故障诊断论文.pdf

重庆大学 硕士学位论文 大型旋转机械振动监测与故障诊断知识体系的研究与实现 姓名：孙楠楠 申请学位级别：硕士 专业：机械设计及理论 指导教师：谢志江 20060501 中文摘要 I 摘要 针对大型旋转机械结构复杂、精度高等特点，设备振动监测与故障诊断技术 已被广泛应用于现代企业的设备维修和管理工作，创造了巨大的经济效益和社会 效益。为保证对设备振动监测与故障诊断的正确性，非常有必要对现场操作人员 进行有效培训。 本文在比较系统地总结了设备振动监测与故障诊断知识体系的基础上，以 Auhtorware 软件为平台，针对大型旋转机械开发了一套培训系统，比较直观全面 地实现了振动监测与故障诊断的知识体系。本文主要论述了如下几个方面。 参考 ISO18436 标准，比较系统地总结了振动监测与故障诊断知识体系， 针对钢铁企业大型旋转机组的实际情况，提出采用网络化设备振动监测与故障诊 断的方案设计。 采用快速傅立叶变换和加窗处理对信号进行预处理，运用时域分析、频谱 分析、解调分析、细化分析、轴心轨迹分析和相位分析方法对振动信号进行综合 分析，从中提取机器特有的故障征兆及故障敏感参数等。 对旋转机械的不平衡、不对中、松动、转子碰摩、共振等几种常见故障的 发生机理及故障特征进行系统分析，对旋转机械的典型部件轴承和齿轮的常见故 障特征进行重点研究。重点分析了故障的频谱特征，结合时域分析和相位分析， 找出故障确切原因，采取必要措施。 介绍了一个现场诊断实例，将诊断理论和方法应用到生产实践，验证了理 论和方法的正确性。 在上述理论研究的基础上，结合 ISO18436 标准和多年从事设备故障现场 诊断的专家经验，运用计算机多媒体软件 Authorware 和 Flash，开发了一套具有较 高效率和实用性的培训系统，对现场操作人员进行有效培训。 本文开发的培训系统充分应用现代计算机多媒体技术、动态仿真技术等，将 状态监测、振动分析、故障诊断技术的学习、实践和应用有机结合，把复杂的技 术变成简单实用的工程实践必备工具；把深奥的理论传授变成妙趣横生、浅显易 懂的人机交互工程。 关键词：ISO18436，知识体系，振动分析，故障特征，诊断实例，培训系统 英文摘要 III ABSTRACT The vibration monitor and diagnosis technology has been widely applied in modern equipment maintenance and management, responding to the much more complexity and precision of large scale equipments, so far, it has created huge economic and social benefits. In order to guarantee the validity of monitor and diagnosis, it is very necessary to develop a multimedia training system with high efficiency and practice, so as to train the operators well. This paper mainly researches into the development and investigation of monitor and diagnosis technology, based on these theories, develops a multimedia training system about fault diagnosis of large machines. It mainly resolves several important questions as follows. It summarizes the knowledge system about the vibration monitor and diagnosis technology based on ISO18436 criterion, and brings forward a monitor and diagnosis system based on network according to the steel enterprise character. It introduces the basic monitoring parameters, deals with signals with FFT and window functions, discusses how to analyze signals widely with time analysis, frequency analysis, demodulation analysis, exiguous analysis, axes tracking analysis and azimuth analysis. Then we can pick- up the fault symptoms and sensitive