林水泉,呂運(yùn)容,鄧向武
(廣東石油化工學(xué)院廣東省石化裝備故障診斷重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東茂名 525000)
隨著工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展,旋轉(zhuǎn)機(jī)組在航空、電力、石油化工等領(lǐng)域上廣泛應(yīng)用。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)分析,旋轉(zhuǎn)機(jī)組中約有80%的故障是由齒輪箱故障引起的。齒輪箱是現(xiàn)代機(jī)械設(shè)備和系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的基礎(chǔ)部件之一,由于它具有傳動(dòng)精度高、傳動(dòng)力矩大、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn),已在航空航天、石化企業(yè)、制造業(yè)等領(lǐng)域上廣泛應(yīng)用[1]。齒輪箱的主要功能是傳遞動(dòng)力,并改變機(jī)械設(shè)備的轉(zhuǎn)速。為了滿足機(jī)組正常運(yùn)轉(zhuǎn)的要求,齒輪箱中的軸承與齒輪等零部件采用復(fù)雜的加工工藝和具有較高的加工精度。然而,由于旋轉(zhuǎn)機(jī)組長(zhǎng)期處于高轉(zhuǎn)速、交變載荷與高溫高壓等惡劣的環(huán)境與復(fù)雜工況下,齒輪箱中的軸承和齒輪極易出現(xiàn)斷齒、膠合、磨損和點(diǎn)蝕等故障,從而引起局部失效,進(jìn)而影響到機(jī)械系統(tǒng)整體運(yùn)行的安全性和可靠性,輕則導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量下降,重則造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡[2-3]。
綜上所述,旋轉(zhuǎn)機(jī)組故障診斷的方法很多,但是由于設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、信號(hào)干擾大、耦合性強(qiáng),加上所處的環(huán)境比較特殊,以及受到復(fù)雜工況及外界因素的影響下,往往會(huì)造成齒輪箱故障難分辨、精度不高等問(wèn)題。因此,本文作者結(jié)合多傳感器與D-S證據(jù)理論,提出一種復(fù)雜工況下多傳感器融合的齒輪箱故障診斷方法,有效地解決齒輪箱故障診斷存在的問(wèn)題,并且對(duì)齒輪箱故障診斷研究提供更好的借鑒與參考價(jià)值。
旋轉(zhuǎn)機(jī)組工作環(huán)境的特殊性,電動(dòng)機(jī)對(duì)它的旋轉(zhuǎn)動(dòng)力,加上葉輪端的阻力均會(huì)對(duì)它造成一定的影響,特別是齒輪間相互嚙合過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)、軸承轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中內(nèi)圈、外圈與滾珠之間的相互摩擦產(chǎn)生的振動(dòng)等因素,大大增加了齒輪箱故障診斷的復(fù)雜度。
齒輪箱在電機(jī)組中應(yīng)用十分廣泛,它作為多級(jí)離心風(fēng)機(jī)的關(guān)鍵組成部分,主要是由電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)齒輪箱中齒輪的運(yùn)轉(zhuǎn),從而讓風(fēng)機(jī)中的葉輪得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)速。旋轉(zhuǎn)機(jī)組主要由電動(dòng)機(jī)、扭力傳器、齒輪箱、風(fēng)機(jī)等部件組成,其中齒輪箱包括軸承、齒輪與轉(zhuǎn)動(dòng)軸。