碟式分離機主要故障的分析與故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計
技術(shù)支持
碟式分離機是一種多功能、高效率、多品種的薄層分離機械，普遍應用于化工、食品等行業(yè)，是這些行業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備之一。它的轉(zhuǎn)速一般在6000～10000r/min之間，屬于高速旋轉(zhuǎn)機械。它主要由機座、傳動系統(tǒng)、機殼、轉(zhuǎn)鼓組件和控制系統(tǒng)組成。同其他機械設(shè)備相比，碟式分離機具有以下結(jié)構(gòu)特點：
（1）它的轉(zhuǎn)鼓由一百多個零件組成，而且尺寸較大。
（2）橫軸和立軸相互交錯，它們之間采用螺旋齒輪傳動。
（3）橫軸系統(tǒng)有用單列向心球軸承支承。
（4）立軸上支承為六彈簧彈性支承。
（5）電動機通過離心摩擦離合器驅(qū)動橫軸系統(tǒng)。
結(jié)構(gòu)上的復雜性使碟式分離機故障征兆同故障之間產(chǎn)生了復雜的映射關(guān)系，采用通常的故障診斷方法常常難以奏效，因而對碟式分離進行狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷的研究和系統(tǒng)的設(shè)計具有重大的實際意義。
1 碟式分離機的主要故障
1.1 緩沖彈簧的失效
立軸系統(tǒng)的彈性支承由軸向彈簧和徑向彈簧組成。其中，軸向彈簧是用來緩沖安裝轉(zhuǎn)鼓時造成的沖擊，一般不易失效；徑向彈簧長期處于較大的交變應力作用下，當應力超過了彈簧材料的疲勞極限，就會出現(xiàn)疲勞裂紋，彈簧的剛度就會下降，進一步發(fā)展揮發(fā)發(fā)生斷裂。
1.2 轉(zhuǎn)鼓不平衡
根據(jù)不同的發(fā)生原因，轉(zhuǎn)鼓不平衡故障可分為以下兩類：轉(zhuǎn)鼓在使用過程中產(chǎn)生的 變形；碟片組件的松動。
1.3 軸承失效
大多數(shù)碟式分離機采用滾動軸承來支承橫軸和立軸系統(tǒng)，在正常的情況下，滾動軸承主要有一下失效形式：點蝕和 變形。
在使用維護和保養(yǎng)不當或潤滑、密封不良時，滾動軸承也會出現(xiàn)磨損、膠合、內(nèi)外圈和保持架的破裂等不正常的失效形式。
1.4 螺旋齒輪的失效
螺旋齒輪的主要失效形式有：膠合、磨損、塑性變形和點蝕。
1.5 離心摩擦離合器的失效
在啟動階段，橫軸的轉(zhuǎn)速低于電機的轉(zhuǎn)速，離心摩擦離合器處于打滑狀態(tài)，摩擦片會出現(xiàn)磨損，當磨損達到一定程度以后，碟式分離機就不能達到正常的工作轉(zhuǎn)速，從而直接影響到分離質(zhì)量。另外，如果摩擦片被工作環(huán)境中的油脂、水等污染，也會表現(xiàn)出類似于摩擦片磨損的失效現(xiàn)象。
2 設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷原理
工作設(shè)備在運轉(zhuǎn)時，產(chǎn)生振動和噪聲信號，這些信號中包含有豐富的信息。狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷就是要對這些信號加以處理、分析，得到能正確反映設(shè)備狀態(tài)的信息，以便判斷設(shè)備的工作狀態(tài)，在設(shè)備出現(xiàn)故障時，進一步判斷故障的部位以及故障的嚴重程度。
盡管人們對狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)已經(jīng)進行了大量的研究，但是到目前為止，尚未找到一種可以成功地應用于各種各樣設(shè)備的方法。因此，對于不同的監(jiān)測對象，要進行具體的分析，找出其特有的動態(tài)特性，對可能的方法進行仔細的比較，從中選取切實可行的方案。
3 碟式分離機狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計
3.1 傳感器的選擇
