重磅干货丨主要故障的监测及传感器性能的选择

振动作为机器设备状态监测及诊断的关键要素之一,已被广泛地应用于监控各种工业应用场景中的关键、非关键设备。本文重点介绍不平衡、不对中、滚动轴承缺陷和齿轮故障几种常见故障的检测,以及状态监测系统选取原则。

01 不平衡

不平衡是指质量分布不均匀,会导致载荷使质心偏离旋转中心。系统不平衡可归因于安装不当(例如联轴器偏心)、系统设计错误、部件故障,甚至碎屑或其他污染物的累积。

如何监测和诊断不平衡?

整体系统振动增加可能表明存在由不平衡引起的潜在故障,但振动增加的根本原因需要通过频域分析来诊断。不平衡以系统的转频(通常称为1X)产生一个信号,其幅度与转频的平方成比例,F=m×w2。1X分量在频域中通常总是存在,因此,通过测量1X和谐波的幅度可以识别不平衡系统。如果1X的幅度高于基线且谐波远小于1X,则很可能存在不平衡系统。

诊断不平衡时如何选择传感器性能参数?

噪声必须很低,以便降低传感器的影响并支持检测由不平衡系统产生的小信号。这对于传感器、信号调理和采集平台非常重要。

  • 有足够高的分辨率,来提取信号(尤其是基频信号),以检测微小的不平衡。
  • 足够的带宽,来捕获充分的频率信息(不光是基频),以提高诊断的准确性和可靠性。
  • 低频响应,慢速旋转设备,转速可能低于10 rpm,这意味着传感器的低频响应对于捕获基本转频至关重要。重磅干货丨主要故障的监测及传感器性能的选择

    图1 旋转速率或1X频率的幅度增加可能意味着存在不平衡系统

    02 不对中

    当两根旋转轴不对中时,就会发生不对中现象。不对中可以在平行方向和角度方向上发生,也可以是两者的组合(参见图2)。

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    图2 不同不对中示例,包括(a)角度、(b)平行或两者的组合

    如何检测和诊断不对中?

    不对中通常表现为系统转频的二次谐波,即2X。2X分量在频率响应中不一定存在,但当它存在时,其与1X的幅度关系可用来确定是否存在不对中。

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    图3 不断增加的2X谐波加上不断增加的更高次谐波,表明可能存在不对中现象

    诊断不对中时如何选择传感器性能参数?

    低噪声和足够高的分辨率,以检测细小的不对中,这是因为机器类型、系统和工艺要求、旋转速率决定了允许的不对中容差。

  • 足够的带宽来捕获充分的频率范围,以提高诊断的准确性和可靠性。
  • 系统相位与方向性振动信息相结合,可进一步改善对不对中误差的诊断。测量机器上不同点的振动并确定相位测量值之间或整个系统内的差异,有助于深入了解不对中是角度、平行还是两种不对中类型的组合。

    03 滚动轴承缺陷

    轴承缺陷通常是机械引起的应力或润滑问题的假象,这些问题在轴承的机械部件内产生小裂纹或缺陷,导致振动增加。

    如何检测和诊断轴承故障?

    有多种技术可用来诊断轴承故障,并且由于轴承设计背后的物理特性,每个轴承的缺陷频率可以根据轴承几何形状、旋转速度和缺陷类型来计算,这有助于诊断故障。轴承缺陷频率如图4所示。

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    图4 轴承缺陷频率取决于轴承类型、几何形状和旋转速率

    对特定机器或系统的振动数据的分析,常常依赖于时域和频域分析的结合。时域分析可用来检测系统振动水平整体增加的趋势。但是,这种分析包含的诊断信息非常少。频域分析可提高诊断洞察力,但由于其他系统振动的影响,确定故障频率可能很复杂。

    包络技术与频谱分析相结合,可识别早期或刚出现的故障,从而在灾难性故障发生之前对其进行监控和维护。

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    图5 包络术提取轴承早期缺陷特征

    诊断轴承故障时如何选择传感器性能参数?

