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摘要 基于模糊多属性决策的旋转机械智能诊断系统 摘要 以计算撬为核心的王况监褫与故簿诊断系统在实现设备的预知维 修、保证生产的安全运行和提高设备的使用效率等方面发挥羞重大作用， 正以冀带来的巨大经济效益帮社会效益，受到越来越多的重视。针对旋转 机械设备而设计的基于w i n d o w s x p 操作系统的监测诊断系统，系统功能 毖较全面，其有较强的实时益视、数据管理、餐能故障诊断及分析能力； 其包含的便携式系统性能价格比高、携带方便被广泛用于通用设备的监测 帮诊断；其魁含的工作站系统稳定牲更好，速度更快，功能更完备。 旋转机械状态监测与故障诊断系统兼顾了台式机和便携式系统的饯 点，既霹瘸子在线实时监视又可篙子离线益溺。本论文结合中石油莱化肥 厂的项目进行，首先根据实际要求分缨了系统方案的设计翻功能模块及特 色，然后又介绍了开发工其v c + + 程序的优势、特点戬及专家系统在故障 诊断系统中的应用；接着又分绍了旋转机械的故障帆理、几静常见赦障的 故障机毽和j s s o 1 总结出来的故障特征分析表；然后，通过介绍当前 的几种故障诊断技术并做出比较，总结如本文敞障诊断系统所采用的技 术，邵模糊诊断技术和专家系统相结合的诊断方法：在故障的简易诊断中， 对傣号进行频率诊断( 频谱分析、频谱校正等) 翻距离判别方法，缮出故 障假设集；最看着重阐述了故障的精细诊断过程，通过现场监测得到的机 组遂圣亍中各工艺参数及振动特征，人枧交互竞戒属性和权羹的输入和鼓障 北京纯工大举臻士学位论文 的诊断，诊断算法基予模糊多属性决策和专家系统原理；在论文的最囊还 对软件的编程实现中的关键问题作了叙述和探讨，最后对系统的进一步完 善提出了一些建议。 关键词：旋转机械，故障诊断，多属性决策，模糊诊断 嚣a u i 曩l n t 嚣l l i g e n c 甑d i a g n o s l ss y s t e m b a s e do n f m a d mf o rr o t a t i n gm a c h l n e r y a b s t r a c t s i n c em ec o n l l ，u t e r _ b a s e ds y s t e mf o r c o n d i t i o nm o n i t o d n ga i l df a u l t 曩鑫鬻s i sp l a y s 瓣i 礅p 联雒t 约l e 赫弹式c t 至v em a i n 钯n a 髓e e ，s a 怒够a s s u r a n e e 孤de 衔c i e n c yi m p r o v e m e n t ，m o r ea 1 1 dm o r ea t t e n t i o ni sb 咖gp a i dt ot h i s 鼬l o 嚣张sm 碱i 谢n g 蕊镬a 剿s i ss y s t e m 蕊i e hi s 潞e d o nw i n d o w s ) ( pa n di sd e s i 趴e df o rr o t a t i n gm a c h 妣r y ，h a sp o w c 由la b i l i 够i nr e a l _ t i m e 潋豳趣g ，畦a 攮r 鞋瓣嘻e 擞斌，瓤l t 稔t e 魂瑙e e 妇龋o s i s 勰da n a l y s i s 魏e s y s t e m1 h a tc o n t a i n e dp o n a b l e c t i o n 疵k e s i t h a v eh i 啦q u a l i 啦- p r i e er a 如， 锄纛聂a sb e 黼诚d e l y 珏s 甜f o re o e 蟠i p 删斌s r n l i ss y s t e mc a n sn o to n l yo n 一1 i n em o n i t o rb u ta l s o 湛l i n ea n 由s i s b e e 绷ei ti 越捻鳓t e d 妇p ca 耐龇p 础黻ea p p a f a 杌王s 删弧i sp a p e ri s b a s e do nm ep r o j e c t 矗o mo n ec h e l l l i c a lp l 删o fp e 拄o _ c h i n a 。