（机械电子工程专业论文）基于小波理论的隔膜泵机组监测系统开发.pdf

西安建筑科技大学硕士论文 基于小波理论的隔膜泵机组监测系统开发 专业：机械电子工程 研究生：王义 指导教师：段志善教授 摘要 隔膜泵机组的振动以及其它故障是影响机组安全、稳定运行的主要因素。对机 组振动、摆度、温度以及其它影响机组运行的参数的监测就显得至关重要。机组 的在线监测也是提高企业生产运行效益和原料供应保障的重要措施。 本文首先叙述了开展隔膜泵机组的在线监测与故障诊断的意义，接着对隔膜 泵机组的主要故障做了分析，讨论了振动的种类和每种振动的振动特性，对各类 振动的产生信号做了深入研究。 针对隔膜泵机组监测数据的非平稳性、故障信号具有突变性的特性，应用现 代小波分析理论对机组监测和诊断系统的信号进行处理，包括信号采样、信噪分 离、奇异信号的提取、分段信号的提取与分析、弱信号的提取、信号压缩。应用 小波分析实现了从信号的采样到信号的压缩及分析信号处理过程。 结合一些实际机组数据和模拟信号对小波应用的几个方面，给出了分析计算 的实例。说明了小波分析在隔膜泵机组的在线监测与故障诊断系统的应用中具有 很大的优势和潜力，提出了几种适合于隔膜泵机组故障诊断系统的诊断方法。 最后对隔膜泵机组在线监测系统的组成部分进行了介绍。 关键词：隔膜泵在线监测故障诊断小波分析 论文类型：应用研究 西安建筑科技大学硕士论文 r e s e a r c ho nm o n i t o r i n ga n df a u l td i a g n o s i so fd i a p h r a g m p u m p s e tb a s e do nw a v e l e t a n a l y s i s s p e c i a l t y ：m e c h a n i c a la n de l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g n a m e ： w a n g y i i n s t r u e t o r ：d h a l lz h i s h a n a b s t r a c t v i b r a t i o na n do t h e rf a u l to f d i a p h r a g mp u m ps e ti st h em a i nf a c t o rw h i c ha f f e c tt h e f a c t o r yt or u ns a f e l ya n ds t a b l y s oi ti sv e r yi m p o r t a n tt om o n i t o rv i b r a t i o n ，t e m p e r a t u r e ， a n do t h e rp a r a m e t e r t h em o n i t o r i n ga n df a u l td i a g n o s i ss y g e mo fd i a p h r a g m p u m ps e t i sa l s ot h em o s t l ya c tt oi m p r o v et h eb e n e f i ta n dt h ee f f i c i e n tm a t e r i a ls u p p l yo f f a c t o r y t h ea u t h o rf i r s tp r e s e n t st h ep u r p o r to fd e v e l o p st h em o n i t o r i n ga n df a u l td i a g n o s i s s y s t e mo f d i a p h r a g mp u m ps e t i nt h es e c o n d ，t h ea u t h o ra n a l y z e st h ed o m i n a t i n gf a u l t ， a n dt h ec l a s so fv i b r a t i o na n dt h ec h a r a c t e r i s t i co fe v e r yk i n d m o r e o v e r , t h ea u t h o r a n a l y z e st h ec l a s sa n dt h ec o m p o n e n to ft h em o u l t q r i n ga n df a u l td i a g n o s i ss y s t e m ，a n d b r i n g sf o r w a r ds e v e r a ld i a g n o s i sm e t h o d sa p p l i e df o r t h ed i a g n o s i so f t h es y s t e m a i m i n ga tt h en o n - p l a c i d i t yo f t h ed a t ao f t h es y s t e ma n dp a r o x y s mo f f a u l ts i g n