（机械电子工程专业论文）故障旋转机械稳态与瞬态振动测试及其诊断系统研究.pdf

东北大学硕士学位论文摘要 故障旋转机械稳态与瞬态振动测试及其诊断系统研究 摘要 目前，在旋转机械的转子轴承系统研究中，多数研究集中于从理论和模型实 验上对故障进行分析。由于现场实际机器的结构、运行环境、操作方法等的复杂 牲，将理论成果直接应用于现场故障诊治必须经过实际机器的运行检测和现场试 验，才有条件对设备故障进行诊治。本文以现场7 级次高压泵d g 8 5 8 0 为研究对 象，用经典的时域分析、频域分析等信号分析方法与现场试验测试相结合，对旋 转机械平稳故障信号与变工况过渡过程非线性故障振动信号分别进行分析研究， 对水泵现场测试的难常、气蚀、地脚松动、不对中等振动信号进行分析，并对王 动维护模式结合有效的点检与远程诊断技术构造了基于b r o w s e r s e r v e r 结构模式 和c l i e n t s e r v e r 结构模式相结合的网络化的旋转机械状态监测、诊断系统进行了初 步研究。主要包括： 以d g 8 5 8 0 x7 泵转子一轴承系统为研究对象，通过r i c c a t i 传递矩阵法对多级 泵系统进行数值分析并用a n s y s 校核，确定了系统转子固有频率、l 临界转速和转 子类型。 以7 级次高压泵d g 8 5 8 0 为研究对象，结合现场测试进行信号分析，对2 3 次 测试中的1 2 组稳态数据进行分析，通过时域波形、幅值谱、功率谱密度、位移峰 峰值、通频振幅和轴心轨迹图研究了水泵系统转子在萨常状态的设汁点、大流量、 小流量情况下的稳态响应与振动特征。讨论了系统在气蚀、地脚松动、不对中等 故障的稳态响应与振动特征变化。 以7 级次高压泵d 0 8 5 8 0 为研究对象，结合现场测试，运用了时域波形峰值 趋势曲线和三维谱图对转子现场采集的正常泵起机过程，地脚松动故障停机过程， 1 ：对中故障起停机过程和正常泵由小流量5 4 m 3 h 到大流量1 0 8 m3 h 过渡过程， 由正常泵大流量产生气蚀故障过渡过程，由气蚀故障恢复到设计点位置过渡过程 等实测非平稳振动数据进行分析，完整地表达了各状态下起停机过程的全部特征 信息。 东北走学硕士学位论文摘要 本文引入了主动维护模式结合有效的点检与远程诊断技术构造了基于 b r o w s e r s e r v e r 结构模式和c l i e n t s e r v e r 结构模式相结合的网络化的旋转机械状态 监测、诊断系统思想。实现了从数据采集、实时数据库存储到b r o w s e r s e r v e r 的在 线分析与诊断专家系统的部分功能。运用这些技术，进一步提高了旋转机械状态 测试、监测与诊断的可靠性、准确性和高效性，促进了智能监测分析诊断技术的 进一步发展。 ( 本文工作得到了国家自然科学基金项目( 编号：5 0 2 7 5 0 2 4 ) 年n8 6 3 计划项目( 编 号：2 0 0 2 a a l l 8 0 3 0 ) 资助。) 关键词 故障旋转机械传递矩阵法幅值谱功率谱密度轴心轨迹三维谱 图主动维护 糸北大学硕士学位论文a b s f r a c t s t u d y o i ls t e a d ya n dt r a n s i e n ts i g n a la n a l y s i s ，v i b r a t i o n 1 e s t i n ga n dd i a g n o s i ss y s t e mo ff a u l t e dr o t a r ym a c h i n es y s t e m a b s t r a c t n o w a d a y s ，f a u l ts t u d i e so ft h er o t o r - b e a r i n gs y s t e mi nr o t a t i n gm a c h i n e r ya r e m a i n l yf o c u s e do nt h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dm o d e le x p e r i m e n t s o n l i n ee x p e r i m e n t s m u s tb ed o n ei no r d e rt oa p p l yt h e o r e t i c a lr e s u l t st of a u l td i a g n o s i so fr e a lm a c h i n e s b e c a u s eo ft h ec o m p l e x i t yo ft h er e a lm a c h i n es t r u c t u r e ，w o r k i n ge n v i r o a n l e n ta n d m a n i p u l a t i o n a na p p r o a c hc o m b i n e ds i g n a la n a l y s i ss u c ha st i m ea n df r e q u e n c y d o m a i na