傳感器的選擇直接影響到測得信號的準確性，對狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷的成功與否起著至關(guān)重要的作用。傳感器選擇的主要依據(jù)是被測對象的動態(tài)特性及測試分析的主要目的。碟式分離機的主要故障如本文前部分所述，由于各種故障具有不同的特征及分析方法，為了能夠?qū)Ω鞣N故障正確地監(jiān)測與診斷，就要分別選取不同的傳感器。
在正常工作時，碟式分離機的轉(zhuǎn)鼓高速旋轉(zhuǎn)，過大的不平衡將引起強烈的振動，該振動的頻率為轉(zhuǎn)鼓的旋轉(zhuǎn)頻率，同其它振動相比，這個頻率較低。測試該振動可以用位移、速度或加速度傳感器。在振動的傳播過程中存在有大量的影響因素，例如：齒輪的振動、軸承的振動等，這就使得用速度、加速度傳感器測試的精度受到很大的限制。判斷不平衡量是否超標以及在斷定超標以后要進行的動平衡，都要求有非常 的測試結(jié)果。這樣，較好的方法就是直接測量轉(zhuǎn)鼓的振動位移。相比之下，電渦流式位移傳感器是較佳的選擇。另外，為了測量振動的相位以便進行動平衡碟片松動故障的診斷，同樣需要電渦流式位移傳感器。
齒輪在工作時會產(chǎn)生較高頻率的振動，其中包含有豐富的頻率成分，主要是齒輪的旋轉(zhuǎn)頻率、嚙合頻率、由調(diào)制引起的嚙合頻率的邊頻以及由于故障而引起的固有振動。另外，由于非線性因素的影響，還可能產(chǎn)生以上頻率的諧頻。滾動軸承在使用過程中產(chǎn)生的振動信號中主要包含的頻率成分有：內(nèi)圈、外圈、滾動體以及保持架的通過頻率，由故障引起的相關(guān)元件的固有頻率，由調(diào)制引起的邊頻以及由于非線性因素的影響而產(chǎn)生的各次諧頻。為了較大限度地保證測量的可靠性，應該選用諧振頻率較高的壓電式加速度傳感器來測量齒輪和滾動軸承的振動。
3.2 傳感器的安裝位置及安裝方式
振動在結(jié)構(gòu)中傳播的過程中，會有反射、衍射等情況出現(xiàn)，這就使測到的振動信號變得十分復雜，而且阻尼在材料中普遍存在，隨著傳播距離的增加，振動能量的損失逐步增大，振動每經(jīng)過一個界面能量就會衰減80%，對于高頻信號的衰減程度更大。所以，傳感器的位置距振源越近越好。
齒輪在工作時所產(chǎn)生的振動要由經(jīng)過軸、軸承、機座構(gòu)成的傳播路徑，所以，可以采用相同的安裝于軸承座上的傳感器來測量齒輪以及軸承的振動。盡管有多種安裝方式，為了使高頻信號不至于過多地衰減，采用了螺紋安裝方式，在不易加工螺紋的位置，采用粘接法安裝。
碟式分離機在工作時，機座上也有較大的振動，為了 地測到轉(zhuǎn)鼓的振動，電渦流式位移傳感器不可以直接固定在機座上，否則，測到的轉(zhuǎn)鼓振動信號將被機座的振動所“污染”，可以將電渦流式位移傳感器經(jīng)過隔振處理措施以后裝于機座，或?qū)㈦姕u流式位移傳感器裝在一個架子上，而架子固定于振動較輕之處。
3.3 采樣頻率的選擇
采樣頻率要根據(jù)振動信號中的頻率成分以及分析頻率而定。如果采樣頻率低于極限頻率的二倍，則會出現(xiàn)頻率混疊，以這樣的采樣結(jié)果去診斷，就會導致誤判。過高的采樣頻率會降低頻率分辨率。對轉(zhuǎn)鼓的振動信號采樣時，用較低的采樣頻率，由于分析頻率不同，對齒輪和軸承的振動信號采用不同的采樣頻率。當然，為了不引起頻率混疊，應對測到的模擬信號進行濾波，濾波器的截止頻率只要略高于分析頻率即可。
3.4 特征提取
故障特征的提取是故障診斷中關(guān)鍵、核心的步驟。如果不能有效地提取故障特征，那么故障診斷就不能有一個正確的結(jié)果。針對碟式分離機的各主要故障，采用以下方法：
3.4.1 緩沖彈簧失效特征的提取
用兩只電渦流式位移傳感器，測得轉(zhuǎn)鼓的軸心軌跡。在正常情況下，軸心軌跡是一個圓，緩沖彈簧失效以后，軸心軌跡會變成橢圓，因此用軸心軌跡同圓的近似程度作為緩沖彈簧失效的特征。
3.4.2 轉(zhuǎn)鼓不平衡特征提取
用轉(zhuǎn)鼓的振動位移作為是否存在不平衡的特征，一旦不平衡超標以后，為了進一步判斷造成不平衡的原因，在升速過程中，測得相位曲線，如果相位曲線僅在臨界轉(zhuǎn)速附近變化，那么可以 不平衡是由除了碟片松動以外的其它原因引起，如果相位曲線在一個較大的速度變化范圍內(nèi)波動，那么不平衡是由碟片松動造成的。因此，用轉(zhuǎn)鼓的振動位移和升速過程中的相位變化情況作為不平衡的故障特征。
