工廠預防、預修保養檢測技術探討

分類：解決方案日期：2009-06-08 10:59:45 來源：

保養單位在公司的定位 
公司存在之意義，在于現實之「賺錢」，然而賺錢之道取決于何？卻因公司之性質而異，有的公司是靠人賺錢，有的公司是靠設備賺錢，不同的性質，其組織架構也就不一樣；有的公司為求保養技術專業化，故有設備處等單位，其位階和生產部相當；有的公司以生產為主體，保養維修單位依附在生產單位之下。 
 
「保養」二字的最佳定義 
保養乃維持工廠有效作業情況之一種功能。 
引自美國羅士可教授定義「生產組織」一書 
保養乃維持整個生產系統之可靠性于一合理水平，亦即使所有機器設備能依生產計畫不停操作之意。 
引自美國伯斐教授1961年出版之「現代化生產管理 (Modern Production Management) 」 
 
保養的目的 
防止生產設備之損毀：設備如平常有良好的保養，當不易發生故障，更不會有停工、減產現象，而影響生產效率。 
降低生產設備之惡化：設備得到良好保養，使其零件，機件不易惡化，而保持一定水平，且保持產品之品質。 
延長壽命使成本降低：設備因有良好之保養，可達到預期使用年限，甚且超過，可減少修護及更新設備，而使生產成本降低，進而可保證生產計劃之如期完成。 
減少意外災害之發生：設備有完善的保養，則不易發生故障，及其結構與諸零件均能獲得適當之修正及檢查，可減少或避免意外事件發生之可能性。 
制造材料耗損之減少：設備保養良好，而性能優越，使品質提高，于制程中物料耗損及不良品自然減少，使單位成本自然下降 
 
保養組織的特性 
四級保養(預知保養) 
機器設備在不影響生產狀況下做定期量測，藉此掌握設備運轉狀況，故亦稱之為預知保養，此保養技術啟源于美國軍方，當時船艦于海上航行時，為減少當機機會，故力行實施預防保養制度，定期對設備進行更換維修，但仍常因不明之原因而造成運轉停擺，為找出設備之真正損壞原因，而發展出此保養技術。 
因檢測對象與目的不同，故有多項之量測儀器，例如：超音波測厚計、流量計、測漏計、紅外線測溫槍、熱像儀、振動計、頻譜儀、油品分析儀、電流表等。因量測結果通常需要專業人才加以分析，而分析之準確性除了須有專業之技術與經驗外，對設備構造之充分了解亦非常之重要，所以此檢測人員通常須接受更多之專業技能培養。 
其實預知保養和預防保養在執行上很類似，它都是透過時間之管制而實施的一種保養，不同的是預防保養是做定期維修，而預知保養是先做定期之檢查后，再決定是否維修。其目的是要先確認設備是否真需要維修，再尋求維修之方向。 
由于目前維修人員之缺乏，技術傳承不易，在素質不齊的情況下，保養維護成本要降低，有賴于儀器之確認設備現有狀況，如此才能對癥下藥，以避免做虛工。且其在檢查之周期可隨設備狀況之好壞而加以增減。唯檢測后之分析，需有專職之人員，目前依各技術在國際上逐漸有認證之制度形成。 
 
預知保養制度建立流程 
1.實施工廠現況評估　　　 
2.進行全廠設備分級 
3.慎選預知保養技術　　　 
4.建立預保管理體系 
5.訂立設備管制標準　　　 
6.展開全廠設備體檢 
7.建立巡回檢測周期　　　 
8.設備定檢趨勢監控 
9.損壞異常分析診斷　　 
10.全面改善問題根源 
11.持續檢測監控分析 
 
預知保養檢測技術 
振動(噪音)分析技術：Easy-Balancer雙通道現場動平衡儀、振動分析儀暨線上動平衡儀Easy-Viber、手握式測振儀Viber-A、手握式多功能分析儀X-Viber 
溫度檢測技術：美國FLIR E25、E45紅外熱像儀、福祿克Fluke Ti20、Ti30、Ti40、Ti50紅外熱像儀、福祿克紅外測溫儀Fluke61、62、63、65、66、68 
油品分析技術：VIP Oil Analyzer 
超音波檢測技術：美國SDT超音波170型設備狀態巡檢儀/設備點檢大師 
電氣設備檢測技術 
 