parameters and so on. It researches into mechanism and characters of several familiar faults such as imbalance fault, inclination fault, slack fault, rotor friction fault, syntony fault and so on. And it also studies the mechanism and characters about rolling bearing and gear, which are the two typical parts of rolling machine. Besides, the frequency spectrum characters have been chiefly used into the diagnosis. This paper introduces a spot diagnosis example, it has proved the validity of the theories and methods above. It has successfully developed a monitor and diagnosis training system according to the steel enterprise rolling machines, which is based on ISO18436 criterion and the precious expert experiences with multimedia softwareAuthorware and Flash. This training system has fully utilized computer multimedia technology, virtual technology, artificial intelligence, dynamic emulation technology to combine vibration monitor with vibration analysis and fault diagnosis technology, with this training system, 重庆大学硕士学位论文 IV we can transform the complicated technology and theories into simple and practical engineering tool. Keywords：ISO18436, Knowledge System, Vibration Analysis, Fault Characters, Diagnosis Example, Training System 1绪论 1 1绪论 1.1 选题背景 大型机械设备通常包括各类大型风机、粉磨机械、汽轮发电机组、离心压缩 机组等回转机械及一些大型往复机组如大型柴油发电机组等，这些设备往往是冶 金、电力、石化、汽车和造船等国民经济重要部门的关键设备，设法保障这些设 备安全稳定地运行，对企业经济效益和国民经济发展具有重要意义1。 从工业化大生产出现至今，设备维修大致经历了三种方式：事后维修、预防 维修、状态维修或预知维修。事后维修是最早的维修方式，只在设备坏了之后才 进行修理。之后，维修部门便预先制订计划，定期进行检修和更换零部件，形成 定期预防维修方式。后来随着计算机和电子技术的发展，发展了将新设备诊断技 术应用于设备的管理和维修，根据设备状态监测和故障诊断所预知的设备状态来 确定设备维修工作的内容和时间，即状态维护或预知维修。它以设备的运转工况 为依据，以工况数据的趋势分析为基础，来决定设备是否需要维修。它的特征是 以先进的测试技术进行状态监测和故障诊断，通过检测、比较和分析确定设备的 技术状况和确定是否需要维修9。 一般大型机械成套设备包括众多环节，影响其安全运行的因素很多，其次， 现代化的工业生产采用以技术先进、结构复杂、精度高为特点的生产设备，这些 设备的维护工作量大，检查项目多，要求严格，许多故障很难依据传统办法凭人 的感官和经验检查出来。通过使用各种先进的仪器和检测设备对大型机械的运行 状态进行监测与分析是判断设备是否正常运行、是否存在潜在故障及预测故障发 展趋势等问题的有力手段11。 因此，这对运行操作人员的专业知识、操作水平、应变能力和熟练程度等方 面提出了更高要求，需要对运行人员进行有效的培训。与传统的培训手段相比， 计算机辅助培训优越性体现在以下几个方面: 生动形象。采用计算机辅助培训技术，可以更好地激发学习兴趣，提高培 训质量。 易于突破重点和难点。计算机辅助培训技术可将许多抽象难懂的内容变得 生动有趣，使使用者在短时间内建立感性认识。 具有交互性。这是计算机辅助培训技术的最突出特性，它能使信息发送和 接收两者之间进行实时的交换。 计算机辅助培训系统具有友好的系统界面，提供方便的知识模块，使培训 效果快速、准确。 