機械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)綜合研究

王建文

(山西焦煤西山煤電杜兒坪礦機電科，山西太原030022)

0 引言

隨著社會經(jīng)濟高速發(fā)展，現(xiàn)代企業(yè)應(yīng)市場需求所用的機械設(shè)備以大型化、高速化、精密化、系統(tǒng)化及自動化的特點呈現(xiàn)。由于設(shè)備規(guī)模越來越大，為了提高生產(chǎn)效率，設(shè)備每個部分聯(lián)系十分密切，假如設(shè)備一旦出現(xiàn)故障導(dǎo)致無法正常作業(yè)，必然對企業(yè)造成極大的經(jīng)濟損失。因此，為了確保機械設(shè)備的正常運行，提高可靠性，必須加強對機械設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)及故障診斷，對機械設(shè)備要有預(yù)防和及時的診斷方案。機械設(shè)備故障的機理:一是內(nèi)在因素，如磨損、腐蝕、疲勞、老化等;二是外在因素，它包含了載荷因素、人為因素，如環(huán)境、磨料、氣候、載荷的大小、運轉(zhuǎn)的速度、使用維護及管理水平等。了解故障產(chǎn)生機理是做好機械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷的前提。

1 機械設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀

機械故障診斷作為一門新興的綜合性邊緣學(xué)科，經(jīng)過30多年的發(fā)展，逐漸形成了比較完整的科學(xué)體系。單從技術(shù)而言，以振動診斷、油樣分析、溫度檢測為主，其中振動診斷涉及面廣，如振動信號的采集與分析，除了傳統(tǒng)的統(tǒng)計分析、時頻域分析、時序模型分析、參數(shù)判斷外，近年來又發(fā)展到頻率細化技術(shù)、倒譜分析、共振解調(diào)分析及三維全息譜分析和軸心軌跡分析等技術(shù)。而診斷方法從單一參數(shù)、單一故障的診斷方法改變成多故障的綜合性診斷。人工智能的研究成果為機械設(shè)備故障診斷提供了全新的活力，不僅對故障專家系統(tǒng)理論發(fā)展起到至關(guān)重要的作用，甚至國外已經(jīng)有許多成功的應(yīng)用實例，如在航海技術(shù)領(lǐng)域方面都有應(yīng)用。作為人工智能另一個重要分支:人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，它的研究也逐步滲入機械故障診斷領(lǐng)域中，已是目前研究熱點。近幾年機械故障診斷學(xué)科在國內(nèi)外得到飛速的發(fā)展，但盡管如此，技術(shù)與方法還需要進一步發(fā)展和完善。

2 機械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)

2.1 基礎(chǔ)素質(zhì)的要求

機械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)是利用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和儀器，根據(jù)機械設(shè)備外部信息參數(shù)的變化來判斷機械內(nèi)部的工作狀態(tài)或者設(shè)備接口的損害狀況，確定故障性質(zhì)、程度、類別及部位，預(yù)報其發(fā)展趨勢，研討故障產(chǎn)生的機理。技術(shù)人員應(yīng)該具備數(shù)據(jù)采集技術(shù)、計算機數(shù)據(jù)分析處理技術(shù);計算機診斷、預(yù)測、決策技術(shù);機械設(shè)備本身的結(jié)構(gòu)原理、動力學(xué);安裝、維修、運轉(zhuǎn)等專業(yè)技術(shù)知識，從而滿足高素質(zhì)機械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)從業(yè)技術(shù)人員的要求。

2.2 內(nèi)容

機械設(shè)備狀態(tài)變量(位置變化、振動、噪聲、溫度、壓力、流量、力等)的監(jiān)測;相關(guān)技術(shù)以設(shè)備狀態(tài)特征參數(shù)變化進行識別及設(shè)備運轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的振動和受損時的原因分析、故障判斷及故障預(yù)防。

2.3 技術(shù)實質(zhì)