a t 矗r s t ，t h e & s 国i & a o f 氇ep 嘲e c t ，s t n l c t e v 哪鼬c 饷nm o d u i ea n d t h ef e a t u r e so f t 撕ss v s t e ma r ei n 拍d u c e d t h e ns o n l em e m o d sa b o u tv i s u a l c + + a l l d a 弹l i e a t i o no fe x p c ns y s 协mi n 蠡m l t 碰a g n o s i ss y s t 锄黜p r o p o s e d a n d t 量l e i l t h e m l tn l e c h a n i s mo fr o 组t i n gm a c h i n e 巧b ed i s c u s s e dd e t a i l e d ，a n da l lk 遮d s o ff i m l tr e a s o n sa n dt h et a b l ec o n c l u d e db yj s s o h r ea r ep r e s e n t e d a n dm c n t h e 疆姑t h o dt h a te o m b i n e d 凡z z yd i a 铲o s i st e c h n i q u e 诚me x p e i ts y s 搬矬l sp u t i 玎 北京他工大学弼i 士学位论文 f o r w a r d 。i ti sw o 矗ht om e n t i o n 。t h ea s s u m p t i v ef a u l tm a t r i xi sd r a w no u tb y s i g n a lf r e q u e n c ya n db yd i s t a n c ed i s c r i m i n a t o r y t h e nt h ea c c u r a t ed i a g n o s i s i sd i s c u s s e d a c c u r a t ed i a g n o s i si sr e a l i z e dw i t ha l lk i n d so fp a r a m e t e r sa n d v i b r a t i o nf e a t u r e se n t e r e di n t ot h i ss y s t e m ，t h e nt h ed i a g n o s i sr e s u l t si sg i v e n o u tb yt h i ss y s t e ma c c o r d i n gt ot h ei n f o r m a t i o ne n t e r e db yu s e r t h ep r o g r a m o ff a u l td i a g n o s i si sba s e donf u z z ym u l t i p l ea t t r i b u t ede c i s i o nm a k i n ga n d e x p e r ts y s t e m 。i na d d i t i o ns o m ek e yp o i n ti sd i s c u s s e da tt h ee n do ft h ep a p e r , a n ds o m ea d v i c ei sr a i s e df o rg e t t i n gm o r ea d v a n c e df e a t u r e sf r o mt h i ss y s t e m 。 k e y w o r d s ：r o t a t i n gm a c h i n e r y , f a u l td i a g n o s i s ，m u l t i p l e a t t r i b u t e d e c i s i o nm a k i n g ，f u z z yd i a g n o s i s 第一章绪论 第一章绪论 1 1 状态监测与故障诊断的意义 随着现代科学技术的不断发展，各种旋转机械设备( 如汽轮机、发电机、鼓风机 及压缩机等1 目益大型化、高速化、重载化和复杂化，机组的机械效率与自动化水平 都比以前有了很大的提高。旋转机械设备在国民经济中发挥着极其重要的作用，它 们以转子及其它回转部件作为工作的主体，是现代化连续生产过程中的关键部分， 一旦发生故障造成停机，不仅会使机组本身遭受重大损失，而且还会造成连续生产 中断，导致停工停产，带来巨大的经济损失和社会影响【1 “。例如：1 9 8 5 年1 2 月我 国山西某电厂一台2 0 万千瓦发电机在4 0 秒内全部损坏，直接损失达t 0 0 万元以下。 旋转机械设备事故对连续生产的石化企业造成的损失也是相当惊人的。据报道四川 一化工厂的一台合成氨压缩机停产天就造成7 0 万元的损失【4 j 。 类似以上的旋转机械设备事故每年都有大量的报道，它反复提醒人们，为了避 免设备发生事故，保障人身和设备的安全，积极发展旋转机械设备的故障诊断技术 的研究p n 了刻不容缓的地步。据国外某权威机构估算，一台4 万千瓦容量的汽轮 发电机组，若能通过故障诊断技术降低1 的计划停机率和故障强迫停机率，一年就 可节省1 ，7 0 0 万美元的检修费用【5 j 。设备放障诊断技术2 0 世纪7 0 年代初形成于英 国，由于其实用性咀及为社会和企业带来的效益，日益受到企业和政府主管部门的 重视。特别是近2 0 年来，随着科学技术的不断进步和发展，尤其是计算机技术的迅 速发展和普及，它已逐渐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推广，成为国际上一大热门学科1 6j 。 