機(jī)電設(shè)備故障診斷原理及實(shí)踐探討

孫澤明

(山西省電子工業(yè)科學(xué)研究所有限公司,山西 太原030006)

機(jī)電設(shè)備,特別是大型機(jī)電設(shè)備的正常運(yùn)行關(guān)系著煤礦的生產(chǎn)效率,如何保障大型機(jī)電設(shè)備的正常、高效運(yùn)行是提高生產(chǎn)連續(xù)性的最重要條件。一般大型機(jī)電設(shè)備的維修、保養(yǎng)、維護(hù)都是由專業(yè)的技術(shù)人員定期進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢查,通過(guò)聲音、溫度、振動(dòng)、電流、電壓等人工或電子手段進(jìn)行,效率很低,還不能保證檢查的正確性和及時(shí)性。如何通過(guò)運(yùn)用現(xiàn)有的信息技術(shù)手段,實(shí)現(xiàn)對(duì)大型機(jī)電設(shè)備的實(shí)時(shí)、有效監(jiān)控和診斷,是提高設(shè)備運(yùn)行效率和減少人員冗余的最直接方法。

1 機(jī)械振動(dòng)

1.1 機(jī)械振動(dòng)簡(jiǎn)介

自然界的機(jī)械振動(dòng)有很多,例如鼓槌敲擊鼓面會(huì)產(chǎn)生振動(dòng);琴弦拉動(dòng)會(huì)產(chǎn)生振動(dòng);電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)等等。機(jī)械振動(dòng)是指物體經(jīng)過(guò)自身的平衡位置所做的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。生產(chǎn)中的機(jī)械電氣設(shè)備振動(dòng)的危害主要有噪音、停產(chǎn)、安全事故。煤礦的大型設(shè)備有通風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、齒輪、泵、電動(dòng)機(jī)等。

為了診斷振動(dòng)情況,必須了解振動(dòng)的本質(zhì)。振動(dòng)從原理上可以分為自由振動(dòng)、強(qiáng)迫振動(dòng)、自激振動(dòng)。

自由振動(dòng)是物體受到初始激勵(lì)所引發(fā)的一種振動(dòng),這種振動(dòng)靠初始激勵(lì)一次性獲得能量,歷程有限,一般不會(huì)對(duì)設(shè)備造成危害,不是現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備所必須考慮的。

強(qiáng)迫振動(dòng)是物體在持續(xù)性周期性變化外力作用下產(chǎn)生的振動(dòng),如不平衡、不對(duì)中所引起的振動(dòng)。

自激振動(dòng)是非線性機(jī)械系統(tǒng)內(nèi),由非震蕩能量轉(zhuǎn)變?yōu)檎鹗幖?lì)能量所產(chǎn)生的振動(dòng)。也就是在設(shè)備沒(méi)有外力作用下,由系統(tǒng)自身原因所產(chǎn)生的激勵(lì)而引起的振動(dòng),是一種比較危險(xiǎn)的振動(dòng),設(shè)備一旦產(chǎn)生自激振動(dòng)會(huì)使設(shè)備運(yùn)行失去穩(wěn)定性。

1.2 機(jī)械振動(dòng)的類型

按頻率高低可以分為低頻振動(dòng)(小于10 Hz)、中頻振動(dòng)(大于10 Hz小于1 000 Hz)、高頻振動(dòng)(高于1 000 Hz);對(duì)于低頻振動(dòng)主要測(cè)量位移、中頻振動(dòng)主要測(cè)量速度、高頻振動(dòng)主要測(cè)量加速度。

振動(dòng)的表現(xiàn)形式:位移、速度、加速度。監(jiān)測(cè)位移時(shí)主要是指物體在往復(fù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中相對(duì)于其平衡位置的距離,一般以μm為單位;監(jiān)測(cè)速度主要是指物體運(yùn)動(dòng)的快慢,一般以mm/s為單位;監(jiān)測(cè)加速度就是監(jiān)測(cè)物體振動(dòng)的變化率,加速度越大,施加在物體上的力越大,單位是m/s2。

