汽轮机机械设备在线故障诊断-轴承故障在线监测

汽轮机机械设备在线故障诊断-轴承故障在线监测系统

 

故障诊断技术本质上是一个故障模式识别的过程，通俗地说就是一种寻找故障分类的方法。自上世纪中叶以来，故障诊断技术得到了发展。形成了融合先进传感技术、基于大数据的人工智能算法、信号处理技术等领域的跨学科综合技术。故障诊断是指利用检测设备获得的数据，通过相关智能算法的分析，对机械设备的故障状态进行诊断，从而找到故障位置，修复故障问题，消除隐患，为机械设备提供良好的维修决策奠定基础。20世纪60年代，国外一些专家、学者和研究机构开始探索和研究轴承的故障诊断技术。一些发达国家已经形成了成熟的故障诊断体系结构，突破了许多技术难点，取得了显著进展，随之出现的系统和产品也进入了商业化和工程应用验证阶段。美国对这项技术的研究起步较早。从航天器的安全性和可靠性角度出发，为了降低航天器飞行的风险和损失，美国将独立的故障诊断专家子系统升级为综合健康管理综合系统，解决了航天器故障分析的问题，提高了故障诊断的准确性。20世纪80年代，我国开始研究故障诊断方向，至今已经历了近40年的发展。从一般诊断到复杂诊断，从单一故障诊断到复杂故障诊断，从传统的人工诊断到机器的智能诊断，在国家相关计划的支持下，故障诊断技术逐渐成熟和完善，无论是故障诊断的理论研究还是工程应用都取得了重大进展。

 

轴承故障诊断进行的前提是获得具有故障信息的振动信号，主要是利用振动传感器测得轴承的工作状态信息。根据故障检测信号的不同来源，将轴承的故障诊断技术主要分为下列几种：

 

（1）在线油液分析法

 

油液分析法是抽取轴承一部分润滑油液作为油样，分析油液中磨屑的形状、成分和浓度来判定磨屑产生的部位，判断轴承的损伤程度。该方法适应于油冷却和油润滑轴承，在诊断轴承故障时易受到非轴承等部件掉落的磨屑影响,而且在很大程度上要依赖于丰富的人工经验，所以应用起来也有限制。但是和该技术有关的仪器设备价格很便宜，可作为其它故障诊断方法的一种辅助的手段。

 

（2）温度监测法

 

当设备运行出现异常的状态时，其零部件的温度也会发生变化，通过监测温度的改变可以发现机械设备出现的缺陷和损伤。轴承的运行温度可以反映其工作状态与故障模式，温度监测法是利用安装在轴承座或者箱体上的温度传感器，监测温度的实时变化从而来判定轴承是否出现故障。当轴承的载荷或者转速发生较大变化时，温度传感器就会极为敏感地监测到异常的状态，但对于轴承表面的剥落、点蚀等微小的损伤或是轻微故障，温度的变化并不大，几乎检测不到相应的温度信号。

 

（3）声发射分析法

 

声发射检测技术是能够应用在金属材料上的没有损伤的故障检测技术[6]。声发射信号产生的来源是金属材料的撞击、摩擦以及金属零件的断裂所产生的冲击信号。轴承早期的表面轻微损伤，到塑性变形直到轴承元件的断裂失效，当轴承在工作的过程中遭遇这些缺陷时，都会产生瞬态的弹性应力波进而释放出能量。通过声发射传感器和声发射检测仪对声音信号进行分析，通过获取轴承的故障信息，就能够判断出轴承的损伤程度和发生故障的位置。声发射技术对于轴承的早期故障极为敏感，并可以抑制低频信号的干扰，采集信噪比较高的高频信号。尽管它在在轴承出现故障早期的报警和诊断方面有很大的优点，但是声发射相关设备非常昂贵，需要考虑经济问题。

 

（4）振动分析法

 

机械的动态特性可以用振动信号来表示，通过对丰富的信息进行分析和处理，可以得到设备的工作状态和故障。振动分析法是通过安装在轴承座或箱体内的传感器采集轴承的振动故障信号，利用数据采集卡(DSP)或NI板，然后通过计算机软件对振动数据进行处理和分析，诊断出故障的性质和类型。轴承的信号处理与分析主要包括频域、时域和时频域分析。通过时域分析可以确定轴承故障的演化趋势，通过频域分析可以确定轴承的故障位置和故障度网络。通过分析轴承故障振动信号产生的周期脉冲的幅值、频率、特征频率等关键指标，确定轴承故障位置，分析轴承劣化程度，均取得了良好的诊断效果。振动分析法与其他故障诊断分析方法相比，具有适用于各种类型的变工况轴承，实现在线监测和离线监测，能有效进行早期故障诊断，诊断效率高，故障定位准确，诊断结果可靠等优点，在许多领域得到了广泛应用。