（机械制造及其自动化专业论文）大型旋转机械混合式振动监测诊断系统的研制.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 本文在对状态监控及故障诊断、信号分析等理论研究的基础上，提出了一种 混合式振动监测的方法。混合式监测诊断系统是指采用传感器固定安装，把信号 通过现场布线引到指定的地点，采用硬件( 主要是测量仪表) 进行简易诊断，然 后通过软件系统( 主要采用便携式系统) 进行精密诊断，精密诊断系统根据需要 选择何时诊断以及采用在线诊断或离线诊断。这样既可以方便现场工作人员进彳亍 常规性的检查，又可以深层次的诊断设备故障的原因、部位以及严重程度，进而 深入分析，作出判断。目前在发电机组辅机系统中已经应用了混合式监测诊断方 法，并取得了较好的效果。 本文在研究了各种测试仪表的基础上，研制了一台数字式位移测量仪。该测 量仪与位移传感器及前置器配合使用，能够在线监测包括振动峰一峰值和平均值 等振动信号量，同时测量仪可以自动检测传感器安装距离，在危险的情况下可以 根据事先设定好的报警值进行报警。数字显示方式可以方便现场施工人员观测振 动位移量的大小，测量仪本身可以方便的组成多通道，为进一步分析处理信号提 供了方便的接口等。测量仪使用范围广泛，在选择合适的量程之后，可以与不同 灵敏度的电涡流位移传感器配合使用。测量仪采用交直流两种形式供电，这样既 方便现场的使用又可以保证电源供电的稳定性，其内部电路中采用m c l 4 0 4 b 计数 器芯片，能够准确的进行复位调零功能，显示部分采用7 1 3 5 共阴极l e d 的显示电 路，这种芯片精度高、分辨率高、能准确检出极性。同时本文还对电路板的总体 设计、结构设计、电气性能设计进行了简要的说明。 位移测量仪是根据现场的实际情况和要求进行设计研制的。测量仪操作方便， 检测速度快，准确率高。在工程中得到较好的应用。 关键词：混合式，振动监测，位移测量仪 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t b a s e du p o nt h er e s e a r c ho nt h e o r i e so fc o n d i t i o nm o n i t o r i n g ，f a u l td i a g n o s i sa n d s i g r l a la n a l y s i s t h ep a p e rp u t sf o r w a r dam e t h o do f h y b r i dv i b r a t i o nm o n i t o r i n g h y b r i d v i b r a t i o nm o n i t o r i n gs y s t e mf i x e st h es e n s o r sa n dt r a n s m i t ss i g n a l st od e s t i n a t i o n t h r o u g hf i e l dr o u t i n g i ta c c o m p l i s h e ss i m p l ed i a g n o s i sb yh a r d w a r e ，w h i c ha r em o s t l y m e a s u r i n gi n s t r u m e n t s t h e ns o f t w a r es y s t e mi sa p p l i e dt oe x a c t l yd i a g n o s ef a u l t ， w h i c ha l em a i n l yp o r t a b l es y s t e m t h ep r e c i s i o nd i a g n o s i ss ) , s t e mj u d g e sw h a tk i n do f m e t h o d ss h o u l db ea d o p t e d ，o f f i i n ed i a g n o s i so ro n i i n ed i a g n o s i s ，b yc i r c u m s t a n c e i n t h i sw a yt e c h n i c i a n sc a l ln o to n l yc o n v e n i e n t l yc a r r yt h er o u t i n ec h e c ko dm a c h i n eb u t a l s oc o n s i d e rf u r t h e rt h ec a u s e ，p o s i t i o na n dd e g r e eo fi n t e r n a le q u i p m e n tf a u l t a c c o r d i n gt oa n a l y s i s ，j u d g m e n tc o u l db em a d e t h eh y b r i dm o n i t o r i n ga n dd i a g n o s i s s y s t e mw a sa p p l y e di nt