（机械工程专业论文）凉水塔风机网络化在线监测与故障诊断系统研究.pdf

摘要 疆互4 9 2 3 1 随着现代工业技术的发展，越来越多的大型机组设备被应用到企业的生产 当中。大型机组设备的状态监测与故障诊断技术能保障这些机组设备的正常运 转，故该学科已成为当前研究的热点。本学位论文在分析状态监测与故障诊断 技术的现状及其发展的基础上，结合实际课题“凉水塔风机网络化在线监测与 故障诊断系统开发”开展了如下研究： 对凉水塔风机的常见故障进行了归纳与综合，定性地分析了故障产生的机 理和振动特征； 。 完成了风机在线监测与故障诊断系统的整体设计，将系统分为采集层、+ 传 输层、监测层和诊断层；在充分考虑现场工况条件，规划了系统传输层的 网络体系结构，实现了采集数据的实时远程传输： ， 设计了系统采集层的硬件，解决了硬件的防潮、隔热和降噪等技术问题。 开发了系统的数据采集软件，保证了数据采集的实时性和准确性； 7 研发了风机的状态监测与故障诊断软件，结合数据库技术完成了采集数据 的管理与图形化显示，提供了多种方法对机组运行状态进行监测和分析诊 t ? 断沁 j 本文研制的系统已投入应用，且运行稳定，证明系统设计正确，硬件可靠 性高，软件功能性强。系统为企业创造了明显的经济效益。本文研发的凉水塔 风机状态监测与故障系统可应用到其它的机组和装置，具有较大的推广意义。 摊讯凉岁机燃煳撇鼢靴瓢鼢 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d e mt e c h n o l o g y ，m o r e a n dm o r el a r g e 。s c a l e m e c h a n i c a le q u i p m e n t sa l ea p p l i e d i n e n t e r p r i s e s m a n u f a c t u r e t h ec o n d i t i o n m o n i t o r i n ga n df a u l td i a g n o s i st e c h n o l o g yo f t h e s ee q u i p m e n t s ，w h i c bc a ne n s u r e c o n t i n u o u so p e r a t i o n ，h a sb e c o m eac u r r e n tf o c u s b a s e do nt h ec o n d i t i o nm o n i t o r i n ga n df a u l td i a g n o s i st e c h n i q u e ，t h e p r o j e c t “d e s i g no f o n l i n ec o n d i t i o nm o n i t o r i n ga n df a u l td i a g n o s i ss y s t e mf o r c o o l i n gt o w e rf a n ”i sc a r r i e do u t i nt h i sp r o j e c t ，t h ef o l m w i n gr e s e a r c hw o r k s h a v eb e e nl a u n c h e d ： 1 t h ec o m m o nf a u l t so fc o o l i n gt o w e rf a na r es u m m a r i z e d ，t h ef a u l t d e v e l o p i n g m e c h a n i s ma n dv i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa r e a n a l y z e d q u a l i t a t i v e l y 2 t h eo n l i n ec o n d i t i o nm o n i t o r i n ga n df a u l td i a g n o s i ss y s t e mo f c o o l i n g t o w e tf a ni sd i v i d e di n t ot h r e el e v e l s ：s a m p l i n gl e v e l 、t r a n s m i s s i o nj e v e j a n d m o n i t o r i n g & d i a g n o s i s l e v e l t h en e t w o r ks t r u c t u r eo ft h e t r a n s m i s s i o nl e v e lc a nr e a l i z et h er e a l t i m er e m o t et r a n s m i s s i o n 3 ，s o m e p r o b l e m ss u c h a sd a m p p r o o f , h e a ti n s u l a t i o na n di n t e r f e r es u p p r e s s a l eo v e r c a m ei nt h ed e v e l o p m e n to fh a r d w a r eu s e di nt h es a m p l i n gl e v e l 。 