旋转机械故障诊断的方法研究

包头职业技术学院机械工程系　吴立新

旋转机械故障诊断的方法研究

包头职业技术学院机械工程系吴立新

随着现代工业技术的飞速进步，故障诊断技术对旋转机械的探究也不断提出更新的要求。本文针对旋转机械故障诊断技术的常见故障内容给出了现象、方法及研究方案，在故障生成的基础与分析上，得出故障诊断的基础理论和典型故障振动特征分析的方法及遗传算法、神经网络、模糊理论等在诊断决策算法研究中的应用。

旋转机械；故障诊断；信号处理

引言

在当前，旋转机械广泛地应用在航天发动机、风机、燃气轮机、汽轮机、增压机及各类型的电动机等的机械设备中。因为在旋转机械故障生成机理的基础与分析上，得出故障诊断的基础理论和典型故障振动特征分析的方法及遗传算法、神经网络、模糊理论等在诊断决策算法研究中的应用。

子系统在旋转机械中具备支撑系统条件的特殊功能与结构的复杂特性，其包含着多种影响，尤其是非线性因素的影响，能够让机械设备的生产功能失去、可靠性能也急剧降低，造成很大的经济损失，有时甚至会因安全隐患造成人身威胁。

机械设备的主要组成部分大多是旋转机械，也是为机械设备提供动力的核心装置，一般以转子及其他可旋转的回转部件作为工作的主要部分。一般来说，旋转机械的绝大部分机械故障都是转子与回转部件之间产生直接或间接的故障关联，机器伴有异常的振动与噪声就是旋转机械产生故障预警的重要表征，尤其是机械故障讯息可以通过从幅值域、频率域和时间域实时地反映它的振动信号。

1　旋转机械故障诊断的内容及常见故障

设备诊断技术的研究内容主要包括以下三个环节。

1.1环节1

故障信息监测：该系统用到相应的传感器、数模转换、采集工作站等硬件设备，是对旋转机械自身的物理变量、工作参数以及性能指标等信号进行监测与量化。其准备过程，主要是利用一些仪器测试其相应的数值，如电、热、力、光、声、流量、速度、温湿度、噪声等。国内目前采集信号和监测主要利用传感器，其具有可靠性高、抗干扰能力强的特点，常用传感器的类型有气体传感器、温湿度传感器、微波传感器、紫外线传感器、霍尔位置传感器及光电传感器等，应用了现代新型功能材料、采用现代先进制造技术的新型传感器，如陀螺仪、光导纤维、生物、化学传感器等。

1.2环节2

信号处理和提取：主要是针对经过处理提取到的故障特征信息信号进行分析，并相应地与人们当前可预算的传递函数分析方式、时间序列分析、频谱分析等方法对信号进行分析处理以提高准确性和早期预报的可靠性。当前，小波分析在信号处理与提取中得到大规模应用，特别是在旋转机械轴承的常见故障诊断中出现，其相空间中的GMD数据处理方法也进入初步规模的应用，因此这种信号处理与提取的方式对处理复杂的机械类非线性振动等具有保证，故能够进一步预测出现故障的发展及其趋势，且十分有效。

1.3环节3

判断故障的类型：故障识别技术是故障诊断的关键技术，是在故障检测和故障特征信息分级的基础上，按一定的规律和标准对机械设备进行故障的分类处理、部位和原因做出的判断。故障识别参照的是规律和标准，一般都是借助于转换系统。判断故障类型的最主要步骤是识别研究系统参数和诊断相关的实用技术，分析传感器优化故障问题，其应用展现了小波变换、通讯融合理念、专家系统、神经网络、模糊故障诊断等。

2　旋转机械典型故障

2.1不平衡引起的振动

旋转机械的不平衡量产生离心力F=m2r，离心力作用下振动重复一次在机械旋转的一周内，没有其他倍频，振动相位稳定。在机械的启动过程中，随着转速的提高，激振力成平方地增加，振幅随之增大。经动平衡处理后，振动值才能够恢复正常。产生振动的原因有以下几点：

（1）动平衡和静平衡不好，或是在工作中产生了其他的不平衡；

（2）对中不良；

（3）机组产生自激振动：材料内摩擦力、流体力等造成的不平衡；

（4）工作介质易引起的振动：气流的旋转失速、空吸、喘振等。

2.2转子不对中

转子对中不良时，系统出现非线性刚度，振动频率中将会出现激振频率的机理及振动特征各不相同。

3　转子不平衡及原因与消除

转子不平衡包含转子部件出现缺损与转子系统的质量偏心，其中，转子质量偏心是由于转子的制动不平衡因素有时只有一种，有时几种同时存在而引起的。

消除不平衡的方法：

（1）动平衡实验在动平衡机上完成，对于高速转子一般可以使用去以重法进行消除。对于较高要求的转子，在叶轮组装之前就应该进行单体动平衡，整个组装过程中完成阶段性的动平衡，在最后组装之后，再高速动平衡。

（2）现场动平衡实验，在工作状况下的工作现场设备，对进行震动测量的分析和动态平衡校正的一系列平衡方法。精度不高还有一定的局限性，但是优点也很明显，如工作量小、速度快等。

4　结论

旋转机械在大中型生产企业及生产中都是核心设备，具有速度快、可持续工作的显著特点，通过对旋转机械故障诊断技术的分析探究的进一步了解和认识，明确了机械故障诊断在人们生产生活中的重要作用，更大更复杂的部分就需要掌握判断旋转机械常出现的各种故障的技能，并在实践过程中善于观察、勤于总结，为机械设备的故障诊断技术的发展提供最可靠、最坚实的基础。

［1］杨国安.机械设备故障诊断实用技术［M］.北京：中国石化出版社，2007.6.

［2］张健.机械故障诊断技术 ［M］.北京：机械工程出版社，2008.11.

［3］陈克兴.设备状态监测与故障诊断技术［M］.北京：科学技术文献出版社，2006.5.

［4］姚桂艳.机械故障诊断技术的研究现状及发展趋势［J］.河北理工学院学报，2005.13.

吴立新，1966年9月出生，副教授，高级工程师，研究方向：机械类的教学实践及研究。