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設(shè)備振動(dòng)監(jiān)測和診斷技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用
發(fā)布日期：2016-10-31 來源：《上海設(shè)備管理》
點(diǎn)擊數(shù)：22916
公司為了深化設(shè)備的預(yù)測預(yù)控管理，對(duì)主要關(guān)鍵設(shè)備開展了狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷，通過技術(shù)手段測取機(jī)械設(shè)備在運(yùn)行過程中的狀態(tài)信息，對(duì)機(jī)械設(shè)備工作狀況的正常與否及異常程度等作出判斷，從而在事故發(fā)生之前查明故障產(chǎn)生的原因、部位及其發(fā)展趨勢(shì)，以便采取相應(yīng)措施和決策，預(yù)防和避免事故的發(fā)生。
一、目的和要求
對(duì)公司內(nèi)的主要關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測，以振動(dòng)為參數(shù)，建立一個(gè)設(shè)備動(dòng)態(tài)的信息數(shù)據(jù)庫，為設(shè)備管理和維修提供依據(jù)，并通過經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)的結(jié)合，提高對(duì)設(shè)備狀態(tài)的判別能力和管理水平，從而使維護(hù)工作：（1）滿足現(xiàn)代化設(shè)備的維修要求；（2）避免或降低事故的危害；（3）實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械設(shè)備的不解體監(jiān)測和診斷。
二、項(xiàng)目內(nèi)容
項(xiàng)目針對(duì)公司內(nèi)的主要關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行定期現(xiàn)場振動(dòng)數(shù)據(jù)收集，并進(jìn)行振動(dòng)分析，發(fā)現(xiàn)異常情況及時(shí)報(bào)警，提出設(shè)備維修意見，并建立設(shè)備的檔案數(shù)據(jù)庫、故障特征庫、振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到設(shè)備安全、有效、長期、穩(wěn)定的運(yùn)行，為日益繁忙的生產(chǎn)提供保障。
在項(xiàng)目的實(shí)施中，首先選取兩臺(tái)有代表性的設(shè)備試行：一臺(tái)為大型數(shù)控龍門銑，該臺(tái)設(shè)備主軸功率120kW，工作臺(tái)尺寸4.5m×14m，承重250噸，主要用于公司大型柴油機(jī)零部件的加工，它的停機(jī)直接影響到公司的生產(chǎn)配套；第二臺(tái)為D310水力測功器，其可測功率達(dá)37000kW，主要用于大功率船用柴油機(jī)性能指標(biāo)的實(shí)驗(yàn)與測試，從而來驗(yàn)證柴油機(jī)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)是否合格，所以這臺(tái)設(shè)備的狀態(tài)好壞直接影響到公司產(chǎn)品的交付。
在一年多的試驗(yàn)中，對(duì)于包括大型數(shù)控龍門銑床、大型數(shù)控落地鏜銑床、D310水力測功器（大型柴油機(jī)試驗(yàn)設(shè)備）等設(shè)備進(jìn)行了狀態(tài)監(jiān)測，并形成了數(shù)份相關(guān)測試報(bào)告。
三、工藝試驗(yàn)過程
（一）設(shè)備分類和振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)
