在工業(yè)自動化應(yīng)用中的機(jī)械設(shè)備故障類型以及診斷方法

 

潤滑油在線監(jiān)測，油液在線監(jiān)測系統(tǒng)作為設(shè)備機(jī)器預(yù)防性診斷的關(guān)鍵要素之一，就是運(yùn)用不同的油液在線傳感器，采用合理的布局及安裝方式將其串聯(lián)在一起，并實(shí)現(xiàn)多種數(shù)據(jù)的集成、顯示、分析及報警設(shè)置，實(shí)現(xiàn)油液在線監(jiān)測，數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程報警、數(shù)據(jù)分析、故障診斷等。

在線油液監(jiān)測系統(tǒng)集理化、污染度等多參數(shù)傳感器監(jiān)測于一體，通過內(nèi)部系統(tǒng)集成，監(jiān)測油液旁路取樣流經(jīng)測試單元后回流到油箱。多個測試單元獨(dú)立形成子系統(tǒng)，完成本測試單元的信號采集、通過內(nèi)部系統(tǒng)集成、數(shù)據(jù)標(biāo)定、可靠性測試等實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性。

 

“振動”，作為機(jī)器診斷的關(guān)鍵要素之二，對于學(xué)習(xí)和在工作中接觸到半導(dǎo)體技術(shù)和和機(jī)器診斷的你來說一定并不陌生。如今，對于“振動”的判斷已經(jīng)被可靠地且廣泛地運(yùn)用于監(jiān)控各種工業(yè)應(yīng)用中的最關(guān)鍵設(shè)備，并且相關(guān)可參考資料也有很多。但是當(dāng)我們談及振動傳感器性能參數(shù)，例如帶寬和噪聲密度，與最終應(yīng)用故障診斷能力之間的關(guān)系時，可以參考的資料卻是寥寥。本文從常見的機(jī)器故障，即“不平衡”、“未對準(zhǔn)”、“齒輪故障”和“滾動軸承缺陷”著眼，希望幫助大家進(jìn)一步了解振動傳感器性能，以及該性能如何支持狀態(tài)監(jiān)控解決方案。

 

不平衡

 

在實(shí)際操作中，導(dǎo)致系統(tǒng)不平衡的因素很多，比如安裝不當(dāng)（例如聯(lián)軸器偏心）、系統(tǒng)設(shè)計錯誤、部件故障，甚至碎屑或其他污染物的累積（例如感應(yīng)電機(jī)內(nèi)置的散熱風(fēng)扇可能由于灰塵和油脂的不均勻積聚或扇葉損壞而變得不平衡）。當(dāng)一個不平衡系統(tǒng)產(chǎn)生過大振動時，這些振動會機(jī)械耦合到系統(tǒng)內(nèi)的其他部件，如軸承、聯(lián)軸器和負(fù)載，進(jìn)而可能導(dǎo)致處于良好運(yùn)行狀態(tài)的部件加速劣化。雖然系統(tǒng)振動的增加可以表明潛在故障是由不平衡系統(tǒng)引起的，但是振動增加的根本原因還需要通過頻域分析診斷得出。

 

檢測和診斷方法：如圖1所示，不平衡系統(tǒng)以系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)速率（通常稱為1×）產(chǎn)生一個信號，其幅度與旋轉(zhuǎn)速率的平方成比例，F(xiàn) = m×w2。1×分量在頻域中通常總是存在，因此，通過測量1x和諧波的幅度可以識別不平衡系統(tǒng)。如果1×的幅度高于基線測量且諧波遠(yuǎn)小于1×，則很可能存在不平衡系統(tǒng)。水平和垂直相移振動分量也可能出現(xiàn)在不平衡系統(tǒng)中。在診斷過程中，為了確保最后測量結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，也要保證在診斷過程中，控制噪聲（保證噪聲必須很低）并且確認(rèn)有足夠的帶寬以便捕捉信息（不光是旋轉(zhuǎn)速率）。

 