n a l y s i sw i t ho n l i n ee x p e r i m e n t si sa p p l i e dt oa n a l y s i st h ev i b r a t i o ns i g n a l so f t h er o t o r - b e a r i n gs y s t e mo f d g 8 5 8 0 x7p u m pi nb o t hs t a t i o n a r ya n dt r a n s i e n tp r o c e s si n t h i sp a p e lt h eo n l i n ev i b r a t i o ns i g n a l so fp u m pu n d e rh e a l t h ya n du n h e a l t h ys t a t es u c h a s c a v i t a t i o n s ，p e d e s t a ll o o s e n e s sa n dm i s a l i g u m e n t a r ea n a l y z e d t h en e t w o r k c o n d i t i o n m o n i t o r i n g a n dd i a g n o s i n g s y s t e mo fr o t a t i n gm a c h i n e r yb a s e d o n b m w s e r s e l w e ra n dc l i e n t s e r v e rs t r u c t u r ei sc o n s t r u c t e db yc o m b i n i n gt h et e c h n i q u e o f o n l i n ec h e e ka n dr e m o t ed i a g n o s i sw i t ht h ea c t i v em a i n t e n a n c e t h er o t o r b e a r i n gs y s t e mo fi ) i a 8 5 8 0 x7p u m pi sn u m e r i c a la n a l y z e di nt h i sp a p e r u t i l i z i n gr i c c a t im a t r i x t r a n s f e rm e t h o da n dv a l i d a t e db ya n s y st h r o u g hw h i c ht h e n a t u r a lf r e q u e n c ya n dc r i t i c a ls p e e da r ef i n a l l yc a l c u l a t e d ad o z e n g r o u p so fs t a t i o n a r yd a t ai n2 3t i m e sm e a s u r e m e n t si nd g 8 5 8 0 7p m n p a r ea n a l y z e d t h es t a t i o n a r yr e s p o n s ea n dv a r i a t i o no fv i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fr o o r i nh e a l t h yp u m ps y s t e mw o r k i n ga tt h ed e s i g np o i n t ，m a x i m u md i s c h a r g e ，m i n i m u m d i s c h a r g ep o i n t a n d u n h e a l t h ys y s t e m w i t h c a v i t a t i o n s ，p e d e s t a ll o o s e n e s s ， m i s a l i g u m e n ta l es t u d i e dr e s p e c t i v e l yb yd r a w i n gg r a p h so fw a v ei nt h et i m ed o m a i n ， a r n p l i t u d ? s p e c t r u m ，p o w e rs p e c t r a ld e n s i t y , p e a k p e a ks p e c t r u m ，a l m o s tp e r i o d i c v i b r a t i o na n de e m e rw h i r lo r b i t f i n a l l y , t h ee f f e c t i v e n e s so f t h o s ec l a s s i cs i g n a la n a l y s i s a p p r o a c h e sa r ev a l i d a t e db yo n - l i n em e a s u r e