必須了解和掌握設(shè)備在運行中的狀態(tài);預(yù)測設(shè)備的可靠性;能否正確判斷設(shè)備整體或局部是否處于正常狀態(tài);對設(shè)備故障進行早期預(yù)報，科學(xué)地選擇監(jiān)測程序，并對故障出現(xiàn)的起因、位置、程度等情況進行判斷及評價預(yù)報故障發(fā)展趨勢;迅速查尋故障源頭，并提出對策，針對實際情況，迅速地排除故障，避免或減少事故的發(fā)生和企業(yè)經(jīng)濟效益的降低。

3 振動檢測技術(shù)

常用的診斷方法有很多，例如超聲波法、振動法、聲發(fā)射探測發(fā)、紅外線法等，然后在機械設(shè)備的監(jiān)測技術(shù)法中以振動法應(yīng)用最為廣泛。機械設(shè)備的振動是作為衡量設(shè)備狀態(tài)的重要指標之一，是在不停機、不解體的情況下了解設(shè)備劣化程度和故障性質(zhì)的重要判斷。目前在機械設(shè)備故障診斷技術(shù)體系中，振動診斷居主導(dǎo)地位，應(yīng)用廣泛，其理論和測量方法成熟，結(jié)果準確可靠，便于實施。所以我們總結(jié)出機械振動中最基本也是最簡單的振動形式:簡諧振動，其表達式為:x =Asin(ωt +φ)，Asin 代表機械振幅，ω 代表圓頻率，t 代表相位，φ 代表初相位;d(t)=Dsin［(2π/T)t+φ］也可。振幅、頻率、相位這也是機械振動的基本三要素。

一般來說，我們對機械設(shè)備故障診斷的過程(圖1 所示)

圖1 機械設(shè)備故障診斷過程

通過圖1 我們了解到:①需要通過特征信號的檢測，成為初始化模式，信號一般以能量的形式和物體的形式進行表現(xiàn)(能量的形式如力、溫度、振動、電壓等，物體的形式如銹、裂紋、磨損的顆粒等)，所以我們采用感官或傳感裝置對信號進行收集。②我們對故障征兆的提取時，將初始化模式進行維數(shù)壓縮，形式變換，刪除冗余信息，最后形成待檢模式。③依靠建立判別函數(shù)、判別規(guī)則將待檢模式與參考模式進行比較及狀態(tài)分析。④統(tǒng)籌判別結(jié)果，采取相應(yīng)的措施對機械設(shè)備進行預(yù)測。現(xiàn)大型煤礦的主要通風(fēng)機主要采用振動的檢測模式進行監(jiān)測，初期設(shè)置上下限，然后通過探頭監(jiān)測設(shè)備的運行狀態(tài)，一旦超過預(yù)先設(shè)置的限位，系統(tǒng)馬上報警，提醒作業(yè)人員進行處理，將事故扼殺在萌芽狀態(tài)，確保礦井的正常生產(chǎn)。

3.1 振幅檢測

它以單位米或厘米進行表示，是標量。振幅是體現(xiàn)機械振動的強度及能量。主要以振動時移位、速度和加速度三個特征量。

3.2 周期和頻率檢測

周期標示質(zhì)點振動快慢的物理量，周期越長，振動越慢。也就是機械設(shè)備每次振動所花費的時間;頻率是指每秒設(shè)備振動的次數(shù)，是描述振動物體往復(fù)運動頻繁程度的量，它是振動的重要特征之一。不同的機械設(shè)備結(jié)構(gòu)、不同的部件、不同的故障源，所產(chǎn)生的頻率不一樣。所以，頻率的分析是機械設(shè)備診斷技術(shù)中重要手段。

3.3 相位檢測

相位是反映交流電任何時候的狀態(tài)物理量。相位與頻率作用都是一樣，用于表示機械設(shè)備振動特征的重要信息。所以，在不同的故障源，所形成的相位也有所不同，假如出現(xiàn)兩個故障源，那么相位可能是疊加的，這種后果更嚴重。除此外，相位也有減振的作用，當(dāng)相位相反時，可能會引起振動抵消。我們對機械設(shè)備采用相位測量，主要查看諧波、動平衡、振型及判斷共振點。

