基于虛擬儀器的風(fēng)機(jī)故障診斷技術(shù)研究

姜連軼

（大唐東北電力試驗(yàn)研究院有限公司，長(zhǎng)春 130102）

0 引言

風(fēng)機(jī)設(shè)備在冶金、化工、交通及電力等眾多行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用，各行業(yè)的風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)各不相同，工作環(huán)境差異極大，但都有著較高的轉(zhuǎn)速，在各自的系統(tǒng)中起著重要的作用。風(fēng)機(jī)出現(xiàn)故障不僅造成設(shè)備損壞，還有可能引起系統(tǒng)停運(yùn)和人員身體傷害，給企業(yè)和個(gè)人帶來(lái)不可彌補(bǔ)的損失［1］。因此，風(fēng)機(jī)制造廠和使用企業(yè)都對(duì)風(fēng)機(jī)運(yùn)行的可靠性提出了更高的要求，風(fēng)機(jī)故障診斷的準(zhǔn)確性也受到越來(lái)越多的重視，眾多學(xué)者在此方面進(jìn)行了大量的研究。文獻(xiàn)［2］針對(duì)冶金行業(yè)風(fēng)機(jī)設(shè)備的典型故障進(jìn)行了歸納總結(jié)；文獻(xiàn)［3］對(duì)環(huán)保行業(yè)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)子裂紋故障進(jìn)行了深入研究；文獻(xiàn)［4］對(duì)火電行業(yè)中與出力相關(guān)的風(fēng)機(jī)振動(dòng)故障進(jìn)行了分析；文獻(xiàn)［5］對(duì)鍋爐風(fēng)機(jī)故障原因與維修方法之間的聯(lián)系進(jìn)行了說(shuō)明；文獻(xiàn)［6］對(duì)轉(zhuǎn)子不對(duì)中故障的診斷進(jìn)行了實(shí)踐研究；文獻(xiàn)［7］研究了在線振動(dòng)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)在風(fēng)機(jī)運(yùn)行中的作用。

上述研究主要針對(duì)某一特定行業(yè)的風(fēng)機(jī)，或者某一特定故障原因進(jìn)行研究。在實(shí)際生產(chǎn)中，各種風(fēng)機(jī)由于工作環(huán)境和設(shè)備結(jié)構(gòu)的差異，出現(xiàn)的故障原因和故障特征各不相同，需要對(duì)出現(xiàn)的設(shè)備異?，F(xiàn)象進(jìn)行特定的信號(hào)采集和有針對(duì)性的指標(biāo)分析，因此可以應(yīng)用于各種形式風(fēng)機(jī)，適合不同指標(biāo)，能夠根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況實(shí)現(xiàn)多種不同診斷功能的便攜式通用風(fēng)機(jī)故障診斷儀器成為了新的研究方向。虛擬儀器是使用高性能的模塊化硬件，結(jié)合高效靈活的軟件來(lái)完成各種測(cè)量、分析及自動(dòng)化控制等傳統(tǒng)儀器功能的新型應(yīng)用［8］，具有開(kāi)發(fā)與維護(hù)成本低、技術(shù)更新周期短、開(kāi)發(fā)與應(yīng)用靈活、系統(tǒng)緊湊、靈活便攜等優(yōu)點(diǎn)［9］，應(yīng)用虛擬儀器可以根據(jù)任務(wù)的特點(diǎn)和需求，靈活配置前面板、信號(hào)采樣、信號(hào)處理及分析等功能，在眾多領(lǐng)域得到應(yīng)用。本文應(yīng)用Lab VIEW編程語(yǔ)言編寫軟件，并結(jié)合高性能硬件設(shè)備，開(kāi)發(fā)虛擬儀器，開(kāi)展通用風(fēng)機(jī)故障診斷技術(shù)研究。

1 風(fēng)機(jī)故障診斷虛擬儀器總體設(shè)計(jì)

