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振动监测行业产品思考

监测不是目的,目的是为了找出故障。找故障不是光凭借嘴上说说,需要依据,依据就是监测到的数据,也就是信息。

其实振动监测的原始信息只是一堆电压值而已,只是根据早期三种不同的传感方式得到了三种不同的结果:加速度、速度、位移。虽然现在传感器技术已经相当成熟,但是先辈科学家们为了得到这三种物理量,也是付出了不少心血的。


  • 加速度传感器,技术来源于加速度计。是利用被测物体产生振动的激振力作用于振动敏感元件,从而测量出激振力的大小,进一步计算得出加速度大小。早期的敏感元件就是弹簧,后期衍生出形变电阻、压电元件等。


  • 速度传感器,多采用磁电法测量,该类传感器通常不需要供电。磁电式传感器由固件和动件组成,分别是线圈和永久性磁铁(根据设计方式不同,二者固、动均可)。被测物体在振动时带动固件做往复运动,动件会因为惯性与固件做相对运动,从而切割磁力线并产生感应电动势,而这个电势与传感器的两个组件之间的相对运动速度是成正比的(霍尔传感器多用来测量转速)。


  • 位移传感器,通常采用电涡流传感器。电涡流传感器至少有两部分组成:探头和调理电路。调理电路所在部分通常被称为前置放大器,它给探头线圈施加高频振荡电流,让线圈产生交变磁场。如果被测物体为金属导体,并在此交变磁场中做切割磁力线运动,就会在它内部产生电流,同时生成一个方向相反的交变磁场。同样道理,这个交变磁场又会反过来影响探头线圈,探头线圈的电流会因为阻抗而改变幅度和相位,反馈给前置放大器。经过前置器处理后,便得到了电压与位移之间的线性关系。


其实几年前我曾经一直很费解:“为什么要搞出这么多物理量来,有一个不就够了吗?”


下面这张是我在讲课件时经常用到的图,可以简单地说明三种物理量之间的区别和应用范围。可是为什么加速度适合高频,位移适合低频,而速度比较中庸呢?

首先振动在理想情况下是一个正弦波,用三角函数来描述位移x、速度v、加速度a分别如下:

于是,位移的幅值是A,速度的幅值为乘角速度,加速度的幅值是乘角速度的平方。振动频率和角速度成正比,这也就解释了为什么加速度受振动频率影响如此之大了。


到这里,基本就解释了幅值的概念了。可是在设置测量类型时为毛还有“PK、PK-PK、RMS”等选项呢?到底什么时候用峰值,什么时候用峰峰值,什么时候又用有效值呢?


针对加速度、速度、位移到底如何选择测量类型有必要提一下:


  • 加速度:加速度是激振力最直接的一种的表达方式,而激振力与被测物运动方向相反且速度为零时达到最大。因此在计算加速度时,其在整个简谐运动过程中的最大值便成为了首要测量目标,而这个值便是峰值。所以加速度测量时,通常选择“PK”测量方式。换句话说,加速度关心的是某一微观时刻达到的最大冲击值。


  • 速度:速度其实和加速度一样,都是能量的体现。不同的是,振动分析里测量速度主要是为了得到一个相对稳定的数据。回想一下交变电流,在衡量其大小时通常是采用有效值的,为什么呢?因为有效值是根据电流的热效应计算得到的。而交变电流和振动信号类似的是,它的方向也在不断改变,呈周期性变化。所以通过测量有效值,更能准确地反应出电流的平均大小。以此类推,在速度测量时,通常也会选用“RMS”测量方式。这也解释了为什么当峰值不稳定时,有时会采用“计算峰值”来衡量,而这个“计算峰值”便是有效值乘以根号2。


  • 位移:位移和加速度、速度都不一样。所以一般在测壳振时,都不推荐测量位移量,最直接的原因就是壳振的通频信号隶属于中高频振动。而有些人还会采用积分的方式从速度信号甚至从加速度信号中获取位移信号,这些我个人都不太赞同。先不考虑速度和加速度本身的测量方式适不适合位移,单就在积分时对低频干扰的放大就使得计算结果误差大幅度增加。位移,顾名思义,它考量的是一个空间相对位置的概念,关注地是远端到近端、低端到高端的一个相对空间差。所以位移在测振动时只能用“PK-PK”来衡量。如果测的不是振动量,而是一个位置量,那么应当测量工程量平均值。


振动分析的核心价值观是什么?“幅值、相位、频率”这六字真言当然也必须牢记心中。接下来咱说说这个频率,要说一些故障分析方法,而故障分析的基础法则就是频谱分析法,如下图所示:


一张频谱图是否真的能包含这么多信息呢?我们举几个常见例子:

不平衡 (Unbalance)


上去一眼先看频谱图中最高的那个点,没错,只要你的机器不是发疯的一样乱抖,这个点就直接反应了你机器主轴的不平衡度。当然前提是测点要与主轴有响应关系,而且准确的测量一个主轴的不平衡状态,是需要水平、垂直、轴向三向振动源共同分析,加以相位参考来得到准确的不平衡点(其实这些主要是为了让你听起来觉得振动分析很牛逼的啦,并不是说缺一项就真的判断不出来故障,就好比去医院检查,按说望闻问切之后就可以基本确定病症了,可是还是需要你去做一些这样那样的检查,如此就能更准确更有说服力了。嗯嗯,同行们,求别打我脸……)。


至于为什么频谱中那个最个性的点一般都是不平衡的直接反应点呢?趁此机会赶紧先说一下这几个名词:工频,基频,主导频率。


  • 工频,设备的转动频率;


  • 基频,某个故障对应的最小特征频率;


  • 主导频率,最大幅值对应的频率。


由此可以看出,对于不平衡特征频率,这三个单词大多情况下是一个意思。分开来看,什么是不平衡?在咱这里,不平衡显然指的是动不平衡,而且是主轴动不平衡。百度搜一搜你就会发现,主轴动不平衡指的是主轴切面旋转中心和重心不重合,如何解决不是咱这里需要讨论的,我们只要知道现在机械故障是动不平衡就可以了。


正所谓世界上没有真正完美的东西,主轴也一样,你想要绝对的动平衡是不可能的。所以不平衡的基频始终存在,加之转子旋转时产生的离心力作用于定子,便形成了工频振动,二者同相同频,因此在常规状态下,这个频率点下的振动总是最大的,所以大家一想起机械振动频谱图总是第一时间想到那个老鹰捉小鸡的造型“.i……”

不对中 (Misalignment)


不对中看起来比不平衡还要再麻烦一些。什么?你问我为什么截图不全?额……这个是恩泰克的知识产权 (EMonitor Rule Set),咱们大概意思一下就好了,不能都显示出来不是么?


不对中的话,最好是要同时看轴向和径向振动的好,因为毕竟不对中的时候轴向振动会明显变大,并伴随2倍频的径向振动,说到这里,有必要再提一下几个名词:倍频、谐频、阶频。


  • 倍频:N倍于某一频率,如果和某一频率相同,便是1倍频,如果不特指某一频率,那么倍频指的是N倍于工频;


  • 谐频:基频的整数倍频;


  • 阶频:同谐频,只是听起来比较高大上罢了(其实我也没觉得哪里高大上)。


那么为什么不平衡时2倍频(不特指的话,默认就是2倍于工频)会明显变大呢?我不想写了,好麻烦,大家看图说话吧:

好了,不对中结束……

齿轮磨损 (Bad Gear)


轴承磨损 (Bad Bearing)


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