1×諧波可能受其他系統(tǒng)故障的影響，例如未對準(zhǔn)或機(jī)械松動，因此分析旋轉(zhuǎn)速率（或1×頻率）的諧波可以幫助區(qū)分系統(tǒng)噪聲和其他潛在故障。用于慢速旋轉(zhuǎn)機(jī)器，基本旋轉(zhuǎn)速率可能遠(yuǎn)低于10 rpm，這意味著傳感器的低頻響應(yīng)對于捕獲基本旋轉(zhuǎn)速率至關(guān)重要。

 

圖1. 旋轉(zhuǎn)速率或1X頻率的幅度增加可能意味著存在不平衡系統(tǒng)

未對準(zhǔn)

 

理想狀態(tài)下對準(zhǔn)的設(shè)備，以下圖中的泵為例（圖2），從電機(jī)開始對準(zhǔn)、然后是軸、聯(lián)軸器，一直到負(fù)載。

 

圖2. 理想的對準(zhǔn)系統(tǒng)

而當(dāng)兩根旋轉(zhuǎn)軸未對準(zhǔn)時，就會發(fā)生系統(tǒng)未對準(zhǔn)現(xiàn)象。未對準(zhǔn)可以在平行方向和角度方向上發(fā)生，也可以是兩者的組合（圖3）。當(dāng)其中一根軸與另一根軸成一個角度時，稱為角度未對準(zhǔn)（圖3 - a）。當(dāng)兩根軸在水平或垂直方向上錯位時，稱為平行未對準(zhǔn)（圖3 - b）。當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)未對準(zhǔn)現(xiàn)象時，這可能會迫使部件在高于最初設(shè)計能力的應(yīng)力或負(fù)載下工作，從而影響更大的系統(tǒng)，最終可能導(dǎo)致（系統(tǒng)或部件）過早失效。

 

圖3. 不同未對準(zhǔn)示例，包括(a)角度、(b)平行或兩者的組合

檢測和診斷方法：未對準(zhǔn)誤差通常表現(xiàn)為系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)速率的二次諧波，稱為2×。2x分量在頻率響應(yīng)中不一定存在，但當(dāng)它存在時，其與1x的幅度關(guān)系可用來確定是否存在未對準(zhǔn)。增加的對準(zhǔn)誤差可以將諧波激勵到10×，具體取決于未對準(zhǔn)的類型、測量位置和方向信息。圖4突出顯示與潛在未對準(zhǔn)故障相關(guān)的特征。在測量時，也要將未對準(zhǔn)容差考慮其中，因?yàn)椴煌臋C(jī)器類型、系統(tǒng)和工藝要求、旋轉(zhuǎn)速度決定了允許的未對準(zhǔn)容差。

 

圖4. 不斷增加的2×諧波加上不斷增加的更高次諧波，表明可能存在未對準(zhǔn)現(xiàn)象

在檢測過程中，為了更準(zhǔn)確地檢測到微小的未對準(zhǔn)，就需要降低噪聲和保證高的分辨率；另外還需要足夠的帶寬來捕獲充分地頻率范圍。1x諧波有助于區(qū)分其他系統(tǒng)故障和未對準(zhǔn)，尤其適合于較高轉(zhuǎn)速的機(jī)器。例如，為了準(zhǔn)確可靠地檢測不平衡，轉(zhuǎn)速超過10,000 rpm的機(jī)器（機(jī)床等）通常需要2 kHz以上的高質(zhì)量信息。

 

系統(tǒng)相位與方向性振動信息相結(jié)合，可進(jìn)一步改善對未對準(zhǔn)誤差的診斷。測量機(jī)器上不同點(diǎn)的振動并確定相位測量值之間或整個系統(tǒng)內(nèi)的差異，有助于深入了解未對準(zhǔn)是角度、平行還是兩種未對準(zhǔn)類型的組合。

 

滾動元件軸承缺陷

 

滾動元件軸承（圖5）幾乎會使用在所有類型的旋轉(zhuǎn)機(jī)械上，從大型渦輪機(jī)到慢速旋轉(zhuǎn)電機(jī)，從相對簡單的泵和風(fēng)扇到高速CNC主軸。在運(yùn)作過程中，由機(jī)械引起的應(yīng)力或潤滑問題的假象通常就是滾動元件軸承缺陷；這些問題在軸承的機(jī)械部件內(nèi)產(chǎn)生小裂紋或缺陷，導(dǎo)致振動增加。

