分析振動檢測技術在日常設備保養(yǎng)中的應用與實現

　　振動是指描述系統(tǒng)狀態(tài)的參量（如位移、電壓）在其基準值上下交替變化的過程。狹義的指機械振動，即力學系統(tǒng)中的振動。電磁振動習慣上稱為振蕩。力學系統(tǒng)能維持振動，必須具有彈性和慣性。由于彈性，系統(tǒng)偏離其平衡位置時，會產生回復力，促使系統(tǒng)返回原來位置；由于慣性，系統(tǒng)在返回平衡位置的過程中積累了動能，從而使系統(tǒng)越過平衡位置向另一側運動。正是由于彈性和慣性的相互影響，才造成系統(tǒng)的振動。按系統(tǒng)運動自由度分，有單自由度系統(tǒng)振動（如鐘擺的振動）和多自由度系統(tǒng)振動。有限多自由度系統(tǒng)與離散系統(tǒng)相對應，其振動由常微分方程描述；無限多自由度系統(tǒng)與連續(xù)系統(tǒng)（如桿、梁、板、殼等）相對應，其振動由偏微分方程描述。如前一單元所言，一個完整的預知保養(yǎng)系統(tǒng)必須涵蓋所有訊號分析檢測技術，然而，不可諱言的，振動分析檢測技術始終是預知保養(yǎng)系統(tǒng)之根本。

　　以彈簧懸吊一個重量為m的物體為例，當物體被拉下再釋放后，此種模式的振動亦稱簡諧振動。振動訊號圖任何振動訊號都是由不同的振幅、頻率及相位三大要素所組成，從事振動分析的前提為：三大要素對機械設備而言，都代表著不同的意義。

　　振幅大小代表設備運轉異常狀況之嚴重性

　　頻率分布代表設備損壞或振動來源之所在

　　相位差異代表設備運轉所產生之振動模式

　　時間波形（Time Waveform）時間波形是以振幅對時間為坐標的方式來表現振動訊號，這是判斷軸承及齒輪等是否損壞很寶貴的訊息。

　　頻頻譜就是頻率的分布曲線，復雜振蕩分解為振幅不同和頻率不同的諧振蕩，這些諧振蕩的幅值按頻率排列的圖形叫做頻譜。廣泛應用在聲學、光學和無線電技術等方面。 頻譜是頻率譜密度的簡稱。它將對信號的研究從時域引到頻域，從而帶來更直觀的認識。

　　頻譜是以振幅對頻率為坐標的方式來表現振動訊號，振動訊號經過FFT轉換之后，從設備上所量測到的各種不同頻率已被區(qū)隔開來，即可大略判斷設備的問題根源及其嚴重程度。

　　振動訊號量測技巧簡述　　以下三點都與所搜集的量測訊號息息相關，三者之任何一項未審慎考量運用時，都會使分析結果準確度降低，甚至量測所得資料毫無意義。1.量測工具之選用：

