基于振動(dòng)可視化分析的機(jī)械故障診斷方法

譚宇碩?孫博?薛力峰?韓瀚?趙劍偉

摘要：基于振動(dòng)可視化的機(jī)械故障診斷理論提出了相對繁瑣的一種診斷系統(tǒng)故障的方式，如果碰到十分復(fù)雜的機(jī)械設(shè)備，在接收其振動(dòng)信號(hào)時(shí)，我們便可以通過振動(dòng)可視化技術(shù)逐步改善檢測手段獲取到的振動(dòng)訊息，同時(shí)將設(shè)備的重要測點(diǎn)在頻率跟時(shí)間上的變化給充分體現(xiàn)出來，并將此視為診斷系統(tǒng)是否出現(xiàn)故障的前提和根據(jù)。大致流程為：首先，從性能一般的零部件入手，據(jù)此鉆研可視化技術(shù)是否可行;其次，把分析多個(gè)通道的振動(dòng)信號(hào)最終結(jié)果視為輸入量，并運(yùn)用在診斷系統(tǒng)故障的過程中。經(jīng)過這一系列流程下來，最終結(jié)果顯示是這樣的：運(yùn)用基于振動(dòng)可視化技術(shù)來分析診斷機(jī)械故障能夠大大減少確定故障源的時(shí)間跟過程，且可以有效提高匹配故障模式的準(zhǔn)確率。

關(guān)鍵詞：振動(dòng)可視化;分析;機(jī)械故障;診斷方法

準(zhǔn)確捕獲機(jī)械設(shè)備具體信息情況是我們提取故障特征的首要前提，而在工業(yè)生產(chǎn)中，采集和分析振動(dòng)信號(hào)是比較常見的一種診斷機(jī)械故障方式。隨著當(dāng)代社會(huì)中機(jī)械設(shè)備越來越成熟和復(fù)雜，診斷故障和振動(dòng)監(jiān)測的方式也變得相對復(fù)雜起來。一旦機(jī)械系統(tǒng)發(fā)生故障，那么一個(gè)或多個(gè)故障源就需要將這一故障信息傳遞到多處地方;而一個(gè)元部件發(fā)生問題后，整體的機(jī)械設(shè)備系統(tǒng)也都將面臨難以正常運(yùn)轉(zhuǎn)的局勢。但設(shè)備的故障源通常是多個(gè)的，這意味著失效程度會(huì)各不相同;當(dāng)機(jī)械設(shè)備出現(xiàn)某種故障后，通常情況下其他模式故障也會(huì)隨之出現(xiàn)，故障不同，出現(xiàn)的振動(dòng)信息也是不同的，這樣一來在測量信號(hào)時(shí)，難免就會(huì)將多個(gè)振源信號(hào)的投影也都一并測量到，這對我們準(zhǔn)確獲取到故障源是十分不利的。為了完整捕獲到機(jī)械設(shè)備相關(guān)的振動(dòng)信息，所有振動(dòng)敏感區(qū)的設(shè)備系統(tǒng)都需要展開監(jiān)測，這也就意味著在獲取振動(dòng)數(shù)據(jù)的方式上，我們有必要進(jìn)一步改善跟豐富。

一、振動(dòng)可視化分析

振動(dòng)可視化分析其宗旨就是要針對整體機(jī)械的振動(dòng)工作展開ODS動(dòng)態(tài)處理，將有限的個(gè)點(diǎn)受迫振動(dòng)視為輸入量，根據(jù)模仿系統(tǒng)振動(dòng)分析進(jìn)而明確研究對象具體形狀，其優(yōu)勢就是在還沒有明確好輸入量的同時(shí)還能對系統(tǒng)進(jìn)行定量或定性振動(dòng)分析。不同于模態(tài)分析，ODS僅反映在未知的工況下系統(tǒng)針對特殊頻率作出的響應(yīng)情況，并根據(jù)可視化振動(dòng)分析進(jìn)一步確定出故障源，通過判斷振動(dòng)信息傳播路徑來更好的探究各個(gè)子系統(tǒng)間的關(guān)聯(lián)性。