1.3 機(jī)械振動(dòng)的主要監(jiān)測(cè)領(lǐng)域

1) 對(duì)于結(jié)構(gòu)件,主要應(yīng)用自由振動(dòng)原理來(lái)檢測(cè)其固有頻率和阻尼系數(shù)等參數(shù),通過(guò)監(jiān)測(cè)這些參數(shù)的變化來(lái)判定其可能出現(xiàn)局部裂紋、松動(dòng)等故障。2) 對(duì)于低速旋轉(zhuǎn)設(shè)備,如減速機(jī)、刮板機(jī)等,主要以強(qiáng)迫振動(dòng)為特征,通過(guò)分析強(qiáng)迫振動(dòng)的頻率、振幅變化等特征參數(shù)進(jìn)行故障鑒別。3) 對(duì)于高速旋轉(zhuǎn)設(shè)備以及能被工藝流體所激勵(lì)的設(shè)備,除了需要監(jiān)測(cè)強(qiáng)迫振動(dòng)參數(shù)之外,還需要監(jiān)測(cè)自激振動(dòng)的特征參數(shù),如固有頻率和阻尼系數(shù)等。

2 機(jī)電設(shè)備中的振動(dòng)分析

時(shí)域波形表示振動(dòng)信號(hào)隨時(shí)間變化的特征,現(xiàn)實(shí)的振動(dòng)信號(hào)是各種振動(dòng)波形的疊加,分析時(shí)域波形是故障分析的重要工具。基本波形圖如圖1。

圖1 鯤鵬云服務(wù)解決方案全景

圖1 基本波形圖

時(shí)域波形反映的是振動(dòng)信號(hào)隨時(shí)間變化的特征,設(shè)備的時(shí)域振動(dòng)波形對(duì)于分析設(shè)備運(yùn)行狀況至關(guān)重要。它的振動(dòng)頻率、振幅、相位隨時(shí)間變化的規(guī)律能夠準(zhǔn)確的反映設(shè)備的健康狀況。如果設(shè)備內(nèi)部存在著沖擊現(xiàn)象(例如:軸承滾動(dòng)體對(duì)內(nèi)圈剝落的沖擊),就會(huì)在時(shí)域波形中出現(xiàn)尖銳的刺突。實(shí)際波形圖如圖2所示。

圖2 實(shí)際波形圖

現(xiàn)實(shí)的振動(dòng)信號(hào)是各種振動(dòng)信號(hào)的疊加,要將各種疊加的信號(hào)分離出來(lái),必須經(jīng)過(guò)傅里葉變換。任一信號(hào)都可以表示為一系列不同頻率、幅值和初相位的正弦分量的疊加。所以通過(guò)傅立葉變換可以把時(shí)域信號(hào)分解為頻域里面不同頻率成分的組合。分析時(shí)域波形是故障分析的重要工具。實(shí)際波形的疊加與分離如圖3。

圖3 實(shí)際波形的疊加與分離

3 監(jiān)測(cè)設(shè)備振動(dòng)的具體實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)框圖如圖4,將振動(dòng)傳感器通過(guò)各種手段,包括磁吸、粘膠、鋼絲帶等緊密固定在振動(dòng)設(shè)備的表面,確保傳感器能真實(shí)傳遞設(shè)備的振動(dòng)狀況。傳感器通過(guò)數(shù)據(jù)線連接到數(shù)據(jù)采集分站,數(shù)據(jù)采集分站將接收到的傳感器信號(hào)數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口傳輸?shù)浇K端,數(shù)據(jù)終端將數(shù)據(jù)最終存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)。數(shù)據(jù)終端進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析、呈現(xiàn)等。數(shù)據(jù)終端也可以和數(shù)據(jù)庫(kù)合二為一。

圖4 系統(tǒng)框圖

4 監(jiān)測(cè)過(guò)程中遇到的問(wèn)題及解決方案

4.1 微弱信號(hào)提取技術(shù)

4.1.1 技術(shù)難點(diǎn)

