面向高職的旋轉機械故障診斷實訓平臺研制的研究

劉小波，聶振華，吳偉龍

（重慶電子工程職業學院 機電學院，重慶401331）

0 前 言

諸如各類風機、空壓機、大型電機等旋轉機械設備是工業企業常用的設備。隨著科學技術和生產力的進步，這些設備正朝著大型化、高速化、連續化、集中化、自動化、精密化方向發展，機械設備的組成、結構及其工作環境越來越復雜，一旦設備的某一部分或者工業流程的某一環節發生故障，就很可能會影響正常的生產和產品質量，造成巨大的經濟損失，甚至會導致災難性的人員傷亡、環境污染和惡劣的社會影響[1,2]。加強這些設備實時監測和故障診斷，確保設備正常運行或預知設備運行狀態是現代設備管理的一項重要內容，也是高職機電設備管理與維護類專業學生需掌握的一門專業基礎課[3]。但由于我國開展設備故障監測的研究較晚，故障診斷理論和工程應用研究大多又集中在我國少數幾個重點本科院校展開，其培養的學生遠遠不能滿足現今大量機電設備運營維護的需要，因此不少企業迫切需要具有一定專業理論知識和掌握機電設備故障診斷實踐技能的高職學生。但由于設備故障診斷這門課程是本科生甚至碩士研究生相關專業才開設的課程，數學和專業基礎要求高，相對高職學生而言，其數學基礎和知識理解接受能力均較差，且大多數高職院校與本課程相關的教學支撐設備欠缺，學生反映難學，教師反映難教。為提高高職學生學習這門課的興趣，切實培養他們的設備故障診斷技能，有必要開展面向高職的旋轉機械設備故障診斷實訓平臺的研制研究。

1 故障機理

旋轉機械常見的故障類型有：不平衡、不對中、松動等。每類機械故障都具有各自產生的原因和特征表現。不同故障類型發生的概率也不相同[4]。

1.1 不平衡

不平衡是旋轉機械設備中最為常見的故障之一。不平衡產生的主要原因為：旋轉機械設備的轉子由于受到成型工藝(如鑄件中有砂眼、氣孔)、加工誤差、裝配因素及運行中的不均勻磨損、沖蝕或沉積等因素的影響產生的不均勻質量Δm，或者是某些固定部件松動所造成部件的不平衡，致使其質量Δm 與旋轉中心存在著一定程度的偏心距R，圖1所示，將會產生一個離心力F，其大小為：

方向由旋轉中心指向不均勻質量Δm 中心向外。由于轉子是整周旋轉，該離心力也將隨著不均勻質量Δm 作整周旋轉，加上軸承滾珠與內外滾道存在間隙，離心力勢必帶動滾珠撞擊滾道，從而在軸承或軸承支座上帶來某種規律的振動。一般情況下，偏心距較大時候，在靜態情況下，所產生的偏心力矩將大于摩擦阻力距，其表現為某一點始終恢復到水平放置的轉子的下部，稱其為靜不平衡；在偏心距較小時，靜不平衡特征表現不明顯，但是一旦轉子旋轉起來，就表現為與轉動頻率同步的離心力，從而激發轉子的振動。故機械不平衡包括靜不平衡和動不平衡。不平衡帶給設備的主要表現形式為振動。經過研究可得到不平衡故障的信號有如下的特征: 信號的時域波形為正弦波；振幅隨著轉速變化明顯；當轉子上的部件出現破損時，振幅會突然間變大。

圖1 離心力產生示意圖

1.2 不對中

不對中也是旋轉機械設備中多發的故障之一。旋轉機械設備在其安裝和運轉中有多種原因可能導致轉子不對中,從而引發機器的振動、聯軸器偏移、軸承磨損以及軸的彎曲變形乃至扭斷等等,因此具有十分大的危害。不對中主要有三種情況：軸線平行不對中、軸線交叉不對中、軸線綜合不對中，圖2所示。

