電機(jī)故障診斷與維修中的數(shù)據(jù)采集和分析技術(shù)綜述

陳立秋

(佳木斯電機(jī)股份有限公司,黑龍江佳木斯154002)

0 引言

本文闡述了電機(jī)故障診斷與維修中的數(shù)據(jù)分析技術(shù)。通過(guò)對(duì)電機(jī)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,可以準(zhǔn)確地判斷電機(jī)的健康狀態(tài)和是否出現(xiàn)故障。數(shù)據(jù)分析技術(shù)主要包括數(shù)據(jù)預(yù)處理、特征提取、故障診斷和健康預(yù)測(cè)等方面。其中,數(shù)據(jù)預(yù)處理是指對(duì)采集到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、去噪、降噪等處理,以提高數(shù)據(jù)質(zhì)量和減少誤判。特征提取是指從原始數(shù)據(jù)中提取具有代表性的特征參數(shù),如頻率、幅值、相位等,用于構(gòu)建故障診斷模型。故障診斷是指通過(guò)分析提取的特征參數(shù),判斷電機(jī)是否出現(xiàn)故障,并確定故障類(lèi)型和位置。健康預(yù)測(cè)是指通過(guò)對(duì)電機(jī)歷史數(shù)據(jù)的分析,預(yù)測(cè)電機(jī)未來(lái)的健康狀態(tài)和壽命[1]。

1 緒論

1.1 背景與意義

電機(jī)是工業(yè)生產(chǎn)中常見(jiàn)的一種電器設(shè)備,其使用廣泛,涉及到許多領(lǐng)域,比如機(jī)械制造、化工、建筑、交通等。在電機(jī)使用過(guò)程中,由于各種因素,比如長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)、不當(dāng)操作、環(huán)境變化等,電機(jī)可能會(huì)出現(xiàn)故障,導(dǎo)致設(shè)備停止工作,影響生產(chǎn)效率[2]。因此,電機(jī)故障診斷和維修是電機(jī)維護(hù)保養(yǎng)中非常重要的一環(huán),能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決問(wèn)題,減少設(shè)備故障對(duì)生產(chǎn)帶來(lái)的影響,提高工作效率,節(jié)約維修成本。隨著現(xiàn)代制造技術(shù)的發(fā)展和智能化水平的提高,電機(jī)故障診斷技術(shù)也越來(lái)越重要,電機(jī)故障診斷技術(shù)的研究對(duì)提高電機(jī)的可靠性和安全性具有重要意義。

1.2 目的與意義

本文旨在對(duì)電機(jī)故障診斷與維修中的數(shù)據(jù)采集和分析技術(shù)進(jìn)行綜述,對(duì)國(guó)內(nèi)外電機(jī)故障診斷和維修技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行分析和總結(jié),以幫助行業(yè)專(zhuān)業(yè)人員了解現(xiàn)代電機(jī)故障診斷和維修技術(shù)的最新發(fā)展,指導(dǎo)實(shí)際工作中的操作[3]。

1.3 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

在國(guó)內(nèi)外,電機(jī)故障診斷和維修技術(shù)的研究已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展。從研究?jī)?nèi)容來(lái)看,主要包括電機(jī)故障的原因和類(lèi)型、故障診斷技術(shù)和方法、故障診斷數(shù)據(jù)采集和分析技術(shù)、故障診斷結(jié)果的評(píng)估和決策支持系統(tǒng)等方面[4]。國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀如下。

1.3.1 電機(jī)故障的原因和類(lèi)型

電機(jī)故障的原因可分為內(nèi)在因素和外在因素,內(nèi)在因素包括電磁學(xué)原因、材料原因和結(jié)構(gòu)原因;外在因素包括環(huán)境因素、運(yùn)行條件和維護(hù)保養(yǎng)等方面。電機(jī)故障的類(lèi)型包括電氣故障、機(jī)械故障、電磁故障等[5]。

1.3.2 故障診斷技術(shù)和方法

常用的電機(jī)故障診斷技術(shù)和方法包括震動(dòng)分析法、聲波分析法、熱態(tài)分析法、電流分析法、振動(dòng)-聲波聯(lián)合分析法、水泵流量和壓力分析法、圖像分析法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊邏輯等。

1.3.3 故障診斷數(shù)據(jù)采集和分析技術(shù)

故障診斷數(shù)據(jù)采集和分析技術(shù)包括傳感器技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)、統(tǒng)計(jì)學(xué)方法、模型識(shí)別和推理技術(shù)、機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)、智能算法等。

