漲知識(shí) | 如何利用機(jī)械振動(dòng)診斷技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備故障的監(jiān)測(cè)

工業(yè)極客

機(jī)械振動(dòng)是工業(yè)機(jī)械設(shè)備運(yùn)行中常見(jiàn)的一種現(xiàn)象，一般情況下機(jī)械振動(dòng)都是有害的，因?yàn)檎駝?dòng)會(huì)破壞機(jī)械的正常運(yùn)作。因此，利用振動(dòng)信號(hào)判斷設(shè)備的故障狀態(tài)越來(lái)越受到重視，如果機(jī)械設(shè)備出現(xiàn)故障而未能監(jiān)測(cè)出來(lái)，結(jié)果不僅會(huì)影響設(shè)備的壽命，更有可能帶來(lái)更大的損失。因而，基于振動(dòng)信號(hào)的機(jī)械設(shè)備故障診斷成為監(jiān)測(cè)設(shè)備狀態(tài)的一種主要形式。

機(jī)械設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中，設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)測(cè)信號(hào)是反應(yīng)設(shè)備運(yùn)行正常與否的信息載體，而振動(dòng)信號(hào)是設(shè)備主要的監(jiān)測(cè)信號(hào)之一。基于振動(dòng)信號(hào)的故障監(jiān)測(cè)的實(shí)現(xiàn)步驟是：振動(dòng)數(shù)據(jù)的采集，數(shù)據(jù)預(yù)處理，通過(guò)數(shù)據(jù)分析進(jìn)行設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷。

一、振動(dòng)信號(hào)采集

機(jī)械設(shè)備振動(dòng)信號(hào)的采集通常選用振動(dòng)傳感器。振動(dòng)傳感器作為傳感器的一種，在工業(yè)中主要用來(lái)檢測(cè)機(jī)械設(shè)備在工作中的振動(dòng)情況，進(jìn)而確定設(shè)備有無(wú)故障。基于振動(dòng)傳感器的特性，其在預(yù)測(cè)性維護(hù)中發(fā)揮了重要作用。例如我們可以根據(jù)電機(jī)的振動(dòng)信號(hào)，通過(guò)進(jìn)行時(shí)頻分析發(fā)現(xiàn)電機(jī)存在的問(wèn)題如電機(jī)不平衡，不對(duì)中等問(wèn)題，從而可以實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)性維護(hù)所說(shuō)的零停機(jī)狀況。常見(jiàn)的振動(dòng)傳感器有：加速度傳感器、速度傳感器、位移傳感器，不同的傳感器適用的工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景不同。

• 位移傳感器：所測(cè)頻率為0～10kHz，在此范圍內(nèi)能給出準(zhǔn)確的低頻振幅及相位；
• 速度傳感器：所測(cè)頻率為5～2kHz，能對(duì)中頻的振動(dòng)產(chǎn)生較強(qiáng)的信號(hào)；
• 加速度傳感器：所測(cè)頻率為5～20kHz，高頻范圍信號(hào)較強(qiáng)。
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振動(dòng)傳感器應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，基本每個(gè)行業(yè)都可以用到。例如造紙業(yè)，煤炭行業(yè)，建筑行業(yè)。設(shè)備的振動(dòng)信號(hào)通過(guò)加速度采集，傳感器將設(shè)備的實(shí)時(shí)振動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸給采集終端，采集終端將數(shù)據(jù)傳輸給我們的數(shù)據(jù)分析模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。
5 x. H' Y; Y  d( b二、數(shù)據(jù)預(yù)處理振動(dòng)采集過(guò)程中，往往存在多種干擾，導(dǎo)致得到的數(shù)據(jù)并不準(zhǔn)確，將偏離真實(shí)數(shù)值。因此在完成振動(dòng)信號(hào)采集之后，應(yīng)當(dāng)對(duì)采集得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，進(jìn)而提高數(shù)據(jù)的真實(shí)性與可用性，并分析振動(dòng)信號(hào)的隨機(jī)性，從而確定具體的處理手段。設(shè)備的振動(dòng)信號(hào)往往是一雜亂無(wú)章的信號(hào)，要直接通過(guò)振動(dòng)原始數(shù)據(jù)判斷設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)并進(jìn)行故障診斷有一定的難度。所以，應(yīng)當(dāng)對(duì)采集到的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理。常用的振動(dòng)信號(hào)預(yù)處理算法包括：算術(shù)平均值法、加權(quán)平均值法、五點(diǎn)三次平滑法、滑動(dòng)平均值法、中值法、模糊控制法等。