a l ， t h em o d e mw a v e l e tt h e o r yi su s e dt od i s p o s et h es i g n a lo ft h es y s t e m ，w h i c hi n c l u d e s s i g n a ls a m p l i n g ，s i g n a ld e t e c t ，s e c ts i g n a ld e t e c t i o n ，m i n i m a ls i g n a ld e t e c t i o n ，s i g n a l c o m p r e s s t h ep r o c e s so fh o wt oa p p l yt h ew a v e l e ti sp r e s e n t e da te v e r ys t e po fs i g n a l d i s p o s a l f u r t h e r m o r e ，t h es o f t w a r ei sp r o g r a m m e d a tl a s t t h ea n a l y s i se x a m p l e sa r ep r e s e n t e dc o m b i n e dw i t l ls o m er e a ld a t ao f p o w e rs e ta n da n a l o gs i g n a l s i ts h o w st h a tt h ew a v e l e ta n a l y s i sh a st h ep r e d o m i n a n c e a n dp o t e n t i a l si nt h em o n i t o r i n ga n df a u l ts y s t e m k e y w o r d s ：d i a p h r a g mp u m ps e t ； w a v e l e t a n a l y s i s ； m o n i t o r i n go n l i n e f a u l td i a g n o s i s t h e s i st y p e ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h i i 声明 本人郑蘧声明我所呈交的论文是我个人在导卿搬导下进行的研究工 管及取舞戆醑究戏果。尽我蜃鲡，除了文中转羽麴以标注窝致爨羹遗方於， 论文中不包含其能入已经发表或撰写过的研究戒聚，也不包含本人戢蒸他 人在其它单位已申请学位或为其它用途使用过的成聚。与我一同工作的同 态对本磅究掰傲懿所有囊熬壹鲁己在论文孛作了费确的说饔并表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担切相关责任。 论文作者签名：j 五文 关于论文使用授权的说明 鼹强：翩石；占 本人完全了簸蹰安建筑科技大学有关保整、使爝学位论文兹规定，邸： 学校有毅保留送交论文的复印律，允许论文搜查阅秘错阕；学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文瓷论文髂密后应遵守此规定) 论文作者签名呶 导孵签钐勿呖 日期：渤箩- 童；谤将藏夏鬻在论文越页。 西安建筑科技大学硕士论文 1 1 课题概述 1 1 1 课题来源 1绪论 课题来源于太原钢铁( 集团) 公司和西安建筑科技大学合作科研项目“隔膜 泵运行状况在线监测系统开发”。 1 1 2 课题的提出 随着现代化工业和科学技术的迅猛发展，冶金、石化、电力等行业的生产过 程向着大型化、系统化、自动化方向发展，己形成了个具有整体行为的链式生 产系统。如果某一关键设备发生故障将导致整个生产过程不能正常运转，甚至会 引起灾难性事故的发生，不仅带来严重的人身伤害，还会造成巨大的经济损失。 我国在过去二十多年中，仅大型电站由于油膜振荡、轴系扭振、摩擦振动等引起 的重大事故就发生2 0 余起，造成上亿元的经济损失。这些重大设备事故的发生， 使得人们把关键设备的运行可靠性和安全性提到了议事的日程上，监视设备状态 的系统应运而生。这些状态监测系统就像一个高明的保健医生，它实时的或者定 期的监视设备的运行状态，发现微小故障，实现设备事故的早期预报，人为及时 排除事故隐患，做到“防患于未然”，避免重大事故的发生。在实际的生产实践中， 还有一种防止设备出现重大事故的方法：定期检修。定期检修的本质就是提前检 修，它强调了设备运行的安全性，但是却降低了设备的利用率。这种对设备“过 分”的维修所消耗的成本可能达到整个维护成本的7 0 【l 】。解决这个问题的方法 就是对设备的状态进行监测，跟踪发现潜在的故障并预测其发展趋势，在真正必 要的时候对设备进行停机修理。由此可以看到，从设备运行的安全性和经济性来 考虑，建立关键设备的状态监测系统势在必行。 随着设备状态监测与故障诊断技术的不断发展，尤其是近些年来，随着计算 机技术和模式识别技术的发展，设备状态监测与故障诊断技术进入了全新的发展 阶段，向着网络化、智能化的方向发展，一方面实现对设备的远程智能监控；另 一方面，通过对设备的状态做出趋势预测，实现设备的预测维护。 