圖2 不對中情況

平行不對中主要會引起徑向振動,兩側的軸承徑向振動相位差基本上為180 度；交叉不對中主要會引起軸向振動,兩側的軸承軸向振動相位差基本上為180 度；綜合不對中將會引起軸向和徑向振動。故障產生的部位位于靠近聯軸節兩端的軸承上，不對中所引發的振幅與轉子的負荷成正比。

1.3 松動

機械松動也是機械故障中常見的故障。機械松動主要有軸承座松動、支座松動、螺栓松動、葉輪和轉子軸松動以及軸承裝配過盈不足所引起的松動。由松動所引起的振動一般情況下是重力方向上的振動明顯大于水平方向上的振動，這種振動將會增大由不平衡帶來的振動幅度。

2 數學描述

一般而言，振動是由一系列簡諧振動分量、其它振動分量和隨機噪聲迭加構成。簡諧振動可如下表示：

其中，A 是振動幅值，ω 是角頻率，φ 是初始相位角，f 是頻率(f=ω/2π)。很明顯該函數可表示為時域波形即為關于時間的正弦曲線。在振動分析中，時域波形是旋轉機械振動振幅的瞬態值，隨時間延續并不斷變化所形成的動態波形。對于旋轉機械的振動信號而言，信號的振動幅值是旋轉機械振動信號當中比較直觀的特征信息。直接對振動信號的時間歷程進行分析和評估是故障診斷中最直接最簡單的方法。時域波形分析就是通過對波形的振幅大小、波形形狀、變化快慢等特性的分析和觀察，來反映機械狀態以及故障的各種特征量，并通過應用已建立好的波形與機械設備運行狀態之間的固有對應關系，以便實現轉子的狀態監測與故障診斷。

常用的時域分析特征量有振幅、頻率、均值、標準差、峰峰值、峰值、峭度、偏度等。若信號x(t)采樣得到一組離散數據x1，x2,…，xn，則這些參數的計算可通過相應的公式計算獲取。

大多數旋轉機械都會產生帶有周期性的振動信號，包含多種頻率成分的非簡諧振動，而不只有單一頻率成分的簡諧振動，這些頻率成分一般直接地與機械中各零件的機械物理特性有關，與此相關的分析稱為頻域分析，因所涉及的數學理論知識較深，高職學生不易掌握，在此省略。

3 平臺構建

旋轉機械常見故障或多或少都與機械振動有關，如何采集或識別旋轉機械的振動便是開展面向高職旋轉機械故障診斷實訓平臺的研制任務所在，其核心思想為利用傳感器將被監控對象中的物理參量（振動、頻率、溫度、速度）轉換為電量，再將這些代表實際物理參量的電量送入輸入裝置中轉換為計算機可識別的數字量，并且在計算機的顯示裝置中以數字、圖形或曲線的方式顯示出來，從而使得操作人員能夠直觀迅速地根據有關技術準則了解或判斷被監控對象的運行過程。實訓平臺的組成圖3所示。

圖3 平臺構架系統框圖

平臺主要由硬件和軟件兩大部分組成。硬件主要包括旋轉機械模擬轉子、傳感器、信號調理器、USB 數據采集卡、計算機主機、顯示器。軟件包括操作系統軟件如Windows 7、用于開發應用軟件的Visual Basic 6.0 軟件、用于數據采集和處理的應用軟件。基于平臺構架框圖，本文設計開發了一套實驗平臺樣機，見圖4。整個平臺樣機由旋轉機械試驗臺、傳感器、數據采集卡組成。本實驗平臺應用一個傳感器，輪流測量旋轉機械模擬轉子徑向振動和軸向振動。驅動該旋轉機械平臺的是一臺異步交流電機和同步帶傳動。該實驗平臺機座上可安置兩個電渦流位移傳感器測量模擬轉子在轉動中的振動情況。

圖4 實驗平臺樣機

本實驗平臺主要研究模擬轉子的振動情況，這樣將轉子振動的位移大小通過電渦流傳感器和信號調理模塊輸出到數據采集卡，通過裝有基于Visual Basic 6.0 程序開發的故障振動數據采集和處理應用軟件的計算機顯示出來并與旋轉機械設備允許振動量[5]比對，從而達到實時監測和故障診斷目的。

