（机械电子工程专业论文）基于组件的陶瓷干燥塔管道堵塞故障诊断系统开发.pdf

基于组件的陶瓷干燥塔管道堵塞故障诊断系统开发摘要本课题针对陶瓷行业原料生产中，泥浆喷雾干燥塔喷管易产生堵塞的普遍性问题，开发了基于组件的陶瓷干燥塔管道堵塞故障诊断系统。整个系统选择管内泥浆流动变化引起的管壁振动为特征信号，综合采用频率法，各管道不同时刻的自相性和不同管道同一时间的互相关性进行模糊识别，实现喷管堵塞故障的诊断。传感器拾取的信号经过调理送入u s b 采集器完成a i d转换后，通过数据采集组件将数据提供给数据层组件，信号分析组件从数据层组件中提取实时或历时数据后进行模糊识别，识别的结果通过人机界面组件实时友好的显示喷管的工作状况，做到喷管堵塞故障的实时发现，利于提高粉粒料的质量和生产率。本文阐述了喷雾干燥塔喷管振动机理以及引起喷管振动的原因，从理论上探讨了发生堵塞现象时，喷管振动状态的变化，并结合实际测量数据，分析不同堵塞程度下信号的频谱变化，各管道信号自相关、互相关信息，结合模糊识别理论，给出了具体的故障判断方法；在故障诊断软件开发方面，采用了目前先进的基于组件的软件开发方案，使得系统不仅易于扩充和更换组件模块，并且可以方便移植到相近的故障诊断系统中去。整个软件系统自底向上主要有以下几个组件：数据采集组件，负责采集实时数据；数据层组件，负责保存数据并对数据进行预处理；信号分析组件，负责用模糊识别理论进行故障识别；人机界面组件，负责系统与用户的友好交互。基于组件的陶瓷干燥塔管道堵塞故障诊断系统利用模糊识别理论模糊加权各管道振动信号的特征值，其判断可靠性在实验数据中得到了肯定；利用组件开发技术进行故障诊断软件的开发，使诊断软件的几个模块具有了二进制的兼容性，使得这几个组件模块可以很方便的移植到其它相近软件，避免了软件的重复开发。基于组件的陶瓷干燥塔故障诊断系统取代了传统的人工定时检查喷管状态的方法，及时、准确、可靠，降低了劳动强度，提高了生产率。关键词：故障诊断，模糊识别，组件，喷雾干燥塔d e v e l o p m e n to nc o m p o n e n l 卜b a s e dj a mf a u i j rd i a g n o s i ss y s t e mf o rs p r a yd r y i n gt o w e r ss p r a y i n gt u b e sa b s t r a c ta i m e da ts p r a yt u b e s j a mf a u l to fs l u r r ys p r a yd r y i n gt o w e rt h a tw i d e l ye x i t si nc h i n am a t e r i a lp r o d u c t i o nd o m a i n ，w eh a v er e s e a r c h e da n dd e s i g n e dt h ec o m p o n e n t - b a s e dj a mf a u l td i a g n o s i ss y s t e mf o rs p r a yd r y i n gt o w e r ss p r a y i n gt u b e s i nt h i ss y s t e m ，w eh a v ec h o s e ns p r a yt u b e s v i b r a t i o ns i g n a la sc h a r a c t e r i s t i cs i g n a l ，a c c o m p l i s h e dt h ed i a g n o s i so fj a mf a u l tb yt h em e a no ff u z z yr e c o g n i t i o n ，w h i c hr e l a t e dt of r e q u e n c y , a u t oc o r r e l a t i o n so fs p r a yt u b e sa td i f f e r e n tt i m ea n dc r o s sc o r r e l a t i o na tt h es a m et i m e a f t e rr e g u l a t e di nc i r c u i to fs i g n a ld i s p o s a la n da dt r a n s i t e di nu s ba c q u i r i n gb o x ，t h es i g n a la c h i e v e db ys e n s o ri st r a n s m i t t e di n t od a t aa c c e s sc o m p o n e n tt h r o u g hd a t aa c q u i r i n gc o m p o n e n t s i g n a la n a l y s i sc o m p o n e n td ot h ef u z z yr e c o g n i t i o na c c o r d i n gt ot h ed a t aa c c e s sf r o md a