由于試驗(yàn)次數(shù)較多，在此僅分別選取D310水力測功器和大型數(shù)控龍門銑的兩次測試進(jìn)行說明。
根據(jù)所測設(shè)備的振動(dòng)分析情況，參照設(shè)備的有關(guān)振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)(如ISO2372、ISO3945)，將所測設(shè)備的狀態(tài)分成A—良好，B—許可，C—可容忍，D—不允許4類，并結(jié)合設(shè)備的具體工作轉(zhuǎn)速和負(fù)荷，制定相應(yīng)的振動(dòng)速度限值標(biāo)準(zhǔn)。
（二）水力測功器振動(dòng)測量和數(shù)據(jù)分析
1、測點(diǎn)布置和參數(shù)設(shè)置
如圖1所示，柴油機(jī)自由端軸承為1#測點(diǎn)，柴油機(jī)連接端軸承為2#測點(diǎn)，水力測功器連接端軸承為3#測點(diǎn)，水力測功器自由端軸承為4#測點(diǎn)，柴油機(jī)兩個(gè)測點(diǎn)只測量水平方向振動(dòng)，即1H、2H，水力測功器兩個(gè)測點(diǎn)各測量軸向、水平方向和垂直方向的振動(dòng)，即3A、3H、3V，4A、4H、4V。每一次試驗(yàn)柴油機(jī)和水力測功器的相對(duì)位置可能會(huì)發(fā)生左右變化，當(dāng)發(fā)生這種變化時(shí)，需保持每次柴油機(jī)兩個(gè)測點(diǎn)位置和編號(hào)不變，但水力測功器在采集數(shù)據(jù)時(shí)將兩個(gè)測點(diǎn)位置和編號(hào)互換。
本次試驗(yàn)的柴油機(jī)型號(hào)6S70–25#、試驗(yàn)最大轉(zhuǎn)速91rpm、輸出功率16860kw。水力測功器型號(hào)為D310，試驗(yàn)最大轉(zhuǎn)速180 rpm，兩個(gè)軸承型號(hào)為30031，為雙列向心球面滾子軸承（瓦房店軸承廠生產(chǎn)），幾何尺寸為Φ630×Φ920×212，節(jié)園直徑為788mm，滾子直徑為72mm，單列滾子數(shù)為29個(gè)（經(jīng)計(jì)算軸承內(nèi)圈頻率24Hz，外圈頻率20Hz，滾動(dòng)體頻率4Hz，保持架頻率0.34Hz）；水力測功器葉片數(shù)目22片。
主要的振動(dòng)測試參數(shù)包括：
（1）振動(dòng)速度rms，mm/s，頻率范圍200Hz、1000Hz和5000Hz，1600線分辨率。
（2）振動(dòng)加速度gSE，200Hz、1000Hz和5000Hz，1600線分辨率，gSE5KHz濾波。
監(jiān)測得到的水力測功器振動(dòng)測試數(shù)據(jù)見表1。
2、柴油機(jī)的影響分析
考慮到水力測功器振動(dòng)和柴油機(jī)振動(dòng)的相互影響，并考慮到今后水力測功器振動(dòng)測試要接受不同類型的柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)，所以將柴油機(jī)振動(dòng)也納入測試范圍，柴油機(jī)振動(dòng)主要測試兩個(gè)軸承支點(diǎn)的水平振動(dòng)。
通過對(duì)表1的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)柴油機(jī)的振動(dòng)情況：
（1）柴油機(jī)的兩個(gè)測點(diǎn)的振動(dòng)速度值接近，2H測點(diǎn)（柴油機(jī)連接端軸承）振動(dòng)速度略大于1H測點(diǎn)（(柴油機(jī)自由端軸承)， 這可能是2#測點(diǎn)與載荷即水力測功器接近的緣故；
（2）兩個(gè)測點(diǎn)的振動(dòng)加速度值是1#測點(diǎn)比2#測點(diǎn)大2～3倍，這可能與兩個(gè)測點(diǎn)結(jié)構(gòu)剛度不同有關(guān)；
