（机械制造及其自动化专业论文）大型旋转机械振动监测系统的研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 人型旋转机械振动监测是近年来国内外发展较快的一门新兴技术。大型旋转 机械振动监测与分析系统的研究与应用对于避免巨额的经济损失和灾难性事故 的发0 二有着重要意义。本文结合国家自然科学基金项目( 编号：5 0 2 0 5 0 2 5 ) 和浙 ；f ：省自然科学基金项目( 编号：5 0 0 1 0 0 4 ) 以及福建炼化集团和衢州巨化硫酸厂 具体i 负目而展开，以旋转机械振动为研究对象，开发了振动信号监测与分析系统， 刷f j i 发的峪测系统对常见的典型故障进行了分析。该振动信号监测系统具有实 州r f ：n r 、准确性高等特点，全文主要内容如下： 第章t 要嘲述了大型旋转机械状态监测和诊断技术研究的意义，分析了国 内外振动监测技术研究与发展趋势，提出了论文的研究内容。 第二章针对振动监测与分析系统的具体需求，设计了大型旋转机械振动监测 系统的总体方案。该系统采用上下位机协同工作方式，下位机负责振动信号的采 集，上位机负责振动信号的分析。本章还介绍了系统的信号预处理、键相采集控 带1 、f f i - 号采集、数据通信与存储、振动信号分析等主要功能。 第一带分析r 振动信号预处理的主要功能，重点介绍了滤波、放大和隔直等 j j j 能，设i f 了电涡流传感器振动信号的预处理电路。 第四章给出了键相信号的获取方泫，设计了键相信号处理电路，分析了键相 信 处理电路的频率和相位误差。 第i 章对振动信号采集系统进行设计。主要分析了模拟信号数字化处理的实 脱，接f 】 乜路的设计以及软件的实现。该系统把振动信号预处理电路、a d 转换 乜j l ! 等集成存一块电路板上，形成一个功能完整的模块，提高系统的稳定性和可 靠性，计且减少了电路板的数量，使系统的安装和接线变得简单。测试了系统的 幅频特性，剐桐频特性，测试结果表明：在一定的转速范围内，误差非常小。该系 统已经萼矢得国家专利，实用专利号为z l 0 2 1 4 5 4 4 0 6 8 。 第六章为了考核振动信号采集系统的性能，并获取典型故障的振动特征，用 模拟振动实验台对几种常见的典型故障如质量不平衡、油膜涡动、转子横向裂纹 等进行r 槌拟实验研究，分析了实验结果，为进一步的故障分析提供依据。 第七章对全义进行总结，并对今后的工作提出了展望。 关键t d ：旋转机械振动信号采集故障分析 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ec o l l e c t i n go fd y t a a m i cs i g n a lo ft h er o t a t i n gm a c h i n ef a u l t si san e w s u b j e c tb e i n gd e v e l o p m e n ti nr e s e n ty e a li th a dg r e a tm e a n i n gf o ru st or e s e a r c h t h es y s t e mo ft h ec o l l e c t i n go fd y n a m i cs i g n a lo ft h er o t a t i n gf a u l t sb e c a u s ei tc a n a 、o i dt h eg r e a tl o s so fe c o n o m i c t h i sa r t i c l ei sb a s e do nt h ep r o j e c t so ff u j i a n p e t r o c h e m i c a lc o a n dq u h u ac o l t d ，a n dh a dd e v e l o p e dt h ec o l l e c t i n gs y s t e mt o c o l l e c tt h ev i b r a t i o ns i g n a l so fr o t a r i e s i th a st h ec h a r a c t e r i s t i co fr e a l t h r t ea n d a c c u r a t e t h es y s t e mh a do w n e dt h ep a t e n ta n dt h ep a t e n tn oi sz l0 214 5 4 4 0 6 8 c h a p t e r1 s u m m a r i z e st h ei m p o r t a n tr o l eo ff a u l td i a g n o s i st e c h n o l o g yf o r l a r g er o t a t i n gm a c h i n e r yi nm o d e mm a n u f a c t u r i n g ，d e t a i l st h er e s e a r c hs t a t u sa n d d e v e l o p m e n tt r e n