1 1 h es o f t w a r ew e p r o g r a m m e d c a ns a m p l ed a t ad u l ya n d e x a c t l y 。 4 s o f t w a r eu s e df o rt h ef a n so n l i n ec o n d i t i o n m o n i t o r i n g a n df a u l t d i a g n o s i si sd e v e l o p e d ，w h i c hr e a l i z et h ed a t am a n a g e m e n ta n dg r a p h i c a l d e m o n s t r a t i o nb yc o m b i n i n gd a t a b a s el i b r a r yt e c h n o l o g y t h ew o r k i n g c o n d i t i o no ft h ec o o l i n gt o w e rf a ni sm o n i t o r e d ，a n a l y z e da n dd i a g n o s e d b yt h e t i m ea n d f r e q u e n c y d o m a i n a n a l y s i s m e t h o d so f f e r e d b y t h e s o f t w a r e t h i s s y s t e m h a sb e e n a p p l i e d t ot h ec o n d i t i o n m o n i t o r i n g a n df a u l t d i a g n o s i so f ar e a l c o o l i n gt o w e rf a ns y s t e m i tr u n ss t a b l y t h ed e v e l o p e d o n l i n ec o n d i t i o nm o n i t o r i n ga n df a u l td i a g n o s i ss y s t e mc a l la l s oh ea p p l i e dt o o t h e rf a ns y s t e m s k e y w o r d s ：c o o l i n g t o w e r f a n ，c 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 s 第一章文献综述 1 1 引言 自8 0 年代初期我国在设备管理与维修中开展状态监测与故障诊断以来， 设备诊断技术应用于设备管理和维修工作中创造了巨大的经济效益和社会效 益，已成为推避设各管理现代化的重要内容”舭j 。 石化行业由于其流程工艺以及高温高压设备多等特点，自状态监测技术引 入我国以后即得到应用和推广。经过十多年的发展，企业都充分认识到，设备 监测技术的应用，不仅是推动维修方式改革和设备管理现代化的有力工具，而 且已成为防止设备事故、保障安全生产、节约修理费用、降低能源消耗、提高 产品质量的重要手段。i f 是由于设备诊断技术产生的综合效益，使得该技术不 断得到认同、普及和发展。 众所周知，在石油化工生产过程中，大型旋转机械是维持生产装置安全、 稳定、长周期和满负荷运行的关键设备，是生产装置的心脏。因此，石化企业 都以此为重点，丌展设备状态监测和故障诊断工作，从而保证了设备的安全平 稳运行，取得了良好的经济效益。同时，也极大促进了状态监测和故障诊断技 术的不断深化和发展o i l 州“。 1 2 中国石化监测诊断技术的应用状况及特点 l 。2 。l 应用状况 中国石化总公司在过去两次部分企业大机组调查的基础上，1 9 9 6 年又对 全部企业的大机组进行了书面调查和分析，又抽检了部分企业的现场技术状 况。所调查的大型机组包括乙烯装置三机( 裂解气透平压缩机组，乙烯透平压 缩机组和丙烯透平压缩机组) ，化肥装置五机( 原料气压缩机组、合成气压缩机 组、空气压缩机组、氨压缩机组和二氧化碳压缩机组) ，炼油三机( 烟气轮机、 主风机组和石油气压缩机组) ，共汁1 6 8 套机组。 调查发现6 ”： 1 l 在大型机组的管理中，各企业都将状态监测作为一项重要的内容纳入 机组日常管理中。使用在线髓测系统对机组进行状态监测的机组占3 1 ，其 他则采用离线监测方式进行监测。部分氽业还将铁谱分析技术用于机组润滑油 的监测，与振动分析结合，丌展综合诊断。 2 在状态监测工作的管理方面，企业都根据实际需要制定了严格的管理 制度和系统的工作规划。有的企业还将状态监测工作纳入i s 0 9 0 0 1 的评审考 核范围内，以明确工作目标，落实工作内容，从而保证了状态监测工作的开展。 