4 軟件開發

平臺構建完成只是完成了旋轉機械故障診斷實訓平臺的軀體搭建，要實現旋轉機械故障診斷實訓平臺功能必須開發與該平臺相匹配的應用軟件。根據旋轉機械故障診斷實訓平臺功能，應用軟件主要包括下列程序。

4.1 模擬信號采集與處理程序

大多數旋轉機械的振動信號屬于模擬信號。該程序主要完成對模擬輸入信號的采集、標度變換、數字濾波、線性化處理程序及二次數據計算，并存儲數據。

4.2 監控報警程序

該程序主要監控和處理由采樣讀入的數據或經計算機比對處理后的顯示數據，以便實現對某些物理量的監視。根據控制策略，判斷是否超出工藝參數的范圍，計算機要加以判別，如果超出了規定數值，就需要計算機或操作人員采取相應措施，實時輸出報警信號，確保生產安全。

4.3 運行參數設置程序

該程序主要完成系統的運行參數的設置。運行參數主要包括采樣通道、采樣周期、信號量程、放大器增益系數以及顯示輸出（數字、圖像）的選擇。

4.4 系統主控程序

該程序主要系統管理各個功能模塊和數據文件的存儲和輸出。根據程序的功能模塊，設計開發了本平臺使用的應用軟件，界面圖5所示。

圖5 程序界面

5 實驗開發

結合高職機電類學生現有的理論基礎和診斷實訓平臺的實際，為提高學生的動手能力和熟練掌握設備診斷知識，基于該診斷平臺開發出了一系列與旋轉機械故障有關的實訓和實驗。該診斷平臺可開展以下實驗：（1）轉子靜平衡實驗。設計平臺的轉子時，在轉子直徑250mm 圓周上均勻布置了8 個M8 螺紋通孔，在這些螺孔上可加一些不均勻質量的負載，帶電運轉平臺，觀察轉子靜止下來時，所施加的負載是否處在重力下方；（2）轉子動平衡實驗。可開展空載、施加均勻載荷、施加非均勻載荷的轉子動平衡實驗；（3）機械故障模擬診斷。主要看故障的時域波形是否有畸變，振動幅值是否超限。（4）機械故障特征分析與仿真。可開展不對中、松動等故障仿真和分析。

6 結論

設備故障診斷技術可以有效地避免意外事故，節約大量維修費用，無論對安全生產還是對設備維護都具有十分重要的意義。無容置疑當代高職機電設備管理與維護專業的畢業生應充實到設備維護保障生產第一線，對于他們的“零距離就業” 的培養也是高職院校面臨的重要課題，掌握一定專業基礎知識和培養較強的動手能力也許是培養學生的基本方法。本文希望所研制的高職旋轉機械故障診斷實訓平臺對此有一定的指導幫助作用。但是在實際應用中仍然有許多設備故障問題需要在實踐中不斷去發現和解決，對于設備故障更深層次的產生機理和特征描述需要在今后工作中提高和掌握，從各個方面應用各種監測手段，多方位地去分析、研究，結合該設備的歷史、工作環境以及相關的設備故障中去分析、查找故障原因才能做到對設備故障的準確、科學判定。

[1] 徐小力,梁福平,許寶杰.旋轉機械狀態檢測及預測技術的發展與研究[J].建設機械技術與管理，2003,16(7):20-24.

[2] 陳林華.不對中轉子系統振動特征分析與診斷[J].壓縮機技術,2003,6(182):16-18.

[3] 張敬東.機械設備維護與管理專業人員的素質[J].攀枝花大學學報,1999,16(4):50-51.

[4] 張弛.旋轉機械典型故障特征提取方法研究[D].北京：北京化工大學,2010.

[5] 長春試驗機研究所.GB 9239-88,剛性轉子平衡品質許用不平衡的確定[S].北京：國家機械工業委員會,1989.