太原钢铁( 集团) 公司矿业公司尖山铁矿共有大型隔膜泵机组2 套，设备资 产总值约1 2 亿元人民币。该设备主要用于精铁矿粉浆远距离加压输送。从目前的 运转状况分析，机组的突发性故障停机率呈上升趋势。自2 0 0 0 年投产以来，发生 西安建筑科技大学硕士论文 了多起突发性故障停机，严重影响了矿山的正常生产。在此背景下，该矿和西安 建筑科技大学进行合作，以荷兰g e h o 隔膜泵机组为研究对象，在以往故障诊断 仪器设备和软件的基础上，实施科研项目“隔膜泵运行状况在线监测系统开发” 来完成对该机组运行状况的实时监测和数据分析与处理，达到对其进行状态监测 的目的。 本论文主要以隔膜泵机组为例讨论大型复杂设备状态监测与诊断系统。 1 1 3 课题的意义 研究和开发大型复杂机械状态监测系统具有一定的经济效益和实用价值。该 课题的具体意义表现在以下几个方面： ( 1 ) 由于大型复杂机械结构复杂，在运行的过程中激励源众多，目前还没 有成熟的方法应用于大型复杂机械状态监测系统。通过本课题的研究，构建出实 际的状态监测系统，可以加强复杂机械尤其是往复式机械的理论研究和生产实践 的结合，促进它们共同发展。 ( 2 ) 本课题的完成实现了对大型复杂机械的状态监测，可以避免事故的发 生，降低突发性故障的停机率；同时可以实现设备维修制度由盲目的定期维修向 科学的预知维修的转变，在保证设备运行的安全性与可靠性的前提下减少不必要 的停机检修，提高了设备的利用率：同时也为设备维修提供科学依据，使维修工 作有侧重点和针对性，避免了盲目维修，最大限度地缩短了维修和停机时间。从 而节省了人力、财力和物力，提高了企业生产效益。 0 2 1 1 1 0 l ( 3 ) 本课题在实现过程中用数据库存储、管理数据，用v c n e t 实现信号处 理功能和人机交互界面，加快了状态监测系统的构建，对其它类型状态监测系统 的实现具有借鉴意义。 1 2 文献综述 1 2 1 大型复杂机械设备状态监测与故障诊断方法 设备状态监测与故障诊断技术产生于六十年代，一般指不分解、不破坏设备， 采用现代技术手段和方法，掌握设备的在线状态量，对其异常或故障的原因及其 发展趋势进行预测的技术。它的根本目的是要获得设备运行状态的真实信息，从 而保证设备的正常运行和对维修的正确指导，减少或消除事故，提高设备的生产 率和使用寿命，获得更大的经济效益。j 设备状态监测与故障诊断过程有三个步骤：信号测取，征兆提取和状态识别。 信号测取决定了采用的监测与故障诊断方法；征兆提取这一步往往要借助于各种 西安建筑科技大学硕士论文 信号处理方法来提取信号中反映设备运行状态的信息，即特征量；状态识别是根 据前一步提取的特征量与已有的正常或者故障的特征量进行匹配的过程，如果得 到的特征量和正常状态的特征量高度相符，则设备运行正常，如果只有部分相符， 则设备可能出了故障或者有发生故障的趋势，再与故障的特征量进行匹配，如果 高度相符，则发生了对应的故障，如果部分相符，则可能发生了对应的故障或者 有发生这种故障的趋势。 按照信号测取和征兆提取方法的不同可以把设备状态监测和故障诊断方法 分成三类 2 1 1 4 1 ： ( 1 ) 参数法 参数法是根据介质的参数变化来间接地评价机器技术状况的方法，介质包括 空气、润滑油、冷却水等。这种方法测取的是能量形式的信息，提取反映机器运 行状态的一些参数作为监测和诊断的征兆信息。这种征兆提取方法是建立在热力 学、流体力学和空气动力学原理的基础上的，其理论研究最深入，实际应用也最 广泛。例如：人们在实际工作中通过压缩机的进排气温度、压力、冷却水、润滑 油的流量、温度等对机器的运行性能进行评价【4 】【5 1 ，这就是典型的参数法。 ( 2 ) 振动声学法 这种方法测取的也是能量形式的信息，以波形形式来表现。它通过对设备的 振动、噪声信号的分析处理来诊断机器故障【6 】【7 】i 钔。这类信号与征兆之间存在着统 计关系。因此，可通过各种统计方法从特征信号中提取征兆。这又可以进一步细 分为非参数模型法和参数模型法两类。非参数模型法就是一般的随机信号分析方 法，它包括时域法、频域法、倒频域法、相域法。 在时域法中，可以直接求取特征信号的各阶矩以获得各种统计参数，还可对 特征信号进行周期平均以获得周期信号的特征，还可以在设备一开始运转就监控 每组构件的振动信号，将以后的测试数据与初始数据进行相关比较等，以此来评 定设备的技术状况和确定其剩余寿命。 在频域法中，傅式变换是最基本的方法【1 9 1 。除此之外还有一维谱分析法、多 维谱分析法、相关谱分析法、互谱分析法以及相干分析等等。但由于大型复杂机 械设备结构复杂，存在着大量激励源，所得到的很多振动信号往往是非平稳的随 机信号，利用频域法、倒频域法和相域法对振动信号进行分析的效果并不是太好。 近年来得到极大发展的时频分析方法在非平稳信号的分析中取得了较好的 效果。它将时域和频域组合成一体，对时间和频率局部化，通过时间轴和频率轴 两个坐标组成的相平面得到整体信号在局部时域内的频率组成或者整体信号各个 频带在局部时间上的分布和排列情况。借助于这种在时域和频域同时具有的良好 局部化性质，可以对往复式机械中频率随时间变化的振动信号进行分析，找出不 同时段的不同频带信息来区分出不同的振动源，据此来判断压缩机的部件是否有 西安建筑科技大学硕士论文 故障【lo 】。