測試技術在設備故障診斷中的具體應用

翁海寬，江 劍

(南京理工大學 機械工程學院，江蘇 南京 210094)

測試技術在設備故障診斷中的具體應用

翁海寬，江 劍

(南京理工大學 機械工程學院，江蘇 南京 210094)

工業發展水平是一個國家現代化程度的標志，在工業生產中，涉及到很多設備，對設備的使用和管理是工業生產中的重點問題。設備狀態的故障檢測和診斷是設備維護的常規問題，也是保障設備正常運營的關鍵，因此，在設備故障診斷中，測試技術的應用非常廣泛。隨著工業技術的進步，測試技術也得到了升級。測試技術的應用需要針對不同的設備，從設備的基礎特性出發，以快速簡捷的方式對設備進行性能評價，測試技術在設備故障診斷中具有決定性作用。本文從3個方面闡述了設備故障診斷中測試技術的具體應用。

機械設備；故障診斷；測試技術

設備故障診斷是工業生產中對設備進行維護管理的重點工作,其是從醫學角度得到啟發而發展的。在現代化工業生產中，設備故障診斷技術逐步升級，從控制技術和信息技術，逐步發展為計算機技術和通信技術的高度結合。現行的設備故障測試技術一般都是幾個技術的結合體，針對不同的設備情況，需進行必要的檢測。測試技術是一門綜合性的、系統化的技術類型，隨著電子技術的升級進步，測試技術有了更多的技術支持。設備故障診斷需要從正確的角度確定問題原因，在短時間內排除故障，這樣才能保證生產活動正常進行，因此，測試技術的具體應用在設備故障診斷中發揮著關鍵的作用。

1 測試技術在設備故障診斷中的應用

1.1 應用的前提條件

設備出現故障與生產的具體操作有關，也與設備所處的工作環境有關，環境對于設備的狀態具有明顯影響。在機械設備運行的過程中，通過應用測試技術來確定機械設備能否正常運行或者發生何種異常的現象。測試需要從機械設備的整體和局部分別進行，在特殊的部位進行特殊的識別。應用測試技術的另一個作用就是要對機械設備的狀態進行預測，故障診斷的過程實際上就是機械設備狀態識別的過程；因此，測試技術的使用應以機械設備的狀態為前提條件，通過對細節的處理來確定機械設備的基本情況[1]。

1.2 診斷過程

機械設備的故障診斷需要掌握機械設備的基礎特性，在診斷過程(見圖1)中，第1個任務就需要檢測設備狀態的特征。機械設備具有一定的信息標識，檢測初期要對設備進行初始信息的識別，查看設備顯示出的信息是否都在正常值范圍內，對信號進行檢測能夠正確認知設備所處的基本狀態；第2個任務是從檢測到的特征信號中提取機械設備所體現的征兆，不同的信息數值代表不同的意義，通過對信息進行分析，能夠明確掌握設備的故障特征。故障確定是測試技術應用的核心目的，只有正確地判斷設備故障的類型，才能夠使故障識別中的測試技術具有實效性[2]。

1.3 識別模式

經過測試的設備會出現一定的信息，這些信息就是設備故障的代理。故障的模式識別需要經過3個階段：1)針對故障事件的測試檢查階段，該環節主要是對已經發生故障的設備進行測試，在這個過程中，能夠準確判斷出故障發生的程度和原因，其缺點是無法彌補故障帶來的損失，但是，測試故障發生原因并準確地給出修正意見對于設備的維修具有特殊意義；2)發生故障預防階段，測試技術在設備故障診斷方面的重點含義就是對設備進行保護，運用測試方法對設備的狀態進行預測，通過得出的數據分析設備未來發生故障的程度，這對于設備故障的預防具有重要作用；3)基于故障預測的診斷階段，主要是通過測試技術對設備檢測得出的結論和多個層次的分析理解，從多個角度進行設備狀態評估，評估是一種整體狀態的識別，測試方法和數據整理都要以設備的整體狀態為參考標準。對故障模式的識別是測試技術具體應用的價值體現[3]。

風機滾動軸承缺陷故障的診斷過程如下：首先，對設備規格、檢測參數和位置方向進行選擇，對測試布置和方向進行確定；其次，通過數據采集和分析儀器，從軸承軸向測點和垂直測點進行多角度測試，對振動頻譜進行分析，從而得出相應的結論，一般為111.33和82.03 Hz的譜峰不是軸承內外環故障特征頻率，而是軸承內環故障特征頻率被2fr調制的邊頻帶。通過判斷可以確定軸承內環和外環的疲勞損害。診斷后的決策確定軸承的損壞程度(見圖2)已經很大，應盡快停機，更換軸承。