在對(duì)機(jī)電設(shè)備振動(dòng)的監(jiān)測(cè)過(guò)程中,發(fā)現(xiàn)信號(hào)非常微弱,而且信號(hào)雜亂無(wú)章,這些微弱且雜亂的信號(hào)包含著機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)信息,包括振動(dòng)頻率、振幅、相位等,當(dāng)然也包含著外界以及電路本身的噪聲信號(hào),必須分離出設(shè)備本身的振動(dòng)信號(hào)和噪聲信號(hào),并進(jìn)行分析以確定設(shè)備真正的故障所在。另外,在信號(hào)處理的電路設(shè)計(jì)過(guò)程中,放大電路本身的頻率響應(yīng)特性也會(huì)影響到信號(hào)的處理精度。對(duì)振動(dòng)信號(hào)的采集和處理,通常是用普通的模擬系統(tǒng)進(jìn)行采集,再用數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理來(lái)提取信號(hào)的準(zhǔn)確數(shù)值。但在實(shí)際電路設(shè)計(jì)過(guò)程中,一些由于模擬電路設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)信號(hào)傳輸?shù)脑肼曔^(guò)濾考慮不足會(huì)引起信號(hào)的失真,這些失真對(duì)后期的數(shù)字信號(hào)處理會(huì)造成系統(tǒng)性誤差。對(duì)機(jī)電設(shè)備的振動(dòng)狀況、溫度變化、位移微變等信號(hào)的檢測(cè)是監(jiān)測(cè)設(shè)備早期故障的關(guān)鍵,機(jī)電設(shè)備故障初期引起的振動(dòng)信號(hào)異常一般的特征是間歇性、微弱性、短時(shí)間的,信噪比很低,極易被背景噪聲覆蓋,這就需要很高的檢測(cè)技術(shù)來(lái)從紛繁復(fù)雜的信號(hào)中分理出真正的設(shè)備振動(dòng)信號(hào)。

針對(duì)此情況,為了進(jìn)行微弱信號(hào)的提取,本數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行了高低通硬件濾波、程控增益調(diào)節(jié)、差分信號(hào)采集、模數(shù)隔離幾個(gè)方面的設(shè)計(jì),大大提高了微弱信號(hào)的提取能力。

4.1.2 技術(shù)路徑

1) 高低通硬件濾波:為了能夠采集到小信號(hào),需要濾除依附在有效信號(hào)上的高頻干擾信號(hào)和低頻波動(dòng)信號(hào),數(shù)據(jù)采集器進(jìn)而對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行了一階無(wú)源RC高通濾波和三階有源低通濾波,并且可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需要,程控選擇是否保留高通濾波器,實(shí)現(xiàn)交直流兩種不同的采集模式。

2) 程控增益調(diào)節(jié):為了提高模數(shù)轉(zhuǎn)換的信噪比,低通濾波器前端設(shè)計(jì)有程控增益調(diào)節(jié)電路,該電路可以根據(jù)不同需要將信號(hào)放大1、3.16、10、31.6倍;以結(jié)合信號(hào)的輸入范圍調(diào)節(jié)最適合的增益。放大信號(hào)后會(huì)增大有效信號(hào)對(duì)采集電路本體噪聲的比值;從而提高模數(shù)轉(zhuǎn)換的信號(hào)質(zhì)量。

3) 差分信號(hào)采集:采用差分信號(hào)采集可以避免共模信號(hào)的干擾,本數(shù)據(jù)采集器在傳感器信號(hào)輸入和模數(shù)轉(zhuǎn)換器入口的電路都是采用差分信號(hào)的傳輸方式進(jìn)行采集,增強(qiáng)信號(hào)抗共模干擾的能力,提高信噪比。

4) 模數(shù)隔離:模數(shù)隔離可以切斷數(shù)字信號(hào)通過(guò)連線對(duì)模擬電路的噪聲耦合的路徑;本數(shù)據(jù)采集器,對(duì)電源和信號(hào)都進(jìn)行了模數(shù)隔離,電源隔離的原理圖如圖5所示。

圖5 電源隔離的原理圖

傳輸信號(hào)間的模數(shù)隔離采用高速磁耦進(jìn)行信號(hào)傳輸,既保證隔離要求,又實(shí)現(xiàn)了高速通信的現(xiàn)實(shí)需求。

4.2 多源信息融合技術(shù)

4.2.1 技術(shù)難點(diǎn)

數(shù)據(jù)處理的前提是數(shù)據(jù)格式必須統(tǒng)一,也就是結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)。由于數(shù)據(jù)的來(lái)源多,數(shù)據(jù)格式類別差異較大,為數(shù)據(jù)處理帶來(lái)不便且效率低下。對(duì)多源異構(gòu)信息數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理、計(jì)算與存儲(chǔ),將傳感器采集振動(dòng)、工藝參數(shù)、人工錄入數(shù)據(jù)等參數(shù),突破多源信息數(shù)據(jù)交叉口高精度融合同步集成及顯示是數(shù)據(jù)分析的前提及健康狀態(tài)評(píng)估關(guān)鍵。

4.2.2 技術(shù)路徑

多源異構(gòu)信息的處理是信息系統(tǒng)中影響效率的關(guān)鍵因素,為了保證后臺(tái)信息處理的高效、信息顯示的可靠,必須解決多源異構(gòu)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的可靠性、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過(guò)程的高效性等問(wèn)題。

