蔡 宇

（江漢大學(xué)文理學(xué)院，湖北武漢430056）

機(jī)械設(shè)備的故障檢測，主要包括狀態(tài)檢測和故障診斷兩個(gè)方面，即對機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行情況進(jìn)行檢測，并在發(fā)現(xiàn)故障后進(jìn)行診斷和處理。機(jī)械故障檢測是現(xiàn)代化的產(chǎn)物，是隨著設(shè)備的改進(jìn)和維修發(fā)展起來的。經(jīng)過30年的發(fā)展，機(jī)械檢測技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用在了飛機(jī)和船舶發(fā)動機(jī)、大型電網(wǎng)系統(tǒng)、石油化工、飛機(jī)自動駕駛和礦山設(shè)備等領(lǐng)域。

1 機(jī)械故障檢測技術(shù)的研究意義

在現(xiàn)代化的生產(chǎn)中，機(jī)械設(shè)備故障檢測技術(shù)有著重要的意義。機(jī)械設(shè)備出現(xiàn)異常如果沒有及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理，不僅會導(dǎo)致機(jī)械設(shè)備的損壞，更會造成人員傷亡的慘劇。所以關(guān)于機(jī)械故障檢測技術(shù)的研究，就十分必要了。機(jī)械故障檢測技術(shù)，還可以預(yù)防事故的發(fā)生和提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

1.1 預(yù)防事故發(fā)生保障人身和設(shè)備安全

在許多行業(yè)（如航天、航海、航空等）中，機(jī)械設(shè)備發(fā)生故障，不僅會導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)的嚴(yán)重?fù)p失，也會帶來嚴(yán)重的社會影響。僅僅依靠提高設(shè)備的安全性來避免事故的發(fā)生，是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，必須輔助以有效的機(jī)械設(shè)備檢測技術(shù)，才可以防患于未然。

1.2 提高經(jīng)濟(jì)效益

選用機(jī)械故障診斷技術(shù)，在現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)中，可以有效增加企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。效益是多方面的，主要是降低機(jī)械設(shè)備的突發(fā)故障和減少設(shè)備的維修費(fèi)用。突發(fā)的機(jī)械設(shè)備故障，會嚴(yán)重影響企業(yè)的生產(chǎn)，造成嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失。雖然我國選用機(jī)械故障診斷技術(shù)的時(shí)間不是太長，但是也取得了優(yōu)良的成績。例如遼陽的石油化工集團(tuán)，從國外引進(jìn)了大型的機(jī)組，試機(jī)期間出現(xiàn)了多起機(jī)械故障，損壞了4個(gè)離心壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)子，嚴(yán)重影響了生產(chǎn)。經(jīng)過故障診斷和振動分析，把故障徹底的解決了。以前，鐵路系統(tǒng)也曾出現(xiàn)了大規(guī)模的燃軸事件，嚴(yán)重影響了鐵路運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展，后來選用紅外技術(shù)，極大地減少了此類故障的發(fā)生。

機(jī)械設(shè)備的維修費(fèi)用，主要是過剩維修。選用機(jī)械設(shè)備的狀態(tài)檢測技術(shù)，可以有效的避免過剩維修，減少企業(yè)對于維修費(fèi)用的支出。以遼陽石油化工集團(tuán)為例，該企業(yè)每年要停產(chǎn)維修一次，企業(yè)利潤減少了4 000萬元，維修費(fèi)用4 000萬元，合計(jì)8 000萬元白白丟失了。國外的相關(guān)企業(yè)的維修期限大多是3～4年一次。由此可見，我國的過剩維修帶來的損失是極為嚴(yán)重的。

2 機(jī)械故障檢測的方法振動分析法

2.1 振動分析簡介

機(jī)械設(shè)備在作業(yè)時(shí)，會不斷的出現(xiàn)不同強(qiáng)度的振動。經(jīng)驗(yàn)豐富的維修人員，通過觸摸和傾聽振動強(qiáng)度及聲音，就可以判斷出機(jī)械設(shè)備明顯的故障。但關(guān)于設(shè)備早期或特征不突出的故障，維修人員還是無能為力。對機(jī)械設(shè)備進(jìn)行振動檢測的研究，不但可以有效地檢測設(shè)備的運(yùn)行情況，還可以正確的判斷出故障的發(fā)生和進(jìn)行處理，減少了對設(shè)備拆卸的次數(shù)。