然而,旋轉(zhuǎn)機(jī)組工作原理為:電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)設(shè)備,并把動(dòng)力源傳到齒輪箱,經(jīng)過(guò)齒輪箱的齒輪變速,從而帶動(dòng)風(fēng)機(jī)的葉輪工作。其中,風(fēng)機(jī)軸承用于支撐旋轉(zhuǎn)軸并為齒輪箱的轉(zhuǎn)動(dòng)做支撐,聯(lián)軸器用于補(bǔ)償電機(jī)間的軸系誤差。此外,旋轉(zhuǎn)機(jī)組齒輪箱的潤(rùn)滑方式比較多,主要分為半流體潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑、齒輪油潤(rùn)滑與固體潤(rùn)滑劑潤(rùn)滑。一般來(lái)說(shuō),半流體潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑適用于轉(zhuǎn)速較低、密封性要求不高的情況;齒輪油潤(rùn)滑適用于負(fù)荷大、轉(zhuǎn)速高及密封性好的條件;固體潤(rùn)滑劑則適用于高溫或禁油場(chǎng)合的情況。但是,旋轉(zhuǎn)機(jī)組齒輪箱的潤(rùn)滑方式基本上以齒輪油潤(rùn)滑為主,通過(guò)將齒輪油循環(huán)進(jìn)出齒輪箱,起到冷卻、潤(rùn)滑的作用。
齒輪箱作為旋轉(zhuǎn)機(jī)組關(guān)鍵的機(jī)械部件,其主要作用為:(1)改變轉(zhuǎn)動(dòng)力矩。在功率相同的情況下,轉(zhuǎn)速快的齒輪,轉(zhuǎn)動(dòng)軸受到的力矩越小,反之越大;(2)分配動(dòng)力。通過(guò)齒輪箱上的主動(dòng)軸帶動(dòng)多個(gè)從動(dòng)軸,實(shí)現(xiàn)了機(jī)組帶動(dòng)多個(gè)負(fù)載的功能;(3)加減速。通過(guò)將齒輪箱左右兩端的大小齒輪進(jìn)行調(diào)換,實(shí)現(xiàn)機(jī)組的加速與減速功能;(4)改變傳動(dòng)方向。通過(guò)扇形齒輪把力垂直傳遞到另一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸上,從而實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)方向的變動(dòng);(5)離合功能。通過(guò)將已嚙合的齒輪分開,實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)與負(fù)載脫離的效果。因此,齒輪箱在旋轉(zhuǎn)機(jī)組中占據(jù)著重要的作用,其故障必會(huì)造成機(jī)組的正常運(yùn)轉(zhuǎn),影響設(shè)備安全、可靠的運(yùn)行。那么,對(duì)機(jī)組齒輪箱進(jìn)行監(jiān)測(cè)與維護(hù)顯得十分重要。
隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,旋轉(zhuǎn)機(jī)組除了結(jié)構(gòu)復(fù)雜外,還處于轉(zhuǎn)速高、負(fù)載大、運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間長(zhǎng)等復(fù)雜工況下,齒輪箱難免會(huì)發(fā)生各種故障問(wèn)題。一般來(lái)說(shuō),齒輪箱故障可分為單一故障與復(fù)合故障。齒輪箱單一故障件主要為轉(zhuǎn)動(dòng)軸、軸承、齒輪。據(jù)統(tǒng)計(jì)分析,在齒輪箱故障中,齒輪所占的比例高達(dá)60%,軸承所占的比例為19%,轉(zhuǎn)動(dòng)軸所占的比例為10%。其中,轉(zhuǎn)動(dòng)軸故障為彎軸、裂軸、偏心軸、不對(duì)中軸;軸承故障為外圈磨損、內(nèi)圈磨損、滾珠磨損、膠合故障;齒輪故障為斷齒、缺齒、裂齒、齒輪磨損、齒輪點(diǎn)蝕、齒輪膠合。然而,復(fù)合故障種類較多,可為轉(zhuǎn)動(dòng)軸2種或2種以上故障、軸承2種或2種以上故障、齒輪2種或2種以上故障,以及轉(zhuǎn)動(dòng)軸+軸承故障、軸承+齒輪故障、轉(zhuǎn)動(dòng)軸+齒輪故障、轉(zhuǎn)動(dòng)軸+齒輪+軸承故障等。但齒輪箱常見的故障主要有齒輪缺齒、齒輪磨損、齒輪點(diǎn)蝕、軸承外圈磨損、軸承內(nèi)圈磨損、軸承滾珠磨損等。因此,為了減少齒輪箱故障,避免安全事故的發(fā)生,對(duì)它進(jìn)行監(jiān)測(cè)與維護(hù)顯得很有意義。
隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展,目前很多國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者在旋轉(zhuǎn)機(jī)組故障診斷領(lǐng)域做了大量的研究工作,而故障診斷技術(shù)在各領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用,且診斷效果比較理想[4-5]。然而,復(fù)雜工況下旋轉(zhuǎn)機(jī)械發(fā)生故障時(shí),振動(dòng)監(jiān)測(cè)信號(hào)一般表現(xiàn)為隨機(jī)性、非線性、不可遍歷性等特征,造成了故障信號(hào)分析的困難[6]。
近年來(lái),旋轉(zhuǎn)機(jī)組故障診斷方法取得了很大的成就,對(duì)機(jī)組的故障診斷起到關(guān)鍵的作用。常見的故障診斷方法主要為時(shí)域分析、頻域分析、時(shí)頻域分析。其中,時(shí)域分析診斷方法作為一種起源最早的振動(dòng)分析法,主要對(duì)時(shí)變數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,從而判斷系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)。頻域分析診斷方法則是利用有限長(zhǎng)度的平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)估計(jì)總功率在頻域的分布情況,對(duì)早期故障進(jìn)行精密的診斷。時(shí)頻域分析方法則對(duì)表征振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域與頻域特征進(jìn)行結(jié)合,有效表達(dá)出信號(hào)在時(shí)間與頻率2個(gè)維度的分布特性,對(duì)故障診斷處理非平穩(wěn)局部信息有著重要的作用[7]。
目前,對(duì)于旋轉(zhuǎn)機(jī)組的齒輪箱故障,技術(shù)人員一般采用經(jīng)驗(yàn)分析法進(jìn)行判斷與預(yù)測(cè),即通過(guò)看、聽、摸、拆等手段對(duì)運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)組齒輪箱的振動(dòng)、聲音以及溫度等參數(shù)的大小進(jìn)行分析和預(yù)判。然而,隨著設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、信號(hào)干擾大、耦合性強(qiáng)、影響因素多,該方法已與復(fù)雜工況下日益發(fā)展的旋轉(zhuǎn)機(jī)組不再相適應(yīng),不但對(duì)技術(shù)人員經(jīng)驗(yàn)要求高,而且難以綜合考慮外界因素的影響,從而造成齒輪箱故障的漏診與誤診,直接影響到齒輪箱的故障診斷準(zhǔn)確性。因此,文中提出了一種基于復(fù)雜工況下多傳感器融合的齒輪箱故障診斷方法,力爭(zhēng)為齒輪箱故障診斷提供一定的參考價(jià)值。
2.2.1 D-S證據(jù)理論
D-S證據(jù)理論作為一種精確度不高的推理方法,1967年被DEMPSTER[8-9]提出。D-S證據(jù)理論不僅符合比貝葉斯概率論更弱的條件,還可以展示“不確定”和“不知道”的能力。隨著科學(xué)信息技術(shù)的進(jìn)步,D-S證據(jù)理論被廣泛應(yīng)用,尤其在信息融合技術(shù)方面起到了關(guān)鍵的作用。
