机械设备故障诊断课程实验平台构建

李 强, 许伟伟, 王振波, 周昌静, 郑水英

(1. 中国石油大学(华东) 化学工程学院, 山东 青岛 266580; 2. 中国石油大学(华东) 储运与建筑工程学院,山东 青岛 266580; 3. 浙江大学 化工机械研究所, 浙江 杭州 310027)

随着炼油、化工、冶金、发电等行业陆续向大型化方向发展,对能耗、高效及长期稳定运行要求越来越高,而且生产设备造价较高、设备损伤愈后效果损失大,因此生产安全至关重要,过程装备监测和控制的重要性也日益突出[1]。过程装备与控制工程专业是适应现代化过程工业发展而设置的学科交叉型专业,着重培养学生对过程工业中的复杂工程问题的解决能力。

近年来,为了推进工程教育改革,增强工程人才培养对经济社会发展的适应性,提升工程教育的国际竞争力,各专业陆续开展了工程教育专业认证工作。工程教育专业认证是高等教育认证的重要组成部分,是对各专业工程教育是否达到所规定的最低标准所进行的检查,工程教育认证要求以学生为中心,以培养目标和毕业要求为导向,通过课程体系、师资队伍和支持条件的建设来达成目标[2-4]。

工程教育认证所确定的12条毕业设计要求中很重要的一点是将所学知识应用于解决复杂工程问题并考虑所带来的社会、环境等问题。从课程体系上看,“机械设备故障诊断技术”是能够支撑这一要求的有效课程。主要原因在于“机械设备故障诊断技术”所讲授的内容是针对石油化工典型机械设备的故障,通过信号采集与分析,对比故障特征找出故障的原因,并提出维修及预防措施。通过课程的学习,使学生掌握石油化工典型机械设备故障机理、故障特征和故障诊断方法,培养从事石油化工机械设备故障诊断工作的基本能力,达到掌握现代科学技术、加强工程实践能力和解决工程实际问题的目的[5-6]。

从目前的教学情况来看,“机械设备故障诊断技术”课堂授课程式化,忽略了培养学生不断获取知识和探索问题的能力; 各种类型故障知识的讲授像蜻蜓点水,缺乏课程核心知识与实践训练的结合; 忽略了教师与学生之间的互动与沟通,学生主动参与性较差。这与工程教育认证的“成果导向”“以学生为中心”和“持续改进”三个基本理念相悖,无法真正实现复杂工程问题的解决能力的培养。如果在讲授理论知识的过程中,基于振动教学实验台,学生能掌握信号的采集和分析的基本过程,结合课堂知识作出正确的诊断结论; 而在理论授课完毕之后,在旋转机械模拟实验台上进行典型故障的模拟与分析,学生在该实验台上能动手制造故障并分析解决故障,加深学生对理论知识点的直观认识,提高学生的研究能力,达到工程教育认证中“能够解决复杂工程问题”的标准。

1 故障诊断实验平台构建

构建机械设备故障诊断实验平台需要具备两个条件:一是实验装置和测试软件,目前具有的简支梁振动测试装置,自搭的转子-轴承实验台[7],基于C++和基于LabVIEW程序编制的信号采集与分析系统,以及数据采集卡、传感器、动平衡机等设备能够满足实验平台软、硬件方面的需求; 二是基于实验台的各种故障的模拟,一般而言所有故障都具有独特的特征，且能重复出现。因此,目前所具备的条件是能够满足实验平台建立的需求。根据课程目标及教学内容需要,主要安排的实验项目为振动信号的测试与分析、典型故障模拟实验两部分。

1.1 振动信号的测试与分析

机械设备中任何一个运动部件或与其相关的零件出现故障,必然破坏机械运动的平稳性,在传递力的参与下,这种力和运动的非平衡现象表现为振动。振动信号中包含对故障诊断有用的信息,但是也存在一些无用的信息,为了提取有用信息,必须对信号进行处理[8-9]。本实验项目首先要了解工程中信号测试、采集和分析的基本方法和过程; 通过简单的实验结构,掌握固有频率测试、触发采样、整周期采样的基本方法; 通过采样后的数据处理,对傅里叶变换、相关分析等知识点进一步巩固,采用的振动教学实验台如图1所示。

图1 振动教学实验台

目前常用的信号分析方法为时域分析法和频谱分析法。时域分析法主要包括波形分析、幅值分析、相关分析等。其中相关分析用于描述信号在不同时刻的相互依赖关系,是提取信号中周期成分的常用手段,包括自相关分析和互相关分析。

频率是振动诊断中一个最重要的参数,确定诊断方案、进行状态识别、选用诊断标准等各个环节都与振动频率有关[8]。频谱分析中常用的有幅值谱和功率谱,幅值谱表示了振动参数中的位移、速度、加速度的幅值随频率分布的情况; 功率谱表示振动功率随振动频率的分布情况,两种方式物理意义都比较清楚。频谱分析的基础是傅里叶变换,它将复杂信号分解为有限或无限个频率的简谐分量,傅里叶变换对如下式所示：

(1)

1.2 典型故障模拟实验

旋转机械发生故障的主要特征是机器伴有异常的振动和噪声,其振动信号从时域和频域反映了机器的故障信息。转子组件是旋转机械的核心部分,了解转子组件在故障状态下的振动机理,对于监测机器的运行状态和提高诊断故障的准确率都非常重要,旋转机械模拟实验台如图2所示。模拟实验内容主要包括转子不平衡、转子不对中、滑动轴承油膜振荡等典型的故障。