 

圖5. 滾動元件軸承

當(dāng)你發(fā)現(xiàn)設(shè)備有如下跡象，如潤滑污染、安裝不當(dāng)、高頻放電電流（圖6）或系統(tǒng)負(fù)載增加時，很有可能就是軸承缺陷，如果不及時處理，該故障很有可能導(dǎo)致災(zāi)難性的系統(tǒng)損壞，并對其他系統(tǒng)部件產(chǎn)生重大影響。

 

圖6. 潤滑與放電電流缺陷的示例

檢測和診斷方法：軸承的缺陷頻率可以根據(jù)軸承幾何形狀、旋轉(zhuǎn)速度和缺陷類型來計算，這有助與診斷故障（圖7）。對特定機(jī)器或系統(tǒng)的振動數(shù)據(jù)的分析，常常依賴于時域和頻域分析的結(jié)合，但是頻域和時域分析各有利弊。時域分析可用來檢測系統(tǒng)振動水平整體增加的趨勢。但是，這種分析包含的診斷信息非常少。頻域分析可提高診斷洞察力，但由于其他系統(tǒng)振動的影響，確定故障頻率可能很復(fù)雜。

 

圖7. 軸承缺陷頻率取決于軸承類型、幾何形狀和旋轉(zhuǎn)速率

對于軸承缺陷的早期診斷，使用缺陷頻率的諧波可識別早期或剛出現(xiàn)的故障，從而在災(zāi)難性故障發(fā)生之前對其進(jìn)行監(jiān)控和維護(hù)。為了檢測、診斷、了解軸承故障的系統(tǒng)影響，包絡(luò)檢測（如圖8所示）等技術(shù)與頻域中的頻譜分析相結(jié)合，通常可提供更具洞察力的信息。

 

圖8. 諸如包絡(luò)檢測之類的技術(shù)可以從寬帶寬振動數(shù)據(jù)中提取軸承早期缺陷特征

 

在軸承缺陷的早期檢測中，低噪聲和足夠高的分辨率是至關(guān)重要的。在缺陷剛剛出現(xiàn)時，缺陷特征的幅度通常很低。由于設(shè)計容差，軸承固有的機(jī)械滑動會將幅度信息傳播到軸承頻率響應(yīng)中的多個倉，從而進(jìn)一步降低振動幅度，因此要求低噪聲以便較早地檢測到信號。

 

除了以上提及的兩點(diǎn)，帶寬對于軸承缺陷的早期檢測也是至關(guān)重要。在旋轉(zhuǎn)期間，每次撞擊缺陷時，都會產(chǎn)生包含高頻內(nèi)容的脈沖（參見圖8）。對軸承缺陷頻率（而非旋轉(zhuǎn)速率）的諧波進(jìn)行檢測可發(fā)現(xiàn)這些早期故障。由于軸承缺陷頻率與旋轉(zhuǎn)速率之間的關(guān)系，這些早期特征可以在數(shù)千赫茲范圍內(nèi)出現(xiàn)，并延伸到10 kHz到20 kHz范圍之外。即使是低速設(shè)備，軸承缺陷的固有性質(zhì)也要求較寬帶寬以便及早檢測到缺陷，避免系統(tǒng)諧振和系統(tǒng)噪聲（會影響較低頻段）的影響。

 

動態(tài)范圍對于軸承缺陷檢測也很重要，因?yàn)橄到y(tǒng)負(fù)載和缺陷可能影響系統(tǒng)所經(jīng)受的振動。負(fù)載增加會導(dǎo)致作用在軸承和缺陷上的力增加。軸承缺陷也會產(chǎn)生沖擊，激發(fā)結(jié)構(gòu)諧振，放大系統(tǒng)和傳感器所經(jīng)受的振動。隨著機(jī)器在停止/啟動情況下或正常運(yùn)行期間的速度上升和下降，變化的速度會為系統(tǒng)諧振激發(fā)創(chuàng)造潛在的機(jī)會，導(dǎo)致更高幅度的振動。傳感器的飽和可能導(dǎo)致信息丟失、誤診斷，在某些技術(shù)的情況下甚至?xí)p壞傳感器元件。

