旋转机械故障特征提取与分析技术研究

摘 要在现代工业生产中，旋转机械一直都是传动链上重要的设备之一，因此，预知和诊断旋转机械故障成为工业生产中必不可少的工作。近年来，旋转机械故障诊断技术是发展较为迅速的新技术，而在故障诊断技术中最为重要的是对故障特征信息的提取与分析。怎样有效提取和分析故障特征成为当前故障诊断技术中研究的重点问题。 本文以旋转机械常见故障为研究对象，分析了常见机械故障的失效机理，并应用故障特征提取与分析方法对故障信息进行提取分析，最后判断故障的来源。本文的主要研究内容如下： 1、 对旋转机械常见故障机理进行分析研究 ， 详细介绍了轴承故障 、 齿轮故障和转子不对中故障的特征及其表现形式。设计两种不同的振动信号采集系统分别实现等时采样和等角度采样。 2、 重点介绍了旋转机械故障信号特征提取和分析方法 ， 主要介绍了幅值域分析、时域分析、频域分析、阶比分析等相关分析方法并做了实例仿真。 3、 对故障诊断试验台设置的典型机械故障特征进行提取 、 分析和诊断 。 试验台模拟不同工况下的轴承故障、齿轮故障和转子不对中故障，利用希尔伯特变换和阶比分析分别对等时采样和等角度采样信号进行特征提取，最后根据故障机理来分析故障来源。 通过实验分析证明：希尔伯特变换谱分析和阶比分析能够较为准确地提取不同工况下的典型机械故障特征，并实现故障源的正确识别。关键词： 旋转机械，特征提取，等角度采样，阶比分析m am K K 第 一章 绪 论 .课题背景 .故障特征提取与分析的研究目的与意义 .国内外故障诊断技术发展历史、现状与趋势 .故障 特征提取 技术的研究难点 .本文主要研究内容与创新点 .章 旋 转机械故障机理及信号采集系统设计 .旋转机械故障主要类型 .平行不对中 .角度不对中 .综合不对中 .信号采集方案 .等时采样系统原理 .等时采集硬件环境 .等角度采样系统原理 .等角度采样硬件 .章 故 障信号特征提取与分析方法 .振动信号幅值域特征分析 .时域特征分析 .相关系数 .自相关分析 .互相关分析 .相关性分析实例 .频域特征分析 . 与泄漏 .频谱混 叠 .频谱泄漏 .功率谱 .倒频谱 .小波包分析 .希尔伯特变换分析 .阶比分析 .本章小结 .章 故 障诊断实验分析 .故障诊断实验平台介绍 .等时采样信号故障诊断 .基于阶比分析的故障诊断 .本章小结 .章 总 结与展望 .本文总结 .工作展望 . .文献 .期间取得的研究成果 .论1第一章 旋 转 机 械 系 统 一 般 具 有 结 构 的 复 杂 性 、 环 境 的 特 殊 性 和 多 种 因 素 的 非 线性 等 特 点 ,因 而 在 其 日 常 的 运 行 过 程 中 经 常 会 产 生 各 类 故 障 ,如 果 发 现 和 处 理 不 及时 ,则会降低机械系统的可靠性 ， 严重情况下还会引起功能失效 ,造成巨大的经济损失 ， 甚 至 出 现 机 毁 人 亡 的 安 全 事 故 。 例 如 1992年 德 国 的 厂 里 一台 功 率 为 83 电 机 突 然 发 生 事 故 ,引 起 了 氢 气 爆 炸 并 造 成 严 重 火 灾 ,最 后 直接 的 经 济 损 失 就 达 两 千 多 万 马 克 ； 1998年 我 国 一 个 钢 铁 厂 一 台 大 功 率 鼓 风 机 叶 片发生折断 ,导致这条生产线停产 ,给企业带来严重经济损失 ； 而前苏联的切尔诺贝利核 电 站 事 故 给 社 会 环 境 造 成 了 巨 大 污 染 ， 对 生 命 财 产 造 成 了 巨 大 损 失 。 由 于 这 些安 全 事 故 的 发 生 给 这 个 社 会 带 来 了 巨 大 灾 难 ,使 得 我 们 很 有 必 要 加 强 对 旋 转 机 械 设备状态的监控和分析。 