引言

振動(dòng)是評(píng)價(jià)機(jī)械設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的重要參數(shù),振動(dòng)信號(hào)分析是機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障預(yù)警的核心技術(shù)。

近年來(lái),國(guó)內(nèi)外科研人員在故障產(chǎn)生機(jī)理、振動(dòng)分析方法、故障診斷策略等方面進(jìn)行了深入研究,取得了豐富的研究成果。應(yīng)該說(shuō),目前的振動(dòng)分析與故障診斷技術(shù)已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步,相關(guān)成果在機(jī)械設(shè)備故障診斷中得到了應(yīng)用,有效提高了設(shè)備運(yùn)行的安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性。

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的進(jìn)步,國(guó)家對(duì)應(yīng)急管理日益重視,在機(jī)電領(lǐng)域?qū)υO(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)管控、安全預(yù)警也提出了更高的要求。目前的振動(dòng)監(jiān)測(cè)與分析方法,研究重點(diǎn)主要集中在在線(xiàn)監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)狀態(tài)評(píng)估和本地故障預(yù)警方面,應(yīng)急管理屬性不明顯,難以適應(yīng)智慧應(yīng)急的發(fā)展需求。在新形勢(shì)下,開(kāi)展基于應(yīng)急模式的振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)與分析方法研究,對(duì)提高設(shè)備監(jiān)測(cè)預(yù)警能力、推進(jìn)應(yīng)急管理信息化、實(shí)現(xiàn)智慧應(yīng)急發(fā)展目標(biāo)等具有重要意義和價(jià)值。

針對(duì)傳統(tǒng)振動(dòng)檢測(cè)技術(shù)在信息采集、數(shù)據(jù)分析等方面存在的問(wèn)題,本文提出了一種基于應(yīng)急模式的振動(dòng)檢測(cè)與分析方法,該方法為應(yīng)急模式下振動(dòng)信號(hào)的采集分析提供了新思路,對(duì)于推進(jìn)應(yīng)急信息化具有較好的應(yīng)用和推廣價(jià)值。

1應(yīng)急振動(dòng)檢測(cè)模式的內(nèi)涵

1.1傳統(tǒng)振動(dòng)檢測(cè)模式面臨的挑戰(zhàn)

圖1為基于傳統(tǒng)模式的振動(dòng)檢測(cè)分析系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)框圖,系統(tǒng)主要由磁吸式加速度傳感器、測(cè)控計(jì)算機(jī)、振動(dòng)分析軟件、人機(jī)接口、本地報(bào)警保護(hù)單元等組成。振動(dòng)傳感器采用磁吸方式與被測(cè)對(duì)象接觸安裝,通過(guò)采集加速度二次信號(hào),間接感知被測(cè)對(duì)象的振動(dòng)信息:測(cè)控計(jì)算機(jī)內(nèi)置振動(dòng)分析軟件,實(shí)現(xiàn)振動(dòng)信號(hào)采集、數(shù)據(jù)處理、狀態(tài)評(píng)估等功能:人機(jī)接口主要包括鍵盤(pán)、鼠標(biāo)、顯示器等,負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)顯示振動(dòng)參數(shù)、時(shí)域波形和頻域圖譜:報(bào)警及保護(hù)單元負(fù)責(zé)本地聲光報(bào)警及保護(hù)輸出,確保設(shè)備安全運(yùn)行。

傳統(tǒng)振動(dòng)檢測(cè)模式面臨的挑戰(zhàn):

(1)在振動(dòng)信息感知方面:傳統(tǒng)的加速度傳感器體積較大,且采用磁吸式接觸安裝,限制了測(cè)量的適應(yīng)性,難以解決復(fù)雜機(jī)械內(nèi)部振動(dòng)信息的采集問(wèn)題:由于受原理限制,加速度傳感器只適合動(dòng)態(tài)振動(dòng)分析,無(wú)法感知靜態(tài)絕對(duì)量信息,不能全面掌握被測(cè)對(duì)象的振動(dòng)特性。

(2)在故障分析方面:目前振動(dòng)信號(hào)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)與系統(tǒng)實(shí)時(shí)狀態(tài)評(píng)估技術(shù)已趨于完善,但在故障定位、性能維護(hù)、壽命預(yù)測(cè)等方面研究還不夠成熟,智能化分析算法和診斷策略依然有待進(jìn)一步深入研究。

