機械設備故障診斷課程實驗平臺構建

李 強, 許偉偉, 王振波, 周昌靜, 鄭水英

(1. 中國石油大學(華東) 化學工程學院, 山東 青島 266580; 2. 中國石油大學(華東) 儲運與建筑工程學院,山東 青島 266580; 3. 浙江大學 化工機械研究所, 浙江 杭州 310027)

隨著煉油、化工、冶金、發(fā)電等行業(yè)陸續(xù)向大型化方向發(fā)展,對能耗、高效及長期穩(wěn)定運行要求越來越高,而且生產(chǎn)設備造價較高、設備損傷愈后效果損失大,因此生產(chǎn)安全至關重要,過程裝備監(jiān)測和控制的重要性也日益突出[1]。過程裝備與控制工程專業(yè)是適應現(xiàn)代化過程工業(yè)發(fā)展而設置的學科交叉型專業(yè),著重培養(yǎng)學生對過程工業(yè)中的復雜工程問題的解決能力。

近年來,為了推進工程教育改革,增強工程人才培養(yǎng)對經(jīng)濟社會發(fā)展的適應性,提升工程教育的國際競爭力,各專業(yè)陸續(xù)開展了工程教育專業(yè)認證工作。工程教育專業(yè)認證是高等教育認證的重要組成部分,是對各專業(yè)工程教育是否達到所規(guī)定的最低標準所進行的檢查,工程教育認證要求以學生為中心,以培養(yǎng)目標和畢業(yè)要求為導向,通過課程體系、師資隊伍和支持條件的建設來達成目標[2-4]。

工程教育認證所確定的12條畢業(yè)設計要求中很重要的一點是將所學知識應用于解決復雜工程問題并考慮所帶來的社會、環(huán)境等問題。從課程體系上看,“機械設備故障診斷技術”是能夠支撐這一要求的有效課程。主要原因在于“機械設備故障診斷技術”所講授的內容是針對石油化工典型機械設備的故障,通過信號采集與分析,對比故障特征找出故障的原因,并提出維修及預防措施。通過課程的學習,使學生掌握石油化工典型機械設備故障機理、故障特征和故障診斷方法,培養(yǎng)從事石油化工機械設備故障診斷工作的基本能力,達到掌握現(xiàn)代科學技術、加強工程實踐能力和解決工程實際問題的目的[5-6]。

從目前的教學情況來看,“機械設備故障診斷技術”課堂授課程式化,忽略了培養(yǎng)學生不斷獲取知識和探索問題的能力; 各種類型故障知識的講授像蜻蜓點水,缺乏課程核心知識與實踐訓練的結合; 忽略了教師與學生之間的互動與溝通,學生主動參與性較差。這與工程教育認證的“成果導向”“以學生為中心”和“持續(xù)改進”三個基本理念相悖,無法真正實現(xiàn)復雜工程問題的解決能力的培養(yǎng)。如果在講授理論知識的過程中,基于振動教學實驗臺,學生能掌握信號的采集和分析的基本過程,結合課堂知識作出正確的診斷結論; 而在理論授課完畢之后,在旋轉機械模擬實驗臺上進行典型故障的模擬與分析,學生在該實驗臺上能動手制造故障并分析解決故障,加深學生對理論知識點的直觀認識,提高學生的研究能力,達到工程教育認證中“能夠解決復雜工程問題”的標準。

1 故障診斷實驗平臺構建

構建機械設備故障診斷實驗平臺需要具備兩個條件:一是實驗裝置和測試軟件,目前具有的簡支梁振動測試裝置,自搭的轉子-軸承實驗臺[7],基于C++和基于LabVIEW程序編制的信號采集與分析系統(tǒng),以及數(shù)據(jù)采集卡、傳感器、動平衡機等設備能夠滿足實驗平臺軟、硬件方面的需求; 二是基于實驗臺的各種故障的模擬,一般而言所有故障都具有獨特的特征，且能重復出現(xiàn)。因此,目前所具備的條件是能夠滿足實驗平臺建立的需求。根據(jù)課程目標及教學內容需要,主要安排的實驗項目為振動信號的測試與分析、典型故障模擬實驗兩部分。