圖2 滾動軸承典型故障

2 設備故障診斷中的監測方法

2.1 識別故障信息

設備故障信息檢測是測試技術應用于機械設備的第1步，故障診斷的標準就是通過測試技術識別出設備的障礙信息。測試過程是對設備工作參數、性能指標和物理量等信息進行檢測和量化的過程。測試過程中，傳感器是獲取信息的重要工具，并且能夠將信息轉換成測量和處理器件。運用傳感器測試方法是故障信息檢測的重要方法；同時，故障信息檢測還需要對設備進行一定的取樣或者探傷，通過機械設備的故障信息確定發生問題的部位。所運用的測試技術主要應用物理量振動，例如位移、速度、機械阻抗和導納，通過聲壓、聲臺和聲功率判定故障；同時，可以應用力，包括應力、壓力、扭矩和載荷等數值確定故障程度，通過轉動、溫度和流量確定故障時間。取樣檢測就是從與設備有關的液體或者固體物質中取出一些樣品，運用光譜測試技術，獲得設備磨損的程度數值。而探傷主要應用超聲、聲發生和核子等技術，對監測信號進行確定，需要相關的儀表進行衡量，對長期穩定性和可靠性進行判斷。對于大型設備的測試，可以運用電渦流位移傳感器、電磁式速度傳感器、壓力加速度傳感器和熱電偶溫度傳感器等設備。研究發現，設備故障信息檢測已經在設備故障診斷中得到了一定程度的應用，實現了應力、壓力、扭矩和載荷等數值的確定，為故障診斷提供了原始數據，保證了故障診斷的有效性；因此，故障信息測試識別技術對設備故障診斷具有重要意義[4]。

2.2 判別故障特征

測試技術應用中，對故障特征的梳理是一個復雜的過程，也是設備故障診斷的必要工作，是測試工作的重要部分。故障特征分析就是對信號進行分析和處理，從原始信號提取代表故障特征的信息。聲與振動信號的分析處理對故障診斷具有關鍵意義。提取故障特征一般采用的方法包括時域分析法、頻域分析法、旋轉特征分析法、相位分析法、時間序列分析法、模態分析法和模糊推理法(見圖3)等。這些方法主要對故障特征進行線性分析；但是，設備故障有的是單純發生的，有的是多種問題的集合，這就需要在測試分析的過程中從整體入手，正確對待故障與設備各個組成部分之間的關系。測試技術應用在故障特征分析整理的環節需要從多個角度出發，以設備基礎條件為藍本，對故障進行連貫性的分析整理，從中發現故障的真實原因[5-6]。

圖3 模糊推理法

結合設備故障診斷實際，對故障特征進行梳理是必不可少的，由于設備故障種類較多，造成故障的原因也比較多，運用正確的故障特征分析整理方法對提高故障診斷和處理具有重要作用；因此，做好故障特征的分析整理十分重要。

2.3 評價故障標準

對故障進行測試分析的主要目的是為故障診斷提供服務，故障診斷的首要任務是查看機械設備的運行狀態。通過測試和分析及時發現設備的不穩定狀態，對狀態進行識別是一項重要的參考標準。在測試中，要遵循設備制造廠商給出的技術指標，同時采用評價標準，例如ISO2372機械振動測量與評價標準。在測試評價方法上，目前采用多閾值判斷、多元閾值判斷、加權判斷和模糊閾值判斷等方法。對設備一般要進行一定時間的監測，可以進行連續監測、巡回監測和定期監測，使用的測試設備主要包括便攜式狀態監測儀、專用狀態監測系統和多功能狀態監測系統。隨著計算機技術的進步，運用計算機作為監測依托的設備也產生了，例如建立一個人工智能系統，通過簡單的測試方法就能夠得到準確的數據，對故障有完整的評價標準。設備故障測試診斷之后，需要對故障測試診斷的結果進行有效評價，保證設備故障測試診斷能夠達到預期目的，提高設備故障測試診斷的整體效果。基于設備故障測試診斷的需要，完善的評價標準是保證設備故障測試診斷取得積極效果的關鍵。

2.4 故障機理研究

在設備故障診斷過程中，對故障機理的研究是診斷的基礎。在測試過程中，通過機械設備的運動過程，能夠發現設備部件之間的物理力學關系，各個部件之間正常運轉和發生故障之間的信息區別，測試機械設備在發生故障后的各種癥狀和可能性。故障機理的測試理論依據是振動理論、摩擦理論、空氣動力學理論和材料失效理論。對設備故障機理的測試需要進行設備整體查驗，通過表象發現設備內部存在的問題。無論是小型機械還是大型機械，對設備故障機理的測定都是確定故障的重要依據。在故障診斷時，運用測試技術對故障機理進行判斷，能夠為機械設備的維修提供良好的條件。例如，風機組管道熱態平衡故障的測試診斷，通過對機械概況進行統一了解，確定了風機生產制造的年限和基本結構，對功率和轉速有了足夠的了解。以軸功率為7 215 kW、額定轉速為5 590 r/min型號為例，針對發生過一次的喘振，檢查測試風機葉片的功能和損傷程度，通過振動烈度查看數據，然后重新起動，進行額定負載值的確定；同時，對煙機、齒輪箱、電動機、各聯軸器和風機出口進行振動測試。振動測試需要制定測試方案，在帶負荷和熱態環境下確定振動幅值和相位的負載變化，振動隨時間變化，測定不同基點的基本情況，然后通過分析和診斷結論，提出風機部位的修改意見。應用設備故障測試診斷技術之后，風機組管道熱態平衡故障測試取得了積極效果，實現了風機組管道熱態平衡故障測試，提高了測試效果，通過對煙機、齒輪箱、電動機、各聯軸器和風機出口進行振動測試，達到了提高設備故障測試診斷效果的目的。

