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第三節(jié) 設(shè)備故障診斷常用方法

這節(jié)是本章的重點(diǎn)和核心。振動(dòng)、噪聲和溫度的測(cè)量又是這節(jié)的重點(diǎn)。

一、振動(dòng)測(cè)量法

(一)振動(dòng)的分類

根據(jù)能否用確定的時(shí)間關(guān)系函數(shù)來(lái)描述，振動(dòng)分為確定性振動(dòng)和隨機(jī)振動(dòng)。

1、隨機(jī)振動(dòng)不能用精確的數(shù)學(xué)關(guān)系式來(lái)描述，例如地震。

2、確定性振動(dòng)又分為周期振動(dòng)和非周期振動(dòng)，周期振動(dòng)又進(jìn)一步分為簡(jiǎn)諧周期振動(dòng)和復(fù)雜周期振動(dòng)。

確定性振動(dòng)就是振動(dòng)和時(shí)間的關(guān)系如果能用確定的函數(shù)來(lái)描述，如果振動(dòng)和時(shí)間的關(guān)系如果不能用一個(gè)確定的數(shù)學(xué)函數(shù)來(lái)描述，那就是叫隨機(jī)振動(dòng)。如汽車在一條凹凸不平的道路上行駛，它的振動(dòng)就是隨機(jī)的。

簡(jiǎn)諧周期振動(dòng)，就是振動(dòng)只含有一種頻率。而復(fù)雜周期振動(dòng)是這種振動(dòng)中，含有多種頻率的振動(dòng)，其中任意兩個(gè)振動(dòng)頻率之比都是有理數(shù)。有理數(shù)，就是說(shuō)任意兩個(gè)振動(dòng)的周期，都有一個(gè)最小公倍數(shù)。比如第一個(gè)是3π為周期，另一個(gè)是4π為周期，那么最小公倍數(shù)就是12π，因此每經(jīng)過(guò)12π，兩個(gè)振動(dòng)都又回到原來(lái)的起點(diǎn)。那就是有一個(gè)公共的周期，這就是復(fù)雜周期振動(dòng)。

非周期振動(dòng)，包括準(zhǔn)周期振動(dòng)和瞬態(tài)振動(dòng)。準(zhǔn)周期振動(dòng)是包含多種頻率的振動(dòng)，其中至少兩個(gè)的振動(dòng)頻率之比為無(wú)理數(shù)，除不盡，找不到公共周期。

瞬態(tài)振動(dòng)，是可用脈沖函數(shù)或衰減函數(shù)描述的振動(dòng)。如爆炸產(chǎn)生的沖擊振動(dòng)就是瞬態(tài)振動(dòng)。

(二)振動(dòng)的基本參數(shù)

振幅、頻率和相位是振動(dòng)的基本參數(shù)。振動(dòng)可以通過(guò)這三個(gè)參數(shù)加以描述。以簡(jiǎn)諧振動(dòng)為例，其位移可以表示為：

式中：x(t)— 振動(dòng)位移;

t—時(shí)間

A—振幅

T—振動(dòng)周期

f—振動(dòng)頻率;

ω—角頻率

Φ—初始相位角

1.振幅。表示振動(dòng)體(或質(zhì)點(diǎn))離開(kāi)其平均中心的幅度。它是振動(dòng)強(qiáng)度的標(biāo)志，可用不同的方法表示，如峰值、有效值、平均值等。

2.頻率。每秒振動(dòng)的次數(shù)稱為頻率f，其單位為次/秒，用Hz表示。振動(dòng)體每振動(dòng)一次所需要的時(shí)間稱為周期(T)，單位為秒(s)。振動(dòng)頻率與振動(dòng)周期互為倒數(shù)。只要確定出振動(dòng)所包含的主要頻率成分及其幅值的大小，就可以找出振源?？梢?jiàn)該量對(duì)查找產(chǎn)生振動(dòng)的原因具有重要意義。

3.相位。表示振動(dòng)的部分相對(duì)于其他振動(dòng)的部分或其他固定部分處于什么位置關(guān)系的一個(gè)量。相同相位的振動(dòng)可能引起合拍共振，產(chǎn)生嚴(yán)重后果。如果相位相反，則可能引起振動(dòng)抵消，起到減振作用。因此，相位也是振動(dòng)特征的重要信息，在查找發(fā)生異常的位置方面具有重要意義。

振動(dòng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律除了可以用位移的時(shí)間歷程描述外，還可以用速度和加速度的時(shí)間歷程來(lái)描述。振動(dòng)位移對(duì)時(shí)間的一階導(dǎo)數(shù)是速度、速度對(duì)時(shí)間的一階導(dǎo)數(shù)是加速度。加速度對(duì)時(shí)間積分得速度、速度對(duì)時(shí)間積分得位移。

