皮带机减速机故障远程诊断的理论研究与实践

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皮带机减速机故障远程诊断的理论研究与实践

摘要：关于皮带机减速机故障诊断、状态监测的概述，及其监视诊断技术的发展，在线监测与故障诊断系统的国内研究现状，故障诊断、状态监测的工作原理和工作手段。及其存在的问题和解决的办法。

关键字：故障诊断、状态检测、工作原理及理论研究、问题解决办法

一、障诊断、状态监测的概念及国内外研究现状综述

1、故障诊断、状态监测的概述

设备故障诊断技术又称设备状态诊断技术 (Machine Condition Diagnosis Technique)，是一种通过监测设备的状态参数，发现设备异常情况，分析设备故障原因，并预测预报设备未来状态的一种技术。其基本功能是在不拆卸和基本不拆卸设备的情况下，掌握设备运行现状，定量地监测和评价设备的以下状态：① 设备所承受的应力；② 强度和性能；③故障和劣化；④预测设备的可靠性。在设备发生故障的情况下，对故障原因、故障部位、危险程度进行评定，并确定正确的修复方法。

对运转中的设备整体或其零部件的技术状态进行检查鉴定，以判断其运转是否正常，有无异常与劣化征兆，或对异常情况进行追踪，预测其劣化趋势，确定其劣化及磨损程度等，这种活动就称为状态监测(Condition Monitoring)。状态监测的目的在于掌握设备发生故障之前的异常征兆与劣化信息，以便事前采取针对性措施控制和防止故障的发生，从而减少故障停机时间与停机损失，降低维修费用和提高设备有效利用率。

设备故障诊断技术是20世纪60年代初，由于军工、航天的需要发展起来的一门新技术，最早开展这方面研究的是美国。设备诊断技术一直与设备维修紧密联系，随着设备管理、维修方式的发展、诊断技术的进步，设备故障诊断在不同的设备管理方式中表现出不同的功能作用，并且越来越占据主要的地位：

(1)事后维修阶段。在l9世纪工业化初期，当时机器设备本身技术水平和复杂程度都很低，当设备在运行当中突然发生故障，才被迫停机修理。这一阶段的维修被称为事后维修。故障诊断的目的就是迅速找到故障发生的部位，为机器的迅速修复提供依据。故障诊断的手段是通过对设备的解体分析并借助以往的经验以及一些简单的仪器。

(2)预防维修阶段。进入20世纪后，随着大生产的发展，机器设备本身的技术复杂程度也有所提高，设备故障或事故产生的影响显著增加，从而出现了定期预防维修方式。预防维修立足于将故障隐患消除在发生之前。也就不可避免地形成了一定程度的过剩维修。这时故障诊断的目的在于为合理的维修周期的制定提供依据，并在定期维修前检查突发性故障。这一阶段的诊断手段主要是一些简单的状态监测仪，多设有一定运行参数的报警值，能够对突发故障进行预测。

(3)状态监测阶段。从20世界60年代起，设备诊断技术随着计算机技术、信号处理技术等的发展，出现了更科学的按设备状态维修的方式。这一阶段以状态监测为中心，维修策略是定期地对设备的状态进行监测，依据监测的结果决定是否对设备进行维修。从而避免了预防维修中的过剩维修，大大降低了维修成本，这种维修也被称为预测性维修 (Predictive Maintenance)。诊断的手段是以信号采集与处理为中心，多层次、多角度地利用各种信息对设备运行状态进行评估。

(4)智能管理阶段。进入20世纪80年代以后，人工智能技术和专家系统、神经网络技术的发展和在工程设计中的应用，使设备维修达到了智能化的程度。虽然这一阶段发展的历史并不长，但已有的研究成果表明，设备智能诊断具有十分广泛的应用前景。

2、 监视诊断技术的发展

目前所采用的监视诊断技术可以概括为三类。

1、检测仪表为主体的监视装置

我国目前许多引进的大型设备都配备了这种装置，它的主要构成部件是传感器和指示仪表箱，有用于测温度的，但大多数是用于测振动的。其主要缺点是：

1)检测信号是随机的，幅值并不能全面地表达动态过程的特性；

2)机组在强烈振动之前，故障症兆并不很明显，有时振幅变化并不大，但机组确有故障，如半倍频是故障的重要信息之一，但检测仪表并未显示出来。而一旦振幅突然增大，则为时已晚，即不能防止突发性故障；

