机械设备振动的应急处理探析

今日推荐 2017-07-14 09:51:16
    引言
    随着社会经济的发展与科学技术的不断提高,机械产品已经广泛应用于人们的生产生活中。科技的进步推动了各行业的机械化程度的进步,在机械产品的生产中,机械设备的质量、性能、使用寿命等也日益得到了关注。
    机械振动是指物体或质点在其平衡位置附近所做得往返运动,机械设备振动是由于机械设备反复而有规律的动作所产生的。机械设备产生振动后,会造成一定的危害,使机械设备工作性能降低。一般只要机械的振动量(如位移、速度及加速度等)没有超过允许标准范围,那么其所受的伤害可以忽略。但是一旦机械设备出现不正常的振动或者振动幅度超过了允许范围,机械设备将会产生较大的动载荷和噪声。某些零部件由于受到附加载荷,磨损、疲劳、破裂等问题会加剧,对机械设备的工作寿命与工作性能产生了影响,严重的还会导致机械设备零部件出现故障或者提前失效,此时必须对振动信号进行采集。根据振动信号进行故障诊断,准确判断出故障发生的原因与故障发生部位,采取应急措施处理机械设备的不正常振动 ,从而确保机械设备的正常运行,提高机械设备的工作质量与工作性能,延长其使用寿命,实现其经济价值的最大化[1]。
    1 机械设备振动产生的原因
    在实际的机械生产过程中,机械设备发生振动故障不尽相同。一般来说,常见的机械设备振动都与旋转相关。本文对机械设备产生振动故障的原因进行分析[2]:
    1.1 转子的异常振动故障
    机械设备中的转子由于受形状不对称、所用材料密度不均匀、加工或安装时产生误差等影响,导致其产生了径向截面上的不平衡以及质量的分布不均匀问题,导致了转子和转轴之间的松动分离。当转子转动时,径向各截面上存在的不平衡量就会产生离心力,且离心力的方向也会随着转子的旋转而不断进行周期性的改变,从而引发了异常振动,使转子的旋转中心位置不断发生变化,产生振动故障,极易对支撑转子转动的轴承造成极大的磨损变形。
    1.2 电机的振动故障
    通常来说,发生电机振动故障的原因主要是电机在组装时,转子安装的不对称,或者转子与定子之间的电压不均匀、不稳定。当电机超长时间运行后,转子铁心与轴配合容易发生松动。转子在磁拉力的作用下,二者之间容易开裂,导致转子在高速旋转的摩擦过程中,轴系出现松动,电机产生振动故障。当电机运行时振动强度值超出允许范围,电机会发生强烈震动,且伴随着较大的噪声。此时如果任其发展,会导致电机的线圈烧毁、电机短路、轴承磨损严重等问题。
    1.3 齿轮传动中的振动故障
    齿轮传动是机械设备中最常使用的传动机构。在齿轮的传动过程中,由于齿轮的高速旋转,一旦其波动幅度超过了允许范围负载,就会导致齿轮在短时间内加速磨损。齿轮的磨损变形会导致齿轮发生异常振动,诱发振动故障。严重时会导致齿根的断裂,影响机械设备的正常运行。
    1.4 滚动轴承的振动故障
    滚动轴承是机械设备中较常使用的传动零件。滚动轴承在运作时,其内外圈的通过频率必须要保持与标准值一致。一旦内外圈的通过频率与标准值有差异,就会带来滚动轴承的异常振动,加剧滚动轴承在短时间内的磨损变形程度。最终诱发机械设备故障,影响机械设备的安全使用。
    2 机械振动故障的诊断流程
在长时间、高负荷运行下,机械设备极易出现各类故障,机械振动故障的诊断是利用检测仪器对机械设备的原始振动信号进行采集,对检测到的数据进行分析,对振动信号进行降噪处理,去除信号中夹杂的噪音杂质,提取关键的故障信息。然后参考机械振动故障的判断标准,并与正常振动数据相互对比,最终形成数据报告,诊断出机械设备的故障发生原因。只有对故障进行清晰明确的判断,才能提高机械振动故障判断的准确性。应针对故障原因采取相应的处理措施,对机械设备进行科学合理的维修与维护,避免发生故障误判问题,减少机械设备在使用过程中对机械产品生产带来的损失。
    在实际的机械设备使用过程中,设备的管理人员和操作人员在面对设备工作状态、检测装置、实际运转、轴承类型等问题时,通常需要根据机械设备的工况,结合自己的工作经验与专业技能,参考以往机械设备的维修标准,制定出适合自身工厂的故障判断标准。该标准包括机械设备振动故障的频率、幅度等物理参数标准,可作为后续故障诊断的标准参考。
    3 常见的故障振动诊断方法
    机械设备的振动伴随着机械设备的运行而产生。可以说,只要机械设备在运行,就会产生机械振动。一般只要机械振动量(位移、速度及加速度)符合标准,未超过允许范围,机械设备所受伤害可以忽略。但是一旦机械设备出现不正常的振动或者振动的幅度超过了允许范围,机械设备將会产生较大的动载荷和噪声。某些零部件由于受到附加载荷,磨损、疲劳、破裂等问题会加剧,会对机械设备的工作寿命和工作性能产生影响,严重的会导致机械设备零部件出现故障或者提前失效。因此需要对机械振动信号中蕴藏的故障信息进行深挖掘,及时诊断并准确判别出故障发生的原因,降低以振动加剧为征兆的故障事件发生的概率。
    机械设备振动诊断实际上是通过对采集的振动信号在三维图上的时域、幅域、频域进行信号处理与分析,以判断出故障发生的原因,并找到故障发生的部位。目前,在国际上普遍使用的振动诊断方法主要包括[3]:
