傳統的預防性維護不僅會導致浪費的機器停機時間，還會導致過早更換零件。成功實施狀態監測程序可以使機器充分發揮其能力，而不必在固定的時間段停止機器進行檢查。

多年來，人們已經知道可以通過對振動運動的詳細分析來評估機器的機械完整性。許多機械問題最初是通過機械振動幅度的變化來識別的。此外，振動頻率以及振動運動的位置和方向是問題類型和嚴重程度的指標。振動特性可明顯分為強制振動和自由振動兩種。典型的強迫振動涉及諸如質量不平衡、不對中以及電氣或機械性質的激勵等問題。自由振動是一種自激現象，它取決于系統的幾何形狀、質量和阻尼，通常由結構、聲學共振以及空氣動力或流體動力激發引起。

振動信號攜帶有關激振力及其傳播到振動傳感器的結構路徑的信息。機器在健康狀態下會產生特定顏色的振動，并且其中的組件退化會導致振動信號的特征發生變化）。

基于狀態的維護和預測狀態監測正成為一個重要問題，因為在過去幾年中，由于不必要或不當進行的維護而浪費了多達三分之一的維護成本。

信號處理算法的實現可以使用不同的計算技術來完成。這些技術包括但不限于快速傅里葉變換 (FFT)、神經網絡和小波分析，這些技術已應用于工業系統中的振動監測和檢測。

狀態監測提供有關工業機械的健康和維護要求的信息，并用于廣泛的工業應用。振動、溫度、潤滑劑質量和功耗等參數可用于監測設備的機械狀態（。長期以來，機器狀態監測一直被認為是避免機器災難性故障的最有效和最具成本效益的方法之一。最有效和最具成本效益的組是振動分析。然而，最近的證據表明，振動狀態監測技術提供了更多和更可靠的信息，從而產生了更有效的維護計劃，為工業帶來了巨大的成本效益。特別是振動分析已被用作預測性維護程序一段時間，并作為對機械維護決策的支持。作為一般規則，機器不會在沒有某種形式的警告的情況下發生故障或故障，這表現為振動水平的增加。通過測量和分析機器的振動，可以確定缺陷的性質和嚴重程度，從而預測機器的故障。來自機器的整體振動信號來自許多與其可能耦合的組件和結構。然而，機械缺陷會產生不同頻率的特征振動，這可能與特定的機器故障條件有關。通過分析時間和頻譜并使用信號處理技術，

材料和方法

試驗臺設計：該臺架設計包括一個未損壞的軸承、損壞的軸承、一個耦合盤系統，以施加軸不對中和松動。裝置的照片如圖 1 所示。

可以調整耦合盤以產生角度偏差。所有測試都針對 2、6 和 10 葉片風扇進行，以在我們的電動機上施加三種不同的負載，但本研究顯示了 10 葉片的結果。用于實驗的試驗臺組件由電動機組成，已連接到葉片風扇。電動機功率為 1.5 kW (2 hp)，三相，可變轉速。電動機的詳細情況如表1所示。

在磨合期后定期收集振動數據。振動分析的實驗程序包括在電動機上的兩個選定位置讀取振動讀數。

圖一

表一

分別取電動機的驅動端（DE）和非驅動端（NDE）。

使用 振動傳感器（上海測振是振動傳感器制造商）對電動機的 DE 和 NDE 進行振動測量。因此，它的加速度計非常適合在信號衰減很小的臟場或高溫環境中使用。來自加速度計的信號被記錄在便攜式狀態監測信號分析儀中。一般來說，電動機可能很難分析。

損壞的軸承：使用 1 mm 線切割方法損壞測試軸承。線切割去除了第一軸承外圈的一部分直至外滾道以及第二軸承的內圈的一部分。損壞旨在造成外圈和內圈類型的缺陷。當滾動體滾動通過損壞時，這些可能會產生脈沖類型的信號。

軸不對中：耦合盤系統旨在將軸不對中施加到未損壞的軸承上。聯軸器系統由兩個圓盤組成：一個連接到一個短的從動軸上，另一個連接到一個較長的軸上，通過移動圓盤使支撐軸承產生相當大的角度不對中。通過擰緊/松開平頭螺釘，圓盤相對于彼此移動，平頭螺釘推到鍵上。

不對中會在每個軸上產生彎曲力矩，這會在 1x rpm 時產生強烈的振動，但在 2x rpm 時，兩個軸承的軸向方向上只會產生一些振動。

松動：電機底座螺絲因電機丟失而松動。

結果與討論

振動分析的最基本形式稱為整體振動測量。該讀數提供了一個數字，描述了機器發出的振動能量的總量。這個想法是，更多的振動表明存在問題。已經制定了許多標準和指南來解釋各種機器類型可接受的水平。

在機械振動監測與分析領域，ISO（國際標準化組織）制定并發布了多種相關標準。

振動嚴重性評估標準被認為是 ISO/TC108 最重要的活動之一。ISO/10816 系列（6 部分）機械振動 - 通過測量非旋轉部件來評估機器振動。

ISO 10816-1 是描述使用套管和/或基礎測量評估機械振動的一般要求的基本文件。每個系列文件的后續部分適用于不同類別和類型的機械，并包括用于評估振動嚴重程度的特定評估標準。因此，我們一直使用標準 ISO 10816-1 進行測試。

