能量—故障理論下的工程機(jī)械故障診斷策略初探

【摘 要】伴隨著我國(guó)越來越多大型工程項(xiàng)目的批準(zhǔn)與實(shí)施，機(jī)械故障的嚴(yán)重性不容忽視，因此在機(jī)械安全、較可靠及易維修的要求下，在線診斷與預(yù)測(cè)就顯得尤為重要。本文簡(jiǎn)要論述了工程機(jī)械故障發(fā)生的主要原因，闡述了故障控制的基本理論和方法，并主要分析了基于能量—故障模式下的工程機(jī)械故障診斷方法。

【關(guān)鍵詞】工程機(jī)械 故障診斷 故障控制

一、引言

改革開放以來的幾十年中，伴隨著我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施的大量建設(shè)，工程機(jī)械的使用也日益廣泛，隨之不可避免的就是工程機(jī)械故障問題。而由于一般情況下工程機(jī)械所處的環(huán)境比較復(fù)雜，因此有可能看似輕微的環(huán)境因素都會(huì)一定程度地影響到設(shè)備的正常運(yùn)行，例如：設(shè)備運(yùn)行時(shí)溫度過高的話，輕則零件受熱變形影響正常使用，重則導(dǎo)致機(jī)械設(shè)備起火等事故發(fā)生；設(shè)備運(yùn)行溫度過低則可能致使零件磨損，還有可能導(dǎo)致工程機(jī)械性能的嚴(yán)重惡化等影響；而諸如廢屑灰塵之類的雜質(zhì)進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部后，不僅會(huì)加快機(jī)械零件的磨損，還會(huì)影響到設(shè)備的正常運(yùn)行。此外，設(shè)備中核心零件性能的衰弱將直接影響到設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，重則導(dǎo)致生產(chǎn)事故的發(fā)生。因此如果能夠?qū)こ虣C(jī)械進(jìn)行有效的故障診斷與故障控制，并且在故障發(fā)生以后能夠進(jìn)行有效處理措施的話，這將具有顯著的現(xiàn)實(shí)意義。下文就故障發(fā)生的原因及故障控制的基本理論與方法作簡(jiǎn)要論述。

二、工程機(jī)械故障發(fā)生的原因

工程機(jī)械故障發(fā)生的主要原因包括：零件的原生產(chǎn)材料質(zhì)量較差，比如易磨損等都會(huì)導(dǎo)致機(jī)械故障的發(fā)生；設(shè)備本身的質(zhì)量缺陷，如零件的變形、損壞等；還有維護(hù)方面，工作人員操作方法不當(dāng)，其中包括運(yùn)行環(huán)境條件差、操作程序的執(zhí)行順序錯(cuò)誤、工作人員的技術(shù)水平跟不上等。

三、工程機(jī)械故障控制的基本理論

一般情況下，設(shè)備故障的發(fā)生與運(yùn)行時(shí)間有關(guān)。因?yàn)殡S著運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)，設(shè)備內(nèi)部的零件不免會(huì)出現(xiàn)磨損及老化的現(xiàn)象，加上外界環(huán)境的不良影響，機(jī)械設(shè)備就可能導(dǎo)致功能衰退等嚴(yán)重問題發(fā)生。如果在設(shè)備運(yùn)行期間能及時(shí)地診斷識(shí)別與更換將要老化的零件，不僅可以有效控制設(shè)備故障的發(fā)生，同時(shí)還節(jié)省了一大筆因維修故障而花費(fèi)的資金。因此應(yīng)對(duì)機(jī)械設(shè)備關(guān)鍵部位的零件進(jìn)行性能方面的評(píng)估檢測(cè)，并預(yù)測(cè)其剩余壽命，這樣就為機(jī)械故障的控制與處理提供了理論的指導(dǎo)。

四、工程機(jī)械故障診斷發(fā)展現(xiàn)狀及方法分析

國(guó)外對(duì)機(jī)械故障的診斷起步較早，不僅理論豐富，而且檢測(cè)方法也較為成熟。而國(guó)內(nèi)在此方面起步雖晚，但可喜的是進(jìn)步較快。由于故障原因與表面現(xiàn)象存在較為錯(cuò)綜復(fù)雜的非線性關(guān)系，致使傳統(tǒng)上的耳聽手摸靠經(jīng)驗(yàn)診斷難以實(shí)施，給經(jīng)典的故障診斷造成很大的困難，所以人工智能與傳遞函數(shù)結(jié)合而出的故障診斷方法隨之興起。目前逐步實(shí)現(xiàn)了故障原理和故障診斷技術(shù)的基礎(chǔ)研究，并對(duì)利用振動(dòng)信號(hào)來診斷的方法深入研究，發(fā)展到利用小波分析等進(jìn)行智能診斷。

小波分析方法來源于工程機(jī)械應(yīng)用中對(duì)傳遞信號(hào)的處理，在二十世紀(jì)后期逐漸發(fā)展起來。小波分析可以利用傳輸信號(hào)的時(shí)頻局部分析，能夠檢測(cè)出信號(hào)的不同點(diǎn)，從而分析故障所處的位置。由于小波分析理論在信號(hào)處理方面的成功應(yīng)用，因此引起了眾多科學(xué)家的關(guān)注。