　　單（雙或多）頻分析儀、傳感器（Sensor）、探頭（探棒或磁性座）、相位讀取計等。加速度傳感器（加速規(guī)）性能

　　.可用頻率范圍較廣

　　.質輕、尺寸小

　　.可耐高溫

　　.可靠性、穩(wěn)定性佳

　　.輸出為低位準，高阻抗信號，需接信號放大器

　　.敏感于安裝方式及安裝扭力等？振動傳感器的靈敏度具有方向性，其中最靈敏的位置在傳感器的中心線上。

　　使用磁性座或探棒均必須固定鎖緊。

　　不管是否使用磁性座、探棒或直接量測，均必須將傳感器垂直緊緊附著于被測面上量測。

　　每個軸承都必須量測其垂直、水平及軸向。

　　2.量測參數之設定：

　　頻率范圍、分辨率、取樣、平均化模式、積分方式等。3.量測位置之決定：

　　是否靠近軸承位置、垂直（水平、軸向）量測是否正確、探頭及連接現是否搖晃等。

　　一般轉動機械振動分析診斷使用振動分析技術診斷機械問題時，必須盡可能搜集掌握所有可以得到的信息，其中包括：

　　1.機械設備設計資料：工作轉速、臨界轉速、軸承型號、設備型式、聯軸器型式、葉輪葉片數、齒輪齒數、皮帶輪直徑、皮帶輪中心距、電源頻率、管路設計等。

　　2.現場感官檢視記錄：基礎、基座、固定螺絲、管路、軸承潤滑、軸承溫度、異音噪音、異常傳動等狀況。

　　3.損壞維修歷史記錄：各種保養(yǎng)周期、損壞原因、損壞情形、更換零組件、各種校正記錄等。

　　4.其它檢測分析記錄：溫度趨勢、振動值趨勢、表壓、電壓、電流等。5.各種振動分析訊號：頻譜、時間波形、相位分析、共振分析、模態(tài)分析等。所有分析訊號需考量儀器功能、設備特性、振動訊號本身，方能有效掌控設備真正問題及其嚴重性，切忌以套用簡易頻譜分析診斷法則，而給予設備錯誤診斷，切記一個錯誤的診斷除會增加保養(yǎng)成本外，亦會快速導致機械維修人員對振動分析技術喪失信心。從事振動分析診斷者，應本振動分析第一法則：

　　知之為知之，不知為不知，是知也。當發(fā)現無法確認的問題時，適時請教振動分析專家，可避免錯誤診斷，亦可提升自己的診斷技術。

　　1.平衡不良狀況診斷

　　當轉動件慣性軸心線與轉動軸心線不在同一直線上時，此轉動件即為平衡不良

　　造成轉動件不平衡的原因

　　–轉動件本身形狀不對稱

　　–加工制造上的公差

　　–組裝安裝不當

　　–轉動件于運轉時變形

　　–轉動件破損磨耗

　　–轉動件附著異物 平衡不良頻譜特性？振動頻譜主要發(fā)生于一倍轉速

　　振動方向通常都發(fā)生于徑向

　　軸向振幅很小，遠小于徑向之1/3

　　不論在徑向或軸向， 2倍、3倍、4倍頻之振動，幾乎沒有

　　2.對心不良狀況診斷

　　所謂對心不良是指聯結在一起的兩臺設備的運轉中心線不在同一直線上

　　對心不良的征狀–軸承、軸封、聯軸器、轉軸提早損壞。

　　–基礎樁螺絲有松脫現象。

　　–聯軸器間隙過大或破損。

　　–聯軸器有高溫現象且橡塑料聯軸器會有粉末排出。

　　–馬達運轉電流偏高。

　　–軸承損壞在軌道上有180度與內外對稱磨損現象。對心不良頻譜特性？振動頻率主要發(fā)生于1倍、 2倍或3倍轉速上

　　因大部份之不對心乃混合式不對心（角度式+平行式） ，故振動方向同時來自于徑向和軸向3.軸彎曲狀況診斷

　　3.損壞維修歷史記錄：各種保養(yǎng)周期、損壞原因、損壞情形、更換零組件、各種校正記錄等。

　　4.機械松動狀況診斷

　　松動造成的原因大致可分為兩種？外松動

　　–結構、底板、基礎松動或螺栓松脫？內松動

　　–兩配合組件之松動如軸與軸承內圈、軸承蓋與軸承外圈、軸與葉片等配合不當

　　–振動發(fā)生于1× 、 2× 、 3×……7× 、 8×或更高之轉速頻率，徑向和軸向都明顯

　　5.滾動軸承損壞狀況診斷

　　滾動軸承一般由內圈、外圈、滾動體和保持架四部分組組成內圈的作用是與軸相配合并與軸一起旋轉；外圈作用是與軸承座相配合，起支撐作用；滾動體是借助于保持架均勻的將滾動體分布在內圈和外圈之間，其形狀大小和數量直接影響著滾動軸承的使用性能和壽命；保持架能使?jié)L動體均勻分布，防止?jié)L動體脫落，引導滾動體旋轉起潤滑作用。

　　軸承滾動件損壞頻率（Ball Spin Frequency ，BSF）：

　　BSF= 1/2 × RPM × Pd/Bd × （1 – （Bd / Pd × cos ψ）2 ）軸承內環(huán)軌道損壞頻率（BallPassFrequency Inner Race ，BPFI）：