重庆大学硕士学位论文 2 由于多媒体技术具有传统技术手段所无法比拟的优势，因此，将多媒体技术 应用于设备故障诊断培训系统中也就成为必然选择，而开发出正确且有效的适用 于大型旋转机械的故障诊断技术多媒体培训系统就成为责无旁贷的任务2022。 在此背景条件下，为了科学、合理、有效、彻底地解决存在的问题，需开发 一套培训系统，比较全面直观地实现大型旋转机械振动监测与故障诊断知识体系。 1.2 主要研究内容 对旋转机械进行故障诊断，首先要在获取机器大量信息的基础上，基于机器 的故障机理，从中提取故障特征，进行详细分析，才能进行诊断。因而对旋转机 械的故障诊断，应在获取机器的稳态数据、瞬态数据以及过程参数和运行工作状 态等信息后，通过信号分析和数据处理从中提取机器特有的故障征兆及故障敏感 参数等，经过综合分析判断，才能确定故障原因，作出符合实际的诊断结论，提 出治理措施234。 本文立足钢铁行业的生产实践，充分参考 ISO18436 标准，结合多年从事设备 故障现场诊断的经验，运用计算机多媒体软件 Authorware 和 Flash，研究开发了大 型旋转机械振动监测与故障诊断知识体系培训系统，主要研究内容如下： 比较系统地总结了利用振动信号进行故障诊断的全过程： 1）信号的采集：利用各种传感器采集机械振动信号，真实反映其运行状态。 2）特征值的提取：通过信号处理将均方根值、峰峰值等特征参数提取出来作 为状态识别量。 3）状态的识别：根据时域波形、频谱特性等进行特征分析确定故障的类型和 故障程度。 重点介绍了振动信号的时域分析、频谱分析、解调分析、轴心轨迹分析、 相位分析方法，及其在设备故障诊断中的应用。 详细论述了旋转机械常见故障不平衡、不对中、松动、转子碰摩、油膜涡 动、滚动轴承故障、齿轮故障及其它故障的振动特征。 针对钢铁企业设备的具体情况，提出了适合钢铁企业设备特点的网络化状 态监测与故障诊断系统，介绍了系统的监测方式、功能特点和模块设计。 介绍了一个现场诊断实例，将故障诊断理论和方法应用到生产实践，验证 了理论和方法的正确性7817。 在上述理论研究的基础上，结合 ISO18436 标准，从软件工程的思想出发， 开发了一套培训系统，确定了系统设计标准、知识模块、开发平台，对培训系统 界面及各知识模块进行导航交互设计，比较全面、直观地实现了振动监测与故障 诊断知识体系，最后对系统进行测试和打包。 1绪论 3 在培训系统素材创作上，除了录入文字、图形等静态媒体外，还包含了大 量演示动画、题库测试等，使用户能比较容易的理解一些抽象的知识点，从而提 高系统的实用性1923。 1.3 课题研究意义 故障诊断技术的开发与研究已是大型机械设备运行过程中不可缺少的组成部 分，由于大型设备运行工况十分复杂，故障机理很难完全研究清楚，不同机组之 间的状态特性也不尽相同，现场采集到的数据不可避免地带有一些干扰和噪声， 这些都给诊断工作带来很多困难，这就要求现场操作人员能提取主要的故障特性 并加以正确地识别。现场工作中，当重要设备出现问题时，只有少数专业人员能 够提前发现故障特征，并动手进行调整和检修，多数操作人员缺少这方面的知识 和经验。随着多媒体技术、仿真技术及网络技术的飞速发展，有效地对操作人员 进行设备振动监测及故障诊断技术的全面培训成为可能511。 对操作人员使用传统的培训方法，如在职培训和课堂教学等，其效果已经难 以满足需要。使用计算机辅助培训系统进行培训可有效地弥补传统教学培训的不 足，使培训效率大大地提高。面向大型旋转机械的振动监测与故障诊断培训系统 的开发是一项集多项高新技术为一体的系统工程，该系统应用现代计算机多媒体 技术、动态仿真技术等，将状态监测、振动分析、故障诊断技术的学习、实践和 应用有机结合，把复杂的技术变成简单实用的工程实践必备工具；把深奥的理论 传授变成妙趣横生、浅显易懂的人机交互工程。 如果您是状态监测、故障诊断新手，本系统将帮助您： 1）理解数字信号分析和振动的基本原理； 2）掌握如何应用振动分析完成机器设备的诊断故障； 3）学会应用机器状态监测技术为企业节约大量的资金。 如果您准备开始应用现代状态监测技术来实现主动维修管理，本系统将是 您的良师益友和最好的助手。您将学会： 1）怎样监测机器设备； 2）怎样选用传感器； 3）怎样安装传感器； 4）怎样采集数据； 5）怎样诊断机器故障。 如果您已经有丰富的知识和经验，本系统将帮助您进一步提高和扩展知 识。同时，将帮助您指导和培训主管设备的工程师和刚加入团队的新手。 如果您是企业管理人员，本系统将帮助您： 重庆大学硕士学位论文 4 1）了解“设备主动维护”理念； 2）培养企业设备状态监测、故障诊断技术人才； 3）提高企业设备状态监测水平； 4）提高企业生产率，较少生产事故，实现企业效益最大化。 通过建立该培训系统，可以从根本上解决如下问题：有效加深操作人员对振 动监测和故障诊断原理的掌握，提高操作人员正确判断，处理各种故障及事故的 应急能力，并为进一步改进操作方式和制定反事故对策提供手段，满足事故分析、 岗位培训等多方面的综合要求。同时，也为用户创造一个良好的可视化操作界面， 便于现场人员使用。随着系统在现场的推广应用，该培训系统能保证设备安全运 行、预防和减少恶性事故的发生，消除故障隐患，保障人身和设备安全，进而提 高劳动生产率，取得了较好的应用效果，创造了较大的经济效益，并产生了良好 的社会效应2023。 