植海深 王藝光 蔣 超 徐晉勇

（1.廣西右江礦務(wù)局有限公司，廣西 田東 531501；2.桂林電子科技大學(xué) 機電工程學(xué)院，廣西 桂林 541004）

1 前言

隨著現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高，機器設(shè)備的大型化、連續(xù)化、高速化和自動化的發(fā)展趨勢已日益明顯[1]，然而，由于機械零部件本身、設(shè)備所處運行條件、操作管理及維護不足等不可避免因素的影響，機械設(shè)備各種類型故障會時常出現(xiàn)。這不僅會促使機械設(shè)備預(yù)定功能的消弱或喪失，給企業(yè)帶來經(jīng)濟損失，而且更為嚴重者還將直接威脅到人身安全，釀成災(zāi)難性的事故[2，3]。

為了保障設(shè)備安全、正常運行，人們急切需要一種新的維修機制解決上述問題。機械故障監(jiān)測與診斷技術(shù)[4]作為一種新的設(shè)備預(yù)防維修模式，而且機械故障監(jiān)測與診斷技術(shù)在保證石油、化工、運輸、冶金、煤炭等主要行業(yè)中機械設(shè)備的安全、可靠、高效運行方面起到了重要的作用[5]。而振動分析法作為機械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷實施方案中常用的一種，也是應(yīng)用最廣泛、行之最有效的方法[6]。

2 故障診斷技術(shù)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

機械故障診斷技術(shù)最早起源于20世紀60年代的美國[7]。當時，在美國宇航局(NASA)的倡導(dǎo)下，美國成立了美國機械故障預(yù)防小組(MFPG)。該小組決定每年召開兩次會議，并就：①機械故障預(yù)防定義、計劃方式、組織問題等故障診斷理論；②軸承、直升機傳動裝置、飛機燃氣輪中等故障診斷現(xiàn)場問題；③振動分析技術(shù)、油液光譜分析技術(shù)等監(jiān)測手段問題進行了探索和交流。其后，隨著人們對設(shè)備診斷技術(shù)的認識進一步提高，特別是實施故障診斷技術(shù)可帶來巨大的經(jīng)濟效應(yīng)，該項技術(shù)在美國得到了迅速的發(fā)展，形成了如美國本特利內(nèi)達華(Bently Nevada)公司的3500系列設(shè)備保護系統(tǒng)、美國Radial公司開發(fā)的汽輪發(fā)電機組振動診斷專家系統(tǒng)(Turbomac)、美國西屋公司的移動診斷中心(MDC)等一系列故障診斷實用系統(tǒng)。

當故障診斷技術(shù)在美國大規(guī)模發(fā)展的同時，歐洲國家也展開了對診斷技術(shù)的研究。其中，以R.A.Collacott為首的英國機械保健中心于60年代末開始宣傳、咨詢和培訓(xùn)設(shè)備診斷技術(shù)，并取得了很好的成效。隨后，瑞典的SPM儀器公司、丹麥的BK公司、德國的All Inaz technique研究所等也在設(shè)備故障診斷研究中形成了各自獨有的特色，相繼開發(fā)出狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng),如法國的SMAV系統(tǒng)、瑞士的MACS系統(tǒng)、德國申克公司的Vibrocontrol 4000振動監(jiān)測系統(tǒng)等。隨著故障診斷技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，研究領(lǐng)域也從60年代的核電、航空、宇航等高端科技發(fā)展逐步向冶金、石化、發(fā)電、船舶等各個行業(yè)領(lǐng)域擴展。

我國自20世紀80年代起開始對故障監(jiān)測與診斷領(lǐng)域展開研究[8，9]。經(jīng)過了近三十年的大力發(fā)展，已將設(shè)備故障監(jiān)測與診斷技術(shù)確定為重大攻關(guān)課題，并由國家組織科研人員，投入巨資對其展開研究，已經(jīng)取得了一系列科研成果與技術(shù)突破，并在實際生產(chǎn)應(yīng)用中初步顯現(xiàn)出成效。目前，形成了以西安交通大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、上海交通大學(xué)、華北電力大學(xué)等高等院校為核心，鄭州機械研究所、河北電力研究所等研究所，東方電機股份有限公司、中國石油化工有限公司等公司組成的產(chǎn)學(xué)研一體化的研究體系。于2005年開始出臺了一系列國家標準，諸如＜GB/T 19873.1-2005 機械狀態(tài)監(jiān)測與診斷 振動狀態(tài)監(jiān)測＞、＜GB 22393-2008-T 機器狀態(tài)監(jiān)測與診斷 一般指南＞等。汽輪發(fā)電機組狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)(MMMD)、S8000大型旋轉(zhuǎn)機械在線狀態(tài)監(jiān)測和分析系統(tǒng)等系統(tǒng)，則成為國內(nèi)同類系統(tǒng)研究中典型性代表。

