基于聲音信號的機(jī)械設(shè)備故障診斷

丁曉雅 朱瑞雯 丁睿

摘要：機(jī)械設(shè)備在工業(yè)生產(chǎn)中具有舉足輕重的地位，不但關(guān)系到生產(chǎn)效率，而且還與產(chǎn)品質(zhì)量密切相關(guān)。一旦機(jī)械設(shè)備出現(xiàn)故障，輕則會影響產(chǎn)能，嚴(yán)重時(shí)可能造成停產(chǎn)。因此，對機(jī)械設(shè)備故障進(jìn)行快速診斷顯得尤為必要?；诖它c(diǎn)，文章從機(jī)械設(shè)備關(guān)鍵部件的常見故障分析入手，論述了機(jī)械設(shè)備故障診斷與監(jiān)測方法。期望通過文本的研究能夠?qū)Υ龠M(jìn)機(jī)械設(shè)備故障診斷與監(jiān)測水平的提升和機(jī)械設(shè)備使用壽命的延長有所幫助。

關(guān)鍵詞：機(jī)械設(shè)備;故障診斷;監(jiān)測方法

引言

高壓斷路器是電力系統(tǒng)重要的電器設(shè)備，研究表明，機(jī)械故障仍然是高壓斷路器的主要故障，因而實(shí)現(xiàn)高壓斷路器的機(jī)械故障診斷具有重要意義。已有的斷路器機(jī)械故障診斷方法以線圈電流和振動信號為主。線圈電流波形極值點(diǎn)的時(shí)間和電流瞬時(shí)值等線圈電流波形曲線特征可以反映電磁鐵和輔助開關(guān)的運(yùn)行狀態(tài)，但僅靠電流信號難以全面診斷斷路器的各類機(jī)械故障，特別是操動機(jī)構(gòu)中電磁鐵之外部分發(fā)生的機(jī)械故障;利用振動信號進(jìn)行故障診斷屬于非電類信號診斷，具有狀態(tài)信息豐富、信噪比高的優(yōu)點(diǎn)，但對傳感器的安裝位置、安裝方式一般都有較高要求。

聲音信號與振動信號屬于同源信號，都由斷路器部件的振動產(chǎn)生。聲音傳感器安裝方便，信號受安裝方式的影響較小，操作便捷性與振動信號相比具有明顯的優(yōu)勢。目前利用聲音信號進(jìn)行故障診斷的研究多集中于軸承等旋轉(zhuǎn)部件，近年來也有研究利用振動信號和聲音信號對斷路器機(jī)械故障進(jìn)行聯(lián)合診斷。

1機(jī)械設(shè)備關(guān)鍵部件的常見故障

機(jī)械設(shè)備是工業(yè)生產(chǎn)中不可或缺的重要組成部分之一，其性能優(yōu)劣直接關(guān)系到生產(chǎn)能效。機(jī)械設(shè)備是由各種零部件組合而成的裝置，這些零部件在長期的運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，難免會出現(xiàn)故障問題，由此會對機(jī)械設(shè)備的整體性能造成影響，進(jìn)而導(dǎo)致生產(chǎn)效率下降。下面對機(jī)械設(shè)備中關(guān)鍵部件的常見故障進(jìn)行分析。

1.1滾動軸承故障

在機(jī)械設(shè)備中，滾動軸承是較為重要零部件，因該零部件的運(yùn)轉(zhuǎn)頻率較高，從而使其成為機(jī)械設(shè)備的易損零件之一。當(dāng)滾動軸承損傷之后，一些故障便會隨之出現(xiàn)，導(dǎo)致滾動軸承損傷的原因有疲勞損傷、摩擦損傷、腐蝕損傷、斷裂等。

1.2齒輪箱故障

在機(jī)械設(shè)備中，齒輪箱是應(yīng)用較為廣泛的部件之一，絕大部分機(jī)械設(shè)備都有齒輪箱。在機(jī)械運(yùn)行過程中，齒輪箱內(nèi)的齒輪常常會出現(xiàn)劃痕、磨損、斷裂等問題，如果這些問題得不到及時(shí)有效地處理，則會導(dǎo)致齒輪箱失效。

