振动分析基础

我们可以采用多种无损检测 (NDT) 方法来评估不同机器部件的状况，而无需停止和拆卸设备。振动分析是许多行业使用的重要无损检测工具。

在本文中，我们将深入了解振动分析过程、参数、工具和用例的复杂性。

为什么会振动？

所有运动机械在运行时都会发生振动。每种材料在特定条件下都有其特有的振动模式。通过测量、记录和研究这些振动特性的变化，可以了解试验材料本身的变化。

什么是振动分析？

振动分析是一个使用振动信号来识别振动模式异常的过程。振动模式的变化表明测试对象的物理特性发生了变化。

在设备维护中，振动分析帮助我们跟踪和评估设备的状况。

当观察到异常模式时，我们可以进行根本原因分析以确定更改的原因。一旦我们知道，如果认为有必要，我们可以安排适当的纠正性维护行动。

何时何地使用？

振动分析适用于测试承受旋转运动的部件，即承受扭力的部件。用于测试或跟踪以下条件：

• 轴承、齿轮、轴、转子
• 电机、风扇、传动系统、变速箱
• 泵、活塞发动机、压缩机和其他往复式机器

不要把它当作一个完整的列表——振动分析有更多的利基应用，不仅限于旋转机械或机械振动。

例如，可以收集振动数据来测量电场和磁场的变化和波动，以及监测桥梁、管道和其他基础设施的结构完整性。

检查齿轮箱

齿轮断裂是变速箱中的常见现象。破碎的齿轮会在你看到之前造成很大的伤害 有什么不对的。振动分析有助于及早识别损坏的齿轮齿，而无需拆卸任何东西。

这样，我们就可以创建工单并在问题导致灾难性故障之前解决问题。

捕捉轴承缺陷

轴承故障会导致带有旋转部件的机器过度振动。使用振动分析监测轴承状况可帮助您识别轴承故障并采取适当的纠正措施。

振动分析揭示了确切的轴承缺陷，其中包括：

• 反向加载
• 假压痕
• 过热
• 疲劳
• 腐蚀
• 拟合问题
• 错位
• 不平衡

管道状态监测

石油管道是隐蔽作业的另一个很好的例子。这里的一个常见问题是腐蚀，这会导致泄漏和火灾隐患。您现在可能已经猜到了：使用振荡和振动频率数据，可以借助振动分析来分析和测量管道内部的腐蚀。

与具有相同流速的健康管道相比，以固定流速输送流体的腐蚀管道具有不同的振动特性。

振动分析过程

我们需要执行振动分析的标准步骤是：

1. 建立基线 .对以理想特性运行的机器进行振动分析。记录振动水平以作为该（类型）机器的基准。
2. 养成习惯 .必须定期进行分析。选择合适的区间进行振动分析。选择的间隔应反映机器特性和操作条件。 （如果您安装传感器来流式传输实时振动数据，则可以跳过此步骤。）
3. 标准化流程 .用于执行振动分析的工具和技术必须标准化。使用具有一致 SOP 的相同设备应该会得到可比较的结果。
4. 确保记录保存 .必须存储所有定期分析的结果。这有助于记录机器的历史数据。这对于继续分析至关重要。 （如果您有在线监测系统，它会自动存储过去的振动数据。）
5. 进行振动分析 .将每次振动分析检查的结果与基线数据进行比较，以发现异常和缺陷，并执行所需的维护工作。

振动测量参数

以波形表示的每个振动都有频率、幅度和周期：

• 频率 ：它是每秒发生的振动次数。频率以赫兹 (Hz) 为单位。
• 幅度 ：它是波从平衡位置的最大位移。 RMS 值是常用的幅度值。
• 期间 ：波形中两个波峰或波谷之间的时间就是周期。它以秒或其他合适的时间单位来衡量。周期是频率的倒数。

