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前 言

當泵專業人員討論基于狀態的維護（CBM）或預測性維護（PdM）時，通常會想到振動監測。雖然振動監測可能是一個熱門的討論話題，但它可以說是目前人們最不了解的PdM技術。這是一門復雜的科學，由于關注工具而不是使用工具的根本原因，它變得更加復雜。

圍繞振動監測的許多討論都集中在不同的技術可以提供什么和不能提供什么，而忽略了一個可以改善旋轉設備動態狀況的全面維護計劃的重要性。

在與有興趣啟動振動監測計劃的泵專業人員會面時，我首先要問以下問題：你獲得振動監測計劃背后的動機是什么？你希望這種PdM技術能完成什么任務？

我很樂意聽到人們說：“我想監測我的旋轉設備的動態狀況，并隨著時間的推移改善機器的整體狀況。這將通過最大限度地降低故障的概率來提高我的預期。這是對良好維護實踐的投資。”

相反，這是我經常聽到的：“我想找到壞的軸承”。

少數給出第一個答案的人可能具有一種預防或減輕故障的管理機制。那些給出第二個答案的人通常處于被動狀態。在這一點上，他們并不希望防止故障或延長使用壽命；他們只是想圍繞設備故障制定一個時間表。

第二個答案背后的態度在國際范圍內占主導地位，跨越了所有行業的學科。

當CBM/PdM監測目標是基于故障時，該技術只能提供部分好處。由于檢測故障的目標有限，運營商只能通過管理生產中斷來維持盈利能力。換言之，一個設施仍然有相同數量的停機，唯一的好處是減少了計劃外事件。

然而，將故障預防作為一項業務目標，可以延長使用壽命，并使設施能夠減少停機數量。這一目標提高了盈利能力。

無論設施的目標是故障預防還是故障檢測，了解以下振動監測技術的分類可以幫助用戶在監測設備和培訓方面節省大量資金。這使設施能夠將其資源集中在制定有組織的和有效的維護計劃上。

請注意，以下討論的重點是使用滾動元件軸承的設備以及在軸承箱處測量振動的情況。這種討論并不適用于使用套筒式軸承（即滑動軸承）的機器，其中軸振動通常使用趨近式探頭直接測量。

雖然軸承類型和測量位置因應用而異，但關于測量技術的討論通常仍然適用。

振動監測技術分為兩個基本頻率范圍：低頻和高頻。

該頻譜范圍用于確定設備狀況。具體來說，在這個范圍內確定了對中、平衡和結構缺陷（包括共振）。這些情況會縮短軸承壽命、導致軸承箱變形/出現裂紋，并引起人體工程學問題。

一般來說，在機器使用壽命的早期（例如，在啟動或驗收時，在安裝后）完成該頻率范圍內的全面頻譜分析。任何糾正的缺陷都被認為是一次性的努力。

在對機器或其相關系統進行大修和改造后，應每半年完成一次全面的快速檢查【峰值或均方根（RMS）信號振幅，通常稱為寬帶或（濾波器）濾出】。此任務確保任何材料變化不會無意中引起振動問題。只有在檢測到總體上有較大的振動時，才需要重復進行徹底或全面的頻譜分析。

有幾種技術是專門針對這個頻率范圍的。兩種主要的商業技術是沖擊脈沖和高頻包絡（信號解調）。兩者都是基于脈沖理論的。簡單地說，脈沖理論著眼于由時域中的單個脈沖引起的無限頻率范圍內的恒定振幅。

使用這些技術監測這一頻譜范圍是專門用于識別滾動元件軸承缺陷的，在某些情況下，可能適用于齒輪傳動系統故障。根據所使用的技術，軸承故障最早可以在發出實際聲音指示前12個月檢測到。

沖擊脈沖和簡單的包絡振幅監測易于教學，與正式的潤滑程序配合良好，并適合大多數自主維護工作。至少應每月使用其中一種技術來評估軸承狀況一次。

下一個需要理解的重要概念是可以在這些頻率范圍內進行監測的不同類型的設備。

對于低頻監測，有兩種基本選擇：數字設備或模擬設備。在成本、培訓和使用每種工具所需的經驗方面都有很大的差異。

還應注意的是，大多數現有的與振動相關的國家和國際共識標準（ISO、ASME、ANSI、AMCA、HI、API）有助于定義工廠和現場驗收以及性能標準，這些標準都基于模擬設備的使用。許多標準從來都不是為數字世界編寫或設計的。