一台设备从设计、制造到安装、运行有诸多环节，任何不应有的偏差都可能导 致设备的“先天不足”，造成带病运行。在运行过程中，设备可能处于各种各样的 环境之中，其内部必然受到力、热、摩擦等多种物理、化学作用，使其性能劣化， 造成“后天故障”。故障的产生可能造成生产系统的紊乱，使设备遭受损失，甚至 全线停工，造成巨大的经济损失，而且还可能破坏环境，危急人身安全，带来严重 的社会问题j 。 过去一般只有在机器的运行出现问题，或者拆开检查才知道机器中某部分发生 了故障。为了确保机器的正常运行，不得不规定定期维修检查制度，既不经济又不 了故障。为了确保机器的正常运行，不得不规定定期维修检查制度，既不经济又不 北京纯工丈学硕士学位论文 着电子测量技术和频谱分析技术的发展及其在故障诊断中的应用，国钋大型旋转枧 械状态监测与故障诊断技术进入了实用化赡段，取得了惊人的经济效益。，l 十年代 中期，以徽计算极炎中心豹理代设备教蜷诊断得到了迅速发展，涌臻了许多裔品纯 的计算橇辅助装测与故障诊断系统，鲡美国s c i e n t i ca l t l a n t a 公司的m 6 0 0 0 c h a m m p 系统、b e n t l y 公司的a d r e 系统及e n t e k 公司的p m 系统等。在这一阶段，由于传 线等多种信号，从而发展起了振动诊断技术、声发射诊断技术、铁谱诊甑技术、光 谱诊断技术、无损检测诊断技术和热成像检测技术等。 募魍个阶段始予零世纪j十掣代屠期，人工智能技术遨猛发联，并在实际工程 中褥裂短用，使设备诊断技术达到了智能秘度。国内开贬设备敬障诊断技术的研究 燕钛七十年代末，a十年代初开始的，强然起步较晚，但发展十分迅速，尤其近几 年来，许多高校和研究机构在设备诊断技术的理论和应用方面伶了大量的研究工 作，并取得了可喜的研究成果。这时候国内出现了针对不同对象的状态妊测与故障 诊断系统；郑州大学的mmds2000系统在化工霉亍业应用较多，嚣她工业大学的 md3905系统在蠢：虫化工蠡渡残月较多，英达华公蠲的en8000系统在电力嚣韭痘躅 较为广泛il】，扶设备状态信惑聚集、信号分析、数据霹管理，甚至包括诊断结论的获 褥蚜由计算机来完成，采用方式氍有离线盗测，也有在线盗澜。在分析方法上，出 现了多种多样的信号分析处理方法，如全息谱分析技术、小波分析技术、神经网络 诊断技术、各种时频分析技术等，且更加注重振动幅值、频率相位信息的全面综合 利用。这时还涌现出不少好的的故障诊断专家系统或自动诊叛系统，篾逐步向诊噬智能化和快捷化方向过渡。 第纛令除段是麸除段二十世纪九十年代末黻来，潮络纯蓝测诊断成为故障诊断 系统鼢一个重簧发展方向。在潮络系统构成上，充分利用企业现有的intemet资源与 量，如流量、温度、压力以及一些主要开关量，对于枧城设备运行状态的把握矍及 时、更全恧、更准确。这时很多非线性绩号处理方法，如分形理论、混沌理论等被 弓 入到枧械设餐翡故障诊断工作中，褥鼠在设备管理工 率上，诊断技术藏在逐步向设备诊断工程方商迈进。1 2 2 状态靛潲与故簿诊新系统概述 状态监测与故障诊断系统以现代科学中的机械掇动，转予动力学，可靠性理 论，失效理避等为理论基础；以诗巽枫聪序设计为主要技术手段，偌赫转感器等经 北京化工大学硕士学位论文 躯垂动生袋分季厅诊甑掇表； 5 该系统运行需求低，操作方便，矮行可靠，对旋转机械故障诊断的通用性 强。 l 。毒文章结梅 本论文的主要内容如下： 本文第二章介绍系统的设计要求、总体构架和开发环境，通过系统框架图，展 示了系统的主要功能。 第三章主要阐述了旋转机械盼故障机瑗以及常见的转予故障的特征和诊断方 法，莠套缓了j ，s 。s o 囊糙缡镯戆旋转规辕敖瓣藏嚣分提表及其鲣照场会。 第疆章主要介绥了麓转机械故障诊断技术的一些定义、藏畴帮应用，通过介绥 当前故障诊断的一些主舞方法，总结各方法的优缺点，提出了应用于本课题的故障 诊断方法。 第五章主要介绍智能诊断系统中的简易诊断，利用信号处理方法即频率诊断原 理及频蘧、穗经帮旗馕校歪等，傻露旋转瓿械敌障原因分攒袭，基子数据疼技零秘 多冠统计学鹣疆离粼潮分析方法，褥壅篱荔诊断结果。 篇六章主要介绍智能诊断系统中的精细诊断，选择使用故障的多个参数，利用 尽w 能多的信息量，邋邀模糊多属性决策和瑟予人工智能的专家系统的诊断算法， 完成般障的精细诊断，对相近症兆的故障做出甄别，并给出诊断实例和部分程序 第七章对课题帮论文王俸进行概括慈络，黉结合工作中鹣体会提出了对系统戆 竞饕鹣凡熹意冤。 1 5 本章小结 零章主要介绍了椒械设备敖障诊繇投零，祝棱设备状态簸灏与教障诊酝系统及 其猩现代化生产中的瀵鼹作用，概括的介绍了国内外故障诊断技术的发展概况，状 态麟测与故障诊断系统的现状及发展趋势。最后介绍了课题背景和课题的主要研究 内黟，并给出了文章的总体结构。 第二章旋转机械状态监测及故障诊断系统介绍 第二章旋转机械状态监测及故障诊断系统介绍 2 1 系统总体构架 该系统以方便现场操作使用和智能化为研发目标，其硬件和软件依据模块化设计 思想，可分为数据采集，在线监测、离线分析，故障诊断，数据管理，设备管理，动 平衡等模块。系统软件的对操作系统的通用性强，既可以在w i n d o w s9 8 操作系统中 运行又可以在w i n d o w sx p 操作系统中运行。 