（机械工程专业论文）便携式状态监测诊断系统的研究及工程应用.pdf

重庆大学工程硕士学位论文中文摘要 摘要 本文针对风机、变流机组等大型旋转机械的结构形式及不间 断运行的生产特点，研制出一套便携式监测和故障诊断系统。该 系统能在监测风机运行状态同时，实现数据采集与分析处理、运 行界面调度、组态参数设置、打印。另外，该系统的精密诊断功 能，包括历史数据回放分析、趋势分析、频谱分析、通频全息谱 分析及振型分析等，能对旋转机械的故障类型、部位、严重程度 以及发展趋势进行分析和预测。在系统试运行期问，对风机进行 了实际的测定及分析，试验效果良好。2 0 0 0 年3 月份，该系统 通过了攀钢( 集团) 公司组织的项目验收，与会专家对系统的实 用性和先进性给予了较高的评价。 一f 本文对比分析了预测维修体制在国内外企业中的应用现状和 发展前景；在建立了旋转机械故障诊断模型的基础之上，对风机 的常见故障类型作了实例分析0 关睦诃：旋转机械、预测维修、故障诊断 重庆大学工程硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t 1 豫sa r t i c l ed e v e l o p e dap o r t a b l ei n s p e c t i n ga n db l o o e yd i a g n o s e s y s t e mf o rt h ec o n s t r u c t i o na n dc o n t i n u o u sw o r k i n gc h a r a c t e r i s t i co f m a n yh u g er o t a t i n gm a c h i n e ss u c ha st h ef a n s w i l i l et h es y s t e mi s n m n i n g , i t a l s oc a l lr e a l i z ed a t a c o l l e c t i n g , d a t aa n a l y z i n g a n d p r o c e s s i n g ，c o n f i g u r a t i o np a r a m e t e r ss e t t i n g , p r i n t i n g ，t r e n da n a l y z i n g , t i m ef i e l da n a l y z i n g , f r e q u e n c yf i e l da n a l y z i n g , h i s t o r i cb l o o e yd a t a f i n d i n g , a l a r m i n g v a l u es e t t i l l ga n ds oo n 1 1 l i ss y s t e mc a na n a l y z ea n df o r e c a s tt h eb l o o e y t y p e 、p o s i t i o n 、 s e v e r i t yd e g r e e a n dd e v e l o p i n gt r e n do ft h e h y d r a u l i cp r e s s u r e s y s t e m d u r i n gt e s tn m n i n g t h es y s t e m 钯s ta n da n a l y z ef o rt h ef a n p r a c t i c a l l y , e x p e r i m e n t e f f e c ti s v e r yg o o d i nm a r 2 0 0 0 ， p a n g a n g ( g r o u p ) c o r p c h e e k a n d a c c e p t t h es y s t e m 1 ke ) 咖 w h oa t t e n dt h em e e t i n g a p p r a i s e t h e s y s t e mh i g h l y f o ri 乜p r a e t i c a b i l i t y a n d a d v a n t a g e ， 嘶sp a p e ri l l u s t r a t e dt h ea p p l i c a t i o no ff o r - m a i n t a i ns y s t e mi n d o m e s t i ca n df o r e i g nc o u n t i e sa n dd e v e l o p i n gd i r e c t i o n o nt h eb a s i s o fs e t t i n g u pb l o o e yd i a g n o s em o d eo ft h er o t a t i n gm a c h i n e s ，i t i x a c t i e a l l ya n a l y z e d t h en o r m a l b l o o e y o f t h ef a n s k e yw o r d s ：r o t a t i n gm a c h i n e s ，c o n d i t i o n - b a s e dm a i n t e n a n c e ， f a u l td i a g n o s i s 1 l 重庆大学丁程硕士学位论文 第一章绪论 第章绪论 随着工业生产与科学技术的发展，机械设备越来越精密复杂，自动化水 平也相应提高，这些设备一旦发生故障，不但设备遭受极大破坏，也将给人 们的生活与生命造成极大威胁。