t aa c c e s sc o m p o n e n t a f t e rr e c o g n i t i o n ，t h es p r a y i n gt u b e s w o r ks t a t e sw i l lb ed i s p l a y e do nt h es c r e e nt h r o u g hh m ic o m p o n e n t t h i ss y s t e mc a nf i n dt h ej a mf a u l t sj u s ti nt i m es oi th a sg r e a te f f e c to ni m p r o v i n gp o w d e rq u a l i t ya n dp r o d u c t i v i t y i nt h i sp a p e r ，w eh a v ee x p a t i a t e ds p r a y i n gt u b e s v i b r a t i o nm e c h a n i s ma n dt h ec a u s e st h a tm a k es p r a y i n gt u b e sv i b r a t e ，p r o b e di n t os p r a y i n gt u b e s v i b r a t i o ns t a t et r a n s f o r m a t i o nw h e nj a mo c c u r s ，a n a l y z e ds i g n a l s s p e c t r u m ，a u t oc o r r e l a t i o n s ，c r o s sc o r r e l a t i o n su n d e rd i v e r s ej a md e g r e ec o m b i n e dw i t hr e a lm e a s u r ed a t a ，c o m b i n i n gt h ef u z z yr e c o g n i t i o nt h e o r y ，w eh a v ep u tf o r w a r dt h em e t h o do fj a md i a g n o s i s t h ef a u l td i a g n o s i ss o f t w a r ei sd e v e l o p e du n d e rt h et h e o r yo fc o m p o n e n t b a s e ds o f t w a r ed e v e l o p i n ga r c h i t e c t u r e ，s ot h i ss y s t e mn o to n l yc a nb ee x t e n d e de a s i l y ，b u ta l s oc a nb em i g r a t e di n t ot h ed i a g n o s i ss y s t e mw h i c hi ss i m i l a rt ot h i ss y s t e m t h ew h o l es o f t w a r ei sm a i n l yd i v i d e di n t of o u rc o m p o n e n td e p a r t m e n t ，f r o md o w nt ou p t h a ti sd a t ai ia c q u i r i n gc o m p o n e n t ：m a i n l yt oa c q u i r er e a l - t i m es i g n a l ，d a t aa c c e s sc o m p o n e n t ：m a i n l yt os a v ed a t aa n dd ot h ep r e p r o c e s s i n gj o b ，s i g n a la n a l y s i sc o m p o n e n t ：m a i n l yt od i a g n o s i st h es t a t eo fs p r a y i n gt u b e s ，h m ic o m p o n e n t ：m a i n l yt od i s p l a yt h es t a t eo fr e s u l t c o m p o n e n t - b a s e dj a mf a u l td i a g n o s i ss y s t e mf o rs p r a yd r y i n gt o w e r ss p r a y i n gt u b e su s ef u z z yr e c o g n i t i o nt h e o r yt oc o m b i n et h ec h a r a c t e r i s t i c so fv i b r a t i n gs i g n a l t h i sm e t h o d sr e l i a b i l i t yh a sb e e nt e