風(fēng)機(jī)故障診斷虛擬儀器由軟件和硬件組成，系統(tǒng)的整體框架見(jiàn)圖1。硬件部分由信號(hào)采集設(shè)備、模擬量數(shù)字量轉(zhuǎn)換（analog to digital converter，ADC）設(shè)備、數(shù)字信號(hào)處理設(shè)備組成；軟件以數(shù)字信號(hào)處理設(shè)備為平臺(tái)運(yùn)行，是整套虛擬儀器最重要的部分。

圖1 系統(tǒng)整體框架

2 風(fēng)機(jī)故障診斷虛擬儀器硬件

振動(dòng)是表征風(fēng)機(jī)設(shè)備狀態(tài)最關(guān)鍵的指標(biāo)，通過(guò)對(duì)振動(dòng)的有效分析可以掌握風(fēng)機(jī)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、故障特征和劣化趨勢(shì)等，振動(dòng)傳感器采集風(fēng)機(jī)振動(dòng)加速度物理量，輸出模擬電壓信號(hào)，本文采用A26D100型加速度傳感器作為信號(hào)采集設(shè)備。

ADC轉(zhuǎn)換設(shè)備將傳感器采集的振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，根據(jù)壓電式傳感器的激勵(lì)要求、采樣頻率、測(cè)量范圍、分辨率等參數(shù)進(jìn)行選型，本文應(yīng)用USB-4432電壓信號(hào)采集模塊作為ADC轉(zhuǎn)換設(shè)備，該設(shè)備通過(guò)USB串口與數(shù)字信號(hào)處理設(shè)備進(jìn)行通信及供電，攜帶、布置方便。

數(shù)字信號(hào)處理設(shè)備是虛擬儀器硬件核心部分，是軟件的運(yùn)行平臺(tái)，一般采用筆記本電腦、臺(tái)式機(jī)或者工作站，為應(yīng)用于不同企業(yè)風(fēng)機(jī)的便攜要求，本文采用筆記本電腦作為數(shù)字信號(hào)處理設(shè)備。

3 風(fēng)機(jī)故障診斷虛擬儀器軟件

Lab VIEW是一種圖形化的編程語(yǔ)言，采用vi（函數(shù)）實(shí)現(xiàn)運(yùn)算功能，由連線連接各個(gè)vi（函數(shù)）實(shí)現(xiàn)程序的邏輯關(guān)系，并確定運(yùn)行順序，廣泛應(yīng)用于測(cè)量、控制、仿真等眾多領(lǐng)域［10］。為滿足不同風(fēng)機(jī)的多種故障診斷要求，可以把軟件各個(gè)功能編寫為程序模塊，根據(jù)風(fēng)機(jī)的不同診斷功能要求，進(jìn)行靈活組合應(yīng)用［11］。

3.1 信號(hào)采集程序模塊

根據(jù)信號(hào)采集任務(wù)的要求，應(yīng)依次設(shè)置創(chuàng)建通道、定時(shí)、開(kāi)始任務(wù)、讀取和停止任務(wù)vi。根據(jù)振動(dòng)傳感器、ADC設(shè)備的參數(shù)及任務(wù)要求設(shè)置物理通道、最大電壓、最小電壓、采樣模式、采樣率及每通道采樣數(shù)量等。其中采樣率和每通道采樣數(shù)量應(yīng)滿足奈奎斯特采樣定理的要求：采樣頻率fs應(yīng)大于被測(cè)信號(hào)最大關(guān)注頻率fn的2倍［12］。信號(hào)采集程序應(yīng)考慮軟件的通用性，信號(hào)采集的各個(gè)參數(shù)應(yīng)靈活設(shè)置，適用于不同風(fēng)機(jī)設(shè)備。本文依據(jù)目前業(yè)內(nèi)大多數(shù)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速及故障診斷要求，設(shè)置fs為100 000 Hz；根據(jù)傳感器的選擇和振動(dòng)范圍的要求，測(cè)量最大值和最小值分別為20 V和－20 V；由現(xiàn)場(chǎng)故障診斷的技術(shù)要求確定采樣模式為連續(xù)采樣，并將信號(hào)讀取置于while循環(huán)內(nèi)，以保障信號(hào)讀取的連續(xù)性。