3 在设备诊断的技术水平方面，无论是在线监测还是离线监测都把开展 故障诊断作为工作重点，以期能够准确地对设备的运行状态进行评价。在所调 查的监测系统中，6 9 的在线监测系统具有诊断功能，部分企业专问为离线监 测仪器配置了专家诊断系统。 4 在状态监测技术应用过程中，企业采取国外引进和自主开发相结合的 方针。在线监测系统4 5 - 2 是进口的，国产的占5 4 8 。国产在线监测系统大 多数是与国内大专院校合作开发的。用于离线监测的便携式仪器，由于国外技 术和产品首先占领市场及其先进性与可靠性相对较高等原因，以进口为主，占 8 7 。 5 ，在状态监测基础工作方面。强化管理。培养一支素质优良、技术过硬的 监测队伍是搞好状态监测工作的基础。在石化系统内，各企业都有专人负责大 型机组的监测诊断工作。有7 7 2 的被测机组同时存有机器维修历史数据和机 器发生过的主要故障档案。 l 2 2 成绩与不足 1 推广应用状态监测所取得的成果 由于对状态监测的认同和致力于创造更大的效益，各企业都结合本身特 点，制定了大型机组的管理办法和特护制度，大力落实并不断扩展设备诊断技 术工作，还制定了判断准则。经过多年的努力与丌拓，使企业设备诊断技术上 升到较高层次，并取得了一系列成果： ( 1 ) 2 0 世纪9 0 年以来，在线监测系统在一些企业逐步得到应用。开始时 只用于为数不多的机组和测点。现在已发展到多机组、多测点的大规模监测； 先后出现了远距离光纤传输集中监测系统和多装置集散监测系统。系统的网络 化程度越来越高，也越来越适应石油化工流程化生产的特点和需要。 ( 2 ) 振动监测与诊断技术在石化企业的推广应用，带动了铁谱分析技术和 红外热成像技术在企业的配套应用与发展。除铁谱分析用于大型机组油液检测 外，有的企业应用红外热成像技术检查大型离心式压缩机级问窜气问题。效果 也很明显。这样相互促进扩大了各种髓测技术的应用领域”j 。 ( 3 ) 坚持引进新技术，向国外先进水平靠拢，逐步提商设备诊断的准确率， 促进了国内诊断技术的发展。例如，兰州炼油化工总厂引进了美国恩泰克 ( e n t e k ) 公司的e x p l o r e 专家诊断系统，并与国内多所高校先后合作开发了在线 智能诊断系统和旋转机械故障诊断系统。镇海石化股份公司引进了加拿大c s i 公司全自动诊断专家系统。辽阳化纤公司_ _ r f ：发出m m d i s 转机状态监测故障渗 断维修决策系统。这些都在工厂监测工作中发挥了重要的作用。 f 4 ) 从无到有，从小到大，建立了一支状态监测专业队伍。中国石化设备 管理协会还在辽化成立了状态监测分会，山它来牵头j r 展这方面的工作。 2 状态监测工作不足之处 中国石化尽管在状态监测方面作了i ：多工作，打下了良好地基础，取得了 很大的成绩。但还有许多不足之处： ( 1 ) 传感器配置不完善。经调查，全系统有7 0 的大型机组没有配置相位 传感器。这使得对机组的监测仅停留在频谱分析的水平上，故障诊断的唯一性 和准确性受到了很大限制，导致故障诊断更多地是凭经验，而不是凭先进的技 术分析。轴位移监测是保证机组安全的重要手段，但是绝大多数机组在一个转 子上只配置了一个轴位移传感器，与美国a p l 6 7 0 标准不符。应当保证机组 个转予上有两个轴位移传感器，进行二选一。减少误动作，提高可靠性，使机 组在轴位移联锁保护下更加安全地运行。同时，准确的轴位移信号也是进行振 动监测，分析机组超载和齿轮、联轴器损伤的主婴依础。 ( 2 ) 监测手段比较单一。经过多年的实践，企业已经认识到，对机组监测 仅停留在简单的时域波形分析和振动频谱分析卜是不够的( 这方而离线监测表 现尤甚) ，需要采用更多更新的手段，如倒频谱技术，时频分析技术，主分量 分析技术，多参量分析技术，全息谱技术，轴心轨迹提纯以及小波分析等，提 高故障诊断的水平1 9 1 i j 州“m “。 ( 3 ) 在应用设备状态监测技术过程中，振动监测丌展得较好，但铁谱技术、 红外热成像技术发挥得不够，往复式机械的监测工作尚未广泛地开展起来。 ( 4 ) 在管理上，个别企业还未把监测工作纳入设备管理工作之中，重视程 度不够，尚须进一步提高认识，把应用工作搞上去。 3 与国外的差距 中国石化总公司曾组织有关人员于1 9 9 6 年初对美国状态监测技术及其应 用情况进行了考察。与美国本特利公司、恩泰克公司进行了技术交流，并实地 考察了一些石化厂。经过考察发现了许多差距和不足，主要是： ( i ) 系统配置有待进一步完善。美国夺特利公司针对大型汽轮机和燃气轮 机推出了新一代透平监测仪器系统( t u r b i n es u p p e r v i s o r yi n s t r u m e n t a t i o n ) 。除 了配置常规振动、轴位移传感器外，增加了模态识别传感器、差胀传感器和缸 胀传感器。反映出作为丌发机器监测和安全保护系统的拳头公司正在研究增加 配置弥补缺陷以便更有效保护机器的新方案。中国石化的机组目前还处在常规 传感器配置水平。增加一类新的传感器在很大程度上就为减少某些重大事放创 造了技术条件。 ( 2 ) 对振动监测在认识上有不足之处。