m e n t i nw h i c hs o m en e wp h e n o m e n aa r e e n c o u n t e r e d ， 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h eo n l i n em e a s u r e dt r a n s i e n tv i b r a t i o nd a t a o fd g 8 5 8 0 7p u m pi nd i f f e r e n t w o r k i n gp r o c e s s e so fr o t a t i n gm a c h i n e r ya r ca n a l y z e du s i n gp e a kt r e n di nt i m ed o m a i n a n dt h r e ed i m e n s i o nf r e q u e n c ys p e c t r u m t h e s ep r o c e s s e si n c l u d er u n - u pp r o c e s so f h e a l t hp u m p ，t h er u n d o w np r o c e s sw i t hp e d e s t a ll o o s e n e s s ，t h er u n u pa n dr u n d o w n p r o c e s s e sw i t hm i s a l i g n m e n t ，t r a n s i e n tp r o c e s s w i t hc a v i t a t i o n sc a u s e db y l a r g e d i s c h a r g eo f h e a l t h yp a n a p ，t h et r a n s i e n tp r o c e s so f h e m t h yp u m p c a u s e db yt h ei n c r e a s e o ff r o m5 4 m3 ht o1 0 8 m ha n du n h e a l t h yp u m pc a u s e db yc a v i t a t i o n s a l lt h e c h a r a c t e r i s t i ci n f o r m a t i o no fr u n - - u pa n dr u n - - d o w np r o c e s su n d e rv a r i o u sc o n d i t i o n si s g i v e nc o m p l e t e l y i nt h ep a p e rt h et r a n s i e n tp r o c e s s e sa l e d e s c r i b e dt o o t h en e t w o r kc o n d i t i o nm o n i t o r i n ga n dd i a g n o s i n gs y s t e mf o rr o t a t i n gm a c h i n e r y b a s e do nb r o w e r s e r v e ra n dc l i e n t s e r v e rs t r u c t u r ei sp r o p o s e di nt h i sp a p e ru t i l i z i n g t h et e c h n i q u eo fo i l l i n ec h e c ka n dr e m o t ed i a g n o s i sc o m b i n e dw i t ht h ea c t i v e m a i n t e n a n c e t h ef u n c t i o no fd a t ac o l l e c t i o n ，r e a lt i m ed a t as t o r a g e ，o n l i n ea n a l y s i s m a dd i a g n o s i se x p e r ts y s t e mi sp a r t l yr e a l i z e d t h er e l i a b i l i t y , a c c u r a c ya n de f f i c i e n c yo f c o n d i t i o nm o n i l o d n ga n dd i a g n o s i n gi nr o t a t i n gm a c h i n e r ya l ei m p r o v e db yt h e s e t e c h n i q u e sm e n t i o n e da b o v e t h e ya l s op r o m o t et h ed e v e l o p m e n to fi n t e l l e c t u a l m o n i t o r i n ga n dd i a g n o s i n