在D-S證據(jù)理論中,由互不相容的基本命題組成的集合稱為識(shí)別框架,表示某一個(gè)問(wèn)題所有答案的可能性,但其中只有一個(gè)答案是正確的。在此,假設(shè)m1和m2為2個(gè)獨(dú)立證據(jù)源導(dǎo)出的基本概率分配函數(shù),結(jié)合DEMPSTER聯(lián)合規(guī)則,可計(jì)算出在2個(gè)證據(jù)共同作用下,產(chǎn)生出反映融合信息的新的基本概率分配函數(shù)。假設(shè)m1,m2為同一識(shí)別框架下的2個(gè)基本概率分配函數(shù),則DEMPSTER組合規(guī)則為
(1)
2.2.2 齒輪箱傳感器布置與采集
為了獲取旋轉(zhuǎn)機(jī)組齒輪箱數(shù)據(jù)的全面性、準(zhǔn)確性,提高檢測(cè)的精度,傳感器的數(shù)量與位置布設(shè)顯得十分重要。文中選取5個(gè)溫度傳感器,依次安裝在齒輪箱的前面、后面、左面、右面與上面。溫度傳感器的布置要求為:(1)選取齒輪箱平整、干凈的表面;(2)傳感器與齒輪箱表面呈90°安裝;(3)傳感器與傳感器相互間的距離盡可能相對(duì)均勻;(4)不影響齒輪箱冷卻管道、螺栓拆卸、機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)等情況;(5)安裝位置便于觀察以及后續(xù)的更換。并且,將溫度傳感器通過(guò)傳輸電纜依次與信號(hào)處理模塊、采集器和服務(wù)器相連接,把分析后的溫度數(shù)據(jù)傳至監(jiān)控裝置,按照數(shù)據(jù)大小劃分為正常期、觀察期、過(guò)渡期、報(bào)警期與危險(xiǎn)期。
此外,旋轉(zhuǎn)機(jī)組齒輪箱上安裝的5個(gè)溫度傳感器,以采集頻率f對(duì)齒輪箱進(jìn)行溫度采集,采集周期間隔為t0,那么在1個(gè)周期里溫度傳感器采集的次數(shù)為n,其中n=t0/f,分別將5個(gè)溫度傳感器測(cè)量的n次溫度歸一化至[0,1],具體為
(2)
其中:i表示第i個(gè)溫度傳感器,j表示溫度傳感器第j次測(cè)量,且1≤i≤5,1≤j≤n;Tij為第i個(gè)溫度傳感器第j次測(cè)量溫度;mij為第i個(gè)溫度傳感器第j次測(cè)量溫度歸一化后的數(shù)值。
2.2.3 齒輪箱故障診斷方法
對(duì)于復(fù)雜工況下的旋轉(zhuǎn)機(jī)組齒輪箱,通過(guò)多溫度傳感器對(duì)它進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)的采集,為了提高數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性與完整性,確保旋轉(zhuǎn)機(jī)組安全、可靠、順利地運(yùn)轉(zhuǎn),針對(duì)齒輪箱故障問(wèn)題提出一種新的診斷方法,具體流程如圖1所示。
圖1 齒輪箱故障診斷流程
對(duì)于齒輪箱的故障診斷,文中通過(guò)安裝5個(gè)傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,運(yùn)用D-S證據(jù)理論將其歸一化后的結(jié)果mij進(jìn)行融合,計(jì)算出歸一化常數(shù)K,以及分別計(jì)算出第j次融合后的概率分布m總j。其中:依次用c1—c5代表第1—5個(gè)溫度傳感器,用K12、K123、K1234、K12345分別表示傳感器c1c2、c1c2c3、c1c2c3c4、c1c2c3c4c5的歸一化常數(shù),用Tc1c2(j)代表c1c2第j次測(cè)量溫度歸一化后的數(shù)值,用Tc1c2c3(j) 代表c1c2c3第j次測(cè)量溫度歸一化后的數(shù)值,用Tc1c2c3c4(j)代表c1c2c3c4第j次測(cè)量溫度歸一化后的數(shù)值,用Tc1c2c3c4c5(j)代表c1c2c3c4c5第j次測(cè)量溫度歸一化后的數(shù)值,故m總j=c1c2c3c4c5(j)。那么,具體的表達(dá)為
K12=m11×m21+m12×m22+m13×m23
(3)
(4)
K123=Tc1c2(j)×m31+Tc1c2(j)×m32+Tc1c2(j)×m33
(5)
(6)
K1234=Tc1c2c3(j)×m41+Tc1c2c3(j)×m42+Tc1c2c3(j)×m43
(7)
(8)
K12345=Tc1c2c3c4(j)×m51+Tc1c2c3c4(j)×m52+