美国本特利公司的专家介绍了这样 一种经验，即当转子系统发生故障前有时表现的不是振动的增大，而是振动的 减小。大约有5 0 的轴裂纹故障，振动表现出振幅减小，其原因是转子振型 的节点( 零位移点1 发生了漂移，当节点移到传感器附近时，测量的振动就会减 小。这给予我们一个新的认识，特别是处理故障决定是否停机时不能简单地把 振动高和机组危险联系起来。 ( 3 1 预知维修开展得不够深入。中国石化总公司多数企业一般把状态监测 的重点放在故障分析上，由于种利t 原因预知维修丌展得并不是很好，过剩维修 仍在继续。在美国企业不仅把状态监测用j 二故障分析，而且用于机组可靠性评 价。例如美国昆腾( q u a n t u m ) 化学公司，丌展可靠性评价战略，每年节约几千 万美元。在这个公司的许多石化厂有监测小组，使用美国恩泰克公司的p m 软 件，他们工作的中心环节是严格设定每台机组测点不同的窄带报警界限。通过 大量采集的数据找出机组的证常频率幅值，再增加2 5 作为报警值。如果停 机前的数据都在报警值内则取消维修。达到节约资金的目的。 ( 4 ) 对于专家系统的认识有不足之处。美国辛辛那提市盂山都化工厂的监 测专家v a c o b s 对专家系统进行了评价，他的观点是“专家系统更好的用途是 培训人”。美国本特利公司把自己的“专家系统”称作e a ( e n g i n e e ra s s i s o 即 工程师辅助软件。我们却更倾向于直接把专家系统_ i ；j 于现场。实际上，“用于 培训人”是对专家系统用途更合理的评定。另外，专家系统甚至专家本人并不 能够诊断所有故障。在目前的状况下，叶片断裂、轮盘开裂是很难诊断的 ( 5 ) 网络化程度不高。中石化一些企业在企业内部建立了在线监测和离线 监澳0 网络，将一些在线监测子站或离线监测仪器联成了网络。但公司内跨企业 之间并没有建立网络信息联系。美国南部电力公司fs o u t h e r ne l e c t r i cp o w e r s e r v i c e ) 通过恩泰克公司提供的广域例预测维修p m 软件将公司的3 0 个电站共 9 0 台机组组成为一个整体；英兰钢铁公司( i n l a n ds t e e l ) 的p m 网络支持了近 7 0 台数据采集器；昆腾化学公司( q u a n t u mc h e m i c a l ) 将分布在美国数个州的五 个大型化工厂和数个小型化工厂联成了以恩泰克p m ( p r e d i c t i v em a i n t e n a n t e 、 软件为核心的监测网络。这些网络的特点是将同类装置或相同工艺流程下的机 器信息联系在一起大大提高了信息的对比和利用水平。 ( 6 ) 缺乏必要的技术服务和技术培训。在美国本特利公司可以看到许多石 化厂的在线监测数据被传到了本特利故障诊断服务部。美国本特利公司除生产 和销售机器监测和保护系统外，还提供机械故障诊断服务。它的职业化的故障 诊断服务部成立于1 9 7 9 年，已经近2 0 年的经验积累。在美国休斯顿石化公司 有许多就依赖于本特利的故障诊断服务部。另外，本特利公司还为用户提供技 术培训，创立了证书制。获得第一类证书要求通过本特利公司设置的故障诊断 课程学习和考试；获得第二类证书则要求在现场进行，通过对第一类证书获得 人现场处理问题能力的考查，评定是否颁发。这样的技术服务和培训，中国石 化是很需要的，但目前也是很缺乏的。 1 3 中国石化监测诊断技术的发展与对策 由于中石化系统大型旋转机械重大故障的发生仍直接威胁着石化安全生 产，所以中国石化总公司有关管理部门对人型旋转机械的管理和状态监测工作 一直非常重视，并先后组织了国内、幽外渊查，其目的就是要为今后的管理和 技术发展提供建议和寻求对策。本文认为，今后应： 1 加强对系统传感器配置完整性的认 ，新机器配监测保护系统时企业 要按美国a p l 6 7 0 标准向设计单位提出技术要求。对些故障多、传感器配置 不完善的旧机器，应该根据实际情况增配传感器。装有在线监测系统的机器要 配置相位传感器。 2 与状态监测和保护系统制造厂商进行技术合作，针对石化主要装置的 关键机组开发新的监测仪器系统。特别是丌发使用包含有模态传感器、差胀传 感器和缸胀传感器的监测仪器系统。 3 加强对现役在线监测系统的改造和更新。一些企业与国内高等院校合 作，在8 0 年代 发了一批在线监测系统。随着监测技术的发展，这些系统在 技术上明显落后，可用性大大降低，企业应加媸这类监测系统的改造和更新。 在改造时特别要注意提高系统可靠性。在硬件上要选择具有i s 0 9 0 0 l 质量 认证或达到工业级标准的制造商的先进器件：在软件设计上，要注意开发对停 机决策和预知维修有切实指导意义的功能模块，要进一步提高软件的智能水 平。 4 提高专家系统质量。美幽奉特利公司的工程师辅助软件( e a ) 虽然仅能 诊断九种故障，但准确率很高。企业与高等院校合作开发专家系统时，要注意 结合机器本身的结构特点。在充分调查同类机器故障特性的基础上，开发针对 性强、实用效果好的专家系统，同时把丌发专家系统和培养人才结合起来。 5 发展网络技术。中国石化总公司做为一个大型企业，开展状态监测已经 有了一定的基础。