機電設備系統診斷方法原理分析

【摘 要】本文針對機電設備系統診斷方法原理進行簡要分析論述。

【關鍵詞】機電工程；系統故障；動力特性；固有頻率

0.引言

故障診斷是根據設備運行狀態信息查找故障源，并確定相應決策的一門綜合性的新興學科。它初步形成于20世紀60年代，迅速發展在70、80年代，集大成于80、90年代，它是一門既有基礎理論，又有廣泛實際應用背景的正在不斷完善和發展的交叉性工程應用性學科。

1.機電設備系統診斷涵義

機電設備發生故障是指其功能失常，即機電系統處于異常狀態（工作狀態劣化），設備損壞是設備狀態劣化的一種表現形式。機電設備是由多個子系統和元素組合形成的復雜機電系統，其組合是多層次的，而且各層次之間的聯系是不完全確定的；對于相同的機電設備，其相同的輸入也難有完全相同的輸出。因而機電設備發生故障的原因有多方面的因素，主要有：

（1）設備設計不當（如結構不合理，動態特性差等）。

（2）機械制造與裝配不當（加工誤差大、配合性質不合理等）。

（3）設備安裝不當（與相關設備的聯接超差、基礎變形等）。

（4）設備運行條件不當（潤滑狀態不良，工藝過程參數不匹配等）。

（5）設備維修措施不當（維修過程改變或破壞了設備原有的動態特性和配合性質等）。

（6）設備劣化（設備經長期運行，其零部件發生應力集中及磨損等）。

（7）設備操作不當（違章改變工況、超負荷運行、起停機不符合操作規程等）。

在診斷過程中，必須利用被診斷對象所表現出來的各種有用信息，經過適當的處理和分析從而獲得最能識別設備狀態的特征參考，以便作出正確的診斷結論。

2.振動信號處理

振動是物體運動的一種形式，它是指物體經過平衡位置而往復變化的過程。在許多情況下，振動是反映機器狀態最敏感的參數，即使機器狀態發生微小的變化也往往能從振動的變化中反映出來。振動診斷是通過測量分析機器的振動信號獲取有關狀態信息來判斷其狀態的一種現代化設備管理方法。振動診斷與其它設備診斷方法相比有很大的優越性，目前，振動診斷技術無論在理論上還是在方法上都比較成熟，振動診斷在各種診斷方法中占的比例最大，一般到70%左右。雙轉盤沖擊破碎機屬于旋轉機械，振動故障更是其故障的主要表現形式。

2.1按振動產生的原因分類

（1）自由振動給系統一定能量后，系統所產生的振動。若此系統無阻尼，則系統維持等幅振動；若系統有阻尼，則系統為衰減振動。

（2）受迫振動元件和系統的振動是由周期變化的外力作用所引起的，如不平衡、不對中所引起的振動。

（3）自激振動在沒有外力作用下，只是由于系統本身的原因所產生的激勵而引起的振動，如油膜振蕩、喘振等。

2.2按振動頻率分類

機械振動頻率是設備振動診斷中一個十分重要的概念。在各種振動診斷中常常要分析頻率與故障的關系，要分析不同頻段振動的特點，因此了解振動頻段的劃分與振動診斷的關系很有實用意義。按振動頻率的高低，通常把振動分為3種類型：低頻振動（ f<10Hz）；中頻振動（f=10-1000Hz）；高頻振動（f>1000Hz）

3.時間領域內的信號處理

亦稱時域分析，它是通過觀察振動信號的時間歷程，對其信號的周期性及隨機性給出定性評價，從而可以估計設備所處的技術狀態，為狀態維修提供維修策略。之所以要進行時域分析，就是因為它尚未經過象FFT那樣的信號處理，不會產生信號的泄漏或畸變，因而具備了能直觀地反映信號的特征這一重要優點。時域分析的主要技術包括：波形分析、指標因數、同步平均、軸心軌跡、統計分析方法，相關分析等。

4.頻率領域內的信號處理

4.1頻譜分析的意義

頻率領域內信號分析的基礎是頻譜分析。一般工程上所測得的信號多為時域信號。為了通過所測得的振動信號觀測了解診斷對象的動態行為，往往需要頻域信息。采用頻譜分析方法，是利用某種變換，將復雜的信號分解為簡單信號的疊加，使用最普遍的變換方法是傅里葉變換。通過它，將復雜信號分解為有限或無限個頻率的簡諧分量；也就是將一個組合振動分解為它的各個頻率分量。把各次諧波按其頻率大小從高到低排列起來就成了頻譜。