采集機器狀況的信號數據，包括運行速度為 500、1000 和 1500 rpm 時這些機器狀況的健康電機、損壞的軸承、軸未對準和松動。數據分析需要將每個測試條件獲得的曲線與模擬的特定機器故障的預期曲線進行比較。

從時域和頻域圖中確定的顯著頻率尖峰也與理論振動故障特征進行了比較。

健康的機器：結果表明，健康的電動機在 1500 rpm（500 和 1000 rpm 相同）的 RMS 值處于可接受的狀態，也是軸承狀況值。整體振動的平均值為 1.76，標準偏差為 0.27。ISO 10816-1 中該電動機的臨界整體振動推薦值為 2.8 mm sec ^–1 ，測量值及其平均值均低于標準值。說明電動機狀況良好。軸承條件的平均值為 0.37，標準偏差為 0.10。根據結果，電動機的軸承處于可接受的狀態（表2）。

表 2顯示了測量日期、mm sec ^–1 RMS、軸承狀態 (BC) 和整體振動的警報狀態，以及電機 DE 的 BC，還顯示了整體振動和軸承狀態的平均值和標準偏差。

電機松動：結果表明，松動的電機在 1500 rpm（500 和 1000 rpm）下的 RMS 值處于臨界狀態，但軸承狀態值處于可接受狀態。

表2：電動機從動端（DE）的整體振動和軸承狀況

表三：松動狀態下電動機從動端（DE）的整體振動和軸承狀況

整體振動平均值為 5.08，標準差為 1.43。

ISO 10816-1中該電動機的臨界整體振動推薦值為2.8 mm sec ^–1，其測量值和平均值均高于標準值和健康電動機中電動機的RMS值。說明電動機狀況不佳，此狀況為松動。軸承條件的平均值為 0.19，標準偏差為 0.05。根據結果，電動機的軸承處于可接受的狀態。

表 3顯示了測量日期、mm sec ^–1 RMS、軸承狀態 (BC) 和整體振動警報狀態，以及電機 DE 的 BC 以及整體振動和軸承狀態的平均值和標準偏差。表 3顯示了該位置電動機從動端 (DE) 的整體振動和軸承狀況的數值數據。

根據結果（圖 2），電動機 DE 的速度頻譜顯示出對應于三倍軸速（75 Hz）的主頻率。

表四：1500 rpm 時電動機從動端 (DE) 的整體振動和軸承狀況（軸不對中）

圖2：松動狀態下電動機DE的頻譜結果

圖三：1500 rpm時電動機DE的頻譜（未對準狀態）

在一些速度譜中，觀察到電動機速度頻率為0.5、1.0和1.5的次諧波，表現為松動。

軸不對中：在測試軸不對中故障時，預測頻率以各種轉速為例。1500 rpm 時軸速的頻率分量如表 4所示。圖 3顯示了顯著的頻率峰值（軸速為 1500 rpm），它出現在 2 倍軸速頻率 (SSF) 處，而較小的尖峰出現在 1 倍和 3 倍軸速頻率處，表明不對中。

表五：內圈軸承不良位置電動機從動端整體振動及軸承狀況

圖四：電動機內圈軸承不良位置的頻譜結果

結果表明，松動的整體振動平均值沒有顯著差異，但它們的頻譜差異很大，因此我們使用頻譜分析來發現電動機的錯位和松動。

軸承損壞：根據結果，整體振動和軸承狀況的平均值與其他情況和健康狀況有顯著差異。表 5顯示了內圈壞軸承中電動機轉速為 500 rpm 時的數值數據。

僅在模擬軸承損壞時，實驗裝置成功地關聯了每個轉速下滾珠通過頻率的理論計算。圖 4中的突出峰使研究人員能夠輕松識別和比較相應的頻率。光譜顯示峰值對應于 BPFI 的 1-2 倍。

表 6顯示了電機在軸承位置不良時轉速為 1500 rpm 的數值數據。結果表明，整體振動和軸承狀況有所增加。

表六：電機在 1500 rpm 時的整體振動和軸承狀況，軸承損壞

根據結果，圖 4中顯示的電動機從動端 (DE) 的整體振動高于標準值。

結果表明，在 500 和 1500 rpm 時的 RMS 值處于臨界和警告狀態。軸承狀況值也處于不良狀況。電動機整體振動和軸承狀況的平均值和標準偏差見表 6。

振動與故障診斷的相關性：振動分析技術已被用于評估電動機的狀況并診斷電動機的任何問題。我們實驗研究的振動分析結果表明我們的電機默認設置。電動機振動分析發現電動機存在松動、不對中、軸承不良等現象。

振動分析和故障診斷之間的相關性非常好，因為振動技術能夠解決不同的問題，從而呈現更廣泛的機器狀態圖。振動分析檢測到電機持續存在缺陷，以及組裝時外殼可能出現機械松動。振動分析證實發生了三體滾動動作，并且電動機的使用壽命很長。振動分析技術能夠涵蓋更廣泛的電機診斷和電機故障。

結論

實驗結果表明，模擬各種機器故障模式的振動監測裝置確實能夠獨立地同時產生常見的機器故障。在這種情況下，學生們能夠對構建的鉆機進行實際測試，以確認預測的預期理論頻率。

振動分析是監測機械健康狀況的最有效技術。它在機器故障的根本原因分析方面具有互補優勢，并且是診斷機器狀況的天然盟友。它強化了在每種技術中看到的跡象，并在突出特定磨損條件方面具有獨特的診斷優勢。