系统整体结构图如图2 1 所示： 2 1 1 系统介绍 图2 - l 系统整体结构图 f i g 2 一lf i g u r co f t h es y s t e ms 订u c t u r e 本课题所研究的旋转机械状态监测及故障诊断系统( 4 通道振动信号+ l 通道速度 信号) 是一种专门用于旋转机械设备数据采集、故障诊断及预测维修的多功能分析诊 断系统。该系统既包括便携仪上的采集和在线监测子系统，还包括工作站的分析和智 能诊断子系统。两个子系统采用w i n d o w s 风格界面，便携仪系统的显示屏使用可触摸 液晶屏以支持触摸式操作，因此比一般便携仪更加方便快捷。该子系统具有强大的振 动分析和实时监测功能，提供全面和完善的在线监测、离线分析和故障简易诊断等功 能；其工作站子系统具有速度快、操作简单、功能完备等特点，还包含了准确率高的 故障精细诊断功能。通过简易诊断和精细诊断功能轻松、快捷的完成故障诊断，并针 对具体机组设备，给出相应的维修建议；具有数据管理、设备管理、自动生成报表等 北京化工大学硕士学位论文 趋势图通过峰峰值、有效值、峭度趋势，显示一段时间内设备的运行状态，判断 故障的发展过程，预测故障的发展趋势。 3 智能诊断 分为故障的简易诊断与精细诊断过程。可自动提取故障信号的特征频率，显示故 障特征，通过频率分析，完成简易故障诊断过程，并显示出诊断结果。开放的基于s q l s e v e r 数据库的故障知识库系统，可提供故障知识的查询、创建、修改和删除功能。 在故障的精细诊断中，使用与故障相关的机组或设备的振动特征和工艺参数，提高了 故障诊断的准确度。 4 报表生成 在线监测可以生成监测报表，趋势分析可以生成趋势报表，智能诊断可以生成诊 断报表，在报表中调用设备管理数据库，使报表的内容充实准确，故障原因和维修建 议完善可靠。 根据以上设计要求，系统菜单结构如下图所示 设备状态监测与故障诊断系统 乞多亏7 孓 1 监测设置舅监测方式鞫离线分析目智能诊断圈数据管理鬻动平衡萝 liljl 添加机组波形选择机组简易诊断复制数据单平面法 打开删频谱 调入数据精细诊断删除数据双平面法 除机组诊断报表 峰峰值时域分析 格式转换 预设报警值退出诊断 有效值频域分析 参数设置 峭度值时频分析 开始监测 轴心轨迹 相关分析 停止监测 保存数据包络分析 退出系统 多文件分析 滤波分析 生成报表 退出分析 图2 - 4 系统菜单图 f i g 2 - 4f i g u r eo f s y s t e mm e n u 北京化工大学硕士学位论文 2 2 编程工具的选择及其特点和优势”伽 当前开发w i n d o w s 程序的较为流行的语言有b o d a n d 公司的b c ( b o r l a n dc + + ) 、 d e l p h i ，m i c r o s o f t 公司的v b ( v i s u a lb a s i c ) 、v c ( v i s u a lc + + ) ，s u n 公司的j a v a 等。v b 和d e l p h i 可视化编程能力较强，简单易用，但数据类型较少，计算能力不 强，对复杂的实时性工程的驾驭能力不如b c 和v c 。j a v a 是当前比较流行的语言， 它的最大优点是可移植到其他平台，但是使用一个“虚拟机”来运行可移植的字节码 而非本地机器码，使得程序的编译速度变慢。v c 和b c 都是用c + + 进行可视化编程 的工具。c + + 是一门优秀的程序设计语言，它是c 语言的扩展，继承了c 语言高效、 简洁、快速、可移植性好的传统，同时还提供了面向对象的特性和模板特性。它既可 以进行过程化程序设计，又可进行面向对象的程序设计，c + + 语言强调对高级抽象的 支持。c + + 实现了类的封装、数据隐藏、继承及多态，使得其代码容易维护及高度可 用。随着c + + 成为a n s i 标准，这种新的面向对象程序设计语言迅速成为了程序员使 用最广泛的工具。几乎在所有的计算机研究和应用领域，都能看到c + + 的影子【1 9 1 。 c + + 从c 进化而来，是c 语言的超集。c + + 在程序结构的本质上与c 是一致的， 过程化的程序设计与面向对象程序设计之间并无水火不容的矛盾，面向对象程序设计 是过程化程序设计的自然升华【2 0 】。 只要提到在w i n d o w s9 5 和w i n d o w sn t 下进行3 2 位的应用程序开发，就不能不 提到v i s u a lc + + 。相比其它的编程工具而言，v i s u a lc + + 在提供可视化的编程方法的 同时，也适用于编写直接对系统进行底层操作的程序，其生成代码的质量，也要优于 其它的很多开发工具。