（机械电子工程专业论文）轧辊故障智能预测及诊断系统研究与开发.pdf

一一一一 a d 摘要 摘要 轧辊是轧机的重要部件，其功用是在轧制生产中直接与金属接触，使金属产生塑 性变形；轧辊由各类轧辊轴承支承。珠钢c s p 生产线所用的进口轧辊承价格昂贵，工 况恶劣，承受负荷大，磨损严重，故障机理复杂，加上随机参量的干扰，这给轧机向 高速、重载、高精度、连轧化和自动化发展带来较的影响。因此，实现对轧辊的故障 预测与诊断，保障设备安全、稳定、高效的运作，对保证产品质量、降本减耗显得必 要，在理论上也具有重要意义。本课题的主要研究目标是，根据企业提供的故障症状 和现象，研究产生轧辊故障的主要因素，利用这些主要因素实现对轧辊故障的有效预 测，并完成轧辊故障预测与诊断系统的研究开发。 首先，综述了课题的研究背景、来源，故障智能诊断的发展历史及目前国内外轧辊 故障智能诊断的发展现状和趋势。分析了轧机的结构特点、运行机理后，深入研究了 轧辊故障的主要产生因素；阐述了故障的主要模式及提取有效参数的方法。为开展轧 辊故障预测与诊断系统的研究开发奠定了基础。 然后，运用m a 廿a b 分析工具，采用比较的方法逐步深入研究，在讨论传统b p 网 络法、动量梯度下降法、g r n n 等方法存在各种预测缺陷后，提出了构造新网络模型 的思想t 在各节点的权值或阀值达到最优值后，再将冗余的权值或阀值剔除掉。于此 基础上，建立了基于b a y e s i a n 的b p 神经网络预测法，实现了对轧辊故障快速和准确 的预测，达到了本课题研究的目的。 其次，研究了模糊处理方法，在加权统计故障理论的基础上，设计了模糊逻辑推理 器，即将预报的模糊数据清晰化处理。使用最小二乘法优化处理后，再将输出的结果 与故障库中的故障进行匹配，有效的预测出了轧辊将产生的故障。 最后，在用户需求的基础上，确定了开发系统的方案。依据故障库中各单元的关系， 建立了e r 模型，并将s q ls e r v e r 2 0 0 5 作为后台管理库，v b n e t 作为系统的开发语 言，应用动态链接库链接访问m a t l a b 的m 文件，最后完成了系统的设计开发。对轧辊 故障智能预测与诊断系统进行测试验证，基本达到了预期目标。 关键词：智能预测；b a y e s i a m 权值；加权统计；模糊推理；e - r 模型 广东工业大学工学硕士学位论文 a bs t r a c t r o l li sa ni m p o r t a n tc o m p o n e n to fr o l l i n gm i l l ，w h o s ep u r p o s ei st om a k et h er o l l c o n t a c tt h em e t a ld i r e c t l yi nt h er o i l i n gp r o c e s sf o rp r o d u c i n gp l a s t i cd e f o r m a t i o no ft h e m e t a l r o l l sa r es u p p o r t e db yv a r i o u sk i n d so fr o l l - b e a r i n g s t h ei m p o r t e dr o l l sw h i c ha r e p a r to fc s pp r o d u c i n gl i n ea r ee x p e n s i v eb u tw o r ki nt h ec o n d i t i o no fh e a v yl o a da n ds e v e r e w e a r t h ef a i l u r em e c h a n i s mi sv e r yc o m p l e x ，p l u st h ei n t e r f e r e n c eo fr a n d o mp a r a m e t e r s ， w h i c hb r i n gg r e a t e ri n f l u e n c eo nt h ed e v e l o p m e n to ft h er o l l i n g - m i l lf o rh i 曲- s p e e 也h e a v y d u t y , h i g hp r e c i s i o n , r o l l i n ga n da u t o m a t i o n t h e r e f o r e ，i ti so fg r e a ts i g n i f i c a n c et or e a l i z e t h ef a u l tp r e d i c t i o na n dd i a g n o s i so fr o l li nt h e o r y , w h i c hi sn e c e s s a r yt oe n s u r ee q u i p m e n t s a f e ，s t a b l ea n de f f i c i e n to p e r a t i o n , y e tt oe n s u r ec o s tr e d u c e d t h i sp