振動 (噪音) 分析技術 
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。 
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。以彈簧懸吊一個重物為例，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。 
形成振動的三大要素 
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 
振幅大小代表設備運轉異常狀況之嚴重性。 
頻率分布代表設備損壞或振動來源之所在。 
相位差異代表設備運轉所產生之振動模式。 
振動訊號分析 - 時間波形 
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（如下圖所示），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。 
振動訊號分析 - 頻譜 
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（如下圖所示）。 
頻譜是以振幅對頻率為坐標的方式來表現振動訊號（如下圖所示），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。 
　　目前國內振動分析人員大部份以頻譜分析作為振動分析的主要工具。 
振動訊號分析 - 模態分析 
模態分析（Vibshape) 
　　由于振動訊號對一般人較不易理解，為使復雜的訊號變成三度空間的想象仿真物體，透過模態分析軟件建構的仿真物體結構模型，可清楚簡單地了解設備 
振動的情形（如下圖所示）。 
模態分析是以振幅對時間為坐標的方式來表現振動訊號，將訊號經過相位時間變化關系，轉換形成振動節點，透過模態分析軟件將振動節點建構在仿真物體結構的模型上，而且各個振動節點振動的情形都有不同的相位時間變化，進而遷動仿真物體整體結構，如此可了解設備整體結構振動的情形。從設備上整體結構振動的情形，我們可以掌握振動根源和頻率振幅，從這項分析中，即可更準確地判斷設備的問題根源的所在及其嚴重程度。 
振動訊號分析應注意事項 
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。 
如何正確量測振動訊號？ 
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。 
振動或噪音系由機器運轉時產生，以振動或噪音的大小可決定機器運轉狀況，振動（噪音）分析技術應用的兩項特點為： 
•各個振動或噪音的頻率代表著各種不同的組件或零件的特有訊號。 
•當機器沒有問題或問題沒有惡化時，所有振動或噪音的振幅都應保持一定范圍，除非生產制程變動。 
振動(噪音)技術興起于1960及1970年代，美國海軍、石化產業及核能發電廠首先發展振動及噪音技術，藉以發現重要設備之機械問題；直到1980年代初期，振動及噪音技術與儀器才趨近成熟，然而因為噪音訊號易受外界干擾，導致分析診斷上的困難，所以唯有振動分析技術在預知保養中較為廣泛使用。 
因為振動分析技術應用范圍相當廣，效益也十分高，更因近年來微處理器技術發展迅速，儀器工具與搭配軟件越來越精良且價格越低，振動分析技術在預知保養中占有相當吃重的角色。 
振動分析儀的演進： 
第一代笨重、處理速度慢、分辨率差、功能少使用者只有軍方及少數政府研究機構 
第二代笨重、處理速度快、分辨率高、訊號分析功能多開始進入國營企業工廠使用許多研究機構開始重視發展 
第三代輕巧、處理速度快、分辨率高、訊號分析功能多、內存容量大開始進入民營企業工廠使用預之保養技術開始蓬勃發展 
第四代輕巧、處理速度快、分辨率高、訊號分析功能多、內存容量大、操作簡易、結合預修保養技術功能大規模導入民間企業，提升產業競爭力，將預知與預修技術結合，使用者普及化 
振動分析技術之應用 - 總振動值監控 
一般所設定的頻率范圍介于10至10000Hz之間，振動值大小以位移、速度或加速度為單位。ISO所訂之總振動值管制標準以頻率10至1000 Hz之間的速度值為基準。 
根據機器設備運轉所產生的振動訊號特性，加以區分頻率范圍，一般劃分5至7種不同的頻域，同時訂定各頻域的振幅管制標準或警戒值，作為監控設備狀況的基準。 
振動分析技術之應用 - 振動訊號分析 
機器運轉所產生的振動訊號透過頻譜、時間波形、相位、共振分析、模態分析等 
分析技術，配合監控技術可加 
以研判設備損壞根源，進而事 
先擬定維修保養計畫。 
 
溫度檢測技術 
溫度檢測技術亦是實施預知保養制度相當重要的技術之一，可用于監控工廠的機器設備、結構及各種系統，藉由溫度高低變化以判別設備運轉狀況。此溫度檢測技術所使用的儀器工具中，最常見的有：單點紅外線溫度槍、線掃瞄式紅外線溫度槍、紅外線熱影像儀三種。 
溫度檢測技術之應用 - 紅外線單點溫度檢測 
此種類型溫度檢測采用單點溫度槍，可以準確量測被測物表面溫度值，被廣泛使用于軸承、馬達及制程管路等處的溫度監控。此種單點溫度的趨勢監控記錄最易與振動的趨勢記錄連結并用。 
溫度檢測技術之應用 - 線掃描式紅外線溫度檢測 
此種類型溫度檢測采用線掃描式紅外線溫度槍，以一次元單線式掃瞄溫度，一般用于比較溫度的差異，無法準確測得溫度值，在三種溫度檢測儀器中，此種溫度槍較少應用于預知保養體系。 
溫度檢測技術之應用 - 紅外線熱影像檢測 
此種類型溫度檢測采用紅外線熱影像儀，其所應用的原理不同于一般紅外線溫度槍，透過攝影機式的溫度分布影像掃瞄，可以很快地檢測出異常溫度位置，其缺點是需要極大的內存來儲存熱影像圖片，目前由于微內存科技發展迅速，已經可改善內存容量不足的問題，而可以適合于長時間保存。 
 