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$ m. S6 |4 E* t1 F5 s5 @- L. B/ x' e4 l三、數(shù)據(jù)的分析
對(duì)振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的主要用途是，判斷設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)以及利用振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)備故障診斷。振動(dòng)數(shù)據(jù)分析主要有時(shí)域分析和頻域分析。時(shí)域分析：
3 M+ E8 M" ?% k8 O' i. p  i振動(dòng)時(shí)域參數(shù)分析是對(duì)機(jī)械設(shè)備進(jìn)行故障檢測(cè)和診斷的簡(jiǎn)易方法，時(shí)域波形是經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理器去噪處理后的信號(hào)，包含較多的信息量。在時(shí)域診斷中，常常采用的特征參數(shù)有：均值、均方根值、峰值、峭度指標(biāo)、波形指標(biāo)、脈沖因子、裕度系數(shù)……通過(guò)監(jiān)測(cè)這些特征參數(shù)是否超過(guò)設(shè)定的閾值，來(lái)診斷傳動(dòng)部件是否發(fā)生機(jī)械故障。幅域參數(shù)一般分為有量綱和無(wú)量綱兩種類(lèi)型的指標(biāo)。除去常用的時(shí)域特征參數(shù)之外，時(shí)域波形也是判斷設(shè)備故障的一種主要方法。
/ v7 d5 K6 w0 Y下圖是電機(jī)實(shí)時(shí)振動(dòng)波形圖，橫坐標(biāo)是時(shí)間單位秒 (S)，縱坐標(biāo)是加速度幅值單位 (m/s2)。
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電機(jī)實(shí)時(shí)振動(dòng)波形圖
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• 均值：又可稱(chēng)為直流分量，是用來(lái)評(píng)價(jià)信號(hào)是否穩(wěn)定。表征了振動(dòng)信號(hào)變化的中心波動(dòng)，是信號(hào)的常量分量。
• 均方根值：也叫方均根值。它是對(duì)信號(hào)先平方，再求取平均值后開(kāi)方得到的，對(duì)沒(méi)有規(guī)律的信號(hào)比較有用。
• 峭度指標(biāo)：反映振動(dòng)信號(hào)中的沖擊特征。峭度指標(biāo)對(duì)信號(hào)中的沖擊特征很敏感，正常情況下應(yīng)該值在3左右，如果這個(gè)值接近4或超過(guò)4，則說(shuō)明機(jī)械的運(yùn)動(dòng)狀況中存在沖擊性振動(dòng)。
  

頻域分析：
時(shí)域振動(dòng)信號(hào)的頻譜分析是目前所知的研究故障特征方法中基礎(chǔ)的方法之一，可以在頻譜中獲得比較全面的故障信息。在頻域中，主要從幅值頻譜、功率頻譜、倒頻譜、包絡(luò)譜等頻譜中分析。頻譜圖橫坐標(biāo)代表振動(dòng)信號(hào)的頻率單位赫茲 (Hz)，縱坐標(biāo)代表頻率幅值。幅值頻譜就是對(duì)傳感器釆樣所得的原始信號(hào)經(jīng)處理后的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行一次傅立葉變換 (FFT)，計(jì)算并畫(huà)出該時(shí)域振動(dòng)信號(hào)的頻率圖譜如下圖所示。

功率譜：
8 d; k% c$ T, d4 q2 e: G# Y' B; y$ R在頻域中表現(xiàn)對(duì)信號(hào)功率的分布，即體現(xiàn)出振動(dòng)信號(hào)能量的大小情況。功率譜包括互功率譜和自功率譜兩種頻譜，它的頻譜包含的信息和幅值譜是一樣的，因?yàn)樗欠档钠椒剑员确底V的突出頻率更加清晰。
倒頻譜：
又叫二次頻譜，可以有效地檢測(cè)出復(fù)雜頻譜中的周期成分。倒頻譜通常用在機(jī)械振動(dòng)中，為了對(duì)故障進(jìn)行檢測(cè)和診斷，所以它在振動(dòng)信號(hào)分析方面應(yīng)用的較多。倒頻譜有以下特點(diǎn)：
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• 通過(guò)倒頻譜分析，能夠識(shí)別出信號(hào)中不同頻率分量，找到對(duì)診斷來(lái)說(shuō)比較重要的周期成分；
• 倒譜能分離諧波和邊頻帶分量。
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倒譜實(shí)現(xiàn)流程圖

( w* w: e" a  p3 Z, r$ i綜上，利用振動(dòng)信號(hào)對(duì)故障進(jìn)行診斷，是設(shè)備故障診斷方法中有效、常用的方法。機(jī)械設(shè)備和結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中的振動(dòng)及其特征信息，是反映系統(tǒng)狀態(tài)及其變化規(guī)律的主要信號(hào)。因此，通過(guò)各種動(dòng)態(tài)測(cè)試儀器拾取、記錄和分析動(dòng)態(tài)信號(hào)，是進(jìn)行系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷的主要途徑。

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鮑小牛520

不明覺(jué)厲，學(xué)習(xí)了

微步

寫(xiě)得很好，贊！