一、 概述
機械故障診斷學(xué)是一門(mén)近二十年內發(fā)展起來(lái)的新學(xué)科是現代化設備維修技術(shù)的重要組成部分并且正在日益成為設備維修管理工作現代化的一個(gè)重要標志。此項技術(shù)的應用主要是對確保機械設備的安全提高產(chǎn)品質(zhì)量節約維修費用以及防止環(huán)境污染起著(zhù)很重要的作用。
在機械故障設備的的狀態(tài)監測和故障診斷技術(shù)中有多種方法可使用。例如振動(dòng)監測技術(shù)、油液分析技術(shù)、紅外測溫技術(shù)、聲發(fā)射技術(shù)、無(wú)損檢測技術(shù)等。其中振動(dòng)監測技術(shù)是普遍采用的基本方法因為振動(dòng)的理論和測量方法都比較成熟且簡(jiǎn)單易行。另外據統計機械故障90%可以從振動(dòng)測量中檢測出來(lái)。振動(dòng)測量和信號分析一直是作為預知維修的主要手段各行業(yè)設備部門(mén)要開(kāi)展這項工作一般都是從這二方面起家的。
振動(dòng)監測技術(shù)就是“對設備的振動(dòng)信號進(jìn)行檢測、分析處理故障識別和預報的一種技術(shù)”。
二、簡(jiǎn)易診斷與精密診斷
設備的狀態(tài)監測技術(shù)是指對設備（部件、零件）的某些特征參數進(jìn)行測試并根據所得測定值與規定的正常值來(lái)作比較以判斷設備的工作狀態(tài)是否正�；虍惓＃ù嬖诠收希┮卜Q(chēng)為簡(jiǎn)易診斷。
設備故障診斷技術(shù)則不僅要對機器設備的狀態(tài)是否正常作出判斷更重要的是對機器故障的原因、部位及嚴重程度作出估計。故稱(chēng)為精密診斷。
目前比較普及的還是簡(jiǎn)易診斷（狀態(tài)監測）而精密診斷真正用于生產(chǎn)還是少數而且主要用于高精尖設備上。這一狀況歐美和日本都一樣具有普遍性。這表明簡(jiǎn)易診斷比較成熟，數顯測振儀簡(jiǎn)便易行而精密診斷還屬于一種開(kāi)發(fā)性技術(shù)尚不夠成熟。另外精密診斷的費用也比較高需要精密的儀器要由經(jīng)過(guò)專(zhuān)門(mén)訓練的工程師來(lái)進(jìn)行所以只在重要的設備上進(jìn)行。這一點(diǎn)對我國開(kāi)發(fā)推廣診斷技術(shù)時(shí)值得注意。當前應該把重點(diǎn)放在普及簡(jiǎn)易診斷或狀態(tài)監測上。同時(shí)積極開(kāi)發(fā)精密診斷技術(shù)使它盡快達到使用水平。據有關(guān)資料統計利用簡(jiǎn)易診斷儀器可以解決設備運行中50%的故障。由此可見(jiàn)簡(jiǎn)易診斷在設備管理與維修中的重要作用。
以日本新日鐵公司為例看設備診斷技術(shù)在設備管理與維修中的應用：（圖1）
新日鐵認為：在大型鋼鐵聯(lián)合企業(yè)中為確保全系統設備的正常運行有兩項技術(shù)必須實(shí)行。一是有效地監視機器狀況即“設備監測技術(shù)”。二是精確的診斷方法。即：“精密診斷技術(shù)”。
1.“設備監測技術(shù)”。這類(lèi)技術(shù)應滿(mǎn)足如下要求
● 能迅速地對各種類(lèi)型的機械進(jìn)行測量
● 能進(jìn)行現場(chǎng)結論
● 經(jīng)濟,使用方便
目前新日鐵在這方面已開(kāi)發(fā)出了一系列的硬件專(zhuān)門(mén)用于鋼鐵聯(lián)合企業(yè)中的各類(lèi)設備新日鐵把用于設備監測技術(shù)的硬件分為三類(lèi)：
（1） 第一類(lèi)是供日常檢查人員隨身攜帶使用的能定量顯示結果的各種小型儀器。譬如：機器檢測器油膜檢測器小型測振儀、馬達檢測器聲發(fā)射裂紋檢測器等。
