翁海寬，江 劍

(南京理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

測試技術(shù)在設(shè)備故障診斷中的具體應(yīng)用

翁海寬，江 劍

(南京理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

工業(yè)發(fā)展水平是一個國家現(xiàn)代化程度的標(biāo)志，在工業(yè)生產(chǎn)中，涉及到很多設(shè)備，對設(shè)備的使用和管理是工業(yè)生產(chǎn)中的重點問題。設(shè)備狀態(tài)的故障檢測和診斷是設(shè)備維護(hù)的常規(guī)問題，也是保障設(shè)備正常運營的關(guān)鍵，因此，在設(shè)備故障診斷中，測試技術(shù)的應(yīng)用非常廣泛。隨著工業(yè)技術(shù)的進(jìn)步，測試技術(shù)也得到了升級。測試技術(shù)的應(yīng)用需要針對不同的設(shè)備，從設(shè)備的基礎(chǔ)特性出發(fā)，以快速簡捷的方式對設(shè)備進(jìn)行性能評價，測試技術(shù)在設(shè)備故障診斷中具有決定性作用。本文從3個方面闡述了設(shè)備故障診斷中測試技術(shù)的具體應(yīng)用。

機械設(shè)備；故障診斷；測試技術(shù)

設(shè)備故障診斷是工業(yè)生產(chǎn)中對設(shè)備進(jìn)行維護(hù)管理的重點工作,其是從醫(yī)學(xué)角度得到啟發(fā)而發(fā)展的。在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中，設(shè)備故障診斷技術(shù)逐步升級，從控制技術(shù)和信息技術(shù)，逐步發(fā)展為計算機技術(shù)和通信技術(shù)的高度結(jié)合?，F(xiàn)行的設(shè)備故障測試技術(shù)一般都是幾個技術(shù)的結(jié)合體，針對不同的設(shè)備情況，需進(jìn)行必要的檢測。測試技術(shù)是一門綜合性的、系統(tǒng)化的技術(shù)類型，隨著電子技術(shù)的升級進(jìn)步，測試技術(shù)有了更多的技術(shù)支持。設(shè)備故障診斷需要從正確的角度確定問題原因，在短時間內(nèi)排除故障，這樣才能保證生產(chǎn)活動正常進(jìn)行，因此，測試技術(shù)的具體應(yīng)用在設(shè)備故障診斷中發(fā)揮著關(guān)鍵的作用。

1 測試技術(shù)在設(shè)備故障診斷中的應(yīng)用

1.1 應(yīng)用的前提條件

設(shè)備出現(xiàn)故障與生產(chǎn)的具體操作有關(guān)，也與設(shè)備所處的工作環(huán)境有關(guān)，環(huán)境對于設(shè)備的狀態(tài)具有明顯影響。在機械設(shè)備運行的過程中，通過應(yīng)用測試技術(shù)來確定機械設(shè)備能否正常運行或者發(fā)生何種異常的現(xiàn)象。測試需要從機械設(shè)備的整體和局部分別進(jìn)行，在特殊的部位進(jìn)行特殊的識別。應(yīng)用測試技術(shù)的另一個作用就是要對機械設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測，故障診斷的過程實際上就是機械設(shè)備狀態(tài)識別的過程；因此，測試技術(shù)的使用應(yīng)以機械設(shè)備的狀態(tài)為前提條件，通過對細(xì)節(jié)的處理來確定機械設(shè)備的基本情況[1]。

1.2 診斷過程

機械設(shè)備的故障診斷需要掌握機械設(shè)備的基礎(chǔ)特性，在診斷過程(見圖1)中，第1個任務(wù)就需要檢測設(shè)備狀態(tài)的特征。機械設(shè)備具有一定的信息標(biāo)識，檢測初期要對設(shè)備進(jìn)行初始信息的識別，查看設(shè)備顯示出的信息是否都在正常值范圍內(nèi)，對信號進(jìn)行檢測能夠正確認(rèn)知設(shè)備所處的基本狀態(tài)；第2個任務(wù)是從檢測到的特征信號中提取機械設(shè)備所體現(xiàn)的征兆，不同的信息數(shù)值代表不同的意義，通過對信息進(jìn)行分析，能夠明確掌握設(shè)備的故障特征。故障確定是測試技術(shù)應(yīng)用的核心目的，只有正確地判斷設(shè)備故障的類型，才能夠使故障識別中的測試技術(shù)具有實效性[2]。

