機(jī)械設(shè)備振動(dòng)的應(yīng)急處理探析

摘 要：隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與科學(xué)技術(shù)的不斷提高，機(jī)械產(chǎn)品已經(jīng)廣泛應(yīng)用于人們的生產(chǎn)生活中。機(jī)械設(shè)備振動(dòng)是由于機(jī)械設(shè)備反復(fù)而有規(guī)律的動(dòng)作所產(chǎn)生的。一旦機(jī)械設(shè)備出現(xiàn)不正常的振動(dòng)或者振動(dòng)的幅度超過了允許范圍，會(huì)對(duì)機(jī)械設(shè)備的工作壽命和工作性能產(chǎn)生影響。嚴(yán)重的話，會(huì)導(dǎo)致機(jī)械設(shè)備零部件出現(xiàn)故障或者提前失效。因此必須對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集，根據(jù)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行故障診斷，準(zhǔn)確判斷出故障發(fā)生的原因與故障發(fā)生部位，采取應(yīng)急措施處理機(jī)械設(shè)備不正常振動(dòng)的問題，以保證機(jī)械設(shè)備的安全運(yùn)行。文章分析了機(jī)械設(shè)備產(chǎn)生振動(dòng)故障的常見原因，并對(duì)振動(dòng)故障診斷的流程、方法與關(guān)鍵問題進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，最后提出了一些故障處理方法，為機(jī)械行業(yè)利用振動(dòng)信號(hào)診斷故障、處理故障提供了參考。

關(guān)鍵詞：機(jī)械振動(dòng)；故障診斷；應(yīng)急處理

引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與科學(xué)技術(shù)的不斷提高，機(jī)械產(chǎn)品已經(jīng)廣泛應(yīng)用于人們的生產(chǎn)生活中?？萍嫉倪M(jìn)步推動(dòng)了各行業(yè)的機(jī)械化程度的進(jìn)步，在機(jī)械產(chǎn)品的生產(chǎn)中，機(jī)械設(shè)備的質(zhì)量、性能、使用壽命等也日益得到了關(guān)注。

機(jī)械振動(dòng)是指物體或質(zhì)點(diǎn)在其平衡位置附近所做得往返運(yùn)動(dòng)，機(jī)械設(shè)備振動(dòng)是由于機(jī)械設(shè)備反復(fù)而有規(guī)律的動(dòng)作所產(chǎn)生的。機(jī)械設(shè)備產(chǎn)生振動(dòng)后，會(huì)造成一定的危害，使機(jī)械設(shè)備工作性能降低。一般只要機(jī)械的振動(dòng)量（如位移、速度及加速度等）沒有超過允許標(biāo)準(zhǔn)范圍，那么其所受的傷害可以忽略。但是一旦機(jī)械設(shè)備出現(xiàn)不正常的振動(dòng)或者振動(dòng)幅度超過了允許范圍，機(jī)械設(shè)備將會(huì)產(chǎn)生較大的動(dòng)載荷和噪聲。某些零部件由于受到附加載荷，磨損、疲勞、破裂等問題會(huì)加劇，對(duì)機(jī)械設(shè)備的工作壽命與工作性能產(chǎn)生了影響，嚴(yán)重的還會(huì)導(dǎo)致機(jī)械設(shè)備零部件出現(xiàn)故障或者提前失效，此時(shí)必須對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集。根據(jù)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行故障診斷，準(zhǔn)確判斷出故障發(fā)生的原因與故障發(fā)生部位，采取應(yīng)急措施處理機(jī)械設(shè)備的不正常振動(dòng) ，從而確保機(jī)械設(shè)備的正常運(yùn)行，提高機(jī)械設(shè)備的工作質(zhì)量與工作性能，延長(zhǎng)其使用壽命，實(shí)現(xiàn)其經(jīng)濟(jì)價(jià)值的最大化[1]。

1 機(jī)械設(shè)備振動(dòng)產(chǎn)生的原因

在實(shí)際的機(jī)械生產(chǎn)過程中，機(jī)械設(shè)備發(fā)生振動(dòng)故障不盡相同。一般來說，常見的機(jī)械設(shè)備振動(dòng)都與旋轉(zhuǎn)相關(guān)。本文對(duì)機(jī)械設(shè)備產(chǎn)生振動(dòng)故障的原因進(jìn)行分析[2]：

