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，機械設(shè)備工作強度不斷增大，自動化程度越來越高，大大提升了工業(yè)生產(chǎn)效率、降低了人工成本。同時，由于設(shè)備結(jié)構(gòu)更加復雜、各部分的關(guān)聯(lián)愈加密切，往往某個微小故障就能引發(fā)連鎖反應(yīng)，導致整個設(shè)備乃至與設(shè)備有關(guān)的環(huán)境遭受災(zāi)難性的毀壞。

在機械設(shè)備得到廣泛應(yīng)用的同時，其運行狀態(tài)監(jiān)測、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價值[1]。通過設(shè)備健康狀態(tài)的監(jiān)測診斷，可對潛在的故障作出盡早的判斷，并根據(jù)故障的嚴重程度及時發(fā)出預(yù)警，提醒工廠運維人員及時采取恰當?shù)臋z修措施，從而保障設(shè)備的可靠運行，避免非計劃停機和安全事故。

旋轉(zhuǎn)機械早期故障信號具有非平穩(wěn)、多分量、非線性、多調(diào)制的特點[2-3]，故障脈沖信號幅值很小，采用常規(guī)方法很難直接從低頻信號和強背景噪聲中提取故障特征，更無法進行故障識別。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)測診斷體系。

1 設(shè)備早期故障監(jiān)測診斷

1.1 典型的機械設(shè)備故障發(fā)展過程

設(shè)備故障的發(fā)展分為五個階段，其過程如圖1所示。

圖1 機械設(shè)備故障發(fā)展過程示意圖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)試中的遺留問題。

②穩(wěn)定運行階段：故障率很低。其原因是突發(fā)性運行故障。

③惡化階段：故障率開始上升。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危險階段：設(shè)備可能隨時失效。其原因是設(shè)備未及時檢維修或者未能發(fā)現(xiàn)真正的故障源。

通過故障診斷，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)備恢復原有性能，重新進入低故障率的穩(wěn)定期，從而延長設(shè)備的使用壽命。

設(shè)備運行過程中的故障，往往會經(jīng)歷一個從產(chǎn)生到發(fā)展、從輕微到嚴重的漸變過程。一方面是設(shè)備性能的變化，即正?！钦！鷲夯罎?；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→完全的時間過程。因此，早期故障檢測對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)展過程

軸承在旋轉(zhuǎn)機械中應(yīng)用較廣泛，設(shè)備的許多故障都與軸承有關(guān)。軸承的健康狀況對于機械設(shè)備的正常運行影響很大。軸承的缺陷會導致設(shè)備產(chǎn)生異常振動和噪聲，嚴重時甚至損壞設(shè)備[4]。

滾動軸承過早發(fā)生故障的主要原因是過大的動載荷。除此之外，其他原因包括：①軸承和齒輪在正常運行過程中，因磨損而引起金屬屑沫進入齒面和軸承間隙中，產(chǎn)生潤滑污染；②潤滑不當，包括使用錯誤的潤滑劑、被灰塵和其他污染物污染；③濕氣會造成一定量的水氣進入，形成污染，而水氣會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，會吸附顆粒物、加速零件的磨損、降低機械的性能和熱交換效率，最終導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。延長軸承使用壽命的解決對策是監(jiān)測軸承狀態(tài)，在早期發(fā)現(xiàn)軸承故障，并監(jiān)測、跟蹤其老化趨勢，了解何時需更換軸承。

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如下。

①信號微弱：早期故障屬于輕微故障，信號分量較小，不易察覺。

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

③容易被噪聲信號淹沒：早期故障信號具有很大的隱蔽性，容易被相對較強的噪聲信號所淹沒。

機械運動部件出現(xiàn)早期故障時，使用常規(guī)的信號處理技術(shù)很難直接提取信號，需要根據(jù)故障機理建立和分析故障特征的數(shù)學模型。采用現(xiàn)代數(shù)字信號處理技術(shù)進行提取、濾波、降噪，可從頻域中提取故障特征頻率，并與故障庫進行匹配。

