旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷的方法研究

包頭職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系　吳立新

旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷的方法研究

包頭職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系吳立新

隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的飛速進(jìn)步，故障診斷技術(shù)對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械的探究也不斷提出更新的要求。本文針對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷技術(shù)的常見(jiàn)故障內(nèi)容給出了現(xiàn)象、方法及研究方案，在故障生成的基礎(chǔ)與分析上，得出故障診斷的基礎(chǔ)理論和典型故障振動(dòng)特征分析的方法及遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊理論等在診斷決策算法研究中的應(yīng)用。

旋轉(zhuǎn)機(jī)械；故障診斷；信號(hào)處理

引言

在當(dāng)前，旋轉(zhuǎn)機(jī)械廣泛地應(yīng)用在航天發(fā)動(dòng)機(jī)、風(fēng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、汽輪機(jī)、增壓機(jī)及各類型的電動(dòng)機(jī)等的機(jī)械設(shè)備中。因?yàn)樵谛D(zhuǎn)機(jī)械故障生成機(jī)理的基礎(chǔ)與分析上，得出故障診斷的基礎(chǔ)理論和典型故障振動(dòng)特征分析的方法及遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊理論等在診斷決策算法研究中的應(yīng)用。

子系統(tǒng)在旋轉(zhuǎn)機(jī)械中具備支撐系統(tǒng)條件的特殊功能與結(jié)構(gòu)的復(fù)雜特性，其包含著多種影響，尤其是非線性因素的影響，能夠讓機(jī)械設(shè)備的生產(chǎn)功能失去、可靠性能也急劇降低，造成很大的經(jīng)濟(jì)損失，有時(shí)甚至?xí)虬踩[患造成人身威脅。

機(jī)械設(shè)備的主要組成部分大多是旋轉(zhuǎn)機(jī)械，也是為機(jī)械設(shè)備提供動(dòng)力的核心裝置，一般以轉(zhuǎn)子及其他可旋轉(zhuǎn)的回轉(zhuǎn)部件作為工作的主要部分。一般來(lái)說(shuō)，旋轉(zhuǎn)機(jī)械的絕大部分機(jī)械故障都是轉(zhuǎn)子與回轉(zhuǎn)部件之間產(chǎn)生直接或間接的故障關(guān)聯(lián)，機(jī)器伴有異常的振動(dòng)與噪聲就是旋轉(zhuǎn)機(jī)械產(chǎn)生故障預(yù)警的重要表征，尤其是機(jī)械故障訊息可以通過(guò)從幅值域、頻率域和時(shí)間域?qū)崟r(shí)地反映它的振動(dòng)信號(hào)。

1　旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷的內(nèi)容及常見(jiàn)故障

設(shè)備診斷技術(shù)的研究?jī)?nèi)容主要包括以下三個(gè)環(huán)節(jié)。

1.1環(huán)節(jié)1

故障信息監(jiān)測(cè)：該系統(tǒng)用到相應(yīng)的傳感器、數(shù)模轉(zhuǎn)換、采集工作站等硬件設(shè)備，是對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械自身的物理變量、工作參數(shù)以及性能指標(biāo)等信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)與量化。其準(zhǔn)備過(guò)程，主要是利用一些儀器測(cè)試其相應(yīng)的數(shù)值，如電、熱、力、光、聲、流量、速度、溫濕度、噪聲等。國(guó)內(nèi)目前采集信號(hào)和監(jiān)測(cè)主要利用傳感器，其具有可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，常用傳感器的類型有氣體傳感器、溫濕度傳感器、微波傳感器、紫外線傳感器、霍爾位置傳感器及光電傳感器等，應(yīng)用了現(xiàn)代新型功能材料、采用現(xiàn)代先進(jìn)制造技術(shù)的新型傳感器，如陀螺儀、光導(dǎo)纖維、生物、化學(xué)傳感器等。

1.2環(huán)節(jié)2

信號(hào)處理和提取：主要是針對(duì)經(jīng)過(guò)處理提取到的故障特征信息信號(hào)進(jìn)行分析，并相應(yīng)地與人們當(dāng)前可預(yù)算的傳遞函數(shù)分析方式、時(shí)間序列分析、頻譜分析等方法對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析處理以提高準(zhǔn)確性和早期預(yù)報(bào)的可靠性。當(dāng)前，小波分析在信號(hào)處理與提取中得到大規(guī)模應(yīng)用，特別是在旋轉(zhuǎn)機(jī)械軸承的常見(jiàn)故障診斷中出現(xiàn)，其相空間中的GMD數(shù)據(jù)處理方法也進(jìn)入初步規(guī)模的應(yīng)用，因此這種信號(hào)處理與提取的方式對(duì)處理復(fù)雜的機(jī)械類非線性振動(dòng)等具有保證，故能夠進(jìn)一步預(yù)測(cè)出現(xiàn)故障的發(fā)展及其趨勢(shì)，且十分有效。