1.1 振動信號的測試與分析

機械設備中任何一個運動部件或與其相關的零件出現(xiàn)故障,必然破壞機械運動的平穩(wěn)性,在傳遞力的參與下,這種力和運動的非平衡現(xiàn)象表現(xiàn)為振動。振動信號中包含對故障診斷有用的信息,但是也存在一些無用的信息,為了提取有用信息,必須對信號進行處理[8-9]。本實驗項目首先要了解工程中信號測試、采集和分析的基本方法和過程; 通過簡單的實驗結構,掌握固有頻率測試、觸發(fā)采樣、整周期采樣的基本方法; 通過采樣后的數(shù)據(jù)處理,對傅里葉變換、相關分析等知識點進一步鞏固,采用的振動教學實驗臺如圖1所示。

圖1 振動教學實驗臺

目前常用的信號分析方法為時域分析法和頻譜分析法。時域分析法主要包括波形分析、幅值分析、相關分析等。其中相關分析用于描述信號在不同時刻的相互依賴關系,是提取信號中周期成分的常用手段,包括自相關分析和互相關分析。

頻率是振動診斷中一個最重要的參數(shù),確定診斷方案、進行狀態(tài)識別、選用診斷標準等各個環(huán)節(jié)都與振動頻率有關[8]。頻譜分析中常用的有幅值譜和功率譜,幅值譜表示了振動參數(shù)中的位移、速度、加速度的幅值隨頻率分布的情況; 功率譜表示振動功率隨振動頻率的分布情況,兩種方式物理意義都比較清楚。頻譜分析的基礎是傅里葉變換,它將復雜信號分解為有限或無限個頻率的簡諧分量,傅里葉變換對如下式所示：

(1)

1.2 典型故障模擬實驗

旋轉機械發(fā)生故障的主要特征是機器伴有異常的振動和噪聲,其振動信號從時域和頻域反映了機器的故障信息。轉子組件是旋轉機械的核心部分,了解轉子組件在故障狀態(tài)下的振動機理,對于監(jiān)測機器的運行狀態(tài)和提高診斷故障的準確率都非常重要,旋轉機械模擬實驗臺如圖2所示。模擬實驗內容主要包括轉子不平衡、轉子不對中、滑動軸承油膜振蕩等典型的故障。

圖2 旋轉機械模擬實驗臺

轉子不平衡引起的振動是旋轉機械常見的多發(fā)故障[10]。它是由轉子質量偏心或轉子出現(xiàn)磨損、腐蝕等質量缺損而引起的,轉子不平衡故障的模擬可以研究不平衡質量對轉子振動情況的影響。通過在轉子上布置均勻分布的螺紋孔,并在不同位置的螺紋孔安裝螺釘來模擬轉子不平衡故障,如圖3所示。

圖3 轉子不平衡故障模擬實物圖

旋轉機械通常由多個轉子和軸承組成的一個機械系統(tǒng),各個轉子之間用聯(lián)軸節(jié)連接,傳遞運動和轉矩。轉子不對中故障是指機器在運行狀態(tài)下,由于機器的安裝誤差、工作狀態(tài)下的熱膨脹、承載后的變形以及機器基礎的不均勻沉降等原因造成轉子與轉子之間的連接對中超出正常范圍,從而引發(fā)機器振動或聯(lián)軸節(jié)、軸承損壞的現(xiàn)象[11]。為了分析轉子不對中故障產(chǎn)生的影響,可以在實驗裝置的軸承座下墊薄銅片模擬軸承不對中故障，如圖4所示。

圖4 轉子不對中故障模擬實物圖

在化工、石化、電力、鋼鐵和航空工業(yè)部門中使用的高性能旋轉機械往往采用滑動軸承支撐,在使用中由于設計不良或其他因素的影響,容易發(fā)生油膜不穩(wěn)定。不穩(wěn)定的油膜會引起轉子較大的振動,發(fā)展到某種工作狀態(tài)時,還會發(fā)生高速滑動軸承的一種特有故障——油膜振蕩,它是由油膜力引起的自激振動,轉子軸頸在油膜中的猛烈振動將會直接導致機器零部件的損壞[12]。通過升高轉速至一階臨界轉速的2倍以上來模擬油膜振蕩的發(fā)生,而在發(fā)生前的低速狀態(tài)下,油膜渦動會先期發(fā)生。

其他故障如轉子摩擦故障、轉子支撐部件松動故障等都可以基于此模擬實驗臺完成。

2 實施案例分析

2.1 基于振動教學實驗臺的案例實施

為了簡化分析,對于旋轉機械的振動分析常常將其轉子系統(tǒng)簡化為梁力學模型,因此本實驗的開展具有工程意義[13-14]。該實驗模塊主要包括固有頻率測試、整周期采樣、數(shù)據(jù)的相關分析等內容。