1.3 識別模式

經(jīng)過測試的設(shè)備會出現(xiàn)一定的信息，這些信息就是設(shè)備故障的代理。故障的模式識別需要經(jīng)過3個階段：1)針對故障事件的測試檢查階段，該環(huán)節(jié)主要是對已經(jīng)發(fā)生故障的設(shè)備進(jìn)行測試，在這個過程中，能夠準(zhǔn)確判斷出故障發(fā)生的程度和原因，其缺點是無法彌補故障帶來的損失，但是，測試故障發(fā)生原因并準(zhǔn)確地給出修正意見對于設(shè)備的維修具有特殊意義；2)發(fā)生故障預(yù)防階段，測試技術(shù)在設(shè)備故障診斷方面的重點含義就是對設(shè)備進(jìn)行保護(hù)，運用測試方法對設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測，通過得出的數(shù)據(jù)分析設(shè)備未來發(fā)生故障的程度，這對于設(shè)備故障的預(yù)防具有重要作用；3)基于故障預(yù)測的診斷階段，主要是通過測試技術(shù)對設(shè)備檢測得出的結(jié)論和多個層次的分析理解，從多個角度進(jìn)行設(shè)備狀態(tài)評估，評估是一種整體狀態(tài)的識別，測試方法和數(shù)據(jù)整理都要以設(shè)備的整體狀態(tài)為參考標(biāo)準(zhǔn)。對故障模式的識別是測試技術(shù)具體應(yīng)用的價值體現(xiàn)[3]。

風(fēng)機滾動軸承缺陷故障的診斷過程如下：首先，對設(shè)備規(guī)格、檢測參數(shù)和位置方向進(jìn)行選擇，對測試布置和方向進(jìn)行確定；其次，通過數(shù)據(jù)采集和分析儀器，從軸承軸向測點和垂直測點進(jìn)行多角度測試，對振動頻譜進(jìn)行分析，從而得出相應(yīng)的結(jié)論，一般為111.33和82.03 Hz的譜峰不是軸承內(nèi)外環(huán)故障特征頻率，而是軸承內(nèi)環(huán)故障特征頻率被2fr調(diào)制的邊頻帶。通過判斷可以確定軸承內(nèi)環(huán)和外環(huán)的疲勞損害。診斷后的決策確定軸承的損壞程度(見圖2)已經(jīng)很大，應(yīng)盡快停機，更換軸承。