随v i s u a lc + + 所提供的m i c r o s o f t 基础类库( m i c r o s o f t f o u n d a t i o n c l a s sl i b r a r y ，简写为m f c ) ，对w i n d o w s9 5 n t 所用的w i n 3 2 应用程序接i ( w i n 3 2 a p p l i c a t i o np r o g r a m m i n gi n t e r f a c e ) 进行了十分彻底的封装，这使得可以使用完全的面 向对象的方法来进行w i n d o w s9 5 n t 应用程序的开发，从而大量的节省了应用程序的 开发周期，降低了开发成本，也使得w i n d o w s 程序员从大量的复杂劳动中解救出来。 v i s u a lc + + 使w i n d o w s 编程不再深奥和晦涩，而是一件有意义并且有趣的事情，而且 不会因为获得这种方便而牺牲应用程序的性能。 v i s u a lc + + 的核心是m i c r o s o f t 基础类库( m f c ) 。尽管使用v i s u a lc + + 进行编程 并不一定要使用m f c ，使用m f c 也不一定就要使用v i s u a lc + + ，b o r l a n dc + + 的新版 本也提供了对m f c 的支持，然而事实上，在很多情况下，我们提到v i s u a lc + + 时指 的就是m f c ，而提到m f c 时指的也就是v i s u a lc + + 。m f c 相当彻底的封装了w i n 3 2 软件开发工具包( s o f t w a r ed e v e l o p m e n tk i t ，即通常所说的s d k ) 中的结构、功能，它 1 2 北京张芏犬学颧士学位协纂霉垂囊纂鬈纂 囊鬟囊篓篓妻嚣鏊鐾囊蠢羹羹霎羹羹鍪囊霪霪 娶妻萋巍鞴 北京化工大学硕士学位论文 表3 一l 夔转瓿壤教藩常燕来源及主要骧鞠 故障来源主要原因 设计 1 设计不当，动态特性不良，运行时发生强迫振动或自激振动 制造2 结构不含理，有应力集中 3 工作转速接近或落入临界转遴暇 4 运行点援避或落入非稳定区 5 ，零聱锌秘工或裁逢不受，壤麓苓够 6 零伴耪麓不建，强度不够，磊涮造缺陷 7 转子动平衡不符合技术要求 蜜装 1 机器安装不当，零部件错位，预负荷大 维修2 轴系对中不良( 考虑轴系热态下的对中补偿量有偏差) 3 机器的几何参数( 如配合间隙、进盈量及相对位置) 调箍不当 4 管道成力大，枫器在工作状态下改变了动态特性和安装精度 5 。转子长期羧鬟不当，酸豁了动学袋糖霾 6 。安装藏缎黪过程孛疆嚣了瓿器潦毒趋配台往蔟帮精澄 运行操作 1 机器程葛# 设计状态下运行( 绷怒邂、超负荷或低贝稀酶行) ，改燹了机器 的工作特性 2 润滑或冷却不良 3 回转体尚郝损坏或结垢 4 工艺参数( 如介质温度、压力、流量、负荷等) 不当机器运彳亍失稳 5 。启动、侉觊或舟降速过程操捧誉避，暖极不够，熟膨胀不均匀，或在冁赛 区箨鬟辩阕长 枫器劣纯1 长期运行，转子挠瘦增大 2 回转体髑部损坏、脱落或产生裂纹 3 零部件磨损、冲刷、点蚀或腐蚀等 4 配合面受力劣化，产生过盈不嫩域松动现象，破坏了酉已合性质和精度 5 机器基础沉降不均匀，壳体变形铺等 3 ， 2 旋转辊藏嚣麓豹蒸零特征8 旋转机械的主要功能是由旋转部件来宠成的，转子是其最主薅的部件。旋转机 械缴绽故障的主要特征是机器伴有异常的搬劝和噪声，其振动信号从幅域、频域和 时域反浃了机器静故障傣患。因此，了解旋转机械在故障状态下艴振动机理，对于 黢涎瓿器戆运行获态裾掇离诊瑟薮障魏疆确率豢零重要。 旋转机械豹主要部件是转子，其结构溅式虽然多种多样，假对些简单的旋转 机械来说，为分析和计辣方便，一般都将转予的力学模型简化为一圆盘装在一无质 量的弹性转轴上，转轴两端由刚性的轴承殿轴承座支承。该模溅成为刚性支承转 予，对它进行分板计冀掰褥到的概念和绪论躅于篱单的旋转枫械是适用的。由予敲 了上遽耱耱麓琵，著藏褥爨懿分凝结栗躅予较为复杂爨旋转橇辕薅不够耱礁，毽蒸 本上能够说明转子振动的基本特征。 大多数情况下，旋转机械的转子轴心线是水平的，转子的两个支承点在同一水 平线上。设转子上的圆擞位于转子两支点的中央，当转子静止时，由于圆盘的重爨 北京化工大学硕士学位论文 使转子轴弯曲变形产生静挠度，即静变形。此时，由于静变形较小，对转子运动的 影响不显著，可以忽略不计，即认为圆盘的几何中心与轴线的中点相重合。转子开 始转动后，由于离心力的作用，转子产生动挠度。此时，转子有两种运动：一种是 转予的自身转，即圆盘绕起轴线的转动；另一种是弓形转动，即弯曲的轴心线与轴 承连线组成的平面绕轴线的转动。 圆盘的质量以m 表示，它所受的力是转子的弹性力f ： f = 一k a ( 3 1 ) 式中，k 为转子的刚度系数，a = 0 0 。圆盘的运动微分方程为 l 树= e = 一k x 【彬= e = 由 f 戈+ 主工：o jm l y + l y = o lm 令- 0 3 n = _ k f m 黜 lx = x c o s ( c o t + 吼) 【y 2 y c o s ( t ot + o y p ) 式中x ，y 为振动幅度；霞，吼为相位。 ( 3 2 ) ( 3 - 3 ) 由式( 3 - 4 ) 可知，圆盘和转子的中心，在互相垂直的两个方向作频率为( o n 的简 谐振动。在一般情况下，振幅x ，y 不相等，转子中心的轨迹为一个椭圆。这种运 动是一种“涡动”或称“进动”。