油品分析技術 
油品分析技術主要在于機器運轉時之摩擦、磨耗及接觸表面潤滑狀況分析，同時診斷各種磨潤問題，諸如：油中污染物侵入、潤滑油選用不當、異常負荷及異常磨耗等。所謂「設備保養始于給油，終于給油」，適當的潤滑管理及磨潤檢測分析有助于延長機器壽命、防止故障，進而可減低磨耗，提升機器運轉效率。 
油品分析技術琳瑯滿目，包含有：溫度法、電阻法、光譜分析法、鐵相分析法、污染分析法等。油品分析項目中尤以潤滑油粘度、鐵粒子含量、非鐵粒子含量、水分含量等最為基本也最為重要。油品分析也有必要以趨勢分析的方式進行潤滑油品質監控，以做為最佳換油時機的評量，亦可達節省保養成本之目的。 
 
超音波檢測技術 
超音波檢測技術所應用的原理與振動分析技術相類似，兩者都是以監控機器或生產系統之振動噪音判斷運轉狀況，不同的是，超音波檢測技術適用于監控較高頻率的設備問題，例如：一般振動檢測技術所檢測的頻率范圍約在1至20,000Hz之間，而超音波檢測的頻率范圍一般在20,000至100kHz之間。 
檢測儀器有接觸型及掃描型二種，超音波檢測技術主要應用于： 
•管路、容器泄漏問題之檢測 
•管路、容器壁厚問題之檢測 
 
電氣設備檢測技術 
電氣設備的機械問題及部份電氣問題可藉由振動分析檢測出來，然而大多數的電氣問題則必須靠不同的檢測技術才能確認問題原因。電氣設備檢測技術有：直流高壓試驗、交流電流試驗、誘電正流試驗、部份放電試驗、油中氣體分析法、開閉脈沖試驗等。 
 
預修保養的定義 
五級保養(預修保養) 
有時亦稱改良保養，從其它保養方式或過程中，發現某些安裝、使用、保養或設計不當所造成經常性重復發生的機器設備損壞問題，探究根源并加以「預先」改善，以延長設備及零組件壽命的保養方式。 
設備在請購、安裝、試車之初，若對其設計品質、安裝方式要求嚴格，即其設備作過精密雷射對心、精密雷射幾何校正或動平衡校正，則可能廠內之設備就是一個奔馳級之高品質、零故障設備，對于日后之保養就可輕松應付。 
 
實施預修保養制度的效益評估 
如同實施預知保養制度一樣，實施預修保養制度首先必須要投資購置一些儀器及培訓人員，但與實施預修保養制度所能獲得的有形及無形利益作比較，其投入的資金可說是微不足道矣。 
 
工廠設備主要異常問題分析 
設備對心與安裝不良所造成的問題可以使用雷射校正儀進行精密校正。 
· 轉動設備平衡不良的問題可以使用平衡機或線上動平衡儀進行校正。 
· 結構或基礎的問題可以使用振動分析技術中的共振分析及模態分析技術進行改善。 
 
預修保養技術與工具 
雷射校正儀的原理與應用 
雷射校正系統目前被廣泛使用于軸對心與皮帶輪對心，但如果能了解雷射量測的原理、三角幾何觀念，再加上一點想象力，就能將點、線、面的量測擴展到直線度、平面度、垂直度、平行度、圓孔中心線、工具機主軸角度定位等量測校正。 
 