4 故障診斷技術(shù)的發(fā)展趨勢及診斷方法

機械設(shè)備故障診斷技術(shù)發(fā)展迅速，技術(shù)也在不斷更新變革。綜合目前來看，故障診斷技術(shù)大致在以下幾個方面發(fā)展:①混合型智能故障診斷技術(shù)。它是依靠不同的智能技術(shù)相結(jié)合，主要以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯及專家系統(tǒng)整體結(jié)合的診斷模式。②智能BIT 技術(shù)。BIT 是機內(nèi)測試的簡寫，是為設(shè)備和設(shè)備之間的內(nèi)部提供故障檢測和隔離的自動檢測能力。③基于Internet 的遠程協(xié)作診斷技術(shù)，將診斷技術(shù)與計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合起來，使用多個中心計算機服務(wù)器在企業(yè)關(guān)鍵設(shè)備組建監(jiān)測點，采集設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)。而目前應(yīng)用較為廣泛的主要幾個方法如下。

4.1 簡易法

工作人員通過攜帶輕便式診斷儀器對故障的機械設(shè)備進行判斷和區(qū)分故障嚴重程度或是否存在故障。同時，可陪同經(jīng)驗豐富的工程技術(shù)人員一起參與，依靠典型故障的基礎(chǔ)做出判斷及預(yù)報。據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計表明，通過簡易診斷儀器可以解決設(shè)備運行中約50%的故障，可見簡易法在機械設(shè)備管理與維修中的重要作用，這也是它普遍應(yīng)用的原因所在。礦井采掘設(shè)備采用簡易法比較多，由于井下條件復(fù)雜，只有靠經(jīng)驗豐富的工人去判斷、診斷，如摸溫度、聞氣味、看顏色、聽聲音等。

4.2 精密診斷法

這種方法是依靠計算機進行多功能智能診斷手段，這種診斷系統(tǒng)，搭配有自動診斷的可視軟件，對設(shè)備狀態(tài)進行采集、特征提取及狀態(tài)識別，包括后期的打印、可視、制圖等多樣式分析結(jié)果。這類方法費用較高，需要使用精密的儀器，經(jīng)過專門訓(xùn)練的工程師進行，一般使用在重要的機械設(shè)備上。對于礦井大型設(shè)備，如主扇、抽放泵、強力皮帶等，其位移、溫度變化、負壓增減，都必須經(jīng)過專業(yè)的儀器去判斷、分析。如我礦強力皮帶現(xiàn)用的監(jiān)測裝置，就是通過X 光進行實時監(jiān)測皮帶內(nèi)的鋼絲繩完好情況，并通過軟件進行分析，一旦超過要求損耗，系統(tǒng)立即報警。

4.3 專家系統(tǒng)

這類診斷方法除結(jié)合了智能法自動診斷技術(shù)外，還融合了專家的診斷經(jīng)驗、邏輯思維，與計算機數(shù)據(jù)庫、高速運算能力、分析能力相融合，并以規(guī)則形式存入計算機;技術(shù)人員可采用自動采集或手動輸入數(shù)據(jù)，系統(tǒng)就能模擬專家的推理、判斷，最后實現(xiàn)解決故障，并且存檔，如圖2 所示。

圖2 專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架圖

5 結(jié)語

機械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測及診斷技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用在工業(yè)企業(yè)中，并且得到了相應(yīng)的重視，可見其作用是顯而易見的。各種監(jiān)測手段與方法都有相應(yīng)的側(cè)重點，我們選擇時，應(yīng)該結(jié)合當(dāng)前機械設(shè)備振動磨損等情況，采用不同的方法及手段，這樣才能確保機械設(shè)備的安全性、可靠性，保證企業(yè)經(jīng)濟穩(wěn)定上升。

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