a p e r i st or e s e a r c ht h e m a j o rf a c t o r st h a tc a u s er o l lf a u l ta c c o r d i n g t os i g n sa n dp h e n o m e n ao ft h er o l l i n g - m i l lg i v e n t h e n , t h i sp a p e rc o m p l e t e st h es t u d ya n dd e v e l o p m e n to ft h es y s t e mo fp r e d i c t i o na n d d i a g n o s i sf o rt h er o l lf a u l t f i r s t , t h ep a p e rr e v i e w st h er e s e a r c hb a c k g r o u n d ，o r i g i n , h i s t o r yo ft h ed e v e l o p m e n to f i n t e l l i g e n tf a u l td i a g n o s i s ，s t a t u sa n dt r e n d so ft h ed e v e l o p m e n tb e t w e e nn a t i o na n da b r o a d f o rt h et o p i c t h ep a p e ra n a l y z e st h es t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h er o l l i n g - m i l la n dr u n n i n g 一一 m e c h a t t i 季- m _ d e e p l y - s t u d i - e - s 幽e - m a i nf a c t o r sp r o - d u e i n gr o l l f a u l t ；+ d e s 删e m em a i n l n o d e 刁i f - f a u l ta n dt h em e t h o do fe x t r a c t i n ge f f e c t i v ep a r a m e t e r s i th a se s t a b l i s h e dt h ef o u n d a t i o nf o r c a r r y i n go u t t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tf o rt h es y s t e mo fr o l l e rf a u l tp r e d i c t i o na n d d i a g n o s i s t h e n , t h ep r e d i c t i n gs y s t e mm a k e sm a t l a ba sa na n a l y s i st 0 0 1 g r a d u a l l y , t h es t u d y d e e p e di n t ot h et o p i cb yt h ew a yo fc o m p a r i s o n a f t e rd i s c u s s i n gt h ed e f i c i e n c i e se x i s t e si n v a r i o u sk i n d so fm e t h o d s ，f o ri n s t a n c e ，t r a d i t i o n a lb pn e t w o r km e t h o d ，m o m e n t u mg r a d i e n t d e s c e n tm e t h o d ，g e n e r a l i z e dr e g r e s s i o nn e u r a ln e t w o r k , e g i tp r o p o s e st h ei d e at oc o n s t r u c t t h en e t w o r km o d e l ：a f t e rw e i g h t so rt h r e s h o l d si ne a c hn o d ea t t a i n i n go p t i m a lv a l u e ，t h e nt h e w e i g h t so rt h r e s h o l d so fr e d u n d a n c yt ob ew e e do u ti nt h ep a p e r i nt h ee n d ，t h ep a p e r c o n s t r u c t st h eb pn e u r a ln e t w o r kb a s e so nb a y e s i a n , r e s u l t si nf a s ta n da c c u r a t ep r e d i c t i o n f o rt h