因此，选择合理的设备维修体制，做好设备 的维修管理工作，对于确保安全生产，提高产品质量，节约维修费用，增加 社会效益，都就具有特别重要的意义。 在国内外大多数工业领域中，设备维修体制的发展经历了三个阶段，即 故障维修、定期维修和预测维修，每种维修体制都有各自的长处和不足。故 障维修以“事后维修”为指导思想，是让设备运行直至故障停车才进行维 修的一种维修方式，一般适用于设备价格不高，有多组生产线，发生事故损 失不大，且有备用机组的情况。这种维修方式对较重要的关键设备虽然平均 检修时间最长，但对发生事故难以预料，往往会造成设备的严重损坏，既不 安全又延长了检修时间，维修费用反而加大，而且还有不容忽视的生产损失。 定期维修以“预防维修”为指导思想，是按照预定的时间间隔或检修 周期进行计划修理的一种维修方式。一般适用于产品价格高，大型机组，高 效且无备用和连续性生产过程的情况。这种方式是建立在设备故障率的统计 分析基础之上的，其检修周期远小于最短故障发生周斯，因此可以保证不会 出现设备损坏的严重问题。但是，它往往要使还能运行一段时间的设备停下 检修，减小了产量，增加了维修费用，造成了“过剩维修”，这对于现代化 大型连续生产企业是很不合理的。 预测维修以“状态监测”为指导思想，是对测试结果进行分析处理后， 证明有必要时才安排检修的种方法。它不规定检修周期，但须定期或连续 对设备进行状态监测和故障诊断，并根据其结果，查明设备有无异常或故障 趋势，在必要时进行检修。这种方法根据其投入和产出效果，一般应用于流 程作业或关键设备。它能在设备失效前监测和诊断出存在的故障，并可利用 预测预报技术，较准确地估计出继续运行的可靠时问，因而使设备的适用寿 命最长和意外停机事故的几率最小。同时，还因为控制了“过剩维修”，从 重庆大学 一程硕士学位论文 第章绪论 而减小r 备件消耗和维修工作量，也防止了因不必要检修而出现的人为故 障，达到维修费用虽少的目的。 预测维修的实质是将定期维修发展为定期( 连续) 监测或诊断。据有关 统计资料证明，在生产发展的前提下，合理确定维修费用逐渐成为重要的研 究课题。英国政府对2 0 0 0 家工厂进行调查研究的结果表明，设备管理采用 预测维修技术后，每年可节约维修费用3 亿英镑，而用于预测维修技术的投 资仅为0 5 亿英镑，直接收入为2 5 亿英镑，预测维修技术的投入产出比是 1 ：5 。国内设备管理中采用预测维修技术的工作虽然起步较晚，但一些企业 在实行以预测维修为主的维修制度试点后，仍取得了可喜的经济效益。国内 某基建公司施工处，在执行定期维修制度时，每年所需的维修费用达1 3 0 万 元；实行预测维修制度试点后，全部工程机械维修费用降低3 0 9 6 ；由于避免 了“过剩维修”，修理工作量也降低了4 7 ，经济效益十分咀显。 图卜1 显示了预测维修带来利润的主要组成部分。可以看出，应用诊断 技术，实行以预测维修为主体的维修体制有以下优点： l 、避免“过剩维修”，防止因不必要的拆垂口使设备精度降低， 2 、延长了设备寿命： 3 、缩短维修时间，降低维修费用，提高了生产效率和经济效益： 4 、减少和避免了重大事故发生，不仅能获得巨大的经济效益，而且能 获得良好的社会效益； 5 、合理安排维修时间和计划，使机器停机造成的经济损失降到最低限 度1 2 ( 2 。 。 圈i1 预测维修带来利润的主要组成部分 1 2国内外诊断技术的应用分析 设备诊断丁程学是以诊断信息论为理论基础，这个基础来源于设备劣 重庆大学工程硕士学位论文第章绪论 化理论和信息论，同时又有其相对的独立性和特色。诊断工程学科体系框架 见图1 2 。 诊断原理包括故障机理和诊断数学两大部分。故障机理研究故障信息的 发生问题，目前国内的研究侧重于以下几个方面：零部件之问不协调的机理 ( 如精密机床传动尺寸链精度的劣化) ；信息故障( 软故障) 问题，如电脑 病毒的传播与防治、数控机床的参数设置失误、p l c 控制系统的编程差错： 人员误操作的规律、人的可靠性问题；设备输入异常引起的故障机理：环境 异常的破坏机理，如低温环境引起的液压系统工作失灵，强电磁场对遥测遥 控遥诊遥讯系统的干扰，雷电造成的电力网络事故等。 诊断数学研究的是故障发生之后信息的优选、采集、特征提取、识别、 推理、寻因、定位和预测等系列阶段所必需的数学理论与方法，包括正向 运算和反向运算两大类。正向运算是顺着时间轴的问题，即由前因推至后果， 探求故障后果及影响程度并作出警报和预测。