（仪器科学与技术专业论文）超速离心机健康状态评估方法的研究.pdf

r e s e a r c ho nh e a l t ha s s e s s m e n tm e t h o d so f u l t r a c e n t r i f u g e s b y l iw e i b e ( h u n a nu n i v e r s i t y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g l n m e a s u r i n ga n dt e s t i n gt e c h n o l o g i e sa n di n s t r u m e n t s i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a nu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r a s s o c i a t ep r o f e s s o rl i ub o f e n g m a y ，2 0 11 湖南大学 学位论文原创性声明 i l ll pi pf f i l l l l l l ij j i i j h j jrlji y 19 0 6 2 5 0 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。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后果由本人承担。 作者签名： 嘻俸 日期：山年厂月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并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。本人授权湖南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 或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密囹。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 日期：。f 年s 月“日 日期：加们年- 月w 日 - q r j 下舾 瞎 专 硕上学位论文 摘要 离心机是一种分离设备，主要由转子、离心室、转速检测与控制系统、温度 检测与控制系统、真空度检测与控制系统等组成。离心机利用转子的高速旋转产 生离心力，对安放于转子内的物质进行分离、沉淀、浓缩和精剂。一般来说，转 速在3 0 0 0 0 r m i n 以上的离心机称为超速离心机。 设备的健康状态评估首先根据历史数据和传感器检测得到的数据对设备进行 综合分析，并以此为依据利用合适的综合评判方法对设备的健康情况进行评估， 给出不合格的设备的原因及维修建议，为设备的维修决策提供依据，为精确化维 修提供技术支持。它广泛应用于机械设备、桥梁、军事、电力等行业。本文首次 将健康状态评估方法应用于超速离心机的健康状态评估。 超速离心机健康状态评估首先要获取影响超速离心机运行状态的状态参数。 精确的状态参数是进行状态评估的依据。本系统状态参数主要通过四个方面的检 测获取：转速检测、振动检测、温度检测与真空度检测。 本文介绍了常用的5 种健康状态评估方法：模型法、层次分析法、模糊评判 法、人工神经网络法、贝叶斯网络法，并通过分析各种方法的优缺点选取适合超 速离心机的评估方法。参照状态维修的开放体系结构模型得到超速离心机的健康 状态评估模型。为求系统评估结果更为精确，结合超速离心机实际，提出层次分 析法与模糊评判法相结合的多层次模糊评判综合评估方法，并进行了详细的介绍 和实例验证。 本文采用y a a h p 软件进行后台计算分析。以v i s u a ls t u d i o2 0 0 5 软件为开发 平台，设计了超速离心机实时状态监测软件。该软件系统可以将离心机的实时状 态清晰的显示在电脑上，当有故障隐患时，进行报警。可以有效的减少离心机故 障发生，并可根据历史数据有针对的对离心机进行定期的检测维修。 