转子的涡动方向与转子的转动角速度同向时， 称为正进动；与反方向时，称为反迸动 2 8 , 2 9 。 3 2 转子不平衡的故障机理与诊断3 删 转子不平衡是由于转子部件质量偏心或转子部件出现缺损造成的故障，它是旋 转机械最常见的故障。据统计，旋转机械约有一半以上的故障与转子不平衡有关。 因此，对不平衡故障的研究与诊断也最有实际意义。 1 不平衡的种类 造成转子不平衡的具体原因很多，按发生不平衡的过程可分为原始不平衡、渐 发性不平衡和突发性不平衡等几种情况。 原始不平衡是由于转子制造误差、装配误差以及材质不均匀等原因造成的，如 出厂时动平衡没有达到平衡精度有要求，在投用之初，便会产生较大的振动。 北京化工大学硕士学位论文 渐发性不平衡是由于转子上不均匀结垢，介质中粉尘的不均匀沉积，介质中颗 粒对叶片及叶轮的不均匀磨损以及工作介质对转子的磨蚀等因素造成的。其表现为 振值随运行时间的延长而逐渐增大。 突发性不平衡是由于转子上零部件脱落或叶轮流道有异物附着、卡塞造成，机 组振值突然显著增大后稳定在一定水平上。 2 不平衡故障机理 设转子的质量为m ，偏心质量为m ，偏心距为e ，如果转子的质心到两轴承 连心线的垂直距离不为零，具有挠度为。 由于有偏心质量为f f , l 和偏心距为e 的存在，当转子转动时将产生离心力、离心 力矩或两者兼而有之。离心力的大小与偏心质量为m ，偏心距为e 及旋转角速度c o 有关，即f = r n e c 0 2 。众所周知，交变的力( 方向、大小均周期性变化) 会引起振 动，这就是不平衡引起振动的原因。转予转动一周，离心力方向改变一次，因此不 平衡振动的频率与转速相一致。 3 不平衡故障的特征 实际工程中，由于轴的各个方向上刚度有差别，特别是由于支承刚度各向不 同，因而转子对平衡质量的响应在x , y 方向不仅振幅不同，而且相位差也不一定是 9 0 0 ，因而转子的轴心轨迹不是圆而是椭圆。 由上述分析知，转子不平衡故障的主要振动特征如下，其特征参量和敏感参数 见表3 2 。 1 振动的时域波形近似为正弦波。 2 频谱图中，谐波能量集中于基频。并且会出现较小的高次谐波，使整个频 谱呈所谓的“纵树形”。 3 当国 国一 后，即在临界转速以上，转速增加时振幅趋于一个较小的稳定值；当接 近于珊一时，即转速接近临界转速时，发生共振，振幅具有最大值。振动幅 值对转速的变化很敏感。 4 当工作转速一定时，相位稳定。 5 转子的轴心轨迹为椭圆。 6 从轴心轨迹观察其进动特征为同步正进动。 北京化工大学礤士学位论文 瑟产艇兹褪薅滑动，饺转子产生垂激旋转缀动，两显当主动转予接一定转速蓑转 时，从动转子的转速会产生周期性变动，簿转动一闵变动两次，因而其振动频率为 转子转动频率的两倍。 实际工程中遇到的转予不对中故障大多数为齿式联轴器不对中，在此以齿式联 辘器不对中为铡奔绍冀敞障特征。其振动主要特征如下，英特镊参量及敏感参数 臻。 1 故障的特征频帮为角频率的2 倍。 2 由不对中故障产生的对转子的激励力随转速的升高而加大，因此，高速旋 转机械应更注熬转子的对中要求。 3 。激励力与不对中爨成正比，随不对巾量盼增加，激励力星线性增大。 4 。联辘嚣霾一赞程要垂壹懿秀拿方囊，2 倍菝懿稳使差楚蒺频熬2 蘩；联辍 器焉侧同一方嗣的相位在平行位移不对中时为0 。，猩角位移不对中时为 1 8 0 。，综台位移不对中时为o 1 8 0 。 5 轴系转子在不对中情况下，中间齿畿的轴心线相对于联轴器的轴心线产生 相对运动，在警行位移不对中对的网转轮廓为以圆柱体，角位移不对中时 菇一双镬髂，练会整蓼不薅孛瓣楚奔予二考之润鹣形狡。嚣转薅熬霾转蔻 围由不对中堂决定。 6 轴系具有过大的不对中量时，会豳予联轴器不符合其逡动条件而使转子在 运动中产生巨大的附加径向力和附加轴向力，使转予产，主异常振动，轴承 过早损坏，对转予系统具有较大的破坏性。 3 。4 旋转橇械振动源阏分析表弧瑚 农状态监测与故障诊断实际工作中，除了对各种故障的机理进行学习，根据每 种故障的症兆进行故障诊断外，对国内外同行遇到的大量实际故障进彳亍分类统计， 按照痰对应斡鼓障发黧频率寒进行效障豹裙步识裂，迮不失必一耪实霜熬敖簿诊 辩方法。 荧国人索赫( j s s o h r e ) 在6 0 0 多次搿敞分析的基础上，根据经验编制出了旋 转机械振动原因分析袭。他将3 0 多种故障按照主要频率分量、童要振动方向、位 置以及振动随转速变化情况等方面的特征分类统计，形成张淡，表中数字表示该 特撼爨蕊频率夔孬分数。露寒，美国得克芬簸媸荚出托( m o s a n t o ) 虿漕证工公裁 静杰宽生( c j a c k s o n ) 又对j 耪= 表遂牙了补究鞍修改。 此表对于在生产线从事状态监测与故障诊断人员分析振动原因很有帮助。虽 然这是几十年前的经验总结，但迄今仍为国内外旋转机械状态嫩测与故障诊断分析 和研究人员引用。 