反向运算则是由现状( 故障表 现的症状) 去追究起因，是逆着时间轴的问题，这种反向寻因在故障诊断作 业中占很大的比重。有的复杂问题总是由于事先掌握的有关信息一时还不充 分，需要反复进行正反两个方向的推算才能使结论逐步明朗起来( 先正后反 或先反后正) 。 诊断是从应用的角度提出来的，它涉及确定型、随机型、模糊型、推理 型、智能型、拓扑型、混沌型等一系列广义数学领域而且正在不断的交叉、 融合与发展之中。诊断技术是工程实践手段，包括硬件和软件队及从业人员。 其中单项技术如振动诊断、油液分析、红外技术、激光技术、超声技术、射 线技术等。综合技术是有关单项技术的综合，以便有效地解决某种实际诊断 阔题。诊断系统( 网络) 的设计与实现是高层次的诊断技术，它离不开诊断 理论的指导和计算机技术、信息工程技术的支持，而且只有在充分掌握设备 本身知识的情况下才能很好地完成任务。 在化工、冶金、电力等行业的生产过程中，大型旋转式机械是维持生 产装置安全、稳定、长周期和满负荷运行的关键设各，是生产设备的心脏。 我国自8 0 年代初以来，在设备管理和维修中大力开展状态监测与故障诊断， 取得了巨大的经济社会效益。经过近十年的发展，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一f 具，而凡已成为防止设备事故，保障设备安全、节约维修费用、降低能源消 重庆犬学工程硕士学位论文第一章绪论 扩 展 设计维 计诠修 簖性 性设 精析废 垂 套 遥专 诊家 医系 院统 亏企 损业 分诊 析断 侦智 破能 档 案 设计制造医疗经济公安 矿建 山筑 诊物 断诊 断 应 用 往断 复 机 械 诊 断流电 程气 馨藩 诊 机 电 1 体 化 磊 藩 诊断效益的核算与提高，诊断一维修体制改 革，诊断工程发展模式的确定，规程制定， 各级监澳诊断网站点的组织，人才工程 单项技术，综合技术，诊断人机系统设计、 建筑及运行，诊断信息融合，诊断判据的 优他，诊断步骤的优化，诊断一监测一控制 一体化，遥诊技术，网络技术 故 障 机 理 = 一其它领域知识 ；一各类设备、设施知识 基 础 生息放 的障 产信 故障信息的加工： 采提识推寻定预 集取别理因位测 设备劣化理论 技术经济学、管理学、 教育学 各类测试、分析技术， 仪器知识、计算机技 术、信息工程技术 物理学、化学、力学、 材料学、数学、 逻辑学： 确随模离推进混 定机糊散理化沌 型型型型型型型 信息论 故障根源 图12 故障诊断工程学科体系框架 4 故障信息的特殊性 不不信重 秦鬟霞程 低差 兵器诊断设备诊断 组织实 诊断技术 诊断原理 环境异常输入异常人口荚调 软件信息故障 零件问失调 霉倬劣化 重庆大学工程硕士学位论文第一章绪论 耗、提高产品质量的重要手段。由于对状态监测的认同和致力于创造更大的 效益，国内各企业都结合自身特点，制定了大型机组的管理和维护制度，大 力落实和不断扩展设备诊断技术工作制定了判断准则，经过多年的努力和 开拓，使企业设各诊断技术上升到较高层次，并取得了一系列成果： 1 、9 0 年代以来，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，现在已发展成为多机组、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，也越来越适用于流程化生产的特点和需要。 2 、振动监测在诊断系统的不断推广应用，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，并相互促进和扩大了各种监测技术的 应用领域。 3 、坚持引进新技术，向国外先进水平靠拢，逐步提高设备诊断的准确 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匡i 恩蠢 克( e n t e k ) 公司e x p l o r e 专家诊断系统，并与西南交通大学、兰州大学先 后合作开发了在线智能诊断系统和r o f d 旋转机械故障诊断系统，在工厂监 测工作中发挥了重要作用。 4 、从无到有、从小到大，建立了一支状态监测专业队伍，成立了各种 专业监测诊断协会，使设备状态监澍诊断工作在全国各大中塑企业中不断得 到普及和发展。 但是，国内的状态监测研究与应用仍存在不足之处，主要表现在： 1 、传感器配置不完善。经调查，中国石化系统7 0 的大型机组没有配 置相位传感器。这使得对机组的监澳l 仅停留在频谱分析舟q 水平卜，故障诊断 的唯性和准确性受到很大限制，导致故障诊断更多地是凭经验，而不是依 靠先进的技术分析。雨美国本特利公司推出的应用于大型汽轮机的透平监测 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 简称t s i ) ，除了配 置常规振动、轴位移传感器以外，还增加了模态识别传感器、差胀传感器和 缸胀传感器，增加一类新的传感器在很大程度上就为减少某些重大事故创造 了条件。 2 、监测手段单一。