关键词：超速离心机；健康状态评估；状态参数；层次分析法：模糊综合评估； 软件实现 i i a b s t r a c t c e n t r i f u g ei sas e p a r a t i o ne q u i p m e n t i ti sm a i n l yc o m p o s e db y r o t o r ，c e n t r i f u g a l c h a m b e r s p e e dd e t e c t i o ns y s t e m ，s p e e dc o n t r o ls y s t e m ，t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t s y s t e m ，t e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e m ，v a c u u mc o n t r o ls y s t e ma n dv a c u u mt e s ts y s t e m c e n t r i f u g eu s e st h ec e n t r i f u g a lf o r c et os e p a r a t e ，p r e c i p i t a t e ，e n r i c ha n dp u r i f yt h e m a t e f i a lw h i c hp l a c e do nt h er o t o r t h ec e n t r i f u g a lf o r c ei sp r o d u c e db yt h er o t o rw i t h h i g h s p e e dr o t a t i o n i ng e n e r a l ，t h ec e n t r i f u g ew h i c hs p e e di sm o r e t h a n30 0 0 0 r m i ni s c a l l e du l t r a c e n t r i f u g e h e a l t hs t a t u sa s s e s s m e n ti sa n a l y z i n gt h ee q u i p m e n tc o m p r e h e n s i v e l yb a s e do n m e a s u r e m e n td a t aa n dh i s t o r i c a ld a t a u s i n gav a r i e t yo fc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o n m e t h o d st oa s s e s st h eh e a l t hs t a t u so fe q u i p m e n t t og i v et h er e a s o n sa n dm a i n t e n a n c e r e c o m m e n d a t i o n sf | 0 rt h eu n q u a l i f i e de q u i p m e n t t op r o v i d et h eb a s i so fm a i n t e n a n c e d e c i s i o no fe q u i p m e n ta n dt h et e c h n i c a ls u p p o r to fp r e c i s i o nm a i n t e n a n c e i t i s w i d e l vu s e di nm a c h i n e s ，b r i d g e s ，m i l i t a r y ，e l e c t r i cp o w e ra n do t h e ri n d u s t r i e s t h i s p a p e rf i r s t l y u s eh e a l t hs t a t u sa s s e s s m e n tm e t h o d st o a s s e s st h eh e a l t hs t a t u so f u l t r a c e n t r i f u g e t h ef i r s ts t e pi st og e tt h es t a t u sp a r a m e t e r so ft h er u n n i n gu l t r a c e n t r i f u g e a c c u r a t ep a r a m e t e r sa r et h eb a s i sf o rt h ea s s e s s m e n to fu l t r a c e n t r i f u g e t h es y s t e m p a r a m e t e r sa r em a i n l ya c c e s s e dt h r o u g hf o u ra r e a s ：s p e e dd e t e c t i o n ，v i b r a t i o nt e s t i n g ， t e m p e r a t u r et e s t i n ga n dv a c u u md e t e c t i o n t h eu l t r a c e n t r i f u g em o d e lo fh e a l t hs