振動監(jiān)測技術(shù)下現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)械故障診斷技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展

東營職業(yè)學(xué)院 李桂玉

引言

農(nóng)業(yè)機(jī)械運(yùn)行監(jiān)測以及設(shè)備故障問題是通過信號來進(jìn)行處理的，再根據(jù)信號處理技術(shù)對數(shù)據(jù)振動進(jìn)行分析以及研究，并進(jìn)行測試，確定機(jī)械設(shè)備還能否正常進(jìn)行工作，確定故障的原因并預(yù)測振動監(jiān)測以及故障引起的故障。此方法可以保證農(nóng)機(jī)處于正常工作狀態(tài)、降低維修成本、增加企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益、并具有良好的應(yīng)用實時前景、易于形成成套的機(jī)械設(shè)備，對于后期的研究以及應(yīng)用有著重要的現(xiàn)實意義。所以，本文采用參考文獻(xiàn)來總結(jié)振動監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展過程和應(yīng)用；并進(jìn)一步闡述振動監(jiān)測和機(jī)械故障診斷技術(shù)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)械中的應(yīng)用，結(jié)合農(nóng)業(yè)，提出農(nóng)業(yè)機(jī)械振動檢測和機(jī)械故障判斷技術(shù)的發(fā)展路徑與研究目標(biāo)。

1 振動監(jiān)測原理

物體圍繞一個固定位置來回擺動并由時間變化而變化的運(yùn)行被稱為振動，振動監(jiān)測技術(shù)是機(jī)械設(shè)備檢測過程中普遍最基本的辦法，振動監(jiān)測系統(tǒng)對機(jī)械設(shè)備來說應(yīng)用還是比較普遍的。利用振動檢測技術(shù)，可以準(zhǔn)確地定位機(jī)械內(nèi)故障問題，不用拆卸機(jī)械設(shè)備就可以對設(shè)備內(nèi)問題進(jìn)行定位。如今振動監(jiān)測原理相對較成熟，主要分為頻域波形監(jiān)測與時域波形監(jiān)測。

1.1 頻域波形監(jiān)測

一般工程檢測得出的信號為時域信號，而根據(jù)振動信號了解到被診斷機(jī)械的運(yùn)行狀態(tài)，往往需要頻域信息。利用傅里葉轉(zhuǎn)換可以將得出來的復(fù)雜型號分為有限以及無限兩個頻率來進(jìn)行分量，把頻率分為大小排列起來從而形成頻譜。

機(jī)械設(shè)備故障發(fā)生一般為兩個變化：一是增加新的頻率成分，二是頻率幅值增長，當(dāng)機(jī)械設(shè)備頻譜分析出來后，可以精準(zhǔn)定位到故障部位、故障原因以及嚴(yán)重程度。

1.2 時域波形監(jiān)測

時域波形監(jiān)測通過觀察振動信號，針對此信號的周期給出定性分析，可預(yù)估設(shè)備所處的技術(shù)狀態(tài)。大部分人認(rèn)為時域波形監(jiān)測不如頻域波形監(jiān)測分析準(zhǔn)確，事實上卻相反，時域波形檢測基本可以判斷出90%以上的故障特征，使用時域波形監(jiān)測時，要格外注意是否對稱以及沖擊特征的變化。

2 振動信號處理技術(shù)應(yīng)用概述

振動監(jiān)測和故障診斷技術(shù)是維護(hù)管理的首要方式，如果想要深入發(fā)展，必須加強(qiáng)振動信號分析處理能力、信號特征提取能力?；谵r(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)生的振動信號具備不平穩(wěn)、非線性等特點，以往的信號處理方法無法適應(yīng)振動信號處理的實際生產(chǎn)與運(yùn)行[1]。例如，在軸承故障判斷中，使用以往的FFT 方法很難從浸入噪聲中的振動信號中獲得軸承的故障特征頻率。由于以往信號處理方法存在缺陷，小波分析、希爾伯特·黃變換和其他先進(jìn)的信號處理技術(shù)相繼誕生。小波變換是在1980 年代后期研發(fā)并發(fā)展應(yīng)用，首先，小波變換的理論框架由法國數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家和農(nóng)業(yè)學(xué)家研究組成。它被一些法國學(xué)者應(yīng)用到工程信號處理行業(yè)，以提高振動監(jiān)測診斷系統(tǒng)的診斷準(zhǔn)確性和可靠性。在科學(xué)理論不斷發(fā)展的時代下，已經(jīng)形成并廣泛應(yīng)用比小波分析更適合于非平穩(wěn)信號處理方式。HHT 方法彌補(bǔ)了小波分析的缺陷，如恒定的多分辨率和較長的操作時間，它可以依據(jù)振動信號的局部時變特性完成自適應(yīng)時頻分解，消除潛在人為因素，能夠得到長時間應(yīng)用與創(chuàng)新發(fā)展。

