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振动监测标准与理论

2020-04-13 11:14
可靠性杂坛
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振动是反映机械设备运行状态的重要参数,当设备发生故障时(例如零部件之间的变形、碰撞、摩擦、破损等),其振动状态产生变化,通过振动监测系统对设备振动进行监测,分析提取振动信号中的故障特征,可以判断设备的健康状态,进行故障诊断和预测。

振动监测具有以下特点:

1)包含故障信息丰富。设备中主要零部件的各种典型损耗性故障都可以通过振动监测做出诊断。

2)故障反应灵敏、迅速。振动对故障反映比较灵敏,即使非常微弱的故障,也会引起振动变化。通过各种振动信号分析处理方法可以在强干扰背景下提取故障信息,因此可以实现故障的早期诊断。

3)测量方便。只要将振动传感器安装在设备体上的合适部位,即可实现振动测量,对设备不产生影响。

本篇首先介绍振动监测的相关标准,其次,通过以齿轮减速机及轴承为对象,介绍振动监测的理论基础。

一、振动监测的标准

机器设备的健康状态是保障其长期安全可靠运行的基本条件,振动大小是反映机器设备健康状态的主要指标之一。在当前技术水平下,国内外针对大型、重要设备通常都采取了振动监测手段,包括在线或离线监测,通过监测设备的振动判断设备的健康状态。为了描述机器的健康状态,必须根据法定的标准作为评定准则。对于机器设备的制造厂来说,标准是确定产品是否合格的依据;而对于机器设备的使用单位来说,特别是使用中的一些大型设备或流程工业中的关键设备,标准也是随时掌握设备运行状态的依据。国际标准化组织(ISO)下设的振动、冲击与状态监测技术委员会(TC108)是专门负责制定振动与冲击方面国际标准的机构,该机构根据机械设备状态监测和故障诊断技术发展的需要,还归口制定机器状态监测和故障诊断方面的国际标准。我国与ISO/TC 108对口的是全国机械振动、冲击及状态监测标准化技术委员会(SAC/TC53),该委员会由国家有关部委专家共同组成,是全国性专业标准化技术工作组织,由国家质量监督检验检疫总局领导。

用于旋转机械振动评价的主要国际标准有ISO 7919和ISO 10816(有些改为ISO 20816系列)两个系列,分别对应我国国家标准GB/T 11348和GB/T 6075系列标准。这两个系列振动标准简单介绍如下:

1)ISO 10816(GB/T 6075)系列标准主要针对轴承座振动,共有7个部分,如表7-7所示。根据旋转机械轴承座相对于地面的绝对振动(绝对瓦振)进行振动状态评价,主要测量参数是振动速度,评价参数为振动速度值和振动位移值。

表1 GB/T 6075系列标准相关信息

2)ISO 7919(GB/T 11348)系列标准主要针对旋转轴振动,共有5个部分,如表2所示。根据支撑轴承处的轴颈相对于轴瓦振动位移(相对轴振)进行振动状态评价。通过安装在轴承附近的电涡流传感器测量相对轴振位移,对振动大小进行评价。

表2 GB/T 11348系列标准相关信息

3)发达国家标准。美国、德国等工业发达国家也有许多在国际上普遍采用的振动评价标准,例如美国石油学会的API610(离心泵)、API611(通用汽轮机)、API613(专用齿轮箱)、API617(离心压缩机)、API673(专用风机)等;德国工程师协会标准VDI2056、VDI2059;英国国家标准BS4675。

各种旋转机械的振源主要来自于结构设计、制造、安装、调试和环境本身。振动会在非常短的时间内造成结构疲劳和损伤,因此在振动设计中必须重视旋转机械的转子系统和轴承等部件经受疲劳损伤的程度。振动部件的疲劳损伤正比于其振动速度,振动所产生的能量正比于其振动速度的二次方,能量传递将导致振动部件磨损和引起其他缺陷。因此,在旋转机械振动判定标准中,疲劳损伤和磨损等缺陷这两种破坏形式都最好以速度为标准。对于10Hz以下的低频振动,以位移破坏为主,其实质是疲劳强度破坏,而不是能量破坏,以位移作为振动标准;对于10Hz~1kHz频带的振动,以一定的速度级作为振动状态的判据;对于1kHz以上的高频振动,主要应该考虑冲击力和共振破坏,此时应以加速度作为判定标准,如图1所示。图2所示为日本丰田利夫教授在其著作中提出的标准,此标准在低频、中频和高频段分别为位移、速度和加速度。

图1 分频段振动标准示意图

图2 机械预防损伤曲线

以振动值作为评定机器振动状态,是制造厂出厂检验的依据,这种评定标准往往是比较苛刻的。对于设备的使用单位,根据长期使用的经验,即使在超出此类标准的情况下,仍然被监视使用,往往采用以振动值的变化作为依据的相对评定标准。

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