振动点检系统在设备故障诊断与维修中的应用

雒补清，刘卫胜，秦 鹏，赵轩达

（晋西工业集团有限责任公司，山西太原 030027）

0 引言

设备是企业规模和现代化水平的一个重要标志，也是社会生产力的重要因素，是企业完成生产任务的重要载体。因此如何管好、用好、维护好设备以及提高设备完好率、保证设备正常运行，是每位企业设备运维人员的重要责任。

近年来机械行业日益朝智能化、高速化、精密化的方向发展，其工作性能不断改善，自动化程度和生产效率越来越高，机械设备的结构也越来越复杂，出现的各类故障也有了新的变化。因此如何尽快诊断设备故障并加以解决，是设备维修人员面临的主要课题。

1 设备故障情况

在运行过程中，设备内部零件要承受力、热、摩擦、磨损、腐蚀等多种作用，随着使用时间的增长，其运行状态不断变化，有的性能将逐步退化，从而发生零部件的失效。设备故障一般是指设备失去或降低其规定功能的事件或现象，表现为设备的某些零部件失去原有的精度或性能，使设备不能正常运行，从而影响整个生产流程的正常运作。

设备发生故障的现象有很多，通常按其属性分为电气故障、机械故障、液压与气动故障等，其中尤以机械故障较多。并且机械故障维修成本高、维修时间长，对设备影响也较大。

2 机械故障原因分析

在机械故障的诱因中，振动是一项很重要的因素，故障发生后往往会以振动的形式向外界反馈。机械振动也是工业机械设备运行中常见的一种现象，一般情况下机械振动是有害的，因为振动会破坏机械的正常运作。但是在机械设备运行过程中，设备振动信号承载着设备的状态信息，蕴含了丰富的设备异常或故障的信息，可以说振动特征是设备运行状态优劣的重要标志。

在振动引起的故障中，实际诊断与维修过程中对振动不易测量，很多振动指标无法量化，以前大多靠维修人员凭经验利用耳听手摸的方法进行判断，这样的方式往往会导致无法准确判断故障原因，无法量化测量结果，增加故障诊断与维修的难度。因此，基于振动信号的故障监测在设备诊断领域中是一种极为可靠有效的办法。

3 设备应用现状

晋西工业集团有限责任公司现有设备中回转类加工设备占比达到80%以上，振动引起的不平衡、不对中等问题常常使得轴承、主轴等旋转零部件极易出现磨损故障，进而引起设备整体使用寿命的缩减。例如，数控机床的主轴部件更换轴承后，无法监测动平衡，如果动平衡不能满足要求就会出现以下问题：①主轴轴承使用寿命缩短，而主轴轴承价格昂贵，这样会增加生产成本；②初始调定的主轴精度如径向跳动、端向窜动等不能连续保持；③影响主电机轴承的使用寿命；④严重影响主轴驱动模块和电源模块的寿命。

同时，由于振动是相互串联的，传动链上只要有一组发生振动，整个传动链就会产生振动，但传动链上产生振动的振动源仅凭经验不易确定。传动链上的振动产生的原因可能有以下3 种：①导轨无润滑发生干摩擦产生振动；②轴承损坏引起振动；③电机本身产生振动。

日常维修中还存在着维修后重新装配过程中动平衡不准确，出现新的机械振动的现象。应用振动分析仪对设备进行状态检测，虽然不能作为设备大修周期确定的惟一依据，但是非常必要的参考条件，同时也是设备大修后必要的验收手段。

4 机械振动原理

描述机械振动的3 个基本要素是振幅、频率和相位，简称振动的三要素。

（1）振动幅值简称振幅，是描述振动体偏离其平衡位置大小的物理量，反映了设备振动的强弱。在振动简易诊断中，常常用振幅的大小作为判断设备运行状态的依据。在振动测量中，振动的幅值一般用峰值、有效值或平均值来度量振动的量级。

（2）振动频率是指单位时间内振动的次数。在机械设备中，每一个运动着的零部件都有其特定的固有频率和振动频率。通过分析设备的频率特征，可以判断设备的工作状态。

（3）振动相位是指在任意时刻振动体所处的位置。在振动的合成中可以看到，相同的振动如果相位不同，能合成为不同的振动。在故障诊断中，设备振动相位的变化往往反映一些特定的故障。

振幅分别用振动位移、振动速度、振动加速度值加以描述、度量，三者相互之间可以通过微分或积分进行换算。在振动测量中，习惯上振动位移的量值为峰峰值，振动速度的量值为有效值（均方根值），振动加速度的量值是单峰值。

