测试技术在设备故障诊断中的具体应用

翁海宽，江 剑

(南京理工大学 机械工程学院，江苏 南京 210094)

测试技术在设备故障诊断中的具体应用

翁海宽，江 剑

(南京理工大学 机械工程学院，江苏 南京 210094)

工业发展水平是一个国家现代化程度的标志，在工业生产中，涉及到很多设备，对设备的使用和管理是工业生产中的重点问题。设备状态的故障检测和诊断是设备维护的常规问题，也是保障设备正常运营的关键，因此，在设备故障诊断中，测试技术的应用非常广泛。随着工业技术的进步，测试技术也得到了升级。测试技术的应用需要针对不同的设备，从设备的基础特性出发，以快速简捷的方式对设备进行性能评价，测试技术在设备故障诊断中具有决定性作用。本文从3个方面阐述了设备故障诊断中测试技术的具体应用。

机械设备；故障诊断；测试技术

设备故障诊断是工业生产中对设备进行维护管理的重点工作,其是从医学角度得到启发而发展的。在现代化工业生产中，设备故障诊断技术逐步升级，从控制技术和信息技术，逐步发展为计算机技术和通信技术的高度结合。现行的设备故障测试技术一般都是几个技术的结合体，针对不同的设备情况，需进行必要的检测。测试技术是一门综合性的、系统化的技术类型，随着电子技术的升级进步，测试技术有了更多的技术支持。设备故障诊断需要从正确的角度确定问题原因，在短时间内排除故障，这样才能保证生产活动正常进行，因此，测试技术的具体应用在设备故障诊断中发挥着关键的作用。

1 测试技术在设备故障诊断中的应用

1.1 应用的前提条件

设备出现故障与生产的具体操作有关，也与设备所处的工作环境有关，环境对于设备的状态具有明显影响。在机械设备运行的过程中，通过应用测试技术来确定机械设备能否正常运行或者发生何种异常的现象。测试需要从机械设备的整体和局部分别进行，在特殊的部位进行特殊的识别。应用测试技术的另一个作用就是要对机械设备的状态进行预测，故障诊断的过程实际上就是机械设备状态识别的过程；因此，测试技术的使用应以机械设备的状态为前提条件，通过对细节的处理来确定机械设备的基本情况[1]。

1.2 诊断过程

机械设备的故障诊断需要掌握机械设备的基础特性，在诊断过程(见图1)中，第1个任务就需要检测设备状态的特征。机械设备具有一定的信息标识，检测初期要对设备进行初始信息的识别，查看设备显示出的信息是否都在正常值范围内，对信号进行检测能够正确认知设备所处的基本状态；第2个任务是从检测到的特征信号中提取机械设备所体现的征兆，不同的信息数值代表不同的意义，通过对信息进行分析，能够明确掌握设备的故障特征。故障确定是测试技术应用的核心目的，只有正确地判断设备故障的类型，才能够使故障识别中的测试技术具有实效性[2]。

1.3 识别模式

经过测试的设备会出现一定的信息，这些信息就是设备故障的代理。故障的模式识别需要经过3个阶段：1)针对故障事件的测试检查阶段，该环节主要是对已经发生故障的设备进行测试，在这个过程中，能够准确判断出故障发生的程度和原因，其缺点是无法弥补故障带来的损失，但是，测试故障发生原因并准确地给出修正意见对于设备的维修具有特殊意义；2)发生故障预防阶段，测试技术在设备故障诊断方面的重点含义就是对设备进行保护，运用测试方法对设备的状态进行预测，通过得出的数据分析设备未来发生故障的程度，这对于设备故障的预防具有重要作用；3)基于故障预测的诊断阶段，主要是通过测试技术对设备检测得出的结论和多个层次的分析理解，从多个角度进行设备状态评估，评估是一种整体状态的识别，测试方法和数据整理都要以设备的整体状态为参考标准。对故障模式的识别是测试技术具体应用的价值体现[3]。

风机滚动轴承缺陷故障的诊断过程如下：首先，对设备规格、检测参数和位置方向进行选择，对测试布置和方向进行确定；其次，通过数据采集和分析仪器，从轴承轴向测点和垂直测点进行多角度测试，对振动频谱进行分析，从而得出相应的结论，一般为111.33和82.03 Hz的谱峰不是轴承内外环故障特征频率，而是轴承内环故障特征频率被2fr调制的边频带。通过判断可以确定轴承内环和外环的疲劳损害。诊断后的决策确定轴承的损坏程度(见图2)已经很大，应尽快停机，更换轴承。