do f t h i sm a i n l yt e c h n i q u eo ff a u l td i a g n o s i sa n di t ss y s t e m c h a p t e r2a n a l y z e dt h es y s t e mo fd y n a m i cs i g n a lo ft h er o t a t i n gm a c h i n e ， i n c l u d e dt h es e l e c t i n go fs e n s o r , m o n i t o r i n gc o n t e n t ，t h ew a yo fs i g n a la n a l y s i s a n dt h eh m l d w a r eo fd y n a m i c s i g n a lc o l l e c t i n g c h a p t e r3d e s i g n e dt h ep r e t r e a t m e n tc i r c u i t ，a n a l y s i st h ef i l t r a t i o n ，e n l a r g e a n ds e g r e g a t i o n a d j u s tt h ea y n a m i cs i g n a lt ot h en e e do fa n a l y s i s c h a p t e r4a n a l y z e d t h ed e s i g n a t i o no fk e y p h a s e c a r d ，i n t r o d u c e dt h e m e t h o d so fm e a s u r i n gt h ep h a s e c h a p t e r5d e s i g n e dt h ev i b r a t i o nf a u l td i a g n o s i ss y s t e m t h ep r o c e s so ft h e l _ e s e a r c h ，t h ed e s i g n ，d e v e l o pi se x p r e s s e dd e t a i li nt h i sc h a p t e l c h a p t e r6s t u d i e dt h et e c h n o l o g yo fe x t r a c t i n gf e a t u r e sf r o mv i b r a t i o ns i g n a l s n fl a r g er o t a t i o nm a c h i n ea n dg i v e nt h ea c t u a la n a l y s i si nf a u l ts i g n a l i nt h el a s tc h a p t e r , a l lo ft h ew o r k si nt h i sd i s s e r t a t i o na r es u m m e du p t h e f u t me1 e s e a r c ho fm o n i t o r i n ga n df a u l td i a g n o s i si sp r o s p e c t e d k e 3 w o r d ：r o t a t i n gm a c h i n e ，v i b r a t i o ns i g n a l sc o l l e c t i n g ，f a u l t sa n a l y s i s 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 大型旋转机械振动监测与诊断研究的重要性 人型旋转机械是指汽轮机、压缩机、水轮机、发电机等机械设备，是电 力、行油化工、冶金、机械、航空以及一些军事工业部门的关键设备。大型 旋转机械振动监测技术是一门了解和掌握这些设备在使用过程中的状态，确 定其整体或局部是否正常，早期发现故障及其原因，并预报故障发展趋势的 妓术“】。2 0 世纪以来，随着t 业生产和科学技术的发展，机械设备的可靠性、 | 叮膈忭、可维修性和安全性的问题日益突出，促使了人们对机械设备振动监 测技术的研究。一方面，随着现代设备日益大型化、复杂化、自动化和连续 化，设备一旦发生故障，给生产和人们的生命财产造成的严重影响。设备一 世发q 二战障，轻则停机，造成重大的经济损失，重则造成设备毁坏和人生伤 i 、：，引起严重的社会后果。同时，设备维修费用在企业经营费用中占了很大 7 门比e i = 利用状念监测系统有利于提高了设备运行的可靠性，延长了设备的 z r 命，也使得设备的维修工作更加高效而科学；另一方面，信息传感技术、 f i 号处理技术以及现代测试技术等相关学科的发展，特别是计算机技术及网 络技术的飞速发展，为设备振动监测提供了强大的技术支持，从而使上述需 要成为可能。存这种情况下，受医疗诊断学中一些基本逻辑思想的启发，就 形成了一门新的学科设备振动监测【3 5 j 。 