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武汉科技大学 硕士学位论文 故障诊断技术在大型高炉布料设备中的应用 姓名：姜文革 申请学位级别：硕士 专业：机械电子工程 指导教师：湛从昌 2001.5.1 放 ：占伶惭技术m ，k 型而炉布f ：I 啦需中的心用 姜王革 摘要 ( 武钢五号高炉无料钟炉顶设备是引进卢森堡P W 公司的先进技术，于 1 9 9 1 年1 0 月投产。无料钟炉顶的核心部件是炉顶齿轮箱，它负责将炉料按 程序布入炉内。在，上产过程中，炉顶齿轮箱多次出现故障，由于生产过程中 炉顶齿轮箱与高炉内部相通，无法打开齿轮箱检查缺陷。如果出现异常情况， 高炉被迫停产检修，由此而造成的损失是巨大的。因此，2 0 0 0 年我们计划 在五号高炉炉顶齿轮箱上安装了在线监测与故障诊断系统。：7 本课题应用机械故障诊断技术对大型高炉的无料钟炉顶设备中的核心部 位进行在线监测与故障诊断，实现了关键设备运行状态受控，提高了设备的 利用率。同时，也为我们消化吸收国外先进技术，实现引进设备的国产化起 到巨大的作用。 本论文包含以下四个部分的内容： 第一部分，阐述了机械故障诊断的基本概念、基本方法。艏先指出机械 故障诊断技术的意义是实现维修制度从定期维修转变为预知维修或视情维修 ( C B M 维修) ，从而降低维修的综合成本。其次是对机械故障诊断的主要技 术手段进行了分析比较，找出了它们各自的特点，并对机械故障诊断的研究 现状及发展前景进行了论述，指出机械故障诊断是一门新兴的综合性边缘学 科，已在生产实践中得到了广泛的应用，并且还在不断迅速发展完善。第三 是对机械故障、机械故障诊断的分类进行了论述。明确了机械故障诊断的基 本环节是：确立运行状态监测的内容，建立测试系统，测试、分析及信息提 取，状态监测、判断及预报。为在实践中建立完整的机械故障诊断系统指明 了具体的工作步骤。第四是重点论述了振动诊断技术基本概念、基本方法以 及典型零部件的振动诊断技术。振动诊断具有诊断结果准确可靠、便于实时 诊断等诸多优点。振动实测是一种不可缺少的振动分析手段，与振动测试有 关的典型仪器及技术包括测振传感器、信号调理器和信号记录与处理设备， 它们组成了一个完整的测试系统。目前运用振动诊断技术测试分析典型机械 零件的实践已经成熟，这些成熟的分析方法对我们分析高炉齿轮箱的运行状 故障诊断技术n 人型。岛炉布 ：= I 设吊中的心用 姜走革 态是很有帮助的。；2 第二部分，分昕了武钢血号高炉无料钟炉顶设备概况。论文简单介绍丁 无料钟炉顶的总体结构，齿轮箱的工作过程、工作环境，指出炉顶布料齿轮 箱是无料钟炉顶的关键设备，并指出齿轮箱的工作环境特点是高温，煤气、 粉尘多等。针对齿轮箱的三大部分：上部齿轮箱、水冷传动齿轮箱、倾动齿 轮箱，结合F 1 常生产实践和国外资料，列出齿轮箱的常见故障及处理措施。 第三部分，介绍了五号高炉炉顶齿轮箱监测诊断系统硬件及软件设计内 容。首先介绍了建立振动诊断系统的基本步骤，然后介绍了硬件系统。该硬 件系统由传感器、共振解调仪、A D 数据采集卡、工业P C 机、报警电路等 组成。该系统主要监测齿轮箱振动、齿轮箱工作温度、水和氮气的温度、压 力、流量、电机电流等参数。软件系统采用W i n d o w s4 0W o r k s t a t i o n 中文版 运行环境、V i s u a lB a s i c5 0 中文版开发语言，实现：( 1 ) 实时信号采集、处理、 报警功能；( 2 ) 故障分析功能；( 3 ) 趋势分析功能；( 4 ) 系统数据管理功能。4 第四部分，利用五号高炉齿轮箱状态监测与诊断系统实测到的一系列数 据进行分析。7 根据测试数据及人工经验进行综合分析，准确分析出故障原因、 故障程度、故障部位，制订出故障处理方案。从实际使用中可知该监测诊断 系统运行可靠，数据精确，为工程技术人员处理设备故障提供了有力的帮助。广一一 论文最后，指出无料钟炉顶布料齿轮箱状态监测与诊断系统有很高的实 用价值，可逐步推广到其它高炉的无料钟炉顶设备或相关的设备上，有着非 常广泛的应用前景。 故障渗断技术化人型高炉市料吐番中的啦用 姜支革 第一章概述 1 1 机械故障诊断的意义和内容 机械故障诊断是本世纪六七十年代产生并发展起来的一门综合性边缘学 科。一方面，随着现代设备的同趋大型化、复杂化、自动化、连续化，设备 一旦发生故障，给生产、质量、成本以及人民的生命财产造成巨大损失，有 时甚至无法估量，为使设备处于正常运行状态而所花的维修费用在企业经营 费用中也占的比重很大。因此，为了使设备维修工作更加高效而科学，就必 须对维修对象设备的劣化、故障状态、故障部位及其原因有正确的了解； 另一方面，信息传感技术、信号处理技术以及现代测试技术等相关学科的发 展，特别是电子计算机技术的飞速发展，为设备故障诊断提供了极大的技术 支持，从而使故障诊断也得到很大的发展，使故障诊断学目趋完善。 机械故障诊断是识别机器或机组运行状态的科学，它研究的是机器或机 组运行状态的变化在诊断信息中的反映，其研究内容包括：对机器运行状态 的识别诊断、对其运行过程的检测，以及对其运行发展趋势的预测等三个方 面。 