2设备状态监测与故障诊断技术概述 5 2设备状态监测与故障诊断技术概述 2.1 设备诊断技术的产生与发展 长期以来， 人们对事故的维修和预防， 经历了事后维修 （BM） 一预防维修 （PM） 一预知维修（PDM） 。 “事后维修”是以设备出现功能性故障为基础的，即设备无 法继续运转后再维修，往往需要昂贵的维修费用，灾难性破坏需要更换设备，还 可能威胁人身安全等； “以预防为主”的维修思想是以设备机件磨损规律为基础， 并且把机件的磨损或故障作为时间的函数，显然，这种方法有一定计划性和预防 性，但其缺点是盲目性很大，如果没有故障，则经济上损失很大； “以预知维修为 主”的维修思想是以设备的实际工作状况为基础的，即通过先进的科学仪器监测 设备的失效部件发出的信息，并识别故障根源和故障程度，以预测维修的时机， 减少设备的损坏程度和对生产的影响，这种思想是比较科学和经济的4569。 综合分析各阶段设备维修思想，给我们的另一个启示，就是任何一种维修思 想的体现，都必然伴随着不同层次、不同标准的设备故障诊断技术产生，也可以 说设备故障诊断技术就是维修思想变迁的产物。 设备诊断技术历史悠久，可以说是从人类社会利用机器设备进行生产的同时 就有了手摸、耳听以及使用一般仪器测试的简易诊断手段。随着生产技术的不断 进步，诊断技术也在进步，到上个世纪 60 年代末，由于电子技术及微型计算机的 迅速发展，诊断技术也就从原来的简易诊断进入到现代的科学阶段精密诊断 阶段。到 70 年代以后随着现代系统工程、信息论、控制论、电子技术、计算机技 术、通讯技术的发展而发展起来，基本形成独立，完整的体系，成为多种学科和 技术交叉与渗透的一门新兴综合性高技术，其研究内容涉及故障机理、传感器与 测量技术、数据采集、数字信号处理、数据库、专家系统、计算机软硬件，通讯 等技术领域。 大型设备状态监测与故障诊断技术在近十年内得到了前所未有的发展，故障 诊断技术的开发与研究已是大型机械设备运行过程中不可缺少的组成部分，它对 于重要设备的管理维护、提高企业生产能力和保证安全生产、改进产品质量都具 有极大的效益，在国民经济各部门发展中有着十分重要的意义。但由于大型设备 运行工况十分复杂，故障机理很难完全研究清楚，不同机组之间的状态特性也不 尽相同，现场采集到的数据不可避免地带有一些干扰和噪声，这些都给诊断工作 带来很多困难，这就要求提取主要的故障特性并加以正确地识别。为了提高我国 在大型旋转机械监测与诊断水平，国家将大机组的监测与诊断技术列为科技攻关 重点项目1431。 重庆大学硕士学位论文 6 2.2 国内外研究现状 设备故障问题引起了世界各国政府和科家家的高度重视，相继投入巨大的人 力物力，从事设备状态监测和故障诊断技术的研究。 自七十年代以来，国外在设备诊断技术的开发和监测仪器的研制方面已达到 实用阶段，比较著名的如美国的本特利公司开发的监测系统。我国自从七十年代 以来，也在诊断技术方面开展了大量研究，在振动信号的采集及其分析、光谱分 析、铁谱分析、油样分析等领域的研究方面都取得了一定的成效。 八十年代以后，国外研究开发了各种高性能的状态监测系统。这类系统的特 点是:硬件所占比例很大，采集信息多、处理速度快，监测功能强，但只有简单的 诊断功能。在最近十年内，国内也在大型机械设备的振动理论分析、建模与计算、 实机测试、测量仪器与监控等方面进行了卓有成效的工作。国内多家科研单位及 高等院校相继研制了各种设备状态监测和故障诊断系统，这些系统的特点是:以微 机为基础，以软件开发为中心，功能多、灵活性大、适用面广、系统价格低。存 在的主要问题是:硬件功能较弱，在可靠性、实时性等方面同国外系统相比存在较 大差距51215。 预计在今后几年内，随着传感器和测试技术、计算机硬软件技术、通讯技术、 人工智能技术等先进技术的发展，状态监测和故障诊断系统技术的发展趋势是: 在系统结构方面，由分布式监测方式替代目前的集中式监测，数据采集和 状态监测将由智能前端装置实现，故障诊断由中央计算机完成，实现系统结构分 布化，监测方式层次化，其主要特点是可靠性高、实时性强； 在计算机硬件平台技术方面，功能强大的工作站、服务器、超级微机及网 络将综合在一起形成工作组，许多先进的硬件技术会得到广泛应用； 在计算机软件平台方面，高性能的 Windows XP 和 Windows NT 等多任务 操作系统提供了优良的环境； 在系统软件功能方面，将向人机自然语言接口、实时多任务全过程在线监 测、诊断过程自动化等方面发展。 国内外的大量实践表明，大型设备状态监测和故障诊断技术作为一门综合性 高新技术学科，可以保证设备的安全运行、预防和减少恶性事故的发生，消除故 障隐患，保障人身和设备安全，日益显示出在国民经济中的重要意义。因此，追 踪国外先进技术，加快我国大型设备状态监测和故障诊断技术的研究的应用步伐， 为国民经济建设发挥应有的作用，是摆在我们面前的迫切任务323335。 2.3 旋转机械的状态监测及故障诊断技术 所谓设备状态监测与诊断技术主要就是“在设备运行中或基本不拆卸全部设 2设备状态监测与故障诊断技术概述 7 备的情况下，掌握设备运行状态，找出产生故障的部位和原因，并预测预报未来 的技术” 。