基于早期故障特征提取的全生命周期監(jiān)測(cè)診斷

高 帆，楊露霞

(重慶川儀軟件有限公司，重慶 401121)

0 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展，機(jī)械設(shè)備工作強(qiáng)度不斷增大，自動(dòng)化程度越來(lái)越高，大大提升了工業(yè)生產(chǎn)效率、降低了人工成本。同時(shí)，由于設(shè)備結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜、各部分的關(guān)聯(lián)愈加密切，往往某個(gè)微小故障就能引發(fā)連鎖反應(yīng)，導(dǎo)致整個(gè)設(shè)備乃至與設(shè)備有關(guān)的環(huán)境遭受災(zāi)難性的毀壞。

在機(jī)械設(shè)備得到廣泛應(yīng)用的同時(shí)，其運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)、安全性和穩(wěn)定性也得到了廣泛關(guān)注。因此，設(shè)備早期故障診斷極具研究?jī)r(jià)值[1]。通過(guò)設(shè)備健康狀態(tài)的監(jiān)測(cè)診斷，可對(duì)潛在的故障作出盡早的判斷，并根據(jù)故障的嚴(yán)重程度及時(shí)發(fā)出預(yù)警，提醒工廠運(yùn)維人員及時(shí)采取恰當(dāng)?shù)臋z修措施，從而保障設(shè)備的可靠運(yùn)行，避免非計(jì)劃停機(jī)和安全事故。

旋轉(zhuǎn)機(jī)械早期故障信號(hào)具有非平穩(wěn)、多分量、非線性、多調(diào)制的特點(diǎn)[2-3]，故障脈沖信號(hào)幅值很小，采用常規(guī)方法很難直接從低頻信號(hào)和強(qiáng)背景噪聲中提取故障特征，更無(wú)法進(jìn)行故障識(shí)別。本文將基于早期故障特征提取技術(shù)，結(jié)合多技術(shù)融合方法，探討建立更加完善的設(shè)備全生命周期健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)診斷體系。

1 設(shè)備早期故障監(jiān)測(cè)診斷

1.1 典型的機(jī)械設(shè)備故障發(fā)展過(guò)程

設(shè)備故障的發(fā)展分為五個(gè)階段，其過(guò)程如圖1所示。

圖1 機(jī)械設(shè)備故障發(fā)展過(guò)程示意圖Fig.1 Schematic diagram of fault development process of mechanical equipment

①初期階段：故障率較高。其原因是設(shè)備制造以及安裝調(diào)試中的遺留問(wèn)題。

②穩(wěn)定運(yùn)行階段：故障率很低。其原因是突發(fā)性運(yùn)行故障。

③惡化階段：故障率開(kāi)始上升。其原因是設(shè)備逐漸老化。

④注意階段：故障率加速上升。其原因是設(shè)備加速老化。

⑤危險(xiǎn)階段：設(shè)備可能隨時(shí)失效。其原因是設(shè)備未及時(shí)檢維修或者未能發(fā)現(xiàn)真正的故障源。

通過(guò)故障診斷，可根據(jù)設(shè)備狀態(tài)制定相應(yīng)的維修方案并采取相應(yīng)的措施，以排除故障和隱患，使設(shè)備恢復(fù)原有性能，重新進(jìn)入低故障率的穩(wěn)定期，從而延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。

設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中的故障，往往會(huì)經(jīng)歷一個(gè)從產(chǎn)生到發(fā)展、從輕微到嚴(yán)重的漸變過(guò)程。一方面是設(shè)備性能的變化，即正常→非正常→惡化→崩潰；另一方面是設(shè)備征兆參數(shù)的變化，即不明顯→明顯、不完全→完全的時(shí)間過(guò)程。因此，早期故障檢測(cè)對(duì)減少或避免故障造成的損失具有重要的意義。

1.2 典型的軸承故障發(fā)展過(guò)程

軸承在旋轉(zhuǎn)機(jī)械中應(yīng)用較廣泛，設(shè)備的許多故障都與軸承有關(guān)。軸承的健康狀況對(duì)于機(jī)械設(shè)備的正常運(yùn)行影響很大。軸承的缺陷會(huì)導(dǎo)致設(shè)備產(chǎn)生異常振動(dòng)和噪聲，嚴(yán)重時(shí)甚至損壞設(shè)備[4]。