人型旋转机械振动监测与分析的研究与应用对于避免巨额的经济损失和 火难肚事故的发生有着重要意义。在国内，1 9 8 5 年1 2 月2 9 同，我国陕西某 i 也的台2 0 万千瓦发电机在4 0 秒内全部毁坏，直接损失达到1 0 0 0 万元以 i 。：19 8 6 年我国的山西和陕西先后发生两起2 0 万千瓦电站机组由于运行失 a 导毁机组剧烈振动，轴系断裂，零件飞出毁坏厂房的恶性电站事故【4 j ；1 9 8 8 i i ：条岭电厂5 号机组主轴断裂，损失达亿元以上：1 9 9 8 年我国某钢厂一台大 山率高炉鼓风机数级叶片折断，导致了该高炉停产，直接经济损失数千万元 妒。在幽外，类似的事故从1 9 7 0 年以来仅正式的报道就有5 0 多起垆”。1 9 7 2 午h 本荚曲电力公司k a i n a n 电厂一台6 0 0 m w 汽轮发电机组，断裂为1 8 段 0 严重事故，直接经济损失达到9 千万马克；1 9 7 1 年美国3 0 0 m w 发电机因 “二动而引起断轴毁机事件 1 9 7 3 年前西德6 0 0 m w 发电机组联轴器变型事件。 这些设备造成的故障都给生产和人们的生活造成了重大的损失。一台2 0 0 m w 的汽轮机发电机为例，每停机一天，则少发电4 8 0 万千瓦时，经济损失高达 数白j 兀。一台3 0 万吨的合成氨压缩机，停机- - 4 , 时直接损失高达数十万元。 刈u 力、石汕化工、冶会、机械、航空等行业是连续性强、系统复杂、白 z 力化秤度高的大型化生产，机器振动监测技术显得尤为重要。 7 0 年代后世界各国逐渐研究和发展振动监测技术，并将它应用于工程实 潺江大学蘸学袋论文 践，城得了良好的经济效益和社会效益。同本对工业设备总的统计表明，在 采川了振动监测技术后可降低维修费用2 5 2 6 ，减少事故发生率7 5 ； 涎圜对2 0 0 0 令工厂澜套表鹗，采蘧设备振动羧溅蔹本每年节省维穆费鬻3 钇 炎镑，丽崩于诊断技术手段韵费用仅为o 5 亿英镑1 4 1 。所以旋转机械振动监测 n 研究与应用埘于避免巨额的经济损失有着霞要意义。 表1 1 为伯尔尼能源公司在求电站中型水轮机上应用艇测系统防止轴承 按翻珀效基分辑吲，通适效蕊分捱麓充分爱获鑫这一点。 表1 - 1 监测系统效益分析 【| r j 名称说明费用( 瑞士法郎) | - ；_ h 承损失费用材辩费 1 2 0 0 0 0 r 维掺时闻1 4 天 1 维修费h j工资1 2 0 0 0 l 牛产损火能源( 水利损失)3 0 0 0 0 0 l 惑诗4 3 2 ，0 0 0 jj 适用振动监涮和分析技术投资 2 6 。0 0 0 l 效益比一如果损坏损失的费用安全措施的赞用= 4 3 2 0 0 0 2 6 0 0 0 = 1 6 6 攘患传感投术、信号处理技术以及现代测试技术等稳关学科豹发麓，特 圳楚算机技术及网络技术的飞速发展，为设备振动监测提供了强大的技术 支持，从而使犬型旋转机械在线振动监测与分析成为可能。美国从可靠性工 g t 锈究入手，痰爝壤搴绞讨豹方法定量鉴测壤器零郝馋懿可嚣性蟊教簿搴， 确定融器的缔修方式。这种方式在提高设备遮行的可靠撼，减少不必簧的过 剩维修，降低维修成本，具有融好的效果。猩此基础上，一些发达国家将新 昀振动峻删技术应用予设备的管理和维修，根据设备的振动监测与分柝预知， i | l 定堂 | = 黪r 露熬内褰稻霹阉，裁定缝嫠方寨。振动整溺鼓零在生产中豹应弱， 精改变维修方式，通过了解和掌握了设备运行的状态，减少突发性的事故停 机和过剩维修，降低维修费用，提高设备的可用率方面将取得明显的经济效 蒜。 因艺磅究、发溪劳应熏竞送豹扳动整溪与分毒厅蔹术，傈证这些关键设备 霞令| ，u 商效地运行，避免巨额的经济损失和灾难性事故的发生，将为圜氏经 济创造巨大财富，这是当前科技和工业发展的重要研究问题之一。 1 2 国内外振动监测技术研究与发展趋势 夫型旋转机械振动监测技术是近年来国内外发展较快的一门新兴学科， 邑夺 义葫：理论上宙了缀大数突壤，瑟量不叛转纯必鼓术投入熨实嚣豹王 嚣疲 d 巾。振动监测技术主要是建交在对故障机瑗研究韵基础k 的，在技术发展 浙江大学硕士学位论文 - i 它人致经历了两个主要的阶段：第一阶段是以计算机技术、传感器技术和 z 力念测试技术为基础，主要集中在故障机理和诊断方法的研究等，它是以信 号处理技术为手段的常规振动监测技术发展阶段；第二个阶段是随着信息高 速公路的发展和人工智能技术的应用的基础上发展起来网络化、智能化振动 监测i 珍断阶段p 3 i 。 存第一阶段，人型旋转机械振动监测技术在国外的研究是在对故障机理 分析的基础i ：的。对于大型旋转机械而言，这一阶段的研究工作始于六十年 代术期。代表性的工作是1 9 6 8 年美国的j o h ns o h r e 在他多年工厂实践的基础 【：，对高速涡轮机械故障的起因及其预防措施进行了系统的研究，并将典型 的放障划分为九类二十七种，这一成果至今仍广为应用【加】。r 本的白万博自 | 匕十年代以来发表了大量的故障诊断文章，积累了丰富的现场故障处理经 验，并进行了理论上的研列抖j 。b e n t l y 公司在转子动力学方面做了大量工作， 划旋转机械故障机理研究得比较透彻；日本三菱公司研制的m h m s 带有决策 树表示珍断规则描述，并且采用模糊逻辑分析确定置信因素的振动诊断专家 系统”】f 3 1 。