国内很多企业x c g t 组的监测仅停留在简单的时域波 形分析和振动频谱分析，一些先进的分析技术，如倒频谱分析、时频分析、 多传感器数据融合、全息谱技术、轴心轨迹提纯以及小波分析等，来得到广 泛推广和应用。 重庆大学工程硕士学位论文第一章绪论 3 、在应用设备状态监测技术过程中，振动监测开展得较好，但铁谱技 术、红外热成像技术研究应用得不够，往复式机械的监测工作尚未广泛开展 起来。 4 、在管理上，个别企业还未把监测工作纳入设备管理之中，重视程度 不够。与国外相比，国内的诊断技术在对系统配置、振动监测、预知维修、 专家系统、网络化诊断的认识方面存在较大的差距。 5 、在对振动监测的认识上，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，其原因在于转子振型的节点( 零位漂移) 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。这给我们一个启 示：在处理故障是否停机时不能简单地把振动高和机组危险状态联系起来。 6 、国内企业一般把状态监测的重点放在故障分析上，预知维修开展得 并不好，过剩维修仍在继续。国外企业不仅把状态监测用于故障分析，而且 用于机组的可靠性评价。其工作的中心环节是严格设定每台机组不同测点的 窄带报警界限。通过大量采集的数据找出机组的正常频率幅值，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，从而达到节约资 金的目的。 7 、在对专家系统的认识上国内外也存在差异。国内更倾向于把“专家 系统”用于现场，园外则认为“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 t ) 即工程师辅助软件。 实际上，专家系统甚至专家并不能诊断所有故障，“用于培训人”是对专家 系统用途更合理的评定。 8 、在网络化诊断方面，国内一些企业在企业内部建立了在线监测和离 线监测网络，将一些在线监测子站或离线监测仪器联成了网络，但企业之间 并没有建立网络信息联系。美国南部电力公司( s 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 ) 则通过恩泰克公司提供的广域网预测维修p m 软件将公司的3 0 个 电站共9 0 台机组组成一个整体，这种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。 9 、国内的监铡诊断产品设备普遍缺乏必要的技术服务和技术培训，而 国外除r 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，为 用户提供技术培训，创立证书制等。这些技术服务和培训，在国内是很需要 的，但目前仍很缺乏5 6 8 。 重庆大学工程硕士学位论文第一章绪论 1 3 课题的研究内容与意义 攀枝花新钢钒股份有限公司轨梁厂是攀钢下属重点骨干企业，近年来， 随着规模的不断扩大，生产能力进一步提高，对设备运行状态的监控也就提 出了更高的要求。轨梁厂现有均热鼓风机4 台和加热炉风机3 台，大型变流 机组5 套，其中均热鼓风机是为初轧机系统均热炉提供高压风，经预热与 煤气按一定比例混合送到均热炉燃烧，将钢烧到适宜温度送n s l 机中轧制成 一定规格钢坯，加热炉风机的作用与均热炉基本一样：大型交流机组是将外 供交流电经过变流机组转换为直流电，供轧钢电动机，这些设备都是为冶金 部部控大型重点设备，一旦这些设备出现故障，整个生产线就会停产。( 设 备结构见图1 3 ，1 4 ，1 + 5 ) 。 本课题立项以前，轨梁厂采取了三层措施对设备进行检查维护：一是各 级管理人员、岗位作业人员利用自己的经验，通过五官检查法，结合风机各 种参数做定性判断。由于仅靠经验判断，诊断结果差别较大，而且对设备劣 化趋势b 中无底，常常是该修时不修，不该修时又不得不进行例行维修；二 是利用简易的手持式测振仪对设备进行定期测试，分析和记录固定间隔时间 的有关振动的各种数据，建立运行状态趋势图表，作简单的定量分析和状态 判定。这种方法由于受测试者、测试时间、检测方式以及现场工况条件等诸 多因素的影响，所测数据随意性较大，前后数据缺乏可比性，不能准确反映 机器的运行状态和预测设备的劣化趋势，常常出现误报警和误诊断，应用效 果不甚理想：第三，鼓风机是轧机系统的心脏，是重点监测和维护的部件。 由于风机是连续运行设备，停机维修会造成停产影响，因此对风机的维护是 以运行周期为依据，即转子运行二年后，无论性能如何，都要进行大修。轨 梁厂虽然没有因风机而停产，但是攀钢的风机多次发生事故。如1 9 8 9 年1 月】8 日和1 9 8 9 年6 月1 目，由于叶片开裂、动态不平衡，造成炼钢厂转炉 1 号及提钒2 号风机爆炸，使转炉停产达1 0 小时，提钒停产达3 个月之久。 1 9 9 7 年1 月1 8 日，因为叶片掉块( 6 0 0 咖x 6 0 ( i ) 、转轴弯曲，造成严重动 不平衡，致使炼钢厂提钒4 号风机整个机组各联接件被切断并变形，承力的 轴承支座和水泥基础严重损坏，导致电机、耦合器、风机转子报废，经济损 失严重。