s t i f i e db vt h er e a lm e a s u r ed a t a b e c a u s eo fc o m p o n e n t - b a s et e c h n o l o g y , t h ef o u rp a r t so fs o f t w a r eh a v et h ea b i l i t yo fb i n a r y - c o m p a t i b l e ，w h i c hm a k ei tc a nb ee a s i l yr e p l a n t e dt ot h eo t h e rs i m i l a rs y s t e m c o m p o n e n t b a s e dj a mf a u l td i a g n o s i ss y s t e mf o rs p r a yd r y i n gt o w e r ss p r a y i n gt u b e sr e p l a c e st h et r a d i t i o n a lm e t h o dt h a tj u d g e st u b e s w o r ks t a t eb yt o u c h i n ga r t i f i c i a l l y ，i tr e d u c e sw o r k e r s l a b o ri n t e n s i t ya n di m p r o v e sp r o d u c t i v i t y , w h i c hh a ss u c ha st i m e l y ，a c c u r a t ea n dc r e d i b 】ee x c e l l e n c e s k e yw o r d s ：f a u l td i a g n o s i s ，f u z z yr e c o g n i t i o n ，c o m p o n e n t ，s p r a yd r y i n gt o w e rn基王绝丝墼堕堡王堡堑笪童蕉塞丝堕丝堑壅丝丛窭原创性声明及关于学位论文使用授权的声明原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名：本妊囊日期：2 q qz 生旦关于学位论文使用授权的声明本人完全了解陕西科技大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权陕西科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。( 保密论文在解密后应遵守此规定)论文作者签名：衅红轧导师签名：、垦兰! 二日期：2 q q z 生垒月基王玺荭笪隍窭王缝垡亘堂缝耋墼睡途堑丕丝婴窭第一章绪论1 1前言n ，m t ，设备状态监测和故障诊断技术是近十多年来发展最迅猛的一门新兴综合性应用学科，它包括测试技术、状态监测和故障诊断三大基本内容。该技术是利用传感检测技术、信号处理、模式识别、系统理论、预报决策、可靠性分析、电子技术、计算机技术及有关专业技术领域的研究成果，以设备及其群体为研究对象，根据设备在运行过程中的二次效应( 如热力参数、电磁参数、机械力学参数、各种性能参数等) 及其动态变化，在设备运行过程中( 不影响设备正常工作) ，对设备运行状态进行监测，得出是否有故障、故障种类、故障部位、故障严重程度、故障发展变化趋势等诊断结果，判断设备性能劣化趋势，并制定出相应对策和处理方法。该技术是实行设备科学管理、保障设备经济安全运行，推广设备状态检修( 也称状态检修) 体制的技术基础，也是提高系统安全性、可靠性及可用性的一个极为重要的方法，受到了越来越多的关注。设备状态监测和故障诊断技术以“状态监测”为指导思想，通过现场获取设备运行时的实时状态信号，然后对状态信号进行分析处理后，证明有必要时才安排检修。它不规定检修周期，但须定期或连续对设备进行状态监测和故障诊断，并根据其结果，查明设备有无异常或故障趋势，在必要时进行检修。这种方法根据其投入和产出效果，一般应用于流程作业或关键设备。它能在设备失效前监测和诊断出存在的故障，并可利用预测预报技术，较准确地估计出继续运行的可靠时间，因而使设备的使用寿命最长和意外停机事故的机率最小。同时，还因为控制了“过剩检修”，从而减小了备件消耗和检修工作量，也防止了因不必要的检修而出现人为故障。总之，设备状态监测和故障诊断技术具有以下优点：1 、避免“过剩检修”，防止因不必要的拆卸使设备精度降低。2 、延长设备寿命。3 、缩短检修时间，降低检修费用，提高生产效率和经济效益。4 、减少和避免重大事故发生，不仅能获得巨大的经济效益，而且能获得良好的社会效益。5 、提高设备的可用系数。本课题将该技术应用于陶瓷行业普遍采用的喷雾干燥塔，来判断喷管是否发生堵塞故障，以期获得良好的经济和社会效益。隧酉型拄盔堂亟堂焦j 盆塞1 2课题的研究背景m m w1 2 1喷雾干燥技术及喷雾干燥塔简介喷雾干燥是干燥领域应用范围很广的一种干燥技术。喷雾干燥是使液态物料经过喷嘴雾化成细微的雾状液滴，以获得大的体表面积，在进入干燥塔内流动的热力场后，雾状液滴立即被干燥并分离为粉料的热力过程。