從工程上來看，存在于機(jī)械設(shè)備中的動(dòng)載荷通常是很難測量的，ODS動(dòng)態(tài)處理憑振動(dòng)系統(tǒng)當(dāng)中某點(diǎn)響應(yīng)替換激振向量。跟實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析比起來，ODS分析的最終結(jié)果是跟隨激勵(lì)的改變而出現(xiàn)變化的，這不但跟設(shè)備系統(tǒng)自身性能有關(guān)，還跟外部激勵(lì)緊密相關(guān)，而這也就決定了ODS動(dòng)態(tài)處理可以將不同工況下所有測點(diǎn)頻率都捕獲到，甚至還能跟外界激勵(lì)相互對應(yīng)起來。

二、故障診斷

無論是哪種系統(tǒng)，都具備子系統(tǒng)相關(guān)性跟整體性，以系統(tǒng)理論為基礎(chǔ)的系統(tǒng)級故障診斷僅對大型系統(tǒng)內(nèi)多個(gè)元部件是否出現(xiàn)故障的狀態(tài)加以檢測，由于系統(tǒng)不斷地發(fā)展，變得愈加復(fù)雜，與之相對應(yīng)的診斷模型跟算法也都接連被提了出來。在研究目標(biāo)的基礎(chǔ)上選取不一樣的模型，如對于那些相對復(fù)雜的機(jī)械設(shè)備系統(tǒng)，就要選擇Malek模型。

三、設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案

本文選用振動(dòng)測試儀來對故障模擬試驗(yàn)臺(tái)展開振動(dòng)實(shí)測跟模擬研究，再通過此試驗(yàn)臺(tái)模擬各種旋轉(zhuǎn)機(jī)出現(xiàn)的典型故障，包括軸系和軸承等等，再把振動(dòng)可視化系統(tǒng)故障診斷法運(yùn)用其中。

試驗(yàn)步驟

1.針對試驗(yàn)臺(tái)設(shè)置典型故障，將軸系不平衡跟滾動(dòng)軸承內(nèi)圈這2個(gè)故障作為事例進(jìn)行探究。

2.創(chuàng)建測試方案仔細(xì)且全面的測試振動(dòng)信號(hào)，并將此作為分析源對多個(gè)通道的故障信號(hào)展開模擬，針對其有效性展開分析。

3.將模擬振動(dòng)信號(hào)跟實(shí)測振動(dòng)信號(hào)作為基本對系統(tǒng)展開可視化對比并加以分析，能幫助我們得到系統(tǒng)整個(gè)工作具體的形態(tài)。

4.系統(tǒng)振動(dòng)分析，故障診斷跟對比預(yù)設(shè)故障分析。

（二）振動(dòng)監(jiān)測點(diǎn)

具體可以設(shè)置3個(gè)振動(dòng)監(jiān)測點(diǎn)，其方向分別是軸向、水平徑向以及垂直徑向;而ODS的模擬分析點(diǎn)是3個(gè)監(jiān)測點(diǎn)另外兩個(gè)方向，包含6個(gè)測點(diǎn)。

（三）分析試驗(yàn)結(jié)果

對比模擬跟實(shí)測振動(dòng)信號(hào)的實(shí)時(shí)圖，以實(shí)測信號(hào)為基本，模擬出100個(gè)節(jié)點(diǎn)振動(dòng)信號(hào)。其中左邊的是試驗(yàn)臺(tái)振動(dòng)可視化，右邊的是模擬測點(diǎn)信號(hào)跟實(shí)測信號(hào)之間的對比。從故障特征跟振動(dòng)強(qiáng)度當(dāng)中我們可以充分看到故障部件與振動(dòng)監(jiān)測點(diǎn)之間的距離。