轨梁厂在总结上述风机事故教训i 时，提出r “要尽快申请安装风 机监测诊断装置，确保设备正常运行”，并于9 9 年向公司机动处申请立项 并得到批准。 重庆大学工程硕士学位论文第一章绪论 一 到 一蹋 二、 燃辫粼鬻黝 到 型号：i ) 2 5 0 - 3 1q 一2 5 “o ，i 扭 一n h 一1 忆一 ll 图l3 均热鼓风机结构图 同步机规格型号tt k z 2 8 6 1 1 6 - i z ，梭宠功串；1 0 9 0 0 睇, 壤定电流：胃0 ，顿定电压：1 0 5 0 0 v , 顿定转速：5 0 蹄 ，分 变蠢发电机氇号：z 旷1 8 0 ，“瑚8 ，张功率：2 3 s 哪，叛定电压；9 0 0 n 颤定电漉：2 9 t 0 。橛定转速：5 0 0 转，丹 图1 4l # 同步机结构图 立项后，制定了便携式故障监测诊断系统应具备以下功能： 将进行数据采集的路线、方案、步骤等编辑在同一表格文件上，该表格文件 称为组态表，它包括需监测的设备名称、编号、测点数量、布置、参数、记 录长度、上次记录值、报警值等。设备测试组态软件包括组态表编辑、回放、 存盘、打印、与其它计算机进行双向通讯等功能，并对信号分析、预测维修 数据库进行管理。 重庆大学工程硕士学位论文 第一章绪论 图1 5s 风机结构图 包括时域幅值域分析、时延域分析、频域分析、传递相干分析、ff t 细化、检波滤波、高通绝对值分析、数字滤波、倒频域分析、三维功率谱分 析等。频域分析时，分析频率可以改变，并在改变分析频率时，增加了数字 抗混滤波功能。l l t 寥, l , ，开发了适用于多测点动态信号综合分析的通频全息谱 分析技术及软件。信号分析结果按照一定的要求自动传输到设备预测维修数 据库中。 故障诊断系统包括数据管理、故障诊断两大部份。所管理的数据包括信 号分析结果中各种图形数据及特征值数据。故障诊断方法包括特征值报告、 窄带报警分析、趋势预报与剩余寿命预估、时问谱阵图、选择性频率趋势罔、 相位变化图、谱比较及差谱分析、综台特征量判别、谱的时域特征最分析、 频率得分法、事故记录等。 9 重庆大学工程硕士学位论文第章绪论 该系统的硬件是由笔记本计算机、美国i n 公司的p c m c i a 型a d 卡、 动态信号调理模块和自行研制的各部件间信号转接件等组成。该系统的硬件 具有积木化特点，可根据用户要求配簧通道数( 2 至2 5 6 通道) 和各种信号 调理模块。由于采用通用的笔记本计算机，系统的软件功能和软硬件接口极 易扩充。在w i n d o w s 9 5 平台一k ，采样m i c r o s o f tv i s u a lc + + 5 0 编程，打 破计算机应用软件面向文件、数据的传统做法，使用户直接面向自己的机组 设备、测点等对象及具体功能。特别是根据现场特点，把设备组态设置、数 据采集、状态监测、信号处理、故障诊断、数据库管理等有机地结合在一起。 用户可以方便地改变主菜单，修改设备的数量和名称。该系统软件既可以安 装在笔记本计算机上，构成便携式多通道动态信号采集及分析系统：也可以 安装在笔记本计算机或台式计算机上，完成动态信号分析及设备状态监测、 故障诊断、数据库管理等工作。整体软件的技术关键主要在速度、精度、功 能、实用性、灵活性、操作简便性等方面，本项目主要是在充分了解国内外 同类产品的基础上，采用结构化、集成化、模块化等软件设计方法，解决以 上技术关键。 系统的维护及系统运行的各种反馈信息能为我们评价该套系统的优劣提 供较客观的依据，从这种意义上讲，系统的研制周规将一直延续到系统运行 寿命的终结。 通过该项目的研制与实施，能最大限度地避免爆炸、飞车等重大事故造 成的人身伤亡、停产和机组损坏，避免由于这些重大事故造成的直接或间接 经济损失；能及时准备备品备件，及时处理有关故障，做到该修就修，无故 障或故障轻微时就不修，放心大胆地运行，从而实现预测维修，使设备维 修费用、设备性能劣化与停机损失费用最低；能为操作人员及时提供信息， 有效支援运行，从而提高了设备使用的合理性、运行的安全性和经济性。 由于，我厂风机及流机组较多，布置较分散，测点较多，采用在线监测系 统开发时间长，而且费用较高。所以，决定采用离线监测系统，定期或不定 期地对各台设备运行状况进行测试。 重庆大学工程硕士学位论文第二章旋转机械故障诊断原理 2 1 故障诊断的实施方法 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很大程度上影响转子的运 动。我们可以认为，旋转机械的大多数振动问题或故障都可以通过测量支承 系统来反映系统的问题。 既然大多数旋转机械的大多数振动问题或故障都可以通过测量支承系统 来反映系统的问题，因此，要求我们主要是通过测量支承系统发现振动故障， 如轴承座或机壳的振动中提取信息。随着传感器和其它电子测试仪器的发 展，对旋转机械的试验研究及运转监测，特别是对转子运动的测试技术都有 了发展，使得我们有可能借助于试验和测基手段更深入地研究旋转机械的振 动问题。 