进料可以是溶液、乳浊液、悬浮液、糊状物、胶状液体等可流动的液体。自从1 8 7 2 年美国人塞缪尔帕西( s a m l u e lp e r c y ) 的喷雾干燥技术专利发明至今，喷雾干燥技术已广泛应用于医药、陶瓷、染料、塑料、化肥、食品、环保等领域。喷雾干燥塔是一种常见的喷雾干燥设备，通过它将料液雾化干燥成粉粒材料或产品。图卜1 所示是陶瓷行业常用的一种喷雾干燥塔( t c i p 系列) 的外形图。该系列喷雾干燥器采用泥浆雾化干燥法制各压力成型用的坯粉料，是建筑陶瓷、日用陶瓷和电瓷工业的常用设备。图1 - 1 喷雾干燥塔的外形f i g1 1f i g u r eo fs p r a yd r y i n gt o w e r2基王塑丝笪盥鸯王丛拦重遵垄墨丝匝途堑丕丝婴宜1 2 2喷雾干燥塔的构造及工作原理上述喷雾干燥塔构造如图卜2 所示：中间是一上部为圆柱形、下部为圆锥形的圆筒，这个圆筒称为干燥塔9 ，圆筒的顶部有热风风管6 和升降阀门8 ，底部为粉料出口。粉料出口的上方有排气管，在简体的中间装有压力式雾化器1 0 。1 泥浆泵2 雾化风机3 - 配温风机4 - 烧嘴5 热风炉6 - 热风风管7 废气烟囱3 升降阀门9 干燥塔l o - 压力式喷嘴l l 捕 风风机1 2 铂环水泵1 3 沉淀池1 4 水封器1 5 洗涤塔1 6 旋风分离器1 7 叶轮给料机1 8 振动筛嘲卜2 喷雾干燥塔构造和工作原理f i g1 2s t r u c t u r ea n dw o r kt h e o r yo fs p r a yd r y i n gt o w e r操作时，泥浆在泥浆泵的压力作用下，经管道送入雾化器中，泥浆被分散成许多细小的液滴，热空气从项上经热风风管和升降阀门进入圆筒内，当热空气和液滴相遇时，彼此之间产生强烈的热量传递，液滴中的水分迅速蒸发，很快成为干燥的粉粒，最后沉降到筒体底部，从粉料出口排除，带有少量细粉的干燥尾气则经过旋风分离器等搜尘设备把其中的细粉搜集后放入大气中。整个系统在负压下操作，可以防止粉尘外逸。用喷雾干燥塔实现干燥脱水，可以使操作过程自动化、连续化，减少操作人员。同时泥料的含水量可以通过调节粉料与泥浆的配合比例准确的予以控制，质量稳定、操作可靠。然而，喷雾干燥是用物理方法脱水的，需要供给热量作为水分蒸发之用，同时浆料雾化还要消耗能量，而且设备也比较复杂和庞大。尽管如此，对于大规模生产，特别是用于生产干压粉料，总的来说还是比较经济合理的。1 3课题的提出1 3 1喷嘴故障的产生及原因分析由于喷雾干燥器要求液滴的平均直径为几十至几百a m ，分散浆料使之成为细小的液滴，所以对于雾化器的设计和应用都是十分重要的。压力喷嘴式雾化器的构造如图1 3 所示。浆料用泵在较高的压力( 通常为2 m p a 左右) 下沿切线方向送入雾化器中，在雾化器的旋流室中，泥浆产生强烈的旋转运动，然后高速从喷嘴喷出，喷出的料浆在空气中由于摩擦作用而被撕裂成细小的液滴。卜雾化器座2 一压盖3 一导流板4 _ 切向槽板5 一喷嘴图卜3 压力式喷嘴雾化器f i g1 3p r e s s u r es p r a y i n gs p i g o t然而，由于塔内热风烘烤和浆料浓度变化的累积效应，雾化器经常发生堵塞故障，导致喷管堵塞，从而使喷出的浆料减少，导致干燥塔产量下降。同时由于顶部热风按照预定标准不变，致使浆料含水量减少，严重影响产品质量。陶瓷行业普遍应用的是逆流式喷雾干燥塔，雾滴的运动与气流方向相反，浆料浓度变化影响更大，堵塞现象表现得尤其显著。4基王绝盘啦囱查王龌搓重踅撞垂墼睦途堑丕玺丛鑫1 3 2 ，常用的喷管故障排除方法及其弊端由于喷嘴在塔内不能直接观察到，所以只能通过检查和喷嘴相连的管道来判断喷嘴是否堵塞。现阶段，所有的陶瓷生产厂家对喷管堵塞问题采用的方法是：指定某一工人在塔外定期或不定期的检查，一般是每3 0 分钟检查一次。检查所使用的方法是，逐一触摸塔体外的各个喷枪软管，感知喷管的振动，如果喷管振动幅度较大，频率不稳则认为喷嘴已经堵塞，或者直接打开塔中间的小窗，使用应急灯检查喷嘴口的喷片( 即检查雾化角的大小) ，看是否有液体喷出。如果堵赛，则需将喷管从塔中取出，换上备用管。为了尽量减少堵塞故障发生，工人需不时( 大约1 5 分钟) 用橡胶锤敲打喷管的硬管部分。该方法简单直观，便于工人操作。然而由于喷塔体积庞大( 高度一般大于2 0 米) ，喷管数目较多( 一般在1 2 - 4 8 之间，多的有5 0 6 0 根喷管) ，且工作环境恶劣( 高温、高压、多粉尘) ，检查时，需有专人在离地面十多米高的塔体中部值班，且需逐一检查各路喷管，一方面劳动强度大，另一方面由于检查与工人的经验有直接关系，故障有时可能难以发现。总之，现在采用的这种方法很难做到故障及时排除。这种故障不能及时发现和排除是生产厂家面临的一个普遍性问题。此外，喷头在使用过程中也存在机械失效问题，影响到粉粒的加工质量。这样的故障目前也做不到及时排除。1 3 3课题的来源本课题是是针对佛山市众多陶瓷生产厂家提升质量，提高竞争力的需要而进行的特定研究。它是我的导师曹巨江教授申报批准的佛山市2 0 0 3 年自然科学基金项目。1 4国内外研究概况m m关于雾化技术的研究国外比较深入，美国、日本、捷克和奥地利的都有不少专利。