1.1 轉(zhuǎn)子的異常振動(dòng)故障

機(jī)械設(shè)備中的轉(zhuǎn)子由于受形狀不對(duì)稱、所用材料密度不均勻、加工或安裝時(shí)產(chǎn)生誤差等影響，導(dǎo)致其產(chǎn)生了徑向截面上的不平衡以及質(zhì)量的分布不均勻問題，導(dǎo)致了轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)軸之間的松動(dòng)分離。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，徑向各截面上存在的不平衡量就會(huì)產(chǎn)生離心力，且離心力的方向也會(huì)隨著轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)而不斷進(jìn)行周期性的改變，從而引發(fā)了異常振動(dòng)，使轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)中心位置不斷發(fā)生變化，產(chǎn)生振動(dòng)故障，極易對(duì)支撐轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的軸承造成極大的磨損變形。

1.2 電機(jī)的振動(dòng)故障

通常來說，發(fā)生電機(jī)振動(dòng)故障的原因主要是電機(jī)在組裝時(shí)，轉(zhuǎn)子安裝的不對(duì)稱，或者轉(zhuǎn)子與定子之間的電壓不均勻、不穩(wěn)定。當(dāng)電機(jī)超長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，轉(zhuǎn)子鐵心與軸配合容易發(fā)生松動(dòng)。轉(zhuǎn)子在磁拉力的作用下，二者之間容易開裂，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子在高速旋轉(zhuǎn)的摩擦過程中，軸系出現(xiàn)松動(dòng)，電機(jī)產(chǎn)生振動(dòng)故障。當(dāng)電機(jī)運(yùn)行時(shí)振動(dòng)強(qiáng)度值超出允許范圍，電機(jī)會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈震動(dòng)，且伴隨著較大的噪聲。此時(shí)如果任其發(fā)展，會(huì)導(dǎo)致電機(jī)的線圈燒毀、電機(jī)短路、軸承磨損嚴(yán)重等問題。

1.3 齒輪傳動(dòng)中的振動(dòng)故障

齒輪傳動(dòng)是機(jī)械設(shè)備中最常使用的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。在齒輪的傳動(dòng)過程中，由于齒輪的高速旋轉(zhuǎn)，一旦其波動(dòng)幅度超過了允許范圍負(fù)載，就會(huì)導(dǎo)致齒輪在短時(shí)間內(nèi)加速磨損。齒輪的磨損變形會(huì)導(dǎo)致齒輪發(fā)生異常振動(dòng)，誘發(fā)振動(dòng)故障。嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致齒根的斷裂，影響機(jī)械設(shè)備的正常運(yùn)行。

1.4 滾動(dòng)軸承的振動(dòng)故障

滾動(dòng)軸承是機(jī)械設(shè)備中較常使用的傳動(dòng)零件。滾動(dòng)軸承在運(yùn)作時(shí)，其內(nèi)外圈的通過頻率必須要保持與標(biāo)準(zhǔn)值一致。一旦內(nèi)外圈的通過頻率與標(biāo)準(zhǔn)值有差異，就會(huì)帶來滾動(dòng)軸承的異常振動(dòng)，加劇滾動(dòng)軸承在短時(shí)間內(nèi)的磨損變形程度。最終誘發(fā)機(jī)械設(shè)備故障，影響機(jī)械設(shè)備的安全使用。

2 機(jī)械振動(dòng)故障的診斷流程

在長(zhǎng)時(shí)間、高負(fù)荷運(yùn)行下，機(jī)械設(shè)備極易出現(xiàn)各類故障，機(jī)械振動(dòng)故障的診斷是利用檢測(cè)儀器對(duì)機(jī)械設(shè)備的原始振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集，對(duì)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行降噪處理，去除信號(hào)中夾雜的噪音雜質(zhì)，提取關(guān)鍵的故障信息。然后參考機(jī)械振動(dòng)故障的判斷標(biāo)準(zhǔn)，并與正常振動(dòng)數(shù)據(jù)相互對(duì)比，最終形成數(shù)據(jù)報(bào)告，診斷出機(jī)械設(shè)備的故障發(fā)生原因。只有對(duì)故障進(jìn)行清晰明確的判斷，才能提高機(jī)械振動(dòng)故障判斷的準(zhǔn)確性。應(yīng)針對(duì)故障原因采取相應(yīng)的處理措施，對(duì)機(jī)械設(shè)備進(jìn)行科學(xué)合理的維修與維護(hù)，避免發(fā)生故障誤判問題，減少機(jī)械設(shè)備在使用過程中對(duì)機(jī)械產(chǎn)品生產(chǎn)帶來的損失。

