振动监测篇1
【关键词】直升机；震动；HUmS；eC225
1.直升机振动形式
由于直升机设计及工作特性，转动部件很多，不可避免地存在振动。振动来自各种活动件，桨叶、传动机构、发动机、这些振动对机体结构产生应力，缩短部件的使用寿命，影响直升机的舒适程度，对安全威胁很大.本文主要分析来自于主桨及尾桨振动。
振动为一种快速的振荡运动。这样的振荡运动可以表述为：如左下图振动曲线，位移或振幅、频率。直升机描述旋翼系统中的振动水平，常用振动频率与旋翼旋转速率相比较。每圈一振：在旋翼旋转一周发生振动5个循环，也就是5R振动或者比率为5：1。
现代直升机通常使用了震动监控系统，可以采集到整机不同部位震动的频谱。这对于分析全机震动很直观。如右上图，可以在不同的震动频率看到振幅大小，不同频率通常指向不同的部件，震动值的突变，常可以发现部件的功能损伤失效。
2.引起振动的原因
转动部件的振动频率一般与部件的转动速度有关，而直升机上部件的转动速度各不相同，因此振动频率是识别振动来源主要指标。振动按频率一般分三类：低频振动，主要来自于主桨系统，中频振动，主要来自于尾桨系统，高频振动，主要来自于发动机和高速传动轴，一些固定频率的震动也指向特定转动附件。根据振动的幅度大小，再辅助以转动速度、飞行速度等其他因素，可以准确地找到振动的原因。
2.1低频振动
对各种主桨系统来说，最常见的振动原因是桨叶锥体偏差。锥体是指直升机所有桨叶叶尖转动轨迹都在一个平面内，首先应该在地面进行桨叶锥体的检查，合格后，再进行悬停状态的检查。一般振动可以分为两种形式：
垂直振动：是由于桨叶产生的升力不相等，即主桨锥体超标而引起，与飞行速度有直接关系，飞行速度越大，振动越大。如果振动发生在低速状态下可以通过调节变距拉杆长度来减小振动；如果振动发生在高速度状态下，调节桨叶调整片角度来减小振动值。频率匹配器失效也可产生意外震动。
横向振动：因主桨系统平衡超标而引起，与主桨转速有直接关系。如果振动随着旋翼转速的增大而增加，是展向平衡超标，应该在轻的一端加配重，通常有重量平衡片或铅沙。如果振动随着转速减小而增大，是弦向平衡超标引起桨叶后掠过大。频率匹配器设定及相位不正确，也会产生横向震动。
2.2中频振动
尾桨转速高，中频振动一般由尾桨引起。尾桨出现缺陷，中频振动值很可能超标。以下列举一些常见起因：尾桨组件不平衡、尾减速器传动轴同轴度偏离设计值、水平安定面连接点松动、减速箱齿轮磨损。
2.3高频振动
高频振动是由高速运转部件产生，如发动机，有一些传动部件的转速与发动机相同，如：自由轮、飞轮机构、连接发动机与主减速箱的输入轴，进行高频振动分析时，这些部件也应被考虑为潜在起因。
3.主桨锥体校正
“打锥体”的定义就是尽量使所有主桨叶片翼尖轨迹在转动中处于同一平面上的过程。
锥体调整可以采用以下两种方法中的一种，或者同时两种：
地面锥体调整一般是通过调整变距杆的长度来实现。通常情况下的做法是将飞行控制系统以及变距杆恢复到其基准状态下，重新进行锥体检查。维护手册中通常会给出每个变距杆调整量相对于翼尖轨迹的移动变化量。调整量的单位通常为“圈“，维护手册还会注明变距杆伸长或缩短的最大允许长度。如下图欧直eC225飞机旋翼给出的固定Δi值，就是转动变距拉杆i/10圈，调整翼尖轨迹的同时还有调整了桨叶的攻角。经过这个粗调，翼尖旋转轨迹基本在同一平面了。
飞行锥体通常通过调整固定安装的调整片来实现，进行微小的锥体调整。主桨叶通常会有6到9片调整片，有二片是用来进行飞行锥体调整的，其它的都是不可调的，保持出厂时设定的状态。维护手册中会给出调整片的最大允许调整量，如eC225直升机最大调整量是正负7度。下图所示，左面的桨叶当将调整片向下扳动调整后，将会使桨叶迎角变大；右面的桨叶当将调整片向上扳动调整后，桨叶迎角变小。
桨叶后缘调整片
使用“弯板器”和量角器对调整片进行调整。弯板器必须与需要进行调整的调整片尺寸长度是一致的，这样调整时整个调整片都被扳动，而不会造成变形或裂纹。
4.尾桨叶锥体校正
应用于主桨叶锥体检查中的方法也可以应用于尾桨叶锥体检查中。尾桨叶片一般没有桨叶后缘调整片，锥体调整一般通过改变变距杆长度来实现，通过调整置于偏心的重量调整片，也能达到一定效果。
5.机载震动监控系统
大型现代直升机加装了直升机应用及监控系统（HUmS）。该系统是用来监控一些影响飞行安全的参数。其中的一部分就是探测及记录桨叶、传动机构和机体的振动水平。
图示欧直eC225，有多达23个加速度计来探测传动机构振动的幅度，频率，方向。3个探测主桨；2探测尾桨，4个探测发动机上，另外有11个探测机体振动，主要探测各个减速器、传动轴、滑油散热风扇轴的震动。
飞行后的报告对分析振动很必要，数据通常包含（下转第186页）（上接第142页）振动出现位置、振动的频率、幅度、发生的阶段、飞行速度等、有无直接后果等。下载机载CmDR上的数据至地面站分析，可以看到振动水平，与设定的阈值比较，常可以发现潜在的故障，可以大大节省排故时间，提高直升机维护的质量。如上图0.25ips黄色的提示阈值，0.35ips的红色警告阈值。一旦震动指标跨越了红色警告区，必须仔细检查飞机，判断出失效部件，进行必要的维修处理。[科]
【参考文献】
[1]eUrocoptereC225mmaR24，2013，8.
振动监测篇2
传感器原理及结构
光纤光栅传感技术使用的核心敏感元件是光纤Bragg光栅（下文简称FBG），FBG传感的基本原理是：当FBG周围的温度、应变、应力或其它待测物理量发生变化时，将导致光栅周期或纤芯折射率的变化，从而产生FBG信号的波长位移，通过监测波长位移情况，即可获得待测物理量的变化情况［7］。图1为FBG的传感原理。基于FBG的应变传感原理，在对悬臂梁结构改进的基础上，设计了一种“L”型结构的光纤光栅振动传感器，如图2所示，传感光栅一端直接固定在外壳上，另一端固定在“L”型杆上。同悬臂梁结构相比，这种结构设计的主要优点有两点：1）避免了栅区粘贴带来的光纤光栅反射波啁啾或多峰现象；2）振子产生相同振幅时带来栅区变形更大，使灵敏度提高。合理调整人工阻尼可以使传感器有较宽的频响范围，幅值和相位失真均较小，并且人工阻尼的存在延长了使用器件的寿命。
FBG振动传感器实验
光纤光栅振动传感器的实验研究主要测试幅频特性和灵敏度两个参数，采用了丹麦B＆K公司的振动激励和信号采集等设备。在试验中，采用Lan－Xi振动分析系统自带的信号发生器来产生一定频率的加速度信号，通过标准加速度计来准确测量当前加速度值。将光纤光栅加速度传感器固定在振动台上，其波长变化通过BGD－4m型光纤光栅解调仪解调出来，并显示在计算机软件界面上。
1传感器幅频特性
在传感器幅频特性测试中，通过调节振动台来输出1m／s2的恒定加速度值，输出频率从3Hz开始，每递增5Hz为一个步长。在测试过程中，不断观察光纤光栅解调系统输出波长的变化，以确定传感器的固有频率和测试范围。实验（图3）显示，在3～60Hz范围内，1m／s2的加速度引起的光纤光栅波长变化在86pm左右；在90Hz时，波长变化超过270pm；90Hz以后，随着频率的增加，光纤光栅波长变化开始下降。通过对多组传感器进行测试，结果基本符合上述测试情况。这表明，传感器的固有频率多维持在90Hz左右，曲线平整段为3～60Hz范围，即传感器的工作频率范围为3～60Hz。
2灵敏度参数的标定
由于只采用了1个光纤光栅作为传感元件，因此该传感器用于振动测量时，必须考虑环境温度变化的影响。为了解决这个问题，在进行标定数据处理时，以光栅反射波峰与波谷的差值（峰－谷）作为输出信号，该方法的优点在于：1）提高了传感器的灵敏度；2）实现了温度的自动补偿。当环境温度变化时，光栅反射峰将会整体移动，因此，峰－谷与温度变化无关，从而达到温度自动补偿的效果。振动加速度传感器的灵敏度标定，选择了多个测试频率，在每个测试频率下，通过改变振动台的激励加速度，使光纤加速度传感器在不同的加速度下运行，通过提取波长变化量来求取传感器的灵敏度。其中20Hz下的灵敏度曲线如图4所示。从图4可以看出，传感器的波长变化量与加速度值具有很好的线性关系，该传感器的灵敏度为81．9～87．4pm／（m•s－2），与幅频特性曲线测试结果基本一致。加速度测量范围大于25m／s2。