4.2頻譜分析的原理及其在振動診斷中的作用

頻譜分析是機械故障診斷中用的最廣泛的信號處理方法。機器設備故障的發生、發展一般都會引起振動頻率的變化。這種變化主要表現在兩個方面：

一是增生新的頻率成分，二是原有頻率的幅值增長。例如，當滾動軸承內外圈滾道上出現疲勞剝落、旋轉機械轉子出現不平衡、齒輪存在嚴重磨損等故障時，都會引起頻率結構的變化。實際上，對振動信號作一次頻譜分析，就相當于給機器做一次“透視”檢查。通過頻率分析，振動信號的頻率成分的分布情況及其幅值大小都清晰地顯示出來，許多在時域中看不清楚的問題在頻譜圖中卻顯得很明顯了。

4.3幾種常用頻譜的特點及其應用

用于設備故障診斷的頻譜類型很多，在這里簡要介紹幾種常用的頻譜特點及其應用。

4.3.1幅值譜X

把一個振動信號從時域變換到頻域，是用有限個或無限個簡諧函數表示振動信號的一種方法。簡諧函數是有限還是無限要由振動信號X（t）的頻率成分來決定。每個簡諧函數都有一個確定的頻率與之對應，一個頻率代表一個簡諧函數。

4.3.2自功率譜S、（簡稱自譜）

自功率譜Sx表示振動信號x（t）中各諧波分量的頻率與其能量的關系，在機械故障診斷中有著廣泛的用途，用它來分析振動信號的頻率成分和結構關系，以及各頻率成分的能量大小。

4.3.3倒頻譜Cx（簡稱倒譜）

倒頻譜也稱逆譜，或稱功率譜的功率譜。

它是對自功率譜Sx（f）取對數后再進行傅里葉逆變換得到的，因而又回到了時域，所以倒頻譜又稱作時譜，時間單位常用ms（毫秒）。

4.3.4三維功率譜

三維功率譜又稱三維譜陣、轉速譜圖、功率譜場、瀑布圖等，是機器在啟動或停車過程中，不同轉速下功率譜圖的迭置，縱坐標表示機器的轉速，自零升到額定轉速（啟動），或從額定轉速降到零（停車）；橫坐標代表頻率：豎坐標表明幅值。三維功率譜是描述機器暫態過程的有力工具。對機器振動作三維功率譜分析，可以了解通過臨界轉速時的情況，用來確定檢測對象的自振頻率，判斷是否存在電磁干擾、不平衡等故障。

4.3.5細化譜

所謂細化譜，就是把一般頻譜圖上的某部分頻段，沿頻率軸經放大后所得到的細譜。采用細化譜圖的目的是為了提高圖像的分辨率。有些故障信號的頻譜（如齒輪磨損后出現的邊頻），由于調制頻率的間隔很小，儀器的分辨率不能滿足要求，往往找不出這些間隔頻率。這時如果采用細化譜分析，就是在所分析的頻率段內具有很高的分辨率。從它的功能來看，細化譜的作用類似于機械制圖中的“局部放大圖”。

5.小波分析技術

傅里葉分析的理論基礎是待分析信號的平穩性。對于非平穩信號，傅里葉分析可能給出虛假的結果，從而導致故障的誤診斷。對于設備故障診斷問題來說，由于以下原因，使傅里葉分析的應用得到限制：

（1）由于機器轉速不穩，負荷變化以及機器故障等原因產生的沖擊、摩擦導致非平穩振動信號的產生。

（2）由于機器的各零部件結構不同，致使振動信號所包含的不同零部件的故障頻率分布在不同的頻道范圍內。特別是機器隱藏有某一零部件的早期微弱缺陷時，它的缺陷信息被其它零部件的振動信號和隨機噪聲所淹沒。

對于這類問題，小波分析具有無可比擬的優點。由于小波分解尤其是小波包分解技術能夠將任何信號（平穩或非平穩）分接到一個由小波伸縮而成的基函數族上，信息量完整無缺，在通頻范圍內得到分布在不同頻道的分解序列，在時域和頻域均具有局部化的分析功能。因此，可以根據故障診斷的需要選取包含所需零部件故障信息的頻道序列，進行深層信息處理以查找機器故障源。近年來，小波分析技術在齒輪箱故障診斷、顫振分析方面得到了廣泛的應用。

【參考文獻】

[1]聞邦椿等.高等轉子動力學[M].北京：機械工業出版社，2000：56-78.

[2]柳建平.高、低速動平衡與設備檢修[J].中國設備工程，2002，12（3）：40-41.