引言

振動是評價機械設備運行狀態(tài)的重要參數(shù),振動信號分析是機械設備狀態(tài)監(jiān)測和故障預警的核心技術。

近年來,國內(nèi)外科研人員在故障產(chǎn)生機理、振動分析方法、故障診斷策略等方面進行了深入研究,取得了豐富的研究成果。應該說,目前的振動分析與故障診斷技術已經(jīng)取得了長足的進步,相關成果在機械設備故障診斷中得到了應用,有效提高了設備運行的安全性、可靠性和經(jīng)濟性。

隨著經(jīng)濟社會的進步,國家對應急管理日益重視,在機電領域?qū)υO備的風險管控、安全預警也提出了更高的要求。目前的振動監(jiān)測與分析方法,研究重點主要集中在在線監(jiān)測、實時狀態(tài)評估和本地故障預警方面,應急管理屬性不明顯,難以適應智慧應急的發(fā)展需求。在新形勢下,開展基于應急模式的振動信號監(jiān)測與分析方法研究,對提高設備監(jiān)測預警能力、推進應急管理信息化、實現(xiàn)智慧應急發(fā)展目標等具有重要意義和價值。

針對傳統(tǒng)振動檢測技術在信息采集、數(shù)據(jù)分析等方面存在的問題,本文提出了一種基于應急模式的振動檢測與分析方法,該方法為應急模式下振動信號的采集分析提供了新思路,對于推進應急信息化具有較好的應用和推廣價值。

1應急振動檢測模式的內(nèi)涵

1.1傳統(tǒng)振動檢測模式面臨的挑戰(zhàn)

圖1為基于傳統(tǒng)模式的振動檢測分析系統(tǒng)典型結構框圖,系統(tǒng)主要由磁吸式加速度傳感器、測控計算機、振動分析軟件、人機接口、本地報警保護單元等組成。振動傳感器采用磁吸方式與被測對象接觸安裝,通過采集加速度二次信號,間接感知被測對象的振動信息:測控計算機內(nèi)置振動分析軟件,實現(xiàn)振動信號采集、數(shù)據(jù)處理、狀態(tài)評估等功能:人機接口主要包括鍵盤、鼠標、顯示器等,負責實時顯示振動參數(shù)、時域波形和頻域圖譜:報警及保護單元負責本地聲光報警及保護輸出,確保設備安全運行。

傳統(tǒng)振動檢測模式面臨的挑戰(zhàn):

(1)在振動信息感知方面:傳統(tǒng)的加速度傳感器體積較大,且采用磁吸式接觸安裝,限制了測量的適應性,難以解決復雜機械內(nèi)部振動信息的采集問題:由于受原理限制,加速度傳感器只適合動態(tài)振動分析,無法感知靜態(tài)絕對量信息,不能全面掌握被測對象的振動特性。

(2)在故障分析方面:目前振動信號在線監(jiān)測與系統(tǒng)實時狀態(tài)評估技術已趨于完善,但在故障定位、性能維護、壽命預測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一步深入研究。

(3)在預警聯(lián)動方面:目前的研究,預警模型簡單,監(jiān)測數(shù)據(jù)不聯(lián)網(wǎng),僅僅用于本地預警,無法在全網(wǎng)范圍內(nèi)運用人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算等技術深入挖掘數(shù)據(jù)價值,不能適應應急聯(lián)動的需求。

1.2應急振動檢測模式的概念及特征

應急檢測模式是在大力推進應急管理信息化,落實智慧應急發(fā)展目標的背景下提出的,目前尚無統(tǒng)一定義,其概念仍在不斷豐富和完善之中。

應急檢測模式是一種全新的智能檢測模式,利用現(xiàn)代傳感技術提高測量的精度和適應性,采用智能數(shù)據(jù)分析算法提供強大的邊緣計算能力,以通信信息平臺為支撐,運用大數(shù)據(jù)、人工智能、云計算等前沿技術深入挖掘監(jiān)測數(shù)據(jù)價值,將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為有效信息,實現(xiàn)一體化融合預警聯(lián)動。應急模式下的振動檢測應該具有如下典型特征(圖2):

(1)靈活:振動信號的采集不受安裝方式、空間、供電等諸多測量條件限制,具有較高的適應性,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)代傳感技術和數(shù)據(jù)處理算法優(yōu)化測量精度,提高原始測量數(shù)據(jù)的精度水平。