FBG振动测试系统工业性试验
1传感器布点及安装
工业性试验的对象是对称平衡两缸往复式压缩机，监测参数是气缸表面振动和气阀表面温度，测点布置如图5所示，在两气缸的表面分别安装了垂直、水平和轴向的FBG振动传感器来监测气缸的工作状态，另外，在每个气阀的表面安装光纤温度传感器。传感器均采用磁铁吸附式安装，既保证了对测量结果无影响，也方便了传感器的安装、拆卸和移位，不影响设备的维修、保养，如图6所示。
2监测系统组成
如图7所示，往复式压缩机的光纤振动监测系统由硬件部分和软件部分构成。硬件部分由光纤传感器、光纤光栅解调仪、网络通信设备和计算机等构成；软件部分包括各种硬件设备驱动、控制、通信软件以及压缩机状态监测专家评估软件，同时还包含对所测量的数据进行处理的数据库管理软件等。由软件和硬件系统密切配合实现往复式压缩机工作状态的长期健康监测及状况评估功能。该机组的基频为333／6＝5．56Hz，文中研制的“L”型FBG振动传感器的最高频响可达到60Hz，信号解调选择BGD－4m波长解调仪，最高采样频率为400Hz，均满足往复式压缩机振动监测的需要。图8为系统拓扑图，现场光纤振动和温度监测信号经光缆汇集传回监控室接入光纤光栅解调器，将采集、软件分析处理后的结果存入服务器，通过本地客户端计算机进行实时监控和查询，该系统留有互联网接口，通过互联网，还可实现远程访问和控制。
3数据分析
为了检测光测法的测试效果，采用电测法与光测法进行对比测试分析。采用的“L”型光纤振动传感器输出量是加速度值，通过软件一次积分可输出振动速度值，采用频谱法分析。电测法采用地震局的941B速度档采集数据，用自功率谱法分析。图9为两种方法测得的压缩方向的振动速度谱。比较图9，可知两种方法测得的速度频谱分布基本一致，而且另外两个方向的对比结果与压缩方向相同。表1为两种方法测得的振动烈度值，根据GB／t7777—2003《容积式压缩机机械振动测量与评价》可知，上述振动量值均在正常允许范围内，因此压缩机的工作状态正常。分析上述测试数据，可得出：1）光纤振动在线监测结果显示，目前气缸端盖3个方向的振动烈度中，压缩方向最大，垂直方向次之，水平方向最小；2）压缩机组正常工作时，其振动频谱包含以基频（转动频率）为主的各阶谐波分量，振动能量主要集中在60Hz以内；3）光纤振动在线监测系统试运行结果表明，压缩机端盖3个方向的振动烈度值和振动频谱稳定，按照压缩机的国家标准评价机组状态是正常的；4）该项目中采用的磁铁吸附式安装方式，使传感器的安装、移位和拆卸非常方便，且不会影响传感器的测量精度，非常适合大型机械的振动状态监测；5）虽然压缩机组的振动监测方法和手段多种，测量结果也基本接近，但适合长期、远程、在线监测的并不多，该系统近1年的运行情况证明了光纤振动监测系统很好地实现了上述功能，而且它的抗电磁干扰能力和本征安全的特点非常适合在石化行业中应用。
振动监测篇3
【关键词】减定径；监测系统；振动
引言
高线设备稳定对高线生产有着重要意义，线材减定径是高线生产线中的关键设备，其运行状态直接影响整个生产系统的正常运行和安全生产。线材减定径机由于运行速度高、使用率高，齿轮箱组合方式复杂，轧机可能由于或者负载等问题造成轴承或齿轮损坏从而造成整条生产线停车。建立对减定径状态的监测系统，对减定径的振动状态进行在线监测和记录存储，对设备的维护和故障诊断有着重要的意义。
1系统概述
图1监测系统构成
线材减定径现场监测系统由本系统由一次传感器（加速度振动传感器）、状态监测系统、数据管理服务器及相应的软件等组成。在系统软件设置功能菜单中，可以对保证系统能够正常工作的各种参数进行设置，如采样频率、滤波、每个通道的名称、量程、报警上下限值和报警逻辑，故障诊断所需要的设备参数，如齿轮齿数和传动比、轴承节径、滚动体直径、滚动体数目以及电动机转速等。通过系统配置，在不改变软件的前提下，可以满足修改监测设备参数的需要。这对于需要经常调整参数的大型复杂监测诊断系统是非常重要的。
2振动检测系统
2.1传感器测点选取
线材减定径在轧制过程中，其振动特性既有一般机械振动的共同特性，又表现出其自身的特点。线材减定径传动系统通过主电机、变速箱、连接到减径机和定径机的锥齿轮箱，拖动辊箱中轧辊进行轧制。变速箱、锥齿轮箱中齿轮的轴承是故障率最高的地方，因此对减定径振动信号，尤其是轴承故障信号的监测和分析就成为在线监测的重心。
减定径的振动测试点共有32个。安装在：各轴承支撑位置的轴承座，各轴均为齿轮传动轴。
轴承类型：1）角接触球轴承；2）圆柱滚子轴承；3）油膜轴承。
轴的最高设计转速：18000r/min；
轴的最低工作转速：300r/min；
减径机上10个监测点，定径机上11个监测点，减径机变速箱上6个监测点，定径机上5个监测点。
2.2振动传感器的性能及安装
tp100通用振动加速度传感器性能指标为：
（1）灵敏度100mV/g；
（2）测量范围80g；
（3）频率范围0.5～14000Hz；
（4）工作温度-50～120℃。
振动传感器安装采用螺柱安装方式见图2，传感器应该尽量安装于轴承的承载区。如果安装存在困难，可以采用粘贴传感器底座的方式安装。但是应保证该安装方式的可靠性。
图2传感器安装孔要求
采用1/4-28通螺纹的螺柱，螺柱一端用来连接传感器，另一端端固定在机组表面，为获取准确数据，传感器要按规范安装在正确的位置；
震动加速度探头安装要求一直径最小为26mm的平坦区域，粗糙度不大于0.813umrms。平面度不低于25.4umtiR；
在该平坦区域安装表面的中间打孔攻丝1/4-28，螺纹深度不小于6mm，该安装孔垂直安装表面（误差±6分角度）；
打孔时，请保证打孔处有足够的厚度，否则可以先在一个小铁块上按照要求打孔，再将小铁块焊接在安装面上。
2.3数据采集模块
采集监测模块是一个以微处理器为核心的智能化的数据采集系统，它将各种传感器的信号a/D转换成可以接受的信号，并对振动信号进行时/频域的分析（如FFt-分析（快速傅立叶变换），或者加速度包络分析等）。将时频域分析数据发送到现场服务器。数据采集模块采用标准tCp/ip协议，每个模块具有最多提供16个振动采集通道，具有2个可组态的转速计测量通道。带有二个内置继电器输出点，可以用来进行报警输出。
可以对频率范围在1Hz～40kHz的信号进行处理，具有24位a/D转换功能，测量参数包括：RmS、峰值、平均值等。数据采集模块可进行采集定义的配置：按照固定时间间隔采集、按照固定采集时间采集、按照外部输入参数条件触发采集、按照转速条件触发采集。
3振动分析系统
现场服务器上运行专用的分析软件平台。该软件针对减定径的工作状况及轴承与齿轮箱等设备的特点，对机组主要振动参数进行监测，并通过图形曲线图表等可视化界面显示机组的振动状态信息。
图3故障分析系统
图4振动频谱分析
软件平台可以实现设备设置，包括设备档案管理，通讯配置，振动传感器采集配置，告警门限配置等。
可以显示原始测量数据，对时域和频率域的特征分析、加速度包络分析；针对各测点振动特征值的进行趋势分析。显示各振动测点的振动速度或加速度有效值、峰峰值及峰值，自动计算轧机各部件的缺陷频率及各轴的转速，并自动显示。
用户可自定义诊断规则，包括对常见设备故障的诊断规则：如不平衡、不对中、各种轴承故障、齿轮啮合故障等。可以为特定的故障设置报警；标准故障规则可自定义。可利用历史数据统计更新故障报警值，可以实现对轧机共振频率的分析。
4结语
线材减定径在线监测系统采用高速数据采集采集现场数据，对轧机的振动数据进行实时显示和存储，对齿轮箱等零部件的故障进行诊断具有重要的意义。它能够指导我们及时发现运行中出现的早期部件缺陷和突发故障，指定科学的维修计划和改进方案，避免重大设备事故发生。
参考文献：
[1]燕阳，李康，池健.在线振动分析技术在高速线材轧机锥齿轮箱故障诊断上的应用[J].机械传动，2010（7）.