（3）速度頻譜上主要出現(xiàn)柴油機(jī)轉(zhuǎn)頻1.5Hz及其諧波，其中6X、7X、8X、9X 幅值突出，還出現(xiàn)42Hz，即28X及其諧波；
（4）加速度頻譜上出現(xiàn)2.5~3.5KHz的高頻帶，并且1#測點(diǎn)的高頻帶幅值比2#測點(diǎn)高出1倍以上。
據(jù)此得出診斷：柴油機(jī)振動(dòng)屬于正常狀態(tài)，分析認(rèn)為柴油機(jī)振動(dòng)系受水力測功器軸承振動(dòng)影響。
3、水力測功器軸承振動(dòng)情況
3#測點(diǎn)即與柴油機(jī)連接端軸承振動(dòng)：
（1）從振動(dòng)速度值看，軸向振動(dòng)相對(duì)較低，水平和垂直振動(dòng)較高，從振動(dòng)加速度gSE 值看，水平方向較低，其他兩個(gè)方向較高；
（2）在速度頻譜上反映振動(dòng)上升主要是柴油機(jī)轉(zhuǎn)頻1.5Hz及其諧波的幅值大幅度上升；
（3）加速度gSE頻譜上反映振動(dòng)的主要特征頻率分量是19.375Hz及其諧波，這是30031滾動(dòng)軸承的滾道的故障特征頻率，該特征頻率的幅值比上升了多倍，并在其兩側(cè)出現(xiàn)以轉(zhuǎn)頻1.5Hz為間隔的邊帶；
4#測點(diǎn)即自由端軸承振動(dòng)：
（1）本次4#測點(diǎn)三個(gè)方向的振動(dòng)速度值均大幅度上升；
（2）從振動(dòng)速度值看，軸向振動(dòng)相對(duì)較低，但比3#側(cè)點(diǎn)的軸向振動(dòng)要大，水平和垂直振動(dòng)基本接近，從振動(dòng)加速度gSE值看，軸向最低，垂直方向最高；
（3）速度頻譜上主要出現(xiàn)柴油機(jī)轉(zhuǎn)頻1.5Hz及其諧波，其中6X、7X、8X、9X幅值突出，4V速度頻譜上還出現(xiàn)19.75Hz即13X及其諧波；
（4）在4V測點(diǎn)的200Hz gSE頻譜上有20Hz諧波出現(xiàn)，這個(gè)頻率是30031滾動(dòng)軸承的外滾道的故障特征頻率；
（5）4#測點(diǎn)軸承振動(dòng)雖然大幅度上升，但主要受3# 測點(diǎn)軸承的影響，而并非存在故障。
4、水力測功器綜合分析診斷
總體上看，本次水力測功器振動(dòng)明顯上升，并受其影響，柴油機(jī)振動(dòng)也上升。本次診斷3#測點(diǎn)的30031滾動(dòng)軸承出現(xiàn)滾道的故障，主要依據(jù)：
（1）3#測點(diǎn)三個(gè)方向的振動(dòng)速度值均大幅度上升，加速度gse值也大幅度上升；
（2）加速度gSE頻譜上出現(xiàn)明顯的19.375Hz及其諧波，這是30031滾動(dòng)軸承的滾道的故障特征頻率，該特征頻率的幅值比前次測試結(jié)果上升了數(shù)倍，并在其兩側(cè)出現(xiàn)以轉(zhuǎn)頻1.5Hz為間隔的邊；
（3）在現(xiàn)場試驗(yàn)時(shí)，明顯感到水力測功器鋼架支承的振動(dòng)較強(qiáng)烈；
（4）此外本次4# 測點(diǎn)和柴油機(jī)振動(dòng)頻率雖然上升，但振動(dòng)加速度gSE值變化很小，頻譜上也沒有出現(xiàn)明顯的滾動(dòng)軸承故障特征頻率。
（三）大型數(shù)控龍門銑振動(dòng)測量和數(shù)據(jù)分析
1、測點(diǎn)位置、參數(shù)及測試工況
數(shù)控龍門銑測點(diǎn)位置如圖2所示：7#、8#測點(diǎn)位于主軸下部；9#測點(diǎn)位于電機(jī)輸出端軸承；10#測點(diǎn)位于齒輪箱輸入端軸承；11#測點(diǎn)位于齒輪箱輸出端軸承；12#測點(diǎn)位于主軸上部。
主要振動(dòng)測試參數(shù)：
（1）振動(dòng)速度rms，mm/s，頻率范圍200Hz、1000Hz和5000Hz，1600線分辨率；