滾動(dòng)軸承過(guò)早發(fā)生故障的主要原因是過(guò)大的動(dòng)載荷。除此之外，其他原因包括：①軸承和齒輪在正常運(yùn)行過(guò)程中，因磨損而引起金屬屑沫進(jìn)入齒面和軸承間隙中，產(chǎn)生潤(rùn)滑污染；②潤(rùn)滑不當(dāng)，包括使用錯(cuò)誤的潤(rùn)滑劑、被灰塵和其他污染物污染；③濕氣會(huì)造成一定量的水氣進(jìn)入，形成污染，而水氣會(huì)加快油品氧化和變質(zhì)速度；④氧化污染物粘附于齒輪、軸承和冷油器等構(gòu)件上，會(huì)吸附顆粒物、加速零件的磨損、降低機(jī)械的性能和熱交換效率，最終導(dǎo)致齒輪和軸承溫度升高[5]。軸承在不同階段的故障特征如表1所示。延長(zhǎng)軸承使用壽命的解決對(duì)策是監(jiān)測(cè)軸承狀態(tài)，在早期發(fā)現(xiàn)軸承故障，并監(jiān)測(cè)、跟蹤其老化趨勢(shì)，了解何時(shí)需更換軸承。

表1 不同階段的軸承故障特征Tab.1 Bearing fault characteristics at different stages

1.3 設(shè)備早期故障特征提取

設(shè)備早期故障的主要特點(diǎn)如下。

①信號(hào)微弱：早期故障屬于輕微故障，信號(hào)分量較小，不易察覺(jué)。

②表征不明顯：早期故障信號(hào)表征很不明顯，表現(xiàn)為很小的幅值、相位、時(shí)頻特性等變化。

③容易被噪聲信號(hào)淹沒(méi)：早期故障信號(hào)具有很大的隱蔽性，容易被相對(duì)較強(qiáng)的噪聲信號(hào)所淹沒(méi)。

機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件出現(xiàn)早期故障時(shí)，使用常規(guī)的信號(hào)處理技術(shù)很難直接提取信號(hào)，需要根據(jù)故障機(jī)理建立和分析故障特征的數(shù)學(xué)模型。采用現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)進(jìn)行提取、濾波、降噪，可從頻域中提取故障特征頻率，并與故障庫(kù)進(jìn)行匹配。

近年來(lái)，設(shè)備故障特征提取技術(shù)在機(jī)械設(shè)備故障診斷領(lǐng)域已經(jīng)得到了快速發(fā)展[6-9]。目前，設(shè)備早期故障特征提取的主流技術(shù)如下。

(1)高頻包絡(luò)解調(diào)信號(hào)處理技術(shù)[10]。在滾動(dòng)軸承故障發(fā)展的初始階段檢測(cè)到故障信息，在第二、第三以及第四階段中，以不同的信息反映軸承的不同故障狀態(tài)，跟蹤軸承故障發(fā)展。通過(guò)振動(dòng)速度或振動(dòng)加速度，可在第三階段有效地檢測(cè)到軸承的故障頻率；通過(guò)包絡(luò)解調(diào)和振動(dòng)速度、加速度相結(jié)合，可檢測(cè)滾動(dòng)軸承的早期故障。

(2)沖擊脈沖診斷技術(shù)。該方法的關(guān)鍵是如何確定沖擊脈沖的最大幅值。該幅值是判斷軸承有無(wú)故障的重要依據(jù)，適用于檢測(cè)滾動(dòng)軸承的早期損傷類故障。

(3)共振解調(diào)分析技術(shù)[6]。共振解調(diào)分析利用調(diào)制技術(shù)，將低頻信號(hào)調(diào)制到高頻共振頻率區(qū)，并分離低頻沖擊信號(hào)與其他能量巨大的低頻信號(hào)，從而有效地利用故障信息進(jìn)行診斷。該技術(shù)融合了包絡(luò)譜分析法。共振解調(diào)分析技術(shù)有如下特點(diǎn)。

①共振解調(diào)譜線與摩擦沖擊事件相互對(duì)應(yīng)，有譜線說(shuō)明有摩擦沖擊事件、有故障，無(wú)譜線說(shuō)明摩擦沖擊小、無(wú)故障；譜線呈多階梳狀，該特征有別于低頻振動(dòng)。

②共振解調(diào)幅值與故障沖擊強(qiáng)度成正比，幅值越高，故障越嚴(yán)重。

③共振解調(diào)信噪比高，抗干擾性較好。

2 設(shè)備全生命周期健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)診斷

2.1 設(shè)備健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)診斷流程

采用高速在線監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)，對(duì)關(guān)鍵設(shè)備各個(gè)部位的信號(hào)進(jìn)行連續(xù)、并行的監(jiān)測(cè)、分析和診斷。設(shè)備健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)診斷流程如圖2所示。

