机电设备故障诊断原理及实践探讨

孙泽明

(山西省电子工业科学研究所有限公司,山西 太原030006)

机电设备,特别是大型机电设备的正常运行关系着煤矿的生产效率,如何保障大型机电设备的正常、高效运行是提高生产连续性的最重要条件。一般大型机电设备的维修、保养、维护都是由专业的技术人员定期进行现场检查,通过声音、温度、振动、电流、电压等人工或电子手段进行,效率很低,还不能保证检查的正确性和及时性。如何通过运用现有的信息技术手段,实现对大型机电设备的实时、有效监控和诊断,是提高设备运行效率和减少人员冗余的最直接方法。

1 机械振动

1.1 机械振动简介

自然界的机械振动有很多,例如鼓槌敲击鼓面会产生振动;琴弦拉动会产生振动;电动机运转会产生振动等等。机械振动是指物体经过自身的平衡位置所做的往复运动。生产中的机械电气设备振动的危害主要有噪音、停产、安全事故。煤矿的大型设备有通风机、压缩机、齿轮、泵、电动机等。

为了诊断振动情况,必须了解振动的本质。振动从原理上可以分为自由振动、强迫振动、自激振动。

自由振动是物体受到初始激励所引发的一种振动,这种振动靠初始激励一次性获得能量,历程有限,一般不会对设备造成危害,不是现场设备所必须考虑的。

强迫振动是物体在持续性周期性变化外力作用下产生的振动,如不平衡、不对中所引起的振动。

自激振动是非线性机械系统内,由非震荡能量转变为震荡激励能量所产生的振动。也就是在设备没有外力作用下,由系统自身原因所产生的激励而引起的振动,是一种比较危险的振动,设备一旦产生自激振动会使设备运行失去稳定性。

1.2 机械振动的类型

按频率高低可以分为低频振动(小于10 Hz)、中频振动(大于10 Hz小于1 000 Hz)、高频振动(高于1 000 Hz);对于低频振动主要测量位移、中频振动主要测量速度、高频振动主要测量加速度。

振动的表现形式:位移、速度、加速度。监测位移时主要是指物体在往复运动过程中相对于其平衡位置的距离,一般以μm为单位;监测速度主要是指物体运动的快慢,一般以mm/s为单位;监测加速度就是监测物体振动的变化率,加速度越大,施加在物体上的力越大,单位是m/s2。

1.3 机械振动的主要监测领域

1) 对于结构件,主要应用自由振动原理来检测其固有频率和阻尼系数等参数,通过监测这些参数的变化来判定其可能出现局部裂纹、松动等故障。2) 对于低速旋转设备,如减速机、刮板机等,主要以强迫振动为特征,通过分析强迫振动的频率、振幅变化等特征参数进行故障鉴别。3) 对于高速旋转设备以及能被工艺流体所激励的设备,除了需要监测强迫振动参数之外,还需要监测自激振动的特征参数,如固有频率和阻尼系数等。

2 机电设备中的振动分析

时域波形表示振动信号随时间变化的特征,现实的振动信号是各种振动波形的叠加,分析时域波形是故障分析的重要工具。基本波形图如图1。

图1 鲲鹏云服务解决方案全景

图1 基本波形图

时域波形反映的是振动信号随时间变化的特征,设备的时域振动波形对于分析设备运行状况至关重要。它的振动频率、振幅、相位随时间变化的规律能够准确的反映设备的健康状况。如果设备内部存在着冲击现象(例如:轴承滚动体对内圈剥落的冲击),就会在时域波形中出现尖锐的刺突。实际波形图如图2所示。

图2 实际波形图

现实的振动信号是各种振动信号的叠加,要将各种叠加的信号分离出来,必须经过傅里叶变换。任一信号都可以表示为一系列不同频率、幅值和初相位的正弦分量的叠加。所以通过傅立叶变换可以把时域信号分解为频域里面不同频率成分的组合。分析时域波形是故障分析的重要工具。实际波形的叠加与分离如图3。

图3 实际波形的叠加与分离

3 监测设备振动的具体实现

系统框图如图4,将振动传感器通过各种手段,包括磁吸、粘胶、钢丝带等紧密固定在振动设备的表面,确保传感器能真实传递设备的振动状况。传感器通过数据线连接到数据采集分站,数据采集分站将接收到的传感器信号数据通过网络接口传输到终端,数据终端将数据最终存储到数据库。数据终端进行数据的分析、呈现等。数据终端也可以和数据库合二为一。

图4 系统框图

4 监测过程中遇到的问题及解决方案

4.1 微弱信号提取技术

4.1.1 技术难点

在对机电设备振动的监测过程中,发现信号非常微弱,而且信号杂乱无章,这些微弱且杂乱的信号包含着机电设备的运行状态信息,包括振动频率、振幅、相位等,当然也包含着外界以及电路本身的噪声信号,必须分离出设备本身的振动信号和噪声信号,并进行分析以确定设备真正的故障所在。另外,在信号处理的电路设计过程中,放大电路本身的频率响应特性也会影响到信号的处理精度。对振动信号的采集和处理,通常是用普通的模拟系统进行采集,再用数字信号进行处理来提取信号的准确数值。但在实际电路设计过程中,一些由于模拟电路设计时对信号传输的噪声过滤考虑不足会引起信号的失真,这些失真对后期的数字信号处理会造成系统性误差。对机电设备的振动状况、温度变化、位移微变等信号的检测是监测设备早期故障的关键,机电设备故障初期引起的振动信号异常一般的特征是间歇性、微弱性、短时间的,信噪比很低,极易被背景噪声覆盖,这就需要很高的检测技术来从纷繁复杂的信号中分理出真正的设备振动信号。