圖2 滾動軸承典型故障

2 設(shè)備故障診斷中的監(jiān)測方法

2.1 識別故障信息

設(shè)備故障信息檢測是測試技術(shù)應(yīng)用于機械設(shè)備的第1步，故障診斷的標(biāo)準(zhǔn)就是通過測試技術(shù)識別出設(shè)備的障礙信息。測試過程是對設(shè)備工作參數(shù)、性能指標(biāo)和物理量等信息進(jìn)行檢測和量化的過程。測試過程中，傳感器是獲取信息的重要工具，并且能夠?qū)⑿畔⑥D(zhuǎn)換成測量和處理器件。運用傳感器測試方法是故障信息檢測的重要方法；同時，故障信息檢測還需要對設(shè)備進(jìn)行一定的取樣或者探傷，通過機械設(shè)備的故障信息確定發(fā)生問題的部位。所運用的測試技術(shù)主要應(yīng)用物理量振動，例如位移、速度、機械阻抗和導(dǎo)納，通過聲壓、聲臺和聲功率判定故障；同時，可以應(yīng)用力，包括應(yīng)力、壓力、扭矩和載荷等數(shù)值確定故障程度，通過轉(zhuǎn)動、溫度和流量確定故障時間。取樣檢測就是從與設(shè)備有關(guān)的液體或者固體物質(zhì)中取出一些樣品，運用光譜測試技術(shù)，獲得設(shè)備磨損的程度數(shù)值。而探傷主要應(yīng)用超聲、聲發(fā)生和核子等技術(shù)，對監(jiān)測信號進(jìn)行確定，需要相關(guān)的儀表進(jìn)行衡量，對長期穩(wěn)定性和可靠性進(jìn)行判斷。對于大型設(shè)備的測試，可以運用電渦流位移傳感器、電磁式速度傳感器、壓力加速度傳感器和熱電偶溫度傳感器等設(shè)備。研究發(fā)現(xiàn)，設(shè)備故障信息檢測已經(jīng)在設(shè)備故障診斷中得到了一定程度的應(yīng)用，實現(xiàn)了應(yīng)力、壓力、扭矩和載荷等數(shù)值的確定，為故障診斷提供了原始數(shù)據(jù)，保證了故障診斷的有效性；因此，故障信息測試識別技術(shù)對設(shè)備故障診斷具有重要意義[4]。

2.2 判別故障特征

測試技術(shù)應(yīng)用中，對故障特征的梳理是一個復(fù)雜的過程，也是設(shè)備故障診斷的必要工作，是測試工作的重要部分。故障特征分析就是對信號進(jìn)行分析和處理，從原始信號提取代表故障特征的信息。聲與振動信號的分析處理對故障診斷具有關(guān)鍵意義。提取故障特征一般采用的方法包括時域分析法、頻域分析法、旋轉(zhuǎn)特征分析法、相位分析法、時間序列分析法、模態(tài)分析法和模糊推理法(見圖3)等。這些方法主要對故障特征進(jìn)行線性分析；但是，設(shè)備故障有的是單純發(fā)生的，有的是多種問題的集合，這就需要在測試分析的過程中從整體入手，正確對待故障與設(shè)備各個組成部分之間的關(guān)系。測試技術(shù)應(yīng)用在故障特征分析整理的環(huán)節(jié)需要從多個角度出發(fā)，以設(shè)備基礎(chǔ)條件為藍(lán)本，對故障進(jìn)行連貫性的分析整理，從中發(fā)現(xiàn)故障的真實原因[5-6]。

圖3 模糊推理法

結(jié)合設(shè)備故障診斷實際，對故障特征進(jìn)行梳理是必不可少的，由于設(shè)備故障種類較多，造成故障的原因也比較多，運用正確的故障特征分析整理方法對提高故障診斷和處理具有重要作用；因此，做好故障特征的分析整理十分重要。

2.3 評價故障標(biāo)準(zhǔn)

對故障進(jìn)行測試分析的主要目的是為故障診斷提供服務(wù)，故障診斷的首要任務(wù)是查看機械設(shè)備的運行狀態(tài)。通過測試和分析及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備的不穩(wěn)定狀態(tài)，對狀態(tài)進(jìn)行識別是一項重要的參考標(biāo)準(zhǔn)。在測試中，要遵循設(shè)備制造廠商給出的技術(shù)指標(biāo)，同時采用評價標(biāo)準(zhǔn)，例如ISO2372機械振動測量與評價標(biāo)準(zhǔn)。在測試評價方法上，目前采用多閾值判斷、多元閾值判斷、加權(quán)判斷和模糊閾值判斷等方法。對設(shè)備一般要進(jìn)行一定時間的監(jiān)測，可以進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測、巡回監(jiān)測和定期監(jiān)測，使用的測試設(shè)備主要包括便攜式狀態(tài)監(jiān)測儀、專用狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)和多功能狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。隨著計算機技術(shù)的進(jìn)步，運用計算機作為監(jiān)測依托的設(shè)備也產(chǎn)生了，例如建立一個人工智能系統(tǒng)，通過簡單的測試方法就能夠得到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，對故障有完整的評價標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)備故障測試診斷之后，需要對故障測試診斷的結(jié)果進(jìn)行有效評價，保證設(shè)備故障測試診斷能夠達(dá)到預(yù)期目的，提高設(shè)備故障測試診斷的整體效果?；谠O(shè)備故障測試診斷的需要，完善的評價標(biāo)準(zhǔn)是保證設(shè)備故障測試診斷取得積極效果的關(guān)鍵。