1) 基于模塊化設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換

模塊化設(shè)計(jì)是現(xiàn)代信息技術(shù)應(yīng)用開(kāi)發(fā)過(guò)程中必須具備的方式方法,使得信息系統(tǒng)脈絡(luò)清晰,維護(hù)方便。它是指在對(duì)不同功能或功能相同性能不同、規(guī)格不同的產(chǎn)品進(jìn)行功能分析的基礎(chǔ)上,分層、分塊設(shè)計(jì)出一系列功能模塊,通過(guò)模塊的選擇和組合可以構(gòu)成不同功能的系列產(chǎn)品,以滿足市場(chǎng)的不同群體、不同領(lǐng)域的需求。模塊之間具有相互通信功能,并具有相同的協(xié)議和接口。

雖然目前主流數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)都提供各種數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換函數(shù)和功能,但數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)支持的數(shù)據(jù)類型有限,對(duì)于新增某些特定的類型數(shù)據(jù),只能通過(guò)升級(jí)或更換數(shù)據(jù)庫(kù)解決。其次,數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)也存在版本問(wèn)題,高版本數(shù)據(jù)類型不能直接轉(zhuǎn)換為低版本數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù),即不能向下兼容。再次,使用數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換功能需有管理員權(quán)限,但為了保證數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)的安全,對(duì)普通用戶不應(yīng)該開(kāi)放管理員權(quán)限,否則會(huì)影響數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換安全性。

模塊化設(shè)計(jì)思想在數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換中的應(yīng)用是通過(guò)建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換協(xié)議(接口),對(duì)于新增數(shù)據(jù)類型的轉(zhuǎn)換問(wèn)題,只要將新增類型轉(zhuǎn)換模塊按照轉(zhuǎn)換協(xié)議定義好接口標(biāo)準(zhǔn),就能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換,降低系統(tǒng)二次開(kāi)發(fā)成本,有效提高系統(tǒng)的適應(yīng)性及擴(kuò)展性。

2) 多線程編程

多線程編程機(jī)制是將單個(gè)程序按功能分成多個(gè)線程,每個(gè)線程有自己獨(dú)立的地址空間和優(yōu)先級(jí),并可完成不同的工作。每個(gè)線程與其他線程可以同時(shí)并發(fā)執(zhí)行,可以提高程序的運(yùn)行效率。多線程適合執(zhí)行占用CPU時(shí)間較長(zhǎng)的任務(wù),每個(gè)線程的執(zhí)行優(yōu)先級(jí)不同,這樣在程序設(shè)計(jì)時(shí)就可以將用戶顯示和數(shù)據(jù)處理分配為不同線程,不同線程同時(shí)運(yùn)行時(shí)仍能快速做出響應(yīng)。

另一個(gè)需要線程處理的功能是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。由于需轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)量較大,需要運(yùn)行的時(shí)間較長(zhǎng),如果出現(xiàn)數(shù)據(jù)不一致或不完整等問(wèn)題將會(huì)使轉(zhuǎn)換中斷或數(shù)據(jù)遺漏等情況,所以及時(shí)了解轉(zhuǎn)換進(jìn)度以及在出現(xiàn)異常時(shí)及時(shí)做出響應(yīng),對(duì)于保證數(shù)據(jù)的有效轉(zhuǎn)換具有非常重要意義。

軟件采用多線程技術(shù)解決數(shù)據(jù)處理進(jìn)度、過(guò)程可見(jiàn)性、及時(shí)進(jìn)行異常處理以及數(shù)據(jù)顯示等問(wèn)題。軟件通過(guò)實(shí)時(shí)顯示轉(zhuǎn)換進(jìn)度及轉(zhuǎn)換狀態(tài),可以對(duì)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換進(jìn)行有效監(jiān)督。對(duì)于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換異常,能夠及時(shí)終止轉(zhuǎn)換進(jìn)程或者調(diào)整轉(zhuǎn)換策略,保證數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的有效性、完整性。

5 結(jié)果

通過(guò)解決上述研發(fā)過(guò)程中遇到的問(wèn)題,成功實(shí)現(xiàn)了公司一臺(tái)空壓機(jī)的振動(dòng)情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),獲得了實(shí)際的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),為設(shè)備的故障診斷提供了直接、可靠的真實(shí)數(shù)據(jù)。