(3)在預(yù)警聯(lián)動(dòng)方面:目前的研究,預(yù)警模型簡(jiǎn)單,監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不聯(lián)網(wǎng),僅僅用于本地預(yù)警,無(wú)法在全網(wǎng)范圍內(nèi)運(yùn)用人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等技術(shù)深入挖掘數(shù)據(jù)價(jià)值,不能適應(yīng)應(yīng)急聯(lián)動(dòng)的需求。

1.2應(yīng)急振動(dòng)檢測(cè)模式的概念及特征

應(yīng)急檢測(cè)模式是在大力推進(jìn)應(yīng)急管理信息化,落實(shí)智慧應(yīng)急發(fā)展目標(biāo)的背景下提出的,目前尚無(wú)統(tǒng)一定義,其概念仍在不斷豐富和完善之中。

應(yīng)急檢測(cè)模式是一種全新的智能檢測(cè)模式,利用現(xiàn)代傳感技術(shù)提高測(cè)量的精度和適應(yīng)性,采用智能數(shù)據(jù)分析算法提供強(qiáng)大的邊緣計(jì)算能力,以通信信息平臺(tái)為支撐,運(yùn)用大數(shù)據(jù)、人工智能、云計(jì)算等前沿技術(shù)深入挖掘監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)價(jià)值,將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為有效信息,實(shí)現(xiàn)一體化融合預(yù)警聯(lián)動(dòng)。應(yīng)急模式下的振動(dòng)檢測(cè)應(yīng)該具有如下典型特征(圖2):

(1)靈活:振動(dòng)信號(hào)的采集不受安裝方式、空間、供電等諸多測(cè)量條件限制,具有較高的適應(yīng)性,能夠?qū)崿F(xiàn)緊急情況下的免約束、快速信息采集。

(2)精確:采用現(xiàn)代傳感技術(shù)和數(shù)據(jù)處理算法優(yōu)化測(cè)量精度,提高原始測(cè)量數(shù)據(jù)的精度水平。

(3)智能:深入挖掘監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)價(jià)值,采用智能振動(dòng)分析算法評(píng)估設(shè)備的健康狀態(tài),及早發(fā)現(xiàn)事故隱患,定位故障部件。

(4)互聯(lián):依托通信技術(shù)的飛速發(fā)展,利用數(shù)字化、信息化技術(shù),建立一體化融合預(yù)警聯(lián)動(dòng)機(jī)制。

2基于應(yīng)急模式的振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)

依據(jù)應(yīng)急檢測(cè)基本理論,設(shè)計(jì)了如圖3所示的基于應(yīng)急模式的振動(dòng)檢測(cè)與分析系統(tǒng)。

系統(tǒng)由智能振動(dòng)檢測(cè)器、邊緣計(jì)算平臺(tái)、顯示預(yù)警單元及云端數(shù)據(jù)服務(wù)器等四部分組成。其中,智能振動(dòng)檢測(cè)器基于光學(xué)傳感技術(shù)設(shè)計(jì),分布式安裝于規(guī)劃測(cè)點(diǎn),采用數(shù)字信號(hào)處理、無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)電源等技術(shù)實(shí)現(xiàn)振動(dòng)信號(hào)的免約束采集、預(yù)處理及無(wú)線(xiàn)互聯(lián),具有非接觸、高精度、多功能、靈活方便等優(yōu)點(diǎn)。智能振動(dòng)檢測(cè)器采集規(guī)劃測(cè)點(diǎn)的位移、溫度和振動(dòng)數(shù)據(jù),分別為形位類(lèi)故障、溫升類(lèi)故障和振動(dòng)類(lèi)故障的診斷和預(yù)警提供高精度、可靠原始的測(cè)量數(shù)據(jù):邊緣計(jì)算平臺(tái)內(nèi)部集成了高性能處理器和振動(dòng)時(shí)域頻域算法,通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)接收各智能檢測(cè)節(jié)點(diǎn)上傳的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),采用智能振動(dòng)分析軟件,實(shí)現(xiàn)邊緣側(cè)振動(dòng)波形顯示、頻譜分析、本地預(yù)警保護(hù)等功能:振動(dòng)數(shù)據(jù)、機(jī)器狀況、故障參數(shù)等信息通過(guò)無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)絡(luò)上傳云端數(shù)據(jù)服務(wù)器,運(yùn)用大數(shù)據(jù)、人工智能、云計(jì)算等技術(shù)深入挖掘數(shù)據(jù)價(jià)值,實(shí)現(xiàn)設(shè)備預(yù)測(cè)維護(hù)與聯(lián)動(dòng)預(yù)警。

