淺談信號分析在機械設備中的應用

魏李翔

摘 要 現代社會的發展過程中，機械作為其中改革生產力的關鍵一環，越來越多地融入到當今世界的各個領域中。而作為機械故障分析的主要手段，信號分析技術的發展也變得格外重要。因此了解并推廣信號分析技術，為今后信號分析理論的研究發展做出鋪墊，具有十分深刻的意義。本文先對信號分析的應用現狀進行簡析，然后在信號時域分析和頻譜分析相關基礎上，對機械設備中信號分析的實際應用進行詳細闡述。

關鍵詞 信號分析；機械設備；故障

最近幾年中隨著鋼鐵工業的迅速發展，很多企業都開始使用大型機械設備，這些設備能夠提升企業工作生產的效率，提升企業產品的質量，為企業帶去更多的經濟效益。在這種情況下就需要維護好機械系統，保障其工作過程中的可靠性，降低故障發生的頻率。故障診斷是維護機械設備的有效方式，而經過對信號分析技術的使用，可以讓機械設備故障診斷工作更加有效，通過對專業技術的使用精準地找到故障發生的位置，在此基礎上做好機械設備的維修和保養工作。

1 信號分析應用現狀

將信號分析技術使用在機械設備中，主要是對機械故障進行診斷，信號分析對于機械設備而言有著極大的意義。在最近幾年中，信號分析技術使用在機械故障診斷中愈加廣泛。在以后的發展中，信號分析的應用會逐漸推廣到一些大型設備中，比如汽輪機、離心式壓縮機以及水輪機中，或者是一些加工機械中。機械設備能夠作為狀態監測和診斷的信息源，在當前的機械設備診斷中，使用比較多的是機械的振動信號，通過對振動信號的分析能夠診斷出機械的故障。依據相關的統計表明，因為振動形成的機械故障率高達60%，比較典型的就是在機組容量不斷擴大的情況下，很多機組軸系會加長。因為振動信息中包含了十分豐富的信息，很多機械故障都能夠在振動狀態異常中了解機械的真實情況。通過對信號分析技術的使用來診斷機械設備的故障，其主要就是將機器振動作為信息源，在機器設備工作運行時，經過振動參數的變化趨勢來對機械設備的運行情況進行判別，進而找出故障發生的位置，在此基礎上做好相關的維修工作[1]。

2 信號分析在機械設備中的實際應用

在對機械設備進行診斷的時候，機器狀態的評價是一個關鍵的環節，主要是依據振動標準或者是方式對機器的狀態進行判斷，這樣能夠為設備的正常運行和維修提供可靠的依據。因為機器振動特性之間有很大差異，在相似運行狀態下機器振動水平會有很大差距。而經過對振動信號分析，能夠精準有效的檢查出機械設的故障位置，進而做好針對性的維修工作。

2.1 信號時域分析

信號波形是一種物理量隨著時間變化的關系，信號在時域中的變化或者是分析就被稱為時域分析，例如一些信號波形的最大值或者是最小值等。為了精準地判斷機械設備的狀況，對其故障進行有效的診斷，必須要對設備狀態相關的物理量進行了解，要掌握其中物理量隨著時間變化的規律。時域分析法采用的是直接在時間域中對系統進行分析的方法，具有直觀和準確的優點。傳遞函數和微分方程都能求出系統輸出量的時域解析式。其中初值為零時一般采用傳遞函數法，其根據閉環系統傳遞函數的極點和零點間接的評價系統的性能指標，同時也被稱為復頻域分析。這種方式的優勢在于信息量比較大，可以直接看出波形的變化規律。

2.2 信號頻域分析

我們通過對幅頻特性的評價，來推導系統性能的思路叫作信號頻域分析，通過用傳遞函數或微分方程以及實驗測定來求得控制系統于不同頻率的正弦函數作用中輸入信號和輸出信號間的關系，這種關系描述出的數學模型能夠反映出正弦信號作用下系統響應的性能，因而被稱為頻率特性。頻率特性和傳遞函數一樣，可以用來表示線性系統或線性環節的動態特性。由于整個方法建立在頻率特性分析的基礎上，可間接地揭示系統的時域性能，因此這種方法能夠方便地顯示出系統參數對系統性能的影響，利用頻域方面的特征對系統進行分析，因此獲得了廣泛的應用。頻譜分析也是機械設備故障診斷中使用最多的一個信號處理方式，在這其中使用最廣泛的就是傅里葉變換，其能夠把復雜的信號分解成為有限或者是無限個頻率的簡諧分量。動態信號頻率中的幅值、相位以及功率和頻率的關系表達就是頻譜。頻譜圖形有離散和連續兩種類型，經過頻域分析還能夠對系統傳遞性進行研究，還能夠對系統輸出和輸入的關系進行分析。

2.3 趨勢分析

趨勢分析也就是對機械設備關鍵位置的量級進行定期巡查或者是實時監測，在這之后對其中一段頻率或者是幾個頻率分量做出趨勢曲線，這其中最關鍵的就是極值和時間。在曲線做出之后，要把此曲線在時間的基礎上往外推，這樣能夠計算出機械設備在什么時間會達到危險極限，或者是對機械的壽命進行估計。經過這種監測和診斷方式，可以讓工作人員決定在什么時候停機，以及在什么時間進行檢修。趨勢分析主要是對機械設備的振動監測，在振動監測中經常使用的有振動電平值、轉速振平圖以及響應譜等相關的檢測方式。在各種不同的趨勢分析方式中，振動時域信號峰值是最為常用的一種，同時也是最方便的一個指標。在實際工作中，只需要使用簡單的硬件就能夠對峰值進行連續性的在線監測，對機械設備的狀況進行實時觀測與控制，為后續的診斷、維修和保養等相關工作打好堅實的基礎[2]。

3 結束語

隨著科學技術的不斷提高，“機械工程化”、“人工智能化”等大發展趨勢已經變得越來越明顯，機械技術正與我們的生活變得息息相關。對機械設備進行分析的信號分析技術的發展成為了今后機械工程領域中必不可少的一環。通過對信號分析的理論解釋及趨勢研究，本文初步總結了信號分析理論的發展現狀，也積累下了一定的基礎認知，然后介紹了時域分析與頻域分析在機械設備中的應用情況。本文將信號分析技術在機械設備中的應用進行了歸納，為研究者進行深入研究奠定了基礎。

參考文獻

[1] 史偉峰.振動信號分析在冷軋廠常見設備故障診斷中的應用[J].工程技術：引文版，2016，（5）：00147-00147.

[2] 趙宣銘.機械故障診斷的信號處理方法：頻域分析[J].時代農機，2017，（10）：96-96.