在工業(yè)領(lǐng)域里，機(jī)械振動分析是衡量機(jī)械設(shè)備情況的重要指標(biāo)之一。機(jī)械內(nèi)部出現(xiàn)異常情況，隨后就會出現(xiàn)振動的加大。零部件和設(shè)備表面就可以感受到振動，其實(shí)就是某一個(gè)振動源在設(shè)備內(nèi)的傳播，對應(yīng)著設(shè)備和零部件的損壞或出現(xiàn)異常故障。例如零部件的原始制造誤差、零部件間的滾動和摩擦、運(yùn)動副間的空隙和回轉(zhuǎn)機(jī)件的沖擊等，都是機(jī)械設(shè)備的可能振動源。機(jī)械振動隨著零部件間的摩擦、零部件表面的脫落、開裂等的變化而變化。機(jī)械設(shè)備也可能因?yàn)槟骋徊考奈⑿≌駝?，引發(fā)其他部件和設(shè)備的共振響應(yīng)，造成設(shè)備的嚴(yán)重?fù)p壞。研究機(jī)械振動的目的，就是了解各種機(jī)械設(shè)備的振動現(xiàn)象的機(jī)理，獲得機(jī)械振動包含的大量設(shè)備信息，對設(shè)備的運(yùn)行情況進(jìn)行檢測，并分析可能存在的故障問題。依據(jù)對機(jī)械振動的研究和分析，就可以在不拆卸的前提下，對設(shè)備進(jìn)行前期診斷和故障分析，并根據(jù)問題進(jìn)行相應(yīng)的處理。

由于振動診斷技術(shù)的理論和實(shí)踐都較為完善，其診斷結(jié)果也較為準(zhǔn)確，而備受關(guān)注，在機(jī)械故障診斷體系中有著主導(dǎo)地位，被廣泛應(yīng)用于各種設(shè)備的運(yùn)行檢測和故障診斷中。

2.2 振動分析方法

（1）振動信號的幅值分析方法。主要應(yīng)用參數(shù)有最大值、最小值、均值、均方根值和絕對平均值。這些參數(shù)的計(jì)算簡單，對于機(jī)械故障的診斷也有一定的作用。其缺點(diǎn)是對故障有不敏感性和區(qū)分故障難的特點(diǎn)，因?yàn)樗鼈儠S著工作條件（轉(zhuǎn)速、負(fù)載）的轉(zhuǎn)換而變化。所以，人們又引進(jìn)了無量綱的幅域參數(shù)，例如脈沖指標(biāo)、波形指標(biāo)、峰值指標(biāo)、裕度指標(biāo)和峭度指標(biāo)等。這些參數(shù)對機(jī)械故障的靈敏性能較好，對振動信號和頻率變化不敏感，只是依據(jù)概率密度函數(shù)，所以廣泛的應(yīng)用在機(jī)械故障診斷中。

（2）振動信號的相關(guān)分析方法。通過相關(guān)系數(shù)和相關(guān)函數(shù)來完成，就是通過相關(guān)函數(shù)分析兩個(gè)信號間的依賴性和相關(guān)性。在自相關(guān)函數(shù)中，不包括相位信息，只有單一的量值關(guān)系?；ハ嚓P(guān)函數(shù)不僅包括信號的相位信息，還對分析振動信號的特性有一定的幫助。

（3）振動信號的頻域分析方法。其根本就是頻譜分析，就是分析動態(tài)信號的相位、幅值和頻率的轉(zhuǎn)換關(guān)系。頻譜分析包括了細(xì)化譜分析、倒頻譜分析、功率譜密度函數(shù)分析、全息譜分析、最大熵譜分析以及沖擊響應(yīng)譜分析等。被廣泛的應(yīng)用在信號處理方法的，就是頻域分析。機(jī)械設(shè)備的故障，都會引發(fā)振動頻率的改變。頻域分析還可以研究系統(tǒng)的輸出和輸入關(guān)系及傳遞性能，極大的幫助我們了解系統(tǒng)的特性和故障來源信息的改變等。

（4）振動信號的時(shí)序分析法。就是依據(jù)有序的檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)的統(tǒng)計(jì)分析和處理，是結(jié)合系統(tǒng)分析和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)處理的方法。不僅可以對系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)的分析，還可以對設(shè)備的狀態(tài)和趨勢作出早期預(yù)報(bào)和控制。建立時(shí)序模型，是時(shí)序分析的重要手段。時(shí)序模型譜克服了常規(guī)的FFT譜分析法所存在的誤差，其優(yōu)點(diǎn)是譜的峰值清晰，頻率坐標(biāo)準(zhǔn)確，分辨率高，譜線光滑和不要求周期采樣等。

（5）振動信號的特征分析法。就是根據(jù)機(jī)械的基本運(yùn)用變量，對機(jī)械設(shè)備的部件振動量值的大小進(jìn)行特征的描述，信號會隨著機(jī)械自變量的不同而改變。特征分析法主要有以下數(shù)種：功率譜分析，階比譜分析，坎貝爾圖譜分析（頻率坎貝爾圖、階次坎貝爾圖），跟蹤譜分析（頻率跟蹤、階比跟蹤及復(fù)合功率跟蹤），時(shí)間譜陣分析（包括頻率譜陣與階比譜陣），轉(zhuǎn)速譜陣分析（包括頻率譜陣與階比譜陣）。特征分析法通過以上幾種的特征頻率，把信息篩選出來，分析其變化特征，確定設(shè)備是否運(yùn)行正常。