3.2 信號(hào)分析程序模塊

信號(hào)分析程序模塊主要功能為對(duì)信號(hào)進(jìn)行測(cè)量和分析。通過(guò)測(cè)量獲得設(shè)備的真實(shí)振動(dòng)值評(píng)價(jià)設(shè)備的健康水平，振動(dòng)信號(hào)測(cè)量可以通過(guò)系統(tǒng)函數(shù)“Basic Average DC-RMS.vi”和“Amplitude and Levels.vi”實(shí)現(xiàn)。

采集到的振動(dòng)信號(hào)時(shí)域波形反映的是被測(cè)設(shè)備的真實(shí)振動(dòng)過(guò)程，無(wú)法提供更加詳細(xì)的故障特征信息，而頻域數(shù)據(jù)則包含了振動(dòng)的頻率、能量等故障特征信息，合理分析獲得信號(hào)的頻域數(shù)據(jù)，可以作為故障診斷的有效依據(jù)［13］。通常使用快速傅里葉變換（fast Fourier transform，F(xiàn)FT）方法獲得信號(hào)的頻域數(shù)據(jù)。

式中：X（k）為頻域中第k個(gè)離散頻率；x（n）為時(shí)域信號(hào)的第n個(gè)采樣；N為信號(hào)采集數(shù)量。

目前各個(gè)行業(yè)裝備的風(fēng)機(jī)大多采用滾動(dòng)軸承，如果軸承部件出現(xiàn)缺陷，運(yùn)行中這些缺陷與其他部件接觸就會(huì)產(chǎn)生沖擊，如果故障顯著，設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)，這些沖擊是規(guī)律的，可以通過(guò)FFT方法識(shí)別故障特征信息，但是當(dāng)故障處于早期階段，由于振動(dòng)的傳遞路徑、系統(tǒng)噪聲的干擾以及整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)共振等影響，故障特征成分被湮沒(méi)在高頻信號(hào)當(dāng)中［14］。因此很難用簡(jiǎn)單的FFT方法直接獲得故障特征頻率，需要進(jìn)一步采用包絡(luò)解調(diào)方法提取振動(dòng)信號(hào)低頻包絡(luò)線［15］，來(lái)獲得風(fēng)機(jī)軸承故障特征信息：

式中：H［x（t）］是x（t）的希爾伯特變換；＾x（t）是x（t）與1／πt的卷積。

4 風(fēng)機(jī)故障診斷虛擬儀器現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)例

4.1 離心風(fēng)機(jī)葉輪故障診斷

某M6-31型離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 450 r／min，設(shè)計(jì)流量12×104m3／h?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)量驅(qū)動(dòng)端和非驅(qū)動(dòng)端軸承水平振動(dòng)幅值分別為87μm和89μm，超過(guò)了該設(shè)備85μm的振動(dòng)合格標(biāo)準(zhǔn)。

使用虛擬儀器對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行故障診斷，將振動(dòng)傳感器分別安裝在驅(qū)動(dòng)端和非驅(qū)動(dòng)端軸承水平方向，將采集的振動(dòng)加速度信號(hào)隔離直流成分后對(duì)時(shí)間進(jìn)行兩次積分，得到振動(dòng)幅值、虛擬儀器測(cè)量振動(dòng)幅值頻譜見(jiàn)圖2。

