电机预测性维修上的振动检测技术应用

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摘要：目前，设备维护开展以预防性维修为主，随着设备运行时间的增长，设备出现重大停机故障的风险大大增加，常规的预防性维修不能满足现场的需求，需要引入状态检测，进行预测性维修。预测性维修可以提前预知设备故障，避免严重设备故障的发生，同时，可以针对性的指导设备维修，减少维护的时间和成本。振动监控是预测性维修的重要手段，通过专用传感器对设备的振动参数收集与分析，可以准确判断设备运行状态，预知设备故障。

关键词：轴承；小孔腐蚀；振动传感器；傅立叶变换；动不平衡；预测性维修

1轴承

对于大型电机来说，它的滚动轴承是维护的重点，需要消耗大量的人力和物力进行周期性加油以及检查等，但是，轴承也是最容易出现故障的区域，一旦大型电机的轴承出现磨损破裂，很容易导致重大设备故障。

1.1轴承的组成及故障原因分析

滚动轴承可以承受较大的径向载荷，负载力强，它一般由外圈、滚珠、内圈、保持架等组成。导致轴承出现故障的原因主要有：（1）机械磨损，一般是因为超过了服务年限、过载等原因造成的。（2）滚道磨损破裂，一般是因为过载、润滑剂不足、装配错误、运输损伤等原因造成。（3）润滑油的原因，一般是因为润滑油不足、过度润滑、润滑油污染、错误润滑等造成。以上可能会在轴承的内圈、外圈和滚珠上造成小孔腐蚀，轴承的损坏一般因这些小孔腐蚀造成，并且当滚珠滚过损坏区域的时候会形成冲击脉冲。

1.2轴承的损坏趋势分析

滚动轴承在正常的使用及维护措施下，可以使用1～7年，并且它的振动值是维持在较低且稳定的状态，一旦轴承出现了小孔腐蚀，它的振动值就会逐渐上升，这期间会维持大约1～3星期，到了末期，随着轴承的损坏加剧，轴承的振动值会在1～3天内出现急剧的上升，这时，轴承会出现严重的损坏故障。所以，我们通过使用振动传感器把轴承在1～3星期初期损坏阶段预测出来，然后，及时通知现场维护人员，检查和更换轴承，避免出现更严重的设备故障。

2振动传感器介绍

我们公司现场采用了德国IFM公司生产的行业内领先的振动传感器，用于现场电机及风机轴承振动检测，分别应用了两种振动检测方式。

2.1用于振动速度测量的振动传感器VKV022

振动传感器VKV022，这是一款性价比较高的振动传感器，具体规格参数：常闭；模拟；输入和输出总数2；振动测量范围0～50；（RMS）mm/S；频率范围10～1000Hz；环境温度-25～80℃；IP67；接插件。可以直接把被测设备的振动速度值通过模拟量信号引入PLC。

2.2用于精确振动分析的方案VSE002+VSA001

VSE002+VSA001，其中VSE002是振动分析模块，具体规格参数：输入和输出总数8；(可配置)；Ethernet；100×25.4×103.4mm。VSA001是振动传感器，具体规格参数：模拟；振动测量范围-25～25g；频率范围0～6000Hz；环境温度-30～125℃；IP67；IP68；IP69K；接插件。两种振动方案的功能详细对比如表1所示。根据上表的对比分析，其中VSE002+VSA001的方案功能更全面、更精确，更适合进行预测性维修方案，这是因为振动分析模块VSE002采用了包络线傅立叶变换用于振动信号的过滤及分析。

3包络线傅立叶变换（HFFT）包络线傅立叶变换来源于傅立叶变换。

3.1傅立叶变换（FFT）

傅立叶变换表示能将满足一定条件的某个函数表示成三角函数（正弦和/或余弦函数）或者它们的积分的线性组合。在不同的研究领域，傅立叶变换具有多种不同的变体形式，如连续傅立叶变换和离散傅立叶变换。傅立叶变换是一种分析信号的方法，它可分析信号的成分，也可用这些成分合成信号。许多波形可作为信号的成分，比如，正弦波、方波、锯齿波等，傅立叶变换用正弦波作为信号的成分。傅立叶变换在物理学、电子类学科、数论、组合数学、信号处理、概率论、统计学、密码学、声学、光学、海洋学、结构动力学等领域都有着广泛的应用，特别在信号处理中，傅立叶变换的典型用途是将信号分解成频率谱——显示与频率对应的幅值大小。典型傅立叶变换功能如图1所示，把振动时域里的信号转换成频域分析。

3.2包络线傅立叶变换与动不平衡

IFM振动分析模块在傅立叶变换的基础上采用了包络线傅立叶变换的技术，即HFFT。包络线傅立叶变换通过包络整个振动信号并且过滤掉正常的振动信号，只剩下振动信号的峰（冲击脉冲），这样振动频谱图分析将更加直观与高效。利用包络线傅立叶变换可以快速准确判断设备是否出现动不平衡问题。动不平衡指作旋转运动的零部件，由于形状误差（比如内外圆不同轴，圆柱不圆、母线不直，端面与轴线不垂直等）、内部组织不均匀等原因造成在机器、机构旋转时产生振动，产生不良影响的现象。动不平衡是围绕旋转轴的质量不均匀分布，它会导致风机系统出现振动及噪声，并且降低轴承及风机的使用寿命。IFM振动控制器利用包络线傅立叶变换可以单独生成一倍频的振动频域图，只要一倍频出现异常升高，特别是达到整个振动区间能量的90%，基本可以判断是由于动不平衡原因造成的。另外，根据应用经验，我们也可以单独检测10～1000Hz的振动速度变化，从而判断现场是否出现异常状况。

4具体现场实施方案

在我们公司涂装车间C线2#空调安装1个控制器VSE002+4个传感器VSA001，传感器分别安装在空调两台电机的前后两端，振动信息通过以太网直接传送到工段监控电脑，通过WINCC或CIMPLICITY等软件实时及直观的监控轴承状态。冲压车间E线一台1000T和一台2250T压机，电机与皮带轮的8个轴承，涂装车间B线4#与5#空调，风机与电机的8个轴承，各安装一个振动传感器VKV022，该传感器可以与现场的模拟量模块直接相连，直接把振动信息传送到PLC。

5效果展示

VKV022方案，实现通过PMC画面实时监控每台风机各项振动速度值（两个风机轴承，两个电机轴承）；当振动值超过3.5mm/S，中控画面会报警提示。VSE002+VSA001安装后实现了可以分别监控同一个轴承的内圈、外圈、滚动元件的加速度值，以判断是轴承具体那一部分出现了异常；频谱图应用，通过检测一倍频的振动速度变化，跟踪动平衡状态；频谱图应用，宽频检测（RMS），10～1000Hz的振动速度变化。

6振动数据用于预测性维修

PMC可以生成风机振动数值曲线图，包括振动速度值、轴承加速度值和风机动平衡速度值（一倍频的振动速度值），5秒取值一次，存储一月，用于数值分析，可以安排维修或者工程师，通过PM形式，每月对风机的振动趋势做一次分析，当发现整体的振动数值有升高的趋势时，立即组织专人进行检修及更换。现场风机轴承振动加速度值曲线图见图2，一倍频振动速度值曲线图见图3。

作者：王磊 李梁 单位：上汽通用五菱汽车股份有限公司青岛分公司