因此，它是防止事故和计划停机的有效措施，也是设备维修的发展方向。 状态监测和故障诊断有时也分别被称为简易诊断和精密诊断。它们的目的、 内容和实施方法都不一样，两者的相互关系见图 2.1。 2.3.1 旋转机械的状态监测 故障信息监测 故障信息监测是对机械设备实现状态监测与故障诊断的第一步，是故障诊断 工作的重要基础。大型机械设备中可用作状态监测和诊断的信号多种多样，如振 动、声音、变形、裂纹、转速、温度、压力、流量等，在实际监测中，应用最多 的是机械振动信号，在机械设备的监测诊断技术中，振动监测技术是一种普遍被 采用的基本方法，这是因为： 1）对机械设备来说，振动是普遍存在的，由振动引起的机械损坏比例很高， 当机械内部发生异常时，一般都会随之出现振动的增大和工作性能的变化。据统 计:有 80%以上的机械故障都是通过振动反映出来。 2）振动信号含有丰富的信息，不用停机和解体，通过机械的振动信号的测量 和分析，就可对其劣化程度和故障性质做出判断。 3）振动的理论监测手段和测量方法都比较成熟。 4）振动监测简单易行，对于生产在第一线的使用人员，这一点尤其重要。 目前，振动监测技术已广泛应用于大型旋转设备的运行状态监测。使用的传 感器主要有电涡流位移传感器、电磁式速度传感器、压电加速度传感器。要求监 测传感器和仪表抗干扰能力强、噪声小、动态特性好，尤其要求具有长期稳定性 和可靠性，同时还要容易维修和校准1011。 故障特征分析 故障特征分析的主要内容是信号分析和处理，即如何从传感器拾取的原始信 号中分析提取故障特征，这是故障诊断的核心问题，对于确诊故障起着十分重要 图 2.1 状态监测与故障诊断关系图 Fig 2.1 The relationship between monitor and diagnosis 故障诊断状态监测 内容：识别有无故障 明确故障严重程度 作出故障趋势分析 方法： 由设备维修人员在 现场进行 内容：确定故障部位 确定故障原因 划分故障类别 方法： 由设备诊断人员 现场或中心进行 维修决策 重庆大学硕士学位论文 8 的作用。 目前，动态信号分析的趋势是从单纯的时域和频域分析向时频域分析发展。 时域分析包括主分量分析、时序分析和时域平均等方法；频域分析包括 FFT 谱、 全息谱和时频谱等方法。时域和频域表明了动态信息的两个观察面，虽然时域分 析具有直观简明的特点，但在许多情况下，时域不能全面揭示出故障的特征来， 所以必须分析信号的频域规律。由于频谱分析常常比原始信号的表达简单明了， 因此谱分析技术特别受到人们的关注23。 状态监测方法 对机械设备进行状态监测的方式主要有:离线监测系统、在线监测系统、便携 式监测系统。 1）离线监测系统较简单，现场采集设备的运行状态数据，数据分析与故障诊 断在专用计算机上完成； 2）在线监测系统分为主从机监测系统和自动在线监测系统，监测对象以关键 设备为主，能及时预报故障，但其成本高； 3）便携式状态监测和故障诊断系统针对大量分散的中小型、非关键设备，轻 巧灵便、成本较低、对工作环境要求不高，是在线监测系统的补充。 对企业的各种设备实施以状态监测为基础的故障诊断和维修管理，需根据各 企业不同的需求，研制适合自身特点的设备故障诊断系统1315。 2.3.2 旋转机械的故障诊断 故障机理研究 故障机理研究是对设备进行故障诊断的基础，深入研究设备在运动时的动力 学特性及各部件之间的相互关系，研究设备正常运行时和发生故障后的各种症状， 是对设备进行状态监测和故障诊断的前提。机械设备故障机理的研究是一项十分 复杂的工作，但十分重要，国内外己在这方面作了大量的研究工作，取得了许多 成果。随着设备向大型化、自动化发展，以及工作环境的恶化、载荷形成的复杂 化、新材料及新工艺的采用等，设备的故障机理研究面临着更新、更艰巨的任务。 用预测维修思想开展系统分析、综合诊断 在运用故障诊断系统对大型旋转设备开展状态监测和故障诊断的实践中，不 断积累经验，全面掌握各种故障的特征模式，实施综合诊断。综合诊断的内容包 括 4 个方面：应用多种诊断手段；采用多种分析方法；利用多个判断标准；实施 多层次的诊断。这是提高复杂疑难故障诊断效率的最可靠的途径。 1）应用多种诊断手段全面获取信息 一种故障的出现往往引起设备状态的复杂变化，例如轴承元件的损坏可能同 时引起振动加剧、噪声增大、温度升高、磨屑增加。因此综合采用测振、测温、 2设备状态监测与故障诊断技术概述 9 测噪声、油液分析等多种手段就能全面掌握轴承的状态信息，提高诊断的准确度。 2）采用多种分析方法提取多种故障特征 对振动信号可以从时域、频域、幅域、相域、振形等几个方面进行分析，从 多种信息的互相印证中，排除模糊因素，做出果断而有把握的判断。如转动件不 平衡，在幅域、频域、相域、振形等四个方面都有其特征反映，若仅据其中之一 就做出结论，则很可能造成误诊。 3）利用多个标准进行全面比较 故障诊断是把待检模式与故障样板模式进行对比，从而判断故障的有无、类 型和程度。但各类标准都是在一定的条件下制订的，都有它的相对性，而所诊断 的每一个具体对象不可能完全具备制定标准时所规定的条件，采用相对标准判别， 是把设备自身在不同时期的状态进行纵向比较，可靠性较大。但因设备随着时间 的推移而老化，加之各个时间工况条件的随机性，增加了不可比因素。