故障诊断干货分享 | 如何测量机械振动？
接上期故障诊断干货分享 | 为什么监测机械振动很重要？
频谱是最重要的振动分析工具。当我们测量机械振动时，通常测量振动频谱，因为振动部件的频谱告诉我们大量有关部件状态以及振动原因的信息。那么很显然，准确地得到给我们提供如此有价值信息的频谱是很关键的。
为保证测量的准确性必须遵守什么方针? 测量应如何进行，并且应该对哪些机器应该测量? 在本章我们将回答这些问题。
读完本章后将能够:
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该文来自普迪美科技(北京)有限公司。普迪美科技是一家集研发生产、国际合作、市场营销和技术服务为一体的公司，为客户提供设备状态监测解决方案，致力于创造预测维修的价值。
目录
1 哪些机械需要监测？
在决定对哪些机械进行监测时，关键设备当然应有优先权。这与监控人体健康有很多类似，过多监控完全健康的人而放弃那些真正需要监控的人是不合适的，同样的原则适用于监测机械状态。
为了避免不可预知的和高昂代价的问题，下面的设备应当定期监测：
(a) 如果损坏，维修费用昂贵、维修时间长、修理困难的机械设备
(b) 对生产或全厂运行关键的机械设备
(c) 那些经常发生损坏的机械设备
(d) 正在因可靠性被评估的机械设备
(e) 影响人类或环境安全的机械设备
2 仪器怎样工作？
进行振动测量前，测取振动行为的传感器需要连到被测量的机器上。有多种类型的传感器可以应用，但一种加速度类型传感器经常被应用，它比其他传感器优点更多。加速度传感器能产生电信号，该信号与其相连振动部件的加速度成比例。
振动部件的加速度是什么？它是一种反映部件速度变化快慢的尺度。
加速度信号通过加速度计传递到仪器上，仪器将该信号依次转换成速度信号。取决于用户的选择，信号既可以速度波形也可以速度频谱来显示。速度频谱是通过快速傅立叶变换或FFT这一数学计算从速度波形中获得的。
下面是一个有关振动数据是如何被获取的简单图解。
3 如何安装加速度传感器？
许多机械包含旋转机构。电动机、泵、压缩机、风扇、皮带运输机、齿轮箱等都涉及到旋转机构并在机械领域广泛应用。
许多旋转机械设备由轴承支撑旋转部件的重量，同时支撑旋转运动与振动所产生的力，通常大部分的力由轴承支撑。因而毫不奇怪轴承是损坏经常发生且最先症状发展的部位。
振动测量通常在轴承处进行，把加速度传感器安装在轴承上或轴承附近。
由于有关机械状态的结论--以及由此确定是否存在金钱的耗费和人身风险，取决于测量的准确度，对于如何采集测量我们应谨慎。重要的是总要记住我们安装加速度计的方式很大程度上决定测量的准确度。
如何安装加速度计来确保测量的准确性并且保证人身的安全？如下是一些指导原则：
3.1 尽可能靠近轴承安装
想象一下假如有位医生隔着厚衣服听你的心脏并且把听诊器放在肾上而不是心脏，当他如此安放时你很可能怀疑他的诊断，因为声音被不适当的障碍物和来自他器官的噪声扭曲。
当测量振动时，应当把加速度计尽可能靠近轴承，更明确地，应尽量把加速度计放到接近轴承的中心线上避免测取到失真信号。
3.2 确信加速度计联接牢固
为了使加速度计检测到真实的振动行为，它需要准确经历与振动部件相同的振动性运动，因此，加速度计应牢固的安装在振动部件上以致它不会独立于该部件滚动或移动。一个安装松动的加速度计因它本身的自由运动将产生扭曲的信号并给出错误的信息。安装方法有很多，但依靠磁力的安装手段最为常用，因为它兼顾了测量的可靠性和对用户的便利性两个方面。要确信加速度计被牢固联接，磁座被放置的表面应当是平的。磁座应当安全的吸在表面上使加速度计指向预定的方向。
表面平整的要求，应除去表面的碎片、尘土和成片的油漆。安装表面应当是真的铁磁性材料（铁、镍或钴合金）。例如，磁座的安装不应在铝面下放置铁材料而把磁座安放在铝的表面。