研究方向主要集中在提高雾化干燥的热效率、雾化空气动力学和雾化设备结构几个方面，国内这几年也有很多研究，除了上述的几个研究方向外，与行业结合比较紧密。对雾化器的堵塞问题，一般性的技术措施主要有：浆料过滤；改善喷嘴设计等。关于喷嘴故障的诊断和在线检测还未见到有关文献或报道。开发喷雾干燥塔喷管故障在线检测和控制系统这一课题是由喷雾干燥塔的使用厂家提出的，生产上急需，并带有一定的普遍意义。最近我校佛山研究院的各位老师开始在这方面进行了一些研究，并已计划申报实用新型专利。干燥技术及其配套技术在工业应用中还具有很多的研究余地，潜力是巨大的。隧酉毯基丕堂亟堂垃逾窑1 5课题研究的意义对于喷雾干燥塔喷管堵塞故障和机械失效问题，若能研究和开发一套对喷雾干燥塔多个喷管进行逐个在线检测的系统设备，实时显示喷管的工作状况，一旦某个喷头工作状态发生异常，该系统将给予提示，使故障得以及时排除。这对于提高喷雾干燥塔的生产效率和粉粒质量，降低工人们的劳动强度，减少对工人技术水平的依赖，提高喷雾干燥塔的自动化水平，推动各行业粉粒制造技术的进步，都有着明显的经济效益和社会效益。本项目的研究开发应用市场十分广阔。仅陶瓷行业而言，几乎所有的墙地砖生产都采用喷雾造粒工艺。这样的企业全国有上千家，每个企业几乎都有两个或多个喷雾干燥塔。由于陶瓷浆料为悬浮液，浓度很大，喷嘴容易堵塞，这类故障成为令企业头痛的问题。使用该检测系统，对于生产能力为4 0 0 0 k g h 喷雾干燥塔，即使在生产效率、节能等方面提高1 ，其效益都是很可观的。所以对陶瓷粉粒喷雾干燥塔喷雾管故障诊断的研究市场潜力巨大。该检测系统在医药、陶瓷、染料、塑料、化肥、食品、环保等领域的喷雾干燥方面均有一定市场，主要有两个方面，一是企业现有喷雾干燥塔的技术改造；二是作为独立的产品与喷雾干燥塔生产厂家配套。从发展前景看，提高制造业的自动化水平，发展先进制造技术是制造业的必由之路。该在线检测系统的应用，有利于提高喷雾干燥生产的自动化水平，发展前景广阔，而且，这种发展将是持续的。1 6课题研究的主要内容本课题主要以逆流式喷雾干燥塔喷管的堵塞原理、基于组件的诊断软件实现为研究内容。在喷雾干燥塔管道堵塞原理上，具体研究开发内容和要重点解决的技术关键问题有：l 、喷管内泥浆或其它物质流动状态信号拾取。即拾取什么信号? 如何正确地拾取信号?“2 、如何对获取的数字信号进行运算，提取故障特征?在基于组件的陶瓷干燥塔管道堵塞故障诊断系统软件实现方面，具体研究开发内容有：l 、基于组件系统需求模型及主要用例分析。2 、系统数据库分析与设计。63 、组件提取与编程实现。4 、软件的调试和整个系统的现场试运行。项目进行过程中实验数据的来源主要使用以前采集回来的数据，先在软件上做模拟测试后再去现场做现场试运行。此项目使用的实验平台如图1 4 所示，利用l c 0 1 0 7 t 压电加速度计作为实验传感器，调理电路选用l a n c el c 0 2 0 1 2 ，采集器为u s b 接口的1 3 a 3 0 0 s 。图i 4 ：实验硬件图f i g u r e l - 4h a r d w a r ec i r c u i tf o re x p e r i m e n t7医酉型这丕竺亟堂篮i 盒塞第二章特征信号的选择及处理方法选择2 1特征信号的选择m s j l ”m判断喷雾干燥塔喷管工作状态，前端传感器拾取信号可以选择泥浆流量、泥浆压力、管壁振动以及泥浆流动产生的静电信号等。其中就流量测试而言，能够进行泥浆流量测试的流量计有超声波流量计、电磁流量计和科氏质量流量计等，这些流量计的使用均需要改变喷管的安装结构，而且其测量管容易磨损，需要定期更换，不经济，使用不方便；压力测试同样需要在喷管上加装三通，更重要的是压力探头会影响泥浆流动，更容易造成堵塞；管内泥浆流动产生的静电信号量级很小，容易受干扰，而且对后续电路要求高。反观，测量管内泥浆流动状态变化引起的喷管振动，传感器直接安装在喷管外壁，不需改变原有的安装结构，不影响管内泥浆的流动，振动传感器相对于前面的流量计和静电传感器，造价低，可靠性好，此方案适用经济方便。在实际应用中，工人通过触摸判断喷管工作状态，所感知的也是管子的振动信号，因此用喷管的振动信号作为信号采集对象，用它作为判断泥浆流动状态的特征信号，具有可行性。2 1 1喷枪结构n “”喷雾干燥塔的喷枪结构如图2 1 所示。喷嘴基王玺 敛囱鸳王丛笙置鲎缝塞墼医生匦丕丝婴荭泥浆泵喷出的泥浆，经过入口管、软管、喷枪后，通过喷嘴雾化，最后经热风烘烤，落入塔底，成为粉粒产品。其中喷枪和喷嘴均在塔内。2 1 2采集对象的选择”“一喷雾干燥塔从泥浆泵到喷嘴，整个过程都是封闭的，且陶瓷浆料为悬浮液，浓度、粘度很大。利用泥浆流经管道时相互之间的冲击，以及泥浆对管道内壁的冲击，检测由此产生的振动，即可确定有否泥浆通过。利用这种现象构成的检测装置，检测元件( 振动传感器) 安装在管道外壁上，故有许多优点：l 不必防止泥浆产生磨损；2 不影响泥浆流动；3 装卸容易，维护简单；4 现有设备均可安装，不用改造管道；5 容易安装在高温高压管道上。2 1 3检测装置原理泥浆流动时产生振动。利用管道外壁上安装的振动传感器，将振动变为电信号，对些信号进行相关的算法处理后判断管道是否堵塞。判断依据初步选定从以下三方面模糊综合得到。