gt e c h n i q u e t h i sd i s s e r t a t i o ni ss u p p o r t e db yn a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a ( 5 0 2 7 5 0 2 4 ) ，n a t i o n a l8 6 3p l a n ( 2 0 0 2 a a l l 8 0 3 0 ) k e y w o r d s ：f a u l t e dr o t a r ym a c h i n es y s t e m ，s t e a d y a n dt r a n s i e n tf a u l t s ，d i a g n o s i s s y s t e m ，a m p l i t u d es p e c t r u m ，p o w e rs p e c t r a ld e n s i t y , p e a k p e a ks p e c t r u m ， t h r e ed i m e n s i o nf r e q u e n c ys p e c t r m n v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研究成 果滁加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果，也 不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 去切为 日期：玩7 勰 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文的规 定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论 文披查阅和借阅。本人授权东北大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名；否则视为不同意。) 学位论文作者签名：云净刁 签字日期：西方、2 ) 矿 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 本文研究的意义 第一章绪论 随着现代化工业的发展，旋转机械作为关键设备在工业部门中应用十分广泛， 能否确保旋转机械安全可靠地以最佳状态运行，对确保产品质量，提高企业生产 能力，保障安全生产都具有十分重要的意义。有效地提高对旋转机械的监测能力， 提高旋转机械故障的诊断分析处理能力提高预防旋转机械事故发生的能力，存国 民生产中具有重要的地位和意义【1 0 1 。 为了避免事故发生并确保其安全长期的运行，国内外科技工作者投入了大量的人 力物力对旋转机械各种故障进行研究。但多数的研究只是集中于从理论和模型实验 i 对故障进行分析。由于实际旋转机械结构、运行环境、操作方法等等的复杂性，将理 论成果直接应用于现场故障诊治还有定距离，必须经过实际旋转机械运行的检验。 旋转机械在运 亍过程中的多发故障，如剥落、摩擦、松动、爬行、冲击、裂 纹、轴承磨损、联轴器不同心或轴弯曲、基础松软以及地脚螺钉松动、喘振、旋 转失速、油膜涡动以及油膜振荡等，同时对于各种旋转机械，如水泵还有其特有 的故障，如泵内有气蚀，泵内存留空气等1 4 , 5 1 ，当故障发生发展和过渡时将导致丰 富的动态信号的出现。振动信号往往可以表征旋转机械某些故障的存在和征兆， 因此，只有深入地分析旋转机械的振动信号，才有可能对旋转机械的运行状况做 出正确的判断j 。 对于信号分析诊断方法，有效地分析从采集系统获得的真实可靠的振动信号 是对旋转机械进行故障诊断的基础。能否正确地分析处理故障信号，获得有效的 故障特征是对旋转机械故障进行分析、谚 别和预防的前提。设旋转机械振动信号 是平稳随机信号的基础上的，考虑信号中的非平稳成分，结合旋转机械正常与故 障状态下振动信号分析比较，是旋转机械状态监测和故障诊断的重要环节。研究 并应用信号分析处理方法对旋转机械的稳态和变工况过渡过程振动信号进行分析 东北大学硕士学位论文第一章绪论 处理，将有效地提取各类故障的特征参数，并且有利于提高人们对旋转机械常见敌 障认识的深度，为实现对其故障的准确预报、防【重大事故的提供条件。 ) 5 确保旋转机械运行的可靠性和安全性，就必须加强剥旋转机械运行的实时 监测与管理，实现基于主动的维护模式p a p ( p r e d i c ta n dp r e v e n t ) ，即加强对旋转 机械运行的在线网络化监测与诊断，实现旋转机械监测的智能化和网络化。对旋 转机械进行实时在线的网络化监测与诊断可以减少或避免恶性突发事故而造成的 重大经济损失和人员伤亡，帮助维修人员及早发现异常，迅速查明故障原因，预 防故障发生，减少维修费用，合理安排维修计划等，从而提高旋转机械使用的效 率和合理性，保证运行的安全性和可靠性，延长服役期限。 总之，对旋转机械的常见故障稳态振动信号分析方法和旋转机械起停机与过 渡过程监测与诊断、网络化在线巡检与远程诊断系统理论与技术进行的研究，对 保障旋转机械稳定安全的运行具有重要的实际意义。 