【摘 要】本文針對機電設(shè)備系統(tǒng)診斷方法原理進行簡要分析論述。

【關(guān)鍵詞】機電工程；系統(tǒng)故障；動力特性；固有頻率

0.引言

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

1.機電設(shè)備系統(tǒng)診斷涵義

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

（1）設(shè)備設(shè)計不當(dāng)（如結(jié)構(gòu)不合理，動態(tài)特性差等）。

（2）機械制造與裝配不當(dāng)（加工誤差大、配合性質(zhì)不合理等）。

（3）設(shè)備安裝不當(dāng)（與相關(guān)設(shè)備的聯(lián)接超差、基礎(chǔ)變形等）。

（4）設(shè)備運行條件不當(dāng)（潤滑狀態(tài)不良，工藝過程參數(shù)不匹配等）。

（5）設(shè)備維修措施不當(dāng)（維修過程改變或破壞了設(shè)備原有的動態(tài)特性和配合性質(zhì)等）。

（6）設(shè)備劣化（設(shè)備經(jīng)長期運行，其零部件發(fā)生應(yīng)力集中及磨損等）。

（7）設(shè)備操作不當(dāng)（違章改變工況、超負荷運行、起停機不符合操作規(guī)程等）。

在診斷過程中，必須利用被診斷對象所表現(xiàn)出來的各種有用信息，經(jīng)過適當(dāng)?shù)奶幚砗头治鰪亩@得最能識別設(shè)備狀態(tài)的特征參考，以便作出正確的診斷結(jié)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(jīng)過平衡位置而往復(fù)變化的過程。在許多情況下，振動是反映機器狀態(tài)最敏感的參數(shù)，即使機器狀態(tài)發(fā)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(guān)狀態(tài)信息來判斷其狀態(tài)的一種現(xiàn)代化設(shè)備管理方法。振動診斷與其它設(shè)備診斷方法相比有很大的優(yōu)越性，目前，振動診斷技術(shù)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(zhuǎn)盤沖擊破碎機屬于旋轉(zhuǎn)機械，振動故障更是其故障的主要表現(xiàn)形式。

2.1按振動產(chǎn)生的原因分類

（1）自由振動給系統(tǒng)一定能量后，系統(tǒng)所產(chǎn)生的振動。若此系統(tǒng)無阻尼，則系統(tǒng)維持等幅振動；若系統(tǒng)有阻尼，則系統(tǒng)為衰減振動。

（2）受迫振動元件和系統(tǒng)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(tǒng)本身的原因所產(chǎn)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(shè)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(guān)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(guān)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(lǐng)域內(nèi)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(shè)備所處的技術(shù)狀態(tài)，為狀態(tài)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(jīng)過象FFT那樣的信號處理，不會產(chǎn)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(yōu)點。時域分析的主要技術(shù)包括：波形分析、指標(biāo)因數(shù)、同步平均、軸心軌跡、統(tǒng)計分析方法，相關(guān)分析等。

4.頻率領(lǐng)域內(nèi)的信號處理

4.1頻譜分析的意義

頻率領(lǐng)域內(nèi)信號分析的基礎(chǔ)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(tài)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(fù)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(fù)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(shè)備故障的發(fā)生、發(fā)展一般都會引起振動頻率的變化。這種變化主要表現(xiàn)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(dāng)滾動軸承內(nèi)外圈滾道上出現(xiàn)疲勞剝落、旋轉(zhuǎn)機械轉(zhuǎn)子出現(xiàn)不平衡、齒輪存在嚴重磨損等故障時，都會引起頻率結(jié)構(gòu)的變化。實際上，對振動信號作一次頻譜分析，就相當(dāng)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(yīng)用

用于設(shè)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(yīng)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(shù)表示振動信號的一種方法。簡諧函數(shù)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(shù)都有一個確定的頻率與之對應(yīng)，一個頻率代表一個簡諧函數(shù)。

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(guān)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(jié)構(gòu)關(guān)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(shù)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(zhuǎn)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(zhuǎn)速下功率譜圖的迭置，縱坐標(biāo)表示機器的轉(zhuǎn)速，自零升到額定轉(zhuǎn)速（啟動），或從額定轉(zhuǎn)速降到零（停車）；橫坐標(biāo)代表頻率：豎坐標(biāo)表明幅值。三維功率譜是描述機器暫態(tài)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(zhuǎn)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(jīng)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(xiàn)的邊頻），由于調(diào)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(nèi)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(shù)

傅里葉分析的理論基礎(chǔ)是待分析信號的平穩(wěn)性。對于非平穩(wěn)信號，傅里葉分析可能給出虛假的結(jié)果，從而導(dǎo)致故障的誤診斷。對于設(shè)備故障診斷問題來說，由于以下原因，使傅里葉分析的應(yīng)用得到限制：

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

（2）由于機器的各零部件結(jié)構(gòu)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(nèi)。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(yōu)點。由于小波分解尤其是小波包分解技術(shù)能夠?qū)⑷魏涡盘枺ㄆ椒€(wěn)或非平穩(wěn)）分接到一個由小波伸縮而成的基函數(shù)族上，信息量完整無缺，在通頻范圍內(nèi)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(jù)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(shù)在齒輪箱故障診斷、顫振分析方面得到了廣泛的應(yīng)用。

【參考文獻】

[1]聞邦椿等.高等轉(zhuǎn)子動力學(xué)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2000：56-78.

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