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施措施。 按照诊断的精细程度，设备故障诊断可分为简易诊断和精密诊断。简易 诊断是设各运行状态的初级诊断，驻够对设备的状态迅速作出概括的评价。 它主要由设备现场工作人员通过测定设备的某一较为单一的特征参数，检查 其状态是正常还是异常。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t t l , 检修。一般来说，简易诊断对人员素质要求不高，简单易学， 常作为一种常规性的检查措施。 重庆大学工程硕士学位论文第二章旋转机械故障诊断原理 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 1 所示 为简易诊断与精密诊断的相互关系。 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 图2l 简易诊断与精密诊断的关系 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计算机机以后，对转子支承系统的故障分析 和预测起到了有力的推动作用。利用计算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已形成为一门完 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。 2 2 转子动力学模型的建立 转轴在机械中的作用非常重要，同时它也是影响机器正常运行的主要因 素。转轴的速度一直在向越来越高的方向发展，作用于轴承、基础以及其它 相应零件上的动载荷也随着转速的提高而增加，因此，无论在工厂还是在试 验室，人们都极其关注转轴的牢固性。转轴一旦开始振动超常，就有可能造 重庆大学工程硕士学位论文第二章旋转机械故障诊断原理 成严重的破坏。 由于有许多能产生干扰的振源，轴的转动不是纯转动。干扰运动可能有 许多形式，如轴向的、横向的、以及扭转振动( 见图2 2 ) 。一根转轴可能 有许多振动现象共存，所以轴的运动可以是强迫振动、瞬态振动和自激振动 ( 见图2 3 ) 。 莘一静 a ) 以速度w ( t ) 绕自身轴作纯运动 b ) 干扰的扭转振动 c ) 包含横向及角度变形的横向干扰振动 d ) 干扰的轴向振动 图2 ，2 轴的动态现象 在制造过程中，轴可能存在弯曲、不圆度或不平衡，从而在离心力作用 下产生强迫振动。在运动中，热的影响、磨损或使用条件也能产生不平衡。 另外还有一些形式的振动是由设计者造成的，例如普通发电机转子由于紧配 合零件产生的内摩擦，这些因素都能产生转轴的自激振动。支承转子的轴承 对转子的运动也有很大影响，转轴可以由于滑动轴承中流体或空气动力的作 用产生自激振动。这些情况使得对转子动态特性的研究不仅是必要的，而且 是非常复杂的。在过去几十年中，由于近代仪器和监测方法在控制机械振 动中日益广泛的应用，已积累了丰富的关于转子动态状况的记载。这种以实 际机器的状况为基础的分析有助于建立所研究的现象的较正确的数学模型。 数学模型通常是以理想化的方法反映最主要的现象，把全部的或多数的次要 现象忽略掉，对数学模型的研究可以帮助我们进行动力学的“参数”分析， 这样就能够预见机器发生非正常现象时一些参数的数值范围。每一种动力学 现象都可以用最简单的数学模型单独进行研究，这样做容易得到解析的、定 性的和定量的结果，还可以对它们在复杂情况下适用性的限制做出评价。 重获大攀王程硕士学毽论文第二二窜旋转嚣l 辕被障诊断聚理 转予的结构形式多种多样，但对一些简单的旋转机械来说，为分析和计 算方硬，一般都将转予鹣力学模型籀纯为一毽盘装在一无囊鬃的弹性转予 上，转辘两端由霞g 程黼承及辘承癜支承。该模型称为嚣性支承瓣转子，对 它进行分析计算所得剥的概念和结论用于简单的旋转机械是足够精确的。由 于作了上述的种种简化，若把得到的分析结果用于较为复杂的旋转机械虽然 f e 豳2 3 转子振动的各种形式 a ) 强迫的b ) 瞬淼的c ) 自激的 外界激振力中有零平衡揍牲力、黧力、流体匿力、各种扭矩等； 量转换瓤梅霹瑗是轴承秘密封孛动力、强毒攘、鸯摩擦、电辊串电动力等。 不够精确，但仍能明确、形象地说明转子振动的蒸本特征。一般情况下，旋 转机械的转子轴心线怒水平的，转予的两个支承点在同一水平线上。设转予 上豹圄擞位子疆支点躬中央。当转予静止对，出乎疆蠡豹覆量镀! 转子轴弯艟 交形产黛静挠度，帮嚣嶷形，餐由予静变形较夺，愆转子运臻鞠彩旗不显著， 可以忽略不计，即认为圆盘的几何中心0 与轴线 b 上0 点相重台，如图2 4 所示。 1 4 重痰大学工程硕士学位论文第二肇旋转祝械敞簿诊繇蒙瑾 y 图2 4 单圆盘转子 当转子汗始转动稻，由予离心馔毪力的俸餍，转子产生葫巍炭，其簿径 为r 。此时，转子有两种运动：一种怒转子自身的逶动，即圆盘绕其轴线a o b 的转动；另一种是弓形转动，即弯曲的轴j 0 线a o b 与轴承联线a o b 组成的 孚覆绕躺辘线赘转动。 圆舷的质量以m 袭承，它所受的力是转子的弹性恢复力f f=一kr(式2_1) 式中k 为转子弼魔系数，问o 。