　　BPFI= 1/2 × RPM × N × （1 – Bd / Pd × cos ψ）軸承外環(huán)軌道損壞頻率（Ball Pass Frequency Outer Race ，BPFO）。

　　FTF= 1/2 × RPM × （1 × Bd / Pd × cos ）　其中 RPM : 軸之轉速－N : 軸承滾動體之數目Pd : 軸承節(jié)徑Bd : 軸承滾動體直徑ψ : 滾動體之接觸角？BPFI通常為轉速×N ×60%

　　BPFO通常為轉速×N ×40%

　　FTF通常為轉速×0.4～0.6

　　BSF通常為轉速之2～4倍

　　標準之組件損壞順序為BPFO?BPFI ?BSF ?FTF6.轉軸磨擦狀況診斷？當旋轉件與固定件磨擦時，其頻譜與松動相似。

　　通常會激發(fā)轉速的整數分數的次簡諧振動頻率（1/2，1/3，1/4……）

　　7.葉片狀況診斷？葉片頻率（BPF） =葉片數＊轉速，此為泵浦，風車和壓縮機的固有頻率

　　但若設計不當，擴散片磨損，管路陡彎，擾流阻礙或轉軸偏心，皆會引起高BPF

　　8.擾流狀況診斷？當空氣在進出風車，壓力或速度產生突然之變化時，會引起擾流現象。

　　?擾流通常會產生隨機，低頻的振動，范圍約在 1～30 Hz間。

　　9.孔蝕狀況診斷？當泵浦入口壓力不足時，易產生孔蝕（氣穴）現象

　　孔蝕通常會產生隨機，高頻且寬頻域的振動，會對泵浦內部機件造成腐蝕。

　　10.齒輪狀況診斷？齒輪嚙合頻率（GMF）=齒數＊轉速

　　GMF為齒輪機構固有之頻率，其大小代表負荷之多寡，而非磨耗。

　　11.齒磨耗，偏心或兩軸不平行？齒輪自然頻率會被激發(fā)出來f n

　　磨耗增加，旁波亦會增多加大。

　　12.皮帶傳動問題診斷？皮帶頻率=3.124＊皮帶輪直徑＊轉速/皮帶長度

　　皮帶發(fā)生磨破，松動，或配合錯誤，常會引發(fā)1＊，2＊，3＊，4＊的皮帶頻率

　　13.皮帶或皮帶輪不對心問題診斷？皮帶輪不對心時，會在1＊轉速顯現高振動

　　軸向尤其明顯。

　　被傳動件之轉速頻率會發(fā)現在傳動件頻譜上。

　　14.皮帶輪偏心問題診斷？和不平衡問題一樣，振幅主要發(fā)生于徑向之一倍頻。

　　15.馬達定子問題診斷？定子偏心會產生氣隙不均而引起振動

　　氣隙不均會產生局部發(fā)熱而使馬達軸彎曲，故振動會隨操作時間而變大

　　會在2倍線頻率（120 Hz）產生高振動

　　16.馬達轉子偏心問題診斷？轉子偏心會產生2倍線頻率，并伴隨著極通頻率（FP=P＊遲滯頻率）

　　FP會在低頻區(qū)出現（約0.3～2.0 Hz）

　　17.轉子棒松動問題診斷？轉子棒通過頻率（RBPF）=轉子棒數＊轉速

　　轉子棒松動時會產生RBPF及2＊RBPF，并伴隨著 2＊FL（120 Hz）之旁波

　　18.相位問題診斷？聯接器的松動或損壞會產生相位問題

　　會引發(fā)2倍線頻率之大振動

　　并伴隨著1/3 FL（20 Hz）的旁波

　　19.同步馬達問題診斷？線通頻率（CPF）=定子線圈數＊轉速

　　定子線圈松動時，會產生CPF高振動

　　并伴隨著轉速之旁波

　　20.直流馬達問題診斷？磁場繞組破損，不良的SCR，聯接器松動會產生6倍線頻率（360 Hz）之高振動，采用磁敏式位置傳感器的無刷直流電動機，其磁敏傳感器件（例如霍爾元件、磁敏二極管、磁敏詁極管、磁敏電阻器或專用集成電路等）裝在定子組件上，用來檢測永磁體、轉子旋轉時產生的磁場變化。