这些工作为故障机理的深入研究奠定了基础。七十年代以后，故障 桃殚和珍断技术的研究发展非常迅速。人们使用机组或故障的数学模型进行 ，l 。娜龟渗吲8 l 8 6 1 1 8 7 1 1 8 8 1 f 8 9 1 f 9 0 1 。先对研究对象或机械故障建立有关的数学模型， 然j i 根士i c 数学模型进行故障诊断。这种方法可以用来预测信号和估计非测量 的状态变量、过程参数和其它的过程特性。根据故障机理研究的成果，人们 建立了各种旋转机械可能发生的故障的数学模型，如不平衡、不对中、碰磨、 油膜振荡等与振动有关的故障以及裂纹、磨蚀、泄漏、发热、烧损、松动、 变形等f 9 2 】。 在跨断方法上，对丁- 故障诊断主要采用振动分析诊断法、温度分析珍断 法、爪力分析诊断法、油液分析诊断法以及统计诊断方法、状态空间分析诊 断法、模糊诊断方法旧7 卸1 7 5 7 7 1 等。这些故障诊断方法的主要手段可归结为 模一u 别，它以提取足够识别故障的特征信息为基础。为了提取故障的特征 信息，朗：多先进的信号处理方法先后发展起来，其中在d f t 基础上发展起来 阿| 穴速付立叶变换( f f t ) 是故障诊断中特征提取的主要手段。f f t 已经成为信 息处理中最重要、最基本的技术，目前几乎所有的动态分析仪器都是以它作 为核心进行信号处理的。以f f t 为基础派生出来的分析方法均获得了极大的 发展，如周期图分析法、快速卷积与反卷积、相关分析、相干分析、自谱、 j i 谱、钏化谱、倒频谱、传递函数、谱趋势分析等。全息谱分析、提纯轴心 轨迹法、希尔伯特( h i l b e r t ) 变换、维格纳( w i n g n e r ) 分析、小波分析、时序分析 等方法也被引进故障诊断领域作为信息提取手段1 1 9 4 9 5 l 。基于f f t 分析的信 息提取力。法仍是故障诊断中应用最广泛和最为有效的手段。 任这几种珍断方法中，振动分析法是旋转机械故障诊断的主要方法，并 闩今后对振动分析的理论研究将会更加的深入。振动分析法有许多中，如 f o u r i e r 变换、现代谱分析例、高阶统计量7 9 1 、小波分析等，目前已经成功 浙江大学硕士学位论文 的应用存各个企业的故障诊断系统中，盲源分离等其他的信号分析理论与技 术也i f 逐渐应用于故障诊断系统中，大大提高了故障诊断系统的性能。 这一阶段，设备监测技术融合并吸收了大量的现代科技成果，各种先进 理i 仑、方法和技术在设备诊断领域中都找到了用武之地。如：振动诊断技术、 振声诊断技术、声发射诊断技术、光谱诊断技术、铁谱诊断技术【”1 、红外和 热成像珍断技术、核辐射诊断技术口“4 0 】等，都是这一阶段取得的成果。 人： 智能技术的应用，标志着现代设备诊断技术进入了第二个阶段 倒能i 参断阶段。智能诊断技术的应用，不但延长了人的感官，而且延长了人 的大脑的功能。诊断技术发展到这一阶段，其研究内容与实现方法已发生了 u 丌：在发生着重大的变化。原来以数值技术和信号处理为核心的诊断技术将 做知识处理和知识推理为核心的诊断技术代替，形成了基于知识的设备诊断 技术。对诊断技术的研究也不再是各种方法的“堆积”，而是从知识的角度出 发，系统地研究诊断技术i 。 随着旋转机械设备的闩益高速化、复杂化，对大型旋转机械在线状态监 测系统的可靠性要求也越来越高。随着传感技术、微电子技术、测试技术、 算机、网络、转子动力学等的发展，在线监测与故障分析系统不断趋于完 浮。仵故障诊断理论朝着纵深方向发展同时，工程实践应用朝着网络化、集 成化、智能化、丌放化、高度可靠性以及与设备、控制系统融合等方面发展。 将训算机网络技术与企业的设备监测与故障诊断工作结合起来，推进企业设 备管卵技术的进步，已经成为机械状态监测和故障诊断发展的一个方向【3 ”。 从八十年代初丌始，国外已经开始开发各种以数据处理为核心的状态监 删系统，并成功地应用于工业生产实际。例如：美国的w h e c ( w e s t i n g h o u s e e l e c t r i cc o r p o r a t i o n ) 早在8 0 年代初就致力于建立故障诊断规则库，后来逐渐 发展为故障诊断专家系统；i r d ( i n t e r n a t i o n a lr e s e a r c hd e v e l o p m e n t m e c h a n a l y s i s ) 公司的i q 2 0 0 0 系统包括了实时监测、状态分析、故障预报与 i 参晰、维修计划与方案的确定等一系列内容。b e n t l y n a v a d a 公司的气轮机监 测仪表系统t s i 、动态数据管理系统d d m 、瞬态数据管理系统t d m 、旋转 机械闩动渗断系统a d r e - - 3 ；a t l a n t a 公司的在线实时诊断系统m 6 0 0 0 ；英 中心发电部的1 u r b i n es u p e r v i s o r ye q u i p m e n t 和t e s te q u i p m e n tm o n i t o r i n g 系统；门本三菱公司的旋转机械健康监控系统m h m 5 9 】。 