雷射校正儀的直線度量測原理 
雷射發射器所發射出來的雷射就如同一條倍拉緊的鋼琴線一樣，成為一個量測校正的基準線，在量測過程中永遠固定不動。而雷射接收器的接收面板就如同一把精確度相當高的尺，能夠精確地讀取量測點到基準線(雷射)之間的距離，如此一來，我們便掌握了最基本的直線度量測校正的原理。如果任取其中二個量測點做為新的基準線，就能計算出其它量測點到新的基準線的偏差值。 
雷射校正儀的平面度量測原理 
試想，如果雷射發射器所發射出來的雷射可以在某一個定點上 360 度旋轉，于是雷射就形成了一個量測校正的基準面，在量測過程中，同樣保持這個基準面永遠固定不動，而雷射接收器在某一個量測面，能夠精確地讀取每一個量測點到基準面之間的距離，如此一來，我們便可以進行平面度的量測校正了。如果任取其中三個量測點做為新的基準面，就能計算出其它量測點到新的基準面的偏差值。 
雷射校正儀的垂直度量測原理 
如果雷射發射器所發射出來的雷射可以在某一個定點上被切換90度，使新的雷射射束與舊的雷射射束形成90度角，如果應用直線度與平面度校正的原理進行量測，我們便可以進行垂直度的量測校正了。如果在舊的雷射射束任取其中二的量測點做為新的基準線，就能計算出另二個量測點到新的雷射射束的偏差值，而得到二條直線間的垂直度校正。如果雷射射束在某一定點上能作 360 度旋轉，就能實施一條直線與一個平面的垂直度校正。 
雷射校正儀的圓孔中心線量測原理 
如果雷射發射器所發射出來的雷射在量測過程中保持不動，而雷射接收器被固定在圓孔中后接收讀值，并將讀值歸零后，再將雷射接收器反轉 180 度后讀值，將所得讀值除以二，此計算后的數值即為孔心到基準線(雷射)的距離。如果再應用直線度的原理進行量測，我們便可以各個相連圓孔的中心線量測校正了。如果任取其中二的圓孔的量測點做為新的基準線，就能計算出其它圓孔中心到新的基準線的偏差值，此為圓孔中心線校正。 
雷射校正儀的工具機主軸偏角量測原理 
將雷射發射器按裝在某一個轉軸上，使雷射投射至雷射接收器上后讀值，將讀值歸零后，旋轉轉軸 180 度，將所得讀值除以二，此計算后的數值即為轉軸中心線至雷射接收器底部的距離，接著將雷射接收器平移某一段距離(假設為1m) ，將轉軸轉180度至原來位置后以同樣的步驟得到第二個數值，若二個讀值相同，則轉軸中心線與雷射接收器底部所在的平面成平行，數值不同則代表轉軸中心線與雷射接收器底部所在平面有角度偏差，此即為主軸偏角校正。 
 
平衡不良的振動特性 
若從不平衡轉動件的運轉模態上分析思考，可以不難發現以下歸納因平衡不良所造成的振動特性： 
1.頻譜之一倍轉速頻率有明顯振幅。 
2.無其它明顯轉速倍頻之頻率出現。 
3.徑向一倍頻振動遠大于軸向振動。 
4.同一量測點的相角必須相當穩定。 
 
如何進行平衡校正 
通常所有轉動件都應該要定期實施平衡校正，如果工廠具備檢測振動問題的工具，則只要在檢測到平衡狀況不佳時，再實施校正即可。 
平衡校正的方法有： 
1.靜平衡法 - 靠地心引力實施平衡校正 
2.平衡機平衡法 - 靠平衡機實施平衡校正 
3.線上動平衡法 - 靠平衡儀或振動計實施校正。 
 
精密雷射對心技術 
·何謂對心？ 
對心是將連結在一起的二臺單元設備的運轉中心線進行校對調整，使其成為一直線。 
·為什么要對心？ 
良好的對心可以減少振動、節省能源損耗、延長設備組件壽命，經實驗統計，對心不良率增加一倍時，軸承壽命約僅剩下八分之一，對心不良會造成以下情形。 
Ø軸承損壞 
Ø軸封損壞 
Ø軸心損壞 
Ø設備過熱 
Ø高振動 
Ø能量損失 
 
 
建立一套可靠的保養模式 
設備損壞根源與趨勢分析技術的導入 — 
　　理想的設備損壞根源與趨勢分析技術與工具的必備條件有： 
1.不干擾設備運轉，不需停機。 
2.不須拆機檢測。 
3.非破壞性檢測，對設備不具 
破壞性。 
4.可以研判、追蹤異常變化趨 
勢與來源。 
 
設備損壞根源與趨勢分析技術的導入 — 
振動分析技術 – 
Easy-Balancer雙通道現場動平衡儀、振動分析儀暨線上動平衡儀Easy-Viber、手握式測振儀Viber-A、手握式多功能分析儀X-Viber 
1.軸精密對心技術 - 
導入雷射對心儀雷射對心儀/激光對中儀Easy-Laser D450、D80、D200、D505 
皮帶輪對心儀D80 
2.線上動平衡技術 - 
導入Easy-Balancer雙通道現場動平衡儀 
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