在實(shí)際的機(jī)械設(shè)備使用過程中，設(shè)備的管理人員和操作人員在面對(duì)設(shè)備工作狀態(tài)、檢測(cè)裝置、實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)、軸承類型等問題時(shí)，通常需要根據(jù)機(jī)械設(shè)備的工況，結(jié)合自己的工作經(jīng)驗(yàn)與專業(yè)技能，參考以往機(jī)械設(shè)備的維修標(biāo)準(zhǔn)，制定出適合自身工廠的故障判斷標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)包括機(jī)械設(shè)備振動(dòng)故障的頻率、幅度等物理參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，可作為后續(xù)故障診斷的標(biāo)準(zhǔn)參考。

3 常見的故障振動(dòng)診斷方法

機(jī)械設(shè)備的振動(dòng)伴隨著機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行而產(chǎn)生?？梢哉f，只要機(jī)械設(shè)備在運(yùn)行，就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)。一般只要機(jī)械振動(dòng)量（位移、速度及加速度）符合標(biāo)準(zhǔn)，未超過允許范圍，機(jī)械設(shè)備所受傷害可以忽略。但是一旦機(jī)械設(shè)備出現(xiàn)不正常的振動(dòng)或者振動(dòng)的幅度超過了允許范圍，機(jī)械設(shè)備將會(huì)產(chǎn)生較大的動(dòng)載荷和噪聲。某些零部件由于受到附加載荷，磨損、疲勞、破裂等問題會(huì)加劇，會(huì)對(duì)機(jī)械設(shè)備的工作壽命和工作性能產(chǎn)生影響，嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致機(jī)械設(shè)備零部件出現(xiàn)故障或者提前失效。因此需要對(duì)機(jī)械振動(dòng)信號(hào)中蘊(yùn)藏的故障信息進(jìn)行深挖掘，及時(shí)診斷并準(zhǔn)確判別出故障發(fā)生的原因，降低以振動(dòng)加劇為征兆的故障事件發(fā)生的概率。

機(jī)械設(shè)備振動(dòng)診斷實(shí)際上是通過對(duì)采集的振動(dòng)信號(hào)在三維圖上的時(shí)域、幅域、頻域進(jìn)行信號(hào)處理與分析，以判斷出故障發(fā)生的原因，并找到故障發(fā)生的部位。目前，在國(guó)際上普遍使用的振動(dòng)診斷方法主要包括[3]：

3.1 波形分析法

波形分析法是在時(shí)域與幅域上對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析，通過對(duì)信號(hào)波譜曲線的形態(tài)進(jìn)行分析，提取表征曲線形態(tài)的參量，并以這些參量的相似性作為波譜相似性的測(cè)度。將這些參量與機(jī)械振動(dòng)故障的判斷標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比照，從而判別出振動(dòng)信號(hào)中隱含的故障原因，并對(duì)故障發(fā)生部位進(jìn)行定位。

波形分析法在振動(dòng)診斷中的使用流程如下：（1）利用檢測(cè)儀器對(duì)機(jī)械設(shè)備的原始振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集。（2）確定振動(dòng)信號(hào)波形參量在時(shí)間域與幅值域上的分布，找到最大幅值。（3）分析并確定各諧波分量的頻率值。（4）計(jì)算振動(dòng)信號(hào)波形的相位滯后與時(shí)間滯后。（5）根據(jù)波形的畸變狀況進(jìn)行反演，計(jì)算得到真實(shí)的波形。（6）計(jì)算自由振動(dòng)波形衰減系數(shù)與振動(dòng)系統(tǒng)的阻尼值。（7）構(gòu)建波形與實(shí)際物理現(xiàn)象二者之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系網(wǎng)，構(gòu)建機(jī)械設(shè)備在正常作用狀態(tài)的振動(dòng)波與波形特征的關(guān)聯(lián)關(guān)系網(wǎng)。（8）通過相關(guān)分析，計(jì)算振動(dòng)波形與機(jī)械設(shè)備在正常作用狀態(tài)的振動(dòng)波形二者之間的相似度。