圖2 設(shè)備健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)診斷流程圖Fig.2 Flowchart of equipment health status monitoring and diagnosis

將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與設(shè)備健康狀態(tài)時(shí)的數(shù)據(jù)模式進(jìn)行比對(duì)，從而歸納出設(shè)備發(fā)生故障的規(guī)律。基于連續(xù)的測(cè)量和分析，能夠判斷設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、預(yù)測(cè)設(shè)備部件剩余使用壽命、輔助決策設(shè)備的最佳維護(hù)時(shí)機(jī)。

2.2 多技術(shù)融合

醫(yī)學(xué)診斷技術(shù)與設(shè)備故障診斷技術(shù)在故障特征信息提取方面具有一定的共性，如表2所示。既然醫(yī)院健康檢查可以多種診斷技術(shù)相結(jié)合，那么設(shè)備故障診斷技術(shù)也同樣可以多技術(shù)融合[8]。通過(guò)不同技術(shù)獲取不同的設(shè)備故障特征信息，綜合各項(xiàng)特征信息，最終可獲得準(zhǔn)確的設(shè)備健康狀態(tài)。

表2 診斷技術(shù)共性故障特征表Tab.2 Common fault features of diagnostic technology

3 設(shè)備全生命周期健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)診斷的應(yīng)用

3.1 設(shè)備生產(chǎn)制造

設(shè)備生產(chǎn)制造的過(guò)程中，如果要達(dá)到設(shè)備全生命周期健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)診斷，還需要在以下三個(gè)方面完善監(jiān)測(cè)診斷工作[8-9]。

①在設(shè)備質(zhì)量檢驗(yàn)裝置上，應(yīng)用故障特征提取技術(shù)，建立設(shè)備健康狀態(tài)基準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)，并輔助進(jìn)行設(shè)備出廠檢驗(yàn)。

②建立設(shè)備全域信息示意圖，在一張地圖上顯示全國(guó)各地的設(shè)備信息(例如泵設(shè)備)。圖中包括地理位置、設(shè)備主要運(yùn)行參數(shù)、設(shè)備健康狀態(tài)等信息。通過(guò)綠、黃、紅三種色塊，顯示各個(gè)區(qū)域不同機(jī)泵的運(yùn)行狀況。對(duì)紅色塊的機(jī)泵設(shè)備，可以單擊該設(shè)備直接進(jìn)入具體的故障診斷步驟。每臺(tái)在線機(jī)泵還可根據(jù)其不同類型和最近一次診斷日期，自動(dòng)判斷下次診斷日期。需要診斷的設(shè)備信息將以警示條的方式進(jìn)行提醒。

3.2 設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

設(shè)備在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)，應(yīng)用全生命周期健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)診斷體系[11-12]實(shí)行預(yù)測(cè)性維護(hù)制度。根據(jù)設(shè)備的不同健康狀態(tài)(綠色表示健康，黃色表示需要注意，紅色表示危險(xiǎn))，在不同的故障發(fā)展階段，企業(yè)可進(jìn)行如表3所示的檢維修措施。

表3 不同故障區(qū)域的特征及檢維修措施Tab.3 Characteristics and maintenance measures at different fault areas

當(dāng)設(shè)備處于綠色甚至黃色區(qū)域時(shí)，及時(shí)對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢維修，可以達(dá)到如下效果：①避免“過(guò)剩維修”，防止因不必要的拆卸使設(shè)備精度降低，減少維修費(fèi)用；②有效減少設(shè)備停機(jī)時(shí)間和維修時(shí)間，提高生產(chǎn)效率；③實(shí)現(xiàn)預(yù)知維修，盡早發(fā)現(xiàn)故障隱患，減少和避免重大事故發(fā)生；④合理預(yù)測(cè)設(shè)備部件壽命，使設(shè)備在保質(zhì)、保產(chǎn)情況下超期服役。

4 結(jié)束語(yǔ)