图2 滚动轴承典型故障

2 设备故障诊断中的监测方法

2.1 识别故障信息

设备故障信息检测是测试技术应用于机械设备的第1步，故障诊断的标准就是通过测试技术识别出设备的障碍信息。测试过程是对设备工作参数、性能指标和物理量等信息进行检测和量化的过程。测试过程中，传感器是获取信息的重要工具，并且能够将信息转换成测量和处理器件。运用传感器测试方法是故障信息检测的重要方法；同时，故障信息检测还需要对设备进行一定的取样或者探伤，通过机械设备的故障信息确定发生问题的部位。所运用的测试技术主要应用物理量振动，例如位移、速度、机械阻抗和导纳，通过声压、声台和声功率判定故障；同时，可以应用力，包括应力、压力、扭矩和载荷等数值确定故障程度，通过转动、温度和流量确定故障时间。取样检测就是从与设备有关的液体或者固体物质中取出一些样品，运用光谱测试技术，获得设备磨损的程度数值。而探伤主要应用超声、声发生和核子等技术，对监测信号进行确定，需要相关的仪表进行衡量，对长期稳定性和可靠性进行判断。对于大型设备的测试，可以运用电涡流位移传感器、电磁式速度传感器、压力加速度传感器和热电偶温度传感器等设备。研究发现，设备故障信息检测已经在设备故障诊断中得到了一定程度的应用，实现了应力、压力、扭矩和载荷等数值的确定，为故障诊断提供了原始数据，保证了故障诊断的有效性；因此，故障信息测试识别技术对设备故障诊断具有重要意义[4]。

2.2 判别故障特征

测试技术应用中，对故障特征的梳理是一个复杂的过程，也是设备故障诊断的必要工作，是测试工作的重要部分。故障特征分析就是对信号进行分析和处理，从原始信号提取代表故障特征的信息。声与振动信号的分析处理对故障诊断具有关键意义。提取故障特征一般采用的方法包括时域分析法、频域分析法、旋转特征分析法、相位分析法、时间序列分析法、模态分析法和模糊推理法(见图3)等。这些方法主要对故障特征进行线性分析；但是，设备故障有的是单纯发生的，有的是多种问题的集合，这就需要在测试分析的过程中从整体入手，正确对待故障与设备各个组成部分之间的关系。测试技术应用在故障特征分析整理的环节需要从多个角度出发，以设备基础条件为蓝本，对故障进行连贯性的分析整理，从中发现故障的真实原因[5-6]。

图3 模糊推理法

结合设备故障诊断实际，对故障特征进行梳理是必不可少的，由于设备故障种类较多，造成故障的原因也比较多，运用正确的故障特征分析整理方法对提高故障诊断和处理具有重要作用；因此，做好故障特征的分析整理十分重要。

2.3 评价故障标准

对故障进行测试分析的主要目的是为故障诊断提供服务，故障诊断的首要任务是查看机械设备的运行状态。通过测试和分析及时发现设备的不稳定状态，对状态进行识别是一项重要的参考标准。在测试中，要遵循设备制造厂商给出的技术指标，同时采用评价标准，例如ISO2372机械振动测量与评价标准。在测试评价方法上，目前采用多阈值判断、多元阈值判断、加权判断和模糊阈值判断等方法。对设备一般要进行一定时间的监测，可以进行连续监测、巡回监测和定期监测，使用的测试设备主要包括便携式状态监测仪、专用状态监测系统和多功能状态监测系统。随着计算机技术的进步，运用计算机作为监测依托的设备也产生了，例如建立一个人工智能系统，通过简单的测试方法就能够得到准确的数据，对故障有完整的评价标准。设备故障测试诊断之后，需要对故障测试诊断的结果进行有效评价，保证设备故障测试诊断能够达到预期目的，提高设备故障测试诊断的整体效果。基于设备故障测试诊断的需要，完善的评价标准是保证设备故障测试诊断取得积极效果的关键。

2.4 故障机理研究

在设备故障诊断过程中，对故障机理的研究是诊断的基础。在测试过程中，通过机械设备的运动过程，能够发现设备部件之间的物理力学关系，各个部件之间正常运转和发生故障之间的信息区别，测试机械设备在发生故障后的各种症状和可能性。故障机理的测试理论依据是振动理论、摩擦理论、空气动力学理论和材料失效理论。对设备故障机理的测试需要进行设备整体查验，通过表象发现设备内部存在的问题。无论是小型机械还是大型机械，对设备故障机理的测定都是确定故障的重要依据。在故障诊断时，运用测试技术对故障机理进行判断，能够为机械设备的维修提供良好的条件。例如，风机组管道热态平衡故障的测试诊断，通过对机械概况进行统一了解，确定了风机生产制造的年限和基本结构，对功率和转速有了足够的了解。以轴功率为7 215 kW、额定转速为5 590 r/min型号为例，针对发生过一次的喘振，检查测试风机叶片的功能和损伤程度，通过振动烈度查看数据，然后重新起动，进行额定负载值的确定；同时，对烟机、齿轮箱、电动机、各联轴器和风机出口进行振动测试。振动测试需要制定测试方案，在带负荷和热态环境下确定振动幅值和相位的负载变化，振动随时间变化，测定不同基点的基本情况，然后通过分析和诊断结论，提出风机部位的修改意见。应用设备故障测试诊断技术之后，风机组管道热态平衡故障测试取得了积极效果，实现了风机组管道热态平衡故障测试，提高了测试效果，通过对烟机、齿轮箱、电动机、各联轴器和风机出口进行振动测试，达到了提高设备故障测试诊断效果的目的。