圖2 虛擬儀器輸出的驅(qū)動(dòng)端和非驅(qū)動(dòng)端振動(dòng)幅值頻譜

根據(jù)振動(dòng)幅值頻譜，振動(dòng)以工頻為主，高次諧波成分極少，說(shuō)明振動(dòng)信號(hào)毛刺較少，風(fēng)機(jī)受到與轉(zhuǎn)頻相同頻率的簡(jiǎn)諧激振力作用，分析風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子存在質(zhì)量不平衡問(wèn)題［16］。檢查風(fēng)機(jī)葉輪發(fā)現(xiàn)，由于長(zhǎng)期被含有大量顆粒物的介質(zhì)沖刷，風(fēng)機(jī)葉輪磨損嚴(yán)重，葉輪周向質(zhì)量分布不均，質(zhì)心與軸心的偏差導(dǎo)致了葉輪的質(zhì)量不平衡問(wèn)題。在修復(fù)葉輪后，風(fēng)機(jī)再次啟動(dòng)后驅(qū)動(dòng)端和非驅(qū)動(dòng)端軸承振動(dòng)幅值分別下降至39μm和42μm，應(yīng)用虛擬儀器對(duì)離心風(fēng)機(jī)進(jìn)行故障診斷，解決了該風(fēng)機(jī)的振動(dòng)問(wèn)題。

4.2 軸流風(fēng)機(jī)軸承故障診斷

某ASS-2700型軸流風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速990 r／min，轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)端由1個(gè)NU240滾子軸承支撐，非驅(qū)動(dòng)端由2個(gè)22240CC軸承和1個(gè)29344E軸承支撐及軸向定位。風(fēng)機(jī)軸承室驅(qū)動(dòng)端水平振速為4.8 mm／s，超過(guò)了該設(shè)備要求的振動(dòng)合格標(biāo)準(zhǔn)值4.6 mm／s。

使用虛擬儀器對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行故障診斷，將振動(dòng)傳感器安裝在軸承室驅(qū)動(dòng)端水平方向，將采集的振動(dòng)加速度信號(hào)隔離直流成分后對(duì)時(shí)間進(jìn)行一次積分后得到振動(dòng)速度，虛擬儀器輸出的軸承室驅(qū)動(dòng)端水平方向振動(dòng)速度頻譜見(jiàn)圖3。

圖3 軸流風(fēng)機(jī)軸承室驅(qū)動(dòng)端水平振動(dòng)速度頻譜

振動(dòng)速度頻譜圖含有明顯的噪聲，故障特征頻率被湮沒(méi)在共振信號(hào)之中，并不明顯，無(wú)法被識(shí)別。為進(jìn)一步解析出振動(dòng)故障特征信息，對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行包絡(luò)解調(diào)分析，輸出包絡(luò)譜見(jiàn)圖4。由包絡(luò)譜可以看出，116 Hz頻率成分較明顯，這與軸承外圈故障頻率118 Hz較一致。經(jīng)檢查，發(fā)現(xiàn)軸承外圈存在一道壓痕，應(yīng)用虛擬儀器對(duì)風(fēng)機(jī)軸承進(jìn)行故障診斷，發(fā)現(xiàn)了該風(fēng)機(jī)的振動(dòng)故障原因。

圖4 軸流風(fēng)機(jī)軸承室驅(qū)動(dòng)端水平振動(dòng)速度包絡(luò)譜

5 結(jié)論

針對(duì)風(fēng)機(jī)設(shè)備種類繁多、指標(biāo)各異的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，結(jié)合虛擬儀器的特點(diǎn)研究了可以實(shí)現(xiàn)多種不同診斷功能的便攜式通用風(fēng)機(jī)故障診斷系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用，得出以下結(jié)論：

1）虛擬儀器應(yīng)用靈活便捷，可以根據(jù)風(fēng)機(jī)故障診斷任務(wù)的要求快速匹配系統(tǒng)功能；

2）虛擬儀器輸出結(jié)果準(zhǔn)確，滿足現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)機(jī)故障診斷的使用要求，可以指導(dǎo)風(fēng)機(jī)設(shè)備的故障診斷。