我幽对于旋转机械状态监测技术的理论和系统研究起步较晚。1 9 8 3 年初 。式把丌展珍断工作的要求纳入国营工业交通设备管理试行条例之中， 蚶确地指出：“要根据生产的需要，逐步采用现代故障诊断和状态璐测技术， 发展以状态监测为基础的预防维修体制” 7 1 】，并在“六五”、“七五”、“八五” j b l 衄哿设备状态监测与故障诊断确定为重大攻关课题，由国家投入巨资，组 纵利研人员进行研究。清华大学、西安交通大学、浙江大学、华中理工大学、 f 再安热【一所、哈尔滨电工仪表研究所、上海发电设备成套所、河北电力试验 究所等单位都相继研制了各种监测诊断系统，如哈尔滨工业大学的m m m d 4 浙江大学硕士学位论文 一2 系统、m m m d 一3 系统，西安交通大学的r b - - 2 0 系统等。并在我国机 触、电子、能源、化工、交通运输、航空航天、军事等各个领域得到了广泛 的应川。总体说来，我国机械设备故障诊断理论研究一直紧跟国际先进水平， 旧实阳j 应用存在较大差距。 目自h ，我国的有关工厂正在从对旋转机械的振动进行巡回检测、定期检 测及停机检修状况过渡到对机组进行长期连续监测，实现对机组的振动信号 进行实时在线状念j l 螽测和故障分析，进而逐步发展成网络化、智能化故障诊 断号家系统，取得了很大的经济效益。 1 3 论文的主要研究内容 剥大型旋转机械振动信号进行监测的主要目的是了解和掌握设备在运行 中的状态，评价、预测设备的可靠性，早期发现故障，并对其原因、部位、 危险稃度进行判断，预报故障的发生，并针对具体的情况作出决策。 状态监测是在设备运行中，对特定的特征信号进行检测、变换、记录、 分骶处理并显示，是对设备进行故障分析的基础。通过传感器把信息送入信 号处理系统中进行处理，以便得到能反映设备运行状态的特征参数，从而实 现z 、j 设备运行状态的监测和下一步诊断工作。 人多数传感器输出的信号属于模拟信号，而计算机能处理的只能是数字 信号，所以必须经过a d 转换，这些是信号采集系统的工作。 竹这些信息中，有些反映了设备故障部位的症状，对这些信号需要进行 侏留、分析和处理；有些是干扰的信号，需要排除，以免引起误差。为了获 得故障信息，需要对信号进行特征提取，通过与故障特征参数进行比较，以 沮别故障的类型，根据信号的性质和程度，然后给出预防措施。如图l 一1 给 了状态临洲与分析系统的流程图。 浙江大学硕士学位论文 幽l 一1 状态监测与分析系统的环节 l l 状态监洲 l i l 分析诊断 i i i 预防措施 l i 本文结合罾家自然科学基金项目( 编号：5 0 2 0 5 0 2 5 ) 和浙江省自然科学 基金项目( 编号：5 0 0 1 0 0 4 ) 以及横向项目巨化硫酸厂汽轮机组状态监测与故 障诊断系统的研究等具体项目而展开，以大型旋转机械为研究对象，开发了 振动信号豁测弓分析系统，该系统具有实时性好、准确性高等特点，且系统 | j 获得国家专利，实用专利号为z l0 2 1 4 5 4 4 0 6 8 。 对大型旋转机械振动信号进行监测的主要目的是了解和掌握设备在运行 r z 的状态，评价、预测设备的可靠性，发现早期故障，并对其原因、部位、 危险程度进行判断，预报故障的发生，并针对具体的情况作出决策。振动监 洲是在大型旋转机械运行过程中，对特定的振动进行检测、变换、记录、处 坪行显示的过程，它是对大型旋转机械进行故障分析的基础。 通过传感器把振动信息转变为电压或电流信息送入信号处理系统中进行 处理，以便得到能反映设备运行状态的特征参数，从而实现对设备运行状态 的监测和f 步珍断工作。 人多数传感器输出的信号属于模拟信号，而计算机能处理的只能是数字 信号，所以必须经过a d 转换，这些是信号采集系统的工作。但现场采集的 振动信号，必须经过必要的滤波、放大和隔直等预处理，将其调理到系统监 测和分析所需要的要求，才能提高信噪比、减少信号分析和处理的误差。 刷时对于信号采集系统，要实现整周期等相位跟踪转速采集，键相信号 6 浙江大学硕士学位论文 处理 m 备是关键的技术。本章将对键相信号处理电路进行设计，并对它的性 能、跌差进行分析。 ，j 外在设计振动信号采集卡的过程中，还需要考虑电路抗干扰措施。 本论文内容主要有： 笫。章主要阐述了大型旋转机械状态监测和诊断技术研究的意义，分析 r 内外振动监测技术研究与发展趋势，提出了论文的研究内容。 第一章针对振动监测与分析系统的具体需求，设计了大型旋转机械振动 峪测系统的总体方案。该系统采用上下位机协同工作方式，下位机负责振动 信号的采集，上位机负责振动信号的分析。本章还介绍了系统的信号预处理、 缝相采集控制、信号采集、数据通信与存储、振动信号分析等主要功能。 第- ! 章分析了振动信号预处理的主要功能，分析了滤波、放大和隔直等 i i 要功能，设讣电涡流传感器振动信号的预处理电路。 第u q 章给f n 了键相信号的获取方法，设计了键相信号处理电路，分析了 键相信弓处理电路的频率和相位误差。 第h 章对振动信号采集系统进行设计。主要分析了模拟信号数字化处理 的实现，接口电路的设计以及软件的实现。