(dǎo)致重大設(shè)備故障。

1.1軸承的組成及故障原因分析

滾動(dòng)軸承可以承受較大的徑向載荷，負(fù)載力強(qiáng)，它一般由外圈、滾珠、內(nèi)圈、保持架等組成。導(dǎo)致軸承出現(xiàn)故障的原因主要有：（1）機(jī)械磨損，一般是因?yàn)槌^了服務(wù)年限、過載等原因造成的。（2）滾道磨損破裂，一般是因?yàn)檫^載、潤(rùn)滑劑不足、裝配錯(cuò)誤、運(yùn)輸損傷等原因造成。（3）潤(rùn)滑油的原因，一般是因?yàn)闈?rùn)滑油不足、過度潤(rùn)滑、潤(rùn)滑油污染、錯(cuò)誤潤(rùn)滑等造成。以上可能會(huì)在軸承的內(nèi)圈、外圈和滾珠上造成小孔腐蝕，軸承的損壞一般因這些小孔腐蝕造成，并且當(dāng)滾珠滾過損壞區(qū)域的時(shí)候會(huì)形成沖擊脈沖。

1.2軸承的損壞趨勢(shì)分析

滾動(dòng)軸承在正常的使用及維護(hù)措施下，可以使用1～7年，并且它的振動(dòng)值是維持在較低且穩(wěn)定的狀態(tài)，一旦軸承出現(xiàn)了小孔腐蝕，它的振動(dòng)值就會(huì)逐漸上升，這期間會(huì)維持大約1～3星期，到了末期，隨著軸承的損壞加劇，軸承的振動(dòng)值會(huì)在1～3天內(nèi)出現(xiàn)急劇的上升，這時(shí)，軸承會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的損壞故障。所以，我們通過使用振動(dòng)傳感器把軸承在1～3星期初期損壞階段預(yù)測(cè)出來，然后，及時(shí)通知現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)人員，檢查和更換軸承，避免出現(xiàn)更嚴(yán)重的設(shè)備故障。

2振動(dòng)傳感器介紹

我們公司現(xiàn)場(chǎng)采用了德國(guó)IFM公司生產(chǎn)的行業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的振動(dòng)傳感器，用于現(xiàn)場(chǎng)電機(jī)及風(fēng)機(jī)軸承振動(dòng)檢測(cè)，分別應(yīng)用了兩種振動(dòng)檢測(cè)方式。

2.1用于振動(dòng)速度測(cè)量的振動(dòng)傳感器VKV022

振動(dòng)傳感器VKV022，這是一款性價(jià)比較高的振動(dòng)傳感器，具體規(guī)格參數(shù)：常閉；模擬；輸入和輸出總數(shù)2；振動(dòng)測(cè)量范圍0～50；（RMS）mm/S；頻率范圍10～1000Hz；環(huán)境溫度-25～80℃；IP67；接插件。可以直接把被測(cè)設(shè)備的振動(dòng)速度值通過模擬量信號(hào)引入PLC。

2.2用于精確振動(dòng)分析的方案VSE002+VSA001

VSE002+VSA001，其中VSE002是振動(dòng)分析模塊，具體規(guī)格參數(shù)：輸入和輸出總數(shù)8；(可配置)；Ethernet；100×25.4×103.4mm。VSA001是振動(dòng)傳感器，具體規(guī)格參數(shù)：模擬；振動(dòng)測(cè)量范圍-25～25g；頻率范圍0～6000Hz；環(huán)境溫度-30～125℃；IP67；IP68；IP69K；接插件。兩種振動(dòng)方案的功能詳細(xì)對(duì)比如表1所示。根據(jù)上表的對(duì)比分析，其中VSE002+VSA001的方案功能更全面、更精確，更適合進(jìn)行預(yù)測(cè)性維修方案，這是因?yàn)?a href="http://m.saumg.com/lunwen/jcjslw/147430.html" target="_blank">振動(dòng)分析模塊VSE002采用了包絡(luò)線傅立葉變換用于振動(dòng)信號(hào)的過濾及分析。

3包絡(luò)線傅立葉變換（HFFT）包絡(luò)線傅立葉變換來源于傅立葉變換。

3.1傅立葉變換（FFT）

傅立葉變換表示能將滿足一定條件的某個(gè)函數(shù)表示成三角函數(shù)（正弦和/或余弦函數(shù)）或者它們的積分的線性組合。在不同的研究領(lǐng)域，傅立葉變換具有多種不同的變體形式，如連續(xù)傅立葉變換和離散傅立葉變換。傅立葉變換是一種分析信號(hào)的方法，它可分析信號(hào)的成分，也可用這些成分合成信號(hào)。許多波形可作為信號(hào)的成分，比如，正弦波、方波、鋸齒波等，傅立葉變換用正弦波作為信號(hào)的成分。傅立葉變換在物理學(xué)、電子類學(xué)科、數(shù)論、組合數(shù)學(xué)、信號(hào)處理、概率論、統(tǒng)計(jì)學(xué)、密碼學(xué)、聲學(xué)、光學(xué)、海洋學(xué)、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用，特別在信號(hào)處理中，傅立葉變換的典型用途是將信號(hào)分解成頻率譜——顯示與頻率對(duì)應(yīng)的幅值大小。典型傅立葉變換功能如圖1所示，把振動(dòng)時(shí)域里的信號(hào)轉(zhuǎn)換成頻域分析。