因此，位移、速度、加速度這三者，只要測(cè)出其中的一個(gè)參數(shù)，就可以通過(guò)微分、積分電路得到其他兩個(gè)參數(shù)。

而且，由三者之間的微分關(guān)系可以得知：

速度的最大值超前位移最大值90°

加速度最大值位移最大值180°。

(三)常用的測(cè)振傳感器

振動(dòng)測(cè)量有機(jī)械方法、光學(xué)方法和電測(cè)方法，其中，電測(cè)方法應(yīng)用最廣泛。采用電測(cè)法測(cè)量振動(dòng)，傳感器的作用是感受被測(cè)振動(dòng)參數(shù)，將其轉(zhuǎn)換為電量。主要有三種測(cè)振傳感器，分別為壓電式加速度計(jì)、磁電式速度傳感器和電渦流位移傳感器。

1.壓電式加速度計(jì)。

(1)工作原理：有些晶體能夠產(chǎn)生壓電效應(yīng)，壓電效應(yīng)就是說(shuō)這種晶體在一定方向上受力，產(chǎn)生變形時(shí)候，內(nèi)部就會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，在它的兩個(gè)表面上產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷;當(dāng)外力去除以后，又恢復(fù)到不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為“壓電效應(yīng)”。壓電式加速度計(jì)是基于壓電效應(yīng)工作的。

(2)壓電晶體輸出的電荷與振動(dòng)的加速度成正比。壓電式加速度計(jì)常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)形式為中心壓縮式，分為正置壓縮型、倒置壓縮型、環(huán)形剪切型、三角形剪切型等，不管是哪一種，都包括壓緊彈簧、質(zhì)量塊、壓電晶片和基座等基本部分。其中，壓電晶片是加速度計(jì)的核心。

(3)壓電式加速度計(jì)屬于能量轉(zhuǎn)換型傳感器。電荷產(chǎn)生不需要外接電源，靈敏度高而且穩(wěn)定，有比較理想的線性。

突出的優(yōu)點(diǎn)：因?yàn)闆](méi)有移動(dòng)元件，所以不會(huì)因?yàn)槟p而造成壽命降低的現(xiàn)象。

此外，壓電式加速度計(jì)使用的上限頻率隨其固定方式而變。最佳的固定方式是采用鋼螺栓固定，只有這種固定方式能達(dá)到出廠標(biāo)示的上限使用頻率。

(4)小結(jié)：

第一，是利用壓電效應(yīng)工作的;

第二，輸出電荷和振動(dòng)加速度成正比;

第三，組成都包括了壓緊彈簧、質(zhì)量塊、壓電晶片和基座，其中壓電晶片是加速度計(jì)的核心;

第四，屬于能量轉(zhuǎn)換型，不需要外接電源;

第五，內(nèi)部沒(méi)有移動(dòng)元件，所以不容易發(fā)生磨損;

第六，是上限頻率和固定的方法有關(guān)。

2.磁電式速度傳感器。

(1)原理：利用電磁感應(yīng)原理，把振動(dòng)速度轉(zhuǎn)換為線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。

測(cè)振時(shí)，將傳感器固定或緊壓在被測(cè)設(shè)備的指定位置，磁鋼與殼體一起隨被測(cè)系統(tǒng)的振動(dòng)而振動(dòng)，線圈和磁場(chǎng)之間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，切割磁力線而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，從而輸出與振動(dòng)速度成正比的電壓。它的工作也不需要外加電源，而是直接從被測(cè)對(duì)象吸取機(jī)械能量，并將其轉(zhuǎn)換成電量輸出。因此，它也是一種典型的能量轉(zhuǎn)換型傳感器。

(2)特點(diǎn)：輸出功率大，性能比較穩(wěn)定;

不足就是傳感器中存在著機(jī)械運(yùn)動(dòng)的部件，所以壽命比較短。

3.電渦流位移傳感器。

(1)原理：它基于金屬體在交變磁場(chǎng)中的電渦流效應(yīng)工作，屬于能量控制型傳感器。測(cè)量時(shí)， 將傳感器頂端與被測(cè)對(duì)象表面之間的距離變化轉(zhuǎn)換成與之成正比的電信號(hào)。

電渦流位移傳感器必須借助電源才能將振動(dòng)位移轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，屬于能量控制型傳感器。

(2)特點(diǎn)：渦流位移傳感器屬于非接觸式測(cè)量。這種傳感器具有線性范圍大、靈敏度高、頻率范圍寬、抗干擾能力強(qiáng)、不受油污等介質(zhì)影響以及非接觸測(cè)量等特點(diǎn)。電渦流位移傳感器被廣泛用來(lái)測(cè)量汽輪機(jī)、壓縮機(jī)、電動(dòng)機(jī)等旋轉(zhuǎn)軸系的振動(dòng)、軸向位移、轉(zhuǎn)速等。