 

齒輪缺陷

 

眾所周知，齒輪是許多工業(yè)應(yīng)用中動力傳遞的主要元件，承受著相當(dāng)大的應(yīng)力和載荷。齒輪的健康狀況對整個機(jī)械系統(tǒng)的正常運(yùn)行至關(guān)重要。在可再生能源領(lǐng)域，造成風(fēng)力渦輪機(jī)停機(jī)（以及相應(yīng)的收入流失）的最大因素是主動力系統(tǒng)中多級齒輪箱的失效，類似的考量也適用于工業(yè)應(yīng)用。而我們所說的齒輪故障就是時常發(fā)生在齒輪機(jī)構(gòu)的齒節(jié)中，其表現(xiàn)為齒根出現(xiàn)裂縫或齒面上有金屬被削除。造成的原因有磨損、過載、潤滑不良和齒隙，偶爾也會因?yàn)榘惭b不當(dāng)或制造缺陷而引起齒輪故障。

 

檢測和診斷方法：由于難以將振動傳感器安裝在故障附近，以及系統(tǒng)內(nèi)多種機(jī)械激勵引起的相當(dāng)大背景噪聲的存在，齒輪故障的檢測很棘手，在更復(fù)雜的齒輪箱系統(tǒng)中尤其如此。其中可能有多個旋轉(zhuǎn)頻率、齒輪比和嚙合頻率。因此，檢測齒輪故障可能要采用多種互補(bǔ)的方法，包括聲發(fā)射分析、電流特征分析和油渣分析。除了以上提及的分析法則，我們還要參考振動分析。在振動分析方面，加速度計通常安裝在齒輪箱殼體上，主要振動模式是軸向振動。健康齒輪的情況（如圖9所示），其產(chǎn)生的振動特征的頻率是所謂齒輪嚙合頻率，等于軸頻率和齒輪齒數(shù)的乘積。通常還存在一些與制造和組裝容差相關(guān)的調(diào)制邊帶。當(dāng)發(fā)生齒裂紋之類的局部故障時，每次旋轉(zhuǎn)中的振動信號將包括系統(tǒng)對相對低能級的短時沖擊的機(jī)械響應(yīng)。這通常是低幅度寬帶信號，一般被認(rèn)為是非周期性和非靜態(tài)的。

 

圖9. 健康齒輪的頻譜，曲軸轉(zhuǎn)速為~1000 rpm，齒輪轉(zhuǎn)速為~290 rpm，齒輪齒數(shù)為24

 

但是僅憑標(biāo)準(zhǔn)頻域技術(shù)并不能精確識別齒輪故障。由于沖擊能量包含在邊帶調(diào)制中，其中還可能包含來自其他齒輪對和機(jī)械部件的能量，因此頻譜分析可能無法檢測早期齒輪故障。時域技術(shù)（例如時間同步平均）或混合域方法（例如子波分析和包絡(luò)解調(diào)）一般更合適。

 

在檢測的過程中，我們也要注意這幾點(diǎn)，首先，寬帶寬對于齒輪故障檢測非常重要。因?yàn)辇X輪齒數(shù)在頻域中是乘數(shù)。即使對于相對低速的系統(tǒng)，所需的檢測頻率范圍也會快速上升到數(shù)kHz區(qū)域。此外，局部故障進(jìn)一步擴(kuò)展了帶寬要求。同樣重要還有分辨率和低噪聲，通過前文講述我們了解到將振動傳感器安裝在特定故障區(qū)域附近是很困難的，這意味著機(jī)械系統(tǒng)可能會使振動信號發(fā)生較高程度的衰減，因此能夠檢測低能量信號至關(guān)重要。此外，由于信號不是靜態(tài)周期信號，因此我們不能依賴于從高本底噪聲中提取低幅度信號的標(biāo)準(zhǔn)FFT技術(shù)，傳感器本身的本底噪聲必須很低，尤其在混合了不同元件的多個振動特征的齒輪箱環(huán)境中。