3.2包絡(luò)線傅立葉變換與動(dòng)不平衡

IFM振動(dòng)分析模塊在傅立葉變換的基礎(chǔ)上采用了包絡(luò)線傅立葉變換的技術(shù)，即HFFT。包絡(luò)線傅立葉變換通過包絡(luò)整個(gè)振動(dòng)信號(hào)并且過濾掉正常的振動(dòng)信號(hào)，只剩下振動(dòng)信號(hào)的峰（沖擊脈沖），這樣振動(dòng)頻譜圖分析將更加直觀與高效。利用包絡(luò)線傅立葉變換可以快速準(zhǔn)確判斷設(shè)備是否出現(xiàn)動(dòng)不平衡問題。動(dòng)不平衡指作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的零部件，由于形狀誤差（比如內(nèi)外圓不同軸，圓柱不圓、母線不直，端面與軸線不垂直等）、內(nèi)部組織不均勻等原因造成在機(jī)器、機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)，產(chǎn)生不良影響的現(xiàn)象。動(dòng)不平衡是圍繞旋轉(zhuǎn)軸的質(zhì)量不均勻分布，它會(huì)導(dǎo)致風(fēng)機(jī)系統(tǒng)出現(xiàn)振動(dòng)及噪聲，并且降低軸承及風(fēng)機(jī)的使用壽命。IFM振動(dòng)控制器利用包絡(luò)線傅立葉變換可以單獨(dú)生成一倍頻的振動(dòng)頻域圖，只要一倍頻出現(xiàn)異常升高，特別是達(dá)到整個(gè)振動(dòng)區(qū)間能量的90%，基本可以判斷是由于動(dòng)不平衡原因造成的。另外，根據(jù)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，我們也可以單獨(dú)檢測(cè)10～1000Hz的振動(dòng)速度變化，從而判斷現(xiàn)場(chǎng)是否出現(xiàn)異常狀況。

4具體現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施方案

在我們公司涂裝車間C線2#空調(diào)安裝1個(gè)控制器VSE002+4個(gè)傳感器VSA001，傳感器分別安裝在空調(diào)兩臺(tái)電機(jī)的前后兩端，振動(dòng)信息通過以太網(wǎng)直接傳送到工段監(jiān)控電腦，通過WINCC或CIMPLICITY等軟件實(shí)時(shí)及直觀的監(jiān)控軸承狀態(tài)。沖壓車間E線一臺(tái)1000T和一臺(tái)2250T壓機(jī)，電機(jī)與皮帶輪的8個(gè)軸承，涂裝車間B線4#與5#空調(diào)，風(fēng)機(jī)與電機(jī)的8個(gè)軸承，各安裝一個(gè)振動(dòng)傳感器VKV022，該傳感器可以與現(xiàn)場(chǎng)的模擬量模塊直接相連，直接把振動(dòng)信息傳送到PLC。

5效果展示

VKV022方案，實(shí)現(xiàn)通過PMC畫面實(shí)時(shí)監(jiān)控每臺(tái)風(fēng)機(jī)各項(xiàng)振動(dòng)速度值（兩個(gè)風(fēng)機(jī)軸承，兩個(gè)電機(jī)軸承）；當(dāng)振動(dòng)值超過3.5mm/S，中控畫面會(huì)報(bào)警提示。VSE002+VSA001安裝后實(shí)現(xiàn)了可以分別監(jiān)控同一個(gè)軸承的內(nèi)圈、外圈、滾動(dòng)元件的加速度值，以判斷是軸承具體那一部分出現(xiàn)了異常；頻譜圖應(yīng)用，通過檢測(cè)一倍頻的振動(dòng)速度變化，跟蹤動(dòng)平衡狀態(tài)；頻譜圖應(yīng)用，寬頻檢測(cè)（RMS），10～1000Hz的振動(dòng)速度變化。

6振動(dòng)數(shù)據(jù)用于預(yù)測(cè)性維修

PMC可以生成風(fēng)機(jī)振動(dòng)數(shù)值曲線圖，包括振動(dòng)速度值、軸承加速度值和風(fēng)機(jī)動(dòng)平衡速度值（一倍頻的振動(dòng)速度值），5秒取值一次，存儲(chǔ)一月，用于數(shù)值分析，可以安排維修或者工程師，通過PM形式，每月對(duì)風(fēng)機(jī)的振動(dòng)趨勢(shì)做一次分析，當(dāng)發(fā)現(xiàn)整體的振動(dòng)數(shù)值有升高的趨勢(shì)時(shí)，立即組織專人進(jìn)行檢修及更換?，F(xiàn)場(chǎng)風(fēng)機(jī)軸承振動(dòng)加速度值曲線圖見圖2，一倍頻振動(dòng)速度值曲線圖見圖3。

作者：王磊 李梁 單位：上汽通用五菱汽車股份有限公司青島分公司