機械設備動態運行表征參數的分解與疊加

黃開萬

（昆明鋼鐵有限責任公司搬遷改造組，云南昆明 650000）

0 引言

機械設備都有特定的功能目的，為了保證機械設備的正常運轉，就要對該機械設備配備必要的三電系統、潤滑液壓系統等，所以一臺機械設備就是一個以機械為主體的多個系統有機混合的設備整體。組成機械設備整體的這些子系統相互聯系、相互影響、相互獨立，在運行中，各個系統都有本質的運行特征，既要保證各系統運行的整體統一性，又要保證每個單獨系統各自的獨立性，機械設備顯示的參數就含有其組成系統的特征，也就是說參數是多個系統參數的疊加，實際采集到的參數（振動、溫度、聲音）都不是一個簡單的參數，而是幾個甚至幾十個參數的疊加，通過設備動態運行表征出來的參數，分解其疊加的各種因子，達到對設備運行各因子所屬系統部件運行情況進行判斷，文中所指的溫度、振動和聲音，就是由各個子系統產生的溫度、振動和聲音特征的疊加，相互疊加的結果就體現在設備運行的整體溫度、振動和聲音參數上，分解這些因子單獨的特征和疊加后的總體特征，就可以判斷設備的性能狀況，能夠為設備正常運行維護提供幫助并指導設備各方面的工作。

1 對參數的分解和疊加

首先，研究機械設備的裝配圖和系統原理圖，掌握設備運行是由哪些系統組成，把設備狀態組成的各個系統因子分解出來；其次，分析要研究的參數并掌握其傳動機理和特征參數的傳播機理；傳動機理就是機械設備從動力輸入到動力輸出的傳動付和傳動鏈以及傳動支撐結構的情況，特征參數就是在監測點檢測出來的數據包含些什么因子產生的影響；最后，根據參數組成的各個系統的特征和傳播機理，研究在設備監測點應有的影響，也就是其在檢測點應該表現出來的溫度、振動或聲音大小，即各個系統因子在檢測點的整體參數中起到的影響程度。

2 關于溫度參數的分解和疊加原理

設備運行參數檢測點通常在傳動軸軸承座處，主傳動軸的支撐軸承座通常都是最優選擇點，設備運行中，軸承座監測點檢測出來的溫度，通常包含自身運動摩擦、擠壓、碰撞等產生的熱量和潤滑油油溫的影響以及其他零件運動，包括負荷產生的熱量通過對流、傳導、輻射等方式傳遞的熱量，這個過程就是溫度的分解過程；溫度的傳遞規律是按照比熱容Q=cm△t 來分析和分解。檢測點收集處理顯示的溫度，是各個因子在檢測點吸熱或放熱后，特定點的一個溫度疊加，其規律是監測點各個參與熱量交換的物質比容熱與其質量大小和溫度升高（或降低）量的乘積，通常，通過顯示的溫度和已經設置的溫度限額，不需要進行計算，只要通過對各因子的分解和各因子本身特征互相疊加對比就可以分析溫度狀況，如果有異常，也基本上可以判斷異常是哪個或哪些因子引起。

如一臺雙支撐、中間葉輪、集中稀油潤滑的離心風機（結構如圖1）。其動力輸入、傳動鏈、裝配結構十分清晰。葉輪兩端的軸承座軸瓦溫度是設備運行參數最重要的檢測點，在檢測點檢測到的溫度參數應分解為：①軸承座運轉過程中軸瓦與軸摩擦、擠壓或者碰撞等產生的熱量對軸承座支撐軸瓦的影響；②潤滑油經過軸承座熱交換后（可能吸熱也可能發熱）對軸承座支撐軸瓦的影響；③風機運行中葉輪對空氣做功產生的熱量通過空氣或軸傳遞到軸承座支撐軸瓦的影響；④電機運行產生的熱量通過軸或空氣傳遞到軸承座支撐軸瓦的影響；⑤其他影響，如大氣溫度。