[2]许杰峰，吴菊英.高速线材厂精轧机组传动系统的故障诊断[J].冶金设备，2001（3）.
[3]吕勇，李友荣，谢民.等.高速线材精轧机组轴承振动监测与故障分析[J].轴承，2004（5）.
振动监测篇4
随着科技的进步，现在大部分的钢铁企业连轧生产线上所使用的轧机都具备精密度高、安装较复杂等特点，这就无形对技术人员，维护人员等的水平提出了挑战。为了能更准确快速的维护和检修轧钢的机械设备，我们可以对轧机的重点部位进行动态振动监测，采集其振动故障的相关数据及信号，对其进行分析判断，方便以后出现故障时，能更好的、快速的进行维修。
1振动监测与故障诊断系统的基本结构
一般一套完整的故障监测与诊断系统是由多个数据传感器、智能采数器、一个数据服务器、工程师站以相关的监测和故障诊断软件组成的，其中主要对一些主要机器进行监测，如轧钢中所用到的各类减速机、轧机的齿轮座以及加热风机等等。其具有数据采集和储存、动态监测、信号分析和智能故障诊断等功能。其工作流程为：首先将安装在轧钢机器上的涡流传感器和加速度传感器输出的电信号通过数据采集箱转换为数字信号；其次通过网络通信，将所有采集的数据存储在数据服务器上，以保证数据的完整；最后通过工程师站对数据进行整理分析，进而对故障进行诊断。
2.振动故障的判断标准
判断轧钢机械是否发生振动故障，主要有三种标准，即故障类比、故障定量评判标准以及相对判断标准，而导致轧钢机械出现振动故障的原因有很多，所以对其物理现象进行准确的评判比较困难。一般来说，影响轧钢机械故障的判断因素主要有：轧钢机械的轴承种类、机械工作状态的转变、工作转速、振动故障的类型、传感器的安装部位等等。由此，我们可以得出一个结论，构造出较科学精密的故障判断标准是很困难的，所以在振动诊断标准的构建中，除了一些定量标准，还需要引入一些动态相对标准。其具体来说就是，采集不同时间段对各个相同位置的测试数据，以同样的方法，同样的环境定量测量所得的测试数据，用它们和正常状态下的工作数值进行对比分析，来以此判断是否出现故障以及故障程度。
3.振动故障的特征数据
一般来讲，轧钢机械的振动信号主要是由齿轮和滚动轴产生的，由于信号量大，传递途径比较复杂，并且受转速、负荷、工况不稳定等因素的影响，分析过程也较复杂，所以就要求工作人员要有丰富的专业知识，以及一定的工作经验，才能对特征数据进行很好的分析。由此可以看出，对轧钢机械进行故障诊断，除了对一般的波形和频谱分析外，对特征数据的计算分析也十分重要，只有通过对这些特征数据进行分析，才能得出不同振动故障的典型特征。我们可以运用数学公式，建立一个坐标系，横轴为时域方面，主要反映波形曲线特征的振动峰值、平均值、有效值、波峰因子和歪度等等；纵轴为频域方面，主要反映频谱统计特征的中心频率、均方频率等，以及反映故障特征频率的轴频及其倍频、齿轮啮合频率及其倍频、轴频与滚动轴承的通过频率等，进行分析计算。总之，故障诊断的关键就在于如何在复杂的环境中来提取有效数据，并把这些故障特征数据与正常数据进行对比分析，从而发现产生故障数据的原因。
4.故障数据的采集
从故障诊断的需要来说，采样数据是越长越好，越多越好，不同部位不同对待，一般有以下几种情况，
（1）轴承应该每三个月进行一次监测；
（2）对关键设备以及重负荷的轴承应该加大监测频率，每周至少监测3次；
（3）如遇到轴承运行数据不稳定时，应加大测量力度；
（4）对受损轴承、状态不佳轴承，也应该加强监控，直至换新的轴承。
不过一般从实际情况来看，由于快速傅里叶变换需要的时间与采样数据大小呈指数增加，并且会大量占用数据存储空间，这样会影响到轧钢机械的工作效率，所以确定每组原始采样数据长度为2048点较为合适，基本可以覆盖上述特征频率分布。数据的采集由键相信号完成，分为自动键相和手动键相。对于装有转速/键相的主轴，采用自动键相，数据采集为整周期采样方式，没转采样数据长度为2048点，这样可以避免数据严重失真的“旁瓣”效应，可以得到准确的轴频及其倍频成分。对于不能安装转速/键相的设备，采用人工键相，根据设备的实际转速，通过人工设置每块振动采集板的采样频率，以保证在数据长度不变的情况下，利用信号分析技术得到所需的故障频率，频率分析的上下跟随着人工设置的采样频率改变。
系统数据可以将采集的数据按照不同形式进行存储到数据库中，这些数据小到每小时的数据，大到每年的数据，以及变转速数据，原始比较数据和故障数据等等。其中，原始比较数据库储存设备第一次启动或维护后启动的数据，就为将来设备出现异常时作为对比分析的参照基准。还有特征数据库经过处理的波形和频谱的特征数据，则作为以后系统进行故障自我诊断的根据。
5.振动信号的分析
轧钢机械振动故障的信号分析方法主要有以下几种。
（1）时域分析：主要是指对故障波形及其特征参数、趋势分析和对比分析；
（2）频域分析：主要是指频谱及其特征参数、细化谱、倒频谱、包络分析、瀑布图等；
（3）时频分析：主要指小波变换。
由此可见，诊断轧钢机械振动故障，主要是利用波形和频谱等特征数据，如磨损后有效值增大、冲击时波峰因子增大等。
6.结语
基于振动监测的设备故障诊断技术是一门多学科交杂的科学技术，它首先是建立在大量的数学模型基础上，以及涉及到一系列的物理实验基础，如旋转机械振动的一般规律、轴承运转规律等，其次它还涉及了很多专业技术，如检测设备的工作机理和技术应用、振动信号的分析方法、故障信号的处理及分析。可以这么说，如果懂得了轧机机械振动故障的维护，基本上对所有旋转机械都是通用的。掌握了这门技术，可以有效的对设备故障做到提前发现、预防，避免故障进一步恶化，同时对以后轧机机械的维护也会带来巨大的改革，使维护工作简单准确，也减少了企业维护工作所花费的资金。
参考文献
振动监测篇5
关键词：振动数控机床数据采集监测
设备处于非正常运转状态时往往伴随着异常振动，振动故障诊断技术是利用诊断仪器和数据采集处理技术对机床的机械装置的故障原因、部位和故障的严重程度进行定性和定量的分析，是机械故障诊断的主要方法之一[1]。通过采集数控机床监测点振动信号，对振动信号进行振动频谱分析，选取合理特征参量，并经过征兆分析和诊断推理即可评估机床运行状态和定位故障原因。
一、机床振动信号采集
监测机床振动可提供实时的机床状态信息，合理布置机床的监监测点位置，才能准确反映机床的振动状态。由于数控机床的主要激振源是主轴系统，而保证加工质量的关键部件是刀架系统和尾架系统，所以必须监测主轴、刀架和尾架的振动情况，寸能反映机床的振动状态[2][3]。如图1为机床振动监监测点布置图：
图1监监测点布置图
振动信号的采集利用加速度计，本文使用的是由丹麦B&K公司制造的4370型加速度传感器，性能可靠，可以作为采集模块的传感元件。信号放大与滤波功能、a/D转换功能，可以设计专用信号变送箱和信号接口箱实现。接口箱信号连接现场前端机的信号采集卡，实现机床各监监测点振动信号的采集。
对于各传感器的安装，主轴轴承座垂直方向使用螺栓连接振动加速度传感器，测量轴承的绝对振动。在机床主轴箱的主轴颈部位上焊接加速度传感器，测量主轴相对于主轴箱的振动，并反映主轴轴心在垂直方向的跳动。在刀架上安装一个三向振动加速度传感器，测量刀架在三个方向的振动加速度，监测刀具在三个方向的振动情况，连接方式为螺栓连接。在尾架垂直方向安装振动加速度传感器，主要反映加工过程中尾架振动情况及对工件的影响，连接方式为焊接方式。
二、机床状态监测和故障诊断
数控机床振动信号处理模块对机床内部信息和外部工况信息并行采集、处理、分析后存储到一个特征数据库中，为智能诊断推理提供可识别与可利用的诊断信息，所以必须选择出一组最能反映机床运行状态的特征参量。通过对数控机床各监测点振动信号进行矩分析与自相关分析，同时对监测点振动信号进行自功率谱密度分析和StFt变换，确定频谱图上特定频率处的峰值等作为机床运行状态的特征参量。在分析数控信号的实时波形及数控工作原理的基础上，选择了信号波动度、稳定度、上升σ及电流σ等来反映数控和电气伺服系统的工作特性[4]。