为避免磁性消失，不要摔或加热磁座。另一需注意的是不要剥去加速度计和磁座上的螺纹。
3.3 确信加速度计方向正确
不同的情形要求加速度计不同的安装方向，例如，要监测平行不对中，加速度计通常被安装在轴承的径向位置，但要监测角不对中，就应安装在轴向位置。
加速度计产生的信号依赖于加速度计安装的方向，因为振动幅值在不同的方向上是变化的。
3.4 在相同位置安装相同加速度计
在一特定的测点上，总是在同一位置安装加速度计是非常重要的，这样可以减少测量的不一致，避免错误的结论。在可能的情况下，保持在一个特定的测点上总是使用同一加速度计。 
3.5 在坚固的物体上安装加速度计
加速度计永远不要安装在机器的柔性部分，否则，频谱将因柔性部件的拍动而畸变。加速度计永远不要在轻的结构上使用，否则，加速度计和磁座的重量将改变结构的振动行为。一般，加速度计和磁座的复合重量不能超过振动结构重量的10%。
3.6 加速度计的维护
若粗暴对待加速度计可能会使其产生不可靠的信号。因为磁座具有磁力，因此当安装加速度计到一表面时要十分注意，可以使磁座倾斜一定角度去接近安装表面来完成加速度计的安装。当分离磁座时，加速度计不应被用作杠杆来断开联接。相反，应当紧紧抓住磁座然后向一旁倾斜断开联接。
加速度计电缆决不能剧烈缠绕，而应该以某种方式固定防止其损坏。缠绕的或随意摆动的电缆可能歪曲被测频谱。
3.7 注意人身安全
任何时间必须对危险进行管理，当进行振动测量时，三种突出的风险以可能性或严重性排序：被运动零件伤害，电击和电磁感应损伤。
第一，当安装加速度计时，要留心不要使电缆缠进运动机械中。虽然快速释放连接器可减少危险，但不能把它当作正确安装的替代去依赖。其它能与运动机械缠绕的物品有松散的衣服、长发、数据传输电缆和背带。
第二，永不把加速度计安到高电压表面，因为可能引起电击。
第三，磁座永不靠近磁敏感物体，例如信用卡、软盘、录象带、盒带和手表，因为这些物品会被磁场损坏。
还有其它的危险，在使用仪器或其配套使用的附件前，阅读并完全理解仪器使用手册很重要。
4 如何设置参数？
什么是测量参数？
测量参数是定义如何一个测量采集的细节。通过设定测量参数，我们可以设定数据在呈现给我们之前是如何被采集并处理的。在进行振动测量前，我们需要设定测量参数。振动测量参数类似于医生在医疗检验前指定的那些“什么”和“如何”细节。
现在我们看一看在测取频谱时如何设定参数，用来测量振动频谱的参数可以被分成4类，即，参数决定：
(a) 数据如何采集
(b) 多少或多快地数据采集
(c) 如何处理数据
(d) 如何显示数据
4.1 如何采集数据
决定如何采集数据的参数是“触发类型”，这个参数被列在“传感器设置”项下。
“触发类型”这个参数告诉我们仪器如何开始测量。如果设置成“Free Run 自由运行”，仪器将不断的进行测量。如果设置成“Single单个”，只产生一个测量周期。在多数情况，仪器被设置成“Free Run 自由运行”。
4.2 "Fmax"值应设为多少
我们知道“Fmax”越高，频率范围越大，在该范围内可以获得频谱信息。因此，如果“Fmax”值高，数据可显示到高的振动频率范围。要获得有关高频信息，测量频率—或数据的采样速率—也要高。结果“Fmax”越高，测量将要更快。
频谱图拥有的谱线越多，从它获得的信息就越多。这便意味着谱线数越多，就需要采集更多的数据来产生额外的信息，并且因此会占用更长的测量时间。
“Fmax”值应设为多少？机器的运行速度越高，振动频率将会越高，那么为了捕捉高频振动行为则需要更高的“Fmax”。