（2）振動(dòng)加速度gSE，200Hz、1000Hz和5000Hz，1600線分辨率，gSE5KHz濾波。
測試工況：根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備狀態(tài)和測試要求，設(shè)定主軸轉(zhuǎn)速分別為200rpm、400rpm和780rpm三個(gè)測試工況，并轉(zhuǎn)速由低到高分別測試。
數(shù)控龍門銑振動(dòng)測試數(shù)據(jù)見表2。
2、數(shù)控龍門銑振動(dòng)分析
現(xiàn)場反映， 數(shù)控龍門銑當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速上升到400rpm以上，發(fā)生明顯的振動(dòng)。該設(shè)備在2014年3月13日曾進(jìn)行過一次振動(dòng)測試，測點(diǎn)主要放在主軸上，即本次的7#、8#測點(diǎn)，為了全面檢測和診斷設(shè)備故障，本次又增加了 9#測點(diǎn)(電機(jī)輸出端軸承)和10#測點(diǎn)(齒輪箱輸入端軸承)。同時(shí)，在保留上次主軸轉(zhuǎn)速780rpm測試工況的基礎(chǔ)上，又增加了200rpm和400rpm的兩個(gè)工況，以便通過數(shù)據(jù)進(jìn)行趨勢(shì)分析。
（1）將2014年3月13日和本次2015年2月14日兩次的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，見表3。
（2）從表3可見，本次數(shù)控龍門銑主軸振動(dòng)數(shù)據(jù)的變化主要發(fā)生在振動(dòng)加速度gSE上，本次增加約3～4倍，gSE值增加反映在譜上主要是主軸轉(zhuǎn)頻12.5Hz及其諧波、204.688Hz及其諧波（包括其14倍頻2864Hz）的幅值增加。
（3）在5000 Hz加速度頻譜上有2950 Hz左右峰值，但是在200rpm、400rpm和780rpm三種不同的轉(zhuǎn)速下，這個(gè)頻率均沒有大的變化，所以可以認(rèn)為這個(gè)頻率是結(jié)構(gòu)固有特征頻率，同時(shí)齒輪箱的嚙合頻率也不明顯，所以可以認(rèn)為，由于齒輪箱的原因造成目前振動(dòng)大的可能性很小。
（4）當(dāng)轉(zhuǎn)速為780 rpm 時(shí)，9#測點(diǎn)5000 Hz加速度頻譜上，可見齒輪箱790 Hz 的第一級(jí)齒輪嚙合頻率和1090 Hz 的第二級(jí)齒輪嚙合頻率，并且在790 Hz 的第一級(jí)齒輪嚙合頻率上有13 Hz的邊頻出現(xiàn)，說明故障出在主軸上。
（5）7#測點(diǎn)的頻譜有這樣一個(gè)特征，即當(dāng)轉(zhuǎn)速為780 rpm時(shí)，譜上出現(xiàn)較明顯的204 Hz ，當(dāng)轉(zhuǎn)速為400rpm 時(shí)，譜上出現(xiàn)1000Hz，當(dāng)轉(zhuǎn)速為200 rpm 時(shí)，譜上出現(xiàn)50Hz，這正好符合線性關(guān)系，說明204 Hz這個(gè)頻率和主軸有關(guān)。
（6）目前各個(gè)測點(diǎn)的振動(dòng)都是在主軸轉(zhuǎn)速210 rpm 時(shí)最低，400rpm時(shí)上升，在780 rpm 時(shí)最大，但是從傳動(dòng)系統(tǒng)看，在主軸轉(zhuǎn)速上升的過程中，電機(jī)的轉(zhuǎn)速卻是呈現(xiàn)低—高—低的變化，即主軸轉(zhuǎn)速為200 rpm時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速是1948rpm，主軸轉(zhuǎn)速為400 rpm時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速是3899rpm，主軸轉(zhuǎn)速為780 rpm時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速是2349rpm，這是因?yàn)辇X輪箱采取低檔傳動(dòng)的關(guān)系，由此推斷故障發(fā)生在電機(jī)和齒輪箱的可能性很小。