2.5 故障識別專家系統的應用

測試技術隨著機械設備的升級發展而不斷進步，機械設備故障診斷的識別方法通過測試技術應用實現，因此，測試技術的發展需要更加科學化和專業化。故障識別專家系統就是針對機械設備故障診斷而研發的一種便捷式應用方法，該測試技術通過一定規則和標準，對發生故障的種類、原因和部位及時做出準確判斷。在具體的應用上，需要依靠豐富的知識庫、模式識別技術和計算機語言。專家系統測試設備故障能夠實現故障診斷的時效要求，其優越性可以表現為信息的準確性、及時性和規范性。通過對數據進行模塊化管理，在數據庫的內部進行檢索、查詢和推理分類。目前，專家系統測試方法已經趨于成熟，并在設備故障檢測中得到了重要應用，有效提高了設備故障檢測的整體效果，為設備故障檢測提供了新方法。

2.6 故障診斷測試系統的實現

在機械設備升級發展的趨勢下，測試技術也應進行不斷的升級。例如，在線監測系統、周期巡檢系統和機械狀態監測系統等，都能夠很好地進行狀態監測。高性能監測系統一般硬件比例大，能夠采集大量的數據信息，在短時間內就可以快速處理數據，監測功能強。高性能故障診斷測試系統是測試技術的升級和發展，系統化的集成產品能夠使測試技術使用簡便，在軟件商品飛速發展的時代，測試技術逐漸向功能多、靈活性強的方向發展。隨著設備故障診斷技術的快速發展，在線監控技術和自動化故障診斷平臺的出現使機械設備故障測試成為了現實。基于高性能故障診斷測試系統的突出優點，該系統已經在設備故障診斷中得到了全面應用，對提高機械設備故障診斷質量起到了積極的推動作用。

3 結語

我國正處在經濟發展的關鍵時期，工業生產的水平決定了國家基礎建設和重點項目的發展水平，機械設備作為工業生產的基礎，其運行效果對于生產具有決定性作用。任何設備都有一定的使用期限，在使用過程中，良好的維護能夠讓機械設備更好地工作。測試技術就是從科學化、專業化角度對設備進行狀態識別，定位設備出現的問題，預防設備即將發生的危險。在我國的工業生產中，對設備的測試診斷越來越受到生產者的重視，只有以設備維護為中心，才能夠從根本上保障工業生產始終在穩定的環境下運行。

[1] 周鍵成. 超聲波檢測技術在設備故障診斷中在應用[J].設備管理與維修，2011(7):48-50.

[2] 徐吉榮，楊致政，許宏濤，等. 動態測試技術在大型機械設備故障診斷中的實踐[J].設計與研究，2006(1):7-9.

[3] 張彩然. PLC在機電設備故障診斷中在應用[J].科技創新導報，2012(25):74.

[4] 王思臣，于潞，劉水，等，自動測試技術在故障診斷中在應用綜述[J].科技信息，2011(17):116.

[5] 緱瑞賓，喬印虎，司志遠,等. 關于機電設備故障診斷與維修一體化的探討[J].新技術新工藝，2014(1)：119-121.

[6] 王秋鵬. 基于自適應神經模糊推理系統的柴油機故障診斷與探析[J]. 新技術新工藝，2014(7):126-129.

責任編輯李思文

ApplicationofTestingTechnologyinEquipmentFaultDiagnosis

WENG Haikuan, JIANG Jian

(Institute of Mechanical Engineering, Nanjing University of Technology, Nanjing 210094, China)

Industrial development level is the sign of a country modernization degree. In industrial production, involved a lot of equipment, the usage of equipment and management is the key problem in industrial production. The state of the equipment fault detection and diagnosis is a normal problem of equipment maintenance and is also the key to guarantee the normal operation of equipment. In equipment fault diagnosis, testing technique has a very wide range of applications. With the progress of industrial technology, testing technology has been upgraded. The application of testing technology for different devices starts from the basic features of the equipment, performance assessment of equipment in a quick, easy way. Testing technology has a decisive role in the equipment fault diagnosis. The paper from three aspects in the paper expounded the in equipment fault diagnosis, the concrete application of testing technology.

mechanical equipment, fault diagnosis, test technology

TH 165

：B

翁海寬(1987-)，男，工學碩士，主要從事測試計量理論及應用等方面的研究。

2015-01-15