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摘 要：研究旋转机械的故障诊断与预测技术，对于保障机械设备运行的安全性和稳定性具有十分重要的意义。旋转机械的振动信号具有非稳定性和非线性，同时，在强背景噪声工作环境下，旋转机械的微弱故障特征很容易被噪声淹没，此外，当机械系统出现故障时，往往会产生位置不同的复合故障，故障之间相互耦合，从而给旋转机械故障精确诊断带来了挑战，因此，强噪下微弱、复合故障诊断是当今机械故障诊断领域的难点。本文系统分析了当前旋转故障诊断监测技术方法，为相关的研究工作提供了参考。
关键词：旋转机械；故障诊断；技术方法
滚动轴承和齿轮在运转过程中可能会由于各种原因引发失效，其失效形式主要包括为磨损失效、疲劳失效、点蚀、断裂失效、胶合失效等。损伤类故障的原因是滚动体、内圈、外圈滚道和齿轮等表面点蚀、金属剥落或擦伤等。当轴承滚动元件通过损伤点时，会产生突变的周期性冲击脉冲力踌。
现代机械故障诊断是融信号分析与处理技术和先进的传感技术为一体的多学科交叉和融合的新技术。其目的是保证轴承和齿轮等旋转机械在工作环境中，确定工作周期内可靠和有效运行，从而保证机械设备运行的稳定性和安全性。为了适应这一目的，故障诊断是观察、分析和处理能反映旋转机械工作状态的信号，进而达到识别轴承运行状态的目的。机械故障诊断方法主要包括：振动信号分析技术、温度分析技术、油液分析技术和声发射分析技术等方法。
1振动信号分析技术
振动分析技术相比于其他方法的主要优点有诊断效率高、可靠性强和故障定位准确。基于振动信号的检测方法是一种理论和实践都相对成熟的轴承故障诊断手段，其通过对采集的振动信号进行分析得到运转过程中轴承的工况和故障。对于轴承故障诊断设备，一般采用压电加速度传感器对振动信号进行拾取，将之转化成电压信号进行输出。采样模块对调理模块的输出信号进行数字化处理，产生连续的振动信号采样数据流。处理模块对振动信号采样数据流进行接收，按要求对数据进行存储、转发以及相应的运算和分析，最终输出故障诊断结果。
1.1温度分析技术
温度分析技术是通过在轴承座或齿轮箱安装温度传感器监测其运行的温度变化，并根据先验经验设置一定的温度阂值。当温度超过阂值时，则判定轴承或齿轮发生故障。温度监测对齿轮和轴承载荷、转速和润滑情况的变化极为敏感。但是，温度监测技术对于轴承和齿轮箱的早期故障并不敏感，只有当故障发展到一定程度时，温度会有明显的变化。这限制了其在旋转机械早期故障诊断中的应用。
1.2油液分析技术
剥落、点蚀和磨损是齿轮箱和轴承故障的最常见故障形式。油液分析法通过从齿轮箱使用的循环油液中取出油样，采用油液理化分析、清洁度检测、光谱分析等手段判定齿轮箱运行状态。这种方法仅适用于油冷却或油润滑轴承，对于突发故障不能及时预报，并且容易受到其他设备损坏造成的影响，对检测人员的经验要求比较高，使得该方法的应用受到一定局限。但是这种技术涉及的仪器价格低廉，因此可以作为其他诊断手段的一种补充。
1.3光纤分析技术
将光导纤维束制成的位移传感器部署在轴承套圈表面，通过发射和接收光纤束，可以较直接探测轴承的制造质量、磨损程度、载荷、润滑和间隙情况，并对轴承工况和故障做出判断。这种手段具有比较高的灵敏度，但仅适用于轴承座内允许安装传感器的场合。
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2时域信号处理技术
在旋转机械故障的演化过程中，其振动特征随之发生改变，因此，可以利用振动时域参数评估轴承的状态。带量纲的时域统计参数具有明显的阶段性：以滚动轴承为例，当滚动轴承处于良好状态时，统计参数稳定在一个相对较低的水平。初始缺陷统计参数明显增大；在最后阶段，振动信号与量纲的统计参数急剧增加，轴承故障迅速发展直至失效。
振动时域无量纲参数对轴承故障具有较强的灵敏度，当旋转机械无故障时，无量纲参数指标较小且稳定，一旦发生故障时，无量纲参数指标会迅速的增大，对于局部损伤类失效，无量纲统计参数可以有效地表征旋转机械的运行状态。时域无量纲参数主要包括脉冲指标、峰值因子、峭度等。
3频域信号处理技术
3.1频谱分析
基于傅立叶变换的信号频域表示及其能量频域分布揭示了信号在频域的特征，建立了信号时域与频域之间的桥梁，傅立叶频谱分析方法是对信号全局频谱分布的一种描述方法。频谱分析方法是用来描述振幅谱和功率谱，振幅谱表明对应于每个频率的振动振幅和功率谱表示的振动功率的大小和分布。频谱分析是机械故障诊断中最常用的方法，但是，传统的频域分析方法是基于信号的稳定性，只能处理线性信号，并不能表征非线性非稳定性信号在频域的特性，这限制了傅里叶变换在机械微弱故障、复合故障精确诊断领域的进一步发展。
3.2高阶谱分析
随着机械设备故障程度的加剧，振动信号的非线性会越来越强。高阶谱是分析非高斯、非线性、非平稳信号的频域处理工具，具有良好的噪声抑制能力，与功率谱相比，高阶谱反映了机械故障信号的过程统计信息和相位信息，被广泛地应用于机械故障诊断领域。
3.3解调谱分析
解调谱分析又叫包络解调，包络解调方法是常用的调制信号处理方法。当齿轮箱和滚动轴承等旋转机械发生故障时，会有明显的周期性冲击力和振动信号调制，在频谱图上表现为啮合频率两边出现调制边频带。包络解调是从信号中提取调制信息，然后通过低频的故障特征频率判断故障类型和大小。
4时频联合分析方法
机械设备的振动信号是提取故障特征信息的重要载体。传统的时域分析方法和频域分析方法是基于信号的稳定性，并不能表征所有的信号在时域和频域的特性。传统的信号处理方法不能有效地提取故障信号的有效特征。
时频分析方法利用时间和频率的联合函数来对非平稳信号进行分析和处理，可以描述信号的频谱含量的变化规律。时频联合分析的目的是要同时在时间和频率上表示信号的能量，从中提取机械故障信号中所包含的特征信息。
参考文献：
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作者简介：
凌青，身份证号：32090219850112xxxx
论文作者:凌青
论文发表刊物:《防护工程》2018年第32期
论文发表时间:2019/2/27
标签：信号论文; 故障论文; 机械论文; 故障诊断论文; 轴承论文; 方法论文; 齿轮箱论文; 《防护工程》2018年第32期论文;