机械故障诊断研究的目的是为了克服预防维修制度因过剩维修而造成的 材料消耗和维修工作量、停产时间以及维修费用的增加，而且还可以克服因 维修安排不当所引起的过失维修，从而实现维修制度从定期维修过渡到预知 维修或视情维修。 上述关于机械故障诊断的定义、研究目的是针对在线诊断提出的，这是 由于在线监视诊断对当前生产具有极其重要的意义，而离线诊断方法已有许 多成熟的科学方法可供借鉴。 总之，研究制造一台新的机器，可以促进社会经济的发展，增加社会财 富；而对机器的合理使用、科学维护、准确诊断、快速修复，同样促进社会 经济的发展，增加社会财富。两者的社会地位相当，缺一不可，这足机械故 故障诊断技术n 人型高炉布抖址蔷中的心用 姜文革 障诊断另一重要意义。 机械故障是与正常相对立的一种工况，在工作过程中，它有以下三种含 义：一般性故障。机械设备虽然能运行，但性能明显低于设计水平，效益 明显下降：危险性故障。机械输出或状态变量大大偏离期望指标；灾难 性故障。机械系统的重要部位或所有部位均丧失功能，不能工作。 为了能向工作人员提供故障发生、故障位置和故障程度等信息，故障检 测诊断系统应具备以下三个功能： ( 1 ) 、检测功能。当系统发生故障时，能及时发出警报信号； ( 2 ) 、隔离功能。能判定故障原因，确定故障位置，以便迅速去处理故障： ( 3 ) 、估计功能。应用各种状态( 或参数变化) 估计的方法去确定故障大 小，为处理故障提供重要依据。故障检测、隔离和估计都是以测得机械系统 的输入和输出值为依据来进行的，可用结构功能图1 1 表示。 正常生产 图1 0 ! 故障检测诊断结构功能示意图 1 - 2 机械故障诊断的分类 报警 故障隔离 故障程度 1 2 I 机械故障及其分类 所谓机械故障，就是指机械系统( 零件、组件、部件或整台设备乃至一 系列的设备组合) 因偏离其设计状态而丧失部分或全部功能的现象。通常见 敞障诊断救术n 大型一荔炉布科设备中的应用 姜文革 到的发动机发动不起来，机床运行不平稳、汽车刹车不灵等等现象都是机械 故障的表现形式。机械故障可以从不同的角度来进行分类。不同的分类方法 反映了机械故障的不同侧面，对机械故障进行分类的目的是为了更好地针对 不同的故障形式采取相应的对策。以下是各种分类方法。 ( 1 ) 、按发生的原因分可分为磨损性故障、错用性故障、先天性故障。 ( 2 ) 、按造成的后果分可分为危害性故障、安全性故障。 ( 3 ) 、按发生的快慢分可分为突发性故障、渐发性故障。 ( 4 ) 、按发生的范围分可分为部分性故障、完全性故障。 ( 5 ) 、按发生的频次分可分为偶发性故障、多发性故障。 机械故障还可以从其他角度来进行分类。在以上所列的分类方法中，按 故障原因和按故障发生的快慢这两种分类方法，对机械故障诊断最具现实意 义。 1 2 2 机械故障诊断及其分类 所谓机械故障诊断，就是对机械系统所处的状态进行监测，判断其是否 正常，当出现异常时分析其产生的原因和部位，并预报其发展趋势。机械故 障诊断可以分类如下： ( 1 ) 、按目的分可分为功能诊断、运行诊断。 ( 2 ) 、按方式分可分为巡回检测、在线监测。 ( 3 ) 、按提取信息的方式分可分为直接诊断、间接诊断。 ( 4 ) 、按诊断时所要求的机械运行工况条件分可分为常规工况诊断、特殊 工况诊断。 ( 5 ) 、按功能分可分为简单诊断、精密诊断。 此外，机械故障诊断还可根据所采用的技术手段不同而分为：振动诊断、油 样分析、温度监测以及无损检测等。 1 3 机械故障诊断主要的技术手段及各自的特点 各国专家、学者以及广大工程技术人员经过3 0 多年的共同努力，机械 放障诊断技术d 人型高炉布抖设备中的应用 姜支革 故障诊断学无论在广度方面还是在深度方面都得到了较大的发展，新的诊断 理论不断产生，诊断技术手段不断完善，机械故障诊断学R 趋科学化、实用 化。几种技术各具特点： 1 3 1 机械故障的振动诊断技术 与其他方法相比，振动诊断技术由于理论基础雄厚、分析检测设备完善、 渗断结果准确可靠、便于实时诊断等诸多优点而在机械故障诊断的整个技术 体系中居主导地位。其不足之处在于因振动诊断技术涉及信息传感、振动测 试、信号处理等诸多领域，因而对设备诊断技术人员的要求较高。 1 3 2 油液分析技术 以光谱分析和铁谱分析为代表的油液分析技术，具有信息集成度高的特 点。所谓信息集成度高是指对某一机械设备进行故障诊断时，只要是油液所 经过的部位，其磨损故障一般都可以通过对该处的油液进行取样分析诊断出 来，这是它的优点，其不足之处在于只对磨损类故障有效，而且诊断周期长。 这种诊断方法一般只能在实验室进行，其诊断结果受操作人员的影响。油液 分折技术常用于液压系统和润滑系统的故障诊断。 1 3 3 温度检测技术 正如人的体温可用于其健康检查，温度参数也常用于设备的故障诊断。 其中，接触式测温用于需要连续或不可观察的部位，如轴承的温度监测；非 接触式测温则多用于危险部位或不易接近的部位，如高压电气接点的温度监 测。温度监测的显著特点是诊断过程简单，诊断结果一目了然，特别是红 外摄象仪的出现，使得对物体温度的测量更加直观形象。 1 3 4 无损检测技术 所谓无损检测或无损探伤，就是利用物质的某一物理特性因存在缺陷而 发生变化的特点，在不破坏被检对象的前提下，对其进行检测，以探测其中 是否有缺陷存在的一门综合性诊断技术。