常用来从振动信号提取特征信息进行故障诊断的时频分析方法有 w i g n e r - v i l l e 分布、短时富氏变换和小波变换。 参数模型法是通过建立特征信号的参数模型来提取征兆的，最典型的方法之 一就是时序模型法。【“】和非参数模型法相比，参数模型法的一个优点是在计算信 号统计特性时没有对采样数据的加窗影响，另一个优点是几乎能将蕴含在采样数 据中的全部信息凝聚在少数的几个模型参数之中。参数模型法在状态监测和故障 诊断中得到了广泛的应用【l ”。 ( 3 ) 介质金属法1 “j 这种方法测取的是物态形式的信息，根据不同的征兆提取方法可分为光谱分 析法、铁谱分析法、质谱测定法和磁性塞子法等。常用的是光谱分析和铁谱分析。 光谱分析技术通过监测机械设备润滑系统中润滑油所含磨损颗粒的成分及其含量 的变化来监测不同部件的磨损情况【l ”。铁谱技术利用高梯度强磁场的作用，将从 设备润滑系统中采取的油样，分离出磨损颗粒，并借助不同仪器检验分析这些磨 损颗粒的形貌、大小、数量、成分，从而对设备的运装工况，关键零件的磨损状 态进行分析判断。1 2 0 j 设备故障诊断技术发展到今天，已成为一门独立的跨学科的综合信息处理技 术，它以可靠性理论、信息论、控制论和系统论为理论基础，以现代测试仪器和 计算机为技术平段，结合各种诊断对象( 系统、设备、机器、装置、工程结构、工 艺过程等) 的特殊规律而逐步形成的一门新兴学科。它大体上由三部分组成：第一部 分为故障诊断物理、化学过程的研究，例如以电气、机械部件失效的腐蚀、疲劳、 氧化、断裂、磨损等理化原因的研究。第二部分为故障诊断信息学的研究，它主 要研究故障信号的采集、选择、处理与分析过程。例如通过传感器采集设备运行 中的信号( 如振动、转速) ，再经过时域与频域上的分析处理来识别和评价设备所处 的状态或故障；第三部分为诊断逻辑和数学原理方面的研究，主要是通过逻辑方法、 模型方法、推论方法及人工智能方法，根据可观测的设备故障表征来确定下一步 的检测部位，最终分析判断故障发生的部位和产生故障的原因。 故障诊断技术可简单地划分为传统的诊断方法、数学诊断方法以及智能诊断 方法。传统的诊断方法包括：振动监测技术、油液分析技术、噪声监测技术、红外 测温技术、声发射技术以及无损检测技术等；数学诊断方法包括：基于贝叶斯决策判 据以及基于线性和非线性判别函数的模式识别方法、基于概率统计的时序模型诊 断方法、基于距离判据的故障诊断方法、模糊诊断原理、灰色系统诊断方法、故 障树分析法、小波分析法以及混沌分析法与分形几何法等：智能诊断方法包括：模糊 逻辑、专家系统、神经网络、进化计算方法( 如遗传算法) 等。 设备故障诊断技术与当代前沿科学的融合是设备故障诊断技术的发展方向。 当今故障诊断技术的发展趋势是传感器的精密化、多维化，诊断理论、诊断模型 西安建筑科技大学硕士论文 的多元化，诊断技术的智能化，具体来说表现在如下方向： ( 1 ) 与当代最新传感器技术尤其是激光测试技术的融合。近年来，激光技术己 从军事、医疗、机械加工等领域深入发展到振动监测和设备故障诊断中，并己经 成功应用于测振和旋转机械对中等方面。 ( 2 ) 与最新信号处理方法相融合。随着新的信号处理方法在设备故障诊断领域 中的应用，传统的基于快速傅里叶变换的机械设备信号分析技术有一新的突破性 进展。 ( 3 ) 与非线性原理和方法的融合。机械设备在发生故障时，其行为往往表现为 非线性。如旋转机械的转子在不平衡外力的作用下表现出的非线性特征。随着混 沌与分形几何方法的日趋完善，这一类诊断问题必将得到进一步解决。 ( 4 ) 与多元传感器信息的融合。现代化的人生产要求对设备进行全方位、多角 度的监测与维护，以便对设备的运行状态有整体的、全面的了解。因此，在进行 设备故障诊断时，可采用多个传感器同时对设备的各个位置进行监测，然后按照 一定的方法对这些封言息进行处理，如人工神经网络方法。 ( 5 ) 与现代智能方法的融合。现代智能方法包括专家系统、模糊逻辑、神经网 络、进化计算等。现代智能方法在设备故障诊断技术中己得到广泛的应用。随着 智能技术的不断发展，设备状态的智能监测和设备故障的智能诊断，将是故障诊 断技术的最终日标。【1 4 1 1 2 2 状态监测故障诊断系统的现状 随着近年来传感与测量技术、数字信号处理技术、声光电学与振动理论、系 统控制理论、计算机应用技术、人工智能技术的飞速发展，尤其是计算机技术的 迅速发展和普及，状态监测及故障诊断研究系统得到了极大的发展，设备故障诊 断技术已逐步形成了一门较为完整的新兴边缘综合工程学科。 该学科以设备的管理、状态监测和故障诊断为内容，以建立新的维修体制为 目标，在欧美、日本以不同形式获得了推广，成为国际上一大热门学科。国内外 的科研机构、公司开发了大量的监测系统并成功的应用于生产实践。 最早发展设备诊断技术的国家是美国。其诊断技术在航空航天、军事、核能 等尖端部门得到广泛的应用，处于领先地位。英国于上世纪7 0 年代初成立了机械 保健与状态监测协会( m r i m g & c m n ) ，该协会为故障诊断技术的开展起了很大作 用。目前，英国在摩擦磨损以及汽车、飞机发动机监测和诊断方面具有领先地位。 