t a t u sa s s e s s m e n ti sr e f e r e n c e dt ot h eo p e n s y s t e m s a r c h i t e c t u r ef o rc o n d i t i o n - - b a s e dm a i n t e n a n c em o d e l ( o s a - c b m ) t h e c o m m o nh e a l t hs t a t u sa s s e s s m e n tm e t h o d sa r e ：m o d e l i n g ，a n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s s f u z z ye v a l u a t i o n ，a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ，b a y e s i a nn e t w o r k t h i sp a p e ra n a l y z e dt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fe a c hm e t h o d f o rt h e s a k eo ft h em o r ea c c u r a t ea s s e s s m e n ts y s t e m ，t h i sp a p e ru s e d t h ec o m p r e h e n s i v e e v a l u a t i o nm e t h o do fa n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s sa n df u z z y e v a l u a t i o n a n di tg a v ea d e t a i l e dd e s c r i p t i o na n da ne x a m p l eo fv e r i f i c a t i o n t h e m e t h o dc a ns i m p l i f y a s s e s s m e n t i nt h i sp a p e r ，y a a h pi su s e dt oc a l c u l a t ea n da n a l y z e v i s u a ls t u d i o 2 0 0 5 s o f t w a r ei su s e dt od e s i g nr e a l t i m es t a t u sm o n i t o r i n gs o f t w a r eo fu l t r a c e n t r i f u g e s t h i ss v s t e mc a ns h o wt h er e a l t i m es t a t u so fu l t r a c e n t r i f u g e so n t h ec o m p u t e r i ft h e r e i l i 硕上学位论文 a r ep o t e n t i a lf a u l t s ，t h es y s t e mw i l la l a r ma n ds h o wt oo p e r a t o r i tc a nr e d u c et h e t i m e so fm a l f u n c t i o n e f f e c t i v e l y ，a n d h a v et h e r e g u l a rt e s t i n g o f c e n t r i f u g e m a i n t e n a n c eb a s e do nh i s t o r i c a ld a t a k e yw o r d s ：u l t r a c e n t r i f u g e ；h e a l t h s t a t u sa s s e s s m e n t ；s t a t ep a r a m e t e r s ；a n a l y t i c h i e r a r c h yp r o c e s s ；f u z z ye v a l u a t i o n ；s o f t w a r es y s t e m i v 超速离心机健康状态评估方法的研究 目录 学位论文原创性声明与学位论文版权使用授权书i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第l 章绪论1 1 1 离心机技术的发展l 1 2 国内外设备健康状态评估的研究现状3 1 2 1 健康状态评估的发展3 1 2 2 健康状态评估的研究与应用3 1 3 