1 2 故障旋转机械分析与监测系统国内、外研究现状 1 2 1 旋转机械故障机理研究概况 故障机理研究是故障分析与监测中一个基础丽又必不可少的工作，目前对旋 转机械故障机理的研究主要从故障规律、故障征兆、和故障模型等方面进行。为 了从理论上对旋转机械系统故障的产生机理有更具体的解释，进而使故障诊断技 术向更高的层次发展，近几年来，国内外许多科技工作者开始对旋转机械故障机 理进行研究。1 9 9 7 年在莱国芝加哥召开的国际转子动力学会议上，e f e h r i c h 报告 - j x 寸转子系统的非线性动力学行为的深入研究成果pj ；a m u s z y n s k a 对油膜振荡的 机理进行了较深入的研究i 蜘；t i n a g a k i 教授等研究了转子系统的运行的稳定性问题 9 1 目前在故障机理的研究方面，已发表了大量的论文【i ”1 ，这说明国外对于故障 机理的研究十分重视。 在国内，对旋转机械放障机理方面也进行了大量的研究工作l l ”j ，诸如转子 系统裂纹的研究，转子系统油膜振荡的研究，转子系统碰摩的研究，转子系统基 座松动的研究，裂纹转予稳定性的研究，转子系统分岔与混沌行为的研究等。 由于实际的旋转机械系统往往存在复合故障( 所谓复合故障是指两种或两种以 i 的故障同时存在的情况) ，目前国内外科技工作者开始转向对复合故障转子系统 东北是学硕士学位论文第一章绪沧 处理，将有效地提取各类故障的特征参数，并且有利于提高人们对旋转机械常见故 障认识的深度为实现对其故障的准确预报、防止重大事故的提供条件。 为确保旋转机械运 亍的可靠性和安全性，就必须加强对旋转机械运彳的实刚 监测与管理，实现基于主动的维护模式p a p ( p r e d i c ta 1 埘p r e v e l l t ) ，即加强对旋转 机械运行的在线网络化_ ! | i 测与诊断，实现雠转机械监测的智能化和网络化。对旋 转机械进行实时在线的网络化监测与诊断可以减少或避免恶性突发事故而造成的 重大经济损失和人员伤亡，帮助维修人员及早发现异常迅速查明故障原因，预 防故障发生，减少维修费用合理安排维修计划等，从而提高旋转机械使用的效 率和合理性，保证运行的安全性和可靠性，延长服役期限。 总之，对旋转机械的常见故障稳态振动信号分析方法和旋转机械起停机与过 渡过程监测与诊断、网络化在线巡检与远程诊断系统理论与技术进行的研究，列 保障旋转机械稳定安全的运行具有重要的实际意义。 1 2 故障旋转机械分析与监测系统国内、外研究现状 1 2 1 旋转机械故障机理研究概况 故障机理研究是故障分析与监测中一个基础而又必不可少的工作，目前对旋 转机械故障机理的研究主要从故障规律、故障征兆、和故障模型等方面进行。为 r 从理论上对旋转机械系统故障的产生机理有更具体的解释，进而使故障诊断技 术向更高的层次发展，近几年来，国内外许多科技工作者玎始对旋转机械故障机 理进行研究。1 9 9 7 年在兼园芝加哥召开的国际转子动力学会议上，e e 嘶c h 报告 了对转子系统的非线性动力学行为的深入研究成果“j ；a m u s z y n s k a 对油膜振荡的 机理进行r 较深入的研究 b 1 iz k a g a k i 教授等研究了转子系统的运行构稳定性问题 f 9 ) = 目前在故障机理的研究方面。己发表了大量的论文【i “，这说明国外对于故障 机理的研究卜分重视。 在国内，对旋转机械故障祝理方面也进彳亍了大量的研究工作1 i ”，诸如转子 系统裂纹的研究，转予系统油媵振荡的研究，转子系统碰摩的研究，转子系统基 座松动的研究，裂纹转予稳定性的研究，转子系统分岔与混沌行为的研究等。 由于实际的旋转机械系统往往存在复合故障( 所谓复合故障是指两种或两种以 上的故障同时存在的情况) ，目前国内外科技工作者开始转向对复合故障转子系统 _ 的故障同时存在的情况) ，目前国内外科技工作者开始转向对复台故障转子系统 东北大学硕士学位论文第一章绪论 的动力学及故障机理的研究，以明确各种故障对系统动力学特性的影响，并对主 要故障加以区分，分清主次，这在理论上和实际应用上都具有重要意义。 1 2 2 故障旋转机械信号分析理论与方法研究现状1 2 5 2 9 故障诊断技术最近1 0 多年来得到了长足的发展，在诸如水泵、汽轮机、压缩 机等其他许多重要旋转机械设备中得到了广泛应用。其中振动信号的分析与处理 研究较早，理论和方法较多且比较完善。对于平稳振动信号分析大多采用快速傅 辽叶变换( f f t ) ，即将一般时域信号表示为具有不同频率的谐波函数的线性叠加。 由于对于很多平稳信号的情况具有适用性，因而在信号分析领域得到广泛应用。 信号分析方法按照不同的标准可以划分为不同的类别，按照分析不同的领域 分为： 振动的幅值域分析，主要包括：均值、方差、偏斜度、峭度、峰值、峰峰值、 波形指标、峰值指标、脉冲指标和裕值指标等； 振动信号的频率域分析：自谱、互谱、功率谱、相位等； 时频分析：w v d 分布、s t f t 和小波变换： 振动信号的时差域分析，主要包括自相关和互相关分析； 数字滤波( 高通、低通、带通和带阻) ； 倒频谱分析： a r 建模及其谱分析； 倍频自动分析技术； 轴承故障自动分析技术； 齿轮故障自动分析技术； 但是，在实际中的很多旋转机械的振动信号中蕴含着丰富的非线性、非平稳 运行状态信息，例如许多变工况旋转机械，它们在运行过程中的转速、功率、负 载等往往是变化的，它们运行动态振动信号都具有非线性。