当振动不涉及诸如齿轮齿、风扇叶、泵叶轮和轴承部件等旋转件时，等于10倍转速的“Fmax”值足以捕捉所有的关键信息。例如，若运行速度是1000RPM，那么“Fmax”值被定为 100,000CPM是足够了。当振动涉及诸如齿轮，风扇、泵、和滚动轴承等旋转部件时，“Fmax”值等于3倍的子部件数乘以运行速度就足够捕捉关键信息了。例如，一大齿轮被一转速1000RPM、12齿的小齿轮驱动，“Fmax”值为36000CPM就足够了。如果“Fmax”值需要很大，频谱的分辨率将会低并且属于低频振动的信息可能丢失。除了高“Fmax”测量外做一些低“Fmax”测量也可能是必要的。4.3 应当使用多少谱线
在许多场合，400线的分辨率是充足的。然而，如果使用大的“Fmax”值，这些谱线将在一个大的频率范围内展开，在谱线间会留下大的间隙。因此，对于大的“Fmax”值，为避免细节的损失就需要更多的谱线数。
然而应引起注意的是使用的线数越多，花费的测量时间越多并且占用仪器的内存就越大。因此我们只在必须的时候使用高的“Fmax”值或高的谱线数。
4.4 如何处理数据
决定数据如何处理的参数是“平均类型”、“平均次数”和“窗函数”。
假设你不得不准确测量书页的宽度。由于每页到每页的的宽度会有细微的变化，你将要可能测量不止一个书页的宽度而且还要测几页的宽度并取其平均值。
类似情况，当测量振动时，通常测几个频谱并进行平均产生一个平均谱。该平均频谱更好的表示了振动行为，因为平均处理减小了在机器振动中固有的随机变化或尖峰干扰的影响。
“平均类型”决定频谱怎样被平均，许多场合下推荐使用“线性平均”。“指数平均”通常只在振动行为随时间内变化明显时使用。“峰值保持”并不真正涉及平均但会在被显示的每条频谱线上产生最大幅值。“平均次数”决定进行平均的连续频谱的数目。用于平均的频谱数越大，更多躁声尖峰将被平滑并且更多真实的频谱峰值会显示出来。然而，“平均次数”越大，就需要采集更多的数据，并因此为获得平均频谱而花费更多的时间。“平均次数”为4对许多情况是足够了。
被采集的数据通常不直接用来生成频谱，而是要预先被修改来弥补FFT处理的局限性。数据通常通过与修正窗函数相乘得到改善，这能阻止谱线间的泄漏。“窗类型”决定使用哪种窗，通常使用“汉宁窗”。若使用“矩形窗”数据结果将不会得到改善。 
4.5 如何显示数据
要说明频谱怎样被显示，频谱的标尺需要指定。频谱的标尺决定了频谱细节是否容易被看到，且标尺由“幅值刻度”、“vDB参考值”、“对数范围”、“最大振动速度”等参数来定义。许多情况，“幅值刻度”是线性的。如果使用线性幅值刻度，那么“vDB 参考值”、“对数范围”是无关紧要的（不需要设定）。通常，“最大振动速度”应当设成“自动”以便仪器能自动选择理想的幅值刻度，从而使频谱峰值清晰可见。 
要说明频谱如何被显示，“幅值类型”也需要被指定。在第二章，我们定义了两种幅值类型—峰值和均方根值。 如果峰值被使用，频谱将在不同的振动频率处显示振动部件的最大速度。如果使用“rms”幅值，振动能量将显示在不同频率处。作为振动频谱，在某一特定频率处的峰值幅值正好是同一频率下均方根值幅值的根号2倍（约1.4倍）。因而使用哪种幅值类型不是很重要，因为可以很容易的进行幅值转换。 
建议在某个特定测量点上总是使用相同的幅值类型避免误解，把有效值幅值转换成峰值幅值会引起振动幅值的明显上升，以致可能被错误的解释成机器出现故障，相反，把峰值幅值转换成有效值幅值可能会隐藏振动幅值的真正上升。使用哪种单位由用户自己选择，或取决地理位置。在北美，通常使用的速度单位是“in/s”英寸每秒，一般使用“CPM”千周每分钟作为频率单位。在其他国家，速度和频率的单位分别使用“mm/s”毫米每秒和“Hz”赫兹。下面显示的是这些单位间的关系：
5 数据如何采集？
因为机器周围环境通常是危险和令人不适的，振动分析一般远离机器，要做到这点，经常把测量数据记录到测量仪器上，然后送到环境安静又安全的办公室进行数据分析。在办公室，数据可传到计算机进行更详细的分析。
