汽輪機機械設備在線故障診斷-軸承故障在線監測系統

 

故障診斷技術本質上是一個故障模式識別的過程，通俗地說就是一種尋找故障分類的方法。自上世紀中葉以來，故障診斷技術得到了發展。形成了融合先進傳感技術、基于大數據的人工智能算法、信號處理技術等領域的跨學科綜合技術。故障診斷是指利用檢測設備獲得的數據，通過相關智能算法的分析，對機械設備的故障狀態進行診斷，從而找到故障位置，修復故障問題，消除隱患，為機械設備提供良好的維修決策奠定基礎。20世紀60年代，國外一些專家、學者和研究機構開始探索和研究軸承的故障診斷技術。一些發達國家已經形成了成熟的故障診斷體系結構，突破了許多技術難點，取得了顯著進展，隨之出現的系統和產品也進入了商業化和工程應用驗證階段。美國對這項技術的研究起步較早。從航天器的安全性和可靠性角度出發，為了降低航天器飛行的風險和損失，美國將獨立的故障診斷專家子系統升級為綜合健康管理綜合系統，解決了航天器故障分析的問題，提高了故障診斷的準確性。20世紀80年代，我國開始研究故障診斷方向，至今已經歷了近40年的發展。從一般診斷到復雜診斷，從單一故障診斷到復雜故障診斷，從傳統的人工診斷到機器的智能診斷，在國家相關計劃的支持下，故障診斷技術逐漸成熟和完善，無論是故障診斷的理論研究還是工程應用都取得了重大進展。

 

軸承故障診斷進行的前提是獲得具有故障信息的振動信號，主要是利用振動傳感器測得軸承的工作狀態信息。根據故障檢測信號的不同來源，將軸承的故障診斷技術主要分為下列幾種：

 

（1）在線油液分析法

 

油液分析法是抽取軸承一部分潤滑油液作為油樣，分析油液中磨屑的形狀、成分和濃度來判定磨屑產生的部位，判斷軸承的損傷程度。該方法適應于油冷卻和油潤滑軸承，在診斷軸承故障時易受到非軸承等部件掉落的磨屑影響,而且在很大程度上要依賴于豐富的人工經驗，所以應用起來也有限制。但是和該技術有關的儀器設備價格很便宜，可作為其它故障診斷方法的一種輔助的手段。

 

（2）溫度監測法

 

當設備運行出現異常的狀態時，其零部件的溫度也會發生變化，通過監測溫度的改變可以發現機械設備出現的缺陷和損傷。軸承的運行溫度可以反映其工作狀態與故障模式，溫度監測法是利用安裝在軸承座或者箱體上的溫度傳感器，監測溫度的實時變化從而來判定軸承是否出現故障。當軸承的載荷或者轉速發生較大變化時，溫度傳感器就會極為敏感地監測到異常的狀態，但對于軸承表面的剝落、點蝕等微小的損傷或是輕微故障，溫度的變化并不大，幾乎檢測不到相應的溫度信號。

 

（3）聲發射分析法

 

聲發射檢測技術是能夠應用在金屬材料上的沒有損傷的故障檢測技術[6]。聲發射信號產生的來源是金屬材料的撞擊、摩擦以及金屬零件的斷裂所產生的沖擊信號。軸承早期的表面輕微損傷，到塑性變形直到軸承元件的斷裂失效，當軸承在工作的過程中遭遇這些缺陷時，都會產生瞬態的彈性應力波進而釋放出能量。通過聲發射傳感器和聲發射檢測儀對聲音信號進行分析，通過獲取軸承的故障信息，就能夠判斷出軸承的損傷程度和發生故障的位置。聲發射技術對于軸承的早期故障極為敏感，并可以抑制低頻信號的干擾，采集信噪比較高的高頻信號。盡管它在在軸承出現故障早期的報警和診斷方面有很大的優點，但是聲發射相關設備非常昂貴，需要考慮經濟問題。

 

（4）振動分析法

 

機械的動態特性可以用振動信號來表示，通過對豐富的信息進行分析和處理，可以得到設備的工作狀態和故障。振動分析法是通過安裝在軸承座或箱體內的傳感器采集軸承的振動故障信號，利用數據采集卡(DSP)或NI板，然后通過計算機軟件對振動數據進行處理和分析，診斷出故障的性質和類型。軸承的信號處理與分析主要包括頻域、時域和時頻域分析。通過時域分析可以確定軸承故障的演化趨勢，通過頻域分析可以確定軸承的故障位置和故障度網絡。通過分析軸承故障振動信號產生的周期脈沖的幅值、頻率、特征頻率等關鍵指標，確定軸承故障位置，分析軸承劣化程度，均取得了良好的診斷效果。振動分析法與其他故障診斷分析方法相比，具有適用于各種類型的變工況軸承，實現在線監測和離線監測，能有效進行早期故障診斷，診斷效率高，故障定位準確，診斷結果可靠等優點，在許多領域得到了廣泛應用。