在数控机床发生故障时，由前端机随时采集数控机床的运行状态和有关信息，并进行数据打包。前端机利用客户端诊断程序向服务器提出诊断请求故障信息包。通过信息传输网络将故障信息传送给诊断中心服务器。服务器收到这个信息包后，将其展开，并存储在特征数据库中提供给诊断专家系统。现场操作员通过客户端诊断软件输入故障征兆和诊断请求，征兆信息送达远程诊断中心后，诊断服务中心进行故障诊断推理，诊断中心产生诊断结果，返回给客户端。现场用户可以根据系统诊断结果结合自己的经验判断确定故障，如果能顺利排除故障，则将该次诊断经验作为知识通过客户端输入计算机，诊断中心从客户端取得这些信息，并作为诊断知识存入诊断知识库，以备以后诊断使用。
三、诊断实例
数控车床加工一批盘类零件，该零件最大直径为180mm，零件厚度40mm，加工时需在机床尾架上安装一个定位夹具，由于数控机床尾架行程的限制，尾架伸出悬臂较长，加工时主轴转速为450rpm。在加工过程中，操作人员反映工件加工误差偏大，切削噪声忽高忽低，刀具磨损较快。通过采集发生故障数控机床各监测点振动信号，形成特征数据文件，选取数控机床主轴、刀架、尾架处监测点的振动信号，显示监测点振动波形，对各监测点振动信号进行短时StFt变换，显示振动信号的频谱分布。
诊断系统获取频谱图上特定频率处的峰值等作为机床运行状态的特征参量。通过这些参数来判断该机床与加工质量密切相关的机床主轴、刀架、尾架的振动情况，归纳机床故障征兆表现规则。对机床各监测点振动信号进行烈度分析，从表1可以看出，机床尾架振动峰值为0.019，超过危险值，刀架振动峰峰值为0.0739，超过诊断系统设定的警告值。
表1主要特征参数的监测点值
利用特征数据文件，归纳推理机床故障征兆并利用诊断模块诊断故障，结果为：定心尾架偏心或尾架刚度下降。诊断结果表明由于定心尾架存在偏心，尾架系统总体刚度下降造成加工质量下降，经维护人员进一步分析，造成故障的深层原因是由于尾架上定位夹具安装不精确造成偏心的存在，另外由于尾架悬臂伸出太长，引起尾架系统刚度下降，通过重新安装定位夹具消除偏心，增加中心支撑加强尾架刚度，机床恢复正常，零件加工质量得以保证。
参考文献
[1]张魁林.数控机床故障诊断[m].北京：机械工业出版社，2002
[2]韩西京，史铁林，李录平等，故障诊断中几种征兆自动获取技术研究，华中理工大学学报1997.Vol.25（8）
振动监测篇6
随着我国水电事业的发展，大型机组的投产，各种容量的机组数量不断增多。如何保证水电机组运行稳定是人们普通关心的重要问题。而现阶段我国水电机组的检修一般实行计划检修制度，不管设备状态如何，到期必修，由此造成大量的资源浪费。这种传统的预期维修体制已经不能满足现代维修、运行、管理的要求。水电机组设备庞大、结构复杂、故障的诱因繁多，虽有一些故障不一定以振动形式表现出来，但统计资源表明，水电机组约有80%的故障或事故在振动信号中有所反映[1]，例如水电机组下机架的振动参数表示在转动部门的平衡情况，其振动的极频分量说明发电机电磁振动情况等。因此，振动监测是目前应用最为普通和有效的方法[2]，通过对这些振动信号的分析，充分发掘其中所包含的故障信息，对水电机组的安全生活、决策具有重要的实际意义[3]。
水电机组的振动监测可由传统仪器系统构成，如图1所示。系统功能是由厂家事先定义且固定不可变更功能的传统仪器完成。由于传统仪器听功能缺乏灵活性，有时尽管资金投入很大，但仍很难满足任务的不断变化所产生的多样化的需求。而虚拟仪器技术改变了这种状况，它开创了仪器使用者可以成为仪器设计者的新时代。虚拟仪器就是通过软件平台构造与真实仪器物理面板相类似的虚拟面板，硬件不再是系统的主体，它只是在其中实现信号的输入输出，而由功能强大的软件完成信号的采集、分析处理和结果显示，实现了“软件就是仪器”的理念。虚拟仪器用计算机软件代替传统仪器的某些硬件功能，用户可以根据需要定义仪器的功能，虚拟仪器性能的改进和功能扩展也只需进行相关软件的设计更新，而不需要增添新的仪器。因此，虚拟仪器技术具有开发周期短、成本低、维护方便、灵活、功能强大、用户可自行定义等特点[4]。
1系统硬件结构
本系统的硬件由传感器、SCB-68接线端子盒、pXi-1010组合机箱、SCXi-1125可编程隔离放大模块、SCXi-1141可编程低通滤波模块、SCXi-1140采样/保持模块、pXi-6052e数据采集卡、pXi-pCi833X计算机控制pXi模块、mXi-3光纤通信模块、DFe-530tXi网络适配卡等组成，其硬件结构如图2所示。
1.1振动传感器的选择及安装
水电机组与火电机组相比，水电机组的额定转速较低，尤其是水力因素引起的振动频率更低。水电机组振动信号属低频信号。由于振动传感器现场环境恶劣、电磁干扰大、温度变化大，且传感器支架本身长期颤动会增加测量的误差，因此需选择可靠性高、抗干扰能力强、精神度高及性能稳定的振传感器。为了避免因振动传感器安装造成附加误差使测量值失真，振动传感器应合理安装。本系统在测量轴摆度时，选择电涡流传感器，它利用电涡流效应测量位置，具有非接触测量、抗干扰能力强的优点。将电涡流传感器安排在轴承壳体上，衽相对测量，测点位置可选在上导、下导、水导和推力等处，并各安装两个互为90°的电涡流传感器。在测量机架和项盖等振动时，选择地震式传感器。它测量基座所连接物体的绝对振动，具有抗振和高稳定性的特点。地震式传感器可直接固定在机壳上，安装应尽量靠近转轴，并尽可能避开母线出线等电磁场较强的位置，测点可选取在上、下机架和推力机架等处，各安装两个地震式传感器，分别对相架水平方向和垂直方向的振动进行监测。系统中采用光电式接近开关获取键相信号，确定整周期采样的基准点。此外，为便于分析振动与压力、工作水头和上、下游水位的关系，还应安装有功功率、压力、上、下游水位相应的传感器。
1.2数据采集模块
在数据采集领域中，有基于多种pC机总线的pC-DaQ数据采集卡，也有基于VXi总线的各种数据采休模块。但是在GpiB、pC-DaQ和VXi三种虚拟仪器体系中，GpiB实质上是通过计算机对传统仪器功能的扩展与延伸；pC-DaQ直接利用了标准的工业计算机总线，没有仪器所需要的总线性能；而一次构建VXi系统需要较大的资金投入。pXi是1997年ni公司推出的一种全新的开放性和模拟化仪器总线规范，它将CompactpCi的集成式触发功能与windows操作系统结合在一起。在保留pCi总线与CompactpCi模块结构功能的基础上，增加了系统参考时钟与触发器总线等，加之熟悉的windows环境，使得pXi系统更适合构建工业自动化测控系统。基于pXi总线规范构建的系统将pC机的性介比优势和pCi总线面向仪器领域的扩展结合起来，成为一种新型的虚拟仪器系统。pXi除了具有VXi基本相同的性能外，还具有开发周期短、价格低、易于组建便携式自动测试系统等特点。
本系统中数据采集通过现场传感器将各个测量点的信号经过SCB-68接线端子盒将信号送到信号调理模块SCXi-1125（可编程隔离放大器）、SCXi-1141（可编程低通滤波器）、SCXi-1140（采样/保持放大器）进行信号调理；最后将经过信号调理的信号送到数据采集卡pXi-6052e（16路单端/8路差分模拟输入、采样频率333ksps、2路模拟输出、8条数字i/o线、2路24位计数/定位器）进行数据采集。数据采集卡pXi-6052e上的位计数/定时器的抗干扰能力不强，为了弥补这一不足，可利用LS7084芯片和电阻、电容组成一个滤波表路，消除由于噪声和振动等造成的干扰。
1.3计算机控制模块
本系统采用了ni公司的组合式机箱pXi-1010（8个pXi/ComactpCi和4个SCXi插槽），零槽控制模块采用pXi-pCi833X。pXi-pCi833X采用mXi-3技术。mXi-3技术是一种pCi总线之间的连接技术，它采用标准pCi-pCi桥技术及1.5Gbps高速串口连接，为pXi控制引入了更加快速方便的扩展方式。mXi-3技术不仅可以进行pXi/CompactpCi机箱之间的连接，而且可通过主控计算机直接控制pXi系统。在本系统中将pXi-6052e数据采集卡采集到的数据通过pXi-pCi833X模拟和传输速率高达132mbps的mXi-3光纤通信模块传送到现场计算机。mXi-3包含了一块插在现场计算机中的pCimXi-3板卡和插在pXi-1010机箱控制槽内的pXimXi-3模块，两板卡通过光缆相连，实现pXi-1010机箱内的各模块与现场计算机的通信。mXi-3技术可实现200
