信號分析方法在自動扶梯設(shè)備故障診斷中的應(yīng)用

何博

摘 要：將一種信號分析的機(jī)械故障診斷方法引入自動扶梯設(shè)備的故障診斷中，通過分析自動扶梯設(shè)備最常見的軸承異響、異常振動故障的動力學(xué)特性及頻譜特征，介紹了使用信號分析方法進(jìn)行故障診斷的過程，這一方法在實際自動扶梯設(shè)備故障診斷中將提高早期故障識別率及識別精度，有效保證設(shè)備的正常運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：自動扶梯;信號分析;軸承故障;故障診斷

0 引言

自動扶梯設(shè)備是目前廣泛使用在軌道交通車站、商場、醫(yī)院等人群密集區(qū)域的大型機(jī)械設(shè)備，使用環(huán)境復(fù)雜，每日工作時間長，容易產(chǎn)生各類機(jī)械故障。同時，電梯設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的正常與否，直接關(guān)系到乘客人身安全[1-3]。因此，設(shè)備的故障診斷工作責(zé)任重大。傳統(tǒng)的自動扶梯故障診斷主要依靠人工診斷，這種方法對從業(yè)人員能力有著較高要求，且自動扶梯故障早期特征不明顯，難以被發(fā)現(xiàn)。使用現(xiàn)代機(jī)械故障診斷技術(shù)協(xié)助進(jìn)行故障診斷、監(jiān)測將極大提高故障診斷的效率，利于發(fā)現(xiàn)設(shè)備早期故障，起到防微杜漸的效果。

現(xiàn)代機(jī)械故障診斷技術(shù)主要使用信號分析的方法，通常包括降噪、特征提取以及模式識別這幾個步驟[4-5]。本文以軸承故障為例，介紹使用信號分析方法在自動扶梯設(shè)備故障診斷中的應(yīng)用。

1 自動扶梯軸承類故障介紹

異響、異常振動是自動扶梯最常見的機(jī)械故障之一，常常表現(xiàn)為主機(jī)、聯(lián)軸節(jié)或減速箱的異響和振動。其中主機(jī)、減速箱的異響、異常振動中軸承故障為高頻故障。傳統(tǒng)人工方法處理這類故障時往往使用更換主機(jī)或減速箱的方式確定問題發(fā)生部件，然后聽發(fā)生異響的位置，從而判斷問題根源。這一方法不僅需要維修人員對設(shè)備構(gòu)造有著豐富的理解，同時還需具備一定經(jīng)驗，否則容易產(chǎn)生錯誤判斷。使用信號分析方法進(jìn)行這類問題故障診斷時，首先要對設(shè)備中零件進(jìn)行動力學(xué)分析，以最常發(fā)生的軸承故障為例。

一般情況下滾動軸承內(nèi)圈與旋轉(zhuǎn)軸以過盈配合方式連接，外圈則被安裝固定在軸承座中，且一般情況下是處于固定狀態(tài)的。滾動軸承主要由內(nèi)圈、外圈、滾動體以及保持架四部分組成，如圖1.1所示。

不同的軸承故障，根據(jù)其運(yùn)動的動力學(xué)特性，將會表現(xiàn)出不同的特征頻率。通過采集主機(jī)和減速箱振動信號，進(jìn)行頻譜分析，核對出現(xiàn)的明顯頻率，對照故障頻率的動力學(xué)分析，可以得出故障原因。

由于長期受滑動摩擦力、潤滑不足等因素的影響，滾動軸承易于發(fā)生疲勞磨損、剝落甚至斷裂等故障。軸承最易發(fā)生故障的部位一般為滾動體、內(nèi)圈與外圈。最常見的滾動軸承故障形式有以下幾種：疲勞失效、磨損失效、斷裂失效、腐蝕失效、膠合失效、壓痕失效、保持架損壞。