基于能量—故障模式下的工程機(jī)械故障診斷方法依據(jù)的便是小波分析理論，并采用函數(shù)，結(jié)合工程機(jī)械的數(shù)學(xué)模型，通過分析輸出信號(hào)的各頻率成分中能量的不同變化，在能量變化和各故障一一對(duì)應(yīng)的前提下，就可以得到每一故障的特征向量。另一方面，憑借實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)所得的特征向量，將兩者進(jìn)行比較，并根據(jù)結(jié)果分類判斷，最終確定故障的發(fā)生與否及故障所處的位置。因?yàn)閭鬟f函數(shù)的變化意味著系統(tǒng)有故障發(fā)生，頻率不同，其相頻特性和幅頻特性都會(huì)有一定程度的不同。而幅頻特性變化時(shí)，宏觀表現(xiàn)為不同頻率的輸入信號(hào)強(qiáng)弱不同。正由于它可以使特定頻帶內(nèi)信號(hào)的能量減少，反過來導(dǎo)致另外一些頻帶的信號(hào)能量增大，因此與正常情況下的輸出信號(hào)相比，同一頻帶內(nèi)信號(hào)的能量差別很大，所以依據(jù)輸出信號(hào)各頻率信號(hào)能量變化來確定工程機(jī)械的故障情況。運(yùn)用這類方法進(jìn)行的工程分析，所得結(jié)果與實(shí)際情況較為符合。

五、工程機(jī)械故障控制的具體實(shí)際方法

（一）確保機(jī)械設(shè)備在正常載荷內(nèi)運(yùn)行。一般來說，零件磨損與設(shè)備工作負(fù)荷有很大關(guān)系，負(fù)荷越大，磨損越嚴(yán)重。因此在滿足正常運(yùn)行其他條件的前提下，正常載荷下設(shè)備工作的零件磨損程度要小得多，且故障發(fā)生率少。試驗(yàn)證明，發(fā)動(dòng)機(jī)超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，不僅故障發(fā)生率顯著增多，而且壽命大幅縮減；而正常負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，故障發(fā)生率相比低得多，壽命也相對(duì)延長(zhǎng)。另外需要注意的是，盡量使負(fù)荷均勻變化，保證機(jī)械正常運(yùn)行。

（二）盡可能減少不利環(huán)境因素的影響。首先應(yīng)降低設(shè)備工作溫度的影響。每個(gè)零件都有最適當(dāng)?shù)墓ぷ鳒囟确秶白詈线m的運(yùn)行溫度，一般設(shè)備零件工作溫度超出所需范圍將會(huì)導(dǎo)致機(jī)械性能變化及零件磨損等。因此一般而言：首要保證的是設(shè)備零件在預(yù)熱階段能夠正常運(yùn)行，隨之升高溫度，達(dá)到所要求的工作溫度時(shí)隨后進(jìn)行正規(guī)操作；不可忽視的是，禁止機(jī)械設(shè)備長(zhǎng)期在高溫下運(yùn)轉(zhuǎn)，這就要求操作人員周期性地檢查儀表上顯示的溫度。其次要減少灰塵、鐵屑等雜質(zhì)之類的干擾。這些雜質(zhì)進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部將會(huì)造成很大的損害，尤其是到達(dá)機(jī)械接觸表面，危害更為嚴(yán)重，比如就鍋爐燃料方面，雜質(zhì)就可能堵塞噴嘴，影響燃燒效率。此外，腐蝕造成的影響不容輕視。例如露天情況下，雨水通過設(shè)備零件間的縫隙和零件的外部通道進(jìn)入機(jī)械內(nèi)部，加速零件磨損，機(jī)械故障發(fā)生率加大。而且由于腐蝕自身的隱蔽性不易察覺，所以危害甚大。

六、結(jié)語(yǔ)

本文就工程機(jī)械故障產(chǎn)生的原因、故障控制的基本理論和方法以及能量——故障模式下故障診斷的方法作了較為詳細(xì)的論述。提出的基于能量——故障模式下的工程機(jī)械故障診斷方法有較強(qiáng)的可行性，而且不需要被檢測(cè)機(jī)械設(shè)備的數(shù)學(xué)模型，若借助于計(jì)算機(jī)編制程序，則診斷將會(huì)變得更為方便快捷，與傳統(tǒng)方法相比無疑是巨大的進(jìn)步。

參考文獻(xiàn)：

[1]王運(yùn)周.工程機(jī)械故障的原因分析及預(yù)防探討.《城市建設(shè)理論研究（電子版）》.2013年16期

[2]費(fèi)勝巍，李昱，李學(xué)俊.工程機(jī)械故障控制理論與方法.《工程機(jī)械》.2011年5期

[3]陳靜.工程機(jī)械故障的控制與處理研究.《機(jī)電信息》.2011年36期

作者簡(jiǎn)介：李安強(qiáng)（1978-），男，漢族，河南新鄉(xiāng)人，碩士研究生，中級(jí)工程，研究方向：工程機(jī)械相關(guān)領(lǐng)域。