本文主要工作及创新点5 第2 章超速离心机系统原理与状态参数检测6 2 1 超速离心机系统6 2 1 1 超速离心机系统组成与工作原理6 2 1 2 超速离心机系统主要技术指标7 2 2 超速离心机故障信息特征分析8 2 3 状态参数的确定10 2 3 1 温度检测1 0 2 3 2 振动检测1 3 2 3 3 转速检测1 5 2 3 4 真空度检测1 6 2 3 5 变频器故障信息提取1 7 2 4 本章小结19 第3 章健康状态评估方法研究：一2 0 3 1 状态维修开放体系结构( o s a c b m ) 模型简介2 0 3 2 健康状态评估方法2 l 3 2 1 模型法2 l 3 2 2 层次分析法2 2 3 2 3 模糊评判法2 2 3 2 4 人工神经网络法2 4 3 2 5 贝叶斯网络法”2 5 3 3 本章小结“2 6 第4 章超速离心机健康状态多层次模糊评判综合评估方法2 7 v 硕士学位论文 4 1 超速离心机递阶层次结构的建立2 8 4 2 各因素权值的计算一2 8 4 2 1 判断矩阵的构造2 8 4 2 2 一致性检验3 1 4 2 3 权值的计算3 2 4 3 评估指标标准化3 3 4 4 模糊综合运算3 5 4 4 1 三级指标的模糊综合评估一3 6 4 4 2 二级指标的模糊综合评估3 8 4 4 3 超速离心机的模糊综合评估3 9 4 5 本章小结4 1 第5 章超速离心机健康状态评估软件实现4 2 5 1 开发工具4 2 5 2y a a h p 在超速离心机健康状态评估中的使用4 2 5 3 超速离心机健康状态评估系统4 5 5 3 1 超速离心机上位机系统设计要求及主要模块4 5 5 3 2 健康状态评估模块4 6 5 4 上位机软件系统工作过程4 7 5 5 本章小结51 结论“5 2 参考文献“5 4 致谢”5 9 附录a 攻读学位期间所发表的学术论文目录6 0 v i 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 离心机技术的发展 离心机是一种分离设备【1 2 】，它利用转子的高速旋转产生离心力，对安放于转 子内的溶液中不同分子量的物质进行分离、沉淀、浓缩和精剂，以提取需要的成 分。离心机可用作分析研究设备，又可用作生产设备【3 j 。各类离心机种类繁多， 广泛用于化工、食品、轻工、医药、军工、造船、环保、生物工程等近三十个工 业领域，正在向高性能、系列化、专用机、多功能、智能化及网络化等方面发展。 离心机的分类方法有三种【4 】：按用途分、按转速分和按结构分，其用途主要 有将悬浮液中的固体颗粒与液体分开；将乳浊液中两种密度不同且互不相溶的液 体分开；排除湿固体中的液体；特殊的超速管式分离机还可分离不同密度的气体 混合物。按照用途的不同将离心机分为制备型离心机和制备分析离心机。制备型 离心机是仅供分离浓缩、提纯试样的离心机；制备分析离心机不但能分离浓缩、 提纯试样，而且可以通过光学系统对试样的沉降过程进行观察、拍照、测量、数 字输出、打印和自动显示。按转子旋转速度可以将离心机分为低速离心机、高速 离心机、超速离心机。一般来说，转速在3 0 0 0 0 r m i n 以上的离心机称为超速离心 机，转速在1 0 0 0 0 一3 0 0 0 0 r m i n 的离心机称为高速离心机，转速在1 0 0 0 0 r m i n ( 转 分) 以内称为低速离心机。在高速和低速离心机中，根据结构和功能进行分类，又 可分为台式离心机、多管微量台式离心机、细胞涂片离心机、血液洗涤台式离心 机、高速冷冻离心机、大容量低速冷冻离心机、低速冷冻离心机、台式高速冷冻 离心机、台式低速自动平衡离心机等。各种离心机品种繁多，各厂家命名也无统 一标准。 1 8 3 6 年，第一台离心机在德国问世，迄今分离技术有了很大的发展。1 9 世纪 7 0 年代，第一台分离机产生，它在乳酪加工行业用于分离牛奶。进入2 0 世纪后， 由于石油行业要求除去石油中的水、固体杂质、焦油状物料等，以便使重油可以 当作燃料油使用，于是离心机在石油行业得到了迅速发展。离心技术的应用范围 不断扩大，但是一直处于低速和中高速阶段，直到2 0 世纪2 0 年代，超速离心机 才发展起来。1 9 2 4 年，第一台涡轮超速离心机面世，它是由瑞典科学家t s v e d b e r g 和r i n d e 共同研制【1 1 。1 9 4 7 年，在涡轮超速离心机基础上设计的油涡轮机超速离 心机成功面世。同年，由b e a m s p i c k e l s 设计的空气涡轮超速离心机商品问市。1 9 5 9 年，市场上出现了电动超速离心机。7 0 年代末至8 0 年代初，采用实验数据微机 自动化处理、电子计算机程控调频和电机直接驱动的超速离心机面市，使得超速 超速离心机健康状态评估方法的研究 离心机的转速不断提高，数据处理和控制功能更加精确可靠，操作更加简便。