近年來，設(shè)備故障特征提取技術(shù)在機械設(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)信號處理技術(shù)[10]。在滾動軸承故障發(fā)展的初始階段檢測到故障信息，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。通過振動速度或振動加速度，可在第三階段有效地檢測到軸承的故障頻率；通過包絡(luò)解調(diào)和振動速度、加速度相結(jié)合，可檢測滾動軸承的早期故障。

(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故障的重要依據(jù)，適用于檢測滾動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)，將低頻信號調(diào)制到高頻共振頻率區(qū)，并分離低頻沖擊信號與其他能量巨大的低頻信號，從而有效地利用故障信息進行診斷。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。

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

②共振解調(diào)幅值與故障沖擊強度成正比，幅值越高，故障越嚴重。

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)測診斷

2.1 設(shè)備健康狀態(tài)監(jiān)測診斷流程

采用高速在線監(jiān)測與診斷系統(tǒng)，對關(guān)鍵設(shè)備各個部位的信號進行連續(xù)、并行的監(jiān)測、分析和診斷。設(shè)備健康狀態(tài)監(jiān)測診斷流程如圖2所示。

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

將監(jiān)測數(shù)據(jù)與設(shè)備健康狀態(tài)時的數(shù)據(jù)模式進行比對，從而歸納出設(shè)備發(fā)生故障的規(guī)律?；谶B續(xù)的測量和分析，能夠判斷設(shè)備的運行狀態(tài)、預(yù)測設(shè)備部件剩余使用壽命、輔助決策設(shè)備的最佳維護時機。

2.2 多技術(shù)融合

醫(yī)學診斷技術(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]。通過不同技術(shù)獲取不同的設(shè)備故障特征信息，綜合各項特征信息，最終可獲得準確的設(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)制造的過程中，如果要達到設(shè)備全生命周期健康狀態(tài)監(jiān)測診斷，還需要在以下三個方面完善監(jiān)測診斷工作[8-9]。

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

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

3.2 設(shè)備現(xiàn)場應(yīng)用

設(shè)備在工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用時，應(yīng)用全生命周期健康狀態(tài)監(jiān)測診斷體系[11-12]實行預(yù)測性維護制度。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)，在不同的故障發(fā)展階段，企業(yè)可進行如表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

當設(shè)備處于綠色甚至黃色區(qū)域時，及時對設(shè)備進行檢維修，可以達到如下效果：①避免“過剩維修”，防止因不必要的拆卸使設(shè)備精度降低，減少維修費用；②有效減少設(shè)備停機時間和維修時間，提高生產(chǎn)效率；③實現(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

利用早期故障特征提取技術(shù)盡早對設(shè)備的潛在故障作出可靠判斷，對于保障設(shè)備的可靠運行具有重要意義。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)測診斷體系。在設(shè)備生產(chǎn)制造以及現(xiàn)場應(yīng)用中實施早期故障特征提取，可促進設(shè)備廠家改進生產(chǎn)制造質(zhì)量，促進流程工業(yè)企業(yè)優(yōu)化檢維修流程。

根據(jù)現(xiàn)場應(yīng)用經(jīng)驗，對設(shè)備全生命周期健康狀態(tài)監(jiān)測診斷在設(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價值。監(jiān)測跟蹤早期故障發(fā)展趨勢，可保障設(shè)備的可靠運行。

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)計量、小波變換、盲信號分析等。其目的是分析提取故障特征。

③設(shè)備健康狀態(tài)監(jiān)測診斷系統(tǒng)的最終目的是現(xiàn)場應(yīng)用，需要把復雜理論變成簡單的操作，否則診斷系統(tǒng)肯定不會得到普及。對于在線監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測的項目和參數(shù)不是越多越好，而是越少越好；不是越復雜越好，而是越簡單越好。

④在工業(yè)現(xiàn)場診斷設(shè)備時，往往沒有太多時間可供討論，需要盡快告訴維修人員問題所在，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，并在現(xiàn)場應(yīng)用時進行設(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。早期故障提取技術(shù)可幫助企業(yè)改進設(shè)備設(shè)計缺陷、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)測診斷的閉環(huán)。

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