    3.1 波形分析法
    波形分析法是在时域与幅域上对振动信号进行分析,通过对信号波谱曲线的形态进行分析,提取表征曲线形态的参量,并以这些参量的相似性作为波谱相似性的测度。将这些参量与机械振动故障的判断标准进行比照,从而判别出振动信号中隐含的故障原因,并对故障发生部位进行定位。
    波形分析法在振动诊断中的使用流程如下:(1)利用检测仪器对机械设备的原始振动信号进行采集。(2)确定振动信号波形参量在时间域与幅值域上的分布,找到最大幅值。(3)分析并确定各谐波分量的频率值。(4)计算振动信号波形的相位滞后与时间滞后。(5)根据波形的畸变状况进行反演,计算得到真实的波形。(6)计算自由振动波形衰减系数与振动系统的阻尼值。(7)构建波形与实际物理现象二者之间的关联关系网,构建机械设备在正常作用状态的振动波与波形特征的关联关系网。(8)通过相关分析,计算振动波形与机械设备在正常作用状态的振动波形二者之间的相似度。
    3.2 频谱分析法
    频谱分析法是将时域信号变换至频域,在频率域内对动态信号加以分析的方法。其通过将复杂的时间历程波形,经过傅里叶变换分解为若干单一的谐波分量,以获得信号的频率结构以及各谐波和相位信息,其分析的结果是以频率为坐标的各物理量的谱线与曲线。目的是为解决消振、幅振等问题提供条件,帮助判别出振动信号中隐含的故障原因,并对故障发生部位进行定位。
    频谱分析法在振动诊断中的使用流程如下:(1)计算动态振动信号中的各个频率分布范围。(2)计算动态振动信号的各个频率在幅域上的分布情况与能力分布情况,获得主要幅度与能量分布的频率值。(3)对测试波形进行分析,计算其频率成分与幅值,以校正测试波形。(4)频谱分析得到频率值、幅值、相位角以及各种谱密度,作为参数,以解决消振、幅振等问题。
    4 机械振动故障诊断的关键
    本文对机械振动故障诊断中涉及的关键步骤与重点问题进行了分析,从数据采集、数据分析、数据综合判断三个角度分别探讨了其中的关键注意点。
    4.1 数据采集
    机械振动数据是进行振动故障诊断的基础与判断依据,采集的数据量与数据的准确程度决定着故障诊断的准确性,因此振动数据采集是机械设备振动应急处理中基础的、必不可少的环节。在振动数据的实际采集时,所用采集设备会限制采集数据的量级与数据的精度。当数据量级和数据精度的增加时,数据的总量也会呈现几何级的增长。这不仅需要消耗极大的存储空间,也大大增加了故障诊断系统的工作负荷。为了提高所采集振动数据的有效性,通常只将采集设备放置在故障经常发生的关键部位,然后利用工业控制计算机监测系统来自动采集振动故障诊断时所需的数据。
    4.2 数据分析
    利用采集设备采集到故障振动的数据后,技术人员需要对数据进行整理、分类、综合,采用频谱分析等技术手段进行处理,从而实现对数据的深挖掘,为找到故障发生的原因与发生部位提供依据。
    4.3 故障诊断
    数据采集与分析的最终目标是为了实现对振动故障的诊断,故障的诊断需要对采集到的数据进行综合判断。将振动故障数据与故障判断标准进行综合分析,从而快速准确地判断出故障的发生部位与发生原因。以较低的成本来解决机械振动故障问题,保证机械设备的正常运行,提高机械设备工作的效率。
    5 振动故障的处理措施
    在对故障进行准确的原因判断与位置定位后,需要采取相应的处理措施来对机械设备进行科学合理的维修与维护,减少机械设备在使用过程中对机械产品生产带来的损失。本文以旋转设备的振动故障为例,探讨了其故障判别与应急处理措施。旋转设备的振动量主要采用振动仪进行采集获取,将采集得到的振动量与故障判断标准进行对比分析。如果发现振动量超过允许的标准范围,通常可以根据振动发生部位与振动方向来推测振动的来源。例如,纵向振动量的增大,可以推测是由于联轴器中心有误差或者转子的安装存在误差超标问题,水平振动量的增大可能是由于转子失去平衡。遇到此问题时,需要挨个敲击各风叶片进行检查。如果发现风叶片有松动,则需要进行焊接加固。在将风扇装入转子轴后,还需要做动平衡实验并配重至要求。此外,还可以通过油样化验、铁普分析等手段来判断传动部件与轴承的磨损情况。与此同时,需加强设备的裂化倾向管理,定期检修维护,以确保机械设备的安全使用。
    6 结束语
    机械设备振动是由于机械设备反复而有规律的动作所产生的。一旦机械设备出现不正常的振动或者振动的幅度超过了允许范围,会对机械设备的工作寿命和工作性能产生影响,严重的会导致机械设备零部件出现故障或者提前失效,因此必须对振动信号进行采集。根据振动信号进行故障诊断,准确判断出故障发生的原因与故障发生部位,采取应急措施来处理机械设备不正常振动的问题,以保证机械设备的安全运行。本文分析了机械设备产生振动故障的常见原因,并对振动故障诊断的流程、方法与关键问题进行了详细的阐述。最后提出了一些故障处理方法,为机械行业利用振动信号诊断故障、处理故障提供了参考。
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