1.3環(huán)節(jié)3

判斷故障的類型：故障識(shí)別技術(shù)是故障診斷的關(guān)鍵技術(shù)，是在故障檢測(cè)和故障特征信息分級(jí)的基礎(chǔ)上，按一定的規(guī)律和標(biāo)準(zhǔn)對(duì)機(jī)械設(shè)備進(jìn)行故障的分類處理、部位和原因做出的判斷。故障識(shí)別參照的是規(guī)律和標(biāo)準(zhǔn)，一般都是借助于轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。判斷故障類型的最主要步驟是識(shí)別研究系統(tǒng)參數(shù)和診斷相關(guān)的實(shí)用技術(shù)，分析傳感器優(yōu)化故障問(wèn)題，其應(yīng)用展現(xiàn)了小波變換、通訊融合理念、專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊故障診斷等。

2　旋轉(zhuǎn)機(jī)械典型故障

2.1不平衡引起的振動(dòng)

旋轉(zhuǎn)機(jī)械的不平衡量產(chǎn)生離心力F=m2r，離心力作用下振動(dòng)重復(fù)一次在機(jī)械旋轉(zhuǎn)的一周內(nèi)，沒(méi)有其他倍頻，振動(dòng)相位穩(wěn)定。在機(jī)械的啟動(dòng)過(guò)程中，隨著轉(zhuǎn)速的提高，激振力成平方地增加，振幅隨之增大。經(jīng)動(dòng)平衡處理后，振動(dòng)值才能夠恢復(fù)正常。產(chǎn)生振動(dòng)的原因有以下幾點(diǎn)：

（1）動(dòng)平衡和靜平衡不好，或是在工作中產(chǎn)生了其他的不平衡；

（2）對(duì)中不良；

（3）機(jī)組產(chǎn)生自激振動(dòng)：材料內(nèi)摩擦力、流體力等造成的不平衡；

（4）工作介質(zhì)易引起的振動(dòng)：氣流的旋轉(zhuǎn)失速、空吸、喘振等。

2.2轉(zhuǎn)子不對(duì)中

轉(zhuǎn)子對(duì)中不良時(shí)，系統(tǒng)出現(xiàn)非線性剛度，振動(dòng)頻率中將會(huì)出現(xiàn)激振頻率的機(jī)理及振動(dòng)特征各不相同。

3　轉(zhuǎn)子不平衡及原因與消除

轉(zhuǎn)子不平衡包含轉(zhuǎn)子部件出現(xiàn)缺損與轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的質(zhì)量偏心，其中，轉(zhuǎn)子質(zhì)量偏心是由于轉(zhuǎn)子的制動(dòng)不平衡因素有時(shí)只有一種，有時(shí)幾種同時(shí)存在而引起的。

消除不平衡的方法：

（1）動(dòng)平衡實(shí)驗(yàn)在動(dòng)平衡機(jī)上完成，對(duì)于高速轉(zhuǎn)子一般可以使用去以重法進(jìn)行消除。對(duì)于較高要求的轉(zhuǎn)子，在葉輪組裝之前就應(yīng)該進(jìn)行單體動(dòng)平衡，整個(gè)組裝過(guò)程中完成階段性的動(dòng)平衡，在最后組裝之后，再高速動(dòng)平衡。

（2）現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡實(shí)驗(yàn)，在工作狀況下的工作現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，對(duì)進(jìn)行震動(dòng)測(cè)量的分析和動(dòng)態(tài)平衡校正的一系列平衡方法。精度不高還有一定的局限性，但是優(yōu)點(diǎn)也很明顯，如工作量小、速度快等。

4　結(jié)論

旋轉(zhuǎn)機(jī)械在大中型生產(chǎn)企業(yè)及生產(chǎn)中都是核心設(shè)備，具有速度快、可持續(xù)工作的顯著特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷技術(shù)的分析探究的進(jìn)一步了解和認(rèn)識(shí)，明確了機(jī)械故障診斷在人們生產(chǎn)生活中的重要作用，更大更復(fù)雜的部分就需要掌握判斷旋轉(zhuǎn)機(jī)械常出現(xiàn)的各種故障的技能，并在實(shí)踐過(guò)程中善于觀察、勤于總結(jié)，為機(jī)械設(shè)備的故障診斷技術(shù)的發(fā)展提供最可靠、最堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

［1］楊國(guó)安.機(jī)械設(shè)備故障診斷實(shí)用技術(shù)［M］.北京：中國(guó)石化出版社，2007.6.

［2］張健.機(jī)械故障診斷技術(shù) ［M］.北京：機(jī)械工程出版社，2008.11.

［3］陳克興.設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)［M］.北京：科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，2006.5.

［4］姚桂艷.機(jī)械故障診斷技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)［J］.河北理工學(xué)院學(xué)報(bào)，2005.13.

吳立新，1966年9月出生，副教授，高級(jí)工程師，研究方向：機(jī)械類的教學(xué)實(shí)踐及研究。