電機預(yù)測性維修上的振動檢測技術(shù)應(yīng)用

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摘要：目前，設(shè)備維護開展以預(yù)防性維修為主，隨著設(shè)備運行時間的增長，設(shè)備出現(xiàn)重大停機故障的風險大大增加，常規(guī)的預(yù)防性維修不能滿足現(xiàn)場的需求，需要引入狀態(tài)檢測，進行預(yù)測性維修。預(yù)測性維修可以提前預(yù)知設(shè)備故障，避免嚴重設(shè)備故障的發(fā)生，同時，可以針對性的指導設(shè)備維修，減少維護的時間和成本。振動監(jiān)控是預(yù)測性維修的重要手段，通過專用傳感器對設(shè)備的振動參數(shù)收集與分析，可以準確判斷設(shè)備運行狀態(tài)，預(yù)知設(shè)備故障。

關(guān)鍵詞：軸承；小孔腐蝕；振動傳感器；傅立葉變換；動不平衡；預(yù)測性維修

1軸承

對于大型電機來說，它的滾動軸承是維護的重點，需要消耗大量的人力和物力進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，一旦大型電機的軸承出現(xiàn)磨損破裂，很容易導致重大設(shè)備故障。

1.1軸承的組成及故障原因分析

滾動軸承可以承受較大的徑向載荷，負載力強，它一般由外圈、滾珠、內(nèi)圈、保持架等組成。導致軸承出現(xiàn)故障的原因主要有：（1）機械磨損，一般是因為超過了服務(wù)年限、過載等原因造成的。（2）滾道磨損破裂，一般是因為過載、潤滑劑不足、裝配錯誤、運輸損傷等原因造成。（3）潤滑油的原因，一般是因為潤滑油不足、過度潤滑、潤滑油污染、錯誤潤滑等造成。以上可能會在軸承的內(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，并且當滾珠滾過損壞區(qū)域的時候會形成沖擊脈沖。

1.2軸承的損壞趨勢分析

滾動軸承在正常的使用及維護措施下，可以使用1～7年，并且它的振動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，它的振動值就會逐漸上升，這期間會維持大約1～3星期，到了末期，隨著軸承的損壞加劇，軸承的振動值會在1～3天內(nèi)出現(xiàn)急劇的上升，這時，軸承會出現(xiàn)嚴重的損壞故障。所以，我們通過使用振動傳感器把軸承在1～3星期初期損壞階段預(yù)測出來，然后，及時通知現(xiàn)場維護人員，檢查和更換軸承，避免出現(xiàn)更嚴重的設(shè)備故障。

2振動傳感器介紹

我們公司現(xiàn)場采用了德國IFM公司生產(chǎn)的行業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的振動傳感器，用于現(xiàn)場電機及風機軸承振動檢測，分別應(yīng)用了兩種振動檢測方式。

2.1用于振動速度測量的振動傳感器VKV022

振動傳感器VKV022，這是一款性價比較高的振動傳感器，具體規(guī)格參數(shù)：常閉；模擬；輸入和輸出總數(shù)2；振動測量范圍0～50；（RMS）mm/S；頻率范圍10～1000Hz；環(huán)境溫度-25～80℃；IP67；接插件?？梢灾苯影驯粶y設(shè)備的振動速度值通過模擬量信號引入PLC。

2.2用于精確振動分析的方案VSE002+VSA001

VSE002+VSA001，其中VSE002是振動分析模塊，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是振動傳感器，具體規(guī)格參數(shù)：模擬；振動測量范圍-25～25g；頻率范圍0～6000Hz；環(huán)境溫度-30～125℃；IP67；IP68；IP69K；接插件。兩種振動方案的功能詳細對比如表1所示。根據(jù)上表的對比分析，其中VSE002+VSA001的方案功能更全面、更精確，更適合進行預(yù)測性維修方案，這是因為振動分析模塊VSE002采用了包絡(luò)線傅立葉變換用于振動信號的過濾及分析。

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的方法，它可分析信號的成分，也可用這些成分合成信號。許多波形可作為信號的成分，比如，正弦波、方波、鋸齒波等，傅立葉變換用正弦波作為信號的成分。傅立葉變換在物理學、電子類學科、數(shù)論、組合數(shù)學、信號處理、概率論、統(tǒng)計學、密碼學、聲學、光學、海洋學、結(jié)構(gòu)動力學等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用，特別在信號處理中，傅立葉變換的典型用途是將信號分解成頻率譜——顯示與頻率對應(yīng)的幅值大小。典型傅立葉變換功能如圖1所示，把振動時域里的信號轉(zhuǎn)換成頻域分析。

3.2包絡(luò)線傅立葉變換與動不平衡

IFM振動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)整個振動信號并且過濾掉正常的振動信號，只剩下振動信號的峰（沖擊脈沖），這樣振動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確判斷設(shè)備是否出現(xiàn)動不平衡問題。動不平衡指作旋轉(zhuǎn)運動的零部件，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器、機構(gòu)旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生振動，產(chǎn)生不良影響的現(xiàn)象。動不平衡是圍繞旋轉(zhuǎn)軸的質(zhì)量不均勻分布，它會導致風機系統(tǒng)出現(xiàn)振動及噪聲，并且降低軸承及風機的使用壽命。IFM振動控制器利用包絡(luò)線傅立葉變換可以單獨生成一倍頻的振動頻域圖，只要一倍頻出現(xiàn)異常升高，特別是達到整個振動區(qū)間能量的90%，基本可以判斷是由于動不平衡原因造成的。另外，根據(jù)應(yīng)用經(jīng)驗，我們也可以單獨檢測10～1000Hz的振動速度變化，從而判斷現(xiàn)場是否出現(xiàn)異常狀況。

4具體現(xiàn)場實施方案

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

5效果展示

VKV022方案，實現(xiàn)通過PMC畫面實時監(jiān)控每臺風機各項振動速度值（兩個風機軸承，兩個電機軸承）；當振動值超過3.5mm/S，中控畫面會報警提示。VSE002+VSA001安裝后實現(xiàn)了可以分別監(jiān)控同一個軸承的內(nèi)圈、外圈、滾動元件的加速度值，以判斷是軸承具體那一部分出現(xiàn)了異常；頻譜圖應(yīng)用，通過檢測一倍頻的振動速度變化，跟蹤動平衡狀態(tài)；頻譜圖應(yīng)用，寬頻檢測（RMS），10～1000Hz的振動速度變化。

6振動數(shù)據(jù)用于預(yù)測性維修

PMC可以生成風機振動數(shù)值曲線圖，包括振動速度值、軸承加速度值和風機動平衡速度值（一倍頻的振動速度值），5秒取值一次，存儲一月，用于數(shù)值分析，可以安排維修或者工程師，通過PM形式，每月對風機的振動趨勢做一次分析，當發(fā)現(xiàn)整體的振動數(shù)值有升高的趨勢時，立即組織專人進行檢修及更換?，F(xiàn)場風機軸承振動加速度值曲線圖見圖2，一倍頻振動速度值曲線圖見圖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