2.4 故障機理研究

在設(shè)備故障診斷過程中，對故障機理的研究是診斷的基礎(chǔ)。在測試過程中，通過機械設(shè)備的運動過程，能夠發(fā)現(xiàn)設(shè)備部件之間的物理力學(xué)關(guān)系，各個部件之間正常運轉(zhuǎn)和發(fā)生故障之間的信息區(qū)別，測試機械設(shè)備在發(fā)生故障后的各種癥狀和可能性。故障機理的測試?yán)碚撘罁?jù)是振動理論、摩擦理論、空氣動力學(xué)理論和材料失效理論。對設(shè)備故障機理的測試需要進(jìn)行設(shè)備整體查驗，通過表象發(fā)現(xiàn)設(shè)備內(nèi)部存在的問題。無論是小型機械還是大型機械，對設(shè)備故障機理的測定都是確定故障的重要依據(jù)。在故障診斷時，運用測試技術(shù)對故障機理進(jìn)行判斷，能夠為機械設(shè)備的維修提供良好的條件。例如，風(fēng)機組管道熱態(tài)平衡故障的測試診斷，通過對機械概況進(jìn)行統(tǒng)一了解，確定了風(fēng)機生產(chǎn)制造的年限和基本結(jié)構(gòu)，對功率和轉(zhuǎn)速有了足夠的了解。以軸功率為7 215 kW、額定轉(zhuǎn)速為5 590 r/min型號為例，針對發(fā)生過一次的喘振，檢查測試風(fēng)機葉片的功能和損傷程度，通過振動烈度查看數(shù)據(jù)，然后重新起動，進(jìn)行額定負(fù)載值的確定；同時，對煙機、齒輪箱、電動機、各聯(lián)軸器和風(fēng)機出口進(jìn)行振動測試。振動測試需要制定測試方案，在帶負(fù)荷和熱態(tài)環(huán)境下確定振動幅值和相位的負(fù)載變化，振動隨時間變化，測定不同基點的基本情況，然后通過分析和診斷結(jié)論，提出風(fēng)機部位的修改意見。應(yīng)用設(shè)備故障測試診斷技術(shù)之后，風(fēng)機組管道熱態(tài)平衡故障測試取得了積極效果，實現(xiàn)了風(fēng)機組管道熱態(tài)平衡故障測試，提高了測試效果，通過對煙機、齒輪箱、電動機、各聯(lián)軸器和風(fēng)機出口進(jìn)行振動測試，達(dá)到了提高設(shè)備故障測試診斷效果的目的。

2.5 故障識別專家系統(tǒng)的應(yīng)用

測試技術(shù)隨著機械設(shè)備的升級發(fā)展而不斷進(jìn)步，機械設(shè)備故障診斷的識別方法通過測試技術(shù)應(yīng)用實現(xiàn)，因此，測試技術(shù)的發(fā)展需要更加科學(xué)化和專業(yè)化。故障識別專家系統(tǒng)就是針對機械設(shè)備故障診斷而研發(fā)的一種便捷式應(yīng)用方法，該測試技術(shù)通過一定規(guī)則和標(biāo)準(zhǔn)，對發(fā)生故障的種類、原因和部位及時做出準(zhǔn)確判斷。在具體的應(yīng)用上，需要依靠豐富的知識庫、模式識別技術(shù)和計算機語言。專家系統(tǒng)測試設(shè)備故障能夠?qū)崿F(xiàn)故障診斷的時效要求，其優(yōu)越性可以表現(xiàn)為信息的準(zhǔn)確性、及時性和規(guī)范性。通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行模塊化管理，在數(shù)據(jù)庫的內(nèi)部進(jìn)行檢索、查詢和推理分類。目前，專家系統(tǒng)測試方法已經(jīng)趨于成熟，并在設(shè)備故障檢測中得到了重要應(yīng)用，有效提高了設(shè)備故障檢測的整體效果，為設(shè)備故障檢測提供了新方法。