er o l lf a u l t , a c h i e v e st h ep u r p o s eo fr e s e a r c h i n gt h er o uf a u l t a b s t r a c t n e x t , t h ep a p e rs t u d i e st h ef u z z ym e t h o d ，b a s e so nt h ew e i g h t e ds t a t i s t i c a lt h e o r y ， d e s i g n saf u z z yi n f e r e n c ed e v i c e ，t h a ti s ，c l e a r st h ef u z z yd a t aa f t e rp r e d i c t i n gp r o c e s s o p t i m i z e sp a r a m e t e r sb yu s i n gt h el e a s ts q u a r e sm e t h o d t h e n ，t h r o u g hm a t c h i n gt ot h ef a u l t l i b r a r y ，i tg i v e so u tt h en e a r e s tr e s u l t sf o rt h er o l l ，w h i c he f f e c f l yp r e d i c t sw h a tw i l lh a p p e n o nt h er o l li n 也ef u t u r e l 戤b a s e s0 1 1t h eu s e r s n e e d s ，t h ep a p e re n s u r e st h ef o r m u l ao fd e v e l o p i n gf o rt h e s y s t e m a c c o r d i n gt ot h er e l a t i o n s h i pa m o n gt h ev a r i o u su n i t si nt h ef a u l tl i b r a r y , e r m o d e li se s t a b l i s h e d t h e n , u s es q ls e r v e r 2 0 0 5a sm a n a g e m e n td a t a b a s e ，v b n e ta sa l a n g u a g eo fd e v e l o p i n gs y s t e m t h es y s t e ml i n k st om f i l et h r o u g hp u b l i cd y n a m i cm o d u l e t h ep a p e rc o m p l e t e st h ec o n s t r u c f i o ha n dd e v e l o p m e n tf o rt h e s y s t e ma tl a s t t h r o u g h t e s t i n ga n dv e r i f y i n gt h es y s t e mo fi n t e l l i g e n td i a g n o s i sf o rp r e d i c t i n gt h er o l lf a u l t , g e n e r a l l y ，t h er e s u l t sa c h i e v e st h ee x p e c t e dg o a l k e yw o r d s ：i n t e l l i g e n tp r e d i c t i o n ；b a y e s i a n ；w e i g h t ；w e i g h t e ds t a t i s t i c s ；f u z z yr e a s o n i n g ； e rm o d e l i i i 广东工业大学工学硕士学位论文 目录 摘要。i a b s t r a c t 目录 c o n t e n t s v i i 第一章绪论1 1 1 课题研究背景与意义1 1 1 1 课题研究背景。：。1 1 1 2 课题来源2 1 1 3 课题研究意义2 1 2 国内外研究现状3 1 3 本课题主要研究内容5 第二章轧辊工作机理与试验参数的采集6 2 1 热轧板材生产线及技术特点6 2 2 单位轧制力理论7 2 2 1 计算单位压力的t 卡尔曼微分方程8 2 2 2 单位压力卡尔曼微分方程的a 采里柯夫解8 2 3 轧辊振动频率与轧速的关系1 2 2 3 1 轧辊振动频率：1 2 2 3 2 振动频率与轧速的关系1 3 2 a 轧辊的故障模式1 3 2 5 参量采集系统j 1 4 2 5 1 轧辊参量采集系统概述：1 4 2 5 2 采集系统的组成1 5 2 5 3 参量的监测采集试验1 5 2 6 本章小结2l 第三章轧辊故障预测网络模型的建立2 2 3 1 神经网络模型：2 2 目录 3 1 1 神经网络概述2 2 3 1 2 神经网络基本原理j 。