（7）振動(dòng)能量多集中在低頻部分，如10#測點(diǎn)（齒輪箱輸入端軸承），在主軸轉(zhuǎn)速上升中，其1000Hz的頻譜上主軸的轉(zhuǎn)頻振動(dòng)分別上升，并有諧波，因此說明故障發(fā)生在主軸上。
（8）站在電機(jī)和齒輪箱邊可聽到明顯的振動(dòng)沖擊響聲，這主要是聲音通過主軸箱體傳遞放大的作用。
通過頻譜分析，發(fā)現(xiàn)故障很可能發(fā)生在主軸上，且很可能是由于主軸軸承磨損松動(dòng)造成的。從頻譜上分析，204.688Hz這個(gè)頻率很可能是主軸上某個(gè)軸承的故障頻率，從圖紙了解到，主軸上有2個(gè)圓錐滾柱軸承，2個(gè)雙列滾柱軸承和2個(gè)角接觸滾珠軸承，但是由于所提供的型號(hào)目前在數(shù)據(jù)庫中查不到相對(duì)應(yīng)的故障頻率，因此當(dāng)時(shí)無法對(duì)主軸上哪個(gè)軸承出現(xiàn)故障進(jìn)行精確的診斷，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)從振動(dòng)響聲上判斷，主軸上端的軸承即圓錐滾柱軸承出現(xiàn)磨損松動(dòng)的可能性最大。
3、數(shù)控龍門銑綜合分析診斷
數(shù)控龍門銑主軸振動(dòng)狀態(tài)惡化，主軸上端的軸承即圓錐滾柱軸承出現(xiàn)磨損松動(dòng)。
試驗(yàn)所用儀器為DataPAC2500便攜式數(shù)據(jù)采集器/頻譜分析儀，軟件為Emonitor OdysseyTM奧德賽。
四、工藝試驗(yàn)結(jié)論
D310水力測功器在檢測試驗(yàn)后,我們將檢測情況向車間及時(shí)地進(jìn)行了反饋，車間依據(jù)這些異常數(shù)據(jù)和近來D310水力測功器的試車狀況，立即安排在春節(jié)期間對(duì)D310水力測功器進(jìn)行了解體修理。在解體時(shí)發(fā)現(xiàn)軸承30031內(nèi)孔與軸頭配合松動(dòng)，該軸表面的鍍鉻層剝落（該軸頭曾經(jīng)因尺寸小而作鍍層處理），這與振動(dòng)試驗(yàn)的診斷結(jié)果完全吻合。水力測功器得到了及時(shí)的修理，也確保了柴油機(jī)功率的正確測試。
對(duì)數(shù)控龍門銑的振動(dòng)監(jiān)測，縮小了維修的范圍，從而事先能有針對(duì)性地購買相關(guān)備件。在不久后的解體維修中，發(fā)現(xiàn)主軸上部圓錐滾柱軸承的軸向定位圈嚴(yán)重破損，造成軸承與主軸之間出現(xiàn)了間隙松動(dòng)，在更換定位圈之后，異聲消失。2015年6月12日又對(duì)主軸部分進(jìn)行了監(jiān)測，振動(dòng)狀態(tài)恢復(fù)了正常。
縱觀上述兩例，檢測試驗(yàn)的數(shù)據(jù)結(jié)果能夠輔助維修人員迅速判斷故障產(chǎn)生源，縮小了故障診斷范圍，在未解體的情況下已對(duì)故障做出了分析診斷，使維修工作做到有的放矢。
定期地對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢測試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)可形成一個(gè)設(shè)備動(dòng)態(tài)的信息數(shù)據(jù)庫，為設(shè)備管理和維修提供依據(jù)，并通過維修經(jīng)驗(yàn)和檢測數(shù)據(jù)的結(jié)合，提高對(duì)設(shè)備狀態(tài)的診斷能力和管理水平，從而做到預(yù)測預(yù)控的“狀態(tài)維修”。
作者：顧潤衛(wèi) 吳遠(yuǎn) 滬東重機(jī)有限公司