m距离内信号传输，解决了现场计算机与数据采集模块之间信号远距离传输的问题。现场计算机通过DFe-530tXi网络适配卡与网络远程监控终端相连，实现远程监测。2系统软件结构
本系统选择ni公司的LabView6i作为开发工具，它采用图形化编程方案，也称为G语言。LabView提供了丰富的函数及子程序库，从基本的数学函数到高级分析库（包括信号处理、函数、滤波器设计、线性代数、概率论与数理统计、曲线拟合、傅立叶变换、小波分析等），通过这些函数及子程序库，可以实现硬件系统的软件化，设计出符合技术要求的振动监测系统。本振动监测系统所用的数据采集卡为ni公司的产品，可以使用LabView提供的大量数据采集子程序，无需为数据采集卡编制驱动程序。另外LabView的附带网络工具套件，方便了远程监测的设计。
LabView开发环境由前面板和流程图两部分组成。前面板是人机交互的图形用户接口，集成了多种常用的控制对象（如开关、按钮、示波器、指示器、定时器等），它相当于实际仪器的操作面板。设计时只需从控件库中选取所需的控件，并为它们设计合理的属性（例如尺寸和量程等）和具体放置位置。这些属性和位置可通知程序方便地调整。前面板的合理设计有助于振动监测系统功能的实现并方便操作。因此前面板应设置多段开关以实现不同的数据处理方法，前面板主要部门是显示图形和数据，可采用多窗口完成不同信号的同时输出，前面板还应有控制窗口和开关，以实现对振动监测系统的操作。流程图则是程序的图形化源代码。设计时从函数库中选取所需要的函数图标，并按照数据在程序中传递的顺序把它们和控件图标的位置统一编排好，再用连线工具将图标连起来。系统软件采用模块化设计，其系统软件功能模块如图3所示。采用模块化设计有助于软件的设计和日后改进升级[5]。
2.1“谱泄漏”现象的消除
在运用傅立叶运算对采样信号进行变换的过程中，会引起“谱泄漏”现象。为了消除“谱泄漏”现象，提高谱分析精度，在傅立叶变换时实现整周期截断，对振动信号实行整周期采样。整周期采样是指系统的采样频率动态地跟踪信号频率的变化，以确保在采样点数不变的情况下，采样周期均匀，所采信号周期完整。实现整周期采样的关键是如何将一个完整的周期信号均匀地分成K等分进行采样，其中K为一个采样周期内的采样点数。信号周期可以通过链相信号测得，两相邻链相信号的上升沿或下降沿之间即为一个采样周期。本系统中通过软件计算机出采样时间间隔来达到均匀采样的目的。此外加窗也是减小“谱泄漏”影响的一种有效办法，对某一个信号选择一个合适的窗函数。窗函数越宽，抑制杂波能力越强；窗函数越窄，分辨率越高。
2.2信号处理和分析
利用LabView的SignalprocessingSuite专用软件包、函数和子程序库，对采集的水电机组信号进行处理和分析，主要包括非线性变换、数字滤波、时域分析、频域分析、小波分析、轴心轨迹分析等。
（1）非线性变换：由于传感器结构的特点，它输出的直流电压值不是完全线性的，这就造成了最终距离参数难以直接获得。采用同线拟合办法可以很好地实现信号的非线性变换。
（2）数字滤波：为了弥补硬件滤波器的不足，提高设备的可靠性，采用谐波去除法作为软件滤的方法。运用ReFFt（）函数对现场采集的信号进行快速傅立叶变换，在生成的幅值频谱中将事先规定的截止频率以上的频率成分设为0，然后在运用ReinvFFt（）函数进行傅立叶反变换，求出滤波后的时域数据。
（3）时域分析：主要是时域波形显示（包括实时数据随时间变化图及局部放大及缩小）、波形特征值的计算（包括计算振动/摆度的峰峰值的均值、方差等）、相位分析（包括测点信号的相位随时间变化及不同测点之间的相位差）及其相关分析（通过两个量之间相关变化找出自变量如水头和开度等对震动/摆度的影响）等。
（4）频域分析：将整周期采集的信号进行快速傅立叶变换，得到振动信号的频谱。分析功能主要有幅值谱分析、功率谱分析以及频谱图（包括频谱分量的最大值及该最大值发生的频率）的计算和显示等。
（5）小波分析：傅立叶变换对水电机组振动信号中出现的奇异点有时难以准确识别，而这种奇异点的出现，通常又与故障的发生紧密相连，而小波分析在噪声消除、微弱信号的提取和图像处理等方面具有明显的优势，故小波分析也是水电机组振动信号分析的有具工具。应用小波分析技术对振动信号进行“细化和放大”，使振动信号更加清晰，以便于捕捉振动信号变化的特征点，尤其是对突变信号的处理优势明显。
（6）轴心轨迹分析：动态间隙显示、动/静态轴心轨迹曲线、动/静态谐波轴心轨迹曲线。
2.3数据库的设计
振动监测篇7
摘要：通过手持式测量装置检测电力变压器振动波谱信号，并用以分析绕组及铁心状态的嬗变过程。首先，利用压电式加速度振动传感器研制了手持式振动信号测量装置，并用于带电提取变压器器身、冷却器的振动波谱信号。其次，分析了不同振动源的传播途径、作用关系，并提出了针对性测点布置策略及采样方式。最后，分析不同测点振动波谱信号的时域波形、频谱，甄别干扰信号，诊断绕组及铁心状态。经现场应用、分析证实了手持式振动信号测量装置可靠，所采用的压电式加速度振动传感器可克服磁场影响，所提出的时域波形、频谱分析方法可清晰反应设备状态。
关键词：电力变压器；振动波谱；信号采集；振动传感器
引言
电力变压器的绕组变形及其引起的抗短路能力下降是严重的设备隐患，并将威胁电网安全运行[1，2]。频率响应分析法能够在变压器不吊罩的情况下检测电力变压器绕组是否变形，具有较高的检测灵敏度和准确性；但是该方法仅适用于在电力变压器停电情况下开展测试，故有碍于持续跟踪分析设备运行状态，且影响输变电设施可靠性[3-6]。
变压器振动（声响）波谱信号的特征向量是表征工况的重要参量。变压器运行时的磁致伸缩和漏磁将引起铁心叠片及绕组之间振动，并通过绝缘油和铁心垫脚将振动波谱信号传递至变压器本体（油箱）表面。其中，变压器空载时的振动主要来源于激磁电流作用下的铁心振动；负载时则还叠加了负载电流作用下的绕组振动。因此可通过监测油箱表面的振动波谱信号而评估绕组及铁心的压紧状况、绕组的位移及变形状态[7，8]，而相关标准导则也明确要求在必要时测量变压器的箱壳振动情况[9]，但是当前尚缺乏合适的检测手段及评估标准。
鉴于此，有必要研制测量电力变压器振动波谱信号的装置，并经跟踪测量设备的振动波谱信号，分析其绕组及铁心状态的嬗变过程。而本文所提的振动波谱信号测量装置在变压器测振方法，仅需将测量传感器紧贴外壳后采集信号，并在计及器身振动水平与负载电流平方值的线性关系后，即可初判不同负载电流下的振动主要因素来源（铁心、绕组）及其程度。
1变压器振动机理分析
1.1变压器振动来源
变压器振动包括本体（含铁心、绕组）、冷却器风机的振动，其中风机振动主要集中在小于100Hz的范围内。本体的振动主要来源于[10]：
（1）硅钢片的磁致伸缩引起铁心的振动随着励磁频率的变化而周期性的变化。
（2）硅钢片接缝处和叠片之间存在着因漏磁而产生的电磁吸引力引起铁心的振动。
（3）电流通过铁心绕组时，在绕组、线饼、线匝之间产生动态电磁力，引起铁心的振动。
（4）漏磁引起邮箱壁（包括磁屏蔽结构等）的振动。
随着变压器制造工艺不断的提高以及铁心叠加方法的改进（如采用阶梯接缝等），再加上芯柱和铁轭均采用环氧玻璃粘带绑扎，因此硅钢片接缝处和叠片之间的电磁吸引力引起的铁心振动，比硅钢片磁致伸缩的铁心振动要小的多。类似的经验和大量试验数据表明，直流偏磁是造成变压器振动加剧的主要原因[11，12]。
1.2不同振动原因之间的关系
由于变压器的铁心振动大小与硅钢片的磁致伸缩有直接的关系[13]，因此能够影响硅钢片的磁致伸缩的因素都将能影响铁心振动的大小。除此之外，当紧固铁心的螺钉松动，铁心硅钢片之间的压紧力减弱，硅钢片间缝隙增大，其间的电磁吸引力随之增大，铁心的振动也就会因此而增大；假设铁心硅钢片发生变形或者弯曲，也会引起硅钢片之间的电磁吸引力增大，以致引起铁心的振动增大；如果发生线饼、线匝间短路或者铁心多点接地等故障时，铁心的温度将急速升高，会导致硅钢片的磁致伸缩也急速加大，铁心的振动也将会变大。