在振动分析中，根据三个物理参数测量和记录振幅。它们是：

• 位移 ：表示组件的静止位置与其偏离的最大位置之间的距离。它测量组件移动了多少。测量单位为毫米 (mm)、微米 (μm) 或其他适当的位移单位。
• 速度 ：表示单位时间的位移。它是衡量组件振动速度的指标。单位为每秒毫米 (mm/s) 或每秒微米 (μm/s)。
• 加速 ：代表速度的变化率。当组件的运动方向反转时，它是最高的。它的测量单位是每秒平方毫米 (mm/s2) 或平方每秒微米 (μm/s2)。

振动根据人类的感知可以分为三类；我们可以看到，通过触摸或听到的感觉。资料来源： IMV 公司

您是否需要特殊的振动分析设备来执行 VA？

答案是肯定的。我们无法用螺丝刀测量振动。简单介绍一下您应该了解的重要振动分析设备。

振动传感器

使用不同类型的传感器测量不同的振动参数。因此，我们可以区分位移传感器、速度传感器和加速度计。

最常用的类型是加速度计传感器，如压电加速度计、微机电传感器 (MEMS)、接近探头、激光多普勒测振仪等。

不同类型的振动传感器

您应该购买哪种传感器？嗯，这取决于您的应用程序。除了购买价格，您还需要考虑以下功能：

• 振动幅度
• 灵敏度
• 带宽
• 噪音
• 传感器安装选项
• 一次可以覆盖的轴数
• 采样频率

我们不会在此处详细介绍，但对于想要了解更多有关这些功能的每个人，请阅读有关为振动分析选择合适传感器的重要指南。

振动分析软件

以下是我们在撰写本文时遇到的不同振动分析软件的简短列表：

• EI 分析
• 来自 ReVibe Energy 的 Vibinspect
• Dplot
• 来自 Vibration Research 的控制软件
• 来自 Xcitex 的 ProAnalyst
• 来自 enDAQ 的实验室软件
• FEM 工具

其中一些解决方案专门用于振动分析，而另一些则是具有许多其他应用程序的大型软件包的一部分。在进行任何购买之前，请进行尽职调查。

在线振动监测系统

在线振动监测系统的设置如下：

• 您已在关键设备上安装了振动传感器
• 那些传感器不断地将实时数据发送到云端
• 您选择的振动软件会读取和分析传入的振动数据并发出警告和建议

根据分析，您可以安排适当的维护操作。

便携式振动监测设备

安装传感器并不是获取振动数据的唯一方法。有很多便携式振动设备维护工程师和技术人员可以用来进行振动测量。

便携式振动监测设备

手持式振动计对于运行基于状态的维护的组织非常有用。他们可以使用计算机化维护管理系统 (CMMS) 为不同的组件/机器安排定期振动测量。

振动分析的“分析器”部分

来自振动传感器和设备的数据由数据收集器软件工具收集和记录。该软件以两种格式之一（或两种格式）记录数据：

1. 时间波形 ：时间波形是来自传感器的原始数据。构成波形的两个变量是幅度和时间。如今，它的使用越来越少。
2. 快速傅立叶变换 (FTT) ：从时间波形生成快速傅立叶变换波。幅度表示为随时间绘制的频率。计算机技术使 FFT 成为分析机器健康状况的更好工具。

来自传感器的振动数据可由训练有素的振动分析师或可靠性工程师进行分析。还可以使用计算机算法和分析工具来检测异常情况并验证被测组件的健康状况。

使用FTT频谱分析进行振动分析。资料来源： IMV 公司

时间波形分析可以显示测试对象是否存在缺陷。 但无法确定异常原因 .另一方面，通过快速傅立叶变换，我们能够查明缺陷的根本原因。<
让我们用一个例子来说明这一点。

想象一下，您正在对具有电机、皮带和传动轴的系统执行真实世界的振动分析。振动数据由适当的传感器感应并通过分析仪软件记录。数据被捕获为一个简单的时间波形。您可以确定基线存在异常。但仅此而已。时间波形无法确定缺陷是否与电机、皮带或驱动轴有关。