1.3.4 故障診斷結(jié)果的評(píng)估和決策支持系統(tǒng)

評(píng)估故障診斷結(jié)果與制定正確的維護(hù)保養(yǎng)計(jì)劃息息相關(guān),故障診斷結(jié)果的評(píng)估和決策支持系統(tǒng)包括多指標(biāo)分析、故障模式識(shí)別、維修方案設(shè)計(jì)、維修優(yōu)化等[6]。

總之,電機(jī)故障診斷和維修技術(shù)的研究已經(jīng)成為電機(jī)維護(hù)保養(yǎng)領(lǐng)域中的重要課題,相關(guān)研究取得了顯著的成果,為電機(jī)的可靠性和安全性提供了重要保障。

2 電機(jī)故障診斷技術(shù)

電機(jī)故障診斷技術(shù)是指通過(guò)對(duì)電機(jī)的數(shù)據(jù)采集和分析,識(shí)別出電機(jī)故障的一種技術(shù)。它是實(shí)現(xiàn)電機(jī)預(yù)防性維護(hù)的重要手段,能夠準(zhǔn)確、及時(shí)地發(fā)現(xiàn)電機(jī)故障,提高設(shè)備運(yùn)行可靠性,降低設(shè)備維修成本,延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命,保障生產(chǎn)安全,提高生產(chǎn)效率。

2.1 電機(jī)故障分類(lèi)

電機(jī)故障按照故障類(lèi)型可以分為以下幾類(lèi)。

2.1.1 絕緣故障：主要包括繞組斷線(xiàn)、繞組短路、繞組接頭松動(dòng)、繞組與地短路、繞組匝間短路等。

2.1.2 機(jī)械故障：主要包括軸承損壞、軸承卡死、機(jī)械懸掛失衡、電機(jī)內(nèi)部異物等。

2.1.3 電路故障：主要包括斷路器故障、接觸器故障、電容器故障等。

2.1.4 控制故障：主要包括PLC故障、控制器故障、軟啟動(dòng)器故障等。

2.2 電機(jī)故障診斷方法

電機(jī)故障診斷方法主要有以下幾種。

2.2.1 振動(dòng)分析法：通過(guò)振動(dòng)傳感器采集電機(jī)振動(dòng)數(shù)據(jù),進(jìn)行分析診斷,可以發(fā)現(xiàn)電機(jī)的機(jī)械故障,如軸承損壞、軸承卡死、機(jī)械懸掛失衡等。

2.2.2 溫度分析法：通過(guò)溫度傳感器采集電機(jī)溫度數(shù)據(jù),進(jìn)行分析診斷,可以發(fā)現(xiàn)電機(jī)的電路故障和絕緣故障,如斷路器故障、接觸器故障、電容器故障、繞組斷線(xiàn)、繞組短路等。

2.2.3 電流分析法：通過(guò)電流傳感器采集電機(jī)電流數(shù)據(jù),進(jìn)行分析診斷,可以發(fā)現(xiàn)電機(jī)的電路故障和機(jī)械故障,如斷路器故障、接觸器故障、電容器故障、軸承損壞、軸承卡死等。

2.2.4 聲音分析法：通過(guò)聲音傳感器采集電機(jī)聲音數(shù)據(jù),進(jìn)行分析診斷,可以發(fā)現(xiàn)電機(jī)的機(jī)械故障,如軸承損壞、軸承卡死、機(jī)械懸掛失衡等。

2.2.5 圖像分析法：通過(guò)攝像頭采集電機(jī)圖像數(shù)據(jù),進(jìn)行分析診斷,可以發(fā)現(xiàn)電機(jī)的機(jī)械故障,如軸承損壞、軸承卡死、機(jī)械懸掛失衡等。

2.3 傳統(tǒng)電機(jī)故障診斷技術(shù)

傳統(tǒng)電機(jī)故障診斷技術(shù)主要是基于人工經(jīng)驗(yàn)的方式,一般是由維修人員通過(guò)檢查電機(jī)的外觀(guān)、聽(tīng)聲音、測(cè)溫度、測(cè)電流等手段來(lái)判斷電機(jī)是否有故障。這種方式存在以下問(wèn)題。

2.3.1 準(zhǔn)確性差：由于采用人工經(jīng)驗(yàn)的方式,容易受到維修人員個(gè)人經(jīng)驗(yàn)和技能的影響,誤判率高[7]。