1.3轉(zhuǎn)子故障

在旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備中，轉(zhuǎn)子是核心部件，如果轉(zhuǎn)子故障，則會對機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定性造成影響。轉(zhuǎn)子常見的故障有不平衡、轉(zhuǎn)軸彎曲、不對中、連接松動等。

1.4電動機(jī)故障

機(jī)械設(shè)備是由機(jī)械結(jié)構(gòu)和電動機(jī)兩部分組合而成，如果電動機(jī)故障，則會導(dǎo)致機(jī)械設(shè)備無法正常運(yùn)轉(zhuǎn)。電動機(jī)常見的故障有振動、異響、過熱、短路、空載損耗大、三相電流不平衡等。

2機(jī)械設(shè)備故障診斷的發(fā)展過程

設(shè)備的故障診斷是指在-定的工作環(huán)境下，根據(jù)機(jī)械設(shè)備運(yùn)行過程中產(chǎn)生的各種信息判別機(jī)械設(shè)備是正常運(yùn)行還是發(fā)生了異?，F(xiàn)象，并判定產(chǎn)生故障的原因和部位，以及預(yù)測、預(yù)報(bào)設(shè)備狀態(tài)的技術(shù)。故障診斷的實(shí)質(zhì)就是狀態(tài)的識別，診斷過程主要有三個(gè)步驟：第一步是檢測設(shè)備狀態(tài)的特征信號，如振動、噪聲、溫度等;第二步就是從所檢測到的特征信號中提取征兆;第三步是故障的模式識別。機(jī)械設(shè)備故障診斷技術(shù)的發(fā)展可以分為以下幾個(gè)階段：

①基于故障事件的故障診斷階段。當(dāng)出現(xiàn)故障后才檢查故障原因和發(fā)生部位，故障診斷的手段是通過對設(shè)備的解體分析并借助以往的經(jīng)驗(yàn)以及一些簡單的儀器。②基于故障預(yù)防的故障診斷階段。該階段故障診斷的目的在于為合理的維修周期的制定提供依據(jù)，并在定期維修前檢查突發(fā)性故障，保證在故障出現(xiàn)之前就能排除故障。這一階段的診斷手段主要是一些簡單的狀態(tài)檢測儀，多設(shè)有一定運(yùn)行參數(shù)的報(bào)警值，能夠?qū)ν话l(fā)故障進(jìn)行預(yù)測。③基于故障預(yù)測的故障診斷階段。該階段故障診斷是以信號采集與處理為中心，多層次、多角度地利用各種信息對設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行評估，針對不同的設(shè)備采取不同的措施。屬于正常運(yùn)行狀態(tài)的設(shè)備，可依據(jù)原先的檢測計(jì)劃進(jìn)行檢測;屬于故障進(jìn)行性發(fā)展的設(shè)備，.重點(diǎn)檢測;而個(gè)別故障較嚴(yán)重發(fā)展的設(shè)備，應(yīng)及時(shí)停機(jī)進(jìn)行故障診斷。

3開展故障診斷技術(shù)研究的意義

當(dāng)前，我國工業(yè)工作所需的大型設(shè)備越來越多，其在生產(chǎn)中的重要性不言而喻，關(guān)鍵設(shè)備的檢測和診斷技術(shù)所帶來的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益，也不斷為人們所認(rèn)識，具體包括：

①預(yù)防事故，保證人身和設(shè)備安全。②推動設(shè)備維修制度的改革。維修制度由預(yù)防維修向預(yù)知維修的轉(zhuǎn)化是必然的，而真正實(shí)現(xiàn)預(yù)知維修的基礎(chǔ)是設(shè)備診斷技術(shù)的發(fā)展和成熟。③提高經(jīng)濟(jì)效益。設(shè)備診斷的最終目的是避免故障的發(fā)生，使零部件的壽命得到充分的發(fā)揮，延長檢修周期，提高維修的精度和速度，降低維修費(fèi)用，獲得最佳經(jīng)濟(jì)效益。

