機(jī)械設(shè)備故障診斷課程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建

李 強(qiáng), 許偉偉, 王振波, 周昌靜, 鄭水英

(1. 中國石油大學(xué)(華東) 化學(xué)工程學(xué)院, 山東 青島 266580; 2. 中國石油大學(xué)(華東) 儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院,山東 青島 266580; 3. 浙江大學(xué) 化工機(jī)械研究所, 浙江 杭州 310027)

隨著煉油、化工、冶金、發(fā)電等行業(yè)陸續(xù)向大型化方向發(fā)展,對(duì)能耗、高效及長期穩(wěn)定運(yùn)行要求越來越高,而且生產(chǎn)設(shè)備造價(jià)較高、設(shè)備損傷愈后效果損失大,因此生產(chǎn)安全至關(guān)重要,過程裝備監(jiān)測(cè)和控制的重要性也日益突出[1]。過程裝備與控制工程專業(yè)是適應(yīng)現(xiàn)代化過程工業(yè)發(fā)展而設(shè)置的學(xué)科交叉型專業(yè),著重培養(yǎng)學(xué)生對(duì)過程工業(yè)中的復(fù)雜工程問題的解決能力。

近年來,為了推進(jìn)工程教育改革,增強(qiáng)工程人才培養(yǎng)對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的適應(yīng)性,提升工程教育的國際競(jìng)爭(zhēng)力,各專業(yè)陸續(xù)開展了工程教育專業(yè)認(rèn)證工作。工程教育專業(yè)認(rèn)證是高等教育認(rèn)證的重要組成部分,是對(duì)各專業(yè)工程教育是否達(dá)到所規(guī)定的最低標(biāo)準(zhǔn)所進(jìn)行的檢查,工程教育認(rèn)證要求以學(xué)生為中心,以培養(yǎng)目標(biāo)和畢業(yè)要求為導(dǎo)向,通過課程體系、師資隊(duì)伍和支持條件的建設(shè)來達(dá)成目標(biāo)[2-4]。

工程教育認(rèn)證所確定的12條畢業(yè)設(shè)計(jì)要求中很重要的一點(diǎn)是將所學(xué)知識(shí)應(yīng)用于解決復(fù)雜工程問題并考慮所帶來的社會(huì)、環(huán)境等問題。從課程體系上看,“機(jī)械設(shè)備故障診斷技術(shù)”是能夠支撐這一要求的有效課程。主要原因在于“機(jī)械設(shè)備故障診斷技術(shù)”所講授的內(nèi)容是針對(duì)石油化工典型機(jī)械設(shè)備的故障,通過信號(hào)采集與分析,對(duì)比故障特征找出故障的原因,并提出維修及預(yù)防措施。通過課程的學(xué)習(xí),使學(xué)生掌握石油化工典型機(jī)械設(shè)備故障機(jī)理、故障特征和故障診斷方法,培養(yǎng)從事石油化工機(jī)械設(shè)備故障診斷工作的基本能力,達(dá)到掌握現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)、加強(qiáng)工程實(shí)踐能力和解決工程實(shí)際問題的目的[5-6]。

從目前的教學(xué)情況來看,“機(jī)械設(shè)備故障診斷技術(shù)”課堂授課程式化,忽略了培養(yǎng)學(xué)生不斷獲取知識(shí)和探索問題的能力; 各種類型故障知識(shí)的講授像蜻蜓點(diǎn)水,缺乏課程核心知識(shí)與實(shí)踐訓(xùn)練的結(jié)合; 忽略了教師與學(xué)生之間的互動(dòng)與溝通,學(xué)生主動(dòng)參與性較差。這與工程教育認(rèn)證的“成果導(dǎo)向”“以學(xué)生為中心”和“持續(xù)改進(jìn)”三個(gè)基本理念相悖,無法真正實(shí)現(xiàn)復(fù)雜工程問題的解決能力的培養(yǎng)。如果在講授理論知識(shí)的過程中,基于振動(dòng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái),學(xué)生能掌握信號(hào)的采集和分析的基本過程,結(jié)合課堂知識(shí)作出正確的診斷結(jié)論; 而在理論授課完畢之后,在旋轉(zhuǎn)機(jī)械模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行典型故障的模擬與分析,學(xué)生在該實(shí)驗(yàn)臺(tái)上能動(dòng)手制造故障并分析解決故障,加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)點(diǎn)的直觀認(rèn)識(shí),提高學(xué)生的研究能力,達(dá)到工程教育認(rèn)證中“能夠解決復(fù)雜工程問題”的標(biāo)準(zhǔn)。

