振動監測技術下現代農業機械故障診斷技術的創新與發展

東營職業學院 李桂玉

引言

農業機械運行監測以及設備故障問題是通過信號來進行處理的，再根據信號處理技術對數據振動進行分析以及研究，并進行測試，確定機械設備還能否正常進行工作，確定故障的原因并預測振動監測以及故障引起的故障。此方法可以保證農機處于正常工作狀態、降低維修成本、增加企業經濟效益、并具有良好的應用實時前景、易于形成成套的機械設備，對于后期的研究以及應用有著重要的現實意義。所以，本文采用參考文獻來總結振動監測技術的發展過程和應用；并進一步闡述振動監測和機械故障診斷技術在現代農業機械中的應用，結合農業，提出農業機械振動檢測和機械故障判斷技術的發展路徑與研究目標。

1 振動監測原理

物體圍繞一個固定位置來回擺動并由時間變化而變化的運行被稱為振動，振動監測技術是機械設備檢測過程中普遍最基本的辦法，振動監測系統對機械設備來說應用還是比較普遍的。利用振動檢測技術，可以準確地定位機械內故障問題，不用拆卸機械設備就可以對設備內問題進行定位。如今振動監測原理相對較成熟，主要分為頻域波形監測與時域波形監測。

1.1 頻域波形監測

一般工程檢測得出的信號為時域信號，而根據振動信號了解到被診斷機械的運行狀態，往往需要頻域信息。利用傅里葉轉換可以將得出來的復雜型號分為有限以及無限兩個頻率來進行分量，把頻率分為大小排列起來從而形成頻譜。

機械設備故障發生一般為兩個變化：一是增加新的頻率成分，二是頻率幅值增長，當機械設備頻譜分析出來后，可以精準定位到故障部位、故障原因以及嚴重程度。

1.2 時域波形監測

時域波形監測通過觀察振動信號，針對此信號的周期給出定性分析，可預估設備所處的技術狀態。大部分人認為時域波形監測不如頻域波形監測分析準確，事實上卻相反，時域波形檢測基本可以判斷出90%以上的故障特征，使用時域波形監測時，要格外注意是否對稱以及沖擊特征的變化。

2 振動信號處理技術應用概述

振動監測和故障診斷技術是維護管理的首要方式，如果想要深入發展，必須加強振動信號分析處理能力、信號特征提取能力。基于農業機械產生的振動信號具備不平穩、非線性等特點，以往的信號處理方法無法適應振動信號處理的實際生產與運行[1]。例如，在軸承故障判斷中，使用以往的FFT 方法很難從浸入噪聲中的振動信號中獲得軸承的故障特征頻率。由于以往信號處理方法存在缺陷，小波分析、希爾伯特·黃變換和其他先進的信號處理技術相繼誕生。小波變換是在1980 年代后期研發并發展應用，首先，小波變換的理論框架由法國數學家、物理學家和農業學家研究組成。它被一些法國學者應用到工程信號處理行業，以提高振動監測診斷系統的診斷準確性和可靠性。在科學理論不斷發展的時代下，已經形成并廣泛應用比小波分析更適合于非平穩信號處理方式。HHT 方法彌補了小波分析的缺陷，如恒定的多分辨率和較長的操作時間，它可以依據振動信號的局部時變特性完成自適應時頻分解，消除潛在人為因素，能夠得到長時間應用與創新發展。

3 機械設備過程中常見的問題及原因

3.1 機械設備出現的問題

我們籠統地把在運行的生產過程中出現問題導致生產停止的現象稱之為故障，故障的存在讓農業機械設備喪失工作能力以及全部要求與其功能的事情。傳統的故障分為兩種含義:機械設備偏離正常功能，主要原因是機械系統及其零部件的工作狀態超過了生產設計規定的工作狀態，可以通過調整相關參數或簡單修復更換某些零部件來消除，傳統上稱之為故障。機械系統因功能失效而導致的機械故障是機械系統不斷偏離正常功能閾值，其程度越來越明顯的現象，機械設備功能不能充分發揮的現象稱之為故障。機械設備故障的常見問題可分為兩類:主要由電氣控制系統故障引起的電氣問題和主要由機械本體引起的機械結構問題。電氣控制系統常見的問題是機械故障引起的電機燒損、控制電路板短路燒損和信號采集設備燒損。

3.2 出現問題的原因

以橋式起重機的減速器而言，作為起重機的重要傳動部件的減速器通過齒輪間的嚙合來傳遞運動及力，將電動機高速運轉的轉速利用I50Machine China 中國機械齒輪間降速傳動的這一規律轉變為低速大扭矩的運動，但往往在傳遞扭矩過程中會出現扭矩過大或運行下時間過長，潤滑系統不好以及短時間過載或受到沖擊載荷，多次重復彎曲引起的等產生齒輪輪齒折斷現象，在齒輪傳動過程中因雜物粘到齒面以及輪齒表面不光滑，有凸起點產生應力集中，或潤滑劑不清潔由于溫度過高引起潤滑失效。由于硬的顆粒進入摩擦面引起磨損，液壓缸和控制頭漏油進而產生的齒面點蝕或齒面磨損現象，因為輪齒間接觸溫度過高以及輪齒間接觸力過大產生的齒面膠和等現象，以上這些因素都會引起起重機裝備造成運行功能達不到設計預期要求的現象。