Tc1c2c3c4(j)×m53
(9)
(10)
選定m總j最大值對(duì)應(yīng)的5個(gè)傳感器第j次測(cè)量溫度作為故障的決策判斷,計(jì)算5個(gè)溫度傳感器溫度的平均值T總。根據(jù)機(jī)組齒輪箱運(yùn)轉(zhuǎn)情況,設(shè)置正常期、觀察期、過(guò)渡期、報(bào)警期與危險(xiǎn)期對(duì)應(yīng)的溫度區(qū)間分別為<45 ℃、[45,55) ℃、[55,60) ℃、[60,65) ℃和>65℃。并將平均值T總與對(duì)應(yīng)的溫度區(qū)間作比較,判斷機(jī)組目前所處于哪個(gè)狀態(tài)。
某實(shí)驗(yàn)室的旋轉(zhuǎn)機(jī)組多級(jí)離心風(fēng)機(jī),轉(zhuǎn)速最高可達(dá)到3 000 r/min,設(shè)備主要由電動(dòng)機(jī)、彈性聯(lián)軸器、扭力傳感器、齒輪箱、空氣壓縮機(jī)、油箱、空氣過(guò)濾器、流量計(jì)、壓力表以及底座等部分構(gòu)成。設(shè)備正常啟動(dòng),機(jī)組總體運(yùn)行狀態(tài)良好,但由于已連續(xù)工作時(shí)間比較長(zhǎng),擔(dān)心后續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)會(huì)造成設(shè)備的損壞。因此,利用此故障診斷方法對(duì)其進(jìn)行預(yù)判,通過(guò)在旋轉(zhuǎn)機(jī)組齒輪箱的前面、后面、左面、右面以及上面5個(gè)方向分別安裝溫度傳感器,啟動(dòng)機(jī)組,設(shè)置采集周期t0為3 s,采集頻率為1 s/次。多級(jí)離心風(fēng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)后,此時(shí)5個(gè)溫度傳感器檢測(cè)到齒輪箱對(duì)應(yīng)溫度分別為T1、T2、T3、T4、T5,其中測(cè)得T1={45,49,43}℃、T2={46,52,48}℃、T3={51,47,50}℃、T4={53,49,46}℃、T5={42,47,44}℃。
結(jié)合以上公式,計(jì)算出齒輪箱各溫度傳感器歸一化后的數(shù)值mij以及m總j,其中m總j=Tc1c2c3c4c5(j),具體如表1所示。
表1 各溫度傳感器歸一化后的數(shù)據(jù)
文中選定m總j最大值對(duì)應(yīng)的5個(gè)傳感器第j次測(cè)量溫度作為故障的決策判斷,并且計(jì)算5個(gè)溫度傳感器的數(shù)據(jù)平均值T總。那么,m總1=Tc1c2c3c4c5(1)=0.326,m總2=Tc1c2c3c4c5(2)=0.384,m總3=Tc1c2c3c4c5(3)=0.290,因?yàn)?.384>0.326>0.290,所以將m總2對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)為溫度融合參考依據(jù),也就是以5個(gè)傳感器測(cè)量的第2次數(shù)據(jù)為準(zhǔn)。此時(shí),T總=(49+52+47+49+47)/5=48.8 ℃。因此,機(jī)組齒輪箱多溫度傳感器融合后的溫度48.8 ℃大于45 ℃且小于55 ℃,所以采用此故障診斷方法得多級(jí)離心風(fēng)機(jī)齒輪箱的運(yùn)行狀態(tài)為觀察期階段,不必停機(jī)對(duì)齒輪箱進(jìn)行部件的更換,機(jī)組在技術(shù)人員的監(jiān)控下可繼續(xù)工作。
文中針對(duì)復(fù)雜工況下旋轉(zhuǎn)機(jī)組齒輪箱存在的故障問(wèn)題,提出了一種基于多傳感器與D-S證據(jù)理論相結(jié)合的故障診斷方法。通過(guò)某實(shí)驗(yàn)室的旋轉(zhuǎn)機(jī)組多級(jí)離心風(fēng)機(jī)進(jìn)行分析與驗(yàn)證,結(jié)果表明了該診斷方法的有效性與可行性,確保了旋轉(zhuǎn)機(jī)組齒輪箱安全、可靠、正常地運(yùn)行,減少了安全事故的發(fā)生,為旋轉(zhuǎn)機(jī)組故障診斷研究提供一定的借鑒與參考價(jià)值。