h ed y n a m o t o r a s s i s t a n ts y s t e ma n da c h i e v e ds u c c e s s t h ep a p e rd e v e l o p e dad i g i t a ld i s p l a c e m e n tm e a s u r i n gd e v i c eb a s e do ns t u d y i n g v a r i o u sm e a s u r i n gd e v i c e t h em e a s u r i n gd e v i c ec o o p e r a t i n gw i t hd i s p l a c e m e n ts e n s o r s a n dp r e p o s i t i v ed e v i c ec a nm o n i t o rv i b r a t i o ns i g n a l si n c l u d i n gp e e k - p e e kv a l u ea n d a v e r a g ev a l u ee t c b e s i d e s i tc a na u t o d e t e c tt h ed i s t a n c et h a t 也es e n s o ri n s t a l l e dw i t h a n da l a r mi ft h ei n t e r v a le x c e e d st h ea i a r mv a l u e 。d i 百t a ld i s p l a ym o d em a k e sv i b r a t i o n d i s p l a c e m e n to b s e r v e de a s i l y m o r e o v e r , am e a s u r i n gd e v i c ew i t hm u l t i c h a n n e l sc a n b e ac o m b i n a t i o no fs e v e r a ls u c hi n s t r u m e n t s ，w h i c hi sac o n v e n i e n ti n t e r f a c ef o rf u r t h e r a n a l y s i s t h i sk i n do fd e v i c eh a se x t e n s i v ea p p l i c a t i o n s t h ee d d yc u r r e n td i s p l a c e m e n t s e n s o r sw i t hv a r i o u ss e n s i t i v i t i e sc a nw o r kw i t ht h ei n s t r u m e n t t h ed i s p l a c e m e n t d e v i c eh a st w oh n do fp o w e rs u p p l y , d ca n da c ，w h i c hc a ni n s u r et h es t a b i l i t ya n d a d a p t a b i l i t yi nf i e l da p p l i c a t i o n m c l 4 0 4 bc o u n t e rc h i pr e s p o n d i n gf o ra c c u r a t es i g n a l r e p l a c e m e n tw a ss e ti nt h ei n t e m a lc i r c u i t t h ed i s p l a yc o m p o n e n ta d o p t st h e7 1 3 5l e d d i s p l a y c i r c u i tw i t hc o m m o nc a t h o d e t h el e dc h i ph a sh i 曲p r e c i s i o n ，h i 曲 r e s o l u t i o na n di tc a nd e t e c tt h ep o l a r i t ya c c u r a t e ly t h ep a p e ra l s od i s c u s s e dt h eg e n e r a l d e s i g n ，s t r u c t u r ed e s i g na n d e l e c t r i c a lc h a r a c t e r i s t i cd e s i g ni nb r i e f d i s p l a c e m e n tm e a s u r i n gd e v i c ew a sd e v e l o p e da c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n ta n d c i r c u m s t a n c e i th a st h ec h a r a c t e r i s t i c s ，w h i c ha r cc o n v e n i e n c e ，e f f i c i e n ta n dp r e c i s e m e a s u r e m e n ta n dg r e a ta p p l i c a t i o n k e y w o r d s ：h y b r i d , v i b r a t i o nm o n i t o r i n g , d i s p l a c e m e n tm e a s u r i n gd e v i c e i i 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 绪论 1 】设备状态监测与故障诊断概述 1 1 ，1 设备状态监澳l 【1 1 【2 】 设备状态是指设备运行的工况，由设备运行过程中的各种性能参数以及设备 运行过程中产生的二次效应参数和产品质量指标参数来描述。设备状态的类型包 括：正常、异常和故障三种。 设备状态监测就是通过测定设备的各种参数( 例如振动、温度等) ，来检查其 状态是否正常。当特征参数小于允许值时便认为是正常，否则为异常。故障的严 重程度可以用超过允许值的大小来表示。当然达到某一设定极限值时就应停机检 修。若对设备进行定期或连续监测，便可获得设备故障发展的趋势性规律，对剩 余寿命作出估计，借此便可进行预测预报。 1 1 2 故障诊断n 3 1 1 4 5 】【6 】【7 台设备( 或装置) 的性能指标已低于正常时的最低极限值的设备状态称之为 故障，故障产生的原因有三大类即实体耗损或变异、设计制造和装配上的缺陷、 操作失误等。 故 障 塞 使用时问 均故障率 i 一初期故障期：一偶发故障期；一耗损故障期 图1 1 设备故障率变化规律图 f i g u r e1 1v a r y i n gr e g u l a r i t yo f d e v i c e f a u l tr a t e 一般地说，设备故障的出现可分为三个时期：初期故障期、偶发故障期和损 耗故障期。在不同的故障期中，设备的故障率是不同的。其变化曲线如图l il 所 示。图中曲线称为失效率曲线，又因其状似浴盆而称为“浴盆曲线”。 故障诊断不仅要检查设备是否正常，而且还要对设备故障的原因、部位以及 严重程度进行深入细致的分析，然后作出判断。这与状态监测有所区别。状态监 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 测相当于简易诊断，而故障诊断则相当于精密诊断。在状态监测判别出设备有异 常时，可通过故障诊断进一步确定故障的性质、严重程度、故障类别、故障部位、 故障原因，乃至说明故障发展趋势和对未来的影响。为预报控制、调整、维修及 事故分析提供依据。 1 1 3 设备状态监测和故障诊断技术及其实施过程1 】【3 【8 】【9 】【1 0 】【1 l 】 监测诊断的主要技术内容包括文档建立和诊断实施两大部分。文档建立的目 的是确定故障的基准模式，而诊断实施则包括信号检测、特征提取、状态识别和 预报决策四个部分，如图1 2 所示。 图1 2 设备监测与诊断技术的技术内容 f i g u r e1 2d e v i c em o n i t o r i n ga n dd i a g n o s i st e c h n o l o g y 信号检测：按不同诊断目的和对象选择最便于诊断的状态信号加以监测， 由此建立初始模式。 特征提取：将初始模式向量进行维数压缩、形式变换、除去噪声干扰、提 取故障特征，形成待检模式。 状态识别：将待检模式与基准模式对比，进行状态分类。为此要建立判别 函数，规定判别准则，并力争使误判率最小。 预报决策；根据识别结果采取相应对策，对设备及其工作进行必要的干预。 所谓预报就是能够对被诊断出来的故障，在不采取任何措施的情况下，估计继续 运行下去会产生什么样的后果，以及还可以继续运行多长时间作出估计。 利用正常机器或结构的动态性( 如固有频率、振型、传递函数等) ，与异常机 器或结构的动态特性的不同，来判断机器是否存在故障的技术叫做振动诊断技术。 重庆大学硕士学位论文1 绪论 对于在生产中连续运转的机器设备，根据它在运转中产生的代表其动态特性的振 动信号，采用振动诊断技术可以在不停车的条件下实现在线监测和故障诊断。振 动诊断技术所采用的方法有很多，例如：振动特征分析、振动频谱分析、倒频谱 分析、全息谱分析、时域分析、功率谱分析等，这些在设备故障诊断中应用十分 广泛。 设备监测诊断技术是近十多年来发展最迅猛的新兴综合性应用学科之一。它 利用传感检测技术、信号处理、模式识别系统理论、预报决策、可靠性分析、电 子技术、计算机技术及相关专业领域的研究成果，以设备及群体为研究对象，根 据设备在运行过程中的二次效应( 如热力参数、电磁参数、机械力学参数、各种性 能参数等) 及其动态变化，对设备运行状态进行监测，作出是否有故障、故障种类、 部位、原因、严重程度及发展变化趋势等方面的诊断结果，并制定出相应对策和 处理结果。该技术是实行设备科学管理、保障设备安全经济运行、推广设备预知 维修制的技术基础。 大型旋转机械的状态监测与故障诊断具有其特殊性，这一特殊性表现在测试 的主要对象是一个转动部件，即转子或转轴以及转动体与静止体之间的相对关系 等。