多重狀態(tài)分析法在機(jī)械設(shè)備故障診斷中的應(yīng)用

余 鋒，何 柯，張 健

（1.武漢工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 武漢 430080；2.武鋼股份能源動力總廠， 武漢 430080）

一、設(shè)備狀態(tài)分析的策略與方法

故障診斷的本質(zhì)就是對設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)分析，判別設(shè)備正?；虍惓?，并對異常設(shè)備確診故障的原因、部位、程度和發(fā)展趨勢。這是現(xiàn)代設(shè)備維修策略的基礎(chǔ)。[1]

由于設(shè)備的劣化是一個漸進(jìn)的過程，因此，對其工作狀態(tài)的把握應(yīng)遵循先宏觀后微觀的原則，進(jìn)行總體狀態(tài)、故障類型、故障部位、故障程度、發(fā)展趨勢的分析，由表及里，逐步深入，并綜合應(yīng)用多種分析方法，相互佐證，使分析結(jié)論最終貼近真實。這是現(xiàn)代設(shè)備狀態(tài)分析的基本策略。

狀態(tài)分析的不同階段及其適用的方法歸納如下。

（一）總體狀態(tài)分析

判別設(shè)備狀態(tài)為正?；虍惓！Ｒ话悴捎脴?biāo)準(zhǔn)判別法和圖像分析法。[2]

1.標(biāo)準(zhǔn)判別法：將實際狀態(tài)監(jiān)測值與事先制定的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較來判別設(shè)備正?；虍惓?。[2]

2.圖像分析法：把設(shè)備正常狀態(tài)下的標(biāo)準(zhǔn)振動頻譜（或波形），與同一條件下測得的頻譜（或波形）進(jìn)行比較，通過分析它們的差別來判斷設(shè)備狀態(tài)的好壞。

（二）故障類型分析

常用5W1H方法，即采用Why（何因）、What（何事）、Who（何人）、When（何時）、Where（何地）、How（怎樣、如何）等6種提問的方式來完成對故障事故的推論。[2]

（三）故障部位分析

現(xiàn)代設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由于振源眾多，各個振動信號會彼此干擾，這就要求診斷人員除了要掌握足夠的振動信息（如數(shù)據(jù)、圖譜）外，還需清楚設(shè)備的結(jié)構(gòu)和運動原理。常有特征頻率分析法、布點排查法、沖擊脈沖法、類比法、排查分析法等幾種。[2]

1.特征頻率分析法：由于機(jī)器零部件的故障頻率分布在不同頻段，因此，根據(jù)主要振動頻率的大小，就可以大致估計故障可能發(fā)生的部位。

2.布點排查法：在振動測量中，測點越靠近振源振值越大，得到的信息越真實可靠。因此，根據(jù)機(jī)器的結(jié)構(gòu)特點和故障特征，合理選布有代表性的測點，根據(jù)測值大小和分布特點分析振源，從而確定故障的部位。

3.沖擊脈沖法：適用于滾動軸承多種失效的診斷。用此方法制作的儀器在測試時能排除機(jī)器和軸承本身的振動影響，直接判斷軸承的狀態(tài)和壽命，并能早期發(fā)現(xiàn)和識別滾動軸承因制造不良、裝配不良、潤滑不良及使用中旋轉(zhuǎn)面產(chǎn)生傷痕等與軸承壽命有關(guān)的異常原因、劣化程度和發(fā)展趨勢。

4.類比法：指由一類事物所具有的某種屬性，可以推測與其類似的事物也應(yīng)具有這種屬性的推理方法。其結(jié)論必須由實驗來檢驗，類比對象間共有的屬性越多，則類比結(jié)論的可靠性越大。

5.排查分析法：首先分析出產(chǎn)生振動的各種可能振源，逐步排查，縮小范圍，直至逼近產(chǎn)生故障的準(zhǔn)確部位。

（四）故障程度分析

1.振動標(biāo)準(zhǔn)界定法：在ISO振動標(biāo)準(zhǔn)中，設(shè)備狀態(tài)被界定為“良好”，“允許”、“較差”和“不允許”4個等級，每個等級都規(guī)定了限值范圍，將實際測量的振動參數(shù)值與標(biāo)準(zhǔn)值相比較，就可以知道現(xiàn)在設(shè)備故障處于何種等級。

