振動檢測技術在日常設備保養中的應用專題（二）

分類：解決方案日期：2009-06-08 10:59:44 來源：

在所有的非破壞性分析檢測訊號（電壓、電流、溫度、壓力等）中，能提供最豐富的訊號的就是振動訊號。 
如前一單元所言，一個完整的預知保養系統必須涵蓋所有訊號分析檢測技術，然而，不可諱言的，振動分析檢測技術始終是預知保養系統之根本。何謂振動？　　振動是一物體相對于某一個參考點的往復式移動。 
以彈簧懸吊一個重量為m的物體為例，當物體被拉下再釋放后，倘若忽略所有摩擦、空氣阻力，則彈簧會以其原來的平衡點為基準，上下來回不停的移動，此種模式的振動亦稱簡諧振動。振動訊號圖　　任何振動訊號都是由不同的振幅、頻率及相位三大要素所組成，從事振動分析的前提為：三大要素對機械設備而言，都代表著不同的意義。 
Ø振幅大小代表設備運轉異常狀況之嚴重性 
Ø頻率分布代表設備損壞或振動來源之所在 
Ø相位差異代表設備運轉所產生之振動模式 
時間波形（Time Waveform）　　時間波形是以振幅對時間為坐標的方式來表現振動訊號，時間波形對于初學者分析較為困難，從時間波形中最容易得到的訊息是有無沖擊現象，這是判斷軸承及齒輪等是否損壞很寶貴的訊息。 
頻譜（Spectrum）　　由于時間波形大都呈現相當復雜的訊號，為使振動訊號變成較易診斷的訊號，一般會將時間波形訊號經過快速傅利葉轉換（FFT），形成頻譜。 
頻譜是以振幅對頻率為坐標的方式來表現振動訊號，振動訊號經過FFT轉換之后，從設備上所量測到的各種不同頻率已被區隔開來，而且各個頻率都有不同的振幅值，如此我們已經掌握了振動訊號三大要素中的其中兩項。從這兩項訊息中，即可大略判斷設備的問題根源及其嚴重程度。 
振動訊號量測技巧簡述　　以下三點都與所搜集的量測訊號息息相關，三者之任何一項未審慎考量運用時，都會使分析結果準確度降低，甚至量測所得資料毫無意義。1.量測工具之選用： 
單（雙或多）頻分析儀、傳感器（Sensor）、探頭（探棒或磁性座）、相位讀取計等。加速度傳感器（加速規）性能 
．可用頻率范圍較廣 
．質輕、尺寸小 
．可耐高溫 
．可靠性、穩定性佳 
．輸出為低位準，高阻抗信號，需接信號放大器 
．敏感于安裝方式及安裝扭力等•振動傳感器的靈敏度具有方向性，其中最靈敏的位置在傳感器的中心線上。 
•使用磁性座或探棒均必須固定鎖緊。 
•不管是否使用磁性座、探棒或直接量測，均必須將傳感器垂直緊緊附著于被測面上量測。 
•每個軸承都必須量測其垂直、水平及軸向。 
2.量測參數之設定： 
頻率范圍、分辨率、取樣、平均化模式、積分方式等。3.量測位置之決定： 
是否靠近軸承位置、垂直（水平、軸向）量測是否正確、探頭及連接現是否搖晃等。 
一般轉動機械振動分析診斷（頻譜分析）　　使用振動分析技術診斷機械問題時，必須盡可能搜 
集掌握所有可以得到的信息，其中包括： 
1.機械設備設計資料：工作轉速、臨界轉速、軸承型號、 
設備型式、聯軸器型式、葉輪葉片數、齒輪齒數、皮 
帶輪直徑、皮帶輪中心距、電源頻率、管路設計等。 
2.現場感官檢視記錄：基礎、基座、固定螺絲、管路、軸承潤滑、軸承溫度、異音噪音、異常傳動等狀況。 
3.損壞維修歷史記錄：各種保養周期、損壞原因、損壞 
情形、更換零組件、各種校正記錄等。 