针对此情况,为了进行微弱信号的提取,本数据采集器进行了高低通硬件滤波、程控增益调节、差分信号采集、模数隔离几个方面的设计,大大提高了微弱信号的提取能力。

4.1.2 技术路径

1) 高低通硬件滤波:为了能够采集到小信号,需要滤除依附在有效信号上的高频干扰信号和低频波动信号,数据采集器进而对输入信号进行了一阶无源RC高通滤波和三阶有源低通滤波,并且可以根据实际应用需要,程控选择是否保留高通滤波器,实现交直流两种不同的采集模式。

2) 程控增益调节:为了提高模数转换的信噪比,低通滤波器前端设计有程控增益调节电路,该电路可以根据不同需要将信号放大1、3.16、10、31.6倍;以结合信号的输入范围调节最适合的增益。放大信号后会增大有效信号对采集电路本体噪声的比值;从而提高模数转换的信号质量。

3) 差分信号采集:采用差分信号采集可以避免共模信号的干扰,本数据采集器在传感器信号输入和模数转换器入口的电路都是采用差分信号的传输方式进行采集,增强信号抗共模干扰的能力,提高信噪比。

4) 模数隔离:模数隔离可以切断数字信号通过连线对模拟电路的噪声耦合的路径;本数据采集器,对电源和信号都进行了模数隔离,电源隔离的原理图如图5所示。

图5 电源隔离的原理图

传输信号间的模数隔离采用高速磁耦进行信号传输,既保证隔离要求,又实现了高速通信的现实需求。

4.2 多源信息融合技术

4.2.1 技术难点

数据处理的前提是数据格式必须统一,也就是结构化的数据。由于数据的来源多,数据格式类别差异较大,为数据处理带来不便且效率低下。对多源异构信息数据进行采集、处理、计算与存储,将传感器采集振动、工艺参数、人工录入数据等参数,突破多源信息数据交叉口高精度融合同步集成及显示是数据分析的前提及健康状态评估关键。

4.2.2 技术路径

多源异构信息的处理是信息系统中影响效率的关键因素,为了保证后台信息处理的高效、信息显示的可靠,必须解决多源异构数据转换的可靠性、数据转换过程的高效性等问题。

1) 基于模块化设计的数据类型转换

模块化设计是现代信息技术应用开发过程中必须具备的方式方法,使得信息系统脉络清晰,维护方便。它是指在对不同功能或功能相同性能不同、规格不同的产品进行功能分析的基础上,分层、分块设计出一系列功能模块,通过模块的选择和组合可以构成不同功能的系列产品,以满足市场的不同群体、不同领域的需求。模块之间具有相互通信功能,并具有相同的协议和接口。

虽然目前主流数据库管理系统都提供各种数据类型转换函数和功能,但数据库管理系统支持的数据类型有限,对于新增某些特定的类型数据,只能通过升级或更换数据库解决。其次,数据库管理系统也存在版本问题,高版本数据类型不能直接转换为低版本数据库数据,即不能向下兼容。再次,使用数据库系统的数据类型转换功能需有管理员权限,但为了保证数据库管理系统的安全,对普通用户不应该开放管理员权限,否则会影响数据转换安全性。

模块化设计思想在数据类型转换中的应用是通过建立统一的数据类型转换协议(接口),对于新增数据类型的转换问题,只要将新增类型转换模块按照转换协议定义好接口标准,就能实现数据类型转换,降低系统二次开发成本,有效提高系统的适应性及扩展性。

2) 多线程编程

多线程编程机制是将单个程序按功能分成多个线程,每个线程有自己独立的地址空间和优先级,并可完成不同的工作。每个线程与其他线程可以同时并发执行,可以提高程序的运行效率。多线程适合执行占用CPU时间较长的任务,每个线程的执行优先级不同,这样在程序设计时就可以将用户显示和数据处理分配为不同线程,不同线程同时运行时仍能快速做出响应。

另一个需要线程处理的功能是数据转换。由于需转换的数据量较大,需要运行的时间较长,如果出现数据不一致或不完整等问题将会使转换中断或数据遗漏等情况,所以及时了解转换进度以及在出现异常时及时做出响应,对于保证数据的有效转换具有非常重要意义。

软件采用多线程技术解决数据处理进度、过程可见性、及时进行异常处理以及数据显示等问题。软件通过实时显示转换进度及转换状态,可以对数据转换进行有效监督。对于数据转换异常,能够及时终止转换进程或者调整转换策略,保证数据转换的有效性、完整性。

5 结果

通过解决上述研发过程中遇到的问题,成功实现了公司一台空压机的振动情况的实时监测,获得了实际的实时监测数据,为设备的故障诊断提供了直接、可靠的真实数据。