现 在，超速离心机已广泛地应用于科学研究和生产的各个领域，离心机转头最高转 速已达15 0 0 0 0 r m i n 。目前国外先进的超速离心机产品主要有美国的贝克曼离心机 以及日本的日立离心机。贝克曼离心机工作稳定，控制精度高；日立离心机注重 节能环保和效率的提高。美国贝克曼库尔特有限公司生产的众多产品中，以 o p t i m am a x x p 台式超速离心机最为先进，它的特点为快速、容量大、安静、安 全，其最高转速可达l5 0 0 0 0 r m i n ，最大离心力为1 0 19 0 0 0 x g ，最大容量为 8 1 3 5 m l 。 我国离心分离行业尚属正在发展中，总体发展水平不高。l9 7 4 年年底，在中 国第一次研制成功全部用国产元件材料的最高转速6 0 0 0 0 r m i n 的超速离心机样 机。它的驱动部分是高速电机一齿轮箱，该机由驱动部分、离心腔、真空系统、 冷冻系统和电器控制系统组成。2 0 世纪7 0 年代后期至8 0 年代初期，我国先后有 7 家生产厂家从事过此类超速离心机的试制，但因技术上与非技术上的原因没有 形成生产能力，但对这些企业后来制造高速与低速离心机打下了较扎实的技术基 础1 5 j 。超速离心机在我国发展缓慢主要有以下两个方面的原因。首先，超速离心 机转速很高，对转子的要求比较严格，需要能够承受比较大的离心力，但是我国 转子制备技术和材料选择的落后，使得超速离心机的发展受到限制。同时，离心 机在高速运行时出现故障需要迅速解决，如果不能快速解决将会出现很大的安全 问题，我国目前在故障自诊断和保护系统方面的设计技术还不够成熟。 随着社会进步，人们对环保、能源以及装备对品质的影响有了新的认识。同 时，通过国外技术交流和合作以及成套项目的引进、消化与吸收，我国离心分离 技术有了长足的发展【6 】。改革开放后，随着外国企业技术的合作引进，我国的离 心机生产行业迎来了发展的春天。2 0 世纪8 0 年代末期，我国已逐步形成湖南、 上海、北京的实验室离心机生产基地，开始在国内生产低速离心机和高速冷冻离 心机，离心机转子所需的复合材料也开始在我国生产。全国离心机生产厂家有1 1 0 多家，其产品已经发展到4 大系列5 0 多个品种【_ 7 1 。湖南长沙的湘仪离心机有限公 司先后与日本托弥( t o m y ) 公司、美国公司技术合作，使湘仪离心机技术水平始 终处于国内领先，逐步走向世界。湘仪生产的众多产品中，从日本托弥公司引进 的高速冷冻离心机和从美国贝克曼公司引进的超大容量离心机，实现了国产化和 自主创新。均达到同类机型的国际先进水平，并出口到美国、德国、土耳其、日 本、印度等多个国家。 超速离心机由于是长时间高速运转，所以会出现一些故障。如转动系统故障、 真空系统密封不严、制冷系统故障等等。文献【8 】列举了日立c r 2 1 g 离心机的常 见故障，其中以转动系统故障最为常见。文献【9 】也提出d r 4 8 4 c 医用低速冷冻 离心机故障现象主要有离心机不转或转速达不到设定值、温度控制失灵或制冷但 硕l 学位论文 不能设定温度、温度设置正常但是不能制冷。文献【l o 】提出为了保证设备的正常 运行，在使用p 3 5 z t 转头时要注意一系列问题，如样品温度与转头温度设置应尽 可能一致，否则容易引起加入的样品溶液温度升高、体积膨胀，以至转头内的压 力升高，造成离心后装配帽的中心按钮按不下或取不下。同样的，在加样和下样 过程、加样头过程都需要注意一系列问题，否则容易引起事故。文献【1 1 】提到： 某科学仪器有限公司生产的最高转速为2 3 3 0 0 d m i n 的高速冷冻离心机，转子在进 行1 0 分钟超速试验后进行飞裂试验，转子发生破裂。离心机转子在工作时承受极 大的离心力作用，若发生爆裂其破坏性的后果是非常严重的。 由此可见，离心机在高速运转的情况下如果发生事故，不仅造成设备损失甚 至对实验人员的人身安全造成威胁。因此，为了有效防止和减少事故发生，提高 超速离心机的运行和管理水平，对超速离心机的健康状态评估显得尤为重要【l2 1 。 1 2 国内外设备健康状态评估的研究现状 1 2 1 健康状态评估的发展 系统的维修方式f 1 3 , 1 4 1 经历了3 个阶段，即反应性维修阶段、预防性维修阶段 和预计性维修阶段( 又称视情维修阶段) 。由于预计性维修具有后勤保障规模小、 自动化、高效率、经济可承受性好以及可避免重大灾难性事故等显著优势而具有 很好的前景。预计性维修要求系统以实现“经济可承受性”为目标，能够对自身进 行故障预测并且对其进行健康状态管理。为了实现预计性维修，故障预测与健康 管理( p r o g n o s t i c sa n dh e a l t hm a n a g e m e n t ，p h m ) 概念【1 5 】便适时产生了。