3)读数式检测仪表本身并无分析功能，依赖于人的经验判断。

2．检测仪表配备软硬件分析装置

这种系统是第一种装置的改进与补充，所用的装置主要是频谱分析仪，有些名为故障诊断仪，而实际主要功能还是频谱分析，也有的分析功能是用计算机软件去实现：如早几年本特利公司的ADRE3及恩特克(Entek)公司PM等系统就具有频谱分析、谱阵图、波特图(Bode Plot)、轴心轨迹图等功能，故有帮助人们提高诊断的准确性的优点，但也仍存在以下缺点：

1)分析装置只是一种工具，不能自动判断，诊断决策仍儒依赖于领域专家；

2)不能连续地自动分析，容易丢失故障信息，不能预防突发性故障；

3)大型机械设备的结构复杂，故障与症兆之间并无一一对应的因果关系，难免有误诊。

3、在线监测与故障诊断系统的国内研究现状

进20年来，国内的科研单位、高校也研制、开发了一些旋转机械在线监测与故障诊断系统并投入现场运行。主要有：哈尔滨工业大学等单位联合研制的3MD—I、3MD一Ⅱ、3MD一Ⅲ系统；西安交通大学机械监测与诊断研究室的RMMDS系统；西安交通大学润滑理论及轴承研究室的RB加一l系统；郑州工学院的MMDS2000系统；重庆太笛公司的CDMS－8900系统；浙江大学的CMD—I型及Ⅱ型系统；西北工业大学的MD3905系统；北京机械工业学院的BJD—ZI、BJ D—zⅡ、BJD—zⅢ系统；北京英华达公司的EN8000系统；深圳创为实的S8000系统等。

这些系统的主要功能有轴振动监测，包括轴心轨迹分析、轴向串动、轴振动位移峰一峰值计算；壳体振动监测；频谱分析，包括频率细化、阶比谱分析、阶跟踪谱、三维功率谱分析；自动预、报警；故障特征提取及诊断。

国外的振动状态监测系统主要有丹麦B&K公司的2520型振动监测系统、美国BENTLY公司的3300系列振动监测系统、美国亚特兰大公司的M6000系统、美国IRD公司的IQ2000系统、美国恩泰克(Entek)公司的预测维修系统等。其中，美国恩泰克公司的预测维修系统最具有代表性，其主要功能有：幅值趋势图显示；时域波形显示，频谱显示；两频谱幅值比显示，两频谱幅值差显示；三维谱图显示；用旋转机械故障诊断专家系统进行离线故障诊断；支持铁谱分析；支持局域网。该预测系统能对频谱进行自动比较，能识别由于旋转机械转速变化所引起的频率漂移，并提供报警信号。

二、 故障诊断、状态监测的工作原理和工作手段

设备诊断技术的工作原理及工作程序如图1所示，它包括信息库和知识库的建立，以及信号检测、特征提取、状态识别和预报决策等4个工作程序。

(1)信号检测：按照不同诊断目的和对象，选择最便于诊断的状态信号，使用传感器、数据采集器等技术手段，加以监测与采集。由此建立起来的是状态信号的数据库，属于初始模式。

(2)特征提取：将初始模式的状态信号通过信号处理，进行放大或压缩、形式变换、去除噪声干扰，以提取故障特征，形成待检模式。

(3)状态识别：根据理论分析结合故障案例，并采用数据库技术所建立起来的故障档案为基准模式。把待检模式与基准模式进行比较和分类，即可区别设备的正常与异常。

(4)预报决策：经过判别，对属于正常状态的可继续监视，重复以上程序；对于属于异常状态的，则要查明故障情况，做出趋势分析，估计今后发展和可继续运行的时间，以及根据问题所在提出控制措施和维修决策。

