旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷儀的設(shè)計(jì)研究

李云聰 李云峰

（山西工程科技職業(yè)大學(xué)，太原 030619）

旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備運(yùn)行時(shí)，機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生摩擦力，通過(guò)軸承傳遞到機(jī)器外殼，結(jié)合歷史狀況處理分析測(cè)取信號(hào)診斷設(shè)備當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)，并采取針對(duì)性措施保證機(jī)械設(shè)備運(yùn)行的最優(yōu)效果。利用傳感器采集機(jī)械設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)，通過(guò)譜圖對(duì)比分析及時(shí)診斷設(shè)備故障，掌握設(shè)備運(yùn)行的實(shí)時(shí)狀態(tài)，以判斷發(fā)生故障的部位，防止計(jì)劃外停機(jī)。本文設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷儀可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障，減少重大事故的發(fā)生，通過(guò)分析設(shè)備故障制動(dòng)的記錄信息和異常運(yùn)行狀態(tài)判斷發(fā)生故障的原因和部位，延長(zhǎng)設(shè)備運(yùn)行周期，減少維修費(fèi)用。

1 旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備故障診斷儀的技術(shù)背景

1.1 旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障原因

旋轉(zhuǎn)機(jī)械發(fā)生故障的表現(xiàn)是功能異常。早期故障并不會(huì)對(duì)機(jī)械造成巨大損傷。旋轉(zhuǎn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件出現(xiàn)故障時(shí)會(huì)引起機(jī)械振動(dòng)，原因包括轉(zhuǎn)動(dòng)部件不平衡、傳動(dòng)帶損壞以及聯(lián)軸器安裝不對(duì)中等[1]。振動(dòng)信號(hào)可以直接反映旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。故障信號(hào)的幅值較小，使用常規(guī)信號(hào)處理技術(shù)難以提取其脈沖信號(hào)，需要建立故障特征數(shù)學(xué)模型，對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行濾波降噪，將故障特征頻率與故障庫(kù)匹配[2]。滾動(dòng)軸承長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)軸承會(huì)出現(xiàn)疲勞、剝落以及裂痕等現(xiàn)象，存在潛在危害。滾動(dòng)體自轉(zhuǎn)時(shí)與滾道接觸，會(huì)受到不同的脈動(dòng)力。在滾動(dòng)中，滾動(dòng)體裂痕故障點(diǎn)隨機(jī)碰到內(nèi)外圈，導(dǎo)致故障頻率實(shí)際提取值與理論計(jì)算存在偏差。旋轉(zhuǎn)機(jī)械常見(jiàn)故障如圖1所示。

圖1 旋轉(zhuǎn)機(jī)械常見(jiàn)故障

1.2 旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷原理

振動(dòng)監(jiān)測(cè)指對(duì)機(jī)器進(jìn)行定期健康檢測(cè)。振動(dòng)測(cè)量?jī)x器給出數(shù)值和標(biāo)準(zhǔn)值，根據(jù)某點(diǎn)振動(dòng)值的變化來(lái)判斷機(jī)器狀態(tài)，再利用振動(dòng)測(cè)量?jī)x器和振動(dòng)頻譜確定故障的發(fā)生原因[3]。振動(dòng)監(jiān)測(cè)法是機(jī)械設(shè)備故障監(jiān)測(cè)普遍采用的方法。目前，振動(dòng)分析應(yīng)用方法成熟，機(jī)器發(fā)生異常時(shí)振動(dòng)情況發(fā)生改變，分析振動(dòng)信號(hào)就可以監(jiān)測(cè)設(shè)備狀態(tài)。振動(dòng)監(jiān)測(cè)法從最初鐵路工人敲擊軸承根據(jù)聲音辨別故障，發(fā)展到用傳感器監(jiān)測(cè)軸承振動(dòng)參數(shù)根據(jù)信號(hào)處理算法判斷故障。目前的振動(dòng)監(jiān)測(cè)法適用于各種設(shè)備。

2 旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備故障診斷的技術(shù)研究

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，機(jī)械設(shè)備結(jié)構(gòu)功能日益復(fù)雜，使得設(shè)備部件間緊密相連。在連續(xù)生產(chǎn)機(jī)械系統(tǒng)中，如果某臺(tái)設(shè)備故障未排除，將會(huì)影響生產(chǎn)鏈的整體運(yùn)行[4]。旋轉(zhuǎn)機(jī)械廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，在煤炭、電力等制造行業(yè)發(fā)揮著重要作用。旋轉(zhuǎn)機(jī)械因不可控因素出現(xiàn)故障，會(huì)影響機(jī)械的正常功能，導(dǎo)致維修費(fèi)用的增加，影響產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。故障診斷技術(shù)是機(jī)械制造領(lǐng)域的重要部分。人們對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械的故障進(jìn)行大量研究，使得故障診斷技術(shù)的研究范圍不斷擴(kuò)大。