4 農業機械中振動監測與機械故障診斷技術應用現狀

4.1 農業機械故障模擬分析

農業機械故障的模擬研究是一項最基礎的工作，同時也起著非常重要的作用，其能夠展現故障本質與產生原因，這是進行精準故障診斷的重要前提。隨著計算機技術的發展，計算機與農業進行相結合得到了廣泛的應用，利用計算機解決問題呈現出提出問題、數學和軟件問題、數值模擬解決問題。機械故障的整體模擬過程一般是建設系統的模型，其次進行運動數據模擬最后對模擬出來的結果進行分析和診斷。通過數據模擬使故障重現，進行深度分析，在進行對故障問題分析以及研究的同時，要為以后的智能診斷打下基礎。故障診斷的實現是通過數據采集、處理、研究、故障模式識別和決策的過程,故障診斷虛擬化換句話來說就是模仿機械故障的數據模擬。虛擬化和故障診斷的現實相互融合可以使診斷出來的結果更加精準。機械故障診斷作為一項非常實用的技術，需要不斷提高機械故障數值模擬應用的深度。

4.2 機械檢測部位分布

農業機械狀態監測與故障診斷包括農業機械運行狀態的監測與診斷。操作性能監視用于監視運行期間不同旋轉設備組件對農機重要參數的影響。通過測量壓力脈沖、振動頻率、紙張質量與速度來完成。將測量點連接到計算機監控站，以使用同步時間平均方法計算測量信號，并存儲測量數據、趨勢數據和用于討論的應用程序計算結果。趨勢數據用于探究參數的變化幅度，并可詳細計算與分析時域信號和頻譜。監視目標包括壓力區振動頻率、紙張質量和流漿箱壓力波動。監視器使用監視參數的總體變化來確定每個監視裝置的百分比。通過這種方式，監測人員可以看到每個設備組件對農機性能的影響。主要監測點包括:屏幕脈沖發生器、壓力區羅拉振動、壓力區羅拉脈沖發生器、壓力測量滾動、刮板加載壓力振動、輥脈沖發生器、輥振動等。

5 農業機械中振動監測與機械故障診斷技術創新發展策略

5.1 生產控制系統與振動監測系統相結合

研究表明，振動監測與故障診斷技術的應用將從機械故障擴展到機械故障與過程故障診斷的集成。軸位移在線監測系統對于油膜軸承大型關鍵設備的維護和管理具有重要意義。如果設備運行過程中出現異常情況，沒有及時止停，讓其繼續運行下去，會造成巨大的損失。

5.2 機械設備監測成本

機械設備是由許許多多小散零件組裝成的，這些小零件數量大，安裝的位置比較復雜，其中包括風扇、電動機以及泵等一些基礎小零件。小零件工作環境較為復雜，必須監視診斷通用設備來提高工業生產的穩定性。像這種設備數量很大，每一個上面安裝智能故障診斷系統，那成本將會非常巨大，如何減少成本也是一個迫切需要解決的問題，部分學者和工程師正在這方面進行研究與探討工作。基于無線傳感器網絡監測模式的機械狀態監測系統，利用無線信號通信技術進行集中式狀態檢測與故障診斷的研究與應用。

5.3 預測與評估農業設備剩余壽命

當前，盡管有許多用于農業機械的狀態監視和故障診斷技術，但是它們都不能準確估算設備的剩余使用壽命。基于農業設備逐步向大規模、連續和復雜的方向發展，其成本也會逐漸增多，導致部分農業企業必須延長設備使用壽命以確保生產效率。機械設備的預估壽命技術可以幫助提前制定一套維修計劃，可以增加機械設備重復使用率。所以，機械設備的剩余使用壽命以及預估技術是一項非常重要也是極具意義的技術。

5.4 智能診斷系統相關知識

目前，農業機械智能診斷專家有一個需要解決的嚴重問題，故障診斷的機械復雜性越來越高，使其難以獲得較準確的知識。正因為缺少全面診斷的知識導致智能故障診斷系統被限制了發展。故障診斷人員應加強自己學習的機會，作為知識獲得的重要途徑，故障診斷人員應繼續改進如今的機器學習方式，并在改進的同時去開發更多機械學習方式，建立起一套學習方法比較全面的智能故障體系。

6 結語

據國內外許多研究結果表明，設備管理最有效的辦法就是振動監測和機械故障診斷。基于我國農業機械逐漸走向大規模、快速化、連續性發展，不可避免要通過基于狀態監測和故障診斷技術的在線振動監測來進行預測性維護。在未來，振動狀態監測和機械故障診斷技術將會趨于完善與優化，并將在農業行業中得到更廣泛的應用。