躁盘豹转予微分方程为 鬈。鲁2 一： c 式2 - 2 ) 令 m y 2 0 2 一掣j w ：= k m ，剥有 譬+ 2 x = o l j ) + 2 y = 0 j 它驰瓣霹以写撑： x = x c o s ( w 。t + 。) l y = y s i n ( i ，。t + 庐y ) j 一一( 式2 q ) 英中羰蕹x ，y 器湖裙盘友、东鄂写超戆熬缀动凌态鸯关e 由( 式2 - 4 ) 可知，圆盘和转予的中心0 ，在置相垂壹的两个方向作频 率为w 。豹茂谐振秘。在一般愤况下，振螭x ，y 不相等，o 点的轨迹 重庆太攀l ：程硕士学使论文第二宰旋转辍械媛簿诊羝蒙瑾 为一椭圆。o 的这种运幼称为“涡动”或“进动”。 为分 9 子其进动情况，将( 式2 - 3 ) 毁写为复数形式 z + ? z = 0 式q 3 z = x + i y ； 英瓣篾 z = b l e 。w 一。+ 嚣：g 叫w 一 一 ib 。i点0 作难向涡动 b 。嚣。轨迹为椭圆 i b ，i 式，可缮； = ac o s 娌s i nw t + as i n 口c o sw t = a s i n ( w t 一球) 式中，a 【i j ( 式2 - 9 ) 表示，a 由( 式2 - 1 0 ) 式表示。 由魏霹翔：廷个频率糖同翦筵谴攘裁，沿阉一方囱进行辩，合成嚣仍是 一个相同频率运动的谮振动。 两个以上同频率的简谐振动也可用上述方法进行合成，设谢k 个谐振 动： x = 爿s i n ( 埘+ a ) 其合成振动可表示为：x = as i n 0 + 倪) 式中：“= a 。s i n 群= a r c t gj 产一 a 。c o s d 。 n2 l 2 、当两个频率不同，相位不同的简谐振动的合成时： 令i = a l s i nw t 十1 ) ，2 祟a 2 s i n 扣2 f + 掰2 ) 箕会戏运瑟秀： x = z t + 2 一a ls i n t f + 群1 ) + a 2s i n ( w 2 t + 拄2 ) = a ls i n ( w l r + d ，) + a ：s i n ( w l t + d 。) + ( w 2 一w i l + q 2 一甜。) 】 ) ) l 2 岱 搿 + + 和积 黧渤z 矗 = = l 2 z r 重庆大学工程硬学蕊论文第二：二章藤转援撇放簿诊藩蘸嚣 瑞s i n ( wj t + 麟1 ) 臼l + a = si ( w2 一w i ) t + ( a2 一口i ) j 牛s i n ( w ， + 盘l + 石，2 ，a2s i n 嚣秽2 拇 ) ( 群一群l l 惑，h 式茸以看出，嚣拿雨露额攀的谐振砖合成，可敬蛰棒燕由稻蕊蕊 a 。+ a ic o s 【( w2 一w 。l ，+ 0 2 一群i ) 】和彳2 鼢队2 一w l 沁+ ( 口2 一日1 ) 】 以及相缀为强和口2 + ，r 2 的两个j 礴频率振动合成。 英会戏结莱鸯； 茁= 名毒) s 淑啼，t + a l + 捋囊) 】 式中；撕) = 髫+ a ；十2 4 4 c o s 瞄：一w 1 + 如：一口1 ) 】 鳓) = 者瓣幕龋 由上两式可以肴i ： i ，其合成振渤的振幅和相位榔随时间变化，已经不是 谤装动。褥基当嚣谐摄凌蠹弼l 搴帮越不太豹整数对，其台成摄渤是避雾攒j 曩 凄，蒸蕊麓兔嚣警努翮锺矮夔最，j 、势嵇鼗。 3 、两个撤动频率比较接近，即其麓0 = w ：一w ，) 逯小于w ，和w 的情况： 设：x i = a is i n 和l i + 9 1 ) ，譬：= - a 2s i n 2 + 群2 ) ； 舔。啦+ 占； 则搿2 = a 2s i n i # + ( 厨+ 如) ) ，即把疋糟作耧置具有榭附的频率， 相位噼十啦) 随时间避舒缓慢的变化遮动，其合成运动为： 茗。菇l + 茗2 。a ls i n ( w 4 + a 1 ) + 每s i n 和l t + 彝撵2 势 令：并s 蠢每) s i n 融。，+ 口章麓 平q 用硒频率的两个谐振动合成的公式( 2 - 9 ) 、( 2 - m ) 可得： 蠢每) = 童? + 蠢；2 a i a 2 溉 2 一玎；鸷 螂盼篙并糍嘲 可嫩这糖合戏振渤近戳于正弦搬动，理其掇幅髓对稠发雯燮纯。出( 式 i i 可鲡： c o s 融+ ( 靠2 - m 口1 ) 】= l 时， a + a z 一喁= 2 n n ( n _ o 、1 、2 - - - - - ) 或= 2 竹硝一o ：一甜多f 时，搦妪达到最大使，其值为：呜斗4 ； i 9 重痰太攀王程硬士学蹙论文第二二譬旋转斌械敬簿诊断滠毽 当o o sb + ( 口2 a 1 ) 】= 一i 时，即 ：撵筇+ z 一群：一a ，蹿，振添达翻鼗，l 、徨，葵 鬻为 a “= 一l a2 这种振幅在最大值( 一：+ a ) 和最小值0 ，一a ，) 之间作周期变化 魏现象蠲骥“撩擐”。 