雖然國內(nèi)目前在機械故障診斷方面已取得了一定成果，但從整體水平而言，特別是對比于國外的故障監(jiān)測與診斷系統(tǒng)，在理論研究和實踐應(yīng)用兩方面仍還存在一定的差距。

3 振動分析法在旋轉(zhuǎn)機械故障監(jiān)測與診斷中應(yīng)用發(fā)展概況

3.1 振動分析法在故障監(jiān)測與診斷中的關(guān)鍵技術(shù)

機械故障診斷技術(shù)是一門融合了物理、數(shù)學(xué)、力學(xué)、機械、檢測技術(shù)、電子技術(shù)、計算機技術(shù)、信號處理等多學(xué)科理論的新興交叉學(xué)科。它的主要目的在于識別機械設(shè)備運動過程中的工作狀態(tài)，判斷設(shè)備是否出現(xiàn)故障，并根據(jù)機械故障特征信號分析故障的形成原因和發(fā)展趨勢。

（1）振動信號的采集。當機械設(shè)備正常運行時，其內(nèi)部零件、部件必然會受到相應(yīng)的機械應(yīng)力、熱應(yīng)力、化學(xué)應(yīng)力或者電氣應(yīng)力等多種物理現(xiàn)象作用。伴隨著這些變化，又必然會產(chǎn)生相應(yīng)的溫度、振動、聲音以及磨損碎屑等“二次效應(yīng)”。隨著時間的推移，上述物理作用的積累將使正常運行的機械設(shè)備工作狀態(tài)發(fā)生改變，即是劣化、異常、故障等狀態(tài)。通過利用傳感器技術(shù)便可對這些狀態(tài)信息進行拾取。

（2）特征信號的提取。在所拾取的狀態(tài)信號中，往往夾雜了大量的噪聲信號，從而使研究所感興趣的信號掩藏于背景噪聲下。因此，須利用有效地信號處理方法對特征狀態(tài)信號進行提取處理，達到“去偽存真”的目的。

（3）故障模式的識別、診斷與預(yù)測。機械故障診斷的根本任務(wù)是根據(jù)設(shè)備運行中的狀態(tài)信息識別設(shè)備故障，分析故障的類型、性質(zhì)、部位和產(chǎn)生原因，指明故障發(fā)展趨勢和處理意見等。實質(zhì)在于模式識別問題。

由此可見，振動信號采集是實現(xiàn)振動信號監(jiān)測與診斷的一個基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，只有采集到精確、可靠的振動信號數(shù)據(jù)，后邊兩個環(huán)節(jié)才能有效的發(fā)揮作用。振動信號特征提取則是監(jiān)測系統(tǒng)信號處理部分的關(guān)鍵技術(shù)，特征信號提取的優(yōu)劣勢是評估整個監(jiān)測系統(tǒng)的一個十分重要的因素。故障模式識別則是將特征信號與故障特征數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)相比較，通過顯示、報警、打印等方式作為系統(tǒng)的輸出，從而得到故障原因、發(fā)展趨勢和檢修處理意見等方面的信息。

3.2 振動分析法在故障監(jiān)測與診斷中的實施方式

利用振動分析法對機械進行狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷的技術(shù)于20世紀60年代開始研究，同其他科學(xué)技術(shù)一樣，它也經(jīng)歷了從簡單的經(jīng)驗檢測發(fā)展到智能化診斷的過程，從實施方式發(fā)展而言，它大致經(jīng)歷了三個不同的發(fā)展階段[10]。