该系统把振动信号预处理电路、 a i ) 转换电路等集成在一块电路板上，形成一个功能完整的模块，提高系统 旧稳定性和可靠性，并且减少了电路板的数量，使系统的安装和接线变得简 r n 测试了系统的幅频特性和相频特性，测试结果表明：在一定的转速范围 i ，误差非常小。该系统已经获得国家专利，实用专利号为z l0 2 1 4 5 4 4 0 6 8 。 第八章为了考核振动信号采集系统的性能，并获取典型故障的振动特征， 川模拟振动实验台对几种常见的典型故障如质量不平衡、油膜涡动、转子横 向裂纹等进行了模拟实验研究，分析了实验结果，为进一步的故障分析提供 依据。 第七章对全文进行总结，并对今后的工作提出了展望。 ( 沦文结构图和章节的安排如图1 2 ) 浙江大学硕士学位论文 广一一一一一一 i i 绪论 l ll ( 第一章) t 系统设计 l + 埂什殴计软什设计 ii l键相，u 路| i 预处理电路l 振动采集昔 i l 集成 fl l 性能测试 c 靖、- 、删、百章) 1r l j i信号分析 l i( 第六章) f 结束语和展望 i l 一一一一! 堂! 一j 幽1 2 本论文结构图和章1 y 的安排 1 4 本章小节 本章论述了大型旋转机械状态监测和故障诊断在现代工业生产中的意 义，详细分析了状态监测理论与技术国内外发展概况和振动信号在线监测系 统的幽内外发展现状及发展趋势，阐明了对大型旋转机械进行状态监测和故 障分析系统进行研究的重要性和必要性，并简单介绍了本论文所要研究的内 容。 浙江大学硕士学位论文 第二章振动监测与分析系统 本辛摘要：本章主要针对振动信号监测与分析系统进行研究，包括传感器的选择、振动 信号预处理、振动信号采集、分析系统等内容，各部分分别由下面章节进行展开介绍。 该振动监测与分析系统已经被成功地应用于巨化硫酸厂和钱清电厂等在线状态监测中， 且振动采集系统的设计已经取得了国家专利( 实用新型专利号：z l0 2 14 5 4 40 6 8 ) 。 2 1 引言 振动监测技术是在信号传感、信号采集和信号分析等技术综合应用的基 础上，通过振动监测系统获取机组的状态信息，提取故障特征值，来判别机 组的运ij 二状念正常与否的一项技术。如果机组存在异常，则需进一步确定故 障的严重程度及故障的发展趋势，它为机组的安全、可靠、高速运行提供技 术保障，还为机组的快速、准确维修提供可靠的信息”3 。 般意义的监测系统由信号传感器、下位机、上位机等组成。传感器把 现场的机组的振动转变成电信号，由下位机负责信号的采集，并通过某种通 i i _ - j 式把卜位机的数据传输到上位机进行分析处理，如图2 - 1 所示。 图21 一般意义上的信号采集和处理系统 往设计振动信号采集系统之前，首先应该清楚地了解设备的运行过程， 分析删。j l 信弓的类型及数量，详细阅读技术协议书，认真写出用户需求分析， 理清设计思路，在此基础上进行系统的总体方案设计“1 。由于对信号分析进 行频措分析的要求，对信号必须实现整周期、等相位采集，所以必须设计键 相处理电路，产乍触发信号对振动信号进行a d 采样，振动监测与分析系统 流科图如图22 。 系统由传感器、键相处理卡、振动信号采集卡( 集成了预处理电路) 及 振动信号分析系统组成。振动传感器将振动信号转化成电压和电流等信号， 经过信号预处理，信号被放大为工业上广泛采用的标准模拟信号( 电压1 j v 或电流4 2 0 m a ) ，标准模拟信号通过a d 转换后变为计算机能够识别的 数字信号。本系统设计的键相信号处理卡采用了键相技术，实现了整周期等 什 f 讧采集，避免了信号分析时傅立叶离散变换的泄漏效应与栅栏效应。a d 转换后的信号通过i s a 总线与工控机进行交换，并通过网络映射与上位机进 9 浙江大学硕士学位论文 行数掘通讯，在上位机上实现振动信号的分析。该振动信号监测与分析系统 山f 位机负责信号采集而上位机负责振动信号分析，所以具有很好的实时 肚。 r 一一一一一1 图2 - 2 振动监测与分析系统流程图 2 2 振动传感器的选择 h 分析系统! 振动传感器( s e n s o r ) 是将被测的振动信号按一定的规律转换为与其对 应的纠一种物理量或信号并输出的装置，是实现大型旋转机械状态监测的首 旺蚧：扎如果没有传感器对原始振动信号进行准确的捕获与转换，自动监测 就不可能实现。 振动传感器种类很多，目前常用的有两种，- - i t 是按输入传感器振动信 号性质来划分，另一类按传感器变换原理来划分。 按输入振动信号性质不同可划为：加速度、速度、位移等。 按变换原理不同可分为电阻式、电感式、电容式、压电式、磁电式传感 器等。 振动传感器的选择必须要考虑传感器的性能要求：传感器的静态特性和 动态特性“。表征振动传感器静态特性的主要参数有：线性度、灵敏度、分 辨，j 等。而传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。由 卜旋转机械振动信号输出为正弦信号，所以传感器的动态特性用频率响应来 表示。 惯性速度传感器是一种接触式传感器，它将被测物体的绝对振动速度转 变为叫动部分相对于外壳的相对振动速度，然后动力变换部位将相对振动速 度变换为电动势，测量屯动势即可计算出被测对象的振动速度。惯性速度传 感器即有较高的灵敏度和较低的输出阻抗，又能输出较强的功率信号，所以 它不容易受到电磁场干扰，对比较复杂，需要很长导线的现场，仍然能获得 较高的信噪比。