4.其它檢測分析記錄：溫度趨勢、振動值趨勢、表壓、 
電壓、電流等。5.各種振動分析訊號：頻譜、時間波形、相位分析、 
共振分析、模態分析等。所有分析訊號需考量儀器 
功能、設備特性、振動訊號本身，決定擷取該項訊 
號之必要性。基礎振動頻譜分析說明以下將針對最常見機械問題所呈現的頻譜加以說明，作為基礎振動頻譜分析之概念，惟于實際從事設備振動分析診斷時，應充分掌握前述之各種信息，靈活運用振動原理及量測技巧，方能有效掌控設備真正問題及其嚴重性，切忌以套用簡易頻譜分析診斷法則，而給予設備錯誤診斷，切記一個錯誤的診斷除會增加保養成本外，亦會快速導致機械維修人員對振動分析技術喪失信心。從事振動分析診斷者，應本振動分析第一法則： 
「知之為知之，不知為不知，是知也。」當發現無法確 
認的問題時，適時請教振動分析專家，可避免錯誤診斷， 
亦可提升自己的診斷技術。1.平衡不良狀況診斷 
•當轉動件慣性軸心線與轉動軸心線不在同一直線上時，此轉動件即為平衡不良 
•造成轉動件不平衡的原因 
–轉動件本身形狀不對稱 
–加工制造上的公差 
–組裝安裝不當 
–轉動件于運轉時變形 
–轉動件破損磨耗 
–轉動件附著異物平衡不良頻譜特性•振動頻譜主要發生于一倍轉速 
•振動方向通常都發生于徑向 
•軸向振幅很小，遠小于徑向之1/3 
•不論在徑向或軸向， 2倍、3倍、4倍頻之振動，幾乎沒有 
2.對心不良狀況診斷 
•所謂對心不良是指聯結在一起的兩臺設備的運轉中心線不在同一直線上 
•對心不良的征狀–軸承、軸封、聯軸器、轉軸提早損壞。 
–軸承位置有高溫甚至大量排出潤滑油等現象。 
–基礎樁螺絲有松脫現象。 
–聯軸器間隙過大或破損。 
–聯軸器有高溫現象且橡塑料聯軸器會有粉末排出。 
–馬達運轉電流偏高。 
–軸承損壞在軌道上有180度與內外對稱磨損現象。對心不良頻譜特性•振動頻率主要發生于1倍、 2倍或3倍轉速上 
•因大部份之不對心乃混合式不對心(角度式+平行式) ，故振動方向同時來自于徑向和軸向3.軸彎曲狀況診斷 
•軸中心處的彎曲會造成1倍轉速頻率之振動，振動方向主要發生于軸向 
•靠近聯軸器的彎曲會造成2倍轉速頻率之振動，振動方向亦 
發生于軸向 
4.機械松動狀況診斷 
松動造成的原因大致可分為兩種•外松動 
–結構、底板、基礎松動或螺栓松脫•內松動 
–兩配合組件之松動如軸與軸承內圈、軸承蓋與軸承外圈、軸與葉片等配合不當 
–振動發生于1× 、 2× 、 3×……7× 、 8×或更高之轉速頻率，徑向和軸向都明顯 
5.滾動軸承損壞狀況診斷 
軸承滾動件損壞頻率（Ball Spin Frequency ，BSF）： 
BSF= 1/2 × RPM × Pd/Bd × (1 – (Bd / Pd × cos ψ)2 )軸承內環軌道損壞頻率（Ball Pass Frequency Inner Race ，BPFI）： 
BPFI= 1/2 × RPM × N × (1 – Bd / Pd × cos ψ)軸承外環軌道損壞頻率（Ball Pass Frequency Outer Race ，BPFO）： 
BPFO= 1/2 × RPM × N × (1 + Bd / Pd × cos ψ)軸承保持器損壞頻率（Fundamental Train Frequency ，FTF）： 
