振动监测技术下现代农业机械故障诊断技术的创新与发展

2022-12-31东营职业学院李桂玉

河北农机 2022年1期

东营职业学院李桂玉

引言

农业机械运行监测以及设备故障问题是通过信号来进行处理的，再根据信号处理技术对数据振动进行分析以及研究，并进行测试，确定机械设备还能否正常进行工作，确定故障的原因并预测振动监测以及故障引起的故障。此方法可以保证农机处于正常工作状态、降低维修成本、增加企业经济效益、并具有良好的应用实时前景、易于形成成套的机械设备，对于后期的研究以及应用有着重要的现实意义。所以，本文采用参考文献来总结振动监测技术的发展过程和应用；并进一步阐述振动监测和机械故障诊断技术在现代农业机械中的应用，结合农业，提出农业机械振动检测和机械故障判断技术的发展路径与研究目标。

1 振动监测原理

物体围绕一个固定位置来回摆动并由时间变化而变化的运行被称为振动，振动监测技术是机械设备检测过程中普遍最基本的办法，振动监测系统对机械设备来说应用还是比较普遍的。利用振动检测技术，可以准确地定位机械内故障问题，不用拆卸机械设备就可以对设备内问题进行定位。如今振动监测原理相对较成熟，主要分为频域波形监测与时域波形监测。

1.1 频域波形监测

一般工程检测得出的信号为时域信号，而根据振动信号了解到被诊断机械的运行状态，往往需要频域信息。利用傅里叶转换可以将得出来的复杂型号分为有限以及无限两个频率来进行分量，把频率分为大小排列起来从而形成频谱。

机械设备故障发生一般为两个变化：一是增加新的频率成分，二是频率幅值增长，当机械设备频谱分析出来后，可以精准定位到故障部位、故障原因以及严重程度。

1.2 时域波形监测

时域波形监测通过观察振动信号，针对此信号的周期给出定性分析，可预估设备所处的技术状态。大部分人认为时域波形监测不如频域波形监测分析准确，事实上却相反，时域波形检测基本可以判断出90%以上的故障特征，使用时域波形监测时，要格外注意是否对称以及冲击特征的变化。

2 振动信号处理技术应用概述

振动监测和故障诊断技术是维护管理的首要方式，如果想要深入发展，必须加强振动信号分析处理能力、信号特征提取能力。基于农业机械产生的振动信号具备不平稳、非线性等特点，以往的信号处理方法无法适应振动信号处理的实际生产与运行[1]。例如，在轴承故障判断中，使用以往的FFT 方法很难从浸入噪声中的振动信号中获得轴承的故障特征频率。由于以往信号处理方法存在缺陷，小波分析、希尔伯特·黄变换和其他先进的信号处理技术相继诞生。小波变换是在1980 年代后期研发并发展应用，首先，小波变换的理论框架由法国数学家、物理学家和农业学家研究组成。它被一些法国学者应用到工程信号处理行业，以提高振动监测诊断系统的诊断准确性和可靠性。在科学理论不断发展的时代下，已经形成并广泛应用比小波分析更适合于非平稳信号处理方式。HHT 方法弥补了小波分析的缺陷，如恒定的多分辨率和较长的操作时间，它可以依据振动信号的局部时变特性完成自适应时频分解，消除潜在人为因素，能够得到长时间应用与创新发展。

3 机械设备过程中常见的问题及原因

3.1 机械设备出现的问题

我们笼统地把在运行的生产过程中出现问题导致生产停止的现象称之为故障，故障的存在让农业机械设备丧失工作能力以及全部要求与其功能的事情。传统的故障分为两种含义:机械设备偏离正常功能，主要原因是机械系统及其零部件的工作状态超过了生产设计规定的工作状态，可以通过调整相关参数或简单修复更换某些零部件来消除，传统上称之为故障。机械系统因功能失效而导致的机械故障是机械系统不断偏离正常功能阈值，其程度越来越明显的现象，机械设备功能不能充分发挥的现象称之为故障。机械设备故障的常见问题可分为两类:主要由电气控制系统故障引起的电气问题和主要由机械本体引起的机械结构问题。电气控制系统常见的问题是机械故障引起的电机烧损、控制电路板短路烧损和信号采集设备烧损。

