汽輪機(jī)機(jī)械設(shè)備在線故障診斷-軸承故障在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

 

故障診斷技術(shù)本質(zhì)上是一個(gè)故障模式識(shí)別的過程，通俗地說就是一種尋找故障分類的方法。自上世紀(jì)中葉以來(lái)，故障診斷技術(shù)得到了發(fā)展。形成了融合先進(jìn)傳感技術(shù)、基于大數(shù)據(jù)的人工智能算法、信號(hào)處理技術(shù)等領(lǐng)域的跨學(xué)科綜合技術(shù)。故障診斷是指利用檢測(cè)設(shè)備獲得的數(shù)據(jù)，通過相關(guān)智能算法的分析，對(duì)機(jī)械設(shè)備的故障狀態(tài)進(jìn)行診斷，從而找到故障位置，修復(fù)故障問題，消除隱患，為機(jī)械設(shè)備提供良好的維修決策奠定基礎(chǔ)。20世紀(jì)60年代，國(guó)外一些專家、學(xué)者和研究機(jī)構(gòu)開始探索和研究軸承的故障診斷技術(shù)。一些發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)形成了成熟的故障診斷體系結(jié)構(gòu)，突破了許多技術(shù)難點(diǎn)，取得了顯著進(jìn)展，隨之出現(xiàn)的系統(tǒng)和產(chǎn)品也進(jìn)入了商業(yè)化和工程應(yīng)用驗(yàn)證階段。美國(guó)對(duì)這項(xiàng)技術(shù)的研究起步較早。從航天器的安全性和可靠性角度出發(fā)，為了降低航天器飛行的風(fēng)險(xiǎn)和損失，美國(guó)將獨(dú)立的故障診斷專家子系統(tǒng)升級(jí)為綜合健康管理綜合系統(tǒng)，解決了航天器故障分析的問題，提高了故障診斷的準(zhǔn)確性。20世紀(jì)80年代，我國(guó)開始研究故障診斷方向，至今已經(jīng)歷了近40年的發(fā)展。從一般診斷到復(fù)雜診斷，從單一故障診斷到復(fù)雜故障診斷，從傳統(tǒng)的人工診斷到機(jī)器的智能診斷，在國(guó)家相關(guān)計(jì)劃的支持下，故障診斷技術(shù)逐漸成熟和完善，無(wú)論是故障診斷的理論研究還是工程應(yīng)用都取得了重大進(jìn)展。

 

軸承故障診斷進(jìn)行的前提是獲得具有故障信息的振動(dòng)信號(hào)，主要是利用振動(dòng)傳感器測(cè)得軸承的工作狀態(tài)信息。根據(jù)故障檢測(cè)信號(hào)的不同來(lái)源，將軸承的故障診斷技術(shù)主要分為下列幾種：

 

（1）在線油液分析法

 

油液分析法是抽取軸承一部分潤(rùn)滑油液作為油樣，分析油液中磨屑的形狀、成分和濃度來(lái)判定磨屑產(chǎn)生的部位，判斷軸承的損傷程度。該方法適應(yīng)于油冷卻和油潤(rùn)滑軸承，在診斷軸承故障時(shí)易受到非軸承等部件掉落的磨屑影響,而且在很大程度上要依賴于豐富的人工經(jīng)驗(yàn)，所以應(yīng)用起來(lái)也有限制。但是和該技術(shù)有關(guān)的儀器設(shè)備價(jià)格很便宜，可作為其它故障診斷方法的一種輔助的手段。

 

（2）溫度監(jiān)測(cè)法

 

當(dāng)設(shè)備運(yùn)行出現(xiàn)異常的狀態(tài)時(shí)，其零部件的溫度也會(huì)發(fā)生變化，通過監(jiān)測(cè)溫度的改變可以發(fā)現(xiàn)機(jī)械設(shè)備出現(xiàn)的缺陷和損傷。軸承的運(yùn)行溫度可以反映其工作狀態(tài)與故障模式，溫度監(jiān)測(cè)法是利用安裝在軸承座或者箱體上的溫度傳感器，監(jiān)測(cè)溫度的實(shí)時(shí)變化從而來(lái)判定軸承是否出現(xiàn)故障。當(dāng)軸承的載荷或者轉(zhuǎn)速發(fā)生較大變化時(shí)，溫度傳感器就會(huì)極為敏感地監(jiān)測(cè)到異常的狀態(tài)，但對(duì)于軸承表面的剝落、點(diǎn)蝕等微小的損傷或是輕微故障，溫度的變化并不大，幾乎檢測(cè)不到相應(yīng)的溫度信號(hào)。

 

（3）聲發(fā)射分析法

 

聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)是能夠應(yīng)用在金屬材料上的沒有損傷的故障檢測(cè)技術(shù)[6]。聲發(fā)射信號(hào)產(chǎn)生的來(lái)源是金屬材料的撞擊、摩擦以及金屬零件的斷裂所產(chǎn)生的沖擊信號(hào)。軸承早期的表面輕微損傷，到塑性變形直到軸承元件的斷裂失效，當(dāng)軸承在工作的過程中遭遇這些缺陷時(shí)，都會(huì)產(chǎn)生瞬態(tài)的彈性應(yīng)力波進(jìn)而釋放出能量。通過聲發(fā)射傳感器和聲發(fā)射檢測(cè)儀對(duì)聲音信號(hào)進(jìn)行分析，通過獲取軸承的故障信息，就能夠判斷出軸承的損傷程度和發(fā)生故障的位置。聲發(fā)射技術(shù)對(duì)于軸承的早期故障極為敏感，并可以抑制低頻信號(hào)的干擾，采集信噪比較高的高頻信號(hào)。盡管它在在軸承出現(xiàn)故障早期的報(bào)警和診斷方面有很大的優(yōu)點(diǎn)，但是聲發(fā)射相關(guān)設(shè)備非常昂貴，需要考慮經(jīng)濟(jì)問題。

 

（4）振動(dòng)分析法

 

機(jī)械的動(dòng)態(tài)特性可以用振動(dòng)信號(hào)來(lái)表示，通過對(duì)豐富的信息進(jìn)行分析和處理，可以得到設(shè)備的工作狀態(tài)和故障。振動(dòng)分析法是通過安裝在軸承座或箱體內(nèi)的傳感器采集軸承的振動(dòng)故障信號(hào)，利用數(shù)據(jù)采集卡(DSP)或NI板，然后通過計(jì)算機(jī)軟件對(duì)振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，診斷出故障的性質(zhì)和類型。軸承的信號(hào)處理與分析主要包括頻域、時(shí)域和時(shí)頻域分析。通過時(shí)域分析可以確定軸承故障的演化趨勢(shì)，通過頻域分析可以確定軸承的故障位置和故障度網(wǎng)絡(luò)。通過分析軸承故障振動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生的周期脈沖的幅值、頻率、特征頻率等關(guān)鍵指標(biāo)，確定軸承故障位置，分析軸承劣化程度，均取得了良好的診斷效果。振動(dòng)分析法與其他故障診斷分析方法相比，具有適用于各種類型的變工況軸承，實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)和離線監(jiān)測(cè)，能有效進(jìn)行早期故障診斷，診斷效率高，故障定位準(zhǔn)確，診斷結(jié)果可靠等優(yōu)點(diǎn)，在許多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。