3 滾動軸承的故障診斷方法

被廣泛應(yīng)用在機(jī)械中的滾動軸承，同樣是最易出問題的部件之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，機(jī)械設(shè)備故障中30%以上都是和滾動軸承有關(guān)聯(lián)。軸承在作業(yè)時(shí)的好壞，直接影響設(shè)備的工作，軸承的損壞，不僅造成設(shè)備發(fā)出異常聲音和振動，還有可能毀壞設(shè)備。選用診斷的儀器，對設(shè)備進(jìn)行振動測量（例如加速度、沖擊脈沖、速度等），并結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)的測量值進(jìn)行對比，看是否超出界定的值域，來判斷軸承是否存在故障。

軸承的診斷方法主要有：

（1）振幅值診斷法。峰值為XP，平均值為X。由于峰值表現(xiàn)的是某一時(shí)刻振動幅值的最大值，一般適用于軸承表面損傷類的有沖擊的故障。峰值也常適用在軸承轉(zhuǎn)速較低的情況下。峰值測量從參數(shù)的選擇上一般檢測儀器都選用加速度峰值。均值的診斷效果和峰值差不多，由于測量值穩(wěn)定，一般適用在磨損類的振動幅值隨著時(shí)間變化的故障。均值也常常適用在轉(zhuǎn)速較高的情況下，在參數(shù)的選擇上，選擇加速度均值。

（2）波形指標(biāo)診斷法。波形指標(biāo)的定義是峰值和均值之比（XP/X）。波形指標(biāo)診斷也是滾動軸承的簡易診斷方法之一。XP/X過大，說明滾動軸承有可能出現(xiàn)點(diǎn)蝕的現(xiàn)象；XP/X值過小，則可能是軸承發(fā)生了磨損。

（3）峰值指標(biāo)診斷法。峰值指標(biāo)定義就是峰值和均方根值之比（XP/XRMS）。由于其不受傳感器和放大器變化的影響，也不受軸承的尺寸、轉(zhuǎn)速和負(fù)載的影響，較為容易對滾動軸承作出診斷。峰值指標(biāo)通常診斷點(diǎn)蝕類故障，峰值指標(biāo)隨著時(shí)間變化趨勢的檢測，從而可以有效地對軸承故障進(jìn)行早期預(yù)測和檢測出軸承故障的變化。當(dāng)峰值維持在穩(wěn)定的值域內(nèi)，表明滾動軸承沒有發(fā)生故障，一旦峰值出現(xiàn)偏差和增大，就說明軸承出現(xiàn)了損壞。

（4）概率密度診斷法。運(yùn)行良好的滾動軸承的振動概率密度曲線，呈現(xiàn)的是正態(tài)分布曲線，一旦出現(xiàn)曲線的分散和偏斜，就表明滾動軸承發(fā)生了故障。

（5）峭度系數(shù)診斷法。運(yùn)行良好的軸承的振動幅值呈現(xiàn)正態(tài)分布曲線，峭度值域大約在3左右。滾動軸承出現(xiàn)故障和故障的發(fā)展情況，會使得峭度值出現(xiàn)波動變化，主要應(yīng)用在點(diǎn)蝕類的故障。

4 結(jié)束語

在現(xiàn)代化的生產(chǎn)中，機(jī)械設(shè)備故障檢測技術(shù)有著重要的意義。機(jī)械設(shè)備出現(xiàn)異常如果沒有及時(shí)的發(fā)現(xiàn)和處理，不僅會導(dǎo)致機(jī)械設(shè)備的損壞，更會造成人員傷亡的慘劇。機(jī)械故障檢測技術(shù)還可以預(yù)防事故的發(fā)生和提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，所以關(guān)于機(jī)械故障檢測技術(shù)的研究就十分必要。

[1]張廷付.機(jī)器故障模式的可拓檢測與識別方法[D].中國優(yōu)秀碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫，2009，(9)：21-23.

[2]任文明，徐德民.魚雷系統(tǒng)傳感器故障診斷的方案和仿真[J].兵工學(xué)報(bào)，1995，(1)：44-48.

[3]張曉梅.設(shè)備故障診斷中的特征提取[J].傳感器技術(shù)，2004，(1)：72-74.

[4]路 堯，高立娥，張 萍.基于橫滾穩(wěn)定性的X舵航行器故障檢測方法[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào)，2006，(S9)：43-45.

[5]錢華明.故障診斷與容錯(cuò)技術(shù)及其在組合導(dǎo)航系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2004.

[6]徐百靈.設(shè)備故障診斷的容錯(cuò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)信息融合方法[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2005.

[7]張 驍.振動檢測與旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷[J].內(nèi)蒙古石油化工，2009，(18)：52-54.

[8]譚 琛，楊達(dá)飛.機(jī)械設(shè)備振動檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].大眾科技，2009，(9)：125-126.

[9]李 君.淺談機(jī)械設(shè)備維修對策的最佳選擇[J].經(jīng)營管理者，2009，(15)：379-382.