3 機(jī)械設(shè)備過程中常見的問題及原因

3.1 機(jī)械設(shè)備出現(xiàn)的問題

我們籠統(tǒng)地把在運(yùn)行的生產(chǎn)過程中出現(xiàn)問題導(dǎo)致生產(chǎn)停止的現(xiàn)象稱之為故障，故障的存在讓農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備喪失工作能力以及全部要求與其功能的事情。傳統(tǒng)的故障分為兩種含義:機(jī)械設(shè)備偏離正常功能，主要原因是機(jī)械系統(tǒng)及其零部件的工作狀態(tài)超過了生產(chǎn)設(shè)計規(guī)定的工作狀態(tài)，可以通過調(diào)整相關(guān)參數(shù)或簡單修復(fù)更換某些零部件來消除，傳統(tǒng)上稱之為故障。機(jī)械系統(tǒng)因功能失效而導(dǎo)致的機(jī)械故障是機(jī)械系統(tǒng)不斷偏離正常功能閾值，其程度越來越明顯的現(xiàn)象，機(jī)械設(shè)備功能不能充分發(fā)揮的現(xiàn)象稱之為故障。機(jī)械設(shè)備故障的常見問題可分為兩類:主要由電氣控制系統(tǒng)故障引起的電氣問題和主要由機(jī)械本體引起的機(jī)械結(jié)構(gòu)問題。電氣控制系統(tǒng)常見的問題是機(jī)械故障引起的電機(jī)燒損、控制電路板短路燒損和信號采集設(shè)備燒損。

3.2 出現(xiàn)問題的原因

以橋式起重機(jī)的減速器而言，作為起重機(jī)的重要傳動部件的減速器通過齒輪間的嚙合來傳遞運(yùn)動及力，將電動機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速利用I50Machine China 中國機(jī)械齒輪間降速傳動的這一規(guī)律轉(zhuǎn)變?yōu)榈退俅笈ぞ氐倪\(yùn)動，但往往在傳遞扭矩過程中會出現(xiàn)扭矩過大或運(yùn)行下時間過長，潤滑系統(tǒng)不好以及短時間過載或受到?jīng)_擊載荷，多次重復(fù)彎曲引起的等產(chǎn)生齒輪輪齒折斷現(xiàn)象，在齒輪傳動過程中因雜物粘到齒面以及輪齒表面不光滑，有凸起點產(chǎn)生應(yīng)力集中，或潤滑劑不清潔由于溫度過高引起潤滑失效。由于硬的顆粒進(jìn)入摩擦面引起磨損，液壓缸和控制頭漏油進(jìn)而產(chǎn)生的齒面點蝕或齒面磨損現(xiàn)象，因為輪齒間接觸溫度過高以及輪齒間接觸力過大產(chǎn)生的齒面膠和等現(xiàn)象，以上這些因素都會引起起重機(jī)裝備造成運(yùn)行功能達(dá)不到設(shè)計預(yù)期要求的現(xiàn)象。

4 農(nóng)業(yè)機(jī)械中振動監(jiān)測與機(jī)械故障診斷技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

4.1 農(nóng)業(yè)機(jī)械故障模擬分析

農(nóng)業(yè)機(jī)械故障的模擬研究是一項最基礎(chǔ)的工作，同時也起著非常重要的作用，其能夠展現(xiàn)故障本質(zhì)與產(chǎn)生原因，這是進(jìn)行精準(zhǔn)故障診斷的重要前提。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計算機(jī)與農(nóng)業(yè)進(jìn)行相結(jié)合得到了廣泛的應(yīng)用，利用計算機(jī)解決問題呈現(xiàn)出提出問題、數(shù)學(xué)和軟件問題、數(shù)值模擬解決問題。機(jī)械故障的整體模擬過程一般是建設(shè)系統(tǒng)的模型，其次進(jìn)行運(yùn)動數(shù)據(jù)模擬最后對模擬出來的結(jié)果進(jìn)行分析和診斷。通過數(shù)據(jù)模擬使故障重現(xiàn)，進(jìn)行深度分析，在進(jìn)行對故障問題分析以及研究的同時，要為以后的智能診斷打下基礎(chǔ)。故障診斷的實現(xiàn)是通過數(shù)據(jù)采集、處理、研究、故障模式識別和決策的過程,故障診斷虛擬化換句話來說就是模仿機(jī)械故障的數(shù)據(jù)模擬。虛擬化和故障診斷的現(xiàn)實相互融合可以使診斷出來的結(jié)果更加精準(zhǔn)。機(jī)械故障診斷作為一項非常實用的技術(shù)，需要不斷提高機(jī)械故障數(shù)值模擬應(yīng)用的深度。