在 风 电 设 备 中 ， 传 动 设 备 故 障 诊 断 系 统 是 保 证 大 型 风 电 设 备 长 期 安 全 稳 定 运行 的 必 不 可 少 的 系 统 之 一 。 特 别 是 最 近 一 段 时 期 ， 我 国 先 后 装 备 了 大 量 大 功 率 风力 发 电 设 备 ， 风 力 发 电 单 台 机 组 的 功 率 越 来 越 大 ， 单 台 设 备 故 障 对 电 网 的 影 响 也相 应 增 大 。 随 着 技 术 的 不 断 进 步 ， 风 电 设 备 越 来 越 复 杂 、 集 成 度 也 越 来 越 高 ， 寻找 、 定 位 故 障 也 越 来 越 困 难 ， 一 旦 发 生 故 障 ， 很 难 进 行 正 常 的 维 修 。 以 上 问 题 对大 型 发 电 机 组 影 响 更 大 ， 急 需 研 究 传 动 设 备 的 故 障 预 测 和 自 动 诊 断 系 统 ， 提 供 设备 使 用 的 状 态 信 息 ， 分 析 设 备 各 部 件 的 服 役 性 能 ， 预 测 各 部 件 的 故 障 ， 在 故 障 征兆出现前期发现故障 、 解决故障 。 在传动设备出现故障时 ， 能及时找出故障位置 、故 障 类 型 ， 以 便 快 速 维 修 。 综 上 所 述 ， 我 国 大 型 风 电 机 组 传 动 设 备 的 维 护 急 需 功能更强性能水平更高的检测设备，以保证其安全性和稳定性。取与分析的研究目的与意义随 着 工 业 技 术 和 科 学 水 平 的 进 一 步 发 展 ， 特 别 是 计 算 机 技 术 的 迅 速 发 展 ， 现代机械设备正向着自动化 、 大型化 、 高速化和智能化方向发展 ， 其功能越来越多 、结 构 越 来 越 复 杂 ， 这 也 使 得 其 在 正 常 运 行 过 程 中 容 易 出 现 了 大 量 的 强 度 、 结 构 、振 动 、 噪 声 、 可 靠 性 ， 以 及 材 料 与 工 艺 等 方 面 的 问 题 。 设 备 损 坏 事 件 时 有 发 生 ，美国石油企业由于设备故障问题导致每年石油产量减少 3%8%， 引起约 200亿的经济损失1。工 业 上 ， 旋 转 机 械 是 应 用 广 泛 的 一 种 机 械 设 备 ， 制 造 业 、 电 力 、 石 化 等 主 要产业中的电动机 、 汽轮机 、 压缩机等企业的核心旋转设备都属于旋转机械的范畴 。旋 转 机 械 设 备 一 般 具 有 重 负 载 、 结 构 复 杂 等 特 点 ， 而 且 处 于 保 证 机 械 系 统 连 续 安全 运 行 的 关 键 位 置 。 与 一 般 的 机 械 相 比 ， 旋 转 机 械 往 往 较 容 易 出 现 各 种 形 式 的 故障 ， 从 而 导 致 设 备 的 不 能 正 常 运 行 ， 轻 微 故 障 影 响 企 业 产 品 的 生 产 质 量 和 效 率 ，严 重 故 障 则 会 导 致 生 产 线 设 备 停 机 ， 整 个 生 产 中 断 ； 有 时 甚 至 会 导 致 生 产 事 故 ，一 旦 发 生 事 故 ， 就 造 成 严 重 的 经 济 损 失 ， 危 及 员 工 的 生 命 和 企 业 财 产 安 全 ， 造 成非常严重的后果。确 保 旋 转 机 械 设 备 的 安 全 运 行 ， 进 一 步 降 低 维 修 费 用 和 延 长 设 备 寿 命 己 成 为企业提高经济效益和社会效益的重要手段 2。 近几十年 ， 旋转机械故障诊断技术在国 内 外 迅 速 发 展 起 来 ， 它 包 含 着 广 泛 的 内 容 ， 具 体 有 ： 机 械 系 统 振 动 异 常 和 机 械部 件 失 效 的 原 因 分 析 、 振 源 估 计 、 故 障 识 别 与 预 测 、 设 备 零 件 使 用 的 稳 定 性 和 可靠性分析以及正常使用寿命的估计等。 