因此，如何通过对振 动信号的分析处理，有效的提取各种非线性故障特征量是实现对旋转机械故障成 功诊断的关键闻题。 近年来，国内外科技工作者成功胄哿将分形、小波变换、模糊聚类和神经网络 等先进非线性分析理论用于非线性故障的分析和特征量提取中，大大提高了旋转 机械非线性故障诊断的成功率。当前主要的非线性分析方法有： w i g n e r v in e 分布 糸北大学硕士学位论文 第一章绪论 w i g n e r v i l 】e 分布可看作信号能量在联合的时间域和频率域中的分布，是分 析非平稳和时变信号的重要工具。尽管受到交叉干扰项的制约，w i g n e r v i l 】e 分 布仍然得到了十分广泛的应用。 小波分析方法 小波技术已为旋转机械、往复机械等状态监测与故障诊断做出了贡献。采用 不同的小波基函数对非线性故障信号进行分解，提取各频段内的故障特征，解决 了大量的工程实际问题。在旋转机械监测诊断中应用小波技术具有应用广泛性、 运算多样性、信息敏感性、信息再提取、运用综合性等特点。 小波分形方法 基于小波的振动信号奇异性分析方法，通过对非线性故障的振动信号奇异性 的分析和刻画，对信号的非线性故障特征进行描述，使之成为一个可行的故障征 兆信息；同时，应用小波变换和分形相结台计算振动信号的分维数，以及应用小 波变换模极大值和分维来构造综合特征量，可以准确的描述和刻画旋转机械的非 线性故障特性。 时间序列分形特性 无论从分形产生的过程，还是从分形应用的范围来分析，都可以看到分形与 复杂性有着密切的联系。时间序列关联维数所度量的是动力系统由确定性向随机 性演化的耗散速度。时间序列分形特性刻画了旋转机械的运行状态复杂性，反映 了旋转机械的非线性故障特征。 模糊聚类方法 为了提高复杂旋转机械故障的诊断能力，采用模糊聚类算法对原始采样数据 进行聚类并通过模糊传递闭包法和绝对值指数法得到模糊c 一均值法的初始迭代 矩阵，用划分系数、划分熵和分离系数来评价聚类的结果是否最佳。采用模糊聚 类方法可避免研究复杂旋转机械的内部特性，比仅依据其外部输出的数据进行故 障诊断方法简便，提高了旋转机械故障诊断的准确率。 模糊神经网络方法 旋转机械的复杂性和耦合性使得其故障有多层次性、模糊性以及随机性等特 点，很难用单一的判别函数将各种故障截然分开。人工神经网络技术以其优越的 非线性模式分类性能和很强的自组织、自学习能力，引起了故障诊断领域许多研 究者的重视。 4 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 一，_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - - _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ - _ ，_ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ ，_ 由于很多故障振动特征既有特性，又有共性，而在不同类型机组，甚至同类 型不同机组上的表现又有很大差异，使得现有很多故障诊断系统在诊断具体故障 时，所提供结果过于宽泛、模糊。因此在理论研究和广泛调研的基础上，针对不 同机组进行现场试验研究，结合相应的模型试验对故障转子系统的动力学特性予 以识别，这进一步加深了人们对旋转机械常见故障的认识。通过模型试验还可以 发现一些新的故障动力学现象，特别是故障的非线性动力学现象，同时，结合现 场试验是产品开发及实用过程中一个必不可少的环节。随着机械设备向大型化、 复杂化、高速化的发展，这工作越来越引起人们的重视。 1 2 3 现场测试在信号分析的应用 随着现在产品设计正由静态设计向动念设计转化，而在产品使用维护阶段， l l ：逐渐由事后或定期维修转向在线监测主动维修，甚至是主动预防性维护使得状 态监测和现场故障诊断技术取得了较广泛的应用，振动测试以及信号处理分析已 成为十分重要的环节，是实现状态监测与故障诊断的前提。这就不但要求有完善 的测试手段，而且还必须具有一套功能强大的数据实时分析处理系统。以前的现 场试验设备是用光线示波器、磁带记录机等比较复杂的记录系统束显示和记录信 号，并配以相应的动态信号分析仪对信号进行深入的分析。为了适应现代动态测 试发展的要求，在计算机技术飞速发展，其性能价格比不断提高的基础上，基于 p c 微机的多通道动态分析系统显示出巨大的优越性，成为动态分析设备的发展方 向，从而构成了目前常见的较为完整的现场试验数据记录和分析系统。其组成一 般为： 1 ) 硬件系统，包括便携式微机、总线扩展箱、多通道a d 采样板、多通道抗 混滤波器、便携式打印枫等。由于硬件系统是进行数据采集与分析的基础，其性 能指标直接关系到数据采集的精度，应根据具体工作需要进行合理配置。 2 ) 软件系统，主要包括数据采集软件和信号分析软件。数据采集软件应其有时 域示渡、数据采集及采样数据存盘功能。通过参数设定可对采样频率、采样通道、 数据块大小及数量、工程单位、采样方式等进行设定，且采集数据可以自动存盘。 