其显著特点在于其无损性。无损探 伤是五六十年代在发达工业国家首先发展起来的，目前，主要包括射线探伤、 超声探伤、磁力探伤和渗透探伤等。无损探伤技术对改进产品制造工艺、降 低制造成本、提高设备的运行可靠性等具有重要意义，是一门很有发展前途 6 故障诊断技术九人型高炉布料设斋中的J j 用 姜之革 的学科。 1 4 机械故障诊断的研究现状及发展 故障诊断技术是现代化生产发展的产物。早在6 0 年代未，美国国家宇 航局( N A S A ) 就创立美国机械故障预防小组M F P G ( M a c h i n e r yF a u l t P r e v e n t i o n G r o u p ) ，英国成立了机械保健中心( U K ，M e c h a n i c a l H e a l t h M o n i t o r i n gC e n t e r ) 。由于诊断技术所产生的巨大的经济效益，从而得到迅速 发展。但各个工程领域对故障诊断的敏感程度和需求迫切性并不相同。例如 一台机械设备因故障停机检修并不导致全厂生产过程停顿，或对产品质量产 生严重的影响，它对故障的需求性就不那么迫切。反之，就非要有故障诊断 技术不可。 机械故障诊断作为一门新兴的综合性边缘学科，已经形成了比较完整的 学科体系。就其技术手段而言，已逐步形成以振动诊断、油样分析、温度监 测、和无损探伤为主，其他技术和方法为辅的局面。这其中又以振动诊断涉 及的领域最广、理论基础最为雄厚、研究得最为充分而最具实际生机与活力。 由于计算机技术的发展，目前可用于振动测试的设备十分丰富，从简单、低 精度到复杂、高精度、超高精度的系统应有尽有，对于振动信号的采集而言， 目前的计算机技术已足以胜任各种场合的需要。在硬件技术突飞猛进发展的 同时，软件技术日新月异的进步也极大地促进了信号分析与处理技术的发 展。目前，在振动信号的分析处理方面，除了经典的统计分析、时频域分析、 时序模型分析、参数辨识外，近来又发展了频率细化技术、倒频谱技术、共 振解调分析等。事实上，振动信号的分析处理技术还在不断的发展之中，新 的理论和技术不断涌现。 就诊断方法而言，除了单一参数、单一故障的技术诊断外，目前多参数、 多故障的综合诊断已经兴起。人工智能的研究成果为机械故障诊断注入了新 的活力，故障诊断的专家系统不仅在理论上得到了相当的发展，而且国外已 有许多成功的应用实例，国内也有许多单位积极从事这方面的探索研究，并 放障诊断技术n 人型高炉布料砹箭中的应用姜丈革 取得了一定的进展，与此同时，人工智能的另重要分支人工神经网络 的研究也逐步渗透到机械故障诊断领域，并己成为机械故障诊断领域的一个 最新研究热点，但目前还多处于实验室研究阶段，应用成功的实例还不多见。 最近又有人探索将人工神经网络与传统的专家系统结合起来，建造神经网络 专家系统。初步的研究成果表明，这种新型的专家系统能较好地克服传统的 专家系统和人工神经网络各自独立的缺陷而具有很多优势。 机械故障诊断技术在世界各国的发展是不平衡的，美国在这一领域处于 领先地位，其次是英、法、德、日等国，也具有各自的优势。与这些先进国 家相比，我国还有一定的差距，虽然我国在理论上跟踪得比较紧，但在诊断 设备的可靠性方面仍有一定的差距。就目前的市场配额来看，还有相当多的 国内市场为外国产品所占领，这不得不引起我们的重视。 目前连续生产系统或与产品质量有直接关系的关键设备，主要采用在线 监视诊断技术，监视诊断技术的发展情况，大致可从两个方面来说明。 1 4 1 监视诊断技术的发展 目前所采用的监视诊断技术可以概括为三类。 ( 1 ) 、以检测仪表为主体的监视装置 我国目前许多引进的大型设备都配备了这种装置，如本特利( B e n t l y ) 公司的B e n t l y 序列和飞利浦( P h i l i p s ) 公司的P h i l i p s 序列都有引进，其中 以B e n t l y 序列较多，如B e n t l y 7 2 0 0 、9 0 0 0 、3 3 0 0 型等。它的主要构成部件 是传感器和指示仪表箱，有用于测温度的，但大多数是用于测振动的。其主 要缺点是： 、检测信号是随机的，幅值并不能全面地表达动态过程的特性； 、机组在强烈振动之前，故障症兆并不很明显，有时振幅变化并不大， 但机组确有故障，如半倍频是故障的重要信息之一，但检测仪表并未显示出 来。而一旦振幅突然增大，则为时已晚，即不能防止突发性故障； 、读数式检测仪表本身并无分析功能，依赖于人的经验判断。 ( 2 ) 、检测仪表配备软硬件分析装置 这种系统是第一种装置的改进与补充，所用的装置主要是频谱分析仪， 救障诊断技术订人型矗炉布抖改捂中的应用姜疋革 有些名为故障诊断仪，而实际主要功能还是频谱分折，也有的分析功能是用 计算机软件去实现。如早几年本特利公司的A D R E 3 及恩特克( E n t e k ) 公 司的P M 等系统就具有频谱分析、谱阵图、波特图( B o d eP l o t ) 、轴心轨迹 图等功能，故有帮助人们提高诊断的准确性的优点，但也仍存在以下缺点： 、分析装置只是一种工具，不能自动判断，诊断决策仍需依赖于领域 专家； 、不能连续地自动分析，容易丢失故障信息，不能预防突发性故障； 、大型机械设备的结构复杂，故障与症兆之间并无一一对应的因果关 系，难免有误诊。 ( 3 ) 、计算机辅助监视与诊断系统 这种系统主要结构是由传感器、接口装置及计算机组成。其中接口装嚣 具有电平转换、采样、存储等功能。它可以实时监视和自动诊断，对防止突 发性故障有利，是工况监视与故障诊断技术的主要发展领域。但目前的水平 主要是计算机辅助监视与诊断系统，还不能真正达到自动诊断的水平。国外 都有这种系统的开发与应用，但仍无商品，除了技术成熟性不足之外，主要 原因还是由于大型机械设备故障诊断的针对性很强，且领域专家知识仍然是 故障诊断不可缺少的一部分，而商品型诊断系统必须充分考虑通用性，例如 商品型专家系统只能提供一个框架结构，因为知识库的内容总离不开机组的 实际运行状态和该领域的专家知识。 因此，计算机辅助监视与诊断系统今后发展方向主要是减少人工干预， 提高自动化及自适应能力的多层次的人工智能诊断系统。 1 4 2 人工智能在故障诊断应用中的发展 人工智能的研究起源于5 0 年代，开始是以游戏、博弈为对象，其间也 有人以电子线路模拟神经元及人的大脑，但没有成功。6 0 年代前后应用了 启发式技术和一般问题求解方法，1 9 6 3 年至1 9 7 2 年问，艾伦纽厄尔( A l l e n N e w e l l ) 发表了问题求解程序，开始了用计算机程序来模拟人类思维的道路， 1 9 6 0 年慕卡塞( M c C a r t h y ) 建立了人工智能表处理( L i s tP r o c e s s o r ) L I S P 语言；接着开发了一系列带有实用型的专家系统( E x p e r tS y s t e m ) 等，旨在 故障诊断技术d 人型一岛炉布 1 设衙中的应用姜丈革 解决分子结沟解释问题的D E N D R A L 系统( 1 9 6 4 ) ；密斯基( M i n s k y ) 和慕 卡塞( M c C a r t h y ) 旨在解决医生对感染性疾病诊断的M Y C I N 系统( 1 9 7 2 ) ： 杜达( R 0 D u d a ) 和赫特( P E H a r t ) 所研制的地质探矿P R O S P E C T O R 系 统( 1 9 7 6 ) ：傅立兰( P E F r i e d l a n d ) 和斯特费克( M S t e f i k ) 所研究的分子 遗传的M O L G E N 系统( 1 9 7 6 ) 等；这些系统在知识表达、逻辑推理等基本 问题上作出了贡献，为专家诊断系统的发展奠定了基础。在此期间，马赛大 学( U n i v e r s i t yo fM a r s e i l l e ) 科尔迈伦( M a i nC o l m e r a u r e ) 所提出基于逻辑 演算的P R O L O G ( P r o g r a m i n g i nL o g i c ) 语言出现了，随着它的发展和应用， 促进了诊断技术的发展。7 0 年代末，专家系统开始用于工程领域，故障诊 断专家系统也是这时开始。8 0 年代起，推理技术、知识获取、自然语言理 解和机器视觉都成为研究的主流，并开始了不确定性推理、非单调推理、定 性推理的研究，知识获取及自学习问题，特别引人注目。这时的研究思路是 以基于知识( K n o w l e d g e b a s e d ) 为核心，从总体出发，自上而下。反映在 诊断策略上，是建立某种故障模型进行求解，其缺点是知识对环境的适应能 力差，知识空间庞大，对问题求解带来了困难。1 9 8 5 年之后，在积极发展 基于知识的同时，又出现了一种基于行为的研究思路，即自下而上以对象的 实际行为为基础的人工智能法，也有人称这种方法为“人工生命”，现在越 来越引人注目，因为它从实际对象出发，结合实际，但我们并不排斥普遍性 知识，但它是处于第二位。神经网络是实现这一策略的有效手段之一。任何 科学的理论与方法总有它的适用范围，并于诊断方法，我们的指导思想是积 极解决基于知识方法中所存在的技术问题，努力开展基于行为的研究工作， 根据实际情况选择合适的方法，不论是采用哪一种方法，最终目的是要建立 适合于个体对象的故障诊断系统。 人工智能现在面临的关键问题是要使计算机能模拟人的学习行为并具有 决策功能，也就是自学习问题。它是知识工程( 知识获取、知识表示、知识 使用) 的重要问题。自学习的方法有记忆学习、示教学习、演泽学习、类比 学习和归纳式学习等。这些方法都能使计算机达到一定程度的自学习，但出 发点和采用的方法不同，其中归纳式学习是具有代表性的一个领域。它是从 1 0 故障诊断技术n + 人型。岛灯t 布料设蔷中的应用 姜文革 一系列的概念、样例和已知的反样例中获得概念，并归纳推导出一般概念的 描述方法。这罩所指的概念范围很广，可以是一个定义，一种行为，一种决 策，还可以是对状态的识别过程。人工神经网络就是一种数字式的归纳式学 习方法。 1 5 计算机辅助监视诊断系统的主要环节及诊断策略 1 5 1 工况监视与故障诊断系统的主要环节 计算机辅助监视诊断系统的主要环节如图1 2 所示。 。 图1 2 工况状态监视与故障诊断系统主要环节 ( 1 ) 、信号的在线检测 它必须满足两方面的要求。