p h m 是指 多借助各种智能推理算法( 如物理模型、模糊逻辑、神经网络、数据融合、专家系 统等) ，尽可能少的利用传感器采集系统的各种数据信息来评估系统自身的健康状 态，对故障进行预测，结合各种可利用的资源信息，在系统故障发生之前提供一 系列的维修保障措施以实现系统的预计性维修。p h m 理论的出现，为实现“经济 可承受性 的目标提供了解决的方法。 评估设备的健康状态是p h m 的重要内容之一【1 6 , 1 7 】。设备的健康状态评估是 根据测量数据和历史数据进行综合分析，利用各种综合评判方法对设备的健康状 况进行评估，对不合格的设备给出原因及维修建议，为设备的维修决策提供依据， 为精确化维修提供技术支持。文献【1 8 】提出：现代设备的维修费用在全寿命周期 费用中所占的比重越来越大，“经济可承受性”成为各国企业十分关注的问题。超 速离心机价格昂贵，维修保养要求严、费用高。解决超速离心机“经济可承受性” 问题，是进行健康状态评估的重要原因之一。 1 2 2 健康状态评估的研究与应用 健康状态评估的理论工作主要集中在评估方法方面，主要是针对不同研究对象 超速离心机健康状态评估方法的研究 的特点利用各种评估方法展开评估。常见评估方法有：模型法、层次分析法、模 糊评判法、人工神经网络法、灰色理论、可拓理论、贝叶斯网络法等。由于不同 的行业甚至行业内部对健康状态评估理论研究的概念不统一、不规范，导致各行 业的研究成果难以交流，健康状态评估技术的发展也受到阻碍1 1 9 2 3 1 。 在国外，健康状态评估技术已广泛应用于机械设备、桥梁、电力、核工业、 军事等领域。h a n igm e l h e m 、s e n a k aa t u r a l i y a 2 4 】采用专家系统工具c l i p s 建立 了桥梁的总体评估程序，提出建立重要性两两比较矩阵来得到指标权重，然后采 用弱口分割和模糊加法得到相应各评估自己的模糊加权向量，这种模糊加权向量 方法可以提高评估结果的稳定性，克服监测者不精确检测或不清晰表达结果的敏 感性。在军事领域，外军尤其是美军对健康状态评估的研究与应用都取得了很大 的进展。美军将p h m 技术应用于联合攻击机( j s f ) ，对飞机进行近乎实时的健康 状态评估 2 5 - 2 7 。美军还将健康状态评估技术运用到重型高机动性战术卡车 h e m t tm 11 2 0 a 2 + 上，设计了车载的内置式健康管理系统向维修和操作人员提供 健康状态信息，该系统能够持续的监控和评估关键部件的状态，可以有效提高车 辆的可用性和可靠性。此外，美军还成功的将健康状态评估技术运用于海军的综 合状态评估系统、陆军的综合诊断预测系统以及空军的发动机监测系统等。d o n a l d ls i m o n 2 s 利用健康状态评估方法中的层次分析法建立了飞机发动机的“发动机 层一飞机层一基地层 三层健康状态评估模型。该模型的数据来源是传感器采集 的发动机的振动数据，评估结果显示在飞行员的座舱显示器上的同时发送到基地 层，机载的评估结果可以为飞行员执行任务提供参考，地面的评估结果可以为维 修部门的维修决策提供支持。 在国内，健康状态评估方法在一些小型设备中得到了利用。重庆大学李伟【2 9 】 利用模糊数学思想对高压断路器的状态进行分析，提出了一种基于模糊综合评判 的高压断路器状态评估方法。该方法首先建立了高压断路器各评价因素的结构模 型，然后通过实例分析验证了这种方法的实用性和有效性。吴立增【3 0 】利用贝叶斯 网络法对变压器进行状态综合评估方法，建立了基于贝叶斯网络的状态评估模型。 该方法综合了变压器历史状态、当前状态和预测状态，以确定变压器的综合状态， 有利于正确地决策变压器的状态维修工作。浙江大学交通工程研究所【3 l 】将健康监 测与评估管理系统应用于文晖大桥的健康状态评估，这项工程的成功应用对大型 桥梁和隧道工程健康监测和状态评估管理具有重要的理论意义和工程实用价值。 总体来说，国内工程应用方面成功案例较少。 从国内研究来看，在工程实践方面，健康状态评估应用的领域还很有限。状 态评估技术仍然存在许多问题需要认真研究并加以解决。主要包括以下几个问题： 健康状态评估的理论研究还不够深入和系统；健康状态的分级比较混乱：健康状 态评估技术的研究领域需要拓展；健康状态评估技术的研究不成体系。但是健康 硕上学位论文 状态评估作为设备健康管理的核心内容之一，已经越来越受到广泛关注。 1 3 本文主要工作及创新点 基于以上超速离心机现状和国内外健康状态评估的发展与研究应用，本文拟 从以下几个方面对超速离心机健康状态评估进行分析研究。 ( 1 ) 本文首先介绍超速离心机工作原理、系统组成和主要技术参数，分析超 速离心机的故障机理。 ( 2 ) 获取正确的状态参数是进行健康状态评估的第一步，本文讨论超速离心 机状态参数的确定、获取及处理，论述精确的状态参数对状态评估的重要性。从 转速、振动、温度、真空度等几个方面的检测获取评估所需要的状态参数，分析 各状态参数对超速离心机工作状态的影响，根据目前超速离心机检测现状、常见 故障等，例举出超速离心机状态评估的状态参数。 ( 3 ) 简要介绍状态维修开放体系结构( o s a c b m ) 模型。介绍健康状态评估的 几种常见方法：模型法、层次分析法、模糊评判法、人工神经网络法及贝叶斯网 络法。对比几种方法的优缺点，结合超速离心机实际，分析和选取适合超速离心 机的综合评估方法。 ( 4 ) 从超速离心机的健康状态评估需要出发，提出多层次模糊评判综合评估 方法。该方法将层次分析法与模糊评判法相结合，先建立超速离心机的递阶层次 结构，再逐层进行模糊评判。 ( 5 ) 超速离心机健康状态评估系统的软件实现依托超速离心机上位机系统实 现。超速离心机上位机系统主要包括通讯模块、显示模块、参数设置模块、管理 模块、数据库模块、打印模块和健康状态评估模块。 本文首次提出对超速离心机进行健康状态评估。结合超速离心机实际工作特 点，研究了多层次模糊评判综合评估方法，并运用到超速离心机健康状态评估系 统。 超速离心机健康状态评估方法的研究 第2 章超速离心机系统原理与状态参数检测 2 1 超速离心机系统 2 1 1 超速离心机系统组成与工作原理 离心机转子高速旋转时会产生的强大的离心力【。离心就是利用产生的离心 力来加快液体中颗粒的沉降速度，以分离出样品中不同浮力密度和沉降系数的物 质。离心力( 乃的大小取决于离心转头的角速度( c o ，r m i n ) 和物质颗粒距离中心 轴的距离( 灭，c m ) 。它们的关系是：f = 舢2 r 。 超速离心机系统由离心室、离心转子、温度控制单元、真空控制单元、转速 控制单元、温度检测单元、转予识别与转速检测单元、振动检测单元、真空度检 测单元、上位机等组成，如图2 1 所示。 图2 1 超速离心机系统框图 下面详细介绍超速离心机电控系统。电控系统是超速离心机的控制中心，负 责离心机的各项参数设置和功能设定，管理和控制各个单元的运行情况。它主要 由转速控制单元、温度控制单元、真空控制单元、温度检测单元、转子识别与转 速测量单元、振动检测单元、真空度检测单元组成。 电控系统以t i 公司生产的m p s 4 3 0 系列单片机m p s 4 3 0 f 2 4 9 为核心。m s p 4 3 0 系列单片机是一个l6 位的、具有精简指令集的、超低功耗的混合型单片机， 硕l ：学位论文 运行环境温度为4 0 + 8 5 ( 摄氏度) ，所设计的产品适合用于工业环境下。由于 其强大的处理能力、稳定的工作系统、丰富的片上外围模块、方便高效的开发 环境，m s p 4 3 0 系列单片机得到广泛应用。 ( 1 ) 转速控制单元转速控制单元由变频器、电机和传动轴组成。在转子底部 安装光电编码盘，使用光电传感器来测量运行时电机的实际转速，并将输出结果 反馈到m c u ，分析输出波形得到电机的实时转速信息。设定的转速在m c u 内经 过处理之后，变成相应的数据编码，然后通过r s 2 3 2 总线实现与变频器的通信， 控制变频器的频率输出，从而驱动电机运行，控制电机的运行转速。将检测到的 实时转速与设定转速进行比较，同时进行滤波和控制算法处理，就可以实现对转 速的精确控制。 ( 2 ) 温度控制单元温度控制单元是用来控制系统的温度，主要控制离心室温 度，保护被分离的物体。采用热敏电阻和红外线传感器共同监测离心室温度。当 温度高于或低于设定温度时，用半导体制冷片进行温度控制。通过读取温度传感 器的数值，和设定的温度值相比较，通过模糊控制算法处理，得到半导体制冷片 的工作方式，实现温度的精确控制。 ( 3 ) 真空控制单元真空控制单元的作用是使离心机运行时离心室保持在中或 高度真空状态，以减少空气与转头摩擦产生的热量，使其能超速运行。当超速离 心机的转速在2 0 0 0 r m i n 以下时，空气与旋转转头之间的摩擦只产生少量的热， 当转速超过2 0 0 0 0 r m i n 时，由摩擦产生的热量显著增大，当转速在4 0 0 0 0 r m i n 以上时，由摩擦产生的热量就成为严重问题。因此超速离心机装有真空控制单元。 ( 4 ) 状态参数检测单元状态参数检测单元用来监测各参数的变化情况，为健 康状态评估提供依据。它包括温度检测单元、转子识别与转速检测单元、振动检 测单元、真空度测量单元。系统采用热敏电阻和红外线传感器共同检测离心室温 度和转头温度；采用热敏电阻检测电机温度：采用光电传感器和光电编码器组成 转速测量及转子识别单元；分别在转予和电机旁均安装加速度传感器和微动开关， 用以检测转子和电机振动情况，根据振动情况分析转子不平衡、转子不对中、转 子有裂痕、摩擦故障、松动故障、电机振动等异常情况；用真空规检测离心室真 空度，使真空度保持在一定的范围。 