欧洲一些国家的诊断技术发展各有特色，如瑞典s p m 公司的轴承监测技术、 a g e m a 公司的红外热像技术、丹麦b & k 公司的振动、噪声监侧技术；挪威的船舶 诊断技术等都各有千秋。 西安建筑科技大学硕士论文 日本的诊断技术研究始于上世纪7 0 年代，1 9 7 1 年新日铁以丰田利夫教授为 首率先研究诊断技术，到1 9 7 6 年己达到实用阶段。日本的诊断技术在钢铁、化工、 铁路等民用工业的诊断技术处于领先。印j 国内近年来也有大量的人员对复杂机械尤其是往复式机械的状态监测系统进 行了深入的研究。四川化工总厂研制了往复式压缩机的运行状态在线监测系统， 实现了活塞杆下沉监测，进、出口气阀温度监测和机体振动监测【1 3 1 。西安交通大 学通过故障树的方式建立了往复式机械故障分析及智能诊断系统，从热力性能和 动力性能两个方面来完成对压缩机状态的监测【。还有许多的研究人员从压缩机 的某一种或者几种故障入手，或者某一个监测方法入手进行了详细深入的探讨， 但是都没有形成一个系统。m l 1 3 本文的主要工作 本文的研究内容主要包括以下几个方面： ( 1 ) 以隔膜泵为例分析大型复杂机械的常见故障类型以及它们的表现形式， 找到合适的监测方法，设计整个状态监测系统的框架结构。 ( 2 ) 构建具体的状态监测系统，完成数据的采集，并讨论用软件的方法来实 现等空间采样的技术。 ( 3 ) 设计系统的数据库并实现它，完成信号处理模块和用户界面的设计与实 现。 ( 4 ) 给出运行实例并对现有系统进行评价。 6 西安建筑科技大学硕士论文 2 系统开发的基础工作 2 1 系统监测设备( 对象) 的确定 2 1 1 诊断对象确定的一般原则 大型机组成套设备包括众多环节，影响其安全运行的因素极多。设备的振动 监测与故障诊断( 简称振动诊断) 是应用最普遍、最基本的诊断技术。据统计，约 有6 0 7 0 的机械故障会通过振动和由振动辐射出来的噪声反映出来“。大型 机械设备的振动信号是一种典型的非平稳振动时变信号，有传动件的啮合振动、 机体与各部件的固有振动以及各种故障振动，所测得的振动信息包括了各种瞬态 振动成分和固有平稳振动。当机械设备发生故障时，由于设备各零部件的结构及 位置等不同，输出信号在各频段中的表现也不同。 对一个具体的工矿企业来讲，如将为数众多的全部设备都选作诊断的对象显然 是行不通的，这不仅增加了诊断的工作量，降低了诊断效率，而且诊断效果也不 理想。另外从经济效益方面来讲也是不划算的。因此，必须在经过充分的调研后， 根据企业自身的生产特点以及各种设备的组成情况，有重点的选择作为诊断对象 的设备，一般情况下优先选作诊断对象的设备应该是： ( 1 ) 直接的生产设备，特别是连续作业和流程作业中的设备； ( 2 ) 一旦发生故障或停机，会造成很大损失的设备： ( 3 ) 故障发生后，会造成二次公害的设备； ( 4 ) 维修周期长、维修费用高的设备，如发动机； ( 5 ) 价格昂贵的大型精密和成套设备； ( 6 ) 没有备用机组的关键设备； ( 7 ) 容易造成人身安全事故的设备； ( 8 ) 故障发生频率较高的设备。 在确定诊断对象时，还应注意点面结合，在尽量多的覆盖设备种类的前提下， 在每种设备中选定至两个进行重点监测，以便取得关于该类设备的全部运行历 史记录。诊断对象的确定是设备诊断面临的第一个问题，也是影响设备诊断技术 的经济和社会效益的关键因素，这些原则般只作参考，在实际确定时还应具体 情况具体分析，总之，我们应该本着量力而行，重点突出的原则，逐步扩大诊断 技术的成果。1 5 1 1 1 q 1 2 1 西安建筑科技大学硕士论文 2 1 2 隔膜泵机组重点检测设备的确定 下面以尖山铁矿矿粉浆输送用隔膜泵为例，对大型机械设备的状态监测和故 障诊断技术的应用进行说明。该隔膜泵为荷兰g e h o 活塞隔膜泵，主要用于对矿浆 加压远距离输送。由于该隔膜泵工作过程中既有往复、旋转运动的振源，如各传 动元件缺陷及负荷变化引起的机械冲击等，同时还存在流体对机体以及泵阀开、 关等对阀座的撞击等，振动信号成分复杂。荷“m g e h o 活塞隔膜泵结构原理图见图 2 1 。 g e h op u m p s ( h i g h p r e s s u r ep i s t o nd i a p h r a g mp u m p s ) 图2 1g e h o 活塞隔膜泵结构原理图见 隔膜泵机组技术参数： 冲程长度：5 0 8 ( m m ) 柱塞直径：2 2 0 ( 衄) 输出流量：1 9 9 ( m 3 ，h ) 出口压力：1 4 6 ( m p a ) 输送介质：铁精矿浆( 密度： 2 1 3 隔膜泵简介 冲程次数： 吸入压力： 电机功率 6 3 6 ( 次m i n ) 设计值0 2 3 ( m p a ) 最大值0 1 5 ( m p a ) 1 1 5 0 ( k w ) 2 0 5 5 t m 3 ，固体含量：6 5 ，颗粒1 6 4 ) 隔膜泵是指在泵的液力端设置隔膜，其周边紧固呈静密封，由它把输送介质 与作用于隔膜且使其不断循环弯曲变形的机械或工作介质隔开，使输送介质既不 外漏也不与其作用动力部分混合的一种无泄漏泵。隔膜形状有薄板圆形，筒状或 波纹管状等：其材料可以是非金属的，也可以是金属的。