这就是 FFT 发挥作用的地方。 由于 FFT 为每个不同的组件（电机/皮带/传动轴）提供离散波形 ，您可以查明缺陷的确切位置，最终大大缩短停机时间。采用算法进行分析，使FFT更加准确和精确。

培训、认证和认可

振动分析由可靠性工程师和训练有素的振动分析师进行。有培训和认证振动分析师和可靠性工程师进行振动分析的机构：

• 美国无损检测协会 (ASNT) 是对无损检测可靠性工程师进行认证的先驱。振动分析是 ASNT 课程和认证的一部分。
• 振动研究所 致力于培训和认证振动分析师。认证范围从类别 I 第四类 振动分析师。 Vibration Institute 获得美国国家标准协会 (ANSI) 的认可。
• 莫比乌斯研究所 提供状态监测、维护和资产可靠性工程方面的培训。他们提供振动分析培训和认证。该研究所的认证已获得国际标准化组织 (ISO) 的认可。

还要注意的是，美国劳工部也承认无损检测专家。这包括专门从事振动分析的专家。除此之外，每个国家都有自己的认证和认可系统来认可合格的可靠性工程师。

振动分析与设备维护

以下是关于振动测量如何在主动和被动维护场景中提供帮助的简短说明。

使用振动分析进行预测性维护

了解部件或机器何时以及为何发生故障是成功预测性维护计划的关键。振动分析提供有用的数据点，您将提供给您的预测数据模型，以提高其预测设备故障的准确性。

为了充分利用振动分析和预测分析，您应该将其与 Limble 等现代 CMMS 软件结合使用。 Limble 可以与您的振动传感器通信，并根据您的设置方式自动触发紧急工单。

Limble CMMS 中基于振动传感器数据的触发 WO

使用振动分析进行故障和纠正性维护

振动分析在反应性场景中也很有帮助。您可以在故障维护过程中执行振动分析，以帮助确定故障的根本原因。这将帮助您：

1. 采取适当的纠正措施来解决故障
2. 防止将来发生类似故障

如果您使用 Limble CMMS，技术人员可以在关闭工单时留下评论，留下关于发现的故障原因、振动测试数据、设备状况和停机时间的重要注释。

此数据可用于：

• 可靠性工程师进行故障分析
• 用于评估维护成本的维护经理
• 由其他技术人员加快未来对此类设备的故障排除和维修流程

振动分析的优点和局限性

与任何其他维护工具或技术一样，振动分析具有特定的优点和局限性。了解这些将有助于您确定工厂车间振动分析的可行用例

振动分析的优势：

• 它可用于监控难以访问的组件，而无需计划停机。
• 通过正确的设置，它可以远程使用。
• 它可以实时洞察您的关键资产的状况。
• 您可以使用许多既定的 SOP、方法和软件来简化振动分析过程。
• 如今，开发了许多商用传感器来跟踪特定的操作条件。

振动分析的局限性：

• 正确执行振动分析需要专业知识、培训和认证。
• 它不能用于跟踪快速移动的缺陷（在短时间内通过机器传播的缺陷）。
• 这需要对振动设备和软件工具进行一些前期投资。
• 进行故障定位可能很复杂。

总而言之，振动监测对于任何运行预测性维护或基于状态的维护的组织来说都是一个强大的盟友。话虽如此，任何传感器和工具的实施都应该先进行成本效益分析。

早起的鸟儿有虫

从长远来看，尽早发现设备退化可为您的组织节省大量资金，尤其是在您的业务流程依赖昂贵的实物资产的情况下。

有了更多的喘息空间，您的维护团队就有充足的时间订购更换零件、分配必要的工具并与生产部门和其他部门协调安排维护工作。

借助 CMMS、振动分析和其他状态监测工具，组织维护工作从未如此简单。