1 从该信号中提取特定频带( 后面分析为6 0 - - - 7 0 i - i z ) ，将其平均电平与标准规定电平之甸的差值标准化后作为判断泥浆是否流动的一个模糊输入量。2 根据横向对比各管道同一时刻的振动信号，即做互相关运算后判断哪些管道与大部分的管道状态不同，将这不同标准化后作为另一个模糊变量输入模糊认识器。3 根据纵向对比管道不同时刻的振动信号，即做自相关运算后判断哪些管子与以前的状态不同，同样将这不同标准化后作为另一个模糊变量输入。泥浆流动时和不流动时的情况，用振动传感器变换成电信号，并进行频谱分析，根据频谱分析的检测结果可以准确判断是否有泥浆流动。泥浆流动时产生的振动频率，其跟管道材料质量、加工方法，以及泥浆颗粒种类和粒度大小等有关。因此信号最佳频带提取的是否正确，横向和纵向比较的标准是否合适，模糊隶属函数选择是否合理都将影响管道是否堵塞诊断的正确率。9医耍型这丕兰亟士兰垃j 盆銮2 2管道振动分析w “o “一m m “埘“m “，w m ，僻，2 2 1管道振动分析机理“”“”从力学的角度来看，管道振动是一类特殊的机械振动，是典型的力学现象。主动机、管道及其支架和与之相连的各种设备或装置构成一个复杂的机械结构系统，在有激励力的情况下，这个系统就要产生振动。管道输送流体时一般管内为非定常流体，这会引起振动，例如，活塞压缩机、往复泵吸排量的间歇性、周期性使管内流体的压力、速度、密度等参数既随位置变化，又随时间变化。同样在旋转泵中，在机器开、停过程中，或者因载荷发生变化，也会发生类似的现象。管内流体的压力、速度，密度等参数随时间周期性变化的现象称为流体压力脉动，它是引起管道及其附属设备产生振动的主要原因。管道振动的机理是：动力机对管道内的流体提供一定的激励，按激励的特点以及管道和流体的动力特性，管内流体处于脉动状态。脉动状态的流体在遇到弯管、异径管、控制阀等管道元件，就会产生随时间变化的激振力，在这种激振力的作用下，管道及其附属设备产生振动，这是引起管道振动的一个主要原因。主动机力平衡差以及基础设计不当，不平衡的惯性力会引起主机及基础振动，并进而牵扯与之相连的管道及其附属设备一起振动，这也时管道振动产生的一个原因。管道容纳的液体称为液柱，因为液体有一定的质量，可以被压缩或膨胀，所以类似于弹性的振动系统，在一定激振力的作用下也会形成振动，这也是管道振动产生的一个原因。通常用压力不均匀系数或者流量不均匀系数表示液流脉动程度，由此判断管道内液流引起的管道振动情况。在管道振动研究中，要遇到两个振动系统：一是流体系统，即从流体研究的角度来确定流动的规律和它对结构的激发作用；另一个是管道系统结构，即从结构研究的角度来确定对流体激发的响应。严格来说，两个系统是相互影响、相互耦合的。但从工程观点来看，很多情况下，可以将两个系统分开来进行研究，并认为：动力给予流体相互接触的运动条件，一些管路元件( 泵、弯管头，控制阀等) 对流体提供激励源，使管内流体呈现脉动状态。管道结构接受流体的激发作用，呈现复杂的振动。所以，喷雾干燥塔喷管振动研究，首先须对管内流体压力脉动进行研究，计算流体压力脉动的频率。同时流体压力脉动引起的流固耦合振动也是需要考虑的。此外，在喷雾干燥塔喷管振动研究中，泥浆泵是主动机，不平衡的惯性力会引起泵振动并进而带动与之相连的管道及设备一起振动。故喷管振动测试分析须从上述三个方面进行。0基王组仕数围盗王龌揸筐重毯塞丝陉生堑丕丝篮塞2 2 2管道振动与压力脉动n ”m m w w m 订m1 压力脉动的计算管道内压力脉动是极其复杂的现象，对它的研究随着计算机的发展与计算方法的改进，经历了由简单到复杂、粗糙到精确的过程。从忽略阻尼到计算阻尼；从不计流速到考虑平均流速；从限于小波动到有限幅度波动，以致计及热交换的情况，考虑的因素越多，越能接近实际过程，但是，处理相应的数学模型和数学方程的求解也更为复杂。由于描述压力脉动的参数有压力p 、速度1 ，、密度p 等，流体的压力脉动可以由这些参数表示，如无阻尼，小波动情况下，压力脉动可由偏微分方程表示：孥+ 蜥挚：一土挚运动方程：讲o x岛农( 2 1 )盟+ m 盟+ n 塑：0连续方程：a。锄“苏( 2 2 )求解这些方程常用的方法有刚度矩阵法、分步法等，下面简要介绍两种典型的解法。刚度矩阵法常用于小波动的情况。这种方法是在形成管系各单元的基础上，再求出总的刚度矩阵啤】。若把联系各单元的联结点称为节点，各节点的脉动压力可苡用向量 p 表示，进入各节点的脉动质量流量以向量表示 身，则有如下的关系式：【flp=孝(2-3l上式右端为已知量，故可以求解各节点处的压力脉动。分步法主要是先将偏微分方程化为无因次式，然后利用有限差方法的两步法进行计算。在工程领域，大多数管路振动是由管道内部的压力脉动流激励引起的，因而在管道振动研究中，很多情况下对于压力脉动研究往往只重视其频率成分。在对喷雾干燥塔管道系统的研究中，系统的振动主要由泥浆泵、阀门、塔体和管道系统等振动产生，泥浆泵压力脉动与振动有着密切的联系。当泥浆泵工作时，周期性排出液体，并产生周期性的压力变化，激励泵体和管道系统振动。泥浆泵的压力脉动主要取决于泵的设计和泵的运行工况。一般可以由泵的结构和转速来估计压力脉动产生的周期力的频率，采用以下公式计算：，；丝j“60(2-4)。