3.2 頻譜分析法

頻譜分析法是將時(shí)域信號(hào)變換至頻域，在頻率域內(nèi)對(duì)動(dòng)態(tài)信號(hào)加以分析的方法。其通過將復(fù)雜的時(shí)間歷程波形，經(jīng)過傅里葉變換分解為若干單一的諧波分量，以獲得信號(hào)的頻率結(jié)構(gòu)以及各諧波和相位信息，其分析的結(jié)果是以頻率為坐標(biāo)的各物理量的譜線與曲線。目的是為解決消振、幅振等問題提供條件，幫助判別出振動(dòng)信號(hào)中隱含的故障原因，并對(duì)故障發(fā)生部位進(jìn)行定位。

頻譜分析法在振動(dòng)診斷中的使用流程如下：（1）計(jì)算動(dòng)態(tài)振動(dòng)信號(hào)中的各個(gè)頻率分布范圍。（2）計(jì)算動(dòng)態(tài)振動(dòng)信號(hào)的各個(gè)頻率在幅域上的分布情況與能力分布情況，獲得主要幅度與能量分布的頻率值。（3）對(duì)測(cè)試波形進(jìn)行分析，計(jì)算其頻率成分與幅值，以校正測(cè)試波形。（4）頻譜分析得到頻率值、幅值、相位角以及各種譜密度，作為參數(shù)，以解決消振、幅振等問題。

4 機(jī)械振動(dòng)故障診斷的關(guān)鍵

本文對(duì)機(jī)械振動(dòng)故障診斷中涉及的關(guān)鍵步驟與重點(diǎn)問題進(jìn)行了分析，從數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)綜合判斷三個(gè)角度分別探討了其中的關(guān)鍵注意點(diǎn)。

4.1 數(shù)據(jù)采集

機(jī)械振動(dòng)數(shù)據(jù)是進(jìn)行振動(dòng)故障診斷的基礎(chǔ)與判斷依據(jù)，采集的數(shù)據(jù)量與數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確程度決定著故障診斷的準(zhǔn)確性，因此振動(dòng)數(shù)據(jù)采集是機(jī)械設(shè)備振動(dòng)應(yīng)急處理中基礎(chǔ)的、必不可少的環(huán)節(jié)。在振動(dòng)數(shù)據(jù)的實(shí)際采集時(shí)，所用采集設(shè)備會(huì)限制采集數(shù)據(jù)的量級(jí)與數(shù)據(jù)的精度。當(dāng)數(shù)據(jù)量級(jí)和數(shù)據(jù)精度的增加時(shí)，數(shù)據(jù)的總量也會(huì)呈現(xiàn)幾何級(jí)的增長(zhǎng)。這不僅需要消耗極大的存儲(chǔ)空間，也大大增加了故障診斷系統(tǒng)的工作負(fù)荷。為了提高所采集振動(dòng)數(shù)據(jù)的有效性，通常只將采集設(shè)備放置在故障經(jīng)常發(fā)生的關(guān)鍵部位，然后利用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來自動(dòng)采集振動(dòng)故障診斷時(shí)所需的數(shù)據(jù)。

4.2 數(shù)據(jù)分析

利用采集設(shè)備采集到故障振動(dòng)的數(shù)據(jù)后，技術(shù)人員需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、分類、綜合，采用頻譜分析等技術(shù)手段進(jìn)行處理，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的深挖掘，為找到故障發(fā)生的原因與發(fā)生部位提供依據(jù)。