在多数工厂，通常有许多关键机器需要监测，更进一步，为了能够分析彻底，每台机器需要在多个点上监测，每一点经常需要使用加速度计对不同方向来进行监测，并且偶尔也使用不同的测量参数。因此，在每一数据采集周期，通常需要获得大量的记录。 
要避免在办公室和机器间的不必要的往返奔波，就要先获取所有机器的记录，然后再带回办公室进行分析。
既准确又系统的获取记录是重要的，使用有组织的方法获取记录，这样就不会混淆不同机器频谱。如果被记录的频谱混淆在一起，将极有可能导致错误的结论，或许产生很高昂的代价。 
考虑到大量的记录需要获取，我们怎样确保这些记录是来自预期的位置，怎样确定这些记录被获取时彼此没有混淆，怎样确保记录没有遗漏？使用一个记录列表。一个记录清单显示了一个数据采集周期内所有需要获取的记录。它象一个详细的采购清单，在采购期间准确的指示要买什么东西。从一个记录清单中，能够看到记录是从哪台机器、机器上的哪个点、哪个方向以及使用哪些测量参数获得的。
虽然在VB仪器中的记录清单与上页所显示的不完全一样，但它有相同的信息结构。在这个例子中，“电动机A1”、“齿轮箱B2”是需要采集数据的机器，“前端”、“后端”、“输入端”等是各种机器上的测量点。“水平”、“垂直”、“轴向”和“径向”是测量方向，在括号里是使用的测量参数。注意“齿轮箱B2”需要获取两个记录，每个记录具有不同的参数组。关于记录清单的更多信息可以在VB仪器参考指南中找到。为避免混淆，在记录清单中就要为机器和测量点取独特和有意义的名字。要排除错误辨识，实际的机器和测点应当被清晰标记上与记录列表相匹配的名称。当获取记录时，应当谨慎以确保加速度计的安装方向和记录清单中描述的匹配。 
不是所有列在记录清单上的机器是同等关键的，不太关键的机器监测频 越低。如果在特定的数据采集周期只监测某些机器或测点，你可以对需要监测的机器加标签，以便只对那些加标签的项目进行记录。对记录清单中的项目加标签在VB仪器参考指南中进一步被解释。为了确保数据采集能定期进行，你应当建立一个日程表表明什么时候进行数据采集。
对大部分机器，每月应当采集一次数据，关键机器应当每周采集一次数据，对几乎不重要的机器几个月进行一次。建议开始应有一严格的计划，当获得更多经验后再进行调整。想象一下拿着购物清单却没有足够的钱买我们所需的东西并且没办法把东西运回家，采购任务的失败应在意料之中。
同样，做机器振动监测，VB 仪器需要有足够的电量和内存来完成一轮数据采集。在开始采集数据前，我们必须确认仪器有足够的电量和内存容量。（更详细的信息见VB仪器参考指南） 许多种振动问题是当机器平稳运行并展现出稳定振动型态时被检测到的。如果机器刚好启动，或者其运行速度已经改变，在做频谱记录前我们需要确认机器有足够的进入稳定状态的时间。否则，被记录的频谱将不能反映出振动机器的真正稳定状态下的行为。
当一轮数据采集完成后，被记录的数据应被传到装有ASCENT软件的计算机进行分析和存档。一旦被记录的数据已存档，就可以删除VB仪器中的数据，为下一轮数据采集增大仪器内存空间。
6 总结
在这章，我们学习了如何测量机械振动。
我们讨论了确定哪些机器需要监测的方法，以及确定机器为关键机器的要素。我们也了解了测量仪器如何工作，并描述了加速度计的功能。我们强调仔细安装加速度计的重要性，因为测量的准确性很大程度上取决于加速度计怎样安装。我们提供了如何设定测量参数的指导原则。简言之，为测量设置参数就是指定如何进行测量的细节。这包括怎样采集数据，采集多少或多快，以及被采集的数据怎样处理和显示。我们也强调了以系统的方式采集和存储数据的重要性。对一轮数据采集周期，在记录清单的协助下通常对所有机器进行数据记录，之后传输到计算机进行详细分析和归档。为帮助确保数据采集有规律地进行，你应当制定一个清晰的数据采集日程表。