式中，泵的转速，r m i n ；z 一轴向柱塞泥浆泵的柱塞数；i = 1 2 , 3 为谐波次数。压力脉动的基波振动含有最大振幅，因此通常将压力脉动基波频率作为泵作用于管道的激振力主频率。2 徼振力的分析计算当流体处于脉动状态时，对于一个复杂的空间管道系统，会因此而受到大小不同、相位各异且随时间而变化的力的作用。为了便于分析应用，对激振力作简单介绍。压力脉动曲线图如图2 - 2 所示。管内流体压力的变化程度可以用压力不均匀度艿表示。j 5 舍；2 萋1 ；岩，a p 。圭c p k p 缸，2 风艿c z 一5 ，式中，p 一为最大压力，氏m 为最小压力，p o 为平均压力，印为脉动幅度。p豳2 - 2 压力脉动曲线图图2 - 3 弯管处的激振力f i g u 佗2 - 2p r e s s u r ep u l s a t i o nc u r y ( f i g u r e 2 - 3v i b r a t i o np o w e ro f s i p h o n为了清楚的说明流体压力脉动是引起管道振动的振源，下面以弯管为例进行分析。如图2 - 3 所示，设管道的内径为d ，弯管处进出口的压力p 相同，弯管转角为b ，横截面上总的作用力为等d 2 p ，则为脚( ；咖h )浯e ，若p 为定值，则，也为定值，故是静载荷，对管道只引起静变形和静应力。当p 2 p 一+ 卸时合力( 引卜n ( ) 坳i n ( 刎( 2 - 7 )式中，以平均压力；印脉动最大幅值。式中第一项以引起的静载荷力，不引起振动；第二项是脉动压力引起的交变力，它就是引发管道振动的激振力，激振力的幅值记做a fa f = l ：d 2 母s i n ( )( z - 8 )1 2脉动压力不仅在弯管处产生激振力，管路中弯头、阀门、异径管等均不可少，产生，并导致管道振动。还要在异径管、盲板、阀门等处产生激振力，故管道中有流体压力脉动存在，就会有激振力2 3喷雾干燥塔喷管振动分析m m w 埘一一2 3 1引起喷管振动的原因分析1 管路系统中，电机和泥浆泵的运转引起管路相连的其他设备振动，进而引起管予振动；2 管路中的压力脉动引起的振动：管路中的泥浆泵和阀门都会引起流量脉动，这种流量脉动遇到喷管系统中的弯曲软管、雾化器等系统阻抗时会导致管路中的压力脉动，后者会引发管道振动。管路中的压力脉动主要是由泥浆泵的流量脉动产生的；3 管路中弯头、雾化器等引起液流方向、状态的突然变化而产生的振动；4 管子内的液柱，和机械弹性系统相类似，在泥浆泵压力脉动的激发下，所产生的振动的大小也会随着液柱长度的不同而发生变化；5 雾化器发生堵塞故障时，引起管子液体内部压力变化引起的振动等。其中，流体压力脉动时引起管道振动的主要根源，其次是电机和泥浆泵的运转引起管路系统的振动。2 3 2用振动信号进行喷管故障诊断的可行性分析m m 喷管是喷雾干燥塔维持正常生产的关键性设备，准确预知它们的振动状态是极为重要的。但由于管道系统的流体激励和结构本身的复杂性，其动力计算理论因支撑约束和液流情况的多种因素尚不完备和成熟，所以实测管道正常运行情况的动力响应，目前仍是一种行之有效的方法。我们将传感器安装在软管弯曲处，利用软管大的阻尼系数，可以有效隔离上述第一种原因引起的振动以及喷嘴自身振动对软管的干扰，突出了与故障诊断相关的几种原因引起的有用振动，有利于提高整个系统的精确性和可靠性。当喷雾干燥塔喷管正常工作时，上述几种原因造成的振动作用于软管部分体现为几个信号的叠加和相应的随机噪声。可以通过测量无泥浆流动时，软管上的振动信号，二者相消可以消除工作现场的振动和噪声干扰，得到管子正常工作时的有用信号。而且，利用自相关分析，可以准确的提取振动信号中压力脉动造成的周期信号。当喷嘴发生堵塞等故障时，管子内的泥浆压力发生变化，管内泥浆的压力脉动幅值发生变化，管内泥浆的相对密度同时增大，造成喷管系统( 附加流体) 的固有角频率和阻尼发生变化，管道振动的情况发生变化。同时，管内液柱在激振力作用下引起的振动也将发生变化。作用于软管的振动信号，其频谱和幅值也将随之发生变化，因此我们可以从采集系统输出信号的变化来分析判断喷嘴的工作状况。其中，管内泥浆的压力脉动发生变化是引起喷管振动状态发生变化的主要原因。在实际操作中，工人通过触摸所感知的也是管子的振动信号，因此用喷管的振动信号作为信号采集对象，用它作为浆料流动状态的特征信号，具有可行性。2 4佛山市鸿创陶瓷厂的实验m “一w w m m在鸿创陶瓷厂，同样因为喷嘴在塔的内部无法安装阀门进行模拟，后选择在图2 - 1所示的喷枪结构中，在软管与前端喷枪之间安装阀门，通过调节阀门的开度来近似模拟喷管内泥浆流体的工作状态，分别将调节阀门的开度为0 5 、3 0 5 、6 0 5 和1 0 0 5 ，并根据传感器安装位置距离前端喷枪的大小，选择软管的前端( 最靠近喷枪) 、中部和后端，在每个部位分别采集四种开度下的喷管振动信号。另外还采集了一个不工作的喷管( 管内无泥浆流动) 软管中部的振动信号。下面就喷管中部的信号进行分析( 最终传感器的安装位置) 。2 4 1喷管中部的信号分析1 稳定性判断取四种开度下振动信号样本( 5 1 2 个数据) ，分成3 2 段，进行平均值计算，发现各段之自j 平均值波动很大，另外信号波形的尖峰分布很不均匀，信号属于非平稳信号。