常见的隔膜泵有往复式机 械作用与液压作用隔膜泵。液压作用计量泵，直动对置式机械作用隔膜泵，回转 式环形隔膜泵等。本文研究对象是g e h o 活塞式往复隔膜泵。 隔膜泵借助于电动机带动减速齿轮箱中大齿轮的旋转运动，由安装在大齿轮 西安建筑科技大学硕士论文 上的曲轴连杆机构转变成动力端活塞的往复运动。往复运动的活塞会使液压驱动 液产生一定的体积变化。液压驱动液使平隔膜产生凹凸变形，驱动平隔膜与隔膜 间的二次液压驱动液。二次液压液将这一运动传递给隔膜。平隔膜和隔膜间的驱 动液可以是任何一种与所输送的流体兼容的不可压缩和不发泡的液体。而该泵在 设计上使输送介质的流通通道是直线形的，介质从进口管路通过单向止逆阀，进 人隔膜，受到隔膜挤压后，通过单向止逆阀进入出口管路，体现了g e h o 隔膜泵 设计上的一个显著的特点是被输送的流体仅与隔膜的内侧和阀门相接触。它可以 在高流量和最低磨损的条件下，处理诸如浆料等粘度非常高、并呈两相流状态的 介质和其他强腐蚀性化学品。 一台完整的往复式活塞隔膜泵系统由传动系统、动力端、液力端、液压辅助 系统、进出口压力流量稳定系统、p l c 集控系统和消振装置组成。其输送介质性 质包括输送介质的密度、粒度、粘度、酸碱度、磨蚀性、温度和重量浓度等指标。 隔膜泵的核心技术由隔膜技术、活塞密封技术、自动化控制技术组成。 2 1 4 隔膜泵的研发与应用 隔膜泵是在往复式活塞泵的基础上，增加隔膜室演变而来，其工作原理及基 本结构早在1 9 5 8 年由法国学者b a l l u 提出。上世纪7 0 年代末，荷兰h o l t h u t s 公司基本解决了其核心技术成熟问题，使泵的连续运转率达到8 5 以上，运行成 本仅为同介质输送其他形式泵的1 6 。从此隔膜泵在工业领域得到广泛应用。隔膜 泵可以高效、可靠地输送化学和机械侵蚀性、浓度各异的浆料或膏状物及高粘度 的流体，因此被广泛的用于矿山精选、冶金烧结尾矿和水处理中污泥的输送，尤 其是中长距离的输送。 尖山铁矿的铁精矿外运采用了当前世界上先进的管道输送技术，在1 0 2 3 k m 长的管道输送线上，只用两台荷兰g e h o 活塞隔膜泵( 以下简称主泵) 对矿浆加压 输送，此活塞隔膜泵是往复式排液泵，特别适合输送磨蚀及腐蚀物质，如矿浆、 渣浆、泥浆等。几年的生产实践证明，此泵不仅能满足尖山铁精矿浆的全部外运， 而且较公路、铁路运输有成本低、损耗少、无污染等优点。 2 1 5 重点监测设备的确定 隔膜泵机组长期连续工作的特点决定了设备状态的好坏是影响设备运行的关 键因素。为确保设备的正常运转，尖山铁矿决定对隔膜泵系统一些关键设备建立 监测系统。隔膜泵机组主要包括电动机( 一台) 、减速器( 一台) 、主泵( 一台) 及其配属输送管道。 通过到尖山铁矿现场调研资料，对整个隔膜泵机组的设备情况进行详细分析， 9 西安建筑科技大学硕士论文 以及该厂计划对该项目投资情况的了解，在该厂已有的一些基础监测与诊断工作 的基础上，我们确定了保证隔膜泵机组正常运行的关键设备( 也就是被监测对象) ： 主泵、电动机、减速器。 图2 2 隔膜泵现场图 2 2 监测系统测定参数的确定 2 2 1 测定参数的选择 机械设备的运行工况往往以一定的状态表现出来，而这些状态又包含在特定 的信号中，我们对设备进行监测与诊断主要是通过获取这些信号然后进行分析， 从而确定设备的故障。对于大多数机械设备来说，振动是每台设备在运行过程中 必然发生的现象。当机械发生故障时，故障信息必然包含在振动信号中，因此通 过对振动信号的检测与分析，我们可以确定设备的故障状况。本课题开发的状态 监测系统采用振动信号作为检测信号。 对于振动诊断而言，可测量的幅值参数有位移、速度和加速度三种。振动测 量参数的选择应该考虑振动信号的频率构成和所关心的振动后果这两个方面的因 素。 1 按频带选定测定参数【2 7 】 从信号频率角度来看，一般随着信号频率的提高，而依次选用位移、速度和 加速度作为测量参数。因为，对简谐振动而言，加速度( a ) 、速度( v ) 和位移 ( s ) 之间存在如下关系：s ：兰：一a ，其中为简谐振动的频率。 m国 以正弦振动为例可以证明上式：对于正弦波有 s ( t ) = s i n c o t 则忡) = 趴f ) m c o s c o t = c o s i n 呼叫f ) 西安建筑科技大学硕士论文 a q ) = s ”o ) = 一国2 s i nc o ( 2 1 ) 由此就不难看出简谐振动位移、速度、加速度之间的关系，通过该关系式， 我们可以得到，当频率低时，位移较大，也就是说位移测定的灵敏度越高。振动 频率越高时，加速度的测定灵敏度越高。通常这三种测量参数的适用频段范围见 表2 1 。 表2 1 按频带选定测量参数指南 测量参数位移速度加速度 适用频带 0 l o o h z1 0 1 0 0 0 h z 1 0 0 0 h z 对振动检测最重要的要求之一，就是能够在足够宽的频率范围内测量所有主 要频率分量的全部信息，包括不平衡、不对中、滚动体损坏、轴承元件径向共振、 油膜振荡等有关的频率成分，其频率范围往往远远超过了1 k h z ，很多典型的测试 结果表明，在机械内部损坏还没有影响到机器的实际工作能力之前，高频分量就 已包含了缺损的信息。