（2） 第二類(lèi)是監視儀表通常是安裝在現場(chǎng)的可進(jìn)行自動(dòng)數據采樣自動(dòng)數據記錄與作為傾向管理的圖譜相對照異常情況判別圖譜顯示等等譬如：旋轉機械監視儀壓縮機監測儀熱軋機監視儀等。
（3） 第三類(lèi)是數據控制系統,這需要第一類(lèi)儀器測量得到的數據作為輸入才能進(jìn)行工作�？勺詣�(dòng)處理大量測量數據，并記錄儲存與控制圖譜相對照發(fā)出控制信號等
2.“精密診斷技術(shù)”
當通過(guò)使用設備監測技術(shù)進(jìn)行測量與作為傾向管理的圖譜或數值相比較之后當指出已存在故障或者是預測可能發(fā)生故障時(shí)有必要進(jìn)行精密診斷通過(guò)精密診斷不僅要確定故障是否的確存在并且當存在故障時(shí)還需診斷出它的位置原因及程度新日鐵認為：這類(lèi)技術(shù)必須由專(zhuān)門(mén)的、稱(chēng)為精密診斷檢查的技術(shù)人員來(lái)進(jìn)行在這方面新日鐵近幾年來(lái)也開(kāi)發(fā)出了二類(lèi)儀器：
（1） 一類(lèi)是專(zhuān)門(mén)用的儀器主要是用于旋轉機械的這類(lèi)儀器通常必須配合各種軟件技術(shù)（譬如：參照診斷手冊振動(dòng)嚴重性判據等）進(jìn)行使用同時(shí)結合設備狀況進(jìn)行分析、判斷譬如：旋轉機械自動(dòng)診斷系統自動(dòng)平衡儀聲發(fā)射裂紋分析儀等。
（2） 另一類(lèi)是通用儀器用于狀態(tài)診斷的測量及分析的儀器。譬如：信號記錄儀信號分析儀傳遞函數分析儀等。
由“設備監測技術(shù)”和“精密診斷技術(shù)”這大類(lèi)技術(shù)就構成了新日鐵的“設備狀態(tài)診斷系統”如圖2所示。
三、振動(dòng)測量在機器狀態(tài)監測中的應用
1. 測量方法的進(jìn)步
一臺設計得很好的機器它的固有振級也很低。但當機器磨損、基礎下沉、部件變形時(shí)機器的動(dòng)態(tài)性能開(kāi)始出現各種細微的變化：軸變得不對中部件開(kāi)始磨損轉子變得不平衡間隙增大。所有這些因素都在振動(dòng)能量的增加上反映出來(lái)。因此振動(dòng)加劇常常是機器要出毛病的一種標志而振動(dòng)是可以從機器的外表面測到的。
過(guò)去設備工程師根據經(jīng)驗靠手摸、耳聽(tīng)來(lái)判斷機器是否正�；蚱涔收鲜欠裨诎l(fā)展。但今天機器的轉速很高許多起警告性的振動(dòng)出現在高頻段因此只有用儀器才能檢測出來(lái)。做法是：在機器運行良好的狀況下具有一個(gè)典型的振級和頻譜特征。而當機器的故障在發(fā)展的時(shí)候機器的動(dòng)態(tài)過(guò)程以及機器零件上的一些作用力也隨著(zhù)變化從而影響機器的振動(dòng)能級和頻譜的圖形。通過(guò)這樣的振動(dòng)的測量和分析我們可以知道機器的工作狀態(tài)的變化以及是否需要維修。
把振動(dòng)測量用于機器狀態(tài)監測值得注意的是：
成功未必取決于初期大量投資去配備帶高級計算機的分析儀器。許多成功的例子開(kāi)始是在具有代表性的機組中采用不太昂貴的模擬式振動(dòng)表和分析儀。當取得經(jīng)驗并計劃擴充時(shí)就自然地發(fā)展為采用更快更強有力的儀器。明智的做法是一開(kāi)始就購買(mǎi)高質(zhì)量的儀器。如果許多新方案由振動(dòng)測量方面經(jīng)驗有限的工程師來(lái)承擔加上測量結果不準確而且前后矛盾就會(huì )大大限制視情維修的可信度。