2.3.2 效率低：由于需要進(jìn)行人工檢查,耗時(shí)耗力,效率低下。

2.3.3 不能實(shí)現(xiàn)預(yù)防性維護(hù)：由于無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)電機(jī)故障,往往需要進(jìn)行緊急維修,不能實(shí)現(xiàn)預(yù)防性維護(hù)。

3 數(shù)據(jù)采集技術(shù)及應(yīng)用

|3.1 數(shù)據(jù)采集技術(shù)綜述

電機(jī)故障診斷與維修需要大量的數(shù)據(jù)采集、分析和處理,以便高效地診斷出故障原因和實(shí)施維修。數(shù)據(jù)采集技術(shù)是電機(jī)故障診斷與維修的重要組成部分,它不僅可以提高故障診斷和維修效率,還可以有效降低維修成本。本節(jié)將介紹數(shù)據(jù)采集技術(shù)的綜述。

數(shù)據(jù)采集技術(shù)是指通過(guò)各種傳感器、測(cè)量?jī)x器、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和信息技術(shù)手段,對(duì)設(shè)備、工藝、環(huán)境等各種參數(shù)和信號(hào)進(jìn)行采集和記錄。數(shù)據(jù)采集技術(shù)種類(lèi)繁多,應(yīng)用廣泛,涉及到機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)、通信、控制等多個(gè)領(lǐng)域[8]。

3.2 常見(jiàn)數(shù)據(jù)采集設(shè)備及原理

數(shù)據(jù)采集技術(shù)需要使用各種傳感器、測(cè)量?jī)x器、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等設(shè)備。以下介紹常見(jiàn)的數(shù)據(jù)采集設(shè)備及其原理。

(1)傳感器

傳感器是一種能夠?qū)⒏鞣N物理量或化學(xué)量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出的設(shè)備。傳感器可以將溫度、濕度、壓力、流量、速度、振動(dòng)等不同物理量轉(zhuǎn)化為電信號(hào)輸出,方便數(shù)據(jù)采集和處理。傳感器的工作原理一般基于電磁、電化學(xué)、光電等效應(yīng)實(shí)現(xiàn)。傳感器的種類(lèi)繁多,應(yīng)用場(chǎng)景廣泛。例如,在電機(jī)故障診斷和維修中,可以使用振動(dòng)傳感器、溫度傳感器、電流傳感器等對(duì)電機(jī)各項(xiàng)屬性進(jìn)行采集和記錄。

(2)測(cè)量?jī)x器

測(cè)量?jī)x器是指可以通過(guò)一些特定的測(cè)量方法和測(cè)量原理,對(duì)物理量進(jìn)行計(jì)量、測(cè)量的設(shè)備。測(cè)量?jī)x器可以將物理量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出,便于集中管理和處理。測(cè)量?jī)x器的種類(lèi)繁多,包括數(shù)字萬(wàn)用表、示波器、頻譜分析儀、光譜儀、激光測(cè)距儀等。在電機(jī)故障診斷和維修中,可以使用頻譜分析儀和示波器等測(cè)量?jī)x器對(duì)電機(jī)的電信號(hào)進(jìn)行分析和處理[9]。

(3)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是指一種可以對(duì)各種設(shè)備和環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和記錄的設(shè)備。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以對(duì)設(shè)備或環(huán)境參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)化的預(yù)警和報(bào)警,便于及時(shí)采取措施避免或減少設(shè)備故障。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的種類(lèi)繁多,包括振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)等。例如,在電機(jī)故障診斷和維修中,可以使用電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)對(duì)電機(jī)過(guò)流、過(guò)載、過(guò)溫等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警[10]。

4 數(shù)據(jù)分析技術(shù)及應(yīng)用

4.1 數(shù)據(jù)分析技術(shù)綜述

隨著現(xiàn)代電子科技的高速發(fā)展和應(yīng)用的不斷擴(kuò)展,電機(jī)故障診斷與維修中的數(shù)據(jù)采集和分析技術(shù)已經(jīng)成為一種重要的研究方向。數(shù)據(jù)分析技術(shù)作為電機(jī)故障診斷的重要組成部分,對(duì)于發(fā)現(xiàn)電機(jī)故障、提高電機(jī)維修效率、降低維修成本等方面都具有重要的意義。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō),數(shù)據(jù)分析就是將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為有用信息的過(guò)程,通常包含以下幾個(gè)步驟：收集數(shù)據(jù)、清洗數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)、展示數(shù)據(jù)。在電機(jī)故障診斷領(lǐng)域中,數(shù)據(jù)分析技術(shù)可以用于自動(dòng)化診斷和維修,從而加快故障修復(fù)的時(shí)間和提高電機(jī)的性能。