1 故障診斷實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建

構(gòu)建機(jī)械設(shè)備故障診斷實(shí)驗(yàn)平臺(tái)需要具備兩個(gè)條件:一是實(shí)驗(yàn)裝置和測(cè)試軟件,目前具有的簡(jiǎn)支梁振動(dòng)測(cè)試裝置,自搭的轉(zhuǎn)子-軸承實(shí)驗(yàn)臺(tái)[7],基于C++和基于LabVIEW程序編制的信號(hào)采集與分析系統(tǒng),以及數(shù)據(jù)采集卡、傳感器、動(dòng)平衡機(jī)等設(shè)備能夠滿足實(shí)驗(yàn)平臺(tái)軟、硬件方面的需求; 二是基于實(shí)驗(yàn)臺(tái)的各種故障的模擬,一般而言所有故障都具有獨(dú)特的特征，且能重復(fù)出現(xiàn)。因此,目前所具備的條件是能夠滿足實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建立的需求。根據(jù)課程目標(biāo)及教學(xué)內(nèi)容需要,主要安排的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為振動(dòng)信號(hào)的測(cè)試與分析、典型故障模擬實(shí)驗(yàn)兩部分。

1.1 振動(dòng)信號(hào)的測(cè)試與分析

機(jī)械設(shè)備中任何一個(gè)運(yùn)動(dòng)部件或與其相關(guān)的零件出現(xiàn)故障,必然破壞機(jī)械運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性,在傳遞力的參與下,這種力和運(yùn)動(dòng)的非平衡現(xiàn)象表現(xiàn)為振動(dòng)。振動(dòng)信號(hào)中包含對(duì)故障診斷有用的信息,但是也存在一些無用的信息,為了提取有用信息,必須對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理[8-9]。本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目首先要了解工程中信號(hào)測(cè)試、采集和分析的基本方法和過程; 通過簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu),掌握固有頻率測(cè)試、觸發(fā)采樣、整周期采樣的基本方法; 通過采樣后的數(shù)據(jù)處理,對(duì)傅里葉變換、相關(guān)分析等知識(shí)點(diǎn)進(jìn)一步鞏固,采用的振動(dòng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)如圖1所示。

圖1 振動(dòng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)

目前常用的信號(hào)分析方法為時(shí)域分析法和頻譜分析法。時(shí)域分析法主要包括波形分析、幅值分析、相關(guān)分析等。其中相關(guān)分析用于描述信號(hào)在不同時(shí)刻的相互依賴關(guān)系,是提取信號(hào)中周期成分的常用手段,包括自相關(guān)分析和互相關(guān)分析。

頻率是振動(dòng)診斷中一個(gè)最重要的參數(shù),確定診斷方案、進(jìn)行狀態(tài)識(shí)別、選用診斷標(biāo)準(zhǔn)等各個(gè)環(huán)節(jié)都與振動(dòng)頻率有關(guān)[8]。頻譜分析中常用的有幅值譜和功率譜,幅值譜表示了振動(dòng)參數(shù)中的位移、速度、加速度的幅值隨頻率分布的情況; 功率譜表示振動(dòng)功率隨振動(dòng)頻率的分布情況,兩種方式物理意義都比較清楚。頻譜分析的基礎(chǔ)是傅里葉變換,它將復(fù)雜信號(hào)分解為有限或無限個(gè)頻率的簡(jiǎn)諧分量,傅里葉變換對(duì)如下式所示：

(1)

1.2 典型故障模擬實(shí)驗(yàn)

旋轉(zhuǎn)機(jī)械發(fā)生故障的主要特征是機(jī)器伴有異常的振動(dòng)和噪聲,其振動(dòng)信號(hào)從時(shí)域和頻域反映了機(jī)器的故障信息。轉(zhuǎn)子組件是旋轉(zhuǎn)機(jī)械的核心部分,了解轉(zhuǎn)子組件在故障狀態(tài)下的振動(dòng)機(jī)理,對(duì)于監(jiān)測(cè)機(jī)器的運(yùn)行狀態(tài)和提高診斷故障的準(zhǔn)確率都非常重要,旋轉(zhuǎn)機(jī)械模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)如圖2所示。模擬實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要包括轉(zhuǎn)子不平衡、轉(zhuǎn)子不對(duì)中、滑動(dòng)軸承油膜振蕩等典型的故障。

圖2 旋轉(zhuǎn)機(jī)械模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)

