電機預測性維修上的振動檢測技術應用

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摘要：目前，設備維護開展以預防性維修為主，隨著設備運行時間的增長，設備出現重大停機故障的風險大大增加，常規的預防性維修不能滿足現場的需求，需要引入狀態檢測，進行預測性維修。預測性維修可以提前預知設備故障，避免嚴重設備故障的發生，同時，可以針對性的指導設備維修，減少維護的時間和成本。振動監控是預測性維修的重要手段，通過專用傳感器對設備的振動參數收集與分析，可以準確判斷設備運行狀態，預知設備故障。

關鍵詞：軸承；小孔腐蝕；振動傳感器；傅立葉變換；動不平衡；預測性維修

1軸承

對于大型電機來說，它的滾動軸承是維護的重點，需要消耗大量的人力和物力進行周期性加油以及檢查等，但是，軸承也是最容易出現故障的區域，一旦大型電機的軸承出現磨損破裂，很容易導致重大設備故障。

1.1軸承的組成及故障原因分析

滾動軸承可以承受較大的徑向載荷，負載力強，它一般由外圈、滾珠、內圈、保持架等組成。導致軸承出現故障的原因主要有：（1）機械磨損，一般是因為超過了服務年限、過載等原因造成的。（2）滾道磨損破裂，一般是因為過載、潤滑劑不足、裝配錯誤、運輸損傷等原因造成。（3）潤滑油的原因，一般是因為潤滑油不足、過度潤滑、潤滑油污染、錯誤潤滑等造成。以上可能會在軸承的內圈、外圈和滾珠上造成小孔腐蝕，軸承的損壞一般因這些小孔腐蝕造成，并且當滾珠滾過損壞區域的時候會形成沖擊脈沖。

1.2軸承的損壞趨勢分析

滾動軸承在正常的使用及維護措施下，可以使用1～7年，并且它的振動值是維持在較低且穩定的狀態，一旦軸承出現了小孔腐蝕，它的振動值就會逐漸上升，這期間會維持大約1～3星期，到了末期，隨著軸承的損壞加劇，軸承的振動值會在1～3天內出現急劇的上升，這時，軸承會出現嚴重的損壞故障。所以，我們通過使用振動傳感器把軸承在1～3星期初期損壞階段預測出來，然后，及時通知現場維護人員，檢查和更換軸承，避免出現更嚴重的設備故障。

2振動傳感器介紹

我們公司現場采用了德國IFM公司生產的行業內領先的振動傳感器，用于現場電機及風機軸承振動檢測，分別應用了兩種振動檢測方式。

2.1用于振動速度測量的振動傳感器VKV022

振動傳感器VKV022，這是一款性價比較高的振動傳感器，具體規格參數：常閉；模擬；輸入和輸出總數2；振動測量范圍0～50；（RMS）mm/S；頻率范圍10～1000Hz；環境溫度-25～80℃；IP67；接插件。可以直接把被測設備的振動速度值通過模擬量信號引入PLC。

2.2用于精確振動分析的方案VSE002+VSA001

VSE002+VSA001，其中VSE002是振動分析模塊，具體規格參數：輸入和輸出總數8；(可配置)；Ethernet；100×25.4×103.4mm。VSA001是振動傳感器，具體規格參數：模擬；振動測量范圍-25～25g；頻率范圍0～6000Hz；環境溫度-30～125℃；IP67；IP68；IP69K；接插件。兩種振動方案的功能詳細對比如表1所示。根據上表的對比分析，其中VSE002+VSA001的方案功能更全面、更精確，更適合進行預測性維修方案，這是因為振動分析模塊VSE002采用了包絡線傅立葉變換用于振動信號的過濾及分析。