这种传感器的频率范围在0 0 0 8 一l k h z 之间，不需要专门的前 胃放大器，安装使用简单，但因为测量频率范围有限，所以一般应用在非转 动部件如旋转机械的轴承、机壳的稳态振动量的测量“。 加速度传感器是采用某些晶体材料，如压电陶瓷锆钛酸铅( p b z r 0 3 擎 里 蓦笋 嚣 浙江大学硕士学位论文 l ”br i ) 的正压电效应作为机电变换器而制成的加速度传感器。这种传感器 有很大的动态范围，测量频率范围很大( 0 0 0 0 2 一l o k h z ) ，因此比较适合轻 型高速旋转机械的轴承座及壳体的振动加速度测量。一般说来，在旋转机 械l 振动频率越高，其相应的振动位移幅值也越小，但是其加速度幅值仍 然乍j 一定的量级，因此加速度传感器在振动频率较高的时候是较为理想的选 抒。 涡流式位移传感器和速度传感器、加速度传感器相比，最大的特点是非 接触式测量，也正是由于这个特点，涡流式位移传感器得到了更为广泛的应 用。电涡流传感器端部有一个线圈，线圈中有频率较高( i 2 m h z ) 的交变电 峨通过。当线圈平面靠近某一个导体表面时，由于线圈磁通穿过导体，使导 体表面感应出一涡流i ，而i 所形成的磁通链又穿过原线圈，这样原线圈与 涡流“线圈”形成了有一定耦合的互感。耦合系数的大小与二者之问的距离 白关，测量涡流i 的变化，便可求出线圈和导体表面距离的变化“。 三种传感器实用性能i ：e 较如下表2 1 ： 表2 1 【传感器测量频率抗干扰性校准难易安装方式动态响麻 ( n z ) 程度 涡流传感器0 一i o k蚶容易非接触式好 加述皮传感器 3 0 i o k 不好较凼难接触式好 述度传感器5 5 0 0好容易接触式不好 山表2 - 1 口丁以看出，涡流传感器从测量频率、抗干扰性、安装方面都有 茜很好的性能。另外由于电涡流传感器具有精度高、寿命长、可以测量转子 佝绝对振动、1 i 怕油污等特点“，一般情况下，机组振动信号的传感器采用 电涡 ol d 感器。 2 3 振动信号预处理 振动传感器将各种非电量振动信号转换为电量信号，但振动信号中央杂 了些从现场环境中混入的噪声信号，如果不消除它i l ，就会给后面的数据 分私i 和处理带来很大的误差，甚至会产生错误的结论，这就需要通过滤波器， 使得信号中特定的频率成分通过，而极大的衰减其它频率成分。预处理的作 用之一就是剔除噪声等现场的干扰信号，这有利于进行频谱分析。 现场有用的振动信号往往是非常微弱的( 几十毫伏甚至几十微伏) ，需要 埘输入振动信号幅值进行放大处理，将其幅值调整到a d 转换器的动态范围 内。 由于电涡流信号中包含着传感器安装时的间隙电压，会造成信号超出a d 转换的动态范围，而间隙电压产生的直流量对诊断分析没有太大的意义，因 此需要使用隔直电路滤掉信号中的直流分量。 浙江大学硕士学位论文 对于现场的振动信号，经过降噪、放大和隔直等预处理才符合系统监测 和分析的要求，具体的设计将在第三章介绍。 2 4 振动信号采集 振动信号蕴含着丰富的机组运行状态信息，因此，它是了解机组运行状 念的 j 要手段之一，所以要对机组进行状态监测就必须利用振动信号采集系 统对信号进行实时的采集。 振动信号采集系统从振动传感器获得信号，出振动传感器附带的低噪声信 电缆将信号送入振动信号采集系统中完成对信号的预处理、放大、滤波、 隔直、a d 转换及实现和微机间的数据通讯等。 2 4 1 采样方式的选择 采样方式有等划隔出及等角度妒两种方式。一般情况均采用等间隔采 样方式即固定采样频率。这种方式很容易实现，无须键相信号的配合，对 转速稳定的信号而言这种方式可获得较好的信号。但对于机组转速波动信号 的采集，则不够理想，如我们要采集的升速状态、降速状态的采集，这是由 ：设定的采样频率s 跟不上转速的变化而无法满足采样定理，频谱变成了连 续谱，离散的谱线变成了谱带，谱图变得没法辨认，这对于故障的分析是十 分小利的。 等角度触发| 司步采样能改变采样频率，使其与转速改变同步。在频谱图 ：显示的转速频率及其各次谐波会明确的保持其确定的相互关系，谱线模糊 n 勺现象就会消除，它可以保证每周采样点数相同，从而获得清晰的阶次谐波。 但要实现等角度采样，必须有键相信号触发。所谓键相信号，是由安装 疗备 轴j 二的涡流传感器在转轴每转一圈时产生的脉冲，它的每一个脉冲唯一 对应十转子周向一固定点，可以用于确定转子上其它径向振动量信号的相位， 陔脉冲能为振动信号和相角提供转轴每转一圈时的参考标准。它产生采样触 发信号，即作为振动信号整周期采集的外触发脉冲，同时通过两个键相信号 之川i 的h j 问f 日j 隔来换算转换记录实时转速值，而且键相信号也可以用于确定 转f 上其它径向振动量信号的相位。具体的内容将在第四章展开介绍。 键相信号可以用光电式、涡流式、磁电式传感器对转子上的标志区或键 惜进行检测来拾取，通常，涡流式传感器能够可靠的检测到键相信号。 2 4 2a d 转换 把模拟信号转换为与其相应的数字信号的过程称为a d 转换过程，这是 信号处理的必要的程序。a d 转换是信号采集系统的核心部分，信号采集的 浙江大学硕士学位论文 性能( 精度、采样速度等) 主要由a d 转换器来决定。 