转动部件包括转子及连接转子的联轴器等；非转动部件包括轴承、轴承座、 机壳和基础等。转子是旋转机械的核心部件，整个旋转机械能否正常工作主要决 定于转子能否正常运转。当然，转子的运动不是孤立的，它通过轴承( 滑动轴承 或滚动轴承) 支承在轴承座及机壳与基础上，即构成了所谓的转子一支承系统。 支承的动力学特性在一定程度上影响转子的运动。但是，可以认为，旋转机械的 大多数振动问题或故障都是与转子直接有关，只有少数问题直接与支承箱体或基 础有关【l 】【9 1 。 既然大多数振动故障都是直接与转子运动有关，因此，从转子运动中去监测 和发现振动故障，这比从轴承座或机壳的振动中提取信息更为直接和有效。当然， 监测转子轴的振动比测量非转动部件的振动，在测试技术上难度更大一些。随着 f i g u r e1 3f a u l td i a g n o s i sp r o c e s s 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 传感器和其它电子测试仪器的发展， 对转子运动的测试技术都有了发展， 入地研究旋转机械的振动问题。 对旋转机械的试验研究及运转监测，特别是 使褥人们有可能借助于试验和测量手段更深 设备故障诊断技术根据不同的诊断对象、要求、设备人员、时间、地点等具 体情况，要采取不同的诊断策略和实旌措施。图1 3 是故障诊断的基本实旌过程， 其中实线表示的是计算机辅助设备故障诊断的实施路线。 故障的分析和预测比一般性的监测具有较大的难度。为了进行故障的分析和 预测，不仅要求有较完整的数据监测和采集系统，而且要求对转子一支承系统的 各类振动问题的一般规律以及机器表现出的现象有深入的了解。只有两者的结合， 才有可能判断出故障的原因及其在机器上的可能部位。 自从旋转机械测试中引入微处理机以后，对转子一支承系统的故障分析和预 测起到了有力的推动作用。利用微处理机不仅可以长期采集、储存大量有关振动 的资料信息，并可按所要求的格式进行处理，给故障分析和预测提供了极为有力 的工具。但是，故障预测工作到目前为止不能说己形成为一门完整的学科，因为 它涉及到机器多方面的因素，比如机器的类型，工作条件变化的影响，可能出现 哪些故障，这些故障会有哪些征兆，属于转子动力学哪一类问题，它的振动表现 有何种特点，突出表现在哪些部位，用何种测量手段可以获得这些潜在故障信息 等等。因此，完成一项大型旋转机械的监测、保护、诊断系统必须对监测系统及 被测对象有较为完整、深入的整体理解，只有这样，监测系统才能担负起保障大 型旋转设备安全、经济运行的职责。 1 2 设备状态监测与诊断技术及仪器的发展 1 】 4 】【9 1 1 1 2 1 1 1 3 随着计算机和电子技术的飞跃发展，工业生产实现了现代化，工业机械设备 也向大型化、连续化、高速化、自动化方向发展，使它本身的规模也越来越大， 性能也越来越高，功能也越来越多，结构也越来越复杂，其结果是一旦发生事故， 不仅会造成经济上的巨大损失，而且还会导致其他一些重要的问题。因此，广泛 地开展设备状态监测和故障诊断工作，选择合理的设备维修体制，有利于促进设 备的安全运行周期，保证产品的质量，稳定生产，节省设备的运行费用以及增加 社会经济效益。 设备诊断技术是建立在基本理论、物理机制、数学方法、技术手段和组织管 理等方面的一个新技术，主要就是为了对设备实现预测维修，通过监测获得设备 的运行状态，根据获得的状态判断设备运行是否正常，如果不正常，经过分析与 判断指出故障部位、原因，便于管理人员维修；或者在故障未发生之前，提出可 能发生故障的预报，便于管理人员尽早采取措施，避免发生故障。 d 重庆大学硕士学位论文 l 绪论 设备维修体制的发展可以分为三个阶段： 事后维修；即设备坏了以后才维修。这种维修方式的缺点是；如果要产生 废品则废品已经产生；如果要引发事故，则事故已成为现实；坏了之后才考虑维 修所需的各种器件，势必延长停机时间，增加生产损失；坏了才修，机器可能受 到过度损伤，也会增加维修费用。所以这种维修方式被称为不足维修。 定期维修：我国的定期维修体制是5 0 年代中期从苏联大量引进设备和技术 的同时引进的维修方式。以时间为依据，实现定期小修、中修、大修，在很大程 度上防止了事故的发生。但在实践中常常出现两种情况，其一是维修时间尚未到 达，设备已经出现了故障，这实质上和事后维修没有区别，也称为维修不足。其 二是维修时间虽己到达，但设备还完好无损，于是也只好依据维修制度进行维修。 这样一来，不该停机停下来了，不该拆换的拆换了，甚至在维修中造成人为的新 的故障。显然这种情况下的维修是多余的，称为过剩维修。维修不足和过剩维修 都会造成很大的经济损失，严重影响生产安全。为了避免这两种情况，出现了预 测维修。 预测维修：随着电子技术和计算机的发展，设备变的更加复杂，对设备安 全可靠运行的要求也变得更高。利用仪表或计算机，连续或定期监测设备状态， 诊断设备故障，判定故障类型、部位、严重程度、变化趋势，使维修人员能在维 修之前作好有关准备，做到该修才修，如果要修，也是有针对性的维修。预测维 修体制是保障设备经济安全运行的最佳维修体制。 设备诊断技术主要就是为了满足预测维修的需要，通过各种监测手段，判别 其工作是否正常：如果不正常，经过分析与判断，指出故障部位，故障原因，便 于管理人员维修；或者在故障未发生之前，指出可能发生故障的预报，便于管理 人员尽早采取措施，避免发生故障。