3.4.3 滾動軸承故障特征的提取
即使在狀態(tài)良好的情況下，滾動軸承在工作時也會產(chǎn)生一定的振動，該振動的產(chǎn)生根源在于滾動體出入承載區(qū)、承載區(qū)中滾動體數(shù)目的不斷變化所引起的剛度變化。軸承元件出現(xiàn)故障以后，在故障點接觸時會產(chǎn)生一定的沖擊載荷，從而導致附加振動的產(chǎn)生。故障出現(xiàn)在不同的元件上所產(chǎn)生的沖擊的間隔時間不同，引起振動的頻率成分也不相同。從原則上講，可以按振動信號中是否出現(xiàn)軸承元件的特征頻率來判定故障是否存在以及故障的部位。然而，由于軸承的非故障性振動、機器中其零部件的振動和故障性振動相互疊加以及測試系統(tǒng)的噪聲的存在，從而使測量信號的頻譜組成非常復雜，故障的特征頻率峰往往被其它譜峰所“淹沒”，為了提高故障診斷的可靠性，采用多種方法提取故障特征，如：時域中的峰值因子、峭度、小波及小波包變換、沃爾什變換等。
3.4.4 螺旋齒輪故障特征的提取
通常，齒輪的嚙合區(qū)可分為單齒嚙合區(qū)和雙齒嚙合區(qū)，輪齒在單齒嚙合區(qū)和雙齒嚙合區(qū)中承受不同的載荷，而齒輪系統(tǒng)在單齒和雙齒嚙合區(qū)中也具有不同的剛度。因此，正常情況下齒輪在工作時也會引起一定的振動。齒輪出現(xiàn)故障以后，輪齒在故障接觸時會產(chǎn)生沖擊載荷，從而誘發(fā)附加振動，附加振動的能量大小同齒輪的轉(zhuǎn)速和故障的程度直接相關(guān)。由于齒輪故障誘發(fā)振動的機理同滾動軸承的類似，所以可以采用類似于滾動軸承的方法來提取故障特征，只是在頻域中的分析區(qū)有所不同。
3.4.5 離心摩擦離合器故障特征的提取
在碟式分離機的啟動階段，用單位時間內(nèi)轉(zhuǎn)速的增加率作為離心摩擦離合器的故障特征。
3.5 故障的識別
在故障診斷中，可以采用專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡等方法對故障進行識別。故障診斷專家系統(tǒng)將故障診斷專家和計算機相結(jié)合，既具有專家的實踐經(jīng)驗和理論知識，又具備計算機運算快速、準確的特點，將各個專家的經(jīng)驗知識融會到知識庫之中，既具有了多數(shù)專家的智慧，又克服了單個專家在問題某一部分上的缺陷。但是，專家系統(tǒng)也存在專家和知識庫之間的“知識瓶頸”、“推理不靈活”、“組合爆炸”和“無窮遞推”等潛在的缺陷。人工神經(jīng)網(wǎng)絡是對人類大腦神經(jīng)網(wǎng)絡系統(tǒng)的一種物理結(jié)構(gòu)上的模擬，它以神經(jīng)元節(jié)點來模擬人類大腦神經(jīng)細胞，以神經(jīng)元節(jié)點間的聯(lián)接強度來模擬人類大腦神經(jīng)中樹突與軸突的作用。具有并行、分布的特點和高的容錯能力、快速的推理能力和強大的聯(lián)想能力。將人工神經(jīng)網(wǎng)絡應用在故障的分類方面具有良好的應用前景。
在碟式分離機的常見故障中，轉(zhuǎn)鼓的不平衡、立軸緩沖彈簧的失效以及離心摩擦離合器的失效等故障的征兆十分明確，而滾動軸承、螺旋齒輪的故障征兆不太明確，特別是在故障的早期，只能采用由一組故障特征組成的向量來描述故障狀態(tài)。因此，在碟式分離機故障診斷系統(tǒng)中，采用專家系統(tǒng)對轉(zhuǎn)鼓的不平衡、立軸緩沖彈簧的失效以及離心摩擦離合器的故障進行分類，用人工神經(jīng)網(wǎng)絡對螺旋齒輪、滾動軸承的故障進行分類。這樣，既不會造成諸如“知識瓶頸”、“組合爆炸”、“無窮遞推”等問題，又不至于導致人工神經(jīng)網(wǎng)絡的過于復雜，降低了訓練的難度，而且分類準確。
4 結(jié)論
用本文所述的原理和方法，建立了碟式分離機狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)在DRJ-460碟式分離機上進行了大量的試驗，用試驗數(shù)據(jù)對該系統(tǒng)訓練以后，對DRJ-460碟式分離機的常見故障進行了分類和識別，結(jié)果和實際情況非常吻合。