2.6 故障診斷測試系統(tǒng)的實現(xiàn)

在機械設(shè)備升級發(fā)展的趨勢下，測試技術(shù)也應(yīng)進(jìn)行不斷的升級。例如，在線監(jiān)測系統(tǒng)、周期巡檢系統(tǒng)和機械狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)等，都能夠很好地進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測。高性能監(jiān)測系統(tǒng)一般硬件比例大，能夠采集大量的數(shù)據(jù)信息，在短時間內(nèi)就可以快速處理數(shù)據(jù)，監(jiān)測功能強。高性能故障診斷測試系統(tǒng)是測試技術(shù)的升級和發(fā)展，系統(tǒng)化的集成產(chǎn)品能夠使測試技術(shù)使用簡便，在軟件商品飛速發(fā)展的時代，測試技術(shù)逐漸向功能多、靈活性強的方向發(fā)展。隨著設(shè)備故障診斷技術(shù)的快速發(fā)展，在線監(jiān)控技術(shù)和自動化故障診斷平臺的出現(xiàn)使機械設(shè)備故障測試成為了現(xiàn)實?；诟咝阅芄收显\斷測試系統(tǒng)的突出優(yōu)點，該系統(tǒng)已經(jīng)在設(shè)備故障診斷中得到了全面應(yīng)用，對提高機械設(shè)備故障診斷質(zhì)量起到了積極的推動作用。

3 結(jié)語

我國正處在經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵時期，工業(yè)生產(chǎn)的水平?jīng)Q定了國家基礎(chǔ)建設(shè)和重點項目的發(fā)展水平，機械設(shè)備作為工業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)，其運行效果對于生產(chǎn)具有決定性作用。任何設(shè)備都有一定的使用期限，在使用過程中，良好的維護(hù)能夠讓機械設(shè)備更好地工作。測試技術(shù)就是從科學(xué)化、專業(yè)化角度對設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)識別，定位設(shè)備出現(xiàn)的問題，預(yù)防設(shè)備即將發(fā)生的危險。在我國的工業(yè)生產(chǎn)中，對設(shè)備的測試診斷越來越受到生產(chǎn)者的重視，只有以設(shè)備維護(hù)為中心，才能夠從根本上保障工業(yè)生產(chǎn)始終在穩(wěn)定的環(huán)境下運行。

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責(zé)任編輯李思文

ApplicationofTestingTechnologyinEquipmentFaultDiagnosis

WENG Haikuan, JIANG Jian

(Institute of Mechanical Engineering, Nanjing University of Technology, Nanjing 210094, China)

Industrial development level is the sign of a country modernization degree. In industrial production, involved a lot of equipment, the usage of equipment and management is the key problem in industrial production. The state of the equipment fault detection and diagnosis is a normal problem of equipment maintenance and is also the key to guarantee the normal operation of equipment. In equipment fault diagnosis, testing technique has a very wide range of applications. With the progress of industrial technology, testing technology has been upgraded. The application of testing technology for different devices starts from the basic features of the equipment, performance assessment of equipment in a quick, easy way. Testing technology has a decisive role in the equipment fault diagnosis. The paper from three aspects in the paper expounded the in equipment fault diagnosis, the concrete application of testing technology.

mechanical equipment, fault diagnosis, test technology

TH 165

：B

翁海寬(1987-)，男，工學(xué)碩士，主要從事測試計量理論及應(yīng)用等方面的研究。

2015-01-15