3包絡線傅立葉變換（HFFT）包絡線傅立葉變換來源于傅立葉變換。

3.1傅立葉變換（FFT）

傅立葉變換表示能將滿足一定條件的某個函數表示成三角函數（正弦和/或余弦函數）或者它們的積分的線性組合。在不同的研究領域，傅立葉變換具有多種不同的變體形式，如連續傅立葉變換和離散傅立葉變換。傅立葉變換是一種分析信號的方法，它可分析信號的成分，也可用這些成分合成信號。許多波形可作為信號的成分，比如，正弦波、方波、鋸齒波等，傅立葉變換用正弦波作為信號的成分。傅立葉變換在物理學、電子類學科、數論、組合數學、信號處理、概率論、統計學、密碼學、聲學、光學、海洋學、結構動力學等領域都有著廣泛的應用，特別在信號處理中，傅立葉變換的典型用途是將信號分解成頻率譜——顯示與頻率對應的幅值大小。典型傅立葉變換功能如圖1所示，把振動時域里的信號轉換成頻域分析。

3.2包絡線傅立葉變換與動不平衡

IFM振動分析模塊在傅立葉變換的基礎上采用了包絡線傅立葉變換的技術，即HFFT。包絡線傅立葉變換通過包絡整個振動信號并且過濾掉正常的振動信號，只剩下振動信號的峰（沖擊脈沖），這樣振動頻譜圖分析將更加直觀與高效。利用包絡線傅立葉變換可以快速準確判斷設備是否出現動不平衡問題。動不平衡指作旋轉運動的零部件，由于形狀誤差（比如內外圓不同軸，圓柱不圓、母線不直，端面與軸線不垂直等）、內部組織不均勻等原因造成在機器、機構旋轉時產生振動，產生不良影響的現象。動不平衡是圍繞旋轉軸的質量不均勻分布，它會導致風機系統出現振動及噪聲，并且降低軸承及風機的使用壽命。IFM振動控制器利用包絡線傅立葉變換可以單獨生成一倍頻的振動頻域圖，只要一倍頻出現異常升高，特別是達到整個振動區間能量的90%，基本可以判斷是由于動不平衡原因造成的。另外，根據應用經驗，我們也可以單獨檢測10～1000Hz的振動速度變化，從而判斷現場是否出現異常狀況。

4具體現場實施方案

在我們公司涂裝車間C線2#空調安裝1個控制器VSE002+4個傳感器VSA001，傳感器分別安裝在空調兩臺電機的前后兩端，振動信息通過以太網直接傳送到工段監控電腦，通過WINCC或CIMPLICITY等軟件實時及直觀的監控軸承狀態。沖壓車間E線一臺1000T和一臺2250T壓機，電機與皮帶輪的8個軸承，涂裝車間B線4#與5#空調，風機與電機的8個軸承，各安裝一個振動傳感器VKV022，該傳感器可以與現場的模擬量模塊直接相連，直接把振動信息傳送到PLC。

5效果展示

VKV022方案，實現通過PMC畫面實時監控每臺風機各項振動速度值（兩個風機軸承，兩個電機軸承）；當振動值超過3.5mm/S，中控畫面會報警提示。VSE002+VSA001安裝后實現了可以分別監控同一個軸承的內圈、外圈、滾動元件的加速度值，以判斷是軸承具體那一部分出現了異常；頻譜圖應用，通過檢測一倍頻的振動速度變化，跟蹤動平衡狀態；頻譜圖應用，寬頻檢測（RMS），10～1000Hz的振動速度變化。

6振動數據用于預測性維修

PMC可以生成風機振動數值曲線圖，包括振動速度值、軸承加速度值和風機動平衡速度值（一倍頻的振動速度值），5秒取值一次，存儲一月，用于數值分析，可以安排維修或者工程師，通過PM形式，每月對風機的振動趨勢做一次分析，當發現整體的振動數值有升高的趨勢時，立即組織專人進行檢修及更換。現場風機軸承振動加速度值曲線圖見圖2，一倍頻振動速度值曲線圖見圖3。

作者：王磊 李梁 單位：上汽通用五菱汽車股份有限公司青島分公司