许多企业购买了相同的便携式仪器和软件。应该将这些软件 升级为网络舨，开拓信息通道，促进企业删的信息交流，特别是同类机器的信 息交流。这样不仅有助于提高中国石化总公刊的楚体水平，而且也有助于人彳 培训以及专家系统的开发与研究。 1 4 本文主要研究内容 1 4 1 课题的来源 本学位论文课题来源于中石化巴陵公司谍题：“凉水塔风机网络化在线监测 与故障诊断系统开发”。 1 4 2 课题的提出及意义 凉水塔风机是巴陵公司己内酰氨产品部用十循环水冷却的关键设备，生产 流程中总共有8 台。长期以来，由于负荷重、运行环境恶劣再加上原始设计不 尽合理，风机一直故障频繁，不仅导致维修赞用居高不下，而且严重影响产品 质量制约生产效率。而公司目前对该机组的监视和维护。则是采取每2 小时1 次上塔巡检和2 4 小时值班监视来进行，监控内容也仅仅是减速器润滑油温度、 电机电流等工艺参数的变化。 机组原有监控系统不完善、监测视手段单一滞后，故障频频发生且造成巨 大经济损失，因此，迫切需要研制一套状态监测和故障诊断系统，以实现对该 机组全面监测和综合保护，避免事故和损失。 1 4 3 本文主要研究内容 在全面调套和分析中石化大型旋转机械状态监测故障诊断技术应用状况 及特点的基础上，本文以巴陵公司己内酰氨产品部8 台风机为具体研究对象， 设计了针对该机组的网络化监s j l - 与诊断系统，包括总体技术方案设计、数据采 集的软硬件实现、数据传输体系即网络结构的设计、基于r t d b 的监测与诊 断软件的开发。 第二章风机结构及监测诊断系统的总体技术方案 2 i 风机概况 2 1 1 风机的结构型式及特点 l f 8 5 a 型系列j x l 机系保定螺旋桨制造厂研制生产，广泛应用于石油、化 工、电力、冶金等国民经济各行业循环水系统的冷却塔中，具有风量大、效率 高、安装维护方便、耐腐蚀、密封可靠等特点。 该风机由电机、传动轴、减速器、轮毂、叶片、挡风扳、塔外油标、风机 保护装置等部分组成。叶片由高强度环氧玻璃钢模压而成：轮毂采用双板形式， 这种形式将叶片央紧后使整个轮毂形成一个封闭结构；轮毂和减速器之间采用 锥轴联接；减速器为二级齿轮传动，第一级是一对弧齿锥齿轮，第二级为圆柱 斜齿轮，齿轮所用的材料为钛合金钢，经渗碳淬火处理，保证齿轮具有较高的 耐磨性和抗冲击能力；减速器输入轴有单根轴结构和多根轴结构两种，输入轴 采用机械密封结构，输出轴采用迷宫密封；挡风板山环氧玻璃钢制成，主要是 防止气体回流，提高风机效率；传动轴分单根传动轴或中问带轴承座的传动轴， 轴承座采用脂润滑；联轴器选用余属叠片挠r e 联轴器，钢管采用不锈钢材料； 塔外油标由二根钢管组成，从减速器上盖引出的是气管，从减速器下部引出的 是油管，塔外油标可观察油位和放油，同时通过油标上、下的螺孔加油；风机 配有油温报警保护装置。 单根轴风机、多段轴风机结构如图2 1 、图2 2 所示，减速器结构剖面如 图2 3 所示。 2 1 2 风机主要性能参数 风机转速：1 4 9 r m p 风量：l 1 0 4 ”，h 叶片数：6 轴功率：1 3 5 k w 风机效率：8 5 6 电机型号：y b 3 i5 l i 4 电机功率：1 6 0 k w 电机转速：9 8 0r m p 2 2 风机常见故障及其振动特征 风机足一种旋转机械，具有旋转机械各种典型的故障形式，如不平衡、不 对中、动静碰摩等；它由齿轮减迷器传动，凶而可能存在齿轮的各币i 常见故障； 它由滚动轴承支撑，因而有滚动轴承的各种故障表现”。 垦重 尹_ t 一 ， 一 - - _ v i 七氐 i 聋 ) m | q j 一 岁 i_ 1 ， l 叫 1 i 上 翻 耐 图2 1 单根轴风机结构 襄 叠 2 2 i 不平衡故障 转子不平衡是旋转机械最常见的故障，引起该故障的原因有：结构设计不 合理，制造和安装误差，材质不均匀，受热彳i 均匀，运行中转予的腐蚀、磨损、 结垢、零部件的松动和脱落等。转子不平衡故障包括：转予质量不平衡、转子 初始弯曲、转子热态不平衡、转予部件脱落、转予部件结垢、联轴器不平衡等。 不同原因引起的转子不平衡都可归结为转子的质量偏心，因而其故障规律基本 相近。 不平衡故障会产生以下不良后果：引起转子的反复弯曲和内应力，这种 弯曲和内应力会引起转于疲劳，甚至引起转子断裂：引起机组产生振动和噪 声，加速轴承磨损，降低整机寿命和效率；转于的振动通过轴承、机壳和机 座传递到基础和车问，恶化了工作环境。 不平衡故障振动特征的突出表现是：一倍频振动幅值显著增大1 。 图2 2 多段轴风机结构 2 2 2 不对中故障 风机不对中是指电机主轴、传动轴和减速器输入轴的轴心线与轴承中心线 倾斜或偏移，分为联轴器不对中和轴承不对中。 不对中故障具有以下振动特征： 1 转子径向振动出现二倍频，以一倍频和二倍频分量为主，不对中越严重， 二倍频所占比例越大； 2 典型的轴心轨迹为香蕉形； 3 联轴器不对中时轴向振动较大，振动频率为一倍频，振动幅值和相位稳 定： 4 轴承不对中时径向振动较大，有可能出现高次谐波，振动不稳定； 9 2-t警-t 5 振动对负荷变化敏感。 根据摩擦部位不同，机组动静碰摩分两利情况：转子外缘与静子件接触而 引起的摩擦，称为径向碰摩；转子在轴向与静止件接触而b 起的摩擦，称为轴 向碰摩。