因上述几种原因造成变压器振动变大的情况来看，铁心与绕组的压紧及变形情况与变压器的振动有很大关系，因此变压器铁心和绕组良好的压紧状态可在很大程度上减小变压器的振动。
1.3变压器振动的传播途径
变压器（油浸式）铁心绕组的振动主要是通过绝缘油传至油箱的[14]。铁心的磁致伸缩振动有两条途径传递给油箱：其一是通过固定铁心垫脚传至油箱；其二是通过变压器内绝缘油传至油箱。这两种路径传递的振动能量使变压器油箱壁（包括磁屏蔽结构等）产生振动。
变压器冷却系统的风扇、油泵等装置的振动通过螺栓或焊接与变压器本体连接方式也会传至变压器油箱。所以，变压器绕组、铁心的振动以及冷却系统装置的振动通过各种途径都会传递到变压器本体表面，从而引起了变压器本体的振动。因冷却系统的风扇、油泵振动引起的振动频谱集中在100Hz以下，故这与变压器本体的振动特性明显不同，可以很容易地从变压器整个振动频谱信号中识别出来。变压器绕组及铁心的振动与绕组、铁心的压紧状况以及绕组的弯曲和变形密切相关，因此通过测量变压器油箱表面的振动信号即可反映出变压器绕组及铁心的状况。
2系统设计
2.1振动波谱信号提取
针对以测量变压器油箱表面振动信号的目的，经过理论与实际的探讨而研制了手持式振动波谱信号测量采集装置，该装置具备振动波谱信号的接收、放大、模数转换以及数据采集、存储、显示和分析的功能。
测量系统需根据被测信号的特点来选取合适的振动传感器、设计合理的信号处理电路，将被测模拟信号变换到数据采集卡的输入范围内，并保证变换信号能准确地反映原始模拟信号中各测量分量，然后由数据采集卡进行采集和软件分析以及存储设备存储。
测量系统使用的振动传感器通常有压电式加速度振动传感器和惯性式磁电振动两种传感器。本文测试采用的是压电式加速度振动传感器，其机械电气部分采用的是压晶体的正压电效应。具体原理是传感器内部的压电石英晶体在一定方向的外力作用下，晶体面或者被极化面上将产生电荷，由此可见这是由机械能到电能的转换过程，被称为正压电效应；而惯性式磁电振动传感器则是利用电磁感应原理，可见压电式加速度振动传感器与惯性式磁电振动传感器的区别，压电式加速度振动传感器不受外界磁场的干扰，而且频响范围宽，更适用于变电站的强电磁环境下。
且压电式加速度振动传感器不局限水平和垂直的安装方式，而惯性式磁电振动传感器却需要区分水平和垂直，在通用性上略逊一筹。
在振动测试过程中，加速度振动传感器在外界振动力的作用下，首先输出±10V（供电电压为±12V）电压信号到手持式振动波谱信号测量装置，其次经前端放大电路1/2放大信号后，再由a/D转换芯片将电压模拟信号转换为数字信号，并存储测试数据。
在计算分析过程中，首先将所测数据经由傅里叶变换处理成正弦（亦或余弦）波形，进而处理提取出测量数据中的频谱进行分析检测。
2.2测点布置及采样方式
研制的手持式振动波谱信号测量装置在采集变压器本体油箱表面振动信号时分为传感器部分和数据采集部分。其测点布置策略是：首先确定a相、C相在高压侧、低压侧及侧面的测点，并确定B相在高压侧、低压侧的测点；其次，各相测点应对称，并易于定位和安装传感器。具体的采样方法是：首先将振动传感器固定在钕铁硼永磁体底座上，再将整个装置吸附固定在变压器油箱表面，钕铁硼永磁体吸附性强，且便于更换传感器位置；其次，结合变压器器身的结构特征分别采用水平、垂直方式安装振动传感器，以便客观地提取和分析振动波谱信号。测点布置策略如图2所示，其中黄色圆圈代表垂直吸附安装，红色圆圈代表水平吸附安装；实际应用安装示例如图3所示。
同时，为了排除、过滤冷却器风机、油泵运转所致的干扰频率数据，还同步测量风机运行过程中的主要频率。安装示例如图4所示。
3现场应用
利用试制的测量装置采集广西贺州220kV道石站2号主变高压侧、低压侧振动信号。图5、图6分别为变压器C相高压侧套管侧油箱表面中部振动加速度信号的时域波形、频谱，振动的测量单位为：g（加速度）。在试点应用时，设定较高的采样频率以尽可能精确地反映变压器振动频谱。由图5、图6信号频谱上可知，绕组和铁心的振动信号以100Hz为主要频率，虽仍有小于100Hz的频率成分，但并无50Hz工频成分的干扰，故可能因冷却器风机振动所致。
而图7、图8信号频谱为冷却散热系统风机在上图测量同一方向的时域波形及频谱。从图7、图8中可知，冷却器风机的振动频率主要集中在5Hz左右。
而当负荷为54.39mw时所测不同位置的振动的各频率处振动幅值见表1。
分析以上采集提取的振动波谱信号，其与理论分析结果相近，可排除提取信号中存在因电磁场影响所致的干扰；还仍有必要在长期积累数据并比对分析中进一步验证，尤其是在变压器负载调整或遭受短路电流冲击后分析振动波谱信号的变化情况。
目前设备故障诊断技术已趋于数字化和网络化，可以通过系统局域网传输设备诊断信息，甚至远程诊断，实现设备状态监测和故障诊断信息的异地传输，诊断的精确度也有提高。在装备上也出现了虚拟诊断仪器。也有些诊断系统还安装了报警系统应用在客户端。同时设备通过在线网络及时上传数据可保证信号的即时性。
4结论
基于压电式加速度振动传感器能够克服电磁场干扰，同时不局限安装方式，并实现灵活带电测量变压器油箱表面的振动信号。此外，通过比对分析不同时期提取的时域波形、频谱还可跟踪分析变压器绕组、铁心的运行状态，扭转了当前运维中缺乏判断振动变化基础数据手段的被动局面。在基于振动波谱分析电力变压器本体振动的基础上，有必要针对被测设备的负荷、短路冲击电流、油温等状态参数建立一套变压器数据库，使之成为评估绕组及铁心压紧程度、绕组位移及变形的可靠依据。
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振动监测篇8
关键词：铁路基础设施；监测；振动传感器；数据采集
中图分类号：tn919文献标识码：a
0.引言
进入21世纪以来，我国铁路建设发展迅猛，取得了良好的经济与社会效益。随着铁路运输速度的迅速提升，再加上其相对方便舒适的环境和价格上的优势，势必能吸引越来越多的人选择铁路作为他们旅行的交通工具，然而，伴随着铁路运输的飞速发展给人们带来的交通上的快捷与方便，车体与铁轨的振动故障对公共财产及人身安全构成了前所未有的威胁。
伴随着我国铁路立体跨越式的迅猛发展，轮轨间激扰力与激扰频率随着车辆行驶速度的不断提高，逐渐增大，变宽，结果会造成电机等吊挂设备和车内设备的高频高幅振动，引起车体设备振动能量的急速加剧。如果超过了铁路各设备所允许的振动强度范围，未来的工作性能指标及使用寿命将会受到过大的动态载荷和噪声的严重影响，情况越发严重会导致零部件的早期失效。当前大量事实表明，在长期作用的情况下，铁路振动故障可能会导致货物破损，轨道破坏，列车脱轨等危险情况。为确保铁路“安全、经济、快捷、舒适”的特点和优势，铁路建设要不断发展完善其各项功能，才能在越发激烈的市场竞争中取得优势，因此，各国都加强了对铁路振动的检测及分析，也增加了对其的投入力度。
今年我国对铁路振动检测领域的人力物力投入有明显增加，并且研究范围扩展到众多方面。以往铁路振动检测系统只配备在一些重要单位或者要害部门，而在2000年以后，各个铁路站段及各个振动检测站点基本都已经涉及发展应用到。铁路振动检测系统的重要性越来越被人们所认可，近些年又不断完善各项相应的标准和规范。为了保证铁路的运输安全、高效舒适的科学发展及以人为本的发展要求，确保铁路的优势和特点，如何准确检测高速铁路的振动并判断故障是摆在铁路工作者面前不容缓的实际问题。
1.数据采集系统设计方案
如图1所示，本论文用于铁路基础设施监测的振动传感器数据采集系统主要由下位机系统和上位机节点两个大的部分组成。系统设计方案的结构框图下位机系统里包含了振动传感器数据采集模块、iiC实时数据传输模块、微处理器模块和电源模块五个单元。
振动传感器把接收到的振动信号数字化，通过iiC数字传输方式，将数据发送给微处理器Stm32F103Zet6。微处理器作为控制单元，用于接收振动传感器数据并进行数据处理分析计算，通过RS-232串口通信，运用maX3232电平转换芯片及CH340RS-232串口转USB芯片，实现了XYZ三轴振动数值发送到上位机进行控制显示。因为目前个人电脑上已很少有串口，所以我们使用RS-232串口转USB口芯片CH340G，数据可以从USB口进入pC上位机。由于每一个节点的检测范围有限，使用多个这样的节点共同检测则可以扩大系统的监测范围，提高系统的整体工作性能。整个铁路振动检测系统是由多个下位机节点互相协作共同完成系统功能的。
