基于声音信号的机械设备故障诊断

丁晓雅 朱瑞雯 丁睿

摘要：机械设备在工业生产中具有举足轻重的地位，不但关系到生产效率，而且还与产品质量密切相关。一旦机械设备出现故障，轻则会影响产能，严重时可能造成停产。因此，对机械设备故障进行快速诊断显得尤为必要。基于此点，文章从机械设备关键部件的常见故障分析入手，论述了机械设备故障诊断与监测方法。期望通过文本的研究能够对促进机械设备故障诊断与监测水平的提升和机械设备使用寿命的延长有所帮助。

关键词：机械设备;故障诊断;监测方法

引言

高压断路器是电力系统重要的电器设备，研究表明，机械故障仍然是高压断路器的主要故障，因而实现高压断路器的机械故障诊断具有重要意义。已有的断路器机械故障诊断方法以线圈电流和振动信号为主。线圈电流波形极值点的时间和电流瞬时值等线圈电流波形曲线特征可以反映电磁铁和辅助开关的运行状态，但仅靠电流信号难以全面诊断断路器的各类机械故障，特别是操动机构中电磁铁之外部分发生的机械故障;利用振动信号进行故障诊断属于非电类信号诊断，具有状态信息丰富、信噪比高的优点，但对传感器的安装位置、安装方式一般都有较高要求。

声音信号与振动信号属于同源信号，都由断路器部件的振动产生。声音传感器安装方便，信号受安装方式的影响较小，操作便捷性与振动信号相比具有明显的优势。目前利用声音信号进行故障诊断的研究多集中于轴承等旋转部件，近年来也有研究利用振动信号和声音信号对断路器机械故障进行联合诊断。

1机械设备关键部件的常见故障

机械设备是工业生产中不可或缺的重要组成部分之一，其性能优劣直接关系到生产能效。机械设备是由各种零部件组合而成的装置，这些零部件在长期的运转过程中，难免会出现故障问题，由此会对机械设备的整体性能造成影响，进而导致生产效率下降。下面对机械设备中关键部件的常见故障进行分析。

1.1滚动轴承故障

在机械设备中，滚动轴承是较为重要零部件，因该零部件的运转频率较高，从而使其成为机械设备的易损零件之一。当滚动轴承损伤之后，一些故障便会随之出现，导致滚动轴承损伤的原因有疲劳损伤、摩擦损伤、腐蚀损伤、断裂等。

1.2齿轮箱故障

在机械设备中，齿轮箱是应用较为广泛的部件之一，绝大部分机械设备都有齿轮箱。在机械运行过程中，齿轮箱内的齿轮常常会出现划痕、磨损、断裂等问题，如果这些问题得不到及时有效地处理，则会导致齿轮箱失效。

1.3转子故障

在旋转机械设备中，转子是核心部件，如果转子故障，则会对机械设备的运行稳定性造成影响。转子常见的故障有不平衡、转轴弯曲、不对中、连接松动等。

1.4电动机故障

机械设备是由机械结构和电动机两部分组合而成，如果电动机故障，则会导致机械设备无法正常运转。电动机常见的故障有振动、异响、过热、短路、空载损耗大、三相电流不平衡等。

2机械设备故障诊断的发展过程

设备的故障诊断是指在-定的工作环境下，根据机械设备运行过程中产生的各种信息判别机械设备是正常运行还是发生了异常现象，并判定产生故障的原因和部位，以及预测、预报设备状态的技术。故障诊断的实质就是状态的识别，诊断过程主要有三个步骤：第一步是检测设备状态的特征信号，如振动、噪声、温度等;第二步就是从所检测到的特征信号中提取征兆;第三步是故障的模式识别。机械设备故障诊断技术的发展可以分为以下几个阶段：

①基于故障事件的故障诊断阶段。当出现故障后才检查故障原因和发生部位，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基于故障预防的故障诊断阶段。该阶段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，保证在故障出现之前就能排除故障。这一阶段的诊断手段主要是一些简单的状态检测仪，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基于故障预测的故障诊断阶段。该阶段故障诊断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的状态进行评估，针对不同的设备采取不同的措施。属于正常运行状态的设备，可依据原先的检测计划进行检测;属于故障进行性发展的设备，.重点检测;而个别故障较严重发展的设备，应及时停机进行故障诊断。

3开展故障诊断技术研究的意义

当前，我国工业工作所需的大型设备越来越多，其在生产中的重要性不言而喻，关键设备的检测和诊断技术所带来的社会效益和经济效益，也不断为人们所认识，具体包括：

①预防事故，保证人身和设备安全。②推动设备维修制度的改革。维修制度由预防维修向预知维修的转化是必然的，而真正实现预知维修的基础是设备诊断技术的发展和成熟。③提高经济效益。设备诊断的最终目的是避免故障的发生，使零部件的寿命得到充分的发挥，延长检修周期，提高维修的精度和速度，降低维修费用，获得最佳经济效益。

4机械设备故障诊断与监测方法

当机械设备出现故障时，需要在最短的时间内对故障进行诊断，据此查明故障原因，从而为故障处理提供依据。

4.1振动监测与诊断

在对机械设备进行状态监测的过程中，会遇到以下几种振动：周期振动、随机振动等，振动会产生-定的振幅，其代表的是振动的强度和能量，而频率则是机械振动的主要特征。通过相应的仪器，可以对机械设备的振动情况进行监测，在此基础上能够快速完成故障诊断。可用于机械设备振动监测的仪器有以下几种：涡流式位移传感器、磁電式速度传感器以及压电式加速度传感器，其中压电式加速度传感器的灵敏度较高、频率范围宽、体积小，从而使其成为目前应用较为广泛的振动监测仪器。除了传感器之外，在机械设备振动监测与故障诊断中，还需要使用分析仪器和故障诊断专家系统。利用振动监测与诊断技术，能够对机械设备的滚动轴承故障、齿轮箱故障以及转子故障进行诊断。

4.2噪声监测与诊断

机械设备在运行时，除了振动之外，还会产生一定的噪声，通过对噪声的监测，可以为故障诊断提供依据。对于声音而言，声强和声压是较为重要的参数，同时，这两个参数也是噪声测量的主要对象。近年来，随着科学技术水平的不断提升，使得FFT分析仪，在机械噪声监测中得到广泛应用。

不仅如此，双话筒互谱技术在声强测量中也得到一定的应用，由此不但提高了检测速度，还确保了检测结果的准确性。在机械设备运行现场，对噪声进行测量时，可以借助声级计，该仪器最为突出的特点是能够直接测得声压级。在对机械设备运行中产生的噪声进行测量后，根据所得的结果，便可对机械故障的部位及其程度进行确定。当机械设备运行时发出噪声，便可通过噪声监测与诊断技术，对机械设备的故障进行诊断，从而为故障维修提供依据。

结论

综上所述，机械设备作为工业生产的重要组成部分之一，保证其稳定、可靠运行尤为必要。然而由于机械设备的运行环境较为复杂，加之工作时间长，从而增大了故障发生几率，一旦机械设备出现故障，会对工业正常生产造成影响。所以，应当采取有效的方法，对机械设备故障进行监测和诊断，从而为故障维修处理提供准确依据。在未来一段时期，应当加大对机械设备故障诊断与监测技术的研究力度，除对现有的技术进行改进和完善之外，还应开发一些新的技术，更好地为机械设备故障诊断服务。

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