邊緣計(jì)算平臺(tái)采用凌華科技推出的智能數(shù)據(jù)采集分析模塊設(shè)計(jì),如圖4所示,該模塊具有如下技術(shù)特征,尤其適合應(yīng)急模式下振動(dòng)信號(hào)的采集與處理。

圖4邊緣計(jì)算平臺(tái)

(1)結(jié)構(gòu)緊湊,操作簡(jiǎn)便,工業(yè)級(jí)寬范圍供電電源,確保在緊急情況下穩(wěn)定、可靠運(yùn)行:

(2)內(nèi)部集成了高性能處理器,提供基于邊緣的數(shù)據(jù)采集和分析功能:

(3)總線(xiàn)接口豐富,支持wi-Fi/4GLLE無(wú)線(xiàn)通信,滿(mǎn)足數(shù)據(jù)靈活傳輸?shù)男枨?

(4)內(nèi)置數(shù)字量輸入/輸出通道,方便系統(tǒng)集成與應(yīng)用擴(kuò)展,實(shí)現(xiàn)報(bào)警、保護(hù)等功能。

3實(shí)驗(yàn)與分析

在如圖5所示的通風(fēng)機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上,在邊緣側(cè),對(duì)本文提出的振動(dòng)檢測(cè)與分析方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。

圖5振動(dòng)檢測(cè)與分析實(shí)驗(yàn)圖

振動(dòng)檢測(cè)器軸向安裝,通風(fēng)機(jī)在不同運(yùn)行狀態(tài)下的監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖6所示,實(shí)驗(yàn)分析如下:

(1)正常狀態(tài)下,如圖6(a)所示,振動(dòng)信號(hào)的頻譜包括基頻分量和多個(gè)倍頻分量,頻譜結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,各頻率成分均在合理范圍內(nèi),通風(fēng)機(jī)的振動(dòng)值為3.4um,小于報(bào)警閾值,提示系統(tǒng)運(yùn)行正常。

(2)故障狀態(tài)下,如圖6(b)所示,振動(dòng)信號(hào)的頻譜結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化,高次倍頻成分顯著增強(qiáng),通風(fēng)機(jī)振動(dòng)值迅速增大到13.3um,大于報(bào)警閾值,提示系統(tǒng)存在機(jī)械故障。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本文提出的面向應(yīng)急的振動(dòng)檢測(cè)方法,實(shí)現(xiàn)了邊緣側(cè)通風(fēng)機(jī)振動(dòng)信號(hào)的靈活、可靠檢測(cè),通過(guò)對(duì)振動(dòng)信號(hào)的頻譜分析和強(qiáng)度判定,準(zhǔn)確識(shí)別故障,為應(yīng)急模式下振動(dòng)檢測(cè)與故障分析提供了可行的技術(shù)解決方案。

4結(jié)論

為了推進(jìn)應(yīng)急管理信息化,研究應(yīng)急模式下的機(jī)電設(shè)備故障診斷與安全預(yù)警規(guī)律具有重要意義和價(jià)值。本文研究了基于應(yīng)急模式的振動(dòng)信號(hào)檢測(cè)與分析方法,具體如下:

(1)深入分析了傳統(tǒng)檢測(cè)模式存在的問(wèn)題,定義了應(yīng)急檢測(cè)模式的概念,并闡明其關(guān)鍵技術(shù)特征。

(2)設(shè)計(jì)了一種面向應(yīng)急的振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng),分析了應(yīng)急模式下的故障預(yù)警策略,采用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)、邊緣計(jì)算、云計(jì)算等技術(shù),解決數(shù)據(jù)傳輸與預(yù)警聯(lián)動(dòng)問(wèn)題。

(3)利用非接觸式光學(xué)傳感技術(shù)采集原始振動(dòng)信號(hào),實(shí)現(xiàn)了應(yīng)急模式下振動(dòng)信息的免約束采集。

(4)本方法為應(yīng)急模式下振動(dòng)信號(hào)的采集分析提供了新思路,對(duì)于推進(jìn)應(yīng)急信息化具有較好的應(yīng)用和推廣價(jià)值。