在 旋 转 机 械 制 造 过 程 中 ， 故 障 特 征 提 取 与 分 析 技 术 显 得 尤 为 重 要 ， 其 重 要 性不 亚于其他现代先进制造技术，例如常见的计算机辅助设计与制造技术 ( 计 算 机 集 成 技 术 ( 柔 性 制 造 技 术 (3。 旋 转 机 械 故 障特 征 提 取 与 分 析 的 现 实 意 义 使 得 人 们 在 故 障 特 征 提 取 与 分 析 方 面 做 了 充 分 的 探 索和 研 究 ， 逐 渐 形 成 了 一 个 新 的 研 究 领 域 故 障 诊 断 技 术 。 随 着 与 故 障 特 征 提 取与 分 析 相 关 理 论 的 不 断 完 善 ， 以 及 各 学 科 间 融 合 程 度 的 不 断 加 深 ， 特 别 是 自 动 控制 技 术 、 嵌 入 式 技 术 、 信 号 处 理 技 术 、 系 统 工 程 技 术 、 计 算 机 辅 助 设 计 技 术 以 及人工智能等 4相关技术的发展 ， 也使得故障特征提取与分析技术的研究内容逐渐延第一章 绪论3伸开来 ， 主要涉及到的相关领域包括电子计算机技术 、 信号采集与信号处理技术 、传感器与检测技术、故障机理研究以及自动控制与分析技术等 5。故障预测研究工作对于实现机械设备早期故障预备 、 保障设备长期安全运行 、降 低 设 备 全 寿 命 周 期 费 用 、 提 高 设 备 使 用 效 率 、 提 高 设 备 管 理 水 平 及 实 施 科 学 维护等方面具有重要意义，主要表现在以下几个方面 6：（ 1） 及时准确地判断转动链中各旋转机械设备的工作状态 ， 出现异常状态时能 及 时 报 警 并 寻 找 故 障 源 ， 这 样 就 可 以 降 低 经 济 损 失 ， 提 高 机 械 设 备 正 常 运 行 的可靠性，从而保证企业生产过程的顺利进行7；（ 2） 旋转机械故障检测能够发现早期故障及其严重程度如何 ， 从而推进了对机 械 维 修 制 度 的 改 革 。 早 期 发 现 、 状 态 预 知 显 然 优 于 未 知 状 态 下 的 定 期 维 修 ， 从而节约了维修成本； （ 3） 大 型 旋 转 机 械 设 备 故 障 预 测 使 设 备 管 理 从 传 统 的 使 用 阶 段 向 前 推 进 到了 设 备 设 计 阶 段 、 向 后 延 伸 到 了 设 备 改 进 阶 段 ， 有 利 于 提 高 设 备 管 理 水 平 和 生 产管理水平6；（ 4） 旋转机械故障特征提取与分析技术对我国工业技术发展的水平 、 社会经济效益的增长以及综合国力的提高都起到了很大的促进作用。 提取技术发展历史回 顾 国 内 外 专 家 和 学 者 在 旋 转 机 械 故 障 特 征 提 取 和 故 障 诊 断 方 面 的 研 究 ， 可以将故障特征提取技术的发展历史分为如下四个阶段 8:第 一 阶 段 ， 20世 纪 6070年 代 ， 长 期 恶 劣 的 运 行 环 境 导 致 旋 转 机 械 出 现 的 各类 故 障 ， 利 用 简 单 的 信 号 分 析 仪 器 再 加 上 人 类 有 限 的 经 验 知 识 对 常 见 的 故 障 信 号进行分析诊断，解决了部分旋转机械失效的问题。 第 二 阶 段 ， 20世 纪 7080年 代 ， 随 着 数 字 电 路 、 计 算 机 技 术 以 及 信 号 处 理 技术 的 发 展 ， 同 时 ， 随 着 的 提 出 ， 使 得 频 谱 分 析 的 运 算 速 度 成 倍 提 高 。 