一是在线( O n 1 i n e ) ，它是针对系统而言， 对于连续运行的机械设备是指机器运行( 生产) 过程( 系统) 中的检测，是 在生产线上进行，故属于在线检测。有些机械设备运动，既有连续，又有中 断，例如机床加工一个零件可看成是一个系统，则切削、换刀、上下料和测 量都是系统的组成环节。但除了切削之外，在进行换刀、上下料等其它环节 时，机床并不运动，刀具也不加工，但部属于系统的组成部分，故仍属在线； 二是动态过程具有多方面的信息，没有必要都检测，所选择的信号及其在机 器上的部位都要能敏感地反映工况特征信息的变化。 ( 2 ) 、信号的特征分析 鉴于直接检测信号大都是随机信号，它包括了大量的无关的信息，一般 不宜用作判别量。需要用现代信号分析和数据处理方法把直接检测信号转换 l l 故障诊断技术n 人型t 岛炉布料吐桥中的府用姜文革 为能表达工况状态的特征量。对于某些具有规律的信号，也可从波形结构上 提取特征量。特征分析的目的是用各种信号处理方法作为工具，找到工况状 态与特征量的关系，把反映故障的特征信息和与故障无关的特征信息分离开 来，达到“去伪存真”的目的。因此，信号处理是特征分析的一种工具，但 不是唯一的工具。用特征分析的方法有频域分析、时域分析、统计分析、小 波分析及波形结构分析等等。 ( 3 ) 、特征量的选择 用上述方法可以得到很多可表达系统动态行为的特征量，但没有必要都 用来判别工况状态。因为实际生产中，各个特征量对工况状态变化的敏感程 度不同，应当选择敏感性强、规律性好的特征量，达到“去粗取精”的目的。 对此，只有在系统建成之后，结合机组运行做实验，进行特征分析，才能知 道哪一个特征量敏感或不敏感。实验室试验所得到的某种规律可作参考。选 择对具体机器最敏感的特征量，才能加强监视诊断的针对性，提高诊断的准 确性。特征量的选择还要考虑判别的实时性，要求计算简单，如能在一定程 度上表达工况状态的物理含义，就更有利于对工况状态变化原因的分析。用 模式识别方法进行状态分类时，特征量的数量以2 3 个为宜，一个太少， 误判率大；而特征量太多，又使得判别函数复杂，计算量大，实时性差，且 误判率并不因特征量的数量增多而单调地减少。在模式识别中，当特征量的 数量增至3 个以后，计算复杂，实时性差，而对降低误判率并无明显的改善。 ( 4 ) 、工况状态识别 工况状态识别就是状态分类问题，分类与诊断往往是一个概念，此处从 生产过程不同的目的考虑，把“分类”分成监视与诊断两个问题，工况监视 的目的是区分工况状念是正常还是异常，或者哪一部分不F 常，便于进行运 行管理，强调在线和实时性。因为主要是正常与异常两种状态，用模式识别 及模型参数判别都很有效。 ( 5 ) 、故障诊断 故障诊断首先需根据监视系统提供的信息，对当前工况状念及其发展趋 势作出确切的判断。故障诊断主要任务是针对异常工况，查明故障部位、性 ：垫堕堡堑丝查尘：叁型鱼竺塑垫壁量主堕坐望兰查兰： 质、程度，这就不仅需要根据当前机组的实际运行工况，而且还需考虑机组 的历史资料及领域专家的知识作出精确诊断。诊断和监视不同之处是诊断精 度放在第一位，而实时性是第二位。 1 5 2 计算机辅助监视、诊断方案 表1 1 是以旋转机械为例，介绍几种可行的监视诊断方案。表中提出了 几种方案可供选择，选择原则是力求实用、简单，不是越复杂越好。例如一 般工作机械，台数多，结构也不复杂，即使因故障停机，也不影响全局，只 需按第四种方案，设计一接口，能迅速把信息采集并记录下来，离线或在线 用计算机分析即可。 表1 1 旋转机械几种可行的监视诊断方案 N a 系统组成适用范围优缺点 一般机械设备，其数量多灵活性 l 叵寸叵丑咂圈 且可停机检修，无必要每台设大只能人工 备都配置监视诊断系统。分析。 适用于运行多年的大型设可以实时 2 叵丑悃 备，目的主要足使运行管理科监视，信息存 学化，有人工分析的条件，并储，人工分 不要求诊断系统。析。 适用于引进装置配套，毋 可以实时 需每台机器安装诊断系统，在 监视信息存 3 叵 压丑岖习 计算中心设置诊断系统，离线 储，人工分 诊断，主要是解决运行管理科 析。 学化。 组成移动式诊断装置，适一般作在 4 叵 匹咽 用于多台一般机器巡回监测、线检测，离线 分析，无必要设置专用的诊断分析信息存 系统。储。 I 丝型蕉矍! 卜刊E ! 垒! 卜。 叶_ 适用十多台同时运行的大 可实时监 5 匝亟匠扣怔巫 叫盏 型关键设备对实时性要求较 视，在线分 析，精确诊 压赢西五b r 雨引! ! 高，必须具备在线诊断的系统。 断。 放障诊断控术n 人型高炉布料没需中的应用姜文革 第二章振动诊断技术 2 ，1 振动诊断的概念 工程实际中存在着大量的振动问题，零件原始制造误差、运动零部件问 的间隙和磨擦或者回转部件中不平衡力的存在等都会引起振动。而且，随着 零件的磨损，零件表面产生的剥落、裂缝等损伤会使振动进一步加剧。总之， 大量的生产实践经验表明，机械设备的振动与其运行状态之间有着密切的关 系，这就为振动技术用于设备的故障诊断提供了可能性。 所谓振动诊断，就是以系统在某种激励下的振动响应作为诊断信息的来 源，通过对所测得的振动参数( 位移、速度、加速度) ，进行各种分析处理， 并以此为基础，借助一定的识别策略，对机械设备的运行状态作出判断，进 而对有故障的机械诊断出故障部位、故障程度以及故障原因等，并给出这方 面的信息。