转子的质量不平衡、热弯曲、不对中，均可产生动静件的碰摩，旋转 失速和喘振也可导致动静碰摩。 j 戏机径阳碰胯卜璎影i 蜘转子的衽向振动，对轴向振动影响较小；但当机组 发生轴向碰摩时，除了对径向振动产生影响外，由于轴向力的存在，使轴向位 移和轴向振动增大。 动静碰摩故障具有以下振动特征： 1 转子失稳前频谱丰富，波形畸变，轴心轨迹不规则变化； 2 转子失稳后波形严重畸变或削波，轴心轨迹发散： 3 各振动频率幅值增大，碰摩严重时迅速增大”蹦”1 。 图2 3 减速器剖面图 2 2 4 齿轮故障 传动齿轮在运转时，由于其自身制造不良、操作维护不善等，均可能导致 lo 齿轮产生故障，并且齿轮故障的类型随材料、热处理工艺、运转状态等因素 不同而变化。总体上讲，齿轮故障分为两大类：一类是由于制造和安装等原因 造成的，如齿轮误差、齿轮与内孔不同心、各部分轴线不对中、不平衡等；另 一类则是齿轮出于长期运行而形成的通常齿轮的表而承受的载荷很大，两啮 合轮齿之间既有相对滚动，又有相对滑动，而且相对滑动的摩擦力在齿轮节点 两侧的方向相反，从而出现了力的脉动，于是长期运行中将导致齿轮表面发生 点蚀、疲劳剥落、磨损、塑性流动、胶合及齿根裂纹甚至断齿等故障。 当齿轮发生故障时，其振动信号为调制信号，成份相当丰富，除了啮合频 率、边频成份外，还有附加脉冲和其它隐含成份，因此出于其动态特性及故障 症状的复杂性，不同的齿轮故障具有不同的振动特征及频率结构为了获得有 效的故障特征信息，需要先进的信号处理方法来分析，传统的分析方法有：频 谱、倒频谱、时域同步平均等方法。 2 2 5 滚动轴承故障 胍机的电机和压缩机各由滚子轴承支撑，滚动轴承在使用过程中常常由于 疲劳、磨损、塑性变形、腐蚀、断裂、胶合等原因造成轴承出现各种故障，使 机组性能异常，以至无法工作。滚动轴承的媳型故障有：轴承外圈故障、轴承 内圈故障、轴承滚动体故障、轴承保持架故障、轴承磨损等。 滚动轴承各种异常产生的振动频率出转子的旋转速度、损伤部位的形态及 轴承元件的固有振动频率所决定。转f 的旋转速度越高、损伤越严重，其振动 频率就越高；轴承元件的固有频率越高，当发生异常时激发某种固有频率，表 现出的故障频率也就越高。 滚动轴承故障的振动特征是：当发生异常时，频潜非常丰富，不会只产生 单一的特定频率，各频率分量的幅值显著增大；由于轴承元件的固有频率较高， 通常在数千至数十千赫兹范围内，一旦某种元件出现异常激发该种固有频率， 频谱中就会出现高频成分。因此，利用轴承元件的固有频率诊断故障，是一种 有效的方法”0 i 口。i 。 2 3 风机在线监测诊断系统的总体技术方案 当前状态监测与故障诊断系统的发展趋势是建立集成化、智能化的综合系 统，克服传统的分离式监测或单功能以及局部监测与诊断系统的弊端，使硬件 及软件达到真正的融合集成。风机在线监测诊断系统设计成多传感器、多参数、 集中控制与处理、模块化可扩展可重构的柔性化软硬件系统结构。 风机监测诊断系统功能上应具备设备与过程的运行状态数据动态采集、信 号处理及监测特征提取、状态综合判别、自动报警及突发故障自动保护、故障 推理诊断等功能”2 “2 ”。 风机监测诊断系统总体结构框图如图2 4 所示。 ： ： 回日匝堕日 信 号 调 理 器 图2 4j x l 机监测诊断系统总体结构框图 根据各组成部分在物理联接和功能上的不同，可将系统分为四个层次：现 场测试层、数据传输层、状态监控层、决策管理层。从安装在8 台风机上的传 感器拾取信号并经前置放大、到信号调理器对信号进行归一化和低通滤波等预 处理、最后由数据采集器进行数据采集存储和通讯传输，组成系统的现场测试 层( 又称现场采集层) ；考虑到数据量大以及监测实时性要求强，将8 台风机 分为2 组：l # 一4 # 风机由l # 数据采集器采集，5 # 8 # 风机由2 # 数据采 集器采集。从数采器出来的数字信号经集线器、光纤收发器、光缆、屏蔽电缆 等设备传输到现场附近的监控室和远端j 办办公楼的渗断室，为数据传输层； 其中经由集线器的是电信号，两端的光纤收发器分别完成电信号到光信号、光 信号到电信号的转换。监控室为状态监控层，监测微机2 4 小时不问断运行监 测软件。监视风机的振动量与工艺量变化。诊断室的服务器和诊断微机构成系 统的决策管理层，通过对风机信号的分析诊断决定风机是继续运行还是停车检 修。 系统各个层次的软硬件实现及功能将在以后各章详细阐述。 一集线器 | 1 第三章采集层的软硬件实现 采集层是风机在线监测和故障诊断系统的底层和基础层，其硬件稳定性和 软件可靠性决定后续监测诊断结果的真伪”“。 3 1 监测信号 由于机组故障主要出现在减速齿轮箱一端，因此选择齿轮箱输入轴和输出 轴的轴振作为在线监测的振动信号，同时测量齿轮箱润滑油温度和电机电流作 为在线监测的工艺信号，机组的测点布置如图3 1 所示。 图3 1 机组测点布置简图 3 1 1 振动信号 任何机器的运转都伴随着振动信号的产生，振动信号及其变化包含着反 映机器运行状态的丰富信息，对于判断风机工况是否j 下常和对机组进行综合保 护，监测振动信号是必不可少的1 2 ”。为此，在减速器输入轴和输出轴径向同 一截面上互成9 0 。