轉(zhuǎn)子不平衡引起的振動(dòng)是旋轉(zhuǎn)機(jī)械常見的多發(fā)故障[10]。它是由轉(zhuǎn)子質(zhì)量偏心或轉(zhuǎn)子出現(xiàn)磨損、腐蝕等質(zhì)量缺損而引起的,轉(zhuǎn)子不平衡故障的模擬可以研究不平衡質(zhì)量對(duì)轉(zhuǎn)子振動(dòng)情況的影響。通過在轉(zhuǎn)子上布置均勻分布的螺紋孔,并在不同位置的螺紋孔安裝螺釘來模擬轉(zhuǎn)子不平衡故障,如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)子不平衡故障模擬實(shí)物圖

旋轉(zhuǎn)機(jī)械通常由多個(gè)轉(zhuǎn)子和軸承組成的一個(gè)機(jī)械系統(tǒng),各個(gè)轉(zhuǎn)子之間用聯(lián)軸節(jié)連接,傳遞運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)子不對(duì)中故障是指機(jī)器在運(yùn)行狀態(tài)下,由于機(jī)器的安裝誤差、工作狀態(tài)下的熱膨脹、承載后的變形以及機(jī)器基礎(chǔ)的不均勻沉降等原因造成轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)子之間的連接對(duì)中超出正常范圍,從而引發(fā)機(jī)器振動(dòng)或聯(lián)軸節(jié)、軸承損壞的現(xiàn)象[11]。為了分析轉(zhuǎn)子不對(duì)中故障產(chǎn)生的影響,可以在實(shí)驗(yàn)裝置的軸承座下墊薄銅片模擬軸承不對(duì)中故障，如圖4所示。

圖4 轉(zhuǎn)子不對(duì)中故障模擬實(shí)物圖

在化工、石化、電力、鋼鐵和航空工業(yè)部門中使用的高性能旋轉(zhuǎn)機(jī)械往往采用滑動(dòng)軸承支撐,在使用中由于設(shè)計(jì)不良或其他因素的影響,容易發(fā)生油膜不穩(wěn)定。不穩(wěn)定的油膜會(huì)引起轉(zhuǎn)子較大的振動(dòng),發(fā)展到某種工作狀態(tài)時(shí),還會(huì)發(fā)生高速滑動(dòng)軸承的一種特有故障——油膜振蕩,它是由油膜力引起的自激振動(dòng),轉(zhuǎn)子軸頸在油膜中的猛烈振動(dòng)將會(huì)直接導(dǎo)致機(jī)器零部件的損壞[12]。通過升高轉(zhuǎn)速至一階臨界轉(zhuǎn)速的2倍以上來模擬油膜振蕩的發(fā)生,而在發(fā)生前的低速狀態(tài)下,油膜渦動(dòng)會(huì)先期發(fā)生。

其他故障如轉(zhuǎn)子摩擦故障、轉(zhuǎn)子支撐部件松動(dòng)故障等都可以基于此模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)完成。

2 實(shí)施案例分析

2.1 基于振動(dòng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的案例實(shí)施

為了簡(jiǎn)化分析,對(duì)于旋轉(zhuǎn)機(jī)械的振動(dòng)分析常常將其轉(zhuǎn)子系統(tǒng)簡(jiǎn)化為梁力學(xué)模型,因此本實(shí)驗(yàn)的開展具有工程意義[13-14]。該實(shí)驗(yàn)?zāi)K主要包括固有頻率測(cè)試、整周期采樣、數(shù)據(jù)的相關(guān)分析等內(nèi)容。

(1) 固有頻率測(cè)試。分析構(gòu)件的固有頻率可以避免共振現(xiàn)象,減少振動(dòng)的影響。當(dāng)在系統(tǒng)靜止?fàn)顟B(tài)下,施加一次觸發(fā)脈沖,系統(tǒng)會(huì)以固有頻率作減幅自由振動(dòng)。通過測(cè)量自由振動(dòng)信號(hào)、畫時(shí)域圖、做頻譜分析,可以測(cè)量得到固有頻率,如圖5所示。

通過固有頻率的測(cè)試使得學(xué)生進(jìn)一步了解了旋轉(zhuǎn)機(jī)械的臨界轉(zhuǎn)速概念,對(duì)信號(hào)的時(shí)域和頻域分析有了更直觀的認(rèn)識(shí),通過實(shí)際操作熟悉了工程中信號(hào)測(cè)試、采集和分析的基本方法和過程。

(2) 整周期采樣。采用整周期采樣是采樣過程中消除誤差的有效手段,整周期采樣時(shí),通過控制每個(gè)周期最后一個(gè)點(diǎn)與下一周期開始點(diǎn)之間的間隔,且將其控制在一個(gè)小范圍內(nèi),可以很好地避免誤差累積。因此,通過整周期采樣所得的振動(dòng)波形能較真實(shí)地反映系統(tǒng)的振動(dòng)信息。