(3)智能:深入挖掘監(jiān)測數(shù)據(jù)價值,采用智能振動分析算法評估設備的健康狀態(tài),及早發(fā)現(xiàn)事故隱患,定位故障部件。

(4)互聯(lián):依托通信技術的飛速發(fā)展,利用數(shù)字化、信息化技術,建立一體化融合預警聯(lián)動機制。

2基于應急模式的振動檢測系統(tǒng)

依據(jù)應急檢測基本理論,設計了如圖3所示的基于應急模式的振動檢測與分析系統(tǒng)。

系統(tǒng)由智能振動檢測器、邊緣計算平臺、顯示預警單元及云端數(shù)據(jù)服務器等四部分組成。其中,智能振動檢測器基于光學傳感技術設計,分布式安裝于規(guī)劃測點,采用數(shù)字信號處理、無線傳感器網(wǎng)絡、移動電源等技術實現(xiàn)振動信號的免約束采集、預處理及無線互聯(lián),具有非接觸、高精度、多功能、靈活方便等優(yōu)點。智能振動檢測器采集規(guī)劃測點的位移、溫度和振動數(shù)據(jù),分別為形位類故障、溫升類故障和振動類故障的診斷和預警提供高精度、可靠原始的測量數(shù)據(jù):邊緣計算平臺內(nèi)部集成了高性能處理器和振動時域頻域算法,通過無線傳感器網(wǎng)絡接收各智能檢測節(jié)點上傳的監(jiān)測數(shù)據(jù),采用智能振動分析軟件,實現(xiàn)邊緣側振動波形顯示、頻譜分析、本地預警保護等功能:振動數(shù)據(jù)、機器狀況、故障參數(shù)等信息通過無線局域網(wǎng)絡上傳云端數(shù)據(jù)服務器,運用大數(shù)據(jù)、人工智能、云計算等技術深入挖掘數(shù)據(jù)價值,實現(xiàn)設備預測維護與聯(lián)動預警。

邊緣計算平臺采用凌華科技推出的智能數(shù)據(jù)采集分析模塊設計,如圖4所示,該模塊具有如下技術特征,尤其適合應急模式下振動信號的采集與處理。

圖4邊緣計算平臺

(1)結構緊湊,操作簡便,工業(yè)級寬范圍供電電源,確保在緊急情況下穩(wěn)定、可靠運行:

(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)總線接口豐富,支持wi-Fi/4GLLE無線通信,滿足數(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)集成與應用擴展,實現(xiàn)報警、保護等功能。

3實驗與分析

在如圖5所示的通風機實驗平臺上,在邊緣側,對本文提出的振動檢測與分析方法進行了實驗研究。

圖5振動檢測與分析實驗圖

振動檢測器軸向安裝,通風機在不同運行狀態(tài)下的監(jiān)測結果如圖6所示,實驗分析如下:

(1)正常狀態(tài)下,如圖6(a)所示,振動信號的頻譜包括基頻分量和多個倍頻分量,頻譜結構穩(wěn)定,各頻率成分均在合理范圍內(nèi),通風機的振動值為3.4um,小于報警閾值,提示系統(tǒng)運行正常。

(2)故障狀態(tài)下,如圖6(b)所示,振動信號的頻譜結構發(fā)生明顯變化,高次倍頻成分顯著增強,通風機振動值迅速增大到13.3um,大于報警閾值,提示系統(tǒng)存在機械故障。

實驗結果表明,本文提出的面向應急的振動檢測方法,實現(xiàn)了邊緣側通風機振動信號的靈活、可靠檢測,通過對振動信號的頻譜分析和強度判定,準確識別故障,為應急模式下振動檢測與故障分析提供了可行的技術解決方案。

4結論

為了推進應急管理信息化,研究應急模式下的機電設備故障診斷與安全預警規(guī)律具有重要意義和價值。本文研究了基于應急模式的振動信號檢測與分析方法,具體如下:

(1)深入分析了傳統(tǒng)檢測模式存在的問題,定義了應急檢測模式的概念,并闡明其關鍵技術特征。

(2)設計了一種面向應急的振動檢測系統(tǒng),分析了應急模式下的故障預警策略,采用無線網(wǎng)絡、邊緣計算、云計算等技術,解決數(shù)據(jù)傳輸與預警聯(lián)動問題。

(3)利用非接觸式光學傳感技術采集原始振動信號,實現(xiàn)了應急模式下振動信息的免約束采集。

(4)本方法為應急模式下振動信號的采集分析提供了新思路,對于推進應急信息化具有較好的應用和推廣價值。