振动诊断还包括对环境的预测，即在已知输出和系统特性的前提 下研究输入，如噪声源定位等。 由于振动诊断具有诊断结果准确可靠，便于实时诊断等诸多优点而受到 人们的普遍关注，在机械故障诊断的整个技术体系中居主导地位，目前已广 泛地应用于各种机械设备( 包括往复式机械和旋转式机械) 的简易诊断和精 密诊断。 机械振动是一种特殊的运动形式，由于受外界条件的影响，机械系统将 会围绕其平衡位置作往复运动，此即机械振动。从不同的角度可将机械振动 进行分类。 ( J ) 、按系统的输入不同分类，机械振动可分为自由振动、强迫振动、自 激振动。 ( 2 ) 、按系统的输出特性分类，机械振动可分为简谐振动、非简谐周期振 动、瞬息振动、准周期振动、随机振动。 3 ) 、按系统的自由度的数目分类，机械振动可分为单自由度系统振动、 1 4 故障诊断技术n 人型高炉布抖设蔷中的J 幔用 姜文革 多自由度系统振动、弹性体振动。 ( 4 ) 、按描述系统的微分方程分类，机械振动可分为线性振动、非线性振 动。 ( j ) 、按振动位移的特征分类，机械振动可分为扭转振动、直线振动。 此外，振动还可按其频率范围分为低频振动( 1 0 K H z ) 等。 、 2 2 机械故障的振动诊断技术 振动问题的求解，除了通过建立系统的力学模型来进行理论分析计算 外，在工程实际中，特别是将振动技术应用于机械设备的故障振动时，经常 采用的则是通过对实测振动信号的分析处理，并借助一定的诊断策略，以此 来判断所测对象的运行状态。可以说，振动实测是一种不可缺少的振动分析 手段，更是机械故障振动诊断的关键步骤之一。与振动测试有关的典型仪器 设备及技术包括测振传感器、信号调理器和信号记录与处理设备，它们组成 了一个完整的测试系统，如图2 1 所示。其中，测振传感器的作用是将机械 振动量转变为适用于电测的电参量，俗称拾振器：信号记录仪的功能是将所 测振动信号记录存贮：信号分析与处理设备则负责完成对所记录的信号施行 各种分析处理；而信号调理则起协调作用，使传感器和记录仪能配合起来协 同工作，主要包括信号放大、阻抗变换等功能。 图2 1振动测试系统组成框图 2 2 1 测振传感器 顾名思义，测振传感器是用来测量振动参量的传感器，根据所测振动参 量和频响范围的不同，习惯上常将测振传感器分为振动位移传感器、振动速 度传感器和振动加速度传感器三大类，各自典型的频响范围大致如下：0 1 0 K H z ( 电涡流位移传感器) 、1 0 H z 2 K H z ( 磁电式速度传感器) 、0 5 0 K H z ：垫堕堡堑丝查堡叁望塑竺堡垫堡垒! 堕皇里兰兰兰： ( 压电加速度传感器) 。根据研究需要，本文仅对压电式加速度传感器进行 简要介绍。 ( 1 ) 、压电加速度传感器 线性加速度传感器的种类很多，在种类众多的加速度传感器中，压电加 速度传感器由于具有体积小、重量轻、灵敏度高、测量范围大、频响范围宽、 线性度好、安装简便等诸多优点而获得了最为广泛的应用，是目前机械故障 振动诊断测试中最为常用的一种传感器。 压电式加速度传感器是运用物质的压电效应制作而成的。某些电介质， 当沿一定的方向对其施力而使之变形时，其内部发生极化现象，同时在它的 两个表面上产生符号相反的电荷；当外力去除后，电介质又重新恢复到不带 电的状态，介质的这种机械能转换为电能的现象即为压电效应。压电式加速 度传感器典型结构如图2 2 所示。 厨蓐翦麽 ( a )【b )【c J ( d ) ( a ) 周边K 缩式( b ) 中心压缩式 ( c ) 倒置中心乐缩式( d ) 翦切式 l 一基座2 一压电元件 3 一质量块4 一预紧弹簧5 一输出0 I 线 图2 2 压电式加速度传感器典型结构 ( 2 ) 、测量电路 压电传感器的测量电路( 即前置放大器) 的作用有两个：一是进行阻抗 变换，把压电式传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出；二是放大压电式传 感器输出的微弱信号。目前，用于压电式传感器的测量电路有电压放大器和 电荷放大器两种。其中电压放大器的输出电压与传感器的输出电压成J 下比， 而电荷放大器的输出电压与传感器的输出电荷成正比。 2 2 2 振动传感器的选用原则 故障诊断挫术n 人型扇炉布抖设备中的J 屺用姜丈革 在实际测试工作中，选用振动传感器应本着可用和优化的原则。所谓可 用，就是要使所选的传感器满足最基本的测试要求；所谓优化，就是在满足 基本测试要求的前提下，尽量降低传感器的费用，即取得最佳的性能价格比。 具体来说，就是要考虑以下几方面的问题。 ( 1 ) 、测量范围 测量范围又称量程，是保证传感器有用的首要指标，因此超量程测量不 仅意味着测量结果不可靠，而且有时会造成传感器永久损坏。因此，必须保 证不超过传感器的测量量程。不过，对于振动加速度传感器来说，这个问题 显得不那么重要。因为一个好的加速度传感器，可承受高达1 0 0 0 0 9 的冲 击，一般性能的传感器也能承受5 0 9 左右的振动。 ( 2 ) 、频响范围 振动参量的最显著特性就是其频率构成特性，即一个机械振动信号往往 是由许多频率不同的信号叠加而成。