小結(jié)：

三種傳感器的主要特點(diǎn)對(duì)比：

1、壓電式加速度傳感器和磁電式的速度傳感器，都是能量轉(zhuǎn)換型，而電渦流位移傳感器，是能量控制型，需要外接電源，這是這三種振動(dòng)傳感器最大的不同。

2、就是在磁電式速度傳感器中有運(yùn)動(dòng)元件，所以壽命受到影響。

3、電渦流位移傳感器是非接觸式測(cè)量，所以它可以適用于高溫或者受污染的對(duì)象。

(四)異常振動(dòng)分析方法

分析方法有三種：振動(dòng)總值法，頻譜分析法和振動(dòng)脈沖測(cè)量法。

1、振動(dòng)總值法：就是對(duì)照“異常振動(dòng)判斷基準(zhǔn)”，判別實(shí)際測(cè)量值到底是不是超過(guò)極限值，也就是規(guī)定的值，從而評(píng)價(jià)設(shè)備工作狀態(tài)是正常還是出現(xiàn)異常。振動(dòng)值可用加速度、速度或位移來(lái)表示，通常都用振動(dòng)速度這個(gè)參數(shù)。

2、通過(guò)頻譜分析診斷異常振動(dòng)。

可以用振動(dòng)總值法判別整機(jī)或者部件的異常振動(dòng)，如果要進(jìn)一步查出異常的原因和位置，就要對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析。

頻譜分析就是將時(shí)域信號(hào)變換為頻域信號(hào)(在時(shí)域信號(hào)中，橫坐標(biāo)是時(shí)間;而在頻域信號(hào)中，橫坐標(biāo)是頻率或圓頻率。)，得到頻譜圖，從而獲得信號(hào)的頻率結(jié)構(gòu)(組成信號(hào)的各個(gè)頻率分量及振動(dòng)能量在各頻率分量上的分布)。

頻譜分析通常由專用的頻譜分析儀來(lái)完成。數(shù)字式頻譜分析儀具體的過(guò)程：通常先采用測(cè)振儀，進(jìn)行振動(dòng)總值的檢測(cè)，如果發(fā)現(xiàn)振動(dòng)總值超出最大允許值，或者增長(zhǎng)速度比較快，就要對(duì)它進(jìn)行頻譜分析。在頻譜分析過(guò)程中，放大器的作用，是把輸入信號(hào)放大到所需要的這種幅度。而濾波器，則是用于濾去高頻成分，防止高頻成分產(chǎn)生干擾。A/D轉(zhuǎn)化就是把模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量;因?yàn)楹竺娴母咚贁?shù)據(jù)處理器只認(rèn)數(shù)字量。高速數(shù)據(jù)處理器用來(lái)完成頻譜分析，它可以是一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)，也可以是專用的硬件電子線路來(lái)完成。

3、振動(dòng)脈沖測(cè)量法：專門用于進(jìn)行滾動(dòng)軸承的磨損和損傷的故障診斷。

其原理是利用滾動(dòng)軸承失效時(shí)由于滾道產(chǎn)生點(diǎn)蝕、剝落等缺陷使軸承內(nèi)外環(huán)上出現(xiàn)凹痕，每當(dāng)與滾珠接觸時(shí)，都會(huì)發(fā)生一個(gè)沖擊力，雖然這也增加了振動(dòng)的有效值，但影響最大的是峰值。這種沖擊脈沖波經(jīng)設(shè)備本體傳至壓電式傳感器，傳感器輸出的信號(hào)峰值，基本上只與脈沖波的幅值有關(guān)，對(duì)其他因素相對(duì)來(lái)說(shuō)并不敏感，因此當(dāng)測(cè)量系統(tǒng)對(duì)沖擊效應(yīng)進(jìn)行放大時(shí)，不會(huì)受普通機(jī)器振動(dòng)的影響。

根據(jù)實(shí)際沖擊水平與正常沖擊水平之差(即沖擊水平增加值)來(lái)判斷軸承性能的好壞。

【例題5•單選題】下列關(guān)于渦流測(cè)振傳感器的敘述中，正確的是( )(2005)

A. 是基于電磁感應(yīng)原理工作的接觸式測(cè)振傳感器

B. 屬于相對(duì)式測(cè)振傳感器

C. 屬于能量轉(zhuǎn)換型傳感器

D. 適于測(cè)量旋轉(zhuǎn)軸系的振動(dòng)速度和轉(zhuǎn)速<

（責(zé)任編輯：中大編輯）

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