图2 - 4 开度下的幅值平均值图2 - 4 振动信号平均值f i g u r e 2 - 4m e a no f s i g n a lw a v e f o r r n1 4为1 0 0 开度下振动信号平均值分布图。图中o 为个数据段平均值，虚线为总的样本数据平均值，信号分析依然采用量程1 0 0 m v 进行分析。对其他开度下采集的信号进行同样的分析处理，所得结果类似，都属于非平稳信号。2 正态性判断同样取四种开度下振动信号样本( 5 1 2 个数据) ，计算各个数据段的概率密度，判断信号的正态性，经过分析，信号不满足正态分布。图2 5 为1 0 0 开度下振动信号的概率分布图。其中虚线为标准的正态分布，实线为振动信号分布。图形显示信号类似于冲击响应，但又不尽相同。0 1 1 41 0 2 4 5 0图2 - 5 正态性判断f i g u r e 2 5n o r m a ls c h o o lj u d g m e n t3 周期性判断在振动信号处理中，通常使用自相关函数进行周期成分的判断，同样取四种开度下振动信号样本( 5 1 2 个数据) 计算各自的自相关函数，经过分析发现当时间间隔趋于无穷大的时候，自相关幅值趋于零，无周期信号成分。图2 6 为1 0 0 开度下振动信号的归一化自相关函数图形，其中的信号经过零均值化处理( 使信号的平均值为零) 。图2 - 6 周期性判断f i g u r e 2 - 6p e r i o d i c i t y j u d g m e n t4 四种开度下信号时域和频域对比时域内四种下的喷管振动波形如图2 - 7 所示。各样本信号经过零均值化、剔除错误点和消除趋势项处理后，利用f f t 对各种信号进行变换，得到其频域波形如图2 8 所示。从中可以看出各种信号在6 0 7 0 h z 之间有最大的频谱幅值，而且在喷管无堵塞现象的情况下，在这个频率段内其频谱幅值最大，可以通过上位机中的程序对信号进行零均值化处理，然后进行f f t 变换，比较其最大频谱幅值与正常值，来判断喷管的实时工作状态。阏的并度o 闻的并虐1 2 01 ，、即营警印毫柏2 00时间$ 峨同的开度6 0 l 从一610 81 6 2 4 3 24 0 4 85 8 8 4时问鞭图2 - 7 信号波形f i g u r e 2 7s i g n a lw a v e f o r m1 6 营窜申毫基王绝鲑鲍隆堡王堡垄筐重垡茎丝陉芝堑丕筮丛壅目并度0 下的信号犊膏儡开度粥下的信号频谱鲫度6 5 弊虢号掰舰度1 盏释号瓣批锄重4 0 0 0孽霎砌0l0 们2 0 4 0 卯7 08 09 0 1 0 0频事轴图2 - 8 频谱波形f i g u r e 2 - 8s p e c t r u mw a v e f o r m2 4 2喷管内无泥浆流动时的情况喷管内无泥浆流动时的信号波形和频谱如图2 9 所示。其处理方法与上述4 相同，管内无泥浆流动时所测得振动信号即整个系统的噪声信号，通过分析可以发现噪声信号在6 0 7 0 h z 同样有最大的频谱幅值，这是由干燥塔底部环管中泥浆压力脉动引起环管振动，继而对安装在环管上的各个喷管作用，使其产生相应的振动，但其频谱幅值的最大值相比上述泥浆的四种流动状态要小很多。而且，就1 0 0 开度下振动信号与管内无泥浆流动时的振动信号进行归一化互相关函数估计，最大值为0 1 2 ，说明这两个信号相关性小，容易区分，进一步证明上述利用6 0 7 0 h z 频段频谱幅值大小判断喷管工作状态的可行性。2 4 3同一喷管其它位置和其它喷管的情况通过对同一喷管其它位置的信号采用同样的分析处理方法，得出了近似的结果，大致的频谱区间6 0 7 0 h z 不变，正常工作时频谱幅值的最大值差别很小。而对不同的喷管来说，大致的频谱区间6 0 7 0 h z 不变，频谱最大值对应的频率点随着喷管在环管上的位置不同而有微小的差别，而且几个喷管信号之间的相干系数接近1 ，说明个喷管所受到的振动情况相同，更证明了利用6 0 7 0 h z 频段频谱幅值大小判断喷管工作状态的可靠己g孽舞啜okg罂扭甄性。穗嚣装绷图2 - 9 无泥浆时的信号争频谱波形f i g u r e 2 - 9s i g n a la n ds p e c t r u mw a v e f o r mw i t h o u ts l u r r y总之，我们通过实验测试与分析，给出了模糊综合6 0 7 0 h z 频谱幅值大小、不同管道同一时刻横向对比一互相关、同一管道不同时刻纵向对比一自相关，通过系统三个特征值的综合，来判断喷管工作状态的故障诊断方法。基王堑丝数隍壅王埕鳖笪重堑墨丝睦途堑丕蕴丛壅第三章故障的模糊识别法3 1机械设备故障诊断中的模糊性w 机械设备在运行过程中的动态信号( 振动、噪声、温度、压力、流量等) 包含了运行状态的丰富信息，利用一定的诊断方法对这些信息进行处理，就可以得到相应的诊断指标，如均值、峰值、方差、相位、峭度、特征频谱值等等。然而，用这些参数来识别和评价机器所处的状态或故障则存在着不确定现象，这种不确定现象主要表现在随机性和模糊性两个方面：随机性是由于事物的因果关系不确定所造成，可用概率统计和随机过程方法来分析：模糊性是由于事物在质上没有确切的含义，在量上没有明确的界限，造成事物呈现亦此亦彼的性态，这些性态的类属