因此，测量加速度值的变化及其频率分析常常成为设备故 障诊断的重要手段。 2 根据振动后果选择测定参数 从振动的影响来看，应该根据不同的应用场合来选择相应的振动检测参数， 表2 2 列出了根据振动后果设备的劣化类别而选择参数的参考依据。 其实，选择测量参数也就是对振动信号的统计特征量的选用。有效值反应了 振动能量的大小及振动时间经历的全过程，峰值只反映瞬时值的大小，和平均值 一样，不能全面反映振动的真实特性。因此，在大多数情况下，评定机械设备的 振动量级和诊断机械故障，主要采用速度和加速度的有效值，只有在测量变形破 坏时，才采用位移峰值。【2 8 】 表2 2 根据设备异常选择测定参数表 测定参数设备异常种类举例 位移量或活动量成为问题加工机床的振动，旋转轴 位移 的异常 的摆动 振动能量和疲劳成为问题 速度旋转机械的振动 的异常 冲击等力的大小成为问题轴承和齿轮的缺陷引起的 加速度 的异常 振动 西安建筑科技大学硕士论文 2 2 2 待监测与诊断设备测定参数的选择 经过前面的分析我们确定了送风系统的待检设备为：电动机、减速器和鼓风机， 下面分别对各关键设备进行分析，确定其测定参数。 1 电动机 电动机最高转速n 为8 8 4 r p m ，其回转频率f , = n 6 0 = 1 4 7 h z ，若考虑因轴承 和电流等因素引起的高次谐波，其振动的频段也在中高频段，同样根据振动测定 参数的选择原则，应选择速度或加速度作为测定参数，实际使用时，考虑到测量 仪器，以及测量位置，最后选择速度作为测定参数。 2 减速器 减速器即齿轮箱，其主要组成部分是齿轮副。相对来讲，齿轮的振动与噪声， 尤其是振动是目前公认的最佳征兆提取量。因此本文主要以提取齿轮箱的振动信 号来判断齿轮箱是否发生故障。对齿轮箱振动信号的测定参数的选择主要是在分 析齿轮回转频率的基础上，考虑齿轮振动和啮合产生的振动频率。 被监控的齿轮箱振动频率覆盖低频、中频和高频段，根据其容易产生的故障， 对照前面的按频段选择测定参数的原则，齿轮箱的测定参数应选用加速度。 3 主泵 图2 3 隔膜泵终端的工作不意图 主泵的结构为柱塞泵组是一种往复与旋转机械的综合系统。机械的振动直接 反映了机械运行状态的优劣，因此振动是故障诊断必须监测的参数。隔膜泵终端 的工作示意图如图2 3 。主轴齿轮通过外啮合带动曲轴齿轮转动，从而带动曲轴转 动，曲轴进而推动滑块往复运动，从而使得隔膜泵得以正常工作。其中曲轴齿轮 轴上带有三组曲轴滑块( 图中仅以一组示例) 。主轴的转速一= 2 4 0 7 9 4 转，分钟，则 主轴的旋转频率为4 0 1 h z 。主轴所带的齿轮齿数为2 0 ，因此该齿轮旋转频率 f = 4 0 1 h z ，啮合频率为三2 0 x 4 0 1 = 8 0 2 h z 。齿轮的传动比为i = 3 7 5 ，因此 曲轴齿轮的转速为6 4 2 1 转分钟，一组滑块冲次是6 4 次分钟，这样三组滑块的总 冲次是1 9 2 次份钟，也就是说滑块的冲击频率是3 2 h z 。 信号特征提取是机械故障诊断的关键技术，通常是应用具有特定性质的基元 函数，并根据一定的数学规则将信号展开。例如，在故障诊断中常用的频谱分析 话安建筑科技大学硕士论文 实质上是基于傅立叶基元函数( 正弦和余弦函数) 信号分解的特征提取过程，对于提 取信号中的正弦波信息非常适用。但是对于运动形式复杂的往复机械，应用频谱 分析则有些牵强。【2 9 l 在往复机械中，既存在活塞、连杆等的往复运动，又有曲轴 的旋转运动，尤其是还存在着来自于输送矿浆和机械的冲击。这些冲击发生时间 快，作用时间短，且在往复运动的一个循环中对应着不同的工作过程，其振动信 号是由一系列瞬态的对应于不同振源的冲击响应事件组成的。提取这些单个的瞬 态事件，将来自于不同振源的特征分离开来分别研究和分析，对往复机械的监测 和诊断显然具有重要意义。 2 3 测定周期的确定 确定测定周期时，最重要的是对设备劣化速度进行充分的研究，规定的周期 应不至于忽略严重的异常情况，并尽可能缩短周期。但是，若将测定周期定的过 短，那就是不经济的，所以要为每个设备确定合适的测定周期。根据设备的不同 种类及其所处的工况确定检测周期是设备诊断的一项重要工作内容，目前没有统 一的标准，以下所列仅供参考。 2 6 1 3 0 1 ( 1 ) 定期检测 即每隔一定的时间间隔对设备检测一次。当发现测量数据有变化征兆时，应 缩短检测周期；对于新安装和大修后的机械，应频繁检测，直至运转正常。 ( 2 ) 随机点检 设备操作人员负责设备的日常检测工作，并作必要记录。当发现有异常现象 时，即报告设备专职检测维修人员，进行相应的处理。 ( 3 ) 长期监测 对于某些大型关键设备，应进行在线监测，一旦测定值超过设定的报警阈值 即进行报警，进而选择相应的保护措施。在实际应用中也可以根据现在测定值和 过去的测定值来确定下一次检测的时间，一面进行劣化预测一面定量的确定检测 日期的方法。 对于“隔膜泵在线系统”所监控的设备来讲，它们都属于长期运行机械，设 备的劣化速度相对较快。为了防止出现异变立即造成设备故障情况的发生，应采 用第三种方案，即实行长期在线监测，设定报警阈值，当检测值超过阈值时立即 进行报警，并进行故障诊断，给出参考故障。 