图2 旋转机械模拟实验台

转子不平衡引起的振动是旋转机械常见的多发故障[10]。它是由转子质量偏心或转子出现磨损、腐蚀等质量缺损而引起的,转子不平衡故障的模拟可以研究不平衡质量对转子振动情况的影响。通过在转子上布置均匀分布的螺纹孔,并在不同位置的螺纹孔安装螺钉来模拟转子不平衡故障,如图3所示。

图3 转子不平衡故障模拟实物图

旋转机械通常由多个转子和轴承组成的一个机械系统,各个转子之间用联轴节连接,传递运动和转矩。转子不对中故障是指机器在运行状态下,由于机器的安装误差、工作状态下的热膨胀、承载后的变形以及机器基础的不均匀沉降等原因造成转子与转子之间的连接对中超出正常范围,从而引发机器振动或联轴节、轴承损坏的现象[11]。为了分析转子不对中故障产生的影响,可以在实验装置的轴承座下垫薄铜片模拟轴承不对中故障，如图4所示。

图4 转子不对中故障模拟实物图

在化工、石化、电力、钢铁和航空工业部门中使用的高性能旋转机械往往采用滑动轴承支撑,在使用中由于设计不良或其他因素的影响,容易发生油膜不稳定。不稳定的油膜会引起转子较大的振动,发展到某种工作状态时,还会发生高速滑动轴承的一种特有故障——油膜振荡,它是由油膜力引起的自激振动,转子轴颈在油膜中的猛烈振动将会直接导致机器零部件的损坏[12]。通过升高转速至一阶临界转速的2倍以上来模拟油膜振荡的发生,而在发生前的低速状态下,油膜涡动会先期发生。

其他故障如转子摩擦故障、转子支撑部件松动故障等都可以基于此模拟实验台完成。

2 实施案例分析

2.1 基于振动教学实验台的案例实施

为了简化分析,对于旋转机械的振动分析常常将其转子系统简化为梁力学模型,因此本实验的开展具有工程意义[13-14]。该实验模块主要包括固有频率测试、整周期采样、数据的相关分析等内容。

(1) 固有频率测试。分析构件的固有频率可以避免共振现象,减少振动的影响。当在系统静止状态下,施加一次触发脉冲,系统会以固有频率作减幅自由振动。通过测量自由振动信号、画时域图、做频谱分析,可以测量得到固有频率,如图5所示。

通过固有频率的测试使得学生进一步了解了旋转机械的临界转速概念,对信号的时域和频域分析有了更直观的认识,通过实际操作熟悉了工程中信号测试、采集和分析的基本方法和过程。

(2) 整周期采样。采用整周期采样是采样过程中消除误差的有效手段,整周期采样时,通过控制每个周期最后一个点与下一周期开始点之间的间隔,且将其控制在一个小范围内,可以很好地避免误差累积。因此,通过整周期采样所得的振动波形能较真实地反映系统的振动信息。

图5 固有频率测试信号及FFT分析结果

图6为对同一信号分别采用非整周期和整周期采样得到的频谱图,发现整周期采样后,由于采样时间变短,导致频率分辨率降低,但泄漏明显减少,幅值从图6(a)的0.127 mV增加到图6(b)的0.160 mV。

图6 频谱图

(3) 相关分析。利用相关分析可以研究两个以上信号的相互关系,该方法常常应用在工程实践中,如对受干扰的信号进行分析,通过将信号与已知波形的信号进行相关分析可以消除干扰信号,使信号还原。

将采集到的信号通过以下公式进行相关分析:

(2)

(3)

相关分析在课堂教学中属于较难讲解的知识点,学生也普遍反映很难理解,而通过基于振动教学平台的案例实施和动手操作,使相关分析的物理意义更加明确,学生也更容易掌握该知识点。

2.2 基于旋转机械模拟实验台的案例实施

基于模拟实验台(见图2)对典型故障案例开展研究,使学生能更深入地了解其故障特征和诊断方法,为学生提供一个从理论走向实践的平台,锻炼了学生解决复杂问题的能力[15-16]。

图7给出了不同转速下转轴轴颈的轴心轨迹和频谱图,从图7(a)—图7(d)可知,在低转速工况下,由于存在不对中和非线性油膜力的作用,轴心轨迹并没有呈现出圆或者椭圆形状,而是呈不规则形状，如图7(a)所示; 图7(b)是在临界转速附近,由不平衡力引起的基频振动成为主要振动成分,此时轴心轨迹近似为圆; 过了临界转速后,振动值将减小，如图7(c)所示,但随着转速的升高会继续增大,直到发生油膜振荡，如图7(d)所示,这时轴心轨迹变得十分复杂,此时的振动为准周期振动。由频谱图(图7(e))可知,发生油膜振荡时，振动频率为转速频率的一半,且半频幅值已经大于工频幅值,实验现象与课堂理论分析完全一致,进一步验证了不平衡振动和油膜振荡发生的机理,实现了课堂内外、理论和工程的相互融合。

基于该实验台的某些实验属于开放探索性实验,如油膜振荡模拟实验,需要在团队合作下才能最终完成,这样可以与大学生创新创业训练及自主创新项目相结合,能充分锻炼学生的团队协作能力和自主创新能力。

图7 不同转速下的轴心轨迹图和频谱图

3 结语

基于工程教育认证的“成果导向”“以学生为中心”和“持续改进”三个基本理念,在机械设备故障诊断课程中搭建了面向工程问题解决能力培养的实验平台,包括振动信号的测试与分析、典型故障实验模拟两个实验模块。通过具体案例的实施,完成了机械设备故障诊断的基本分析过程。基于该平台的实践锻炼,既巩固了学生在课堂上学习的理论知识,又能培养了学生的工程思维,并在故障分析的过程中提高了解决复杂工程问题的能力。实践证明,基于该实验平台的实验模式起到了很好的教学效果。