2 2 3 1 3 传统b p 神经网络预测试验2 7 3 1 4 动量梯度下降法试验3 0 3 1 5 广义回归线性神经网络试验3 3 3 2 基于b a y e s i a n 的b p 神经网络3 5 3 2 1b p 网络预测误差分析3 5 3 2 2 正则化方法3 6 3 2 3b a y e s i a n 正则化推理3 7 3 2 4b a y e s i a n 神经网络的故障预测试验与分析_ 3 9 3 3 训练算法确定4 2 3 4 本章小结4 2 第四章轧辊故障模糊推理与诊断的研究4 3 4 1 模糊逻辑控制理论4 3 4 1 1 模糊数学的产生与发展4 3 4 1 2 模糊控制的特点及展望。“ 4 2 模糊控制的基本原理4 4 4 2 1 模糊控制的基本概念4 4 一一4 2 2 模糊逻辑推理一。一。一。：。! 。! ! 。，一。一。! 。4 6 一一 4 3 模糊试验系统的建立。4 9 4 3 1 模糊逻辑试验原理5 0 4 3 2 模糊语言的选取5 0 4 3 3 加权统计的隶属函数确定5 0 4 3 4 模糊诊断矩阵的构造5 2 4 4 故障诊断模型的修正。：5 3 4 5 模糊推理模型的设计5 4 4 6 试验分析：5 6 4 7 本章小结j 5 7 第五章诊断系统的软件开发5 9 5 1 系统需求分析5 9 v 广东工业大学工学硕士学位论文 5 1 1 系统功能需求分析5 9 5 1 2 系统用户类别分析5 9 5 1 3 软件的开发环境6 0 5 1 4 可行性分析与方案的确定6 l 5 2 系统数据库的设计6 2 5 3 系统主要功能模块的设计6 2 5 3 1 人机界面模块设计6 3 5 3 2 用户管理模块6 5 5 3 3 故障库管理模块6 6 5 3 4 故障学习模块6 7 5 4 诊断系统应用实例6 9 5 5 本章小结：7 2 总结与展望7 3 一、总结7 3 二、展望7 4 参考文献7 5 攻读硕士学位期间发表的论文7 8 独创性声明7 9 致谢8 0 v 1 c o n t e n t s i ii ii m c o n t e n t s a b s t r a c t ( c h i n e s e ) i a b s t r a c t ( e n g l i s h ) i i c h a p t e r 1i n t r o d u c t i o n i v c h a p t e r1i n t r o d u c t i o n l 1 1t h eb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c eo f t h es u b j e c t 。l 1 1 1t h er e s e a r c hb a c k g r o u n d 。l 1 1 2n l eo r i g i no f t h es u b j e c t 2 1 1 3r e s e a r c hs i g n i f i c a n c e 2 1 2r e s e a r c hs t a t u so f t h es u b j e c ta td o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a ll e v e l 3 1 3m a i n t o p i c s 5 c h a p t e r2r o l l sw o r k i n g m e c h a n i s ma n dc o l l e c t i n gp a r a m e t e r sf o re x p e r i m e n t 6 2 1h o t - r o l l e ds h e e tp r o d u c t i o nl i n ea n dt e c h n i c a lc h a r a c t e r i s t i c s 一。6 2 2u n i tr o l l i n gf o r c et h e o r y 7 2 2 1t k a l n l a nd i f f e r e n t i a le q u a t i o n sf o rt h eu n i tp r e s s u r e _ 。8 2 2 2 u e m m o b a hs o l u t i o nt ou n i tp r e s s u r ek a l m a nd i f f e r e n t i a le q u a t i o n 8 2 3r a l a t i o nb e t w e e nr o l l sv i b r a t i o nf r e q u e n c ya n d r o l l i n gv e l o c i t y _ 12 2 3 1r o u sv i b r a t i o n 盘e q u e n c y 1 2 2 - 3 2r a l a t i o nb e t w e e nv i b r a t i o nf r e q u e n c ya n dr o l l i n gv e l o c i t y 13 2 4r j o l l sf a i l u r em o d e 13 2 5s y s t e mo f