信号分析软件一般应具有时域、频域的多种处理功能。 考虑到现场广地大小、布置的局限，现场试验数据记录和分析系统应该具有 体积小、重量轻、便于携带等特点。 东北大学硕士学位论文第一章绪论 对于各种大型机组一般可以在其上通过现成的测试系统宜接进行分析，或从 仪表面板上引出信号，录入到自带的测试系统中，以便进行事后更细致的分析和 保存。 1 2 4 基于网络化旋转机槭监测与诊断理论与技术的研究现状 3 0 3 3 l 近年来，计算机网络技术发展迅速，速度已成为影响企业核心竞争力的重要 因素，将在线巡检和网络化维护技术结和起来，不仅能够发现早期故障，避免恶 性事故的发生，还可以从根本上解决设备维修不足或过剩维修等不合理问题，延 长设备运行寿命，增加企业经济效益。实现预测性维护，使设备达到近乎零故障 ( n e a r - z e r o b r e a k d o w n ) 的生产效率，大大降低了事故故障率，降低设备的维护 费用，提高了企业的竞争能力。 目前，以信息处理技术为基础的旋转机械故障诊断技术开始向基于知识的智 能诊断技术方向发展，并陆续出现了许多商业化的状态监测与诊断系统。如美国 西屋公司的过程控制系统( p d s ) ，b e n t l y 公司的工程师帮助软件，r a d i m l 公司的对 大型机组进行诊断的监测系统y u r b o m a c ，日本三菱重工的机械状态监测系统 m h m s 。还有其他一些系统，如美国i r d 公司的a m e t h y s t 系统，b e l 公司的d a t m 4 系统，瑞士的v i b r o - v i e w 系统，加拿大的c s i 系统等等。 我国从2 0 世纪7 0 年代中期才在引迸和消化吸收国外先迸技术的基础上，7 i + 始研究各种旋转机械的故障机理、诊断监测方法，创建新的诊断理论和诊断监测 方法，并将状态监测与诊断技术在生产中应用和推广。 从2 0 世纪8 0 年代末期至今，我国科技工作者开始从理论上和生产应用上建 立较为系统的诊断监测理论，研究开发了些设备状态监测与诊断系统，将我国 的旋转机械诊断与监测技术推向理论研究和普及应用的新高潮。旋转机械故障诊 断与监测技术渐渐在我圆一些重要行业中得到应用，并取得了显著的经济效益， 推动了国民经济的增长。 总之，由于计算机技术的广泛应用，检测技术、传感技术、状态监测技术、 信息处理技术韵侠速发展故障诊断已经进入开发网络化、智能化诊断系统并应 用到工程中去的新阶段。随着现代科学技术的发展和现代化大生产的需要，旋转 机械故障诊断与监测技术已发展列以信号采集、数据分析为主的计算机辅助益测 和诊断阶段，进丽向拥有瞬络化、智能化的故障诊断系统方向发展。 6 东北大学硕士学位论文 1 3 本文主要内容 本文用常用的时域分析、频域分析等信号分析方法与现场试验测试相结合， 对旋转机械平稳故障信号与变工况过渡过程非线性故障振动信号进行分析研究 对水泵现场测试振动信号进行分析验证，并对旋转机械网络化状态监测的故障预 测系统进行了研究。 本文第二章以d g 8 5 8 0 x 7 水泵的转子一轴承系统为研究对象，利用传递矩阵 法对多级泵系统进行数值分析并用a n s y s 校核，研究了系统转子固有频率和临界 转速，对其进行了计算分析。讨论了系统临界转速、主轴刚度以及转子类型。 本文第三章阐述了现场测试采用振动测试原因与信号分析基本方法，并以现 场7 缴次高压泵d g 8 5 8 0 7 为研究对象，结合现场测试进行信号分析，对2 3 次 测试中的1 2 组稳态数据进行分析，通过画出时域波形、幅值谱、功率谱密度、位 移峰峰值、通频扳幅和轴心轨迹图研究了水泵系统转子在正常状态的设计点、大 流量、小流量情况下的稳态响应与振动特征。讨论了系统在气蚀、地脚松动、不 对中等故障盼稳念响应与振动特征变化。 第四章首先对菲平稳信号分析理论与方法进行了介绍，然后对转子现场采集 的正常泵起机过程，正常泵由小流量5 4 m 3 h 到大流量1 0 8 m 3 h 过渡过程，由正常 泵大流量产生气蚀故障过渡过程，由气蚀故障恢复到设计点位置过渡过程，地脚 松动故障停机过程，不对中故障起停机过程等实测非平稳振动数据迸行分析，运 用了时域波形蜂值趋势曲线来描述水泵的运行状态。可以通过监测系统的三维谱 图的时域、频域和幅值域变化实现对水泵运行状态的监测与诊断，获得所需要的 时频信息。 本文第五章b 入了主动维护模式结合有效的点检与远程诊断技术构造丁基于 b r o w s e r s e r v e r 结构模式和c l i e n t s e r v e r 结构模式相结合的网络化的旋转机械状态 监测、诊断系统，用于旋转机械的主动维护中，实现对其智能测试、监测与远程 诊断的网络化系统。详细分析研究了该系统的整体结构，数据传输存储以及故障 诊断功能。系统采用了嵌入式采集完成现场振动数据的采集，通过网络通讯实现 数据传输；采用实时数据库和关系数据库技术存储和管理各类数据i 运用了 c l i e n t s e r v e r 模式和b r o w s e r s e r v e r 模式的网络结构实现了现场监测与远程诊断功 能；并将定性与定量理论研究的最新成果，特别是旋转机械故障的非线性动力学 问题和故障诊断策略融入其中。