2 1 2 超速离心机系统主要技术指标 超速离心机系统的主要技术指标为： ( 1 ) 最高转速：8 0 0 0 0 r m i n ： ( 2 ) 最大离心力：6 0 2 0 0 0 x g ： ( 3 ) 转速控制精度：士2 0 r m i n ( 当转速小于3 0 0 0 0 f f m i n ) ，d ：5 0 r m i n ( 当转速为 3 0 0 0 0 - 8 0 0 0 0 r m i n ) ； 超速离心机健康状态评估方法的研究 ( 4 ) 温度控制范围：- 2 0 + 4 0 ，精度为士o 5 ； ( 5 ) 加减速速率控制方式：9 档升速、1 0 档降速； ( 6 ) 最大容量：6 x 2 4 0 0 m l , ( 7 ) 定时范围：o 9 9 h 5 9 m i n 。 2 2 超速离心机故障信息特征分析 为了了解设备故障内在本质及其特征，建立合理的故障判别模式，首先应对 超速离心机进行故障信息特征分析。故障信息特征是设备状态监测与故障诊断的 基础【3 2 1 。 超速离心机故障信息特征主要表现在如下几个方面【3 3 】： ( 1 ) 转子特性转子组件是超速离心机的核心部分。由于整个转子处于告诉旋 转运动之中，所以对其制造、安装、调试、维护管理都有很高的要求。如果其中 某个零部件出了问题，或者某个连接配合部位发生异常变动，就会引起机组强烈 的振动。可以说，超速离心机的诊断主要是监测诊断转子的运行状态。 ( 2 ) 振动的频率特征大多数时候超速离心机的振动信号都是一些平稳随机 信号或( 准) 周期信号。一般来说，超速离心机的振动故障特征频率与转子转速相 关，振动或与转速同频，或等于其分频或倍频。所以，可以通过分析振动频率特 征诊断超速离心机的故障。 ( 3 ) 获取超速离心机振动故障信息的主要途径振动信号分析是诊断旋转机 械的基本方法，主要从分析振动频率、分析振幅的方向特征和分析振幅随转速变 化的关系三个方面获取诊断信息。 超速离心机故障主要有轴系故障、热参数变化故障、振动故障、空气动力学 故障等。人们通过大量的实验研究和广泛的诊断实验，对各种设备的故障类型及 其特征都有了相当的认识。对超速离心机来说，其高速旋转运行过程中常见故障 为：电机故障、传动轴故障、变频器故障、真空泵故障、真空系统密封不严、转 子故障( 包括松动故障、摩擦故障、转子有裂纹、转子不平衡、转子不对中) 、制 冷系统故障等。 ( 1 ) 电机故障电机在高负荷、长时间运行中经常出现很多故障，如果这些故 障不及时解决就可能会烧毁电机，影响整个系统运行。电机常见故障有电动机不 启动、升温过高、转速不正常等。 ( 2 ) 传动轴故障传动轴的损坏、磨损、变形以及失去动平衡，都会造成 超速离心机在运行过程中产生异响和振动，严重时还会导致相关部件的损 坏。传动轴故障表现在传动轴裂纹、传动轴弯曲等。 ( 3 ) 变频器故障变频器在正常使用5 8 年后，就进入了故障的高发期，经常 会出现元器件烧坏，保护环节频繁动作等故障，严重影响其正常工作。因此，日 硕上学位论文 常维护与检修工作显得尤为重要。变频器故障通常表现为电子元器件的损坏。 ( 4 ) 真空泵故障真空泵的作用是从真空室中抽除气体分子，降低真空室内的 气体压力，使之达到要求的真空度。在真空泵的选择、安装和使用过程中，有许 多的注意事项。如安装时应使底座保持与地基水平，确保真空泵运转平稳、振动 小。真空泵故障主要表现为真空室的真空度无法达到要求值。 ( 5 ) 真空系统密封不严密封是转子动力学的重要研究内容之一。其性能直接 关系着转子系统的工作效率，随着转子向高速方向发展，密封的作用也越来越重 要。对转子系统密封动力学的研究包括其动力学特性分析、稳定性分析和效能分 析 ( 6 ) 转子故障转子故障的主要类型如下【3 6 棚】： 1 ) 松动故障松动故障泛指支座松动、螺栓松动、轴承座松动、叶轮、转子 轴和轴承装配过盈不足所引起的故障。由松动故障引起的振动具有一定的非线性， 信号频率成分也相当复杂，频域特征表现为具有一定的低频分量，特点为低频带 宽，多集中于l 2 工频前，伴有工频分量和高次谐波。由激振频率( o 3 1 5 ) 倍工频、 工频和高次谐波的激振力引起的振动，即松动部件对转子动态输入的非线性响应 所引起的振动所致。 2 ) 摩擦故障摩擦故障主要指转子与密封件的摩擦、电动机转子与定子的摩 擦、转子与隔板的摩擦等。它是由于轴承润滑不良或密封间隙过小等原因引起转 子与固定件接触碰摩而产生的异常振动。频域特征表现为广谱宽带，伴有动态的 高频分量。激振力的频率非常丰富，即有与转速有关的低频成份。也有与固有频 率有关的高次谐波。 3 ) 转子有裂痕转子含有横向裂痕时，在二个相互垂直的方向上刚度不对称， 因此引起非线性的参数激振。频域特征为具有明显的工频，2 倍频、3 倍频甚至4 倍频分量。 4 ) 转子不平衡转子轴心周围质量分布不均，质心不在轴线上而产生附加惯 性力或力偶的现象称为不平衡。由不平衡引起的振动是离心机这类旋转机械的常 见多发故障，大约占到总故障的3 0 左右。转子材质不均匀，在长期运行中产生 不均匀磨损、腐蚀、变形，制造、安装过程产生误差，装配偏心，各种附着物不 均匀堆