近年来，振动与噪声理论、测试技术、信号分析与处理技术、计算机技术及其他相关基础学科得发展，为设备状态监测与故障诊断技术打下了良好的基础，而工业生产逐步向大型化、高速化、自动化、流程化方向发展，又为设备状态监测与故障诊断技术开辟了广阔的应用前景。可以预见，这项源于生产实际、又与近代科学技术发展密切相关的新兴学科在实际生产中必将发挥越来越大的作用。

大型回转机械的设备状态监测与故障诊断技术对工业企业的作用和意义，主要可归结为如下几个方面：

1）及时掌握设备运行状态异常或故障的早期征兆，以便采取相应的措施，将故障消灭在萌芽状态，以免或减少重大事故的发生。

2）一旦发生故障，能自动记录下故障过程的完整数据和信息，以便事后进行故障原应分析，缩短维修时间和费用，提高设备利用率，避免再次发生同类事故。

3）通过对设备状态异常的原因和性质进行分析，采取适当措施对设备状态实行在先调理,延长设备运行周期,为生产和维修决策提供科学依据。

4）通过监测得到的大量机器状态数据，可以充分地了解机器的性能，为改进设备设计，制造水平及产品质量提供有力的依据。

5）随时掌握设备运行状态的变化情况，各部分性能的劣化程度和机械性能的发展趋势，对设备状态变化做到心中有数，提高设备管理现代化水平。

三、故障诊断、状态监测解决的关键性问题

现场环境较为恶劣，较高的温度、磁场、潮湿等，因此要求系统必须具有较强的抗干扰能力。

皮带减速机属于低速、重负荷设备，在皮带减速机故障早期进行准确诊断，对保护设备的运行安全至关重要。

就振动测试而言，减速机既有低频率的轴的振动：电机为4极电机，耦合器输出转速24.4Hz（实测） , 1轴转速11.93Hz,  2轴转速2.56Hz,  3轴转速0.622Hz ；又有较高的齿轮啮合频率：第一级啮合频率634.4 Hz, 第二级啮合频率179.5 Hz, 第三级啮合频率41Hz。这就要求振动传感器及配套设备的选型上应具有良好的低频特性，并覆盖高频

对减速机故障进行实验室模拟和磨损程度进行预测，从而得出合适减速机的力学模型，并在此基础上进行状态监测与故障诊断，进而找出减速机轴、轴承、齿轮等的故障特征量。

建立数学模型，编制程序完成仿真，并将仿真结果与理论要求、试验数据进行综合分析比较，最终对皮带的减速机故障特征量的有效性做出评价。

四、解决的方法

对于皮带减速器的运行情况采取自动实时监测的方式，传感器实时传回所采集到的信息，经过数据处理以曲线或数字的方式表述出来。其中状态识别拟采用模糊诊断法和故障树分析法之一（在研究过程中具体选定）来完成对皮带减速器信息的状态识别，故障诊断采用专家系统来进行ZQ 350减速器故障来源的分析与诊断。基于计算机语言在数学计算、建模及仿真、数据分析及可视化方面的强大功能，能够为减速器系统的建模提供强有力的软件支持，故在计算机语言环境下，对所完成的前期工作进行模拟仿真，根据结果，做出相应调整修改，最终达到有关的技术要求

五、参考文献

[1] 赵艳萍，姚冠新，陈骏．设备管理与维修．北京：化学工业出版社，2004．

[2] 徐玉秀，原培新，杨文平．复杂机械故障诊断的分形与小波方法．北京：机械工业出版社，2003．

[3] 徐扬光. 设备工程与管理．上海：华东理工大学出版社，1993．

[4] 何德芳．失效分析与故障预防．北京：冶金工业出版社，1990.12

[5] 李葆文．全面生产维护一从理念到实践．北京：冶金工业出版社，2002．

[6] 王让定，陈华辉．一个组态系统的设计与实现．微机发展，2000．10(1)

[7] 冯博琴．实用专家系统．北京：电子工业出版社，1992

                                                                                              姓名：高东玲  

                                                                                              院系：能源与动力工程学院，机械电子工程  

                                                                                              学号：122080202007