利用早期故障特征提取技術(shù)盡早對(duì)設(shè)備的潛在故障作出可靠判斷，對(duì)于保障設(shè)備的可靠運(yùn)行具有重要意義。以早期故障特征提取技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合多技術(shù)融合方法，可建立完善的設(shè)備全生命周期健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)診斷體系。在設(shè)備生產(chǎn)制造以及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中實(shí)施早期故障特征提取，可促進(jìn)設(shè)備廠家改進(jìn)生產(chǎn)制造質(zhì)量，促進(jìn)流程工業(yè)企業(yè)優(yōu)化檢維修流程。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，對(duì)設(shè)備全生命周期健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)診斷在設(shè)備生產(chǎn)制造領(lǐng)域以及流程工業(yè)領(lǐng)域的合理應(yīng)用提出如下建議。

①設(shè)備早期故障診斷極具研究?jī)r(jià)值。監(jiān)測(cè)跟蹤早期故障發(fā)展趨勢(shì)，可保障設(shè)備的可靠運(yùn)行。

②設(shè)備故障從早期、中期發(fā)展到后期，診斷方法各異，包括頻譜分析、高階統(tǒng)計(jì)量、小波變換、盲信號(hào)分析等。其目的是分析提取故障特征。

③設(shè)備健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)的最終目的是現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，需要把復(fù)雜理論變成簡(jiǎn)單的操作，否則診斷系統(tǒng)肯定不會(huì)得到普及。對(duì)于在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)的項(xiàng)目和參數(shù)不是越多越好，而是越少越好；不是越復(fù)雜越好，而是越簡(jiǎn)單越好。

④在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)診斷設(shè)備時(shí)，往往沒(méi)有太多時(shí)間可供討論，需要盡快告訴維修人員問(wèn)題所在，以及應(yīng)該主要檢修的部位；此外，還要給出決策的依據(jù)，甚至必須告知企業(yè)是否需要停車。

⑤設(shè)備早期故障提取可應(yīng)用于生產(chǎn)制造企業(yè)的設(shè)備出廠檢驗(yàn)，并在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)進(jìn)行設(shè)備從完全健康狀態(tài)到發(fā)生故障之前的狀態(tài)監(jiān)測(cè)。早期故障提取技術(shù)可幫助企業(yè)改進(jìn)設(shè)備設(shè)計(jì)缺陷、優(yōu)化檢維修制度，從而完善設(shè)備全生命周期健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)診斷的閉環(huán)。

參考文獻(xiàn):

[1] 王軍,高永江.機(jī)械設(shè)備早期故障信號(hào)提純優(yōu)化算法研究[J].計(jì)算機(jī)仿真,2014,31(2):293-296.

[2] 洪林清.機(jī)械設(shè)備早期故障預(yù)示中的微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)探討[J].低碳世界,2016(8):256-257.

[3] 徐小力,喬文生,馬漢元,等.機(jī)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研發(fā)及其工程應(yīng)用[J].設(shè)備管理與維修,2017(5):14-19.

[4] 趙光昌,謝剛,張清華.滾動(dòng)軸承早期故障診斷技術(shù)[J].軸承,2015(6):56-61.

[5] 安國(guó)慶,秦程,郭立煒,等.峭度濾波器用于電機(jī)軸承早期故障特征提取[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào),2014,18(6):55-60.

[6] 朱靜,鄧艾東,錢(qián)丹陽(yáng),等.基于振動(dòng)和聲發(fā)射技術(shù)的滾動(dòng)軸承故障分析[J].自動(dòng)化儀表,2017,38(7):66-69.

[7] 肖蕾,劉克江,莊鑫財(cái).多傳感器融合在地下管道測(cè)量中的應(yīng)用研究[J].自動(dòng)化儀表,2018,39(1):53-57.

[8] 鄭晴晴,葉建偉.共振解調(diào)技術(shù)用于滾動(dòng)軸承早期故障診斷[J].設(shè)備管理與維修,2017(1):117-119.

[9] 孟玲霞,徐小力,蔣章雷,等.風(fēng)電機(jī)組齒輪箱早期故障預(yù)警方法研究[J].儀器儀表學(xué)報(bào),2016,37(12):2758-2765.

[10]李志文.包絡(luò)技術(shù)在滾動(dòng)軸承早期故障診斷中的應(yīng)用[J].設(shè)備管理與維修,2017(5):113-115.

[11]馬越.設(shè)備故障預(yù)警系統(tǒng)在水電機(jī)組安全狀態(tài)中的評(píng)估[J].管理觀察,2014,9(27):134-135.

[12]錢(qián)冰,鄒磊,馬越.設(shè)備故障早期預(yù)警系統(tǒng)在水電機(jī)組檢修中的應(yīng)用[J].人民長(zhǎng)江,2014,45(17):48-51.