2.系统硬件设计
2.1系统硬件设计思想
本论文的铁路振动检测系统是由振动传感器数据采集模块，iiC实时数据传输模块，微处理器模块以及RS-232有线通信模块和电源模块组成。
振动传感器数据采集模块对铁路振动的振动数据信号进行实时采集，将采集到的数据数字化，并通过iiC实时数据传输方式与单片机处理器通信，接着单片机处理器模块将采集的数据进行数据处理分析，通过有线通信模块上传到上位机进行实时显示及存储，为铁路振动故障的判断提供合理依据。
微处理器中有数据处理分析算法的设计，完成对采集到的实时振动信号进行数据处理分析，判断当前得到的振动数据是否在铁路设备所能产生的振动范围之内并对数据进行干扰点剔除，去直流及多项式趋势项和平滑处理，计算出与自然坐标系夹角的角度，使整个铁路振动检测系统的性能与数据准确性得到大幅度提高，很大程度上降低了系统的错误上报率。
2.2系统介绍
如图2所示，系y硬件部分可以分为五个部分：振动传感器数据采集模块、iiC实时数据传输模块、微处理器模块、RS-232有线通信模块和电源模块。
数据采集模块：由单片机处理器模块发出相应的控制指令配置振动传感器的控制寄存器，内部控制寄存器来决定信号的采集速度、通信方式、数据输出格式与带宽，振动传感器根据内部控制寄存器的值按要求采集振动信号。
实时数据传输模块：振动传感器采集的实时数据通过iiC传输方式，将数据发送给处理器，为之后的数据处理分析奠定了基础。
微处理器模块：主要工作是通过系统软件控制数据采集模块完成振动数据信号的采集，并对数据进行处理分析，然后控制RS-232有线通信模块将处理完成的数据上传至pC上位机进行显示及存储。该模块是振动传感器数据采集模块和RS-232有线通信模块进行联系的核心部分。
RS-232有线通信模块：将微处理器模块处理完毕的数据，通过RS-232串口通信的方式传递给上位机，上位机会自动显示及存储数据，供振动故障的判断使用。
电源模块：通过该模块，将5V外部直流电源转换成系统所使用的3.3V电源。
结论
本论文设计了一套铁路振动检测系统，该系统采用下位机整体检测模块pC上位机整体控制数据流向，并对上传的检测数据进行显示保存。从与传统检测方法的比较来看，它能够更加高效、深入、细致的对铁路振动信号进行检测、处理分析及显示存储，并为铁路振动故障的判断提供可靠依据。
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振动监测篇9
关键词风机；振动方向；运行状态；三维技术
中图分类号tH44文献标识码a文章编号1674-6708（2012）71-0142-02
0引言
目前，燕山石化水务气体管理中心五供水车间共有冷却塔风机72台，是循环水系统的关键设备，尤其是在夏季生产满负荷运行无备机的条件下，其运行的稳定性关乎生产不容有失。风机运行的振动情况是影响风机运行稳定性的首要因素，并且绝大多数影响因素最终都会通过振动的变化情况体现出来，因此对风机运行的振动情况进行监测是掌握和判断风机运行状态的主要手段。而在振动监测所涵盖的振动大小、振动方向、振动频率、振动带宽、振动量纲等诸多因素中，尤其不能忽视在不同方向上产生的振动对风机运行安全造成的影响。振动监测的首要任务就是尽可能找到振动发生的方向和其最大值。然而，现有的风机状态监测设备仅能监测到探头与轴向方向垂直的某一方向振动数值的变化情况，单一方向上的数值在判断风机运行状态变化趋势时提供的参考作用十分有限，其数值不具备真实有效性，因此我们迫切需要一种能够更加真实地反映风机运行状态的监测手段，于是引入了三维状态监测的概念。
1三维状态监测概述
根据“国际标准化组织iSo-2372标准”对风机类设备安全监测的规定：风机各部位运动摩擦部件所产生的复杂振动监测量应该与振动能量成正比的振动速度的真有效值（RmS），振动探测的频带范围应满足10Hz～1000Hz，而振动方向的探测则应当是全方位的。
设备运行时的振动情况是十分复杂的，影响振动的因素也是多种多样的，但最难以捕捉的是振动发生的方向，振动在经过叠加后最终会在某一个方向上产生一个最大值，而我们所要捕捉的就是这个最大值的发展趋势。一维的状态监测局限于某一个方向，在与这个方向垂直的平面上发生的振动便无法进行监测。当振动的方向与这个平面呈一定角度时，我们只能监测到其振动在这一方向上的分量，这两者都不能真实的反映出设备运行的状态，对于我们在判断设备运行状态上的帮助就十分有限。
微机械加工技术的发展为三维技术的应用提供了有力的支持，将三个方向相互正交垂直的振动感应元件置于同一个探头之内，从三个方向独立完成对振动的感应，无论振动在哪个方向上产生，其振动情况均可通过三个方向数值的变化反映出来，三个方向的数值更加真实有效，更加有助于我们判断风机运行状态的发展趋势。
2三维状态监测原理
三维状态监测就是实现在X、Y、Z三个正交方向上对振动进行监测，在一个三维的直角坐标系中，将振动的真实情况反映出来，在三维上所捕捉到的振动数值将高于一维所捕捉到的振动数值。对于振动的捕捉，可通过微机械加工工艺的振动传感器实现，传感器获取的振动信号再经由带通滤波器、变换器、放大器、真有效值（RmS）转换器，最终由电压/电流驱动电路产生4ma～20ma标准电流信号输出。
振动传感器捕捉到振动产生的波形，并将波形反馈给滤波器，滤波器将波形曲线中细小的波刺过滤掉，使波形曲线趋于平滑，变换器和放大器将波形曲线信号传递给RmS，RmS将波形中对波形中起抵消作用或被覆盖的叠加波形进行处理，最终产生一个真有效值，这个真有效值以4ma～20ma标准电流信号输出，最终与监控器配接，也可以直接与计算机数据采集测控系统（DCS、pLC等）连接使用，频带范围是10Hz～1000Hz，测量范围在0mm/s～20mm/s，综合误差±1mm/s。
基于上述原理，在原有一体化三参数组合探头的基础上进行技术攻关，开发出新型一体化四参数组合探头，它能够同时监测风机减速机X、Y、Z三个正交方向的完全振动和减速箱内部油温度。
3实验与比较
2011年12月我们在五循8台风机上使用了三维技术改造后的探头，进行对比实验，实验前我们记录了原有探头监测到的振动数值，实验后记录了改造的探头监测到的振动数值，如表1所示，从两者的比较当中不难发现，改造后的探头监测到的数值更全面的反映出了风机的运行状态。以5#风机为例，实验前探头监测到的Y轴振动数值为5.5mm/s，正处于风机振动的临界报警值，从数值上我们难以判断这台风机是否适合继续运行。实验后得出的Z轴振动数值已经达到7.8mm/s，已经超出安全运行标准5.5mm/s的范围，但最大振动发生在Y轴和Z轴之间的某一方向上，其数值大于Z轴的振动数值，因此5#风机不适合继续运行。
表1一维与三维监测数值对比情况表
通过对8组数据的比较，风机的实际最大振动并不一定发生在X、Y、Z三个方向上，根据勾股定律可以计算出其最大振动的方向和数值，并以此为依据判断风机的运行状态。根据表1中的数据，1#、4#、5#和8#风机不适合继续运行，于是我们逐台进行检修，其中1#、8#风机的齿轮间隙过大，4#风机的输入轴损坏，5#风机的输出轴轴承损坏。检修的情况印证了我们根据三维振动监测数值做出的判断是正确的，体现出三维振动监测数据的真实性、有效性和全面性上要优于一维振动监测。
4结论
三维振动监测能够方便地探测出振动物体全方位、宽频带范围内的振动速度的真有效值(即烈度值)，相对于其他单一方向的振动监测手段，数据更加全面、精确，它填补了常规监测方式无法确定振动方向和大小的空白，为风机类设备安全运行提供了有力的保障。同时它也适用于对其它各类大、中型旋转机械和运动设备，如鼓风机、水泵、轴承座、滚动磨擦体等，进行振动安全的直接测量。
参考文献
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[2]刘敏尧.风机运行中常见故障原因分析及其处理[J].现代制造技术与装备，2009，9.