2 0 j 寨纯工大学硕士学经论文 表3 0l s s o h r e 振动摄围分辑表 t a b l e3 = 3j s s o h r e sa n a l y s i so f v i b r a t i o nl a s o l l s 主要频率 序 低奇极 振动原因0 - 4 0 4 0 “5 0 5 0 1 0 0 l 2 高黔1 2 x1 4 阶数菇 号 工频工频工频工频工领工频工频工频 工 频颇 簇 塞艇 l 初始不平衡9 0 5 5 转子墨永久 29 0s5 性弓形变形 转手临时弓 3 9 0s5 形弯魏 4 机党变形 1 06 02 01 0 限于篇幅，箕余故障略 3 。5 零耄夺苇 旋转机械的常见故障有二十多种，邋过领域专家和现场实践经验总结出相应的 故蹲机理，蒡且钟对具体设备类型，提出了该故糍提应款维修建议秘维护办法，撩 予文章篇幅，不做过多介绍。在提出故障的维修建议，完成专家系统的知识库过程 中， 乍者嘲至i 工俸过的器化企、韭，进入大擞组的现场实黪，对一裁豢见故障购赦障 及其现象_ 葶玎现场维修工作进行观察和深入了解。 本章主要介缨旋转机械的振动特征耪敬障的锫秸来源积原因，然后键对转予蛇 不平衡和不对中等常见故障机理做出详细介绍，通过总结文献资料和实际故障实 例，完成常见故障知识库的建立，最后引出当裁故障频谱诊龋常用蛉l s s o h r e 的 振动原因分析表。 北京化工大学硕士学位论文 对任何系统进行过程的状态检测，只需提取反映系统当前时刻的总体平均势态 信息的参数和当前时刻瞬时状态信息变化率参数，就可以对系统运行状态作出合理 的表征。表征系统总体平均势态的信息，主要是信号的能量、信息距离、散度、方 差、散布矩阵、相关矩阵、信号所建时序模型的参数和残差以及它们的有效组合 等，定义为f ( 七) ，y ( ) 反映系统运行状态相对初始设定状态的偏离程度。这种偏 离越大，罗( 七) 也越大，超出一定范围，则认为系统当前状态已不属于初始设定的系 统状态。如果系统运行状态平稳，y ( t ) 也相对稳定，变化不大。因此，对缓变性状 态或故障一直存在的过程，在y ( _ j ) 的值的大小上能客观地反映，而对冲击性、阶跃 性的随即故障的起始点则反映迟钝且相对滞后。 现代谱分析技术多采用时间序列的自回归模型( a r ) 或自回归滑动平均模型 ( a i 龇) 进行谱分析，六十年代中期以后，现代谱分析逐渐引起人们的重视，七 十年代以来有了迅速的发展，开发了诸如基于最大熵准则，最小均方准则，最大似 然准则和最小交叉互准则等大量算法。现代谱的特点是不存在频谱泄漏，频谱定位 准，但存在计算速度慢等缺陷。 3 灰色模型关联分析诊断法 现代机械设备实质上就是一个复杂系统，也可以视为一个灰色系统，其中征 兆、病症等诸因素之间没有确定的映射关系和明确的作用原理，因此，在理论上把 灰色理论的概念和方法引入到故障诊断领域，利用已知的故障特征量去判别机械系 统的状态并对未来发展趋势作出预报和决策。 灰色理论是研究机械系统的振动特征与对应故障特征之间的相关性，以反映系 统内部的联系，定量地描述系统内部特征与故障特征的发生与发展之间的关系。 4 统计诊断法 在故障诊断中，系统的不同状态就有不同的模式，所谓故障诊断即为模式识 别。模式识别与分类关系密切，从某种意义上可以说，模式识别就是把系统的状态 分为若干类，并依据一定的判别给定的状态应属于哪一类。按统计检验方法的不 同，可分为：( 1 ) x 2 检验法：( 2 ) 序贯比检验；( 3 ) 广义似然比检验法 ( g l r ) 。为降低误判的概率，利用该方法进行故障诊断时往往需要较大样本。 5 模糊诊断法 模糊诊断利用隶属度概念描述故障与征兆。由于模糊性引起的不确定关系，该 方法利用经验和模糊统计诊断矩阵，再根据模糊逻辑合成算法进行模糊综合评判。 基于模糊数学的可能性理论同主观b a y e s 方法，e s h o r t h f f e 和b b u c h a l l a i l 的确定性 理论和d e h l p s t e r 的证据理论构成专家系统不确定性推理的基本理论。 模糊诊断是颇有前途的诊断方法，其有两个显著的特点：( 1 ) 它采用多因素诊 断，并模拟人类的思维方法。( 2 ) 隶属函数的确定有一定的难度，其精确度的高低 取决于统计资料的准确性和丰富程度以及专家的实际经验。 北京化工大学硕士学位论文 6 专家系统诊激法 在运用人工智能( a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ，a i ) 技术解决工程实际问题的过程中， 人们逐渐认识到，就智能行为本身而言，只强调形式推理是不够的，基础还在于知 识。人类的智能活动即怒以处理知识为核心，因此，要是计算机苏人类专家一样解 决闻题，就必须为计算极提供专家疑其鸯的那些专f 知识和技熊，从两导致7 “麓 谈王程”( k e - k n o w l e d g ee n g i n e e r i n g ) 豹滋疆。 专家系统萌芽予年代，7 0 年代主鬻在美国大学的研究所内迅速地发展起来， 进入8 0 年代开始波及到产业界，目前，在备领域中，针对各炎问题，正在积极地开 发相关专家系统，因此，到9 0 年代初期，威用事例不断增多，实用化程度日益掇 离。专家系统的目标燃获取和使用夫类专家的窟发性知识，传缀程序的匿标是实现 一缀冀法。霾建专家系绫毒许多不霆予黄绞纛序戆特焘。