陳大勇睜圓了雙眼，雙手握緊鬼子的槍刺，一聲虎嘯，刺刀被他帶著噴血拔了出來，小鬼子驚呆了，手一撒，就那么兩秒的時間，陳大勇反手把刺刀扎進(jìn)了鬼子的胸膛。

2.振動頻譜界定法：旋轉(zhuǎn)機(jī)械的大多數(shù)故障都有自己的特征頻率，分析振動頻譜的頻率組成變化和幅值增長情況是判別故障發(fā)生、發(fā)展的重要方法。必須先建立設(shè)備處于“良好”狀態(tài)時的“基準(zhǔn)譜”，進(jìn)一步建立在各種故障狀態(tài)下的“故障譜”。將測得的振動頻譜與標(biāo)準(zhǔn)譜進(jìn)行比較，就能知道設(shè)備的故障及故障的嚴(yán)重程度。

3.振動峰值系數(shù)界定法：峰值系數(shù)Cf是振動單峰值Xp與有效值Xms之比，即Cf=Xp/Xms。峰值系數(shù)對反映軸承故障比較敏感。

（五）發(fā)展趨勢分析

對設(shè)備實行狀態(tài)趨勢管理，其目的是把握設(shè)備總體狀態(tài)的變化及其發(fā)展方向，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備存在的缺陷和隱患，以便采取有效措施；同時，掌握故障演變過程，也有利于分析故障的性質(zhì)，診斷故障的原因。一般通過監(jiān)測表征設(shè)備狀態(tài)特征參量的變化，如振動幅值、特征頻率分量的幅值等，通過趨勢圖來研判狀態(tài)劣化的方向、速度、性質(zhì)等。[2]

二、多重狀態(tài)分析法在設(shè)備故障診斷中的應(yīng)用

（一）背景介紹

某鋼廠棒材生產(chǎn)線3#軋機(jī)在輸入端和輸出端各安裝有一個水平測點。2008年10月下旬，監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)設(shè)備存在異常，在對該設(shè)備的故障診斷中，通過多重狀態(tài)分析法的應(yīng)用，確診了故障的原因、程度，診斷結(jié)論與實際吻合，由于處理及時，成功地避免了一起設(shè)備事故的發(fā)生。3#軋機(jī)傳動鏈圖，見圖1。

圖1 3#軋機(jī)傳動鏈圖

（二）故障診斷過程

1.振動量指標(biāo)分析：3#軋機(jī)輸入端a5測點10月26日16：00振動峰值為 36 m/s2，10月30日 6：00振動值增加到99 m/s2，接近黃色報警值100 m/s2；輸出端a6測點10月30日22：00振動峰值為45 m/s2，10月31日8：37振動峰值增加到153 m/s2，超過紅警值（150 m/s2）。

2.振動峰值和峭度分析：10月23日至10月31日a5、a6測點振動峰值和峭度呈逐漸上升趨勢，粗步判斷3#軋機(jī)齒輪箱有故障隱患征兆，故障類型為漸發(fā)性故障。尤其是a6測點峭度比峰值還高，最高沖擊值高達(dá)140，說明故障隱患正向惡性方向發(fā)展。a6測點10月23日-10月31日峰值趨勢圖、峭度趨勢圖分別見圖2、圖3。

圖2 a6測點峰值趨勢圖

圖3 a6測點峭度趨勢圖

圖4 a6測點概率密度圖（正常）

圖5 a6測點概率密度圖（異常）

4.自相關(guān)分析：在a5測點10月15日5:00的自相關(guān)圖中，沖擊周期不明顯，說明粗軋3#軋機(jī)運行正常。在a5測點10月30日13：00的自相關(guān)圖中，有較為明顯的時間間隔：t=0.04 s，對應(yīng)的故障頻率為：f=1/t=1/0.04=25 Hz，與Z5/Z6嚙合頻率（26.138 Hz）很接近，且圖形基本呈菱形，說明3#軋機(jī)齒輪箱Ⅲ軸、Ⅳ軸連接的零部件有故障隱患征兆。a5測點10月15日5:00的自相關(guān)圖見圖6。a5測點10月30日13:00的自相關(guān)圖見圖7。