4.2 常見(jiàn)數(shù)據(jù)分析方法與原理

在電機(jī)故障診斷中,常見(jiàn)的數(shù)據(jù)分析方法包括異常檢測(cè)、聚類(lèi)分析、分類(lèi)分析和回歸分析等。其中,異常檢測(cè)能夠識(shí)別不合理的數(shù)據(jù),聚類(lèi)分析可以將相似的數(shù)據(jù)分組,分類(lèi)分析可以將數(shù)據(jù)分成不同的類(lèi)別,而回歸分析則可以建立數(shù)據(jù)之間的關(guān)系模型。

4.3 電機(jī)故障診斷中的數(shù)據(jù)分析應(yīng)用

在電機(jī)故障診斷領(lǐng)域中,數(shù)據(jù)分析技術(shù)的應(yīng)用十分廣泛,主要包括以下方面。

(1)電機(jī)故障診斷

利用數(shù)據(jù)分析技術(shù)可以對(duì)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析,發(fā)現(xiàn)電機(jī)的異常狀態(tài)并進(jìn)行故障診斷。例如,可以通過(guò)分析電機(jī)的振動(dòng)、電流、溫度等數(shù)據(jù),判斷電機(jī)是否存在軸承磨損、繞組短路、轉(zhuǎn)子斷裂等故障。

(2)電機(jī)性能評(píng)估

數(shù)據(jù)分析技術(shù)可以對(duì)電機(jī)的性能進(jìn)行評(píng)估,包括電機(jī)的效率、功率因數(shù)、開(kāi)路電壓、空載電流等參數(shù)。通過(guò)對(duì)這些參數(shù)的分析,可以判斷電機(jī)是否正常運(yùn)行,并對(duì)其性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

(3)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)預(yù)測(cè)

數(shù)據(jù)分析技術(shù)可以通過(guò)對(duì)歷史數(shù)據(jù)的分析,建立電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)預(yù)測(cè)模型,預(yù)測(cè)電機(jī)的運(yùn)行狀況。例如,可以根據(jù)電機(jī)的溫度、轉(zhuǎn)速、電流等參數(shù),預(yù)測(cè)電機(jī)的壽命等信息。

(4)電機(jī)故障診斷自動(dòng)化

利用數(shù)據(jù)分析技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)故障診斷與維修的自動(dòng)化。例如,可以通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)收集電機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù),利用數(shù)據(jù)分析技術(shù)進(jìn)行故障診斷,并自動(dòng)化生成電機(jī)故障診斷報(bào)告。

總之,數(shù)據(jù)分析技術(shù)在電機(jī)故障診斷與維修中具有重要的應(yīng)用價(jià)值,可以提高電機(jī)維修效率、減少維修成本、延長(zhǎng)電機(jī)使用壽命等諸多方面。

5 結(jié)語(yǔ)

在電機(jī)故障診斷與維修中,數(shù)據(jù)采集和分析技術(shù)起著至關(guān)重要的作用。通過(guò)對(duì)電機(jī)性能參數(shù)、振動(dòng)、聲音、電流、溫度等多個(gè)方面的數(shù)據(jù)采集,可以有效地診斷出電機(jī)故障的類(lèi)型和位置。同時(shí),通過(guò)對(duì)不同類(lèi)型故障的數(shù)據(jù)分析和比對(duì),可以為電機(jī)維修提供有力的依據(jù)。

目前,數(shù)據(jù)采集和分析技術(shù)在電機(jī)故障診斷與維修中得到了廣泛的應(yīng)用。其中,振動(dòng)信號(hào)分析、電流信號(hào)分析和紅外熱像技術(shù)是最為常用的方法。這些方法不僅能夠提高電機(jī)故障檢測(cè)的準(zhǔn)確性和效率,還可以降低電機(jī)維修的成本和風(fēng)險(xiǎn)。

在具體的電機(jī)故障診斷和維修操作中,還需要根據(jù)不同類(lèi)型電機(jī)的特點(diǎn)和實(shí)際情況,選用合適的數(shù)據(jù)采集和分析方法。并且,要結(jié)合其他相關(guān)技術(shù)手段,如圖像識(shí)別技術(shù)、專(zhuān)家系統(tǒng)等,綜合分析和診斷電機(jī)故障,提高故障診斷和維修的水平和效果。