该监测诊断系统将旋转机械的现场手持式振动数 东北大学硕士学位论文第一章绪论 据采集、现场状态监测和远程故障诊断有机的融为一体，实现了旋转机械状态监 测与诊断的智能化，信息化和网络化，对保障旋转机械的稳定与安全运行具有重 要的实际意义。 通过本文工作，对于旋转机械平稳故障的振动机理与特性有了更进一步的分 析；时域波形、幅值谱、功率谱密度、位移峰峰值、通频振幅和轴心轨迹图研究 了水泵转子轴承系统在正常状态的设计点、大流量、小流量和气蚀、地脚松动、 不对中等故障情况下的稳态响应与振动特征，获得了重要的现场测试信号分析经 验积累；尝试用时域波形峰值趋势曲线来描述水泵的变工况运行状态，实现了起 停机信号的时域监测；通过监测系统的三维谱图的时域、频域和幅值域变化实现 对水泵起停机与过渡过程状态的监测与诊断，对故障的振动特性进行了刻画与描 述；引入了主动维护模式结合有效的点检与远程渗断技术构造了基于 b r o w s e r s e r v e r 结构模式和c l i e n t s e r v e r 结构模式相结合的网络化的旋转机械状态 监测、诊断系统思想。实现了从数据采集、实时数据库存储到b r o w s e r s e r v e r 的在 线分析与诊断专家系统的部分模块。 东北大学硕士学位论丈第二章旋转机械转子一轴承系统参数计算 第二章旋转机械转子轴承系统参数计算 2 。1 引言 旋转机械是工业部门中应用广泛的一类设备，在电力、能源、交通、国防以 及石油化工等领域中发挥着无可替代的作用。转子一轴承系统作为旋转机械的核 心部件，其系统特性的优劣将会直接影响到旋转机械是否能安全、稳定、可靠地 运行。 系统转子的固有频率和临界转速无论在旋转机械故障诊断中，还是在机组设 p 中都是必须考虑的最重要的技术参数之一。基本的设计要求必须保在水泵转子 制造和装配过程中，不可避免地存在局部的质心偏移。当转子转动时，这些偏心 质量就会产生周期性的激振力作用在转子上，使转子产生受迫振动。当激振力的 频率和转予系统转动条件下的自振频率相接近时，转子会产生共振，这个转速就 称为转子的临界转速i 34 1 。它在运行中表现为：在这些特定的转速下，转子会发生 剧烈的振动，而转速离开这些特定转速值一定范围后，旋转又趋于平稳。转子在 临界转速下运行，轻则使转子振动加剧，重则造成事故，因此对转子的临界转速 必须给以足够的重视。 本章以d g 鼬8 0 x 7 泵转子一轴承系统为研究对象，利用传递矩阵法对多级泵 系统进行数值分析并用a n s y s 校核，计算出系统转子固有频率和临界转速，讨论 r 系统临界转速、主轴刚度以及转子类型。 2 2 传递矩阵法原理 在转子动力学近百年的历史中， 题和计算工具楣适应。发展到今天， 法和有限元法。 出现过许多计算方法，这都与当时的计算命 现代的计算方法可以分为两大类：传递矩阵 传递矩阵法是工程上用于计算转予系统i 临界转速和不平衡响应等的主要近似 数值方法之一。传递矩阵法发展较完善，计算时取转子为集中质量或分布质量模 型，使用“积木式”的处理方法，变量和方程数目少、计算简便、工作量小f 3 引。 集中质量模型是指转子保持原有的弹性，只将质量和转动惯量集中到若干节点上； 东北大学硕士学位论文第二章旋转机械转子一轴承系统参数计算 而分布质量模型是把转子抽象为有限个刚性圆盘及分布质量轴段在有限个节点对 接组合而成的模型。 传递矩阵法的主要特点是：矩阵的阶数不随系统的自由度数增大而增加，因 而编程简单，占内存少，运算速度快，特别适用于像转子这样的链式系统。传递 矩阵法与机械阻抗、直接积分等其他方法相配合，还可以求解复杂转子系统的问 题。l j 丁以说，传递矩阵法在转子动力学的计算中占有主导地位。 2 2 1r i c a a t i 传递矩阵法原理 1 5 , 3 6 1 传统的传递矩阵( p r o h l 传递矩阵法) 具有程序简单、机时少和所需内存小等 显著特点，得到了广泛应用。但是，随着试算频率的提高，运算的精度会降低。 这在计算大型轴系时尤为突出。其原因是传递矩阵中的大部分元素含有2 项，当 试算高阶模态时，m 值大，若结点数又很多，则递推式中的“。的元素会变得很 大。这样一来，在计算频率方程式和相应振型肘，要计算两个相近的大数的差值， 将导致计算精度的下降，有时甚至会使有效数字丧失殆尽。这种数值不稳定现象， 首先发生在计算振型时，表现为轴系尾部幅值的急剧增加，接着频率方程式的根 也开始发生错误，或者遗漏等。 1 9 7 8 年，文献【”l 提出了r i c c a t i 传递矩阵法，它通过r i c c a t i 变换，把原来微 分方程式的两点边值问题变换为一点初值问题，从而在保留传统传递矩阵法所育 优点的同时，从根本上提高了传递矩阵法的数值稳定性。 r i c c a t i 传递矩阵法把状态矢量的，个元素分成f 和e 两组，即 ( 2 ，1 ) 式中，由对应于在起始截面状态矢量z l 中具有零值的r 2 个元素组成；e 由 其余的r 2 个互补元素组成。例如，若转子的左端为自由端，有边界条件 m 。= 0 , q 。= 0 。故有f l = 【m ，q f ，e 。= 区a 矿。相邻两个截面的状态矢量之问的关 系，可改写为 其虬。