从理论上讲，其频率分布于从0 H z 到 无穷大，因此要求用于振动测试的传感器的频响特性要好，也就是要求其幅 频特性的水平范围尽可能宽，相频特性为线性。同时还要求其频率下限尽可 能地低，以检测缓变的机械振动信号。一般而言，一个传感器往往很难同时 满足这两个要求，因此，在选用传感器前，应该对被测振动信号的频率构成 情况有个仞步估计，并结合振动测试的目的，确定出优先要求的指标是低下 限频率，还是高上限频率。所选传感器的工作频响范围应覆盖整个需要测试 的信号频段并略有超出，但也不要选用频响范围过宽的传感器，因为这样会 增加传感器的费用，同时无用频率信号的引入还会增加后续信号处理工作的 难度，甚至得出错误的结论。 ( 3 ) 、灵敏度 一般而言，总是希望传感器的灵敏度尽量高，以便检测微小信号，但还 要考虑以下几个问题：一是外界噪声的混入也会因传感器的灵敏度提高而变 得容易，这就要求传感器的信噪比( S N ) 要高，以便在充分放大被测信号 的同时，能最有效地抑制噪声信号；再者，在确定传感器的灵敏度时，还要 与其测量范围结合起来考虑，应使传感器工作在线性区；此外，对于二维、 放障诊断技术行人型商炉布料设箭中的J 、i 用姜文革 三维等多维向量的测量，要求传感器的向量与向量之I N 的交叉灵敏度愈小愈 好。 ( 4 ) 、精度 传感器的精度是影响测试结果真实性的主要指标，但也并不是要求精度 愈小愈好，这主要是因为传感器的精度与其价格对应，精度提高一级，传感 器的价格将成倍增长，因此，应从实际需要出发来选用。首先应明确测试工 作的目的是定性分析还是定量分析，如果是属于比较性的定性研究，由于只 需得到相对比较值，而无需要求高精度的绝对值，此时选择低精度的传感器； 而对于那些需要精确地测量振动参量绝对值的场合，则要选用高精度的传感 器。此外，确定传感器的精度时还要与整个的测试系统综合起来考虑，对于 同- - N 试系统中的设备，应尽量使它们属同一精度等级，以优化测试成本。 ( 5 ) 、稳定性 传感器的稳定性有两方面的含义，即时间稳定性和环境稳定性，其中环 境( 温度、湿度、灰尘、电磁场等因素) 稳定性是任何传感器都要考虑的问 题，要保证传感器工作在其允许的环境条件下，以避免降低传感器的性能。 对于那些用于水下、高温、易爆等特殊工况的传感器，还要考虑其相应的技 术性能，以免发生危险。至于时间稳定性，则是用于长期工况监测的传感器 所要重点考虑的问题。 L i - L 夕b ，传感器的工作方式、外形尺寸、重量等也是选用传感器时需要考 虑的因素。 2 2 3 信号记录与处理设备 可用于记录振动信号的仪器有光线示波器、电子示波器、笔式记录仪、 磁带机以及数据采集器等多种。光线示波器和笔式记录仪都将记录结果硬拷 贝在信息纸上，只能对它进行简单的分析处理，远不能满足机械故障诊断的 需要。电子示波器中的模拟示波器本身只能用来观察信号，近年来研制丌发 成功的数字存贮式示波器因主要是用以捕捉高频脉冲信号，其贮存容量非常 有限，也不能满足机械故障诊断需要大数据量的要求。因此，目前在机械故 障诊断领域获得广泛应用的主要是磁带机和数据采集器两种，它们各有其特 故障诊断技术 人型，南炉布抖设备中的J 衄用姜乏革 点和应用场合。其中，模拟磁带机是模拟式记录仪器的代表，而数据采集器 则代表着数字式仪表的发展方向。随着计算机技术的飞速发展，经过三十多 年的研究，计算机辅助测试已经发展到了第三代，即计算机直接参与测试信 号的产生和测量特性的解析的计算机辅助测试系统阶段。八十年代后期，计 算机辅助测试系统采用计算机及计算机插件( 如D 、D A 插件等) 来组成 测试系统，其性能价格比越来越高，而且简化了分析测试过程。目前，计算 机辅助测试的发展为虚拟仪器技术的产生和发展奠定了基础，也是计算机辅 助测试的发展趋势。 ( 1 ) 、数据采集器 数据采集是现代信号处理技术一个必不可少的环节，即使采用磁带机记 录下来的信号，也必须经过D 转换，将模拟信号转换为数字信号后，才 能对其进行分析处理，而高性能的数据采集器却能在测试现场将输入模拟信 号直接转换为数字信号并存贮起来。加之数据采集器配上信号分析处理软件 组成数据采集处理系统后，其性能价格比更高，显示出强大的生命力。 ( 2 ) 、信号分析与处理设备 机械系统的输出信号经传感器拾取、信号调理，最后经记录设备记录下 来以后，还必须经过各种分析与处理，才能得到所需要的结论。理论上的各 种数学运算必须借助一定的硬件设备才能真正得以实现，这就是信号的分析 与处理设备。 目前的信号分折与处理设备种类繁多，性能各异。有的功能较为单一， 有的功能则十分强大。从实现信号分析与处理的硬件基础来看，可将目前的 信号分析与处理设备分为两大类，即通用型和专用型。所谓通用型信号分析 与处理设备，是指由通用计算机硬件和基于其上的信号分析与处理软件组成 的系统；所谓专用型信号分析与处理设备，则是指除通用型以外的其他各种 信号分析与处理设备。般而言，通用型信号分析与处理设备的各种功能主 要是靠软件实现的，而专用型信号分析与处理设备有部分功能是靠硬件实现 的。从信号分析与处理的功能强弱上看，通用型系统与专用型系统并没有明 显的差别。 