4 、互桶獯直的两个谮搬动的台成 令；x = a s i n ( w l t + o t l ) ，y = b s i n ( w 2 t + t z 2 ) 一( 式2 - 1 2 ) 其念成结果与频率w ；，w ：和栩位。；，码有关，合成得到的圈形称为李萨 弯黧影。当w ，= 毪瓣，走式2 - 1 2 ) 毒： 消去( 式2 - 1 2 ) 中时间参量t 褥到： ( 争2 + ( 一2 罟c o o ，飞i l l 2 ( 一般来说，上述方程是一个耩鬻，蠢鸯褒点豹经移x 、￥在露黻范整内 变动，则椭圆不会超出2 a 和2 b 为边的矩形。同时，椭圆长短轴的大小和方 向由相位差( 啦一q ) 决定。 5 、谐波分叛 筒谐振动是餍翘稳振动最麓攀豹形式，在实际阉蘑中更多鹣蹙j # 蕊谐蛇 周期性振动。周期振动只要满足以下条件，也可以分解为简谐振动，条件是： 1 ) 函数_ 在一个周期内连续或只有有限个简短点，而且间断点上函数的左右 极驻黎孬在；2 ) 在一令蹋蘩蠹哭毒蠢限令援大裁壤，j 、毽。把一个潢是上述 条律的瘸髑函数展开成傅立时级数，亦鼯展开成一系列简谐函数之和，称为 谐波分析。谐波分析题频谱分析的熬础。 设有一周期性函数冀ff ) 它的周期为t ，可以展开成傅立叶级数。 x 0 = - “g 。- + 8 lc o s w t + 拉2 c o s2 w t + 魏s i n w t + b 2s i n w t + = 睾+ 0 。c o s n w t + 吒s i nn w l ) 吼 呜 - 譬 妇 w 埘 毫 州 薹 _ 釜 埘 嘲 鬟 = | f x a r 一嚣 囊庆丈学王撵颀学位谂文 第一窜旋转辊械敬漳诊断藤理 式中w = 三t 生称为基频，m ( n = 1 ，2 ，3 ) 称为倍频，甜。为静态 分量t 8 。，6 。均为待定常数，融f 式确定： a 。= 歹2 毛t 雄) c o s ”删 吒= 吾弘临删 2 3 ，2 毒錾蠲期痿号 非周期信号包括准周期信号和瞬变非周期信号。 兹掰的分帮子说明：蠲期信号可以分解蔻一系列频率或正蹴翦芷弦波痿 号，反之，冗令颓率成歪昆静信号瞧掰鼓台威竞一个露麓信号。然褥，任意 的两个或几个正弦波之和，一般不会组成周期信母，只有每一对频率之比都 是有理数时，才能合成周期性信号，因为只有这样，其基本周期才存在。当 分解菇号的频率之毙不全为骞理数露，这样豹信号称兔准蠲絮镲号，可爨如 下形式采擒述： 旦 x ( f ) = 。s i n ( w t + 吼) n = l 式中k 冁觳不等于骞毽数。魏袋在准弱藕藩弩中忽略穗蘩纸，羹| j 上式 可用图2 6 所示的离散谱表征，其频谱和周期信号频谱的差别只在于各个频 率不再是肖理数的关系。 重庆大学工程硕士学位论文第二鬻旋转梳藏馥障诊断骧理 | f ) | 振 幅 o 颤攀 f 图2 6 准周期数据的频谱 图2 7 瞬变非周期信号的频谱 赡变# 周期信号攒除准周期信号以外的非周期信号，一般持续时间较 短，蠢甓簸豹嚣臻亵臻慕，哥耀菜嚣雩交夔数送行攘逑。瓣交j 摹矮麓售号不裁 象周勰精母那样用离散谱表示，其谱结构为傅立卧积分所表示的连续谱，如 图2 7 所示。 傅立时变换是进行频率结构分析的重要工具，窀可以辨别或隧分组成任 意滚形懿一些不蠢菝攀瓣芷弦波霰当煞各自獒振禳。薅薄立靖蒸变换( f f t ) ， 有 f ( w ) = j 雄弦一勰 对傅立叶逆变换( i f f t ) ，有 癣) = 去p 咖“馥 式中，x ( t ) 是被分解的正弦波之和的波形，f 为x ( t ) 的傅立叶变换， i ：厅。 投攥敬控公式：g “= ) o s w t 主i s i n w t ，邀可以粥实谤雾黟攫谱i 渤 的形式表啄f f t 结果： f ( w ) = 尺( w ) 一i i ( w ) 其中： 重庆大学工程硕士学整论文第二攀旋转祝械敬障诊断原理 ， r ( w ) = la f r o c o s w t d t 伽) = f 嵩( t ) s i n w t d t 峦越霹笼，薅立砖变歉黾炎薅域瓣蒺蠛，或从颓域至靖域熬信号转换， 并无信息损失，所不闻酶只是表达方注。 三、随机信号 随机信号不能用确定的时间函数来表示。对同一事物的变化过程独立地 重复逶孬多次蕊嚣，聚褥弱信号是不鞫豹，波形在凳疆长嚣圣阕蠹不会重复。 尽管随机信号每次都不闻，但可对其总体规律进行研究，取其平均性质，这 就需要用概率统计的方法进行分析。 随机_ 过程可分为平稳随机过程和嚣平稳随机过程。知果信号的样本均值 以( f 1 ) 耧囱稽关函数致瓴，f i + r ) 7 6 随时闻酶改变褥交往，诧嚣尊随梳过程 x ( t ) 称为广义平稳的随机过程，反之为非平稳随机过程。 多数没备在正常运转对的信号可默看终对警稳的。对于广义警稳过程， 均篷是常数，自耱关露数饺与爵闻彼移有关，帮 u a 6 ) = 以，取( ，t t + f ) = 魑( r ) 这样，貔们就可以用任意一条样本曲线按时问平均的均值和自相关函数 寒表示总镩均篷襄慧傣鑫籀美函数。突嚣土，许多馈形下麴工稷绩号都可班 认为是备态历经酶乎稳随税信号。 随机信号的分析，主要采用概率和统计的方法，通过幅值统计平均计算 概率密度，