监测点主要选择在旋转机械上，如电机的轴承座、主轴的支承点等部位，是旋转机械的主要组成部分。

5 振动点检系统的具体应用

振动点检系统是集振动测量分析、数据采集、趋势分析、故障诊断、现场动平衡、起停车分析、轴心轨迹、固有频率和临界转速共振频率测量于一身的多功能分析仪器，它具备强大的监测功能，能够对振动中的多种技术指标进行测量，同时多通道测量还能够保证监测的同步性和直观性。在监测的基础上，振动点检系统还能够通过对速度、加速度、位移等测量数据进行频谱分析和相位分析，具体判断出故障的位置以及类型，并对每一次故障测量进行记录分析，建立故障分析数据库，对数据管理的同时最终实现对设备的周期性监测。因此，对真空淬火炉风机、强力旋压机主电机及液压电机等大型设备多次进行监测、辅助修理，取得了良好效果。

5.1 真空淬火炉风机

真空淬火炉顶部安装有一台大功率风机，由一台315 kW的2 极电机进行驱动。风机转速高达2990 r/min，由于负载大、使用时间长，设备故障高发。在设备巡回检查中，多次对风机侧面的上、中、下和顶部共4 个点进行监测，形成记录作为振动档案（表1）。在设备发生故障以后对修理效果进行监测，和正常数据对比，判断修理情况（表2～表3）。其中，监测点A 点位于风机侧面底部，B 点位于风机侧面中部，C 点位于风机侧面上部，D点位于风机顶部。

表1 正常情况下的振动数据值 mm/s

表2 巡检中测到的振动数据值 mm/s

表3 修理后测到的振动数据值 mm/s

对照国家大型风机（电机功率≥75 kW）振动质量评级标准ISO 2372《设备振动标准》，表2 中C 点的振动烈度已经远超出振动标准合格值（11.2 mm/s），说明风机轴承磨损较严重或存在其他问题，面临损坏的风险。为避免突然损坏可带来的不利影响，决定提前进行修理。经过更换电机转子轴、采用进口SKF 轴承、重新制作上端盖轴承室、修整风叶、转子带风叶动平衡校正等多项措施，修理完成后安装到真空炉并进行试验，振动数据值较小（表3），满足ISO 2372 标准振动烈度值。说明修理效果良好，达到了预防性维修的要求。

5.2 强力旋压机液压站电机和主轴电机振动测试

这台进口设备已经使用了17 年，某天90 kW 的液压站电机运行中突然声音异常，经测量电机前端盖部位振动数据达到14.8 mm/s，已经超出该功率电机的振动标准值。用手触摸电机前后端盖，明显感觉到电机前端盖部位振动较大。因此在电机未完全损坏的情况下对其进行修理，更换前后轴承后恢复正常。

该设备主轴也出现类似情况，在运行过程中操作人员发现声音异常，初始维修人员判定是主轴故障。后用振动点检系统测量主轴卡盘根部上、下、侧面振动，振动数值很小未发现异常。继续检查传动链上游，打开主轴电机护罩，检查130 kW 的主轴异步电机，用振动点检系统测试电机前后轴承部位上、下、侧面的振动值，前后明显不一，且前端轴承处（靠近皮带轮处）数值较大。随后立即对该主轴电机更换轴承并进行动平衡修理，使用效果良好。

5.3 在立式加工中心设备上进行监测

一台新购进的国产四轴联动立式加工中心，当主轴转速达到3100 r/min 时，机床床身、主轴等振动较大，加工的产品刀纹较粗，不能满足产品工艺要求。后用设备振动点检系统测量，在转速为500 r/min、1000 r/min、1500 r/min、2000 r/min、2500 r/min、3000 r/min、3500 r/min 等速度段依次测量，发现当转速超过3000 r/min 后，振动数据明显加大，具体为转速在3100～3800 r/min振动数值最为明显，其他速度段则比较平稳。机床厂家对此问题多次进行整改，略有好转，但仍不能完全消除振动。在此情况下提醒编程及操作人员，合理选用主轴转速范围，避开振动较大的速度段，以满足生产需求。

6 结束语

振动点检系统是近年来广泛使用的设备辅助诊断与修理仪器，对机械设备维修与管理裨益良多。其功能强大，性能先进，能帮助企业运维人员有效发现问题并加以解决。结合公司设备实际运行情况，定期定人对关键核心设备进行振动状态监测，将设备的运行健康状态做到了可控、在控，避免设备的突发性事故，确保设备安全可靠,不断探索和实现设备“定修”管理向“状态”管理过渡，可以有效缩短设备修理时间，延长设备使用寿命，提高设备利用率。该系统的其他功能，如动平衡检测、频谱分析、数据库建立等方法，仍需要进一步熟悉和使用，以彻底解决设备运行中存在的问题，为企业发展贡献力量。