p a r a m e t e r sa c q u i s i t i o n 1 4 2 5 1t h eo u t l i n ef o rs y s t e mo f p a r a m e t e ra c q u i s i t i o n 一1 4 2 ! ；2c o l l e c t i o ns y s t e m 1 5 2 5 3e x p e r i m e n to f m o n i t o r i n ga n da c q u i s i t i o nf o rp a r a m e t e r s 15 2 6m a i nt o p i c s 21 c h a p t e r 3e s t a b l i s h m e n to fp r e d i c t i o nm o d e ln e t w o r kf o rr o l lf a u l t 2 2 3 1n e u r a ln e t w o r km o d e l 2 2 3 1 1o u t l i n eo f n e u r a ln e t w o r k 2 2 v t l 一 。 垒兰窒兰墼璧丝丝兰一 3 1 2t h eb a s i cp r i n c i p l eo f n e u r a ln e t w o r k 2 2 3 1 3b pn e l l 阳ln 咖，o r kt e s t 2 7 3 1 4m o m e n t u mg r a d i e n td e s c e n tt e s t 3 0 3 1 5g e n e r a l i z e dr e g r e s s i o nn e u r a ln e t w o r k t e s t ：3 3 一 3 2b pn 唧a ln e 疰w o r kb a s e do nb a y e s i a n 3 5 3 2 1e 玎0 ra n a l y s i so fb pn e u r a ln e t w o r k ；3 5 3 2 2r e g u l a r i z i n gm e t h o d 3 6 3 2 3b a y e s i a nr e g u l a r i z a t i o ni n f e r e n c e 3 7 3 2 4b a y e s i a na n a l y s i so ff a u l tp r e d i c t i o nt e s tf o rn e u r a ln e t w o r kb a s e do n b a y e s i a n 3 9 3 3a l g o r i t h md e t e r m i n a t i o n 4 2 3 4m a i nt o p i c s 4 2 c h a p t e l 4r e s e a r c h o nf u z z yi n f e r e n c ea n dd i a g n o s i sf o rf a u l t - 4 3 4 1f u z z yl o g i cc o n t r o lt h e o r y 4 3 4 1 1n a i s s a n c ea n dd e v e l o p m e n to fm a t h e m a t i c s 4 3 4 1 2f e a t u r e sa n dp r o s p e c t so ff u z z yc o n t r o l 4 4 4 2b a s i cp r i n c i p l eo ff u z z yc o n t r o l 4 4 4 2 1t h eb a s i cc o n c e p to ff u z z yc o n t r o l “4 4 一4 2 2f l i 乏两l o g 证亩衔萌i 乏西一二= 二：= ：= = ：= = ：= = ：= = = i ：i ：二：4 亏 4 3e s t a b l i s h m e n to f f u z z ys y s t e mf o rt e s t 4 9 4 3 1p r i n c i p l e so ff u z z yl o g i ct e s ts y s t e m 5 0 4 3 2f u z z yl a n g u a g es e l e c t i o n 5 0 4 3 3m e m b e r s h i pf u n c t i o no fw e i g h t e ds t a t i s t i c sd e t e r m i n a t i o n 5 0 4 3 4c o n s t r u c t i o no ff u z z yd i a g n o s i sm a t r i 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u m m a r y 7 2 c o n c l u s i o n sa n dp r o s p e c t s 7 3 r e f e r e n c e 7 5 t h el i t e r a t u r e sp u b l i s h