圖5 固有頻率測(cè)試信號(hào)及FFT分析結(jié)果

圖6為對(duì)同一信號(hào)分別采用非整周期和整周期采樣得到的頻譜圖,發(fā)現(xiàn)整周期采樣后,由于采樣時(shí)間變短,導(dǎo)致頻率分辨率降低,但泄漏明顯減少,幅值從圖6(a)的0.127 mV增加到圖6(b)的0.160 mV。

圖6 頻譜圖

(3) 相關(guān)分析。利用相關(guān)分析可以研究?jī)蓚€(gè)以上信號(hào)的相互關(guān)系,該方法常常應(yīng)用在工程實(shí)踐中,如對(duì)受干擾的信號(hào)進(jìn)行分析,通過將信號(hào)與已知波形的信號(hào)進(jìn)行相關(guān)分析可以消除干擾信號(hào),使信號(hào)還原。

將采集到的信號(hào)通過以下公式進(jìn)行相關(guān)分析:

(2)

(3)

相關(guān)分析在課堂教學(xué)中屬于較難講解的知識(shí)點(diǎn),學(xué)生也普遍反映很難理解,而通過基于振動(dòng)教學(xué)平臺(tái)的案例實(shí)施和動(dòng)手操作,使相關(guān)分析的物理意義更加明確,學(xué)生也更容易掌握該知識(shí)點(diǎn)。

2.2 基于旋轉(zhuǎn)機(jī)械模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)的案例實(shí)施

基于模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)(見圖2)對(duì)典型故障案例開展研究,使學(xué)生能更深入地了解其故障特征和診斷方法,為學(xué)生提供一個(gè)從理論走向?qū)嵺`的平臺(tái),鍛煉了學(xué)生解決復(fù)雜問題的能力[15-16]。

圖7給出了不同轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)軸軸頸的軸心軌跡和頻譜圖,從圖7(a)—圖7(d)可知,在低轉(zhuǎn)速工況下,由于存在不對(duì)中和非線性油膜力的作用,軸心軌跡并沒有呈現(xiàn)出圓或者橢圓形狀,而是呈不規(guī)則形狀，如圖7(a)所示; 圖7(b)是在臨界轉(zhuǎn)速附近,由不平衡力引起的基頻振動(dòng)成為主要振動(dòng)成分,此時(shí)軸心軌跡近似為圓; 過了臨界轉(zhuǎn)速后,振動(dòng)值將減小，如圖7(c)所示,但隨著轉(zhuǎn)速的升高會(huì)繼續(xù)增大,直到發(fā)生油膜振蕩，如圖7(d)所示,這時(shí)軸心軌跡變得十分復(fù)雜,此時(shí)的振動(dòng)為準(zhǔn)周期振動(dòng)。由頻譜圖(圖7(e))可知,發(fā)生油膜振蕩時(shí)，振動(dòng)頻率為轉(zhuǎn)速頻率的一半,且半頻幅值已經(jīng)大于工頻幅值,實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與課堂理論分析完全一致,進(jìn)一步驗(yàn)證了不平衡振動(dòng)和油膜振蕩發(fā)生的機(jī)理,實(shí)現(xiàn)了課堂內(nèi)外、理論和工程的相互融合。

基于該實(shí)驗(yàn)臺(tái)的某些實(shí)驗(yàn)屬于開放探索性實(shí)驗(yàn),如油膜振蕩模擬實(shí)驗(yàn),需要在團(tuán)隊(duì)合作下才能最終完成,這樣可以與大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練及自主創(chuàng)新項(xiàng)目相結(jié)合,能充分鍛煉學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和自主創(chuàng)新能力。

圖7 不同轉(zhuǎn)速下的軸心軌跡圖和頻譜圖

3 結(jié)語

基于工程教育認(rèn)證的“成果導(dǎo)向”“以學(xué)生為中心”和“持續(xù)改進(jìn)”三個(gè)基本理念,在機(jī)械設(shè)備故障診斷課程中搭建了面向工程問題解決能力培養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái),包括振動(dòng)信號(hào)的測(cè)試與分析、典型故障實(shí)驗(yàn)?zāi)M兩個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K。通過具體案例的實(shí)施,完成了機(jī)械設(shè)備故障診斷的基本分析過程。基于該平臺(tái)的實(shí)踐鍛煉,既鞏固了學(xué)生在課堂上學(xué)習(xí)的理論知識(shí),又能培養(yǎng)了學(xué)生的工程思維,并在故障分析的過程中提高了解決復(fù)雜工程問題的能力。實(shí)踐證明,基于該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ狡鸬搅撕芎玫慕虒W(xué)效果。