英孛袋基本靛区雾l 在予专 家系统以知识处理为对象，而传统程穿以数据为处理对象，因此，专家系统注重翔 识袋示和推理方法，桶h 传统程序则强调数据结构和算法，如果传统程序的结构和算 法w 以表示成：数据结构+ 算法= 程序；那么，专家系统的结构为；知识+ 推理一 专家系统。 ? 。天工毒幸经弼终 神经网络酶研究融窍近4 0 年的历史，1 9 5 7 年，r o s e b b t a t t 蓠次引进了感知枫檄 念( p e r c e p l x o n ) ，它由阈俊性神经元组成，试图模拟动物和人脑的感知和学习能力； 1 9 6 2 年，w i d r o w 提出了自适应线性元件( a d c l i n c ) ，它是连续取值的线性网络，擞 要耀于自适应系统；1 9 8 2 年，物理学家h o p f i e l d 提出了h n n 模型，从而有力的搬 凌狰经瓣终豹骚究。恣今麦壹，天王毒枣经瓣络大致已毒透耱诗算方法绥逶会予 楚遴弗行信息。 人工神经网络的特点是： ( 1 ) 并行结构与并行处理方式。神经网络具有类似大脑的功能，不仅在结构上熟 并行的，而且处理问题方式也是并行的，克服了传统的褥能诊断系统存在的 无穷递归、缝合撰烤及匹配冲突等鞠蘧。宅特鬟逶潮予快速处瑾大量懿势露 信惠 ( 2 ) 具有高度的自适应性。系统在知识袭示和组织、求解与实施等方面可根据环 境自我调节、究蒋。 ( 3 ) 具有强大的学习能力。克服了传统的确定性理论、b a y e s 理论、证据理论及 模餐诊瑟理论谯疫惩上的届袋瞧。 f 4 ) 具有缀太静容镶经。 ( 5 ) 人工神经网络的局限性，主要是学习过程是一个很艰谮的过程，网络学习没 有一个确定的模式，一般根据经验来选择。在脱机训练进程中，它的训练时 2 7 北京化工大学硕士学位论文 间长。神经网络与专家系统相对比，不能清晰地解释推理过程。它的知识分布于系 统内部，没有明确的物理意义，并不能直接利用规则。 由上可知，神经网络的推理过程只与神经网络自身的参数有关，而且，同一层 内神经元又是以并行方式进行工作，而层与层之间是串行工作的。因此，其推理效 率很高。 4 4 本章小节 本章开篇概括的介绍设备诊断技术的内容和范畴，然后把整个设备诊断技术的 应用范围和方法等也做了详细的介绍，最后，通过总结现代设备故障诊断技术的发 展，比较各种方法的优缺点。 第五章旋转机械智能诊断的简易诊断 第五章旋转机械智能诊断的简易诊断 诊断机械设备的故障类似于确定人的病因：医生需要向患者讯问病情、病史、 切脉( 听诊) 以及量体温、验血样、测心电图等，根据获得的多种数据，进行综合 分析才能得出诊断结果，提出治疗方案。同样，对旋转机械的故障诊断，也应在获 取机器的稳态数据、瞬态数据以及过程参数和运行状态等信息的基础上，通过信号 分析和数据处理提取机器特有的故障症兆及敏感参数等，经过综合的分析判断，才 能确定故障原因，做出符合实际的诊断结论，并针对具体故障原因提出治理措施。 本章主要是通过传感器所得到的振动信号，由信号处理过程提取信号的各频率成分 即频率特征，然后进行故障的简易诊断。 5 1 旋转机械设备的振动分析n _ 对旋转设备来说，没有任何一种信息能象振动那样对设备状态具有更直接的反 应。振动分析及测量在旋转机械的故障诊断技术中占有极为重要的地位。在旋转机 械故障诊断中，振动信号是主要的诊断依据，大量的诊断知识是以振动理论为基础 的。在振动信号中，频谱又是诊断的首要依据。因此，通常旋转机械的故障诊断是 以频谱作为正向推理的症兆，得出故障假设集，再以假设集去指导反向推理。 一台运转中的机器设备，无论结构多么简单，从它每一个测点上所测得的振动 信号( 幅值和振动波形) 都不是单纯的，往往是两个或两个以上信号组成的综合信 号。根据测量结果，我们很难做出准确的判断，即使确认出故障，我们也难以确定 故障出在什么部位。因此，在实施故障的振动诊断中，必须对振动信号进行适当的 处理。 所谓振动信号处理，就是对振动波形( 原始振动信号) 进行加工处理，抽取与 设备状态有关的特征，以便对设备状态实施有效的判别。从这个意义上说，振动信 号处理，实质上是一个去伪存真，去芜取精，由复杂到简单，由模糊到清晰的信息 筛选和精化过程。信号处理的基本方法有幅域分析、时域分析、频域分析和相域分 析。幅域分析是指对信号在幅值上进行的各种处理；时域分析是指对信号在时间域 内的分析或变换；频域分析则是确定信号的频率结构，即弄清楚信号中包含有那些 频率成分及各频率成分的幅值大小；相域分析即是进行相位值测量及对相位随时间 北京化工大学硕士学位论文 的变化进行分析。在设备诊断中，通常要使用一些特征参数如有效值、峰值、峭 度、频带能量等。 5 2 振动信号的频域分析 频率领域内信号分析的基础是频谱分析( 也称频率分析) 。一般工程上所测得 的信号多为时域信号。为了通过所测得的振动信号观测了解诊断对象的动态行为， 往往需要频域信息。这种将时域信号变换至频域加以分析的方法称为频谱分析。采 用频谱分析方法，是利用某种变换，将复杂的信号分解为简单信号的叠加。使用最 普遍的方法是傅立叶变换。通过它，将复杂信号分解为有限或无限个频率的简谐分 量：也就是将一个组合振动分解为它的各个频率分量。把各次谐波按其频率大小从 低到高排列起来就成了频谱。【7