a d 转换过程包括采样、量化、编码三部分。 1 ) 采样( 采集定理) 采样是按照采样脉冲序列从连续时间信号x ( f ) 中抽取一系列离散样值， 使之成为采样信号x ( n a t l 的过程。出称为采样间隔，f = 1 ，址称为采样频率。 采样实质卜是将模拟信号f 逐点取其瞬时值，它可以描述为采样脉冲序 列f ，( 刑j 模拟信号x ( f ) 相乘的结果。理想采样脉冲序列： p ( ，) = 屯( f ) = 6 ( t n ，) n ：一。 而采样信号：x ( t ) = x ( t ) p ( t ) ( 2 1 ) ( 2 2 ) ! ) 量化 基化是把采样信号x ( n a t l 经过舍入或截尾的方法变为只有有限个有效 数字的数。信号x f ，1 经过上述变换以后，即成为时间上离散、幅值上量化的 数字信号。 ) 采样间隔的选择和频率混淆 刊摸拟信号采样首先要确定采样间隔。一般而言，采样频率越高，采样 点数就越密，所得离散信号越逼近原信号。但过高的采样频率并不可取，：对 定长度t 的信号，采集到过大的数据量给计算机增加了不必要的计算工作 量和仔储空问。 时域波形的信号混叠反映在频域上称为频率混叠。它是由时域上不适当 的选择采样时| - h j 间隔引起的频域上高低频之间彼此混淆的现象。根据采样定 耻不产生频率混叠的最低采样频率工应为信号中最高频率工，的两倍，即 ，、i ， 1 ) 采样| j = = 度与频率分辨率 当采样问隔f 一定时，采样长度t 越长，数据n 就越大。为了减少计算 鞋，t 不直过长。但是若1 ：过短，则不能反映信号的全貌，因为在傅立叶分 = f i _ 州，频率分辨率厂与采样长度t 成反比 = l t = 1 ( n a t ) ( 2 - 3 ) 般在满足采样定理的前提下尽可能取较低的采样频率以保证足够高的 频二讧分辨二年。 2 5 分析系统 2 5 1 振动特征参量 设备在运行过程中会产生各种表征其状态的信息，这些为设备的监测提 浙江大学硕士学位论文 供了可能。通常把这些信息转变成容易测量、记录和处理的物理量，如电压、 电流等，这就是我们要监测的对象信号。通过对信号进行变换、识别并 边仃分析和处理，可以作为判断设备运行状态和诊断故障的依据，同时也可 以预测陵备的运行趋势。 振动信号包含了机组的丰富的状态信息，当设备发生异常或出现故障时， 振动情况都会发生变化，如振动幅值变化、振动频率变化、振动相位变化、 振动方向变化等，因此用与振动有关的参数用来表征旋转机械的状态特征参 量，它j i 要包括：振幅、振动频率、相位等。 i ) 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，可以用位移、速 发或加速度来表示。根据对振幅的监测，可以很容易地判断机器的振动状态， 判断机器是否在平稳地运转。 ，、 设”w 为振动速度的时间历程，则振动烈度即振幅的数学表达式为： v 。，j ( f t v2 ( t ) d t 其对应的离散形式为： y 一( 专耋v ：r 峰值：) ( = m a x l x ( t ) 1 j 均值： 叉- 一 fl x ( f ) 印 均方根帽值：工。= j 亭f x 2 ( ，) 斫 ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 - 7 ) ( 2 _ 8 ) 力 姗苗值：x ，= ( 专 k 1 ) 1 2 a t ) z ( 2 9 ) 式巾x ( f ) 一信号的时阳j 历程 7 1 一采集周期 p ( x ) 一x ( t ) 的概率密度函数。 在大型旋转机械振动监测中，对波形的振动信号进行分析，常常采用其 峰一峰值( 双振幅) 记为x ，一。，对每一台机组，其振幅都有一个允许的限定值， 机 in 。常运行时要求它的转轴的振幅稳定在这个限定值内。般来说，振幅 值的任何变化都表明了机械的状态发生了改变，并且无论振幅是增大是减小， 圳越陔刈机组作进一步的调查。 2j 振动颁率 振动频率可以分为基频( 周期的倒数) 和倍频( 各次谐波频率) ，它是 描述其状态的另一个特征参数，也是测量和分析的主要参数。 浙江大学硕士学位论文 根据振动频率，可咀把振动分为同步振动和非同步振动。在旋转机械中， 振动频率多以转子转速的整数倍或分数倍形式出现，但振动频率与转子转速 h 有对j 皿关系，单对于非同步振动，其频率则发生在上述谐波以外的频率上。 对于特定的振动频率往往对应一定的故障，所以对振动频率的监测和分析在 评定备状态过程中是必不可少的。 ) 相位 许多设备单从幅值谱图上判别是有困难的，这时需要根据相位信息进行 进步分析。 由于旋转机械各类故障给旋转机械带来的直接结果是破坏了转子的对称 性，使选择机械同一截面上水平和垂直方向的振动信号在时域上的相位差不 可是9 0 度，因此可以通过同一截面上水平方向信号和垂直方向信号的相位差 的不同特征米判断故障的类型。 2 5 2 信号分析方法 信号分析和处理是在i 陌值、时间、频率等域中进行的，它们是从不同的 角度对信号进行观察和分析的。 信号处理的方法主要：百：时域分析、幅域分析、频域分析等。 叫域分析主要是针对信号时间顺序，即数据产生的先后顺序。时域波形 。艾际求合反映了振动信号的振