2.5 故障识别专家系统的应用

测试技术随着机械设备的升级发展而不断进步，机械设备故障诊断的识别方法通过测试技术应用实现，因此，测试技术的发展需要更加科学化和专业化。故障识别专家系统就是针对机械设备故障诊断而研发的一种便捷式应用方法，该测试技术通过一定规则和标准，对发生故障的种类、原因和部位及时做出准确判断。在具体的应用上，需要依靠丰富的知识库、模式识别技术和计算机语言。专家系统测试设备故障能够实现故障诊断的时效要求，其优越性可以表现为信息的准确性、及时性和规范性。通过对数据进行模块化管理，在数据库的内部进行检索、查询和推理分类。目前，专家系统测试方法已经趋于成熟，并在设备故障检测中得到了重要应用，有效提高了设备故障检测的整体效果，为设备故障检测提供了新方法。

2.6 故障诊断测试系统的实现

在机械设备升级发展的趋势下，测试技术也应进行不断的升级。例如，在线监测系统、周期巡检系统和机械状态监测系统等，都能够很好地进行状态监测。高性能监测系统一般硬件比例大，能够采集大量的数据信息，在短时间内就可以快速处理数据，监测功能强。高性能故障诊断测试系统是测试技术的升级和发展，系统化的集成产品能够使测试技术使用简便，在软件商品飞速发展的时代，测试技术逐渐向功能多、灵活性强的方向发展。随着设备故障诊断技术的快速发展，在线监控技术和自动化故障诊断平台的出现使机械设备故障测试成为了现实。基于高性能故障诊断测试系统的突出优点，该系统已经在设备故障诊断中得到了全面应用，对提高机械设备故障诊断质量起到了积极的推动作用。

3 结语

我国正处在经济发展的关键时期，工业生产的水平决定了国家基础建设和重点项目的发展水平，机械设备作为工业生产的基础，其运行效果对于生产具有决定性作用。任何设备都有一定的使用期限，在使用过程中，良好的维护能够让机械设备更好地工作。测试技术就是从科学化、专业化角度对设备进行状态识别，定位设备出现的问题，预防设备即将发生的危险。在我国的工业生产中，对设备的测试诊断越来越受到生产者的重视，只有以设备维护为中心，才能够从根本上保障工业生产始终在稳定的环境下运行。

[1] 周键成. 超声波检测技术在设备故障诊断中在应用[J].设备管理与维修，2011(7):48-50.

[2] 徐吉荣，杨致政，许宏涛，等. 动态测试技术在大型机械设备故障诊断中的实践[J].设计与研究，2006(1):7-9.

[3] 张彩然. PLC在机电设备故障诊断中在应用[J].科技创新导报，2012(25):74.

[4] 王思臣，于潞，刘水，等，自动测试技术在故障诊断中在应用综述[J].科技信息，2011(17):116.

[5] 缑瑞宾，乔印虎，司志远,等. 关于机电设备故障诊断与维修一体化的探讨[J].新技术新工艺，2014(1)：119-121.

[6] 王秋鹏. 基于自适应神经模糊推理系统的柴油机故障诊断与探析[J]. 新技术新工艺，2014(7):126-129.

责任编辑李思文

ApplicationofTestingTechnologyinEquipmentFaultDiagnosis

WENG Haikuan, JIANG Jian

(Institute of Mechanical Engineering, Nanjing University of Technology, Nanjing 210094, China)

Industrial development level is the sign of a country modernization degree. In industrial production, involved a lot of equipment, the usage of equipment and management is the key problem in industrial production. The state of the equipment fault detection and diagnosis is a normal problem of equipment maintenance and is also the key to guarantee the normal operation of equipment. In equipment fault diagnosis, testing technique has a very wide range of applications. With the progress of industrial technology, testing technology has been upgraded. The application of testing technology for different devices starts from the basic features of the equipment, performance assessment of equipment in a quick, easy way. Testing technology has a decisive role in the equipment fault diagnosis. The paper from three aspects in the paper expounded the in equipment fault diagnosis, the concrete application of testing technology.

mechanical equipment, fault diagnosis, test technology

TH 165

：B

翁海宽(1987-)，男，工学硕士，主要从事测试计量理论及应用等方面的研究。

2015-01-15