    低噪声和足够高的分辨率对于早期轴承缺陷检测至关重要。在缺陷刚刚出现时,缺陷特征的幅度通常很低。由于设计容差,轴承固有的机械滑动会将幅度信息传播到轴承频率响应中的多个仓,从而进一步降低振动幅度,因此要求低噪声以便较早地检测到信号。

  • 带宽对于轴承缺陷的早期检测至关重要。在旋转期间,每次撞击缺陷时,都会产生包含高频的脉冲。由于轴承缺陷频率与旋转速率之间的关系,这些早期特征可以在数千赫兹范围内出现,并延伸到10kHz到20kHz范围之外。即使是低速设备,轴承缺陷的固有特性也要求较宽带宽以便及早检测到缺陷,避免系统谐振和系统噪声(会影响较低频段)的影响。
  • 动态范围对于轴承缺陷监测也很重要,因为系统负载和缺陷可能影响系统振动。负载增加会导致作用在轴承和缺陷上的力增加。轴承缺陷也会产生冲击,激发结构谐振,放大系统和传感器所经受的振动。随着机器在停止/启动情况下或正常运行期间的速度上升和下降,速度的变化会为系统谐振激发创造潜在的机会,导致更高幅度的振动。传感器的饱和可能导致信息丢失、误诊断,在某些技术的情况下甚至会损坏传感器元件。

    04 齿轮缺陷

    齿轮故障通常发生在齿轮机构的齿面,造成的原因有磨损、过载、润滑不良和齿隙变化,偶尔也会因为安装不当或制造缺陷而引起。

    如何检测和诊断齿轮故障?

    由于难以将振动传感器安装在故障附近,以及系统内多种机械激励引起的相当大背景噪声的存在,齿轮故障的检测很棘手,尤其在复杂的齿轮箱系统中,由于存在有多个旋转频率、齿轮比和啮合频率,显得尤其如此。因此,检测齿轮故障可能要采用多种互补的方法,包括声发射分析、电流特征分析和油液分析。

    在振动分析方面,加速度计通常安装在齿轮箱壳体上。正常情况下,齿轮产生的振动特征频率是齿轮啮合频率,还存在一些与制造和组装容差相关的调制边带。当发生齿裂纹之类的局部故障时,产生短时冲击的机械响应。这通常是低幅度宽带信号,一般是非周期性和非静态的。

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    图6 健康齿轮的频谱

    这些特性仅凭标准频域技术并不能精确识别齿轮故障。由于冲击能量包含在边带调制中,其中还可能包含来自其他齿轮对和机械部件的能量,因此频谱分析可能无法检测出早期齿轮故障。时域技术(例如时间同步平均)或混合域方法(例如子波分析和包络解调)一般更合适。

    诊断齿轮故障时如何选择传感器性能参数?

  • 一般来说,宽带宽对齿轮故障检测非常重要,因为齿轮齿数在频域中是乘数。即使对于相对低速的系统,所需的检测频率范围也会快速上升到数kHz区域。此外,局部故障进一步扩展了带宽要求。
  • 出于多种原因,分辨率和低噪声极其关键。将振动传感器安装在特定故障区域附近是很困难的,这意味着机械系统可能会使振动信号发生较高程度的衰减,因此能够检测低能量信号至关重要。此外,由于信号不是静态周期信号,因此不能依赖于从噪声中提取低幅度信号的标准FFT技术,传感器本身的本底噪声必须很低。在混合了不同元件的多个振动特征的齿轮箱环境中尤其如此。
  • 除了这些考虑因素之外,早期检测的重要性不仅仅是出于资产保护的原因,还出于信号调理的原因。已经证明,单齿断裂故障的情况与两个或更多齿断裂的故障情况相比,前者的振动严重程度可能更高,这意味着在早期进行检测可能相对更容易。

    结 语

    根据特定的故障类型选取对应传感器性能,并与系统级考量相结合,有助于实现新一代状态监控解决方案,让人们更深入了解各种工业设备和应用的机械运作。这些解决方案将改变维护的方式和机器的运行方式,最终减少停机时间,提高效率。

    表1 对每个传感器参数的要求

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    对于表1,一般认为低带宽小于1kHz,中带宽介于1kHz到5kHz之间,高带宽大于5kHz。低噪声密度大于1mg/√Hz,中等噪声密度介于100μg/√Hz到1mg/√Hz之间,高噪声密度小于100μg/√Hz。低动态范围小于5g,中等动态范围在5g到20g之间,高动态范围大于20g。

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