4機(jī)械設(shè)備故障診斷與監(jiān)測方法

當(dāng)機(jī)械設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，需要在最短的時(shí)間內(nèi)對故障進(jìn)行診斷，據(jù)此查明故障原因，從而為故障處理提供依據(jù)。

4.1振動監(jiān)測與診斷

在對機(jī)械設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測的過程中，會遇到以下幾種振動：周期振動、隨機(jī)振動等，振動會產(chǎn)生-定的振幅，其代表的是振動的強(qiáng)度和能量，而頻率則是機(jī)械振動的主要特征。通過相應(yīng)的儀器，可以對機(jī)械設(shè)備的振動情況進(jìn)行監(jiān)測，在此基礎(chǔ)上能夠快速完成故障診斷?？捎糜跈C(jī)械設(shè)備振動監(jiān)測的儀器有以下幾種：渦流式位移傳感器、磁電式速度傳感器以及壓電式加速度傳感器，其中壓電式加速度傳感器的靈敏度較高、頻率范圍寬、體積小，從而使其成為目前應(yīng)用較為廣泛的振動監(jiān)測儀器。除了傳感器之外，在機(jī)械設(shè)備振動監(jiān)測與故障診斷中，還需要使用分析儀器和故障診斷專家系統(tǒng)。利用振動監(jiān)測與診斷技術(shù)，能夠?qū)C(jī)械設(shè)備的滾動軸承故障、齒輪箱故障以及轉(zhuǎn)子故障進(jìn)行診斷。

4.2噪聲監(jiān)測與診斷

機(jī)械設(shè)備在運(yùn)行時(shí)，除了振動之外，還會產(chǎn)生一定的噪聲，通過對噪聲的監(jiān)測，可以為故障診斷提供依據(jù)。對于聲音而言，聲強(qiáng)和聲壓是較為重要的參數(shù)，同時(shí)，這兩個(gè)參數(shù)也是噪聲測量的主要對象。近年來，隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷提升，使得FFT分析儀，在機(jī)械噪聲監(jiān)測中得到廣泛應(yīng)用。

不僅如此，雙話筒互譜技術(shù)在聲強(qiáng)測量中也得到一定的應(yīng)用，由此不但提高了檢測速度，還確保了檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性。在機(jī)械設(shè)備運(yùn)行現(xiàn)場，對噪聲進(jìn)行測量時(shí)，可以借助聲級計(jì)，該儀器最為突出的特點(diǎn)是能夠直接測得聲壓級。在對機(jī)械設(shè)備運(yùn)行中產(chǎn)生的噪聲進(jìn)行測量后，根據(jù)所得的結(jié)果，便可對機(jī)械故障的部位及其程度進(jìn)行確定。當(dāng)機(jī)械設(shè)備運(yùn)行時(shí)發(fā)出噪聲，便可通過噪聲監(jiān)測與診斷技術(shù)，對機(jī)械設(shè)備的故障進(jìn)行診斷，從而為故障維修提供依據(jù)。

結(jié)論

綜上所述，機(jī)械設(shè)備作為工業(yè)生產(chǎn)的重要組成部分之一，保證其穩(wěn)定、可靠運(yùn)行尤為必要。然而由于機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行環(huán)境較為復(fù)雜，加之工作時(shí)間長，從而增大了故障發(fā)生幾率，一旦機(jī)械設(shè)備出現(xiàn)故障，會對工業(yè)正常生產(chǎn)造成影響。所以，應(yīng)當(dāng)采取有效的方法，對機(jī)械設(shè)備故障進(jìn)行監(jiān)測和診斷，從而為故障維修處理提供準(zhǔn)確依據(jù)。在未來一段時(shí)期，應(yīng)當(dāng)加大對機(jī)械設(shè)備故障診斷與監(jiān)測技術(shù)的研究力度，除對現(xiàn)有的技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)和完善之外，還應(yīng)開發(fā)一些新的技術(shù)，更好地為機(jī)械設(shè)備故障診斷服務(wù)。

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