采用类比 标准判别，即同类设备之间相互比较，情况也很复杂，增加了比较判断中的困难。 所以，为确诊起见，最好同时采用多个标准进行综合比较判别。 4）实施多层次诊断，优选诊断方案 目前，设备故障诊断可分为感官诊断、简易诊断和精密诊断三个层次，高层 次诊断总是建立在低层诊断的基础上。国内外的经验表明，在一般企业通过简易 诊断能解决大量的问题。与此同时，也要重视精密诊断在确诊复杂疑难故障中的 作用，通过精密诊断还可进一步验证简易诊断的结果。根据情况需要，把三个层 次的诊断有机结合综合应用，将会取得理想效果。 故障识别与专家系统 故障识别是在故障信息监测和故障特征分析的基础上按一定的规则和标准对 机械设备发生的故障的种类、原因和部位作出判断。从八十年代开始，国内的发 展非常快，在知识库的建立、模式识别技术、计算机语言方面进行了大量研究， 尤其是在“不确定性问题”研究中采用了基于概率理论的 Bayes 法、 Dempster- Shapher 推理技术、故障树分析置信因子、谱的相似性、模糊理论以及灰 色系统理论等理论和方法。当前故障诊断专家系统研制工作遇到的主要困难与迫 切需要解决的问题是诊断知识的获取和描述。 故障诊断实施的具体方式要视诊断对象、诊断要求、人员素质与仪器手段等 具体情况而定。大型旋转机械在企业生产中具有举足轻重的地位，一般均实施在 线监测和精密诊断方式。智能化在线系统也有应用，但在目前技术水平下，由于 机组故障的复杂性，最终决策确诊还需要诊断专家参与意见，因而完全依靠诊断 系统实现在线智能化诊断的并不多见1315。 重庆大学硕士学位论文 10 2.4 ISO18436 标准主要内容 设备状态监测和诊断技术部门是设备工程中应用国际标准 ISO 最多的单位， 据 ISO18436 的介绍，推荐用于设备诊断的有 29 项之多，按照 ISO 标准的指导， 在诊断工作建设上、检测手段使用上、采样测点设置上，以及评价判据的对比上， 都取得了显著良效。 由于国际标准 ISO 是综合了世界上一些发达国家的先进经验， 如德国的 DIN、 VDL，因果的 BSI，前苏联的 TOCT，美国的 ANSI、API 等，因此具有广泛的通 用性，对在今天的世界经济一体化条件下，无论是设备的进出口、验收试验、生 产维修、经济索赔、人员培训方面，都能提供一个公正、公平的渠道和决策方法。 ISO18436 是由国际标准化组织 ISO/TC108 机械振动及冲击技术委员会的第 5 分技术委员会（SC5） ，即机械的状态监测与冲击分会来制定的。它是一个良好的 技术标准，重要特征之一是具有宽广的应用覆盖面。ISO18436 在机器的状态监测 及诊断对个人培训及认证的必要条件的通用标题下包含有以下 7 个部分： 第 1 部分：认证团体及认证程序的必要条件； 第 2 部分：振动状态监测及诊断； 第 3 部分：培训团体的必要条件； 第 4 部分：润滑管理及油液分析； 第 5 部分：红外热图像； 第 6 部分：诊断及预测； 第 7 部分：状态监测专家。 对此，我们可以从 ISO184362 即对于“进行机器的状态监测与诊断的振动 分析的个人一般必要条件”中，看出对于振动原理、数据采集、信号处理、状态 监测、故障分析等这些我们都很熟悉的常规工作内容，已全部列入了培训课程的 必要条件，而且在明细表中极为详细地分列出各个主题下的细则，规定为必学内 容。我国当前诊断界如模糊诊断、神经网络、小波分析、分形几何、专家系统等， 未被列入标准化议程10。主题细化列表见表 2.1。 表 2.1 振动监测与故障诊断知识体系细化列表 Table 2.1 The table of vibration monitor and faults diagnosis thesaurus 1振动原理 基本运动 周期，频率 振幅：峰值，峰峰值，r.m.s 参数：位移，速度，加速度 相位 单位，单位换算 时域和频域 调制 2数据采集 使用仪器 动态范围，信噪比 传感器 传感器标定，固有频率 Fmax，采集长度 安装传感器 触发 测试计划 2设备状态监测与故障诊断技术概述 11 固有频率，谐振，临界速度 压力，谐振，阻尼，硬度 不稳定性，非线性系统 测试程序 数据格式 计算机数据库上传/下载 模糊数据识别 3信号处理 r.m.s./峰值检波 模拟/数字转换 模拟采样，数字采样 FTT 计算 FFT 应用 时域窗：汉宁，海明，平顶 滤波：低通，高通，带通，跟踪 反混淆 带宽，分辨度 噪声降低 平均：线性，同步，指数 动态范围，信噪比 4条件监测 计算机数据库结构 计算机数据库维护 设备评估及优先级 监测程序设计 报警设置：窄带，棒图 基线评估，趋势 通道数 选择技术：油分析，红外热成象法， 电机电流分析和声音辐射 故障条件识别 5故障分析 频谱分析，谐波，频带 时间波形分析，相位分析 瞬态分析，轴心轨迹分析 不平衡，不对中，机械松动 摩擦，不稳定 可容忍的缺陷：旋转元件分类 电动机缺陷 流动导致的振动，空气动力学和流体学 变速箱分析 共振速度和临界速度 涡轮机组，常见缺陷的识别 6维护 轴系 区域平衡 机器组件的复位 流程控制 隔离和阻尼 共振控制 基本的维护 7设备知识 电动机，发电机和驱动器 抽水机，鼓风机 