因此就出现了简单频谱分析仪，进一步提高了故障信息采集与分析的准确性。 第 三 阶 段 ， 20世 纪 8090年 代 ， 随 着 一 些 相 关 技 术 的 发 展 ， 特 别 是 嵌 入 式 技术 、 现 代 检 测 技 术 、 信 号 处 理 技 术 、 模 式 识 别 技 术 与 信 号 特 征 估 计 技 术 等 相 关 的现 代 科 学 技 术 的 迅 速 发 展 ， 许 多 发 达 国 家 投 入 巨 大 的 人 力 和 物 力 研 究 旋 转 机 械 故电子科技大学硕士学位论文4障特征提取与分析技术 6； 因此 ， 旋转机械设备故障特征提取与分析技术研究进入了系统化的阶段。 第 四 阶 段 ， 自 20世 纪 90年 代 以 来 ， 计 算 机 价 格 不 断 下 降 ， 数 据 处 理 速 度 不断 提 升 ， 为 工 业 上 应 用 状 态 预 测 创 造 了 有 利 的 条 件 。 同 时 ， 随 着 计 算 机 网 络 技 术的快速发展 ， 使得基于因特网的远程监测与分析系统越来越多的出现在工业领域 。征提取技术发展现状上 个 世 纪 六 十 年 代 初 ， 美 国 开 展 旋 转 机 故 障 特 征 提 取 与 分 析 技 术 方 面 的 研 究工作以来，故障诊断技术逐渐发展成熟9。 1967年，在美国国家宇航局（ 导下 ， 美国国家宇航局与美军海军研究室 (合成立了 即机械故障预防小组 ， 从此展开了对旋转机械故障特征提取与分析方面的研究工作 10。 此后 ，一 些 研 究 机 构 、 工 厂 企 业 和 部 分 实 力 雄 厚 的 高 校 都 积 极 参 与 了 旋 转 机 械 故 障 特 征提 取 与 分 析 相 关 技 术 的 研 究 ， 而 且 也 取 得 了 一 定 的 成 果 。 同 时 ， 部 分 企 业 和 科 研机 构 也 设 计 生 产 出 某 些 专 业 的 故 障 特 征 提 取 装 置 。 美 国 对 旋 转 机 械 故障 诊 断 及 传 感 器 的 研 制 方 面 都 进 行 了 比 较 深 入 的 研 究1。 美 国 在 旋 转 机 械 故 障 特征 提 取 与 分 析 技 术 水 平 位 于 世 界 前 列 ， 尤 其 是 在 航 天 工 业 、 核 能 工 业 等 与 军 事 相关的高科技领域应用广泛 12。日 本 从 20世 纪 70年 代 就 开 始 了 故 障 特 征 提 取 技 术 方 面 的 研 究 工 作 ， 该 国 由于 积 极 引 进 吸 收 新 技 术 ， 并 在 相 关 方 面 使 其 得 到 更 好 引 用 和 发 展 。 在 民 用 领 域 如化工、钢铁、电力等方面，日本的故障特征提取技术处于较高的水平 13。欧 洲 一 些 国 家 的 旋 转 机 械 故 障 特 征 提 取 与 分 析 技 术 发 展 迅 速 ， 其 中 较 突 出 的有 B 在 线 检 测 旋 转 机 械 的 振 动 与 噪 声 技 术 ； 的 轴 承 监 测 技 术 ；挪 威 的 船 舶 故 障 特 征 提 取 技 术 ； 通 过 红 外 热 像 处 理 的 旋 转 机 械 故 障特征提取技术等在旋转机械故障特征与分析方面都有较大的贡献 14。在国内 ， 关于旋转机械设备故障特征提取技术的研究工作如果从 “第一届全国设备监测与诊断学术会议 ”算起至今已有二十余年 ； 西安交通大学 、 上海交通大学 、北 京 化 工 大 学 、 太 原 理 工 大 学 等 开 展 了 相 关 设 备 早 期 故 障 预 报 研 究 158， 如 上 海交 通 大 学 研 究 了 基 于 循 环 平 稳 特 征 提 取 方 法 19； 西 安 交 通 大 学 开 展 了 基 于 第 二 代小 波 的 弱 故 障 特 征 提 取 研 究 以 及 设 备 性 能 预 测 研 究 20； 天 津 大 学 开 展 了 设 备 微 弱特 征 状 态 识 别 与 早 期 故 障 预 测 技 术 演 技 21； 北 京 化 工 大 学 开 展 了 非 线 性 多 转 子 系统故障预报及自愈调控（ 术研究2。