上海星晟檢測儀器有限公司就是遵循這一思路開(kāi)發(fā)出一系列便攜式測量?jì)x器。像：VIB-5、VIB-10、VIB-15、VIB-20、BT2000、BA2010等產(chǎn)品。
2. 測量?jì)x器及測量系統
對振動(dòng)進(jìn)行周期監測的儀器系統按其復雜程度可分成三檔：
（1） 簡(jiǎn)單系統
最簡(jiǎn)單的系統是用一種直讀式的袖珍振動(dòng)表在一定的頻率范圍內去測量振動(dòng)級別。把測量結果與通用標準或每臺機器的專(zhuān)用參考值相比較。
對那些用振動(dòng)測量進(jìn)行狀態(tài)監測以取得經(jīng)驗的人員來(lái)說(shuō)一個(gè)高質(zhì)量的手持振動(dòng)計是需要的。這種振動(dòng)計在10~1000HZ或10~10000HZ的頻率范圍內能讀出單一的振動(dòng)加速度或速度的均方根值（RMS）或峰值。速度的RMS值可直接與標準的振動(dòng)嚴重性評定值相比較從而知道需要維修的程度。雖然寬頻帶振動(dòng)計在早期故障檢測、診斷及損壞預測方面的作用是有限的但也是必須的。
（2） 振動(dòng)狀態(tài)監測的系統
（a） 頻率分析的基本系統
用于機器狀態(tài)監測的頻率分析系統有若干種配置方式。如果想從有限的投資開(kāi)始而且只有幾十個(gè)測量點(diǎn)時(shí)（不是幾百和幾千個(gè)測量點(diǎn)）電池供電的振動(dòng)分析儀和振動(dòng)能級記錄儀是優(yōu)越的。這種配套裝置能對各監測點(diǎn)依次畫(huà)出其窄帶頻譜圖。每次測量和分析約需要幾分鐘每個(gè)測量點(diǎn)的數據用手工登記在記錄卡上。
把每個(gè)測量點(diǎn)的參考頻譜記錄下來(lái)并復制在透明的卡片上。以后取得的頻譜放在參考頻譜下面兩張卡片一對照立即可以找到差別所在。如果某一頻率的振級增加就畫(huà)出其振級——時(shí)間曲線(xiàn)從而可預測其發(fā)展趨勢。
有些用戶(hù)平時(shí)只進(jìn)行有規律的簡(jiǎn)單寬帶監視當振級有明顯變化時(shí)才應用頻率分析。這種方式有助于故障發(fā)展的診斷而不能用于早期警告和趨勢發(fā)展的規律分析。
（b） 先進(jìn)的機器狀態(tài)監測系統
當有大量的機器測點(diǎn)需要監測時(shí)采用更完善的系統是合理的。操作人員可用加速度計與數據采集器（或數據記錄儀）把每一個(gè)測試點(diǎn)的振動(dòng)信號直接記錄下來(lái)�；卦O備科后再送到計算機里用軟件進(jìn)行分析這樣做的優(yōu)點(diǎn)是：速度快、擴大了儀器功能改善了檢測能力并降低了測量成本。
（3） 永久性的機器振動(dòng)監測
上面提到的機器振動(dòng)監測系統都是基于周期性的測量與校對。而永久性監測首先應用于那些對生產(chǎn)過(guò)程起重要作用的單臺設備當機器出現突然變化時(shí)能立即或在幾分鐘之內向控制室提出警告以便在災難性故障出現之前即采取有效措施。這種系統在發(fā)電、石油化工工業(yè)中用得很多用來(lái)監視汽輪機、進(jìn)料泵和壓氣機等設備。
永久性狀態(tài)監測系統的首要條件是要有高可靠性、長(cháng)期的穩定性及抗惡劣環(huán)境及抗誤報警的能力，堅固的機器設計、能在潮濕與有灰塵的條件下工作再加上例行環(huán)境試驗才能滿(mǎn)足上述的嚴格要求。加速度計、電纜、接線(xiàn)盒等特別堅固的前線(xiàn)設備也需能在高溫下工作。這種系統還包括一個(gè)自動(dòng)測試系統以便在事故報警時(shí)操作人員立即核對哪些儀器的功能是正常的。