蒸汽涡轮，汽轮机，压缩机 交互式机器，旋转机器，其它过程设备 机床，结构，管件 变速箱，旋转元件轴承，径向轴承 传动装置，连接元件，皮带 8验收测试 测试程序 规格和标准 报告 9设备测试和诊断 碰撞测试 强迫响应测试 瞬态分析 转换功能 阻尼评估 交叉通道相位，一致 操作偏差外形 样式分析，扭转振动 10参考标准 ISO IEC 有关的国家标准 11报告和文档 状态监测报告 振动诊断报告 12故障严重程度 频谱分析，波形时域分析，轴心轨迹分析 全波形、窄频段、细化图表、曲线图等方法 13转子/轴承动力学 转子特性 轴承特性 转子平衡性 重庆大学硕士学位论文 12 2.5 炼钢厂大型机组振动监测与故障诊断系统的方案分析 监测方式 针对炼钢厂需监测的设备情况，采用 4 种基本的监测方式： 1）对于主机设备（如烧结机、高炉、转炉、连铸机、轧机、大型鼓风机、动 力供电系统）及相应的重要辅机设备，采取“ 在线监测，网络化实时精密诊断” 的基 本技术方案。实时在线采集信号，在线监测，实时报警；在局域网内对实时采集 的信号进行网络化分析和智能诊断；对所实时采集的信号进行网络化管理和优化 配置。这样，可以确保在局域网内的任何一台授权的计算机上，可以实时对主机 设备进行网络化实时精密诊断，及时发现故障，及时处理，避免造成大的事故。 2）对大部分辅机设备，采取“ 在线监测，离线精密诊断” 的基本技术方案。对 信号实施就地数字化、就地特征值计算。通过 RS485 现场数据总线，传输特征值， 在线监测，实时报警。就地数字化之前，预留模拟信号接口，故障报警后，技术 人员立即从信号接口中获得实时模拟动态信号，进行精密诊断。这样，在保障基 本的监测诊断功能的前提下，大大降低监测诊断的设备投资。 3）对部分辅机和一般设备，采取“人工点检，网络化分析”的基本技术方案。 4）对大部分一般设备，采取“人工保养，网络化管理”的基本技术方案。 设备网络化在线监测与精密诊断系统的基本功能： 1）网络化在线监测。对全公司各厂主机、辅机和一般设备采取不同方式进行 在线实时监测、趋势分析、故障预报，及时发现和预报故障，避免发生重大事故。 2）网络化在线精密诊断。发现故障后，突破时间、空间、人员的限制，利用 各种信息资源、方法和手段，及时对故障进行精密诊断，判别故障类型及其严重 程度，为故障处理提供依据。 3）网络化管理。按不同方式，对全公司各厂主机、辅机和一般设备进行受控 设备管理、网络化点检管理、网络化在线监测状态管理、网络化精密诊断管理和 故障（事故）处理过程的管理。对各级管理人员、技术人员和操作人员在网络系 统上的工作进行管理14。 系统特点 1）设备状态信息的全面获取 a通过 TCP/IP、FieldBUS 等协议，在线实时获取基础自动化/过程控制系统 中的有关数据和信号。 b增加必要的传感器，利用数据采集站，通过 TCP/IP、FieldBUS 等协议， 在线实时获取增加传感器的信号。 c利用手持式巡检仪采集设备多种状态数据，例如：振动、温度、工艺量等。 d通过厂级局域网，将以上数据上传至厂级监测站服务器，通过公司级局域 2设备状态监测与故障诊断技术概述 13 网，将各个厂级监测站服务器和公司级监测诊断中心联网，构成完整的设备网络 化监测与精密诊断系统，保证信息获取的完整性和准确性。 2）设备状态信息的及时传递 充分利用网络优势，实现在线监测数据和点检数据的自动上载，实现统一调 度和管理。 3）设备信息的积累和共享 系统采用集中式或分布式数据库，保证了大量设备和运行状态信息的完整性， 并通过企业内部网在整个企业内实现数据和信息的共享。 4）设备信息的多层次、多角度利用 基于统一的企业级设备状态数据平台，可以满足不同地点的企业各个层次的 管理人员和技术人员对设备信息的不同需求，有效支持设备管理工作的全员性。 软件模块设计 1）诊断设备登陆模块。该模块的主要功能是把需要检测的设备及其测点有关 的数据进行登陆，为形成采集数据的巡检表和其它模块作好准备，因此具有与数 据库通讯和设备文件管理的功能。 2）采集数据通讯模块。该模块的作用是形成巡检表，并把巡检表传输给采集 器，接受由采集器输入的检测数据，同时形成其它模块进行数据分析的有关数据 格式，保持与数据库之间的联系。 3）时域分析模块。在时域内对信号进行分析，包括微分、积分、概率统计分 析、数字滤波、数据包络、自相关、互相关、轴心轨迹等分析以及各类窗口显示、 编辑功能。 4）频域分析模块。在频域内对信号进行分析，包括自功率谱、互功率谱、倒 谱、相位谱、相干、传递函数、细化谱、共振解调谱、谱阵等信号分析及窗口显 示、编辑功能，同时能对轴承、齿轮等零部件进行故障诊断。 5）趋势分析模块。根据设备各测点历次的测试数据，对设备的运行状况及趋 势进行分析和故障预测，以对设备使用和维修计划进行指导。报警分整体报警、 多段报警和窄带报警三类。 6）专家诊断系统。利用专家丰富的领域知识，结合设备的结构、工艺、操作 环境、维修过程等现场经验，以模式识别理论和方法以及人工智能理论作为推理 机制的基础，对设备进行智能诊断15 16。 3大型旋转机械振动信号监测与分析 15 3大型旋转机械振动信号监测与分析 设备状态监测与故障诊断技术的内容框图如图 3.1，本章对振动信号监测与分 析进行讨论，包括状态监测基本参数、振动信号的采集、信号的预处理、信号的 变换、信号常用分析方法等内容。 