4.2 機(jī)械檢測部位分布

農(nóng)業(yè)機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷包括農(nóng)業(yè)機(jī)械運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測與診斷。操作性能監(jiān)視用于監(jiān)視運(yùn)行期間不同旋轉(zhuǎn)設(shè)備組件對農(nóng)機(jī)重要參數(shù)的影響。通過測量壓力脈沖、振動頻率、紙張質(zhì)量與速度來完成。將測量點連接到計算機(jī)監(jiān)控站，以使用同步時間平均方法計算測量信號，并存儲測量數(shù)據(jù)、趨勢數(shù)據(jù)和用于討論的應(yīng)用程序計算結(jié)果。趨勢數(shù)據(jù)用于探究參數(shù)的變化幅度，并可詳細(xì)計算與分析時域信號和頻譜。監(jiān)視目標(biāo)包括壓力區(qū)振動頻率、紙張質(zhì)量和流漿箱壓力波動。監(jiān)視器使用監(jiān)視參數(shù)的總體變化來確定每個監(jiān)視裝置的百分比。通過這種方式，監(jiān)測人員可以看到每個設(shè)備組件對農(nóng)機(jī)性能的影響。主要監(jiān)測點包括:屏幕脈沖發(fā)生器、壓力區(qū)羅拉振動、壓力區(qū)羅拉脈沖發(fā)生器、壓力測量滾動、刮板加載壓力振動、輥脈沖發(fā)生器、輥振動等。

5 農(nóng)業(yè)機(jī)械中振動監(jiān)測與機(jī)械故障診斷技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展策略

5.1 生產(chǎn)控制系統(tǒng)與振動監(jiān)測系統(tǒng)相結(jié)合

研究表明，振動監(jiān)測與故障診斷技術(shù)的應(yīng)用將從機(jī)械故障擴(kuò)展到機(jī)械故障與過程故障診斷的集成。軸位移在線監(jiān)測系統(tǒng)對于油膜軸承大型關(guān)鍵設(shè)備的維護(hù)和管理具有重要意義。如果設(shè)備運(yùn)行過程中出現(xiàn)異常情況，沒有及時止停，讓其繼續(xù)運(yùn)行下去，會造成巨大的損失。

5.2 機(jī)械設(shè)備監(jiān)測成本

機(jī)械設(shè)備是由許許多多小散零件組裝成的，這些小零件數(shù)量大，安裝的位置比較復(fù)雜，其中包括風(fēng)扇、電動機(jī)以及泵等一些基礎(chǔ)小零件。小零件工作環(huán)境較為復(fù)雜，必須監(jiān)視診斷通用設(shè)備來提高工業(yè)生產(chǎn)的穩(wěn)定性。像這種設(shè)備數(shù)量很大，每一個上面安裝智能故障診斷系統(tǒng)，那成本將會非常巨大，如何減少成本也是一個迫切需要解決的問題，部分學(xué)者和工程師正在這方面進(jìn)行研究與探討工作?；跓o線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測模式的機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，利用無線信號通信技術(shù)進(jìn)行集中式狀態(tài)檢測與故障診斷的研究與應(yīng)用。

5.3 預(yù)測與評估農(nóng)業(yè)設(shè)備剩余壽命

當(dāng)前，盡管有許多用于農(nóng)業(yè)機(jī)械的狀態(tài)監(jiān)視和故障診斷技術(shù)，但是它們都不能準(zhǔn)確估算設(shè)備的剩余使用壽命?；谵r(nóng)業(yè)設(shè)備逐步向大規(guī)模、連續(xù)和復(fù)雜的方向發(fā)展，其成本也會逐漸增多，導(dǎo)致部分農(nóng)業(yè)企業(yè)必須延長設(shè)備使用壽命以確保生產(chǎn)效率。機(jī)械設(shè)備的預(yù)估壽命技術(shù)可以幫助提前制定一套維修計劃，可以增加機(jī)械設(shè)備重復(fù)使用率。所以，機(jī)械設(shè)備的剩余使用壽命以及預(yù)估技術(shù)是一項非常重要也是極具意義的技術(shù)。

5.4 智能診斷系統(tǒng)相關(guān)知識

目前，農(nóng)業(yè)機(jī)械智能診斷專家有一個需要解決的嚴(yán)重問題，故障診斷的機(jī)械復(fù)雜性越來越高，使其難以獲得較準(zhǔn)確的知識。正因為缺少全面診斷的知識導(dǎo)致智能故障診斷系統(tǒng)被限制了發(fā)展。故障診斷人員應(yīng)加強(qiáng)自己學(xué)習(xí)的機(jī)會，作為知識獲得的重要途徑，故障診斷人員應(yīng)繼續(xù)改進(jìn)如今的機(jī)器學(xué)習(xí)方式，并在改進(jìn)的同時去開發(fā)更多機(jī)械學(xué)習(xí)方式，建立起一套學(xué)習(xí)方法比較全面的智能故障體系。

6 結(jié)語

據(jù)國內(nèi)外許多研究結(jié)果表明，設(shè)備管理最有效的辦法就是振動監(jiān)測和機(jī)械故障診斷?；谖覈r(nóng)業(yè)機(jī)械逐漸走向大規(guī)模、快速化、連續(xù)性發(fā)展，不可避免要通過基于狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)的在線振動監(jiān)測來進(jìn)行預(yù)測性維護(hù)。在未來，振動狀態(tài)監(jiān)測和機(jī)械故障診斷技術(shù)將會趨于完善與優(yōu)化，并將在農(nóng)業(yè)行業(yè)中得到更廣泛的應(yīng)用。