（1）傳統(tǒng)診斷方式。早期技術(shù)人員通過用小錘敲擊或用聽音棒接觸機器設(shè)備的某個部位，以“眼見、耳聽、手摸”等手段，利用人的感知器官來感知設(shè)備振動情況，獲得其模糊量值，達到主觀判斷設(shè)備是否正常工作的目的。這是一種信號源來自現(xiàn)場并融入了現(xiàn)代診斷思想和想法的最實際、最直接的故障診斷應(yīng)用技術(shù)，但是其缺點也是明顯的，它是以模糊量值為樣本，比較依賴技術(shù)人員的經(jīng)驗，不能夠定量地反映設(shè)備的運行狀態(tài)，具有模糊定性的性質(zhì)。

（2）簡易診斷方式。它以測量設(shè)備的簡單振動參數(shù)(位移、速度、加速度)作為基礎(chǔ)。雖然測量的數(shù)據(jù)簡單，但在現(xiàn)場應(yīng)用中卻有著十分重要的作用，現(xiàn)場簡單的振動參數(shù)能在應(yīng)用中反映了豐富的故障信息。

（3）精密診斷方式。它主要是依靠計算機技術(shù)、信號處理技術(shù)、數(shù)據(jù)采集技術(shù)等對設(shè)備的振動情況進行測量和分析，通過對采集的振動信號進行信號處理，提取出振動的特征參數(shù)，以期查找并判斷出造成設(shè)備故障的原因、部位及性質(zhì)，為消除故障隱患提供參考依據(jù)。精密診斷是當今振動故障診斷發(fā)展的最高實用性成果，特別是在大型機組的在線分析監(jiān)測中，突顯了其技術(shù)優(yōu)勢。

準確的說，上述三種診斷方式均存在各自的優(yōu)勢和劣勢，但它們之間的關(guān)系卻是相輔相成的，不存在新方法替代舊方法的問題。傳統(tǒng)診斷方式的聽診和觀診是其他兩者所不能替代的；簡易診斷方式因振動參數(shù)具有國際和國家標準可參考，在整體綜合判斷設(shè)備運行情況方面顯得簡而易行；精密診斷方式則在分析故障原因、部位和性質(zhì)等方面具有舉足輕重的地位。

4 機械故障監(jiān)測與診斷技術(shù)的發(fā)展趨勢

（1）高質(zhì)量診斷信息是提高機器確診率的關(guān)鍵[11]。完善與發(fā)展振動分析方法，進一步提高機械故障特征信號提取的質(zhì)量。

（2）信息融合技術(shù)的廣泛應(yīng)用可為旋轉(zhuǎn)機械故障診斷提供新的發(fā)展方向。機械故障診斷技術(shù)包括了多種監(jiān)測手段，它們各自擁有各自獨特的優(yōu)缺點，如何有效的將多種診斷方式進行融合，可大大提高故障診斷的準確度。

（3）智能診斷與遠程診斷。近年來，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)、模糊識別、灰色理論、故障樹分析被更多的科研工作者應(yīng)用到故障診斷領(lǐng)域，智能診斷應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)機械故障診斷也越來越廣泛，成為值得關(guān)注的動向之一。隨著計算機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，關(guān)鍵機器部件的遠程故障診斷技術(shù)也將成為一重大趨勢。

[1]楊國安.機械設(shè)備故障診斷實用技術(shù)[M].北京:中國石化出版社,2007.

[2]張正松.旋轉(zhuǎn)機械振動監(jiān)測及故障診斷[M].北京:機械工業(yè)出版社,1991.

[3]陳進.機械設(shè)備振動監(jiān)測與故障診斷[M].上海:上海交通大學(xué)出版社,1999.

[4]屈梁生,何正嘉.機械故障診斷學(xué)[M].上海:上?？茖W(xué)技術(shù)出版社,1986.

[5]張安華.機電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)[M].西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社,1995.

[6]張慶海.基于振動分析的旋轉(zhuǎn)機械設(shè)備故障診斷技術(shù)的研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2004.

[7]裴鈞鋒,楊其俊.機械設(shè)備診斷技術(shù)[M].山東:石油大學(xué)出版社,1997.

[8]盛兆順,尹琪嶺.設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)及應(yīng)用[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2003.

[9]陳大禧,朱鐵光.大型回轉(zhuǎn)機械診斷現(xiàn)場實用技術(shù)[M]. 北京:機械工業(yè)出版社,2002.

[10]張令彌.振動測量與動態(tài)分析[M].北京:航空工業(yè)出版社,1992.

[11]蔣平,賈民平,許飛云,等.機械故障診斷中微弱信號處理特征的提取振動[J].測試與診斷,2005.3:48-50.