2 4 检测设备测定点的确定 选择最佳的测量点并采用合适的监测方法是获取设备运行状态信息的重要条 西安建筑科技大学硕士论文 件。真实而充分的检测到足够数量的能够客观的反映设备运行工况的信号是诊断 成功与否的先决条件。 测定点数量及方向的确定应考虑的总原则是：能对设备振动状态做出全面的 描述；应是设备振动的敏感点；应是离机械设备核心部位最近的关键点；应是容 易产生劣化现象的易损点。【3 3 j 此外，在选择测定点时还要注意考虑环境因素的影响，尽可能的避免选择高 温、高湿、出风口和温度变化剧烈的地方作为测量点，以保证测量结果的有效性； 为保证数据之间的可比性，测量点一经选定，就应进行标记，要保证每次测量在 同一点进行，有研究结果表明，在测高频振动时，测量点的微小偏移( 几个m m ) 将会造成测量值的成倍离散( 高达六倍) 【3 4 】；对于已安装的设备，在装测点时要 注意轴的表面精度和加工状况；对于结构比较复杂的大型旋转机械，有时还需要 增加一些辅助测点，这样才能全面反应所有诊断信息，辅助测点的布置视具体情 况决定，一般在机壳、箱体、基础等部位；测定点多时，测定时要考虑效率问题， 应根据容易产生的劣化现象来重点考虑测定方向。 2 5 1 1 2 6 3 0 图2 4 和表2 3 反映了 “隔膜泵监测系统”传感器安装位置。 圈2 4 传感器安装位置 表2 3 传感器位置布置表 通道测量位置方向测量信号类型 0 1 测点a ( 主电机轴砸向)水平加速度( m s 2 ) 0 2 测点a ( 主电机轴西向)垂直 加速度( m s 2 ) 0 3 测点a ( 主电机轴西向)轴向 加速度( m s 2 ) 0 4 测点a ( 主电机轴西向)温度( ) 0 5 测点b ( 主电机轴东向)水平加速度( m s 2 ) 0 6 测点b ( 主电机轴东向)垂直 加速度( m s 2 ) 4 西安建筑科技大学硕士论文 0 7 测点b ( 主电机轴东向)轴向 加速度( m s 2 ) 0 8测点b ( 主电机轴东向)温度( ) 0 9 测点c ( 减速器)水平加速度( m s 2 ) 1 0 测点c ( 减速器)垂直 加速度( m s 2 ) 加速度( m s 2 ) 1 1 测点c ( 减速器)轴向 1 2 测点c ( 减速器) 温度( ) 1 3 测点d ( 泵主轴西向)水平 加速度( m s 2 ) 1 4 测点d ( 泵主轴西向)垂直 加速度( m s 2 ) 1 5 测点d ( 泵主轴西向)温度( ) 1 6 测点e ( 泵主轴东向)水平 加速度( m s 2 ) 1 7 测点e ( 泵主轴东向)垂直 加速度( m s 2 ) 1 8 测点e ( 泵主轴东向)温度( ) 1 9 测点f ( 泵曲轴西向)水平 加速度( m s 2 ) 2 0 测点f ( 泵曲轴西向)垂直 加速度( r i d s 2 ) 2 1 测点f ( 泵曲轴西向)温度( ) 2 2 测点g ( 泵曲轴东向)水平 加速度( m s 2 ) 2 3 测点g ( 泵曲轴东向) 垂直 加速度( m s 2 ) 2 4 测点b ( 泵曲轴东向)温度( ) 2 5 测点h ( 基座东北角) 垂直 加速度( m s 2 ) 2 6 测点h ( 基座东北角) 水平 加速度( m s 2 ) 2 7测点i ( 基座西南角向)垂直 加速度( m s 2 ) 2 8 测点i ( 基座西南角向) 水平 加速度( m s 2 ) 2 5 判断标准的确定 故障诊断的主要目的之一就是要判断设备有无异常。这就有一个判断标准的 问题，即被测量值多大时表明设备正常，超过某值时，则说明设备异常。”隔膜 泵在线系统”采用的是在线监测的方法，对于在运行中的设备，要想知道它正常 与否，必须将采集的数据与某一个标准进行对照比较，当采集的数据超过这一标 准时，系统自动报警，说明设备可能处于故障状态，需要采取一定措施进行检查 西安建筑科技大学硕士论文 维修，否则，说明设备运转正常，可以继续使用。这个标准就是判断标准。但是 到目前为止，还没有能适用于所有机械设备的通用判断标准，为了研究设备的老 化状态、危险程度等等，必须按照设备各自的情况来确定判断标准。目前常用的 判断标准有绝对判断标准、相对判断标准和类比判断标准。在实际使用时要采用 哪一个，须根据监控的对象设备的情况来确定。1 3 4 2 5 1 绝对判断标准 表2 41 s 0 2 3 7 2 和i s 0 3 4 9 5 标准的振动速度槛值 i s 0 2 3 7 2i s 0 3 4 9 5 适用于转速为( 1 0 2 0 0 r s ，信号频率在l o 1 0 0 0 h z 范围( 适用于转速为1 0 内的旋转机械)2 0 0 r s 的大型机械) 振动烈度中型机 大型 支承分类 小型机械 械( 1 5 透平机 刚性 范围v m a r d m m s f 1 5 k w ) 机械 柔性支承 7 5 k w ) 支承 o 2 8 0 4 5 0 2 8 a a 0 7 1 0 4 5 a优 1 1 20 7 1 a优 b 1 81 1 2 b 2 81 8 cb良 4 5 2 8 cb良 7 1 4 5 c可 1 1 2 7 1 1 8 1 1 2 c可 1 8d d 2 82 8 d 不可 4 5d 不可 7 1