e dd u r i n gp e r i o do fs t u d y i n gf o rm a s t e rd e g r e e 7 8 d e c l a r a t i o n 7 9 a c k n o w l e d g e m e n t 8 0 第一章绪论 1 1 课题研究背景与意义 第一章绪论 1 1 1 课题研究背景 经过几十年的发展，中国冶金轧辊制造业不断壮大，仅以铸铁轧辊为例，轧辊材 质由2 0 世纪6 0 年代的球墨铸铁和合金无限冷硬铸铁，发展到现在的针状组织球铁、 高合金限冷硬铸铁、高铬铸铁等适用于不同轧制环境的多种优良材质；轧辊产量也由 1 9 9 9 年的9 8 0 0 0 吨增加到2 0 0 7 年的6 0 万吨，增幅达2 5 。轧辊制造业的发展为中 国钢铁工业的腾飞做出了不可磨灭的贡献。 在板带钢生产方面，总的发展趋势是连续化、自动化、高速度、大型化和高精度， 轧辊的有效检测与维护是轧机高效运行的有力保证。随着中国进入w t o 与快步发展， 轧辊的连续运行已经成为钢生产的一项重要技术指标之一。 在热轧带钢板型优化与控制领域的研究中，一些新的技术己经或者正在逐步运用 到实际生产中。这些技术与高速发展的计算机网络及控制技术相结合，从建立模型到 实际生产应用，也在不断地完善与优化，尤其是最初的数学模型，无论是计算模型还 是控制模型，随着新情况及新问题的出现，都对我们提出了更高的要求。因此，为适 应新技术的要求，开发高精度板形计算与控制模型，具有重要的理伦研究意义和实际 应用价值。在西方及日本等一些钢铁枝术比较发达的国家己有不少相关研究及应用。 由于工作辊辊缝轮廓决定带钢的板形的轮廓，因而研究和开发高精度的工作辊热凸度 计算模型具有重要意义。 在轧制生产中，影响轧辊运作的因素很多。但大体可分为两大类，即轧机振动自 身参数因素变化和轧件工艺参数变化。 轧机自身参数变化。轧辊是轧机的最重要部件之一，通过轧辊的轧制，从而使塑 性金属产生变形。在热轧情况下，轧辊的工作环境恶劣，温度高，冷却不充分且不均 匀，轧辊热膨胀、周期性热应力、轧制负荷引起的接触应力、剪切应力以及残余应力 等，容易使轧辊表面产生疲劳失效。导致轧辊的磨损加剧。当摩擦不均匀时，轧辊将 产生偏心现象，进而为轧辊的振动产生了条件。常见的轧辊破坏形式有剥落、断裂、 裂纹等。 广东工业大学工学硕士学位论文 轧辊的偏心和密封不良时，造成油膜轴承间的油膜破裂，容易使轴承破裂，卡死 轧辊。在系统压力增加的情况下，极易产生轧辊裂纹、断裂等。 轧件工艺参数变化。带钢的化学成份和组织不均匀、带钢温度的不均匀、以及焊 接时的焊缝等，都会造成材料变形抗力的变化，在热轧时引起带钢出口厚度的波动。 此外，坯料厚度不均将使实际压下量产生波动，导致轧制压力和弹跳的变化，进而促 使轧辊磨损与不稳定工作。轧制过程中带钢前后张力的变化，轧制速度的变化及磨擦 系数的波动等也是造成轧辊不稳定的原因。带钢轧制过程中，张力变化会改变变形区 应力状态，从而造成轧制压力的波动和轧辊跳动。 诸如复杂工作环境，任何一种失效形式都会直接导致轧辊使用寿命缩短，轧辊性 能的保障与维护已成为重要的技术指标之一。 本课题将采用振动、受力状态等技术对轧辊的相关因素与失效机理进行深入分析 与探索。 1 1 2 课题来源 本课题来自广州珠江钢铁责任有限公司。珠江钢铁责任有限公司引进了德国西马 克公司的六机架热连车l c s p 生产线，自投产以来取得了良好的经济效益。但客观上存在 轧辊工作环境恶劣，带材温度、化学成份和组织的不均匀等问题，容易导致轧辊剥落、 断裂、裂纹等失效，任何失效形式都将影响轧辊的正常使用寿命。严重时甚至会停产 检修。加上进口轧辊价格昂贵，给企业造成重大的经济损失并影响企业的正常生产。 近年来，随着计算机软硬件技术水平的提高，智能诊断与预测轧辊故障技术成为轧钢 行业的新技术之一】。开发研究出轧辊智能诊断与维护系统，对有效排除故障的措施和 及时维护轧辊显得必要，在理论上也具有重要的意义。 1 1 3 课题研究意义 轧辊价格昂贵，是轧机大型消耗性部件。以广州珠江钢铁有限责任公司c s p 生产 线6 机架热连轧机组为例，一对进口支承辊价格高达7 0 余万人民币，一对进口工作 辊价格高达5 0 余万人民币。每机架有工作辊与支承辊各一对。轧辊结构与材料及制 造工艺均有特殊要求，订货周期长。因此，轧辊费用在珠钢备件消耗费及流动资金中 占很大的比重。 轧辊受负荷大、磨损严重。轧辊的破坏决定于各种应力( 其中包括弯曲应力、扭转 应力、接触应力，由于温度分布不均或交替变化引起的温度应力以及轧辊制造过程中 2 第一章绪论 形成的残余应力等) 的综合影响。由于轧辊的辊身直径应保证强度，而轴承座外形尺寸 不应大于辊身最小直径，辊颈长度又较短，所以辊颈上所承受的单位载荷大。轧辊的 运转速度差别大。各种热轧辊在轧制时，轧辊都要用水冷却，且有氧化铁皮飞溅；轧 辊在轧制时要采用工艺润滑剂( 乳化液或其它轧制油) 来润滑、冷却轧辊与轧件，在多数 情况下，它们是不能与轴承润滑剂相混的。由此可见，轧辊运行环境涉及多种因素， 故障机理复杂，同时又受到各类随机性参量的干扰，故障诊断与监测历来存在较大的 困难，意外的故障与事故( 如断辊、轴承烧损等) 时有发生，造成重大损失并严重影 响生产线的正常秩序。 本课题