(1) 固有頻率測試。分析構件的固有頻率可以避免共振現(xiàn)象,減少振動的影響。當在系統(tǒng)靜止狀態(tài)下,施加一次觸發(fā)脈沖,系統(tǒng)會以固有頻率作減幅自由振動。通過測量自由振動信號、畫時域圖、做頻譜分析,可以測量得到固有頻率,如圖5所示。

通過固有頻率的測試使得學生進一步了解了旋轉機械的臨界轉速概念,對信號的時域和頻域分析有了更直觀的認識,通過實際操作熟悉了工程中信號測試、采集和分析的基本方法和過程。

(2) 整周期采樣。采用整周期采樣是采樣過程中消除誤差的有效手段,整周期采樣時,通過控制每個周期最后一個點與下一周期開始點之間的間隔,且將其控制在一個小范圍內,可以很好地避免誤差累積。因此,通過整周期采樣所得的振動波形能較真實地反映系統(tǒng)的振動信息。

圖5 固有頻率測試信號及FFT分析結果

圖6為對同一信號分別采用非整周期和整周期采樣得到的頻譜圖,發(fā)現(xiàn)整周期采樣后,由于采樣時間變短,導致頻率分辨率降低,但泄漏明顯減少,幅值從圖6(a)的0.127 mV增加到圖6(b)的0.160 mV。

圖6 頻譜圖

(3) 相關分析。利用相關分析可以研究兩個以上信號的相互關系,該方法常常應用在工程實踐中,如對受干擾的信號進行分析,通過將信號與已知波形的信號進行相關分析可以消除干擾信號,使信號還原。

將采集到的信號通過以下公式進行相關分析:

(2)

(3)

相關分析在課堂教學中屬于較難講解的知識點,學生也普遍反映很難理解,而通過基于振動教學平臺的案例實施和動手操作,使相關分析的物理意義更加明確,學生也更容易掌握該知識點。

2.2 基于旋轉機械模擬實驗臺的案例實施

基于模擬實驗臺(見圖2)對典型故障案例開展研究,使學生能更深入地了解其故障特征和診斷方法,為學生提供一個從理論走向實踐的平臺,鍛煉了學生解決復雜問題的能力[15-16]。

圖7給出了不同轉速下轉軸軸頸的軸心軌跡和頻譜圖,從圖7(a)—圖7(d)可知,在低轉速工況下,由于存在不對中和非線性油膜力的作用,軸心軌跡并沒有呈現(xiàn)出圓或者橢圓形狀,而是呈不規(guī)則形狀，如圖7(a)所示; 圖7(b)是在臨界轉速附近,由不平衡力引起的基頻振動成為主要振動成分,此時軸心軌跡近似為圓; 過了臨界轉速后,振動值將減小，如圖7(c)所示,但隨著轉速的升高會繼續(xù)增大,直到發(fā)生油膜振蕩，如圖7(d)所示,這時軸心軌跡變得十分復雜,此時的振動為準周期振動。由頻譜圖(圖7(e))可知,發(fā)生油膜振蕩時，振動頻率為轉速頻率的一半,且半頻幅值已經(jīng)大于工頻幅值,實驗現(xiàn)象與課堂理論分析完全一致,進一步驗證了不平衡振動和油膜振蕩發(fā)生的機理,實現(xiàn)了課堂內外、理論和工程的相互融合。

基于該實驗臺的某些實驗屬于開放探索性實驗,如油膜振蕩模擬實驗,需要在團隊合作下才能最終完成,這樣可以與大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練及自主創(chuàng)新項目相結合,能充分鍛煉學生的團隊協(xié)作能力和自主創(chuàng)新能力。

圖7 不同轉速下的軸心軌跡圖和頻譜圖

3 結語

基于工程教育認證的“成果導向”“以學生為中心”和“持續(xù)改進”三個基本理念,在機械設備故障診斷課程中搭建了面向工程問題解決能力培養(yǎng)的實驗平臺,包括振動信號的測試與分析、典型故障實驗模擬兩個實驗模塊。通過具體案例的實施,完成了機械設備故障診斷的基本分析過程?；谠撈脚_的實踐鍛煉,既鞏固了學生在課堂上學習的理論知識,又能培養(yǎng)了學生的工程思維,并在故障分析的過程中提高了解決復雜工程問題的能力。實踐證明,基于該實驗平臺的實驗模式起到了很好的教學效果。