设备的状态监测与故障诊断经历了| ；三 下几个 阶段。 在经历了依靠人的感官及经验判断设备振动状态及故障之后，使用广泛的是 简易诊断仪器仪表。它是对某一振动信号进行检测，计算出某一特征参数。当特 征参数小于允许值时便认为正常，否则为异常。常常用超过允许值的大小来表示 机器故障的严重程度。常用的简易测振仪表可分为三大类：位移型涡流式轴振动 仪、速度型传感器振动仪、加速度型传感器振动仪。这类仪器如数字式测振仪b z 一8 7 0 l 、b z 一9 1 0 2 ，测振仪g z _ 一4 b ，振动分析仪z d 卜1 等。 数采器是8 0 年代中期发展起来的，近年来己发展成为便携式的集采集、放大、 存储等基本功能为一体的智能化仪器。它可以配接检测振动、相位、温度等多种 传感器。该数据采集器除具有上述专用信号分析仪功能外，还具有存储功能及与 计算机进行通信的功能，这样可实现对历史数据的回放分析及将数据传输到计算 重庆大学硕士学位论文1 绪论 机进行进一步分析。但它不具有实时监测功能，分析功能往往简单并不其有扩展 性，要进一步分析还需配备一套计算机系统。数采器有如下产品i r d 系列( 美国) ， s d 2 3 1 ( 美国) ，c f 一1 2 0 0 ( 日本) ，s 卜2 0 0 ( 中国) 等。 随着计算机技术和诊断方法的发展，以计算机为中心的监测诊断系统将在机 械设备状态监测与故障诊断中占有越来越重要的地位。计算机状态监测与诊断系 统最终要达到较高的智能，最大限度地代替人来进行设备的状态监测与故障诊断。 1 3 本课题内容、目的与意义 近年来，随着企业的发展，对大型旋转机械设备运行状态的监控也就提出了 更高的要求，它们的安全、稳定运行对整个企业是至关重要的。但这类设备故障 种类多，且许多故障非常隐蔽，这些故障一旦发生，就会造成灾难性事故。根据 使用经验，这些大型旋转机械的主要故障有： 转子运转偏心或叶片变形、掉片等，产生动态不平衡；滑动轴承油膜振荡； 转子叶片碰磨：转子轴向窜动；主轴弯曲：联接部件或支撑件失效等故障，在极 短的时间内将发生恶性事故。 轴不对中、管道或基础结构共振、机座松动或变形等引起机组机械性能下 降，产生非正常振动，影响设备的安全运行。 升降速过程的共振现象不属于故障，但共振时机组振动大，极易造成机组 的非正常工作，发生严重事故。所以，要严密监测整个升、降速过程。 这些故障的存在，严重影响机组运行的经济性和安全性，也严重影响企业的 正常生产。 混合式振动监测系统利用传感检测、信号处理、模式识别、预报决策及计算 机、电路等技术，监测旋转机械在运行过程中的振动参数及其动态变化，在运行 过程中，作出是否有故障、故障种类、故障部位、故障严重程度、故障发展变化 趋势等诊断结果，判断机组设备性能劣化趋势，并制定出相应对策和处理结果。 使运行、维护、管理人员能在维修之前做好有关准备，如果不用修，就可以放心 大胆的运行。如果要修，也是有针对性的修，那里坏了修那里。并可根据监测诊 断结果，进行技术改造，避免类似事故再次发生。 通过本项目的实施，使大型旋转机械监测诊断水平达到国内领先水平，实施 本项目的意义在于： 避免机组发生重大事故或生产废品而造成的巨大经济损失，保证设备在规 定的期间内无故障安全可靠运行。 利用简易诊断系统可以及时判别设备是否有故障，精密诊断系统能够迅速 查明故障原因、部位、预测故障影响。从而实现有针对性的按状态维修，而不是 重庆大学硕士学位论文1 绪论 大折大卸，延长检修周期，缩短检修时间，提高检修质量，减少备件储备，提高 设备的维修管理水平。 方便地向运行人员提供及时的信息，有效地支援运行，提高设备使用的合 理性、运行的安全性和经济性，充分挖掘设备潜力，延长服役期限，以便尽量合 理地使用设备。 向维修管理人员及时提供设备运行情况，及时准备备品备件，及时处理有 关故障，真正实现预知维修，以最少的代价发挥设备最佳的效益，做到最佳运行， 使设备维修费用、设备性能劣化与停机损失费用最低。根据监测诊断结果确定维 修时间、维修部位和维修方法，并根据诊断结果进行技术改造，可以降低设备检 修停机时间，减少计划检修时间和非计划检修时间。提高开工率，增加产品产量， 减少同类事故发生的次数。 本课题的主要研究和工作内容包括： 在深入研究机械振动、故障诊断和信号分析相关知识的基础上，确定混合 式振动监测诊断系统总体设计方案，包括整套系统的体系、结构、功能和实现途 径。 根据总体设计方案，在最优性能价格比的前提下进行设备选型，确定位移 传感器、速度传感器、数据前置处理器、a d 卡、便携式计算机等硬件设备的型号、 规格。 开发一套数字式位移测量仪，其主要功能实现数显动、静态位移值：报警 功能；自动、手动调零；间隙电压的显示；传感器原始输出信号以及经过位移测 量仪处理后信号的输出等，用于在线实肘监测。 根据总体设计方案，结合硬件设备，确定用户软件的操作系统、编程语言、 基本算法等，在此基础上开发一套便携式系统。 通过该系统的开发研制，大大改善了对大型旋转机械的监测和维护能力，同 时保障了整个机组在运行过程中的可靠性，最大限度地避免重大事故的发生，避 免由于这些重大事故造成的直接或问接经济损失，及时处理有关故障，便设备维 修费用、设备性能劣化与停机损失费用降为最低，实现了对重要设备进行现代化 管理，为企业现代经营管理模式的升级奠定了坚实的基础。 