2 滾動軸承振動信號特征

滾動軸承的制造誤差和裝配誤差，特別是過大的裝配間隙是產(chǎn)生振動的最主要原因。同時，在實際運(yùn)行中產(chǎn)生的噪聲、雜質(zhì)滲入等也是產(chǎn)生振動的原因。

滾動軸承的各個部分都有其固有振動頻率。當(dāng)軸承出現(xiàn)故障時，故障信號往往是周期沖擊信號，其周期即為軸承運(yùn)動周期。并且隨著滾動軸承的繼續(xù)運(yùn)行，當(dāng)故障產(chǎn)生的振動頻率與軸承各部分固有振動頻率一致時將會發(fā)生共振，軸承將會發(fā)生嚴(yán)重?fù)p壞，因此分析其各部件的固有振動頻率顯得尤為重要。

1）滾動軸承內(nèi)圈、外圈固有振動頻率

在現(xiàn)代機(jī)械設(shè)備故障信號處理領(lǐng)域，故障頻率在頻譜中可以被表示成故障特征頻率基頻與其倍頻。分析故障動力學(xué)特征，得到各類故障頻率的經(jīng)驗公式是自動扶梯故障診斷的重要步驟。

3 滾動軸承故障的信號特征

滾動軸承的故障信號包含了故障發(fā)生的很多有效信息，例如故障發(fā)生位置、故障程度、故障類型等等。特別是在信號的頻譜圖中，滾動軸承的不同故障所表現(xiàn)的特征也各有不同。下面著重介紹滾動軸承的內(nèi)圈、外圈以及滾動體發(fā)生明顯故障時的頻譜特征。

1）外圈故障信號特性

滾動軸承的外圈發(fā)生故障時，其故障類型可模型化為沖擊，并且隨著滾動體的圓周運(yùn)動，這種沖擊是呈周期性的，因此滾動軸承的外圈故障一般可等效為周期脈沖信號。在采集滾動軸承故障信號時，為準(zhǔn)確拾取脈沖響應(yīng)，可使用加速度傳感器。實際信號采集中通道越多越能減少有效信息的遺漏，增加故障診斷與識別的準(zhǔn)確性。

2）內(nèi)圈故障信號特性

一般情況下滾動軸承的外圈是固定的，而內(nèi)圈是隨軸做高速轉(zhuǎn)動運(yùn)動的，因此滾動軸承內(nèi)圈故障往往比外圈故障復(fù)雜得多。內(nèi)圈故障也可視為滾動體對內(nèi)圈表面故障點(diǎn)所做的沖擊運(yùn)動，但由于內(nèi)圈的運(yùn)動隨軸的轉(zhuǎn)速不斷變化，故障點(diǎn)所在位置在不斷改變，故障點(diǎn)出的載荷也在發(fā)生變化。因此滾動軸承的內(nèi)圈故障更加具有調(diào)制性。

3）滾子故障信號特性

滾動體故障與內(nèi)圈故障類似，都具有很強(qiáng)的調(diào)制性，由于滾動體的運(yùn)動是時刻處于保持架的約束下的，其故障特性往往與保持架的轉(zhuǎn)動頻率相關(guān)。

在實際過程中分析出各類故障的動力學(xué)特性并得出故障頻率的經(jīng)驗公式，再使用振動傳感器采集故障信號，并根據(jù)故障的信號特征進(jìn)行分析后，可以將故障信號頻譜圖中的明顯頻率與經(jīng)驗公式作為對比，從而判斷出自動扶梯故障原因及故障發(fā)生位置。

4 總結(jié)

本文以自動扶梯軸承故障為例，分析了軸承故障的動力學(xué)特性和故障信號特征，介紹了完整的使用信號分析方法進(jìn)行自動扶梯故障診斷的流程。這種方法可以發(fā)現(xiàn)實際工作中不易被發(fā)現(xiàn)的故障早期特征，提高設(shè)備安全性和故障診斷可靠程度。因此，將該技術(shù)引入自動扶梯設(shè)備中將會是今后自動扶梯設(shè)備診斷的趨勢。

參考文獻(xiàn)

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