方向各布置2 个传感器测量两轴轴振，输入轴为i h i v 通道，输出轴为2 h 2 v 通道。 3 1 2 工艺信号 对于监视工况和判断故障，工艺参数如温度、压力、流量、转速、电流、 电压、功率等也是很重要的监测内容。风机在线监测系统选择减速器输入轴转 速( 3 r 通道) 、电机电流( 4 t 通道) 利润滑汕温度( 5 c 通道) 作为工艺信号。 3 1 3 转速信号 风机在j f 常运行下转速波动很小，3 r 通道除测量转速外，更重要的是起 鉴相基准的作用；当机组在启停过程中，3 r 通道跟踪转速的变化以便进行转 速整周期采样，实现机组瞬念过程的监测与分析。 这样，每台机组有7 通道信号，整个系统有3 2 路振动、8 路转速兼相位、 8 路温度、8 路电流，计5 6 通道信号。 3 2 采集层的硬件实现 采集层硬件主要山传感器、前臀：i = 作车f i 、信 ，渊理器、数据采集器等部分 组成。 3 2 1 传感器 传感器选择根据监测信号来确定，应保证其动态范围大于机组该参数的变 动范围并考虑一定的安全系数。 对轴振信号和转速相位信号，采用非接触式电涡流位移传感器来测量； 主要技术指标为： 线性量程；2 m m ， 分辨率：0 1 u m ， 频率响应：o 1 0 k h z ， 线性度：5 ， 电源要求：一1 8 一一2 4 v ， 输出特性：一2 一一2 0 v 。 减速器油温采用热电偶温度传感器进行接触式测量，其测量范围为：- - 3 0 一1 2 0 ，输出为标准信号4 - - 2 0 m a 。 电机电流采用互感器测量，范围为；o 一4 0 0 a ，输出为4 - - 2 0 m a 标准信 号。 3 2 2 前置工作箱 前置工作箱的作用是安装前置器和作为传感器电缆与传输电缆之间的接 口箱。在设计前置工作箱时，根据现场条件主要考虑防水、防震、抗冲击、密 封性等问题；在存在易燃易爆的环境下，还要进行防爆研究设计。 i j 置器是一个电子信号处理器，一方面它为电涡流传感器探头线圈提供高 频交流电流，另一方面，l j 置器感受探头头部由于金属导体靠近或离开引起探 头参数的变化，经过i 置器的处圳，产牛随探头端面与被测体间隙线性变化的 输出电压或电流。 前置工作箱安装在风机j x l 简外壁，如图3 2 所示。 3 2 3 信号调理器 信号从前置工作箱引出后，通过2 0 芯屏蔽电缆，与设置在现场的主控柜 相联，进入信号调理器进行信号 化低通滤波等预处理，然后由数据采集 器进行采集分析。主控柜及信号调理器、采集器如图3 3 所示。 3 2 4 数据采集器 从信号调理器出来的是模拟信号，在被计算机识别前必须经过刖d 转换， 数据采集器完成的就是这部分工作。本系统数据采集器的核心是p c l 一8 1 8 l a d 转换芯片，它的主要技术指标如下：( 1 ) 单端1 6 通道；( 2 ) 分辨率1 2 b i t ；( 3 ) 最火输入量程1 0 v ：( 4 ) 墩商采样频率1 0 0 k h z ；( 5 ) 二! 种触发方式：软件触发、 板载可编程时钟芯片触发和外部触发；( 6 ) 三利数据传输方式：编程传输、中 断传输和d m a 传输。考虑到数掘采集器运行环境的特点：2 4 小时连续工作、 温度高、湿度大和露天工作，数据采集器采爿j 了稳定性和抗干扰能力较强的 p c i 总线结构，底板选用i n t e l 的b x ：艺= 片组。 3 3 采集层的软件实现 采集层的软件主要是对a d 转换芯片p c l - 8 1 8 l 编程其功能要求是信号 转换准确，软件可靠性高。虽然p c l 一8 1 8 l 提供了丰富的底层资源和强大的编 程接口，但采集软件的实现仍需解决下列关键技术问题： 1 为保证信号分析的结果能准确反映机组运行状况，同一机组的不周振动 通道信号需并行采集。 2 合理选择信号采样周期，一方面满足信号分析要求，一方面保证 p c l 8 1 8 l 芯片的稳定运行。 3 选用合适的数据传输方式，使得系统负荷均匀。 4 良好的容错机制，使得采集软件可在数据采集器出错时提示相应错误信 息，方便数掘采集器维护。 5 合理地选择软件运行平台，一方面保证软件丌发的方便、快捷，一方面 保证系统运行稳定。软件的具体流程图如图3 4 所示。 第卤章风机监测诊断系统局域网设计与实施 风机在线监测与故障诊断系统的局域网负责采集数据的传输和用户问通 讯，它是实现远程监测和控制的硬件基础，其运行稳定性和可靠性决定了风机 监测诊断系统的整体性能。 4 1 局域网硬件 4 1 1 传输媒介 1 同轴电缆：i 二j 轴电缆以坝铡线为芯，外包层绝缘材料。用于数字传输 的同轴电缆电阻为5 0 欧姆。同轴电缆不可绞接，各部分是通过低损耗的连接器 连接的。同轴电缆般安装在设备与设备之f n j 。在每一个用户位置上都装备有 一个连接器，为用户提供接口。同轴电缆用于总线为拓扑结构的网络，即一根缆 上接多部机； ，这种拓扑结构适片j j 二机器密集的环境。但是当一触点发生故障 时，故障会串联影响到整根缆上的所有机器，故障的诊断和修复都很麻烦，因此， 将逐步被非屏蔽双绞线或光缆取代。同轴电缆连接的端点距离不能超过1 8 5 米。同轴电缆支持的传输速率为1 0 m b p s 。 