重庆大学硕士学位论文2 混合式振动监损j 诊断系统理论基础与设计思想 2 混合式振动监测诊断系统理论基础与设计思想 旋转机械中可用于监测与诊断的信息很多，包括振动、温度、压力和变形等， 在众多信息中振动信号能够更迅速、更直接的反映机械设备的运行状态，据统计， 7 0 以上的故障都是以振动形式表现出来。 2 1 振动种类及其性质 2 1 1 机械振动及其种类隅】【1 4 l 1 5 1 【1 6 1 【1 7 】 机械振动是指表示机械设备在运动状态下，机器上某观测点的位移量围绕其 均值或相对基准随时间不断变化的过程。 旋转机械振动情况可分为两大类，如图2 1 所示。即稳态振动和随机振动。 稳态振动是指在某一时间后，其振动波形的均值不变，方差在一定的范围内波动； 而随机振动是指信号的均值和方差都是时间函数。 图2 1 机械振动的种类和特征 f i g u r e2 1c a t e g o r ya n d c h a r a c t e r i s t i co f m e c h a n i c a lv i b r a t i o n 8 重庆大学硕士学位论文 2 混合式振动监测诊断系统理论基础与设计思想 2 1 2 简谐振动及其特性 8 】 简谐振动是最基本的周期运动，各种不同的周期运动都可以用无穷个不同频 率的筒谐运动的组合来表示。 简谐振动的运动规律可用简谐函数表示，即质点的运动规律为： y = a s 喊等+ 伊) = 4 s i n ( 2 ，毋+ 伊) = 4s i n ( 留f + 妒) ( 2 1 ) 式中y 一质点位移； f 一时间； 厂一振动频率： a 一位移的最大值，称为振幅； r 一振动周期，为振动频率的倒数o g _ o 一振动角频率： p 一初始相位移。 对应于该简谐振动的速度和加速度分别为： v ：a y ，。= c o a c o s ( 2 n f l + 妒) ( 2 2 ) 口= 掣= 刊2 a s i n ( 2 矽+ 伊) = 砌2 y( 2 3 ) a 2 1 3 周期振动及其性质 8 】 波形按周期丁重复相同的图像，也就是 y = y ( t + 拧刁，l q = 0 , 1 ，2 ，( 2 4 ) 成立时，称为周期振动，旋转机械按固定的转速运动，由于随机干扰，也伴随着 许多随机振动信息，所以，旋转机械的振动过程是一个以周期振动为主导的随机 过程。 根据函数的傅立叶级数展开定理，周期函数可以展开为傅立叶级数，即 y ( t ) = 鲁+ 杰( n 。c o s n o j t + ks i n ”c a t ) ( 2 - 5 ) 由式( 2 5 ) 可知，任何周期振动都可以看作是篙谐振动叠加而形成的。进一 步简化可写成： y ( t ) = a o + a 1s i n ( o g t + 妒1 ) + a 2s i n ( 2 c o t + 妒2 ) + - - + 爿。s i n ( h o o t + 妒。) + ( 2 6 ) 式中第一项a 。为均值或直流分量，第二项a 1 为基本振动或基波，第三项4 以下总 称为高次谐波振动，如果系统中有随机振动成分，式( 2 6 ) 中的某项的4 、 p ，都是随机变化的，由于旋转机械振动时具有上述特性，故可以用频谱分析的方 法进行研究。 重庆大学硕士学位论文 2 混合式振动监测诊断系统理论基础与设计思想 2 1 4 转子的临界转速8 】 旋转机械在启停升降速过程中，往往在菜个( 或某几个) 转速下出现振动急 剧增大的现象，有时甚至在工作转速下振动也比较强烈。其振动的原因往往是由 于转子系统处于临界转速附近产生共振。 2 2 转子系统主要故障及其诊断【1 】【5 】【9 】【1 3 【1 8 】【1 9 1 2 0 】 波形分析适合于主轴的振动位移信号，利用这种位移信号的时域波形分析， 可以发现一些典型的机械故障，如图2 2 所示。 缺陷时域波形 x y 轨迹 诊断 不对 o 典型的严重不对中 中 油膜 飞 与不平衡相似而且涡动频率较慢，小 于轴转速的0 5 倍 涡动 八 o 接触产生花状，它叠加在正常的轴心 摩擦 ， 轨迹上 不平 八v0 椭圆x _ y 显示 衡或 轴弯 图2 2 转轴故障诊断的时域分析法 f i g u r e2 2t u n ed o m a i na n a l y s i si ns h a 矗f a u l td i a g n o s i s 旋转机械的故障是多种多样的，为了能对旋转机械的故障有一定的认识，下 面分别介绍一下几种转子的主要故障及诊断的方法。 2 2 1 不平衡振动 由于设计、制造、安装中转子材质不均匀、结构不对称、加工和装配的误差 等原因和由于机械运行中结垢、热弯曲、零部件脱落、电磁干扰力等原因而产生 质量偏心。转子旋转时，质量不平衡将激起转子的振动，这是旋转机械最常见的 故障。 转子不平衡是旋转机械主要的激振源，也是许多自激振动的触发因素。不平 衡会引起转子的挠曲和内应力，使机器产生振动和噪声，加速轴承、轴封等零件 的磨损，降低机器的工作效率，引发各种事故。此外，振动还会通过轴承、机座 等传到基础和建筑物，恶化附近的工作环境。 