大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械由各種設(shè)備組合而成，會(huì)因零部件加工制造等出現(xiàn)誤差，造成機(jī)械故障隱患。機(jī)械運(yùn)行失穩(wěn)，會(huì)導(dǎo)致工作狀態(tài)發(fā)生變化。齒輪裝置傳動(dòng)機(jī)械中，60%的故障與齒輪有關(guān)[5]。隨著故障診斷技術(shù)的快速發(fā)展，出現(xiàn)了多種故障診斷方法。根據(jù)原理的不同，故障診斷法可分為基于解析模型的方法和基于信號(hào)處理的方法兩種?；诮馕瞿Ｐ偷姆椒ㄊ峭ㄟ^(guò)已知條件建立準(zhǔn)確的對(duì)象數(shù)學(xué)模型，而基于信號(hào)處理的方法是指被控對(duì)象輸出信號(hào)。目前，旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷涉及傳感器與檢測(cè)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)等領(lǐng)域。故障診斷系統(tǒng)的功能大多基于單振動(dòng)信號(hào)，結(jié)構(gòu)大部分是客戶端/服務(wù)器（Client/Server，C/S）架構(gòu)。單段振動(dòng)信號(hào)分析忽略了歷史故障數(shù)據(jù)，對(duì)故障診斷經(jīng)驗(yàn)要求較高，不利于旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障的診斷監(jiān)測(cè)。

3 旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷儀的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

3.1 數(shù)據(jù)采集儀硬件

數(shù)據(jù)采集儀有信號(hào)采集與分析處理機(jī)制，具有快速數(shù)據(jù)回顯和穩(wěn)定的數(shù)據(jù)通信功能。采集設(shè)備運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)信號(hào)，通過(guò)對(duì)比分析診斷設(shè)備故障。數(shù)據(jù)采集儀硬件包括采集模塊、信號(hào)處理模塊、前置處理模塊、選擇性抗混處理模塊、模數(shù)（Analog/Digital，A/D）轉(zhuǎn)換模塊、主運(yùn)算模塊、通信模塊以及存儲(chǔ)模塊等。采集模塊用于采集機(jī)械設(shè)備裝填數(shù)據(jù)；信號(hào)處理模塊包括信號(hào)放大電路和選擇電路；選擇性抗混處理模塊包括濾波芯片U42和U43，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換模塊連接主運(yùn)算模塊。數(shù)據(jù)采集電路如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集電路

機(jī)械設(shè)備的采集模塊包括多個(gè)傳感器，通過(guò)信號(hào)放大電路放大采集信號(hào)，處理信號(hào)經(jīng)第一選擇電路輸出后傳遞到前置處理模塊，由程控放大器處理后輸送到選擇性抗混處理模塊，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)輸送到運(yùn)算模塊。整個(gè)過(guò)程可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)機(jī)械設(shè)備故障，避免事故的發(fā)生。通信模塊可以實(shí)現(xiàn)診斷儀和外界數(shù)據(jù)的交互。存儲(chǔ)主運(yùn)算模塊處理采集運(yùn)算邏輯。通過(guò)采集信號(hào)濾波放大，第一電路選擇后去除信號(hào)雜波，提高抗干擾性能。選擇電路將采集信號(hào)分選處理，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障避免發(fā)生事故。此外，可以通過(guò)數(shù)據(jù)記錄分析故障原因，為設(shè)備維修提供依據(jù)。

3.2 監(jiān)測(cè)故障診斷軟件

旋轉(zhuǎn)設(shè)備故障診斷的常用方法是利用振動(dòng)信號(hào)分析反映設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，提煉特征信息以反映旋轉(zhuǎn)設(shè)備的振動(dòng)幅值變化，提高監(jiān)測(cè)診斷靈敏度。機(jī)械故障診斷儀以時(shí)頻分析技術(shù)為基礎(chǔ)，增強(qiáng)監(jiān)測(cè)診斷靈敏度。時(shí)域波形分析能夠?qū)崟r(shí)顯示多種有量與無(wú)量參數(shù)。小波形分析用于設(shè)備損壞的精密診斷。平均分析包括時(shí)域同步與平均譜。三維譜分析可用于判斷共振等故障。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

頻譜分析包括幅值譜和相位譜等。數(shù)譜可用于旋轉(zhuǎn)機(jī)械常見(jiàn)的故障分析。長(zhǎng)波分析模塊利用通用方法捕捉故障信號(hào)。振動(dòng)信號(hào)不穩(wěn)定時(shí)，采用長(zhǎng)波形分析振源。軸心軌跡是X方向和Y方向的振動(dòng)量合成。電機(jī)帶動(dòng)輔助傳動(dòng)設(shè)備運(yùn)行。設(shè)備從起機(jī)到工作轉(zhuǎn)速，經(jīng)歷了臨界轉(zhuǎn)速。啟停車(chē)分析可以測(cè)量設(shè)備臨界轉(zhuǎn)速。設(shè)備物體有固定頻率，利用敲擊測(cè)試可以確定部件的固有頻率。轉(zhuǎn)子平衡在設(shè)備振動(dòng)中占比較大，如果發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障存在轉(zhuǎn)子不平衡現(xiàn)象，可以利用測(cè)量分析模塊進(jìn)行校正。

4 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷儀技術(shù)，闡述機(jī)械故障診斷儀的軟硬件設(shè)計(jì)。隨著工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，生產(chǎn)設(shè)備開(kāi)始向智能自動(dòng)化方向發(fā)展，形成具有整體性的生產(chǎn)鏈，對(duì)設(shè)備的安全可靠性提出了更高要求。旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備廣泛應(yīng)用于鋼鐵電力等行業(yè)。旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷可以保證生產(chǎn)的安全運(yùn)行。隨著《中國(guó)制造2025》戰(zhàn)略的實(shí)施，國(guó)內(nèi)工業(yè)領(lǐng)域自動(dòng)化市場(chǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大。旋轉(zhuǎn)機(jī)械是工業(yè)領(lǐng)域的核心設(shè)備，預(yù)測(cè)設(shè)備狀態(tài)趨勢(shì)可以減少故障的發(fā)生，提高設(shè)備的安全可靠性。