4.3 故障診斷

數(shù)據(jù)采集與分析的最終目標(biāo)是為了實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)故障的診斷，故障的診斷需要對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合判斷。將振動(dòng)故障數(shù)據(jù)與故障判斷標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行綜合分析，從而快速準(zhǔn)確地判斷出故障的發(fā)生部位與發(fā)生原因。以較低的成本來解決機(jī)械振動(dòng)故障問題，保證機(jī)械設(shè)備的正常運(yùn)行，提高機(jī)械設(shè)備工作的效率。

5 振動(dòng)故障的處理措施

在對(duì)故障進(jìn)行準(zhǔn)確的原因判斷與位置定位后，需要采取相應(yīng)的處理措施來對(duì)機(jī)械設(shè)備進(jìn)行科學(xué)合理的維修與維護(hù)，減少機(jī)械設(shè)備在使用過程中對(duì)機(jī)械產(chǎn)品生產(chǎn)帶來的損失。本文以旋轉(zhuǎn)設(shè)備的振動(dòng)故障為例，探討了其故障判別與應(yīng)急處理措施。旋轉(zhuǎn)設(shè)備的振動(dòng)量主要采用振動(dòng)儀進(jìn)行采集獲取，將采集得到的振動(dòng)量與故障判斷標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比分析。如果發(fā)現(xiàn)振動(dòng)量超過允許的標(biāo)準(zhǔn)范圍，通?？梢愿鶕?jù)振動(dòng)發(fā)生部位與振動(dòng)方向來推測(cè)振動(dòng)的來源。例如，縱向振動(dòng)量的增大，可以推測(cè)是由于聯(lián)軸器中心有誤差或者轉(zhuǎn)子的安裝存在誤差超標(biāo)問題，水平振動(dòng)量的增大可能是由于轉(zhuǎn)子失去平衡。遇到此問題時(shí)，需要挨個(gè)敲擊各風(fēng)葉片進(jìn)行檢查。如果發(fā)現(xiàn)風(fēng)葉片有松動(dòng)，則需要進(jìn)行焊接加固。在將風(fēng)扇裝入轉(zhuǎn)子軸后，還需要做動(dòng)平衡實(shí)驗(yàn)并配重至要求。此外，還可以通過油樣化驗(yàn)、鐵普分析等手段來判斷傳動(dòng)部件與軸承的磨損情況。與此同時(shí)，需加強(qiáng)設(shè)備的裂化傾向管理，定期檢修維護(hù)，以確保機(jī)械設(shè)備的安全使用。

6 結(jié)束語(yǔ)

機(jī)械設(shè)備振動(dòng)是由于機(jī)械設(shè)備反復(fù)而有規(guī)律的動(dòng)作所產(chǎn)生的。一旦機(jī)械設(shè)備出現(xiàn)不正常的振動(dòng)或者振動(dòng)的幅度超過了允許范圍，會(huì)對(duì)機(jī)械設(shè)備的工作壽命和工作性能產(chǎn)生影響，嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致機(jī)械設(shè)備零部件出現(xiàn)故障或者提前失效，因此必須對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集。根據(jù)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行故障診斷，準(zhǔn)確判斷出故障發(fā)生的原因與故障發(fā)生部位，采取應(yīng)急措施來處理機(jī)械設(shè)備不正常振動(dòng)的問題，以保證機(jī)械設(shè)備的安全運(yùn)行。本文分析了機(jī)械設(shè)備產(chǎn)生振動(dòng)故障的常見原因，并對(duì)振動(dòng)故障診斷的流程、方法與關(guān)鍵問題進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。最后提出了一些故障處理方法，為機(jī)械行業(yè)利用振動(dòng)信號(hào)診斷故障、處理故障提供了參考。

參考文獻(xiàn)

[1]丁輝.旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備振動(dòng)原因及處理方法[J].銅業(yè)工程，2003（4）：48-49.

[2]郝瑞卿.基于振動(dòng)信號(hào)分析的機(jī)械設(shè)備故障診斷研究[J].自動(dòng)化與儀器儀表，2016（5）：86-87.

[3]孫海燕.大型機(jī)械設(shè)備振動(dòng)系統(tǒng)故障診斷仿真研究[J].科技通報(bào)，2016（6）：88-92.

作者簡(jiǎn)介：胡晗（1995，8-），女，漢族，江蘇宿遷人，本科江蘇師范大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)2013級(jí)本科在讀，研究方向：機(jī)械。