第一章 绪论5随 着 传 感 器 技 术 和 计 算 机 相 关 技 术 的 快 速 发 展 ， 旋 转 机 械 故 障 特 征 提 取 与 分析 技 术 也 取 得 了 较 为 迅 速 的 发 展 。 近 年 来 在 这 方 面 国 内 外 学 者 进 行 了 大 量 的 探 索和研究 23。周 福 昌 等 从 一 阶 、 二 阶 和 高 阶 循 环 统 计 量 理 论 等 方 面 进 行 研 究 ， 详 细 讨 论 了循 环 统 计 量 理 论 在 旋 转 机 械 设 备 的 早 期 故 障 中 特 征 提 取 以 及 发 展 趋 势 24。 循 环 平 稳 和 准 循 环 平 稳 特 性 研 究 旋 转 机 械 早 期 故 障 振 动 特 征 提 取25。 26。 王浩等 定 量 提 取 烟 气 轮 机 振 动 信 号 在 不 同 故 障 状 态 下 的 关 联 维 数 ， 发 现 关 联 维 数 可 以敏 感 地 反 映 系 统 的 不 同 故 障 状 态 ， 将 关 联 维 数 作 为 特 征 量 ， 对 于 非 线 性 故 障 来 说简单有效，能够提高旋转机械故障预报的准确率 27。征提取技术发展趋势随 着 工 业 水 平 和 科 学 技 术 的 迅 速 发 展 ， 在 故 障 诊 断 技 术 中 智 能 化 、 多 信 息 化的 诊 断 方 法 已 经 逐 步 取 代 了 单 一 参 数 阈 值 比 较 的 监 测 方 法 ， 诊 断 方 式 也 由 依 靠 人的 感 官 认 识 和 比 较 简 单 仪 器 向 高 精 度 仪 器 以 及 以 工 控 机 和 服 务 器 为 核 心 的 在 线 诊断系统发展，当前，旋转机械故障特征提取技术的发展趋势具有以下特点28：（ 1）在检测方式上，用在线检测方式代替离线检测方式；（ 2） 在诊断方法上 ， 用基于信息融合 、 信息分解 、 模式识别等技术的智能诊断方法代替单一参数阈值的方法； （ 3）在监测参数上，以单一参数监测向多个参数、多通道数据监测发展。（ 4） 在监测状态上 ， 更多的以监测旋转机械非平稳状态代替平稳运行状态发展； （ 5）在软件设计上，由单任务、单线程系统向多任务、多线程系统发展；（ 6） 在诊断系统结构上 ， 用分布式诊断系统代替集中式诊断系统 、 用网络化诊 断 替 代 单 个 计 算 机 诊 断 。 网 络 化 是 在 计 算 机 网 络 技 术 快 速 发 展 前 提 下 ， 在 机 械设 备 诊 断 领 域 得 到 大 量 应 用 的 一 项 新 技 术 ， 也 是 当 前 旋 转 机 械 设 备 诊 断 技 术 发 展的必然趋势； （ 7） 在诊断系统功能上 ， 用监测 、 诊断 、 预报 、 治理和管理一体化的智能系统 替 代 监 测 、 诊 断 分 开 进 行 的 系 统 ； 诊 断 系 统 正 向 着 速 度 的 快 捷 化 、 检 测 的 灵 敏化 和 诊 断 的 智 能 化 等 方 向 快 速 发 展 ； 故 障 诊 断 方 式 也 向 网 络 化 在 线 诊 断 和 服 务 器后台诊断等多种结合的方向发展。取技术的研究难点为 了 进 一 步 提 高 旋 转 机 械 设 备 运 行 的 安 全 性 ， 诊 断 或 预 知 整 个 系 统 的 工 作 状态，在故障特征提取中遇到主要难题可归纳如下： （ 1）机械设备结构变得越来越复杂，同时受到外部环境影响也越来越大 ， 这样对故障设备进行特征提取与分析的精确度提出了更高的要求。 （ 2）设备结构的千差万别，而且各类故障与其特征没有明显的对应关系 ， 所以利用特征识别还是具有一定的局限性。 （ 3） 虽然人们已经对故障特征提取开展大量研究 ， 而且也取得了较为显著成果 ， 但 是 至 今 仍 然 在 故 障 诊 断 领 域 遗 留 一 些 疑 惑 和 无 法 解 决 的 问 题 ， 还 没 有 一 套比较完善的诊断方法能够适应绝大多数故障。 （ 4） 在大型的 、 复杂的机械设备故障诊断过程中 ， 往往会出现不确定的问题 ，如何利用信息融合技术解决故障诊断的不确定性成为了一个新的难题。 研究内容与创新点本 文 首 先 分 析 了 旋 转 机 械 故 障 机 理 ， 进 而 详 细 地 介 绍 了 故 障 信 号 提 取 与 分 析方 法 ， 针 对 不 同 的 分 析 方 法 设 计 出 不 同 的 故 障 信 号 采 集 方 法 ， 最 后 在 不 同 工 况 下对 故 障 信 号 进 行 诊 断 。 本 文 主 要 从 以 下 几 个 方 面 对 旋 转 机 械 故 障 特 征 提 取 进 行 了详细研究。 第 一 章 为 绪 论 ， 主 要 阐 述 了 本 文 的 课 题 背 景 ， 故 障 特 征 提 取 技 术 的 研 究 目 的和 意 义 ， 国 内 外 的 发 展 历 史 、 现 状 和 趋 势 以 及 故 障 特 征 提 取 技 术 的 研 究 难 点 。 通过 本 章 的 描 述 ， 使 我 们 意 识 到 旋 转 机 械 故 障 诊 断 的 紧 迫 性 和 必 要 性 ， 同 时 也 说 明了对故障诊断的研究又是一项非常复杂的研究过程。 第 二 章 详 细 描 述 了 旋 转 机 械 故 障 机 理 及 其 产 生 原 因 。 本 章 中 主 要 对 旋 转 机 械常 见 的 轴 承 故 障 、 齿 轮 磨 损 和 转 子 不 对 中 等 故 障 的 故 障 特 征 深 入 研 究 ， 同 时 也 给后 续 故 障 信 号 分 析 和 故 障 诊 断 提 供 了 理 论 依 据 。 同 时 ， 本 章 设 计 了 两 种 常 见 振 动信 号 的 采 集 方 法 即 等 时 采 样 和 等 角 度 采 样 ， 并 分 别 介 绍 了 两 种 采 样 方 法 的 系 统 总体结构、采样硬件环境以及上位机软件。 第 三 章 重 点 介 绍 了 故 障 信 号 特 征 提 取 与 分 析 方 法 。 本 章 中 主 要 对 旋 转 机 械 系统 故 障 诊 断 过 程 中 常 见 的 特 征 提 取 与 分 析 方 法 进 行 了 深 入 研 究 。 其 中 着 重 介 绍 了第一章 绪论7振 动 信 号 的 时 域 和 频 域 特 征 分 析 、 小 波 包 分 析 、 希 尔 伯 特 变 换 分 析 以 及 基 于 等 角度采样信号的阶比分析等故障信号特征提取与分析方法。 第 四 章 研 究 了 基 于 两 种 采 样 信 号 的 故 障 诊 断 。 本 章 简 单 的 介 绍 了 故 障 振 动 试验 平 台 ， 并 在 试 验 台 上 设 置 三 类 故 障 常 见 的 故 障 即 轴 承 故 障 、 齿 轮 故 障 和 转 子 不对 中 故 障 。 同 时 ， 本 章 利 用 希 尔 伯 特 变 换 分 析 在 转 速 平 稳 的 工 况 下 对 试 验 台 上 设置 的 三 类 故 障 实 现 了 故 障 诊 断 ， 利 用 阶 比 分 析 方 法 在 升 、 降 速 的 工 况 下 对 模