FTF= 1/2 × RPM × (1 × Bd / Pd × cos )　其中 RPM : 軸之轉速－N : 軸承滾動體之數目　　　　　　　　　　　Pd : 軸承節徑　　　　　　　　　　　Bd : 軸承滾動體直徑　　　　　　　　　　　ψ : 滾動體之接觸角•BPFI通常為轉速×N ×60% 
•BPFO通常為轉速×N ×40% 
•FTF通常為轉速×0.4~0.6 
•BSF通常為轉速之2~4倍 
•軸承組件損壞大部份均會產生HARMONIC并伴隨著轉速之旁波 
•標準之組件損壞順序為BPFO®BPFI ®BSF ®FTF6．轉軸磨擦狀況診斷•當旋轉件與固定件磨擦時，其頻譜與松動相似． 
•通常會激發轉速的整數分數的次簡諧振動頻率(1/2，1/3，1/4……) 
7．葉片狀況診斷•葉片頻率(BPF) =葉片數*轉速，此為泵浦,風車和壓縮機的固有頻率 
•但若設計不當,擴散片磨損,管路陡彎,擾流阻礙或轉軸偏心，皆會引起高BPF 
8．擾流狀況診斷•當空氣在進出風車，壓力或速度產生突然之變化時，會引起擾流現象． 
•擾流通常會產生隨機，低頻的振動，范圍約在 1~30 Hz間． 
9．孔蝕狀況診斷•當泵浦入口壓力不足時，易產生孔蝕（氣穴）現象 
•孔蝕通常會產生隨機，高頻且寬頻域的振動，會對泵浦內部機件造成腐蝕． 
10．齒輪狀況診斷•齒輪嚙合頻率（GMF)=齒數*轉速 
•GMF為齒輪機構固有之頻率，其大小代表負荷之多寡，而非磨耗．11．齒磨耗，偏心或兩軸不平行•齒輪自然頻率會被激發出來f n 
•GMF會變大，并伴隨著磨耗齒輪轉速之旁波（side band) 
•磨耗增加，旁波亦會增多加大． 
•偏心或兩軸不平行時，會有2倍GMF出現 
12．皮帶傳動問題診斷•皮帶頻率=3.124*皮帶輪直徑*轉速/皮帶長度 
•皮帶發生磨破，松動，或配合錯誤，常會引發1*,2*,3*,4*的皮帶頻率 
13．皮帶或皮帶輪不對心問題診斷•皮帶輪不對心時，會在1*轉速顯現高振動 
•軸向尤其明顯 
•被傳動件之轉速頻率會發現在傳動件頻譜上 
14．皮帶輪偏心問題診斷•和不平衡問題一樣，振幅主要發生于徑向之一倍頻． 
15．馬達定子問題診斷•定子偏心會產生氣隙不均而引起振動 
•氣隙不均會產生局部發熱而使馬達軸彎曲，故振動會隨操作時間而變大 
•會在2倍線頻率(120 Hz)產生高振動 
16．馬達轉子偏心問題診斷•轉子偏心會產生2倍線頻率，并伴隨著極通頻率（FP=P*遲滯頻率） 
•FP會在低頻區出現（約0.3~2.0 Hz） 
17．轉子棒松動問題診斷•轉子棒通過頻率(RBPF)=轉子棒數*轉速 
•轉子棒松動時會產生RBPF及2*RBPF，并伴隨著 2*FL(120 Hz)之旁波18．相位問題診斷•聯接器的松動或損壞會產生相位問題 
•會引發2倍線頻率之大振動 
•并伴隨著1/3 FL(20 Hz)的旁波 
19．同步馬達問題診斷•線通頻率(CPF)=定子線圈數*轉速 
•定子線圈松動時，會產生CPF高振動 
•并伴隨著轉速之旁波 
20．直流馬達問題診斷•磁場繞組破損，不良的SCR，聯接器松動會產生6倍線頻率(360 Hz)之高振動

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