重庆大学硕士学位论文2 混合式振动监测诊断系统理论基础与设计思想 转子的质量不平衡所产生的离心力始终作用在转子上，它相对于转子是静止 的，其振动频率就是转子转速频率，也称为工作频率，在频谱分析时，首先要找 到的就是工作频率成分。不平衡的主要特征有： 对于刚性转子，不平衡产生的离心力与转速的平方成正比，而在轴承座测 得的振动随转速整加而加大，但不一定与转速的平方成正比，这是由于轴承与转 子之间的非线性所致。 在临界转速附近，振幅会出现一个峰值。 振动频率积转速频率一致，转速频率的高次谐波幅值很低。 由于转子残余不平衡的积累、材质不良、安装不当等原因，即使机组在制造 过程中已对各个转子作了动平衡，但是装配起来的转子系统还是存在固有不平衡。 为消除质量不平衡产生的振动，应在平衡机或现场作动平衡，加以校正。 诊断不平衡的方法有很多，其中最简便而有效的方法是进行频谱分析，故障 主要由一倍频反映出来。 2 2 2 转子弯曲 转子弯曲包括转子弓形弯曲和临时性弯曲两种故障。弓形弯曲是指转子轴呈 弓形，它是由于转轴结构不合理、制造误差大、材质不均匀、转子长期存放不当 等，发生永久弯曲变形或是由于热态停机时未及时盘车、热稳定性差、长期运行 后转轴自然弯曲加大等原因造成。转子临时性弯曲是指转子的转轴有较大预负荷、 开机运行时暖机不足、升速过快、加载太大、转轴热变形不均匀等原因造成。但 这两种故障的机理是相同的。旋转轴弯曲时，由于弯曲所产生的力和转子不平衡 所产生的力相位不同，两者之间相互作用有所抵消，转轴的振幅将在某个速度下 减小。当弯曲的作用小于不平衡时，振幅的减小发生在临界转速以下：当弯曲的 作用大于不平衡时，振幅的减小就发生在临界转速以上。 转子弓形弯曲和转子临时性弯曲的故障诊断，与转子不平衡的诊断方法基本 相同。其不同之处是，具有转子弓形弯曲故障的机器，开机启动时振动就较大； 而转子临时性弯曲的机器，是随着开机升速过程振幅增大到某一值后振幅有所减 ，j 、。 2 2 3 转子不对中 旋转机械一般是多根转子所组成的多转子系统，转子间一般采用刚性或半挠 性联轴节联接。由于制造、安装及运行中支承轴架不均匀膨胀、管道力作用、机 壳膨胀、地基不均匀下沉等多种原因影响，造成转子不对中故障，从而引起机组 的振动。 转子系统机械故障的6 傩是由不对中引起的。具有不对中故障的转子系统在其 运转过程中将产生系列有害于设备的动态效应，如引起机器联轴器偏转、轴承 重庆大学硕士学位论文 2 混合式振动监测诊断系统理论基础与设计思想 早期损坏，油膜失稳和轴的挠曲变形等，导致机器发生异常振动，危害极大。 转子不对中的轴系，不仅改变了转子轴颈与轴承的相互位置和轴承的工作状 态，同时也降低了轴系的固有频率。轴系由于转子不对中，使转子受力及支承所 受的附加力是转子发生异常振动和轴承早期损坏的重要原因。 联轴器的结构种类较多，大型高速旋转机械常用齿式联轴器联接，齿式联轴 器联接不对中的振动机理是，齿式联轴器是最具代表性的允许综合位移的联轴器， 为一般大型旋转设备所采用。它由两个具有外齿环的半联轴器和具有内齿环的中 间齿套组成，半联轴器分别与主动轴和从动轴联接。其不对中形式有三种，即轴 线平行位移不对中、轴线角度位移不对中、和轴线综合位移不对中。 当机组轴系各转子之间的联接对中超差时，齿式联轴器内外齿面的接触情况 都发生了变化。齿式联轴器联接的不对中的转子系统，其主要振动特征为： 由不对中故障产生的对转子的激励力幅，随转速的升高而加大，因此，高 速旋转机械应更加注重转子的对中要求。 激励力幅与不对中量成正比，随不对中量的增加，激励力幅呈线性加大。 轴系转子在不对中情况下，中间齿套的轴心线相对于联轴器的轴心线产生 相对运动，在平行位移不对中时的回转轮廓为一圆柱体，角位移不对中时为一双 锥体，综合位移不对中时是介于二者之间的形状。回转体的回转范围由不对中量 决定。 轴系具有过大的不对中量对，即使转子能够联接上，也会导致联轴器不符 合其运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，使转子发 生异常振动和轴承早期损坏，这对转子系统具有更大的破坏性。 2 2 4 动静摩擦及其诊断 当转予动静接触时，会产生动静摩擦。局部摩擦往往发生在全摩擦之前，这 种摩擦会引起转子不规则的振动。随着振动加剧，摩擦性质发生变化。由局部摩 擦向全摩擦过渡，在多数情况下，当机组产生全摩擦后，机组会发生严重损坏。 摩擦故障的诊断方法是观测轴心轨迹的形状，在局部摩擦阶段，转子运动性质是 在“碰撞和弹回”之间来回变化。各种不同性质的碰撞和弹回摩擦轨迹如图2 4 所 示。 oo00 a 】正常轨迹 b ) 轻的碰撞轨迹c ) 重的碰撞轨迹d ) 中度碰撞轨迹 图2 3 摩擦轨迹图 f i g u r e2 3f r i c t i o nl y o c h o i d 1 2 重庆大学硕士学位论文 2 混合式振动监测诊断系统理论基础与设计思想 2 2 5 油膜振荡 轴在轴颈中作偏心旋转时，形成一个进口断面大于出口断面的油楔，如果进 口处的油液流速不能马上下降，则轴颈从油楔中间隙大的地方带入的油量大于从 间隙小的地方带出的油量。由于液体的不可压缩性，多余的油就推动轴颈前进， 形成与轴旋转方向相同的涡动运动，涡动速度即为油楔本身的前进速度。 