振动监测篇10
【关键词】现代造纸；机械故障；诊断维修
1、现代机械故障的典型特征
从故障诊断的角度来看，现代机械故障一般有着下列特征：
1.1因果关系的复杂性
随着现代机械系统自身功能和结构变得日益复杂，造成机械故障的原因也日益复杂化。机械系统的症状、故障和原因之间经常存在着各种各样的交叉重叠，通常情况下，一个往往是由于多种原因所致。比如说，液压执行元件速度过慢，其可能的原因包括不良、执行件本身磨损、负载过大、系统内存有泄漏口、调压系统故障、导轨误差过大及调速系统故障等等。另外，某个故障源也会引起多种症状，某个症状也可能是由于多个故障源共同作用造成的。
1.2故障点较隐蔽
机械系统的失灵和损坏通常是由于发生在深层内部的原因引起的，由于大多数机械系统拆装较复杂繁琐，通常故障现场也没有有效的检测条件，因此故障源判断起来较为困难。同时由于能被肉眼直接观察到的症状毕竟有效，再加上诸多不确定因素的影响致使机械故障分析比较困难。
1.3相关因素的不确定性
许多机械系统在日常运行过程中容易受到各种各样的不确定因素的影响而发生故障，例如机械周遭环境温度的变化，电网电压的变化、机械外部环境污染物的入侵等等。这种不确定性还表现在相关信号的非线性、不平稳性及非高斯分布等。由于这些不确定因素的影响，机械系统发生故障的部位和变化也往往难以确定，致使故障的特征信息不明显，难以准确判断分析机械故障源所在。
2、振动监测与造纸机械故障诊断及维修
2.1振动监测技术简介
根据相关数据资料统计，约有60%以上的机械设备故障是由于机械振动造成的，振动与机械系统的运行状况有密切关联。随着近年来我国造纸工业的迅速发展，大型、复杂、精细化的造纸机械也得到了快速发展，因此带来的造纸机械工程振动问题越来越突出，目前许多中高速造纸机械的日常监测和维护越来越依赖在线振动监测技术。
造纸机械振动监测和故障诊断技术将采集到的振动数据利用信号处理技术对其进行分析研究，之后进行模式识别，进而判断机械设备是否存在异常，找出故障发生的位置和原因或对故障进行预测。因为振动监测及其故障诊断方法在保障造纸机械正常运行的同时，其实时性好且易于与造纸机械设备配套使用，又降低了设备维修费用从而增加了企业的经济效益，所以对该技术进行分析研究具有非常重要的现实意义。
2.2对造纸机械进行振动监测部位的主要分布
对造纸机械进行状态振动监测和故障诊断主要分为对造纸机械运行性能和造纸机械运行状态等两方面的检测诊断。
①运行性能监测是通过测量振动、压力脉冲、转速及纸张质量来进行的，其监测的主要方面是机械不同转动设备部件对造纸机在运行过程中的影响。测量点与计算机监测站相连接并对测量信号进行同步时间平均法计算，被讨论的趋势数据、测量数据及应用计算的结果会被储存。趋势数据能对频谱及时域信号进行详细的计算分析，主要用来分析不同参数的变化幅度。压区振动、纸张质量及流浆箱的压力波动是被监测的目标。这些被监测参数的变化通过各个监视设备占有比例的形式反映显示给监测人员。主要的监测点位于筛后压力测量、晒脉冲发生器、泵脉冲发生器、管束压力测量、上浆泵压力测量、压区辊子振动、压区辊子脉冲发生器、刮刀加载压力振动、辊子振动、辊子脉冲发生器等处。
②运行状态监测通过以振动测量为基础来监测造纸机械设备的运行状态。经过状态监测，可以在造纸机械出现机械故障的早期及时发现并适时安排维护修理工作，从而保障了造纸机的正常运行，减少了计划外停机故障的发生。传感器及分析站是完成造纸机械运行状态监测的主要设备。通过对振动信号的系统测量，并把测量结果用于计算时域信号、包络线和频谱。
3、油液分析技术与造纸机械故障诊断及维修
3.1我国油液分析技术的应用概况
国内最早利用油液分析来进行设备状态监测的科学研究发生于上世纪70年代末。广州机械科学研究院于1982年引进美国的FoXBoRo双联铁谱分析仪用于对机械运行状态的监测；于1983年再度从美国某公司引进了pC-320自动颗粒计数仪，应用于检测液压油和油的污染度；在1984年到1988年通过使用红外光谱技术、铁谱技术及颗粒计数技术并结合扫描电子显微镜对东风型内燃机车实施了机械运行状态监测。
3.2油液分析技术与监测设备运行状态的关系
机械所使用的油可以透露出诸多有关机械设备运行状态的信息，在机械设备正常运行的情况下对设备工作状况进行监测，通过分析被测设备在用油中的磨损颗粒及性能变化等情况能够获知机械设备的磨损颗粒状态及状态等信息，从而能够及时对机械设备的运行状况作出判断并对其故障进行预测，分析出机械故障的类型、发生原因及准备部位，为正确维修设备提供了有效的参考资料，同时也能在故障发生前进行适当修理，一方面降低了设备维修成本并减少了误工时间，另一方面提高了机械设备利用率、其使用寿命和安全性能。
3.3油液分析技术的内容
油自身性能的分析及油携带磨损颗粒分析是油液分析技术的两个主要方面。具体说来，首先收集机械设备的在用油，通过对油中的微粒进行定性定量分析及对油性质的分析来判断机械设备是否正常运行，并作出故障预报和诊断。油油品分析主要是对油品的理化指标或者说受污染的程度进行分析，主要表现在油的衰化、添加剂的污染和损耗等。磨损微粒的数量、微粒化学成分、微粒尺寸分布及几何形态是油磨损微粒分析的几个主要方面。通过该项分析能够较为准确的判断出机械设备的磨损类型、程度及位置，从而利于对机械零部件磨损机理做进一步的探究。
4、总结语
机械故障诊断及维修技术正随着科技的进步，社会的发展而不断发展，其发展方向呈现智能化和多样化。国内外众多的实践表明，振动监测技术和油液分析技术是对现代造纸机械进行故障诊断及维修的有效方法。当前的造纸机械正向着越来越大型、高速、复杂和连续发展，对造纸机械进行在线振动监测为主的状态监测和故障诊断是对机械进行预知性维护的发展必然。同时，由于我国造纸行业对油液技术在诊断和维修现代造纸机械的研究非常少，其应用远远不如振动监测技术普遍，但我们要看到油液分析技术的潜在价值和研究意义，更加注重对其的分析研究。
参考文献