故障诊断技术 人型高聍布科址籀中的心用姜丈革 早先的专用型设备在信号分析与处理的速度上具有一定的优势，但随着 计算机软硬件技术突飞猛进的发展，这种优势已不复存在，相反，由于通用 型系统能更快地享用计算机技术的最新成果，使得通用型系统不仅具有速度 上的优势，在处理数据的容量等方面也更具优势。此外，通用型系统还具有 组态灵活、造价较低等优点，所以，近年来通用型系统发展更快，我国目前 研制丌发的机械设备故障诊断系统多为基于通用计算机的通用型的信号分析 与处理系统。 从信号处理的结果来看，除极少数信号分析与处理设备只有数据形式的 输出外，绝大多数系统都具有图形输出功能，使得信号处理的结果更加直观 明了。 在选用或研制信号分析与处理设备时，一定要根据工作的需要，从性能、 价格、使用环境、兼容性、可扩充性和可靠性等方面综合考虑，切不可盲目 追求功能上的“领先”和全而又全，以免造成时间和金钱方面的浪费，甚至 降低系统的可靠性。 2 3 典型零部件故障的振动诊断 2 3 1 齿轮的故障诊断 齿轮箱是各类机械的变速传动部件，齿轮箱的运行是否正常，涉及整台 机器或机组的工作状态。在齿轮箱中，齿轮本身的故障比重最大。齿轮是一 种较为复杂的成形零件，保证其制造和装配质量也较为困难，特别是在高速 重载下运行的齿轮，其工作条件更为恶劣，因此，齿轮的工况监测与故障诊 断显得尤为重要。 采用振动监测对齿轮进行故障诊断是一种行之有效的方法，然而，在齿 轮使用过程中引起振动的因素是多方面的，包括齿轮的制造和装配误差、齿 轮在啮合过程中的刚度变化、受力变形、轮齿的损伤、外载荷的影响等。下 面以几种常见的齿轮故障，来分析其振动特性，以便对故障进行诊断。 ( 1 ) 、齿面损伤 故障诊断技术n 人型高炉布抖垃斋中的应用姜文革 当齿轮所有的齿面产生磨损或齿面上有裂痕、点蚀、剥落等损伤时，所 激发的振动波形图如图2 3 所示。 ( a ) 再曩【b ) 蚀曩 图2 3齿面损伤引起的振动 由图可以看出，啮合时产生冲击振动，并激发齿轮按其固有频率振动， 固有振动频率成分的振幅与其他振动成分相比是非常大的，而且冲击振动的 振幅具有几乎相同的大小。 与此同时，低频的啮合频率成分的振幅也增大。此外，随着磨损的发展， 齿轮刚性( 弹性常数) 表现出非线性的特点，振动波形作如图2 3 b 所示的 变化，在其振动频谱中存在啮合频率的2 次、3 次高次谐波或1 2 ，1 3 的 分频成分。 ( 2 ) 、齿轮偏心 当齿轮存在偏心时，齿轮每转中的压力时大时小地变化，致使啮合振动 的振幅受旋转频率的调剂，其频谱包含旋转频率f r 、啮合频率f m 成分及其 边频带f m f r ，其振动的波形如图2 4 所示。 图2 4 齿轮偏心的振动特性图2 5 齿轮回转质量不平衡的振动特性 ( 3 ) 、齿轮回转质量不平衡 齿轮回转质量不平衡的振动波如图2 5 所示，其主要频率成分与正常情 况基本相同，即为旋转频率f r 和啮合频率f m ，但旋转频率振动的振幅较正 ，设障诊断技术 人型高炉布料设备中的J * 用姜丈革- 常情况大。 ( 4 ) 、齿轮局部性缺陷 当齿轮存在个别轮齿折损、个别齿面磨损、点蚀、齿根裂纹等局部性缺 陷时，在啮合过程中该轮齿将激发异常大的冲击振动，在振动波形上出现较 大的周期性脉冲幅值。其主要频率成分为旋转频率f r 及其高次谐波n f r ，并 经常激发起系统以固有频率振动，其振动波形如图2 6 所示。 图2 6 齿轮局部性缺陷的振动波形图2 7 齿距误差的振动波形 ( 5 ) 、齿距误差 当齿轮存在齿距误差时，齿轮在每转中的速度将时快时慢地变化，致使 啮合振动的频率受旋转振动频率的调制，其振动波形如图2 7 所示。其频谱 包含旋转频率f r ，啮合频率f m 成分及其边频带f m n f r ( n = 1 ，2 ，3 ) 。 需要说明的是，实际测试所得到的频谱图远非以上所述的那么简洁明 了，而是要比此复杂得多。其中的谱峰通常很难是以单一频率线出现，而多 表现为一个连续的频段。齿轮的异常现象也很少以单一形式出现，而往往是 多种故障形式的综合，所有这些都给齿轮的故障诊断带来了许多应用上的困 难。尽管如此，我们仍然有理由相信，随着人们对齿轮故障的振动诊断研究 的继续深入，诊断经验会越来越丰富，加之诊断仪器设备的技术指标的同益 提高，齿轮故障的振动诊断必将得到更广泛的应用。 2 3 2 轴承的故障诊断 轴承是机械系统中重要的支承部件，其性能与工况的好坏直接影响与之 相联的转轴，以及安装在转轴上的齿轮乃至整台机器设备的性能。在齿轮箱 的各类故障中，轴承的故障率仅次于齿轮而占1 9 ，因此，开展对轴承的 故障诊断很具现实意义。 故障诊断技术n 。大型扇炉布抖设衙中的应用姜文革 根据其工作原理不同，轴承可分为滚动轴承和滑动轴承两大类。由于直 至目前，对滑动轴承的故障诊断的研究还非常有限，所取得的成果也不多； 加之，在生产实际中，滚动轴承应用较广泛，因此，在此我们只讨论滚动轴 承的故障诊断。对滚动轴承进行故障诊断与工况监测可以采用振动诊断、油 样分析、光导纤维探测以及接触电阻法等多种技术手段，在此，我们只讨论 振动诊断法。 ( I ) 、滚动轴承常见的异常现象 由于使用条件和工作环境的不同，滚动轴承会发生磨损、压痕、点蚀、 裂纹、表面剥落、破损、胶合、烧损、电蚀、锈蚀以及变色等多种异常现象， 造成上述异常现象产生的主要原因有