圖1 離心風機結構

2.1 軸瓦溫度分解

軸瓦從停止狀態到正常運轉狀態是逐步升溫到溫度穩定的過程，通常升溫到120 ℃以內某個溫度輕微波動后溫度運行。

2.2 潤滑油溫分解

離心風機稀油潤滑供油溫度通常在（30～50）℃，吸收軸瓦溫度，即潤滑冷卻軸瓦后，在比供油溫度高的狀態下回油。

2.3 風機葉輪做功后介質溫度分解

由于葉輪是把電能轉化成機械能后再轉化成介質動能的部件，被做功后的介質溫度提升，會通過空氣對流和葉輪及軸熱傳遞到軸承座的軸瓦，這個過程很容易通過一般的溫度檢測儀順著葉輪到軸承座方向的梯度分析找出此因子影響。

2.4 電機運行發熱傳遞分解

電機運行過程中也會產生熱量，會通過空氣對流和電機軸熱傳遞到軸承座的軸瓦，這個過程很容易通過一般的溫度檢測儀順著電機軸到軸承座方向的梯度分析找出此因子影響。

2.5 其他因子的分解

如大氣溫度等因子影響等，或者周圍環境溫度的因子影響要視具體情況分析，這里不過多討論。

根據前面的因子分解，影響風機軸承座軸瓦溫度的各個因子情況見圖2。

圖2 影響風機軸承座軸瓦溫度的各個因子

3 關于振動參數的分解和疊加原理

溫度、振動通常在統一檢測點檢測，都在傳動軸承座處。振動的表征值可以是振動加速度、振動速度和振幅，在機械設備振動檢測上，振動速度比較直接。振動產生的原因主要是零部件運動過程中的碰撞、擠壓、摩擦以及殘余不平衡等造成，這些與零部件加工精度有關，也與零部件損壞程度有關。機械設備的振動通過傳動鏈和支撐結構件傳遞，檢測點檢測到的振動參數是多個振動的疊加，分解這些疊加因子，就可以分析出振動異常的部位以及振動狀況。機械設備的振動大多是非簡諧的周期振動，任意周期振動都可以通過簡諧波分析，分解成一系列簡諧振動的疊加，根據數學原理非簡諧的周期振動可以用如下傅里葉函數由式（1）表示：

式中a0為直流分量，ωO為基頻，φ＝arctanbn/an，An、ω、φ 之間的變化形成的圖形是一些離散的垂線，也就是頻譜。頻譜分析實際也就是因子分解，其各個頻率段上顯示的振動速度、振動位移或者振動加速度可以很直觀的分析出來，如圖3 所示。

幅頻特征圖中表達了在基頻的幅值和多次諧波的幅值，根據不同部位零部件產生的頻率不同，對應分解和分析不同部位零部件運行情況。

圖3 幅頻特征

4 關于聲音的分解和疊加

機械設備運行部件摩擦、擠壓和碰撞產生聲音，通常稱為噪聲，屬于機械結構振動性噪聲，耳朵可以聽到的是（20～20 000）Hz的頻率段，所有噪聲基本上是整個設備各個部位產生的噪聲的矢量疊加，聲音是波，也有能量，除真空中不能傳播外，可以通過各種介質進行傳播。噪聲的分析在設備狀態分析上有許多儀器儀表來檢測和分析，生產過程中，設備正常運行，產生的噪聲也基本是平穩的，但設備運行異常時，噪聲也就不平穩，甚至尖叫，噪聲是判斷設備運行狀況的重要參數，有時是聽到異常噪聲后，說明設備已經產生故障或隱患擴大，才開始通過溫度和振動檢測來分析設備狀況，檢查設備問題出處。噪聲源和振動源是統一的，噪聲變化，振動和溫度也會變化，這3 個參數相互映證，同向發展。一般的機械設備運行噪聲不需要直接用儀器分解判斷噪聲源和噪聲等級，感到噪聲異常后直接通過溫度和振動分析來判斷，同時，不同部位產生的噪聲不同來輔助分解判斷，最后疊加結果與振動是一致的，這是噪聲分解和疊加的特殊性。

5 結束語

溫度、振動和噪聲是任何一臺機械設備運行過程中必然顯示出來的特征參數，這3 個參數相互印證、同向發展，之間密閉可分。通過這3 個參數的分解，實現對整套設備的各個組成部位的特征分析，通過各個組成部位的特征分析和判斷，疊加出整體設備的運行狀態。運用這種思路和方法，能有效提高設備狀態運行管理和維護，隨著國家工業智能制造發展方向，也為設備實現智能化運行和維護提供基礎。