模擬振動計是一種低頻振動測量裝置，基本上是一種簡單的電壓表，設計用于監測廉價加速度計的輸出。該儀表使用運算放大器將加速度與速度（第一次積分）和位移（第二次積分）進行積分。

這些儀表通常提供峰值、峰-峰和RMS值。通過使用一個簡單的低通濾波器，頻率范圍被限制在1至2 kHz。

其中一些基于模擬的儀表可能包括用于高頻監測的信號調節。這種儀表基于其電路簡單和有限的顯示選項，價格低廉，易于訓練。

數字振動分析儀是一種計算裝置，它將模擬交流信號數字化，然后通過軟件或固件提供該交流信號（時域）的可視化再現。通過快速傅立葉變換（FFT）算法，該設備提供在所選帶寬（頻域）內頻率的可視化表示。該裝置可編程為提供峰值、峰-峰和RMS總值，并計算加速度、位移和速度之間的轉換。

這種數字振動分析儀可以與各種輸入設備一起使用，幾乎可以與任何交流電壓輸入一起使用。其中一些分析儀包括信號解調（包絡）電路。

換句話說，該裝置可以包括模擬高通或帶通濾波器加上整流電路作為用于高頻監測的交流信號調節器。

這種類型的儀表，基于數字化信號、處理器、存儲器、顯示器和通常的專有固件的聲卡，價格昂貴，可能是模擬設備價格的10倍。此外，任何相關的軟件通常都是授權給每個用戶的。

這些儀表還需要進行專門的訓練（至少40小時）和許多小時的經驗。

高頻儀表的兩種變體是沖擊脈沖裝置和包絡裝置。

沖擊脈沖裝置基本上是一種測量寬帶背景噪聲的模擬電壓表。通過機械調諧的加速度計（安裝在彈簧上的加速度計），該儀表還可以測量軸承中球與滾道沖擊（脈沖）引起的電壓峰值。

脈沖提高了整個頻譜的噪聲基線（固有的噪聲水平），激勵加速度計組件產生共振，并給出瞬時更高的電壓指示。

加速度計組件的共振頻率約為32 kHz，遠高于一般設備運行的噪聲（振動）基線。

包絡裝置是一種基于AM無線電技術的高頻解調裝置。

該裝置是一個基本的模擬電壓表，用于測量來自標準加速度計的交流信號。

模擬信號通過高通濾波器和整流器進行處理。通常，這些裝置上的高通濾波器只允許監測5kHz以上的頻率。

來自滾珠撞擊的噪聲被過濾、放大并作為電壓幅值測量。與沖擊脈沖裝置一樣，濾波后的頻率范圍遠高于一般設備運行的噪聲（振動）基線。

隨著信號幅度的增加，一般軸承狀況和噪聲（電壓）之間可以假設存在相關性。

基于電路簡單和有限的顯示選項，沖擊脈沖和包絡裝置都很便宜（價格與模擬振動計相似），并且易于訓練。

雖然這些概述也有例外，但所列出的通常是手持和安裝監控技術方面可用的裝置。

表1：振動技術總結

對于那些開發振動監測程序的人來說， 17,500美元的單用戶許可證鍍鉻數字分析儀可能不是最好的選擇。相反，一個1,700美元的低頻模擬儀表和1,700美元的高頻軸承檢查器可能是更好的初始投資。

要啟動一個項目，使用關鍵業務設備進行監控，并使用Excel工作簿對數據進行趨勢分析并沒有錯。

對于那些堅持一個程序來“發現壞軸承”的人來說，兩到三個高頻軸承檢查儀，對整個維護人員進行四個小時的培訓，以及一個Excel工作簿來存檔數據，這就是你所需要的 - 一個開放的（多用戶）軸承故障檢測PdM程序，價格不到5,000美元，這不到一個數字分析儀成本的三分之一。

雖然振動監測應該不僅僅是“發現壞軸承”，但這個例子表明，越多并不總是越好。無論您的總體維護目標是什么，對可用技術的基本了解可以幫助您的設施提高利潤。

致力于改善旋轉設備的狀況，并實施有效的預測性維護計劃，是實現最大節約的必要條件。