油膜振荡的主要特征如下： 油膜涡动只有当角频率高于第一阶临界频率时才可能发生。 油膜共振时，轴颈中心的涡动频率为转子一阶固有频率。 油膜振荡具有惯性效应，升速时产生油膜振荡的转速和降速时油膜振荡消 失时的转速不同。 油膜振荡时轴心涡动的方向和转子旋转方向相同。 2 3 信号时域分析和频域分析2 1 2 2 2 3 】( 2 4 】【2 5 】【2 6 】 2 3 1 信号时域分析 常用的工程信号都是时域波形的形式。时域波形有直观、易于理解等特点， 由于是最原始的信号，所以包含的信息量大。缺点是不容易看出所包含信息与故 障的联系。波形分析是通过观测信号的时间历程对信号的周期性和随机性给出基 本的评价，对分析不稳定状态和瞬态故障冲击非常有效。然而，当机器在恶劣的 情况下运行时，振动信号常常受到强大的随机因素的干扰，特别是在缺陷的初发 期冲击特征很微弱，常被干扰噪声所淹没，影响了对缺陷的识别，这时如果结合 数字滤波技术，通过选择适当的频带，滤除其它的频率成分，则缺陷的微小冲击 特征就会在时域波形中明显地暴露出来。时域分析中最重要的就是提取信号的时 域统计特征值。常用时域统计特征值，包括最大值、最小值、峰值、蜂峰值、有 效值、均值、均方值、方差等。 带因次的振幅分析参数不但与机电设备的状态有关，而且与机器的运行参数 ( 如转速、载荷) 有关，所以在设备故障诊断进行时必须保证运行参数基本一致。 无因次振幅参数只与设备的状态有关，而与机器的运行状态无关，对幅值和频率 的变化不敏感，所以是一种较好的诊断参数。 2 3 2 频域分析 工程上所得的信号一般为时域信号，然而由于故障的发生、发展往往引起信 号频率结构的变化，为了通过所测信号了解、观测对象的动态行为，往往需要频 域信息。将时域信号变换到频域加以分析的方法称为频谱分析。频谱分析的目的 是把复杂的时间历程波形，经傅立叶变换分解为若干单一的谐波分量来研究，以 获得信号的频率结构以及各谐波的幅值和相位信息。频域分析是机械故障诊断中 重庆大学硕士学位论文 2 混合式振动监测诊断系统理论基础与设计思想 用得最广泛的信号处理方法之一。 频谱分析的数学基础是傅立时变换，傅立叶变换对如下： l z p ) = f = x ( f ) e 。斫矽 一 ( 2 。7 ) ( 厂) = f ：x ( t ) e 。2 乖d t 在频域分析中，当不是整周期采样时，f f t 分析结果会出现能量泄漏，减少泄 漏的方法是加窗处理。由于能量泄漏使得频谱幅值、频率和相位都存在着较大的 误差，为了提高分析精度，需要对f f v r 的结果进行修正。 在频域分析中常用的有三种谱分析方法：自功率谱( 自谱) 、幅值谱、对数谱。 谱分析能够分析信号的能量( 或功率) 的频率分布，功率谱突出信号频谱图的主 要成分，幅值谱是幅值的线性分布，对数谱将次要的频率成分显示出来，所以在 设备故障诊断中查找振源、分析寻找事故原因、部位、类型等方面有极为广泛的 应用。 2 4 混合式振动监测诊断系统的设计思想呲2 7 】 2 8 1 1 2 9 】【3 0 】 振动监测分析方法，是通过振动传感器，把机械系统的振动转变为电信号。 该信号含有系统工作状态的信息，利用信号检测技术对信号进行时域或频域分析， 以判断出系统的故障部位及其严重程度。 图2 4 简易诊断与精密诊断的关系 f i g u r e2 4r e l a t i o n s h i po f s i m p l ed i a g n o s i sa n de x a c td i a g n o s i s 设备状态监测与故障诊断系统按照智能水平可分为：简易诊断系统、精密诊 断系统和神经网络智能诊断系统。简易诊断系统通常是采用直接或简单的特征参 数，如信号的峰值、均方根值等进行门限值检验，当特征参数在允许值范围以内 时，便认为是正常，否则为异常。往往以超过允许值的大小来表示故障的严重程 度，当达到某一设定值时就停机检修。是设备运行状态的初级诊断，能够对设备 1 4 重庆大学硕士学位论文2 混合式振动监测诊断系统理论基础与设计思想 的状态迅速作出概括的评价。一般来说，简易诊断投资小，对人员素质要求不高， 简单易学，故应用很广，主要作为一种常规性的检查措旋。 精密诊断是在简易诊断基础上所进行的更深层次的诊断，目的是对设备故障 的原因、部位以及严重程度进行深入分析，作出判断，从而为进一步的治理决策 提供依据。精密诊断需要专用的精密分析仪器，价格昂贵，同时对使用者的素质 要求较高，往往应用于大型、关键设备上。图2 4 所示为简易诊断与精密诊断的相 互关系。 神经网络智能诊断系统目前主要处于研究阶段和实验室阶段，距离实用水平 还有一定距离。但是其发展前景是十分可观的。 普通离线系统数据采集设计方案是：采样时在测点安装传感器进行采集，采 集结束后，撤除测点处的传感器，普通在线系统数据采集系统设计方案是：不论 是否采样，所有的传感器全部固定安装，除了设备维修和更换传感器外，传感器 一直在测点处进行工作。 大型旋转机械在运行过程中发生故障并不是突发性，常在故障发生前，伴随 振动加大，噪声变大等征兆，如风机运行过程中发生概率最大的故障是转子不平 衡，造成不平衡的因素很多，如叶片结垢不均匀等。这些原因都不是瞬间形成， 而且不平衡的征兆是振动变大。 针对上述情况，本文提出了一种混合式振动监测的方法。所谓混合式监测诊 断系统是指采用传感