將3個(gè)振動(dòng)信號(hào)輸入其中，通過可視化技術(shù)便可模擬分析出9組振動(dòng)信號(hào)，本文主要就其中的1個(gè)振動(dòng)信號(hào)跟1個(gè)模擬振動(dòng)信號(hào)作為舉例，展開相應(yīng)的說明。

在距離故障部件端比較遠(yuǎn)的地方，也就是接近電機(jī)端支撐座的地方，其模擬信號(hào)跟實(shí)際測試得到的信號(hào)相差并不是很大，且信號(hào)成分跟振動(dòng)幅值也都很相似，并沒有十分明顯的沖突特征。而在故障源所在地，也就是自由端軸承處，我們發(fā)現(xiàn)不管是實(shí)測信號(hào)也好，通過ODS分析模擬得到的信號(hào)也罷，都有十分明顯的沖擊特征，而且二者之間的吻合度也超高。

通過通道振動(dòng)信號(hào)，我們可知軸承內(nèi)環(huán)的倍率成分跟特征頻率都相對明顯，而且其振動(dòng)的強(qiáng)度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了標(biāo)準(zhǔn)值，因此我們可以進(jìn)一步確定出故障源跟故障模式：

BPFO = （ 1 /2）n|N0 - Ni|[1+ （d /D） co sO]

其中，d代表的是滾動(dòng)體直徑;D代表的是滾動(dòng)軸承的均直徑;O代表的是徑向的接觸角;n代表的是滾動(dòng)體的數(shù)目;No代表的是軸承外環(huán)角速度;Ni代表的是軸承內(nèi)環(huán)角速度，將軸承具體參數(shù)代入其中，變能得到：

BPFO = （ 1 /2）* 12* |0 - 900 /60|[1+（ 2 /14） ] = 103 Hz

分析軸承內(nèi)環(huán)的特征頻率52Hz，103 Hz， 以及205 Hz， 310 Hz處的振動(dòng)幅值，不同的實(shí)測信號(hào)跟ODS模擬分析信號(hào)其軸承內(nèi)環(huán)的特征頻率倍頻成分十分突出，尤其水平徑向上的振動(dòng)沖擊最為顯著;而3X處，也就是距離電機(jī)端支座測點(diǎn)的地方，其振幅明顯比其他2個(gè)測點(diǎn)要小一些，這表明隨著結(jié)構(gòu)系統(tǒng)衰減，故障特征也會(huì)相應(yīng)的衰減，進(jìn)一步說明了診斷方式跟測試是十分有效的。

四、結(jié)束語

總而言之，準(zhǔn)確捕獲到振動(dòng)信息是對故障進(jìn)行正確診斷、實(shí)現(xiàn)機(jī)械振動(dòng)測試的有效前提跟重中之重。當(dāng)設(shè)備系統(tǒng)出現(xiàn)故障的時(shí)候，把振動(dòng)可視化技術(shù)全面的應(yīng)用在其中，能夠?qū)⒈容^復(fù)雜的系統(tǒng)其故障源的測試以及確定故障模式這一難題都落實(shí)到實(shí)處，通過可視化振動(dòng)測試這一技術(shù)，我們可以將有限個(gè)振動(dòng)監(jiān)測點(diǎn)的信息看做是輸入量，進(jìn)而取得多通道的模擬振動(dòng)信號(hào)，以此進(jìn)行結(jié)果比對跟分析，并根據(jù)此作為診斷機(jī)械系統(tǒng)故障的有效依據(jù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)故障源進(jìn)行智能識(shí)別與辨認(rèn)。通過典型故障模式的試驗(yàn)研究，充分表明了研究具有一定的可行性。

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作者簡介：

譚宇碩（1982-），男，漢族，河北石家莊人，碩士學(xué)位，講師，研究方向：機(jī)械故障診斷、工礦自動(dòng)化。

基金項(xiàng)目：2019年度石家莊郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研項(xiàng)目 項(xiàng)目編號(hào)：（YB2019049）

作者單位：石家莊郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院