3.1 大型旋转机械的特点 大型旋转机械指的是蒸汽透平、燃气轮机透平、离心压缩机、水力透平、发 电机组、电动机、给水泵、航空发动机以及各种减速增速用的齿轮传动装置等机 械设备，虽然它们各自完成的功用不尽相同，转速范围也从几十 RPM 到几十万 RPM 不等，但它们的共同特点是：首先，其主要功能都是由旋转动作来完成的， 转速高、功率大；其次，旋转机械的主要构成部件包括转子、支撑转子的轴承、 定子、机器壳体、联轴节、齿轮传动件、叶轮叶片及密封、基座等。 由于这些部件的结构、加工及安装方面的缺陷，使机器在运行时引起振动， 过大的振动往往是机器损坏和故障发生的主要原因，机器的振动参数比起其它参 数（如介质温度、压力、流量和机器转速、输出功率等）更能直接快速准确地反 映机组的运行状态，所以对旋转机械的振动测量、监测和分析是非常重要的，是 机器运行状态诊断的主要依据，所以对旋转机械的振动进行监测和分析就显得尤 为重要。 通过使用各种设备对机器的稳态数据、瞬态数据以及过程参数和运行工作状 典型状态 文档建立 信号检测 特征信号 特征提取 (基准模式) 特征档案库 设备 状态 信 (初始模式) 诊断实施 特征信号 信号 比较 状态 状态趋势 故障情况 信号检测特征提取 (待检模式) 诊断决策 形成决策具体实施 图 3.1 设备状态监测与故障诊断技术内容框图 Fig 3.1 the content chart of equipment monitor and diagnosis technology 重庆大学硕士学位论文 16 态等信息的测量与分析是判断设备是否正常运行、是否存在潜在的故障、预测故 障发展的趋势等问题的有利手段，所以对旋转机械进行故障诊断，必须进行全面 的综合分析研究310。 3.2 状态监测的基本参数 设备的运行状态必须通过可靠、精确的检测和监测仪器所提供的信息来判断。 这些信息即为监测设备所必须检测或监视的基本参数，它包括描写设备振动状态 的动态参数，描写位置的静态参数和其它参数。 3.2.1 动态参数 振幅 振幅是表示机组振动严重程度或烈度的一个重要指标，它可以用位移、速度 或加速度来表示。根据对振幅的监测，可以判断机组是否在平稳地运转。通常对 于频率比较低的振动取位移或速度，中等频率的振动取速度，高频则以加速度为 测定的参数。振幅一般用峰峰值（相邻波峰和波谷的高度差）表示，任何振幅 读数的变化都将反映机组状态的改变。 频率 由于不同的振动源，其振动频率一般是不同的，因此频率常作为分析振动原 因的重要依据。旋转机械的振动频率，通常用机械运行转速的倍数或分数来表示， 这主要是因为机器的振动频率多以转速的整倍数或分数形式出现。 对频率分析重要性的认识主要来自于机壳测量。进行机壳测量时，振幅和频 率是仅有的可以用来测量和分析的主要参量。有些机器故障通常在某些特定的频 率上发生，这有助于我们区别这些故障的类型。但是我们必须认识到，频率和故 障的关系并不是相互对应的，这就是说，某一特定频率的振动通常与多种机器故 障相联系，在振动频率和机器故障之间并不存在一一对应的关系。 相位 定义相角值是转子某一瞬间的振动基频信号与轴上某一固定标志的相位差。 相位测量可用来描述某一特定时刻机器转子的位置。精确的相位测量对于转子平 衡、分析某些机器故障及确定转子固有的平衡响应即临界转速是非常重要的。在 机器监测中，一般对是否同相位或具有 180 度相位差感兴趣，可以帮助我们诊断 不平衡、不对中、共振、轴弯曲和松动等故障。 振动形式 通过对振动形式的观测，能直观地了解某机器的运行状态。振动形式是显示 在示波器上的原始振动波形。振动形式可以分为两种：时基形式和轴心轨迹，前 者是转轴位置与时间轴的关系曲线，可用来确定基本的振幅、频率和相角。后者 3大型旋转机械振动信号监测与分析 17 则是对应于两个互成 90 度的非接触式传感器的轴截面的中心线的运动曲线，可以 了解轴的实际运动情况。 振型 所谓振型是转轴在一定转速下，沿轴向的一种变形。测量振型的方法是沿转 轴的轴向每隔一定间距放置一组互成 90 度的 X- Y 传感器， 分别测得相应转轴截面 的中心线振动情况。综合所测量的这些数据便能得到转轴的振型。振型有助于估 算转子与固定部件之间的内部间隙，并能估算出转轴上“节点” （转轴上振幅为零 的点）的位置3710。 3.2.2 静态参数 偏心位置 偏心位置又称径向位置，是指转轴轴颈中心在轴承中的平均位置。机器承受 一定的内部或外部的预加负荷时，轴承内的轴颈会出现偏心。这种偏心是测量轴 承磨损，预加负荷状态（例如不对中）的一种指示。定期测量偏心位置是绝对必 要的，另外在机器的启动期间，也应该密切注意偏心位置。偏心位置的测量是通 过安装在轴承处的监测径向振动的同一传感器进行的，其输出信号的直流成分即 代表偏心位置（径向间隙） 。 轴向位置 轴向位置测量可用来描述止推盘和止推轴承之间的位置。轴向位置监测的主 要目的是为了保证消除机器转子和定子之间的轴向摩擦，以避免灾难性事故的发 生，因为轴向止推轴承的故障可能是最严重的故障。监视轴向位置至少要安装一 个电涡流传感器，最好是两个，以便