圖6 a5測點自相關(guān)圖（正常）

圖7 a5測點自相關(guān)圖（異常）

圖8 a5測點頻譜圖（正常）

圖9 a5測頻譜圖（異常）

5.頻譜分析：a5測點10月15日5：00頻譜圖見圖8，10月30日13：00頻譜圖見圖9。

從圖8可以看出，粗軋3#軋機(jī)輸入端a5測點10月15日5:00幅值圖中嚙合頻率Z3/Z4的幅值為0.678 m/s2，但倍頻不突出，說明3架軋機(jī)故障特征不明顯。從圖9和表1可以看出，10月30日13:00頻譜圖中嚙合頻率Z3/Z4的幅值為0.547 m/s2，且伴有2、3、4倍頻成份，說明Ⅱ軸、Ⅲ軸連接的零部件可能存在故障隱患。

圖10 a6測點頻譜圖

表1 特征頻率表（10月30日13∶00粗軋機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速為832 r/min，譜圖數(shù)據(jù)）

a6測點10月15日5：00頻譜圖見圖10，10月31日10:00頻譜圖見圖11。

圖11 a6測點頻譜圖

從圖10可以看出，粗軋3#軋機(jī)輸出端a6測點10月15日5:00幅值圖中嚙合頻率Z5/Z6的幅值為0.064 m/s2，倍頻很不規(guī)律，故障隱患不明顯。從圖11和表2可以看出，粗軋3#軋機(jī)輸出端a6測點10月31日10:00頻譜圖中Z5/Z6嚙合頻率的幅值為1.106 m/s2，且伴有2、3、4倍頻成份，說明Ⅲ軸、IV軸所連接的零部件可能存在故障隱患。

圖12 a5測點倒譜圖

圖13 a6測點倒譜圖

6.倒譜分析：從圖12可以看出，三個時間最高峰對應(yīng)的三個頻率值分別為：（1/39.5 sm）×1 000=25.314 Hz，（1/100.5 sm）×1 000=9.95 Hz，（1/94.25 sm）×1 000=10.610 Hz，其中，10.610 Hz與 3架已知零部件Z7/Z8嚙合頻率（11.259 Hz）有相近的對應(yīng)關(guān)系。說明Ⅳ軸Ⅴ軸所連接的零部件可能存在故障隱患。

從圖13可以看出，三個時間最高峰對應(yīng)的三個頻率值分別為：（1/125 sm）×1 000=8 Hz，（1/79.25sm）×1 000=12.618 Hz，（1/86.25 sm）×1 000=11.594 Hz，其中，11.594 Hz與3架已知零部件Z7/Z8嚙合頻率（11.814 Hz）有相近的對應(yīng)關(guān)系。說明Ⅳ軸Ⅴ軸所連接的零部件已有故障隱患征兆。

7.瀑布圖：從圖14可以看出，3架齒輪箱輸入端a5測點8個時間點的瀑布圖在298.828Hz處波峰出現(xiàn)連續(xù)較高的峰值，近似于Z3/Z4嚙合頻率（102.037 Hz）的3次諧波（306.111 Hz）。說明Ⅱ軸、Ⅲ軸所連接的零部件可能存在故障隱患。

（三）診斷結(jié)論

綜上所述，峭度（值在10左右）很高，說明軸承損壞的可能性最大，Z3/Z4嚙合頻率、Z5/Z6嚙合頻率有高次諧波，說明Ⅱ、III、IV軸零部件有故障隱患征兆。建議檢查齒輪箱內(nèi)III、IV軸上的軸承和Z3、Z4、Z5、Z6的齒輪。檢驗結(jié)果驗證了診斷結(jié)論。

表2 特征頻率表（10月31日10∶00粗軋機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速為799 r/min，譜圖數(shù)據(jù)）

圖14 3架齒輪箱輸入端a5測點的瀑布圖

圖15 III、IV軸上齒輪及IV軸軸承損壞情況

III、IV軸上齒輪及IV軸軸承損壞情況見圖15。

三、結(jié)論

單一的狀態(tài)分析方法在設(shè)備故障診斷實務(wù)中往往存在較大的局限性。實踐表明，在設(shè)備故障診斷的不同階段，依據(jù)各種狀態(tài)分析方法的特點并予以綜合應(yīng)用，實現(xiàn)診斷過程的前后呼應(yīng)和診斷結(jié)論的相互佐證，能有效提高故障診斷的準(zhǔn)確性和工作效率。

參考文獻(xiàn)：

［1］李國華.機(jī)械故障診斷[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

［2］丁加軍.設(shè)備故障診斷與維修[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.