2 双绞线：双绞线( t p ：t w i s t e dp a i r w i r e ) 是综合布线工程中最常用的一种 传输介质。双绞线由两根具有绝缘保护层的铜导线组成，与其他传输介质相比， 双绞线在传输距离、信道宽度和数据传输速度等方面均受到一定限制，但价格 较为低廉。目f ；i ，双绞线可分为非屏蔽双绞线( u t p ：u n s h i l d e dt w i s t e dp a i r ) 和屏 蔽双绞线( s t p ：s h i e l d e d t w i s t e dp a i r ) 。屏蔽双绞线电缆的外层由铝泊包裹，以减 小幅射，但并不能完全消除辐射。类似于同轴电缆，它必须配有支持屏蔽功能的 特殊连结器和相应的安装技术。但它有较高的传输速率，1 0 0 米内可达到 1 5 5 m b p s 。双绞线电缆具有以下优点：( 1 ) 重量轻、易弯曲、易安装；( 2 ) 将串扰减 至最小或加以消除；( 3 ) 具有阻燃性；( 4 ) 具有独立性和灵活性，适用于结构化综合 布线。e i a t i a 为双绞线电缆定义了五种不同质量的型号。计算机网络综合布 线使用第三、四、五类。这五种型号如下： j 第一类：主要用于传输语音( 一类标准主要用于八十年代初之前的电话 线缆) ，不用于数据传输。 2 第二类：传输频率为l m h z ，用于语音传输和最高传输速率4 m b p s 的 数据传输，常见于使用4 m b p s 规范令牌传递协议的旧的令牌网。 l ? 3 第三类：指目前在a n s i 和e i a t i a 5 6 8 标准中指定的电缆。该电缆的传 输频率为1 6 m h z ，用于语音传输及最高传输速率为1 0 m b p s 的数据传输，主要 用于1 0 b a s e t 。 4 第四类：该类电缆的传输频率为2 0 m h z ，用于语音传输和最高传输速率 1 6 m b p s 的数据传输，主要用于基于令牌的局域网和1 0 b a s e t 1 0 0 b a s e t 。 5 第五类：该类电缆增加了绕线密度，外套一种高质量的绝缘材料，传输频 率为1 0 0 m h z , 用于语音传输和最高传输速率为1 0 0 m b p s 的数据传输，主要用 于1 0 0 b a s e t 和1 0 b a s e t 网络，这是最常用的以太网电缆。 除此丽外。现在还有一种称之为超5 类的非屏蔽双绞线( u t p ) 布线系统， 通过对它的n 链接”和”信道”性能的测试表明，它超过t 1 a e i a 5 6 8 的5 类线要求。 与普通的5 类u t p 比较，其衰减更小，串扰更少，同时具有更高的衰减与串扰的 比值( a c r ) 辛n 信噪比( s r l ) 、更小的时延误差，性能得到了提高。双绞线支持的 传输距离为1 0 0 米。如果使用放大器和转发器这个距离还可以增大。 3 光纤：光纤和同轴电缆相似，只是没有网状屏蔽层。中心是光传播的 玻璃芯。光纤分多模光纤和单模光纤芯。单模光纤的纤芯直径很小，在给定的 工作波长上只能以单一模式传输，传输频带宽，传输容量大。多模光纤是在给定 的工作波长上能以多个模式同时传输的光纤。与单模光纤相比，多模光纤的传 输性能较差。有两种光源可被用作信号源：发光二极管l e d ( 1 i g h t e m i t t i n gd i o d e ) 和半导体激光i l d ( i n j e e t i o n l a s e rd i o d e ) 。光纤有三种连接方式： 第一，可以将它们接入连接头并插入光纤插座。连接头要损耗1 0 到2 0 的光，但是它使重新配置系统很容易。 第二，可以用机械方法将其接合。方法是将两根小心切割好的光纤的一端 放在一个套管中，然后钳起来。可以让光纤通过结合处来调整。以使信号达到 最大。机械结合需要训练过的人员花大约5 分钊的时间完成，光的损失大约为 1 0 。 第三，两根光纤可以被融合在起形成坚实的连接。融合方法形成的光纤 和单根光纤差不多是相同的，但也有一点衰减。对于这三种连接方法，结合处 都有反射，并且反射的能量会和信号交互作用。 光导纤维是一种传输光束的细微而柔韧的媒质。光导纤维电缆由一捆纤维 组成，简称为光缆。光缆是数掘传输- 1 1 最有效的种传输介质，它有以下几个优 点：频带较宽；( 2 ) 电磁绝缘性能好；( 3 ) 衰减较小：( 4 ) 中继器的间隔较大，通讯 距离长； 当前光缆只能用于点到点的连接。其传输支持的传输率可以为1 0 m 和1 0 0 m 2 “。 4 1 2 连接设备 1 网卡：网卡按接口类型可分为p c ! 、t s a 、u s b 三种，按传输带宽可分 为1 0 m 和1 0 m 1 0 0 m 自适应两利。凼为p c i 接i 1 1 0 m 1 0 0 m 自适应网卡可以 自动识别与它连接的网络歧备u 作速度，不需要人为进行设定就可以自动工作 于1 0 m b p s 或者1 0 0 m b p s 带宽下，还具有不占用c p u 资源的特点，现已成为网 络应用的主流。i s a 网卡由于有网络传输速率低，目占用大量c p u 资源的缺 点，所以它比较适合那些对速度要求不高的局域网。