3.2 出现问题的原因

以桥式起重机的减速器而言，作为起重机的重要传动部件的减速器通过齿轮间的啮合来传递运动及力，将电动机高速运转的转速利用I50Machine China 中国机械齿轮间降速传动的这一规律转变为低速大扭矩的运动，但往往在传递扭矩过程中会出现扭矩过大或运行下时间过长，润滑系统不好以及短时间过载或受到冲击载荷，多次重复弯曲引起的等产生齿轮轮齿折断现象，在齿轮传动过程中因杂物粘到齿面以及轮齿表面不光滑，有凸起点产生应力集中，或润滑剂不清洁由于温度过高引起润滑失效。由于硬的颗粒进入摩擦面引起磨损，液压缸和控制头漏油进而产生的齿面点蚀或齿面磨损现象，因为轮齿间接触温度过高以及轮齿间接触力过大产生的齿面胶和等现象，以上这些因素都会引起起重机装备造成运行功能达不到设计预期要求的现象。

4 农业机械中振动监测与机械故障诊断技术应用现状

4.1 农业机械故障模拟分析

农业机械故障的模拟研究是一项最基础的工作，同时也起着非常重要的作用，其能够展现故障本质与产生原因，这是进行精准故障诊断的重要前提。随着计算机技术的发展，计算机与农业进行相结合得到了广泛的应用，利用计算机解决问题呈现出提出问题、数学和软件问题、数值模拟解决问题。机械故障的整体模拟过程一般是建设系统的模型，其次进行运动数据模拟最后对模拟出来的结果进行分析和诊断。通过数据模拟使故障重现，进行深度分析，在进行对故障问题分析以及研究的同时，要为以后的智能诊断打下基础。故障诊断的实现是通过数据采集、处理、研究、故障模式识别和决策的过程,故障诊断虚拟化换句话来说就是模仿机械故障的数据模拟。虚拟化和故障诊断的现实相互融合可以使诊断出来的结果更加精准。机械故障诊断作为一项非常实用的技术，需要不断提高机械故障数值模拟应用的深度。

4.2 机械检测部位分布

农业机械状态监测与故障诊断包括农业机械运行状态的监测与诊断。操作性能监视用于监视运行期间不同旋转设备组件对农机重要参数的影响。通过测量压力脉冲、振动频率、纸张质量与速度来完成。将测量点连接到计算机监控站，以使用同步时间平均方法计算测量信号，并存储测量数据、趋势数据和用于讨论的应用程序计算结果。趋势数据用于探究参数的变化幅度，并可详细计算与分析时域信号和频谱。监视目标包括压力区振动频率、纸张质量和流浆箱压力波动。监视器使用监视参数的总体变化来确定每个监视装置的百分比。通过这种方式，监测人员可以看到每个设备组件对农机性能的影响。主要监测点包括:屏幕脉冲发生器、压力区罗拉振动、压力区罗拉脉冲发生器、压力测量滚动、刮板加载压力振动、辊脉冲发生器、辊振动等。

5 农业机械中振动监测与机械故障诊断技术创新发展策略

5.1 生产控制系统与振动监测系统相结合

研究表明，振动监测与故障诊断技术的应用将从机械故障扩展到机械故障与过程故障诊断的集成。轴位移在线监测系统对于油膜轴承大型关键设备的维护和管理具有重要意义。如果设备运行过程中出现异常情况，没有及时止停，让其继续运行下去，会造成巨大的损失。

5.2 机械设备监测成本

机械设备是由许许多多小散零件组装成的，这些小零件数量大，安装的位置比较复杂，其中包括风扇、电动机以及泵等一些基础小零件。小零件工作环境较为复杂，必须监视诊断通用设备来提高工业生产的稳定性。像这种设备数量很大，每一个上面安装智能故障诊断系统，那成本将会非常巨大，如何减少成本也是一个迫切需要解决的问题，部分学者和工程师正在这方面进行研究与探讨工作。基于无线传感器网络监测模式的机械状态监测系统，利用无线信号通信技术进行集中式状态检测与故障诊断的研究与应用。

5.3 预测与评估农业设备剩余寿命

当前，尽管有许多用于农业机械的状态监视和故障诊断技术，但是它们都不能准确估算设备的剩余使用寿命。基于农业设备逐步向大规模、连续和复杂的方向发展，其成本也会逐渐增多，导致部分农业企业必须延长设备使用寿命以确保生产效率。机械设备的预估寿命技术可以帮助提前制定一套维修计划，可以增加机械设备重复使用率。所以，机械设备的剩余使用寿命以及预估技术是一项非常重要也是极具意义的技术。

5.4 智能诊断系统相关知识

目前，农业机械智能诊断专家有一个需要解决的严重问题，故障诊断的机械复杂性越来越高，使其难以获得较准确的知识。正因为缺少全面诊断的知识导致智能故障诊断系统被限制了发展。故障诊断人员应加强自己学习的机会，作为知识获得的重要途径，故障诊断人员应继续改进如今的机器学习方式，并在改进的同时去开发更多机械学习方式，建立起一套学习方法比较全面的智能故障体系。