（机械工程专业论文）球磨机运行监测与故障诊断技术应用研究.pdf

大连理工大学专业学位硕士学位论文 摘要 现代化生产日益向着大规模化、系统化、自动化方向发展，机械故障诊断越来越受 到重视。如果主要设备出现故障而又未能及时发现和排除，其结果不仅会导致设备本身 损坏，而且影响正常生产，甚至可能造成机毁人亡的严重后果。在连续生产系统中，如 果主要设备因故障而不能继续运行，往往会涉及全厂生产系统设备的运行，而造成巨大 的经济损失。 本文在介绍故障诊断学的意义及其研究发展情况后，进一步阐述了设备机械故障以 及故障诊断的分类和特点，球磨机主要故障的机理、特征及其诊断方法，并对各种监测 诊断方法进行探讨分析。基于具体工业实际，本文重点针对球磨机常见轴承故障、齿轮 传动系统故障、磨机“胀肚”自诊断与过程控制的监测诊断方法做了深入的探讨、研究； 提出运行状态监测、故障诊断与生产过程控制相结合的系统设计思想。此外，根据球磨 机主要的监测内容和特点，对球磨机实时工况与状态识别、在线分析与故障诊断进行系 统设计，并完成监测诊断及生产过程控制系统的构成，确定监测诊断系统的工艺设计框 架。 本文的研究成果对在生产工况下球磨机的监控诊断有着指导意义，对球磨机的实时 监控诊断研究提供了前期的实验基础。 关键词：球磨机；运行状态监测；故障诊断；过程控制 球磨机运行监测与故障诊断技术应用研究 r e s e a r c ho nt h ea p p l i c a t i o no fc 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 s f o r b a l lm i l l a b s t r a c t m o r ea t t e n t i o n sa l ep a i dt om a c h i n e r yf a u l td i a g n o s i sb e c a u s eo fm o d e mi n d u s t r y sg r e a t s c a l es y s t e m a t i z e da n da u t o m a t i o n n eb r e a k d o w no ft h em a i nf a c i l i t i e sw i l ln o to n l yc a u s e d a m a g e st om a c h i n e s ，b u ta l s oa f f e c tt h en o r m a lp r o d u c t i o np r o c e s s ，i fn od e t e c t i o na n d e l i m i n a t i o ni nt i m e m o r e o v e r , t h eb r e a k d o w nw i l lp o s s i b l yw r e c km a c h i n e sa n dk i l lp e o p l e i nc o n t i n u o u sp r o d u c i n gs y s t e m ，i ft h em a i nf a c i l i t i e sc a nn o tw o r kw e l lb e c a u s eo fs o m e p r o b l e m s ，t h e yw i l le f f e c tt h ew o r k i n gs y s t e mo ft h ew h o l ef a c t o r ya n dc a u s eu n i m a g i n a b l e e c o n o m i cl o s s e s t h ei m p o r t a n c ea n de v o l u t i o no ff a u l td i a g n o s i si si n t r o d u c e di nt h ep a p e r a n dt h e f o l l o w i n gs u b j e c t sa r ef u r t h e re x p a t i a t e d ，w h i c hi n c l u d e ：1 ) t h ec h a r a c t e r i s t i c so f f a u l ta n df a u l t d i a g n o s i s ；2 ) t h em a i nf a u l t ，c h a r a c t e r i s t i ca n dm e t h o do ff a u l td i a g n o s i so ft h eb a l lg r i n d i n g m i l l ；3 1a l lk i n d so fm e t h o d st oo p e r a t ea n dm o n i t o rd i a g n o s i sw i t t lt h ef a u l tt ot h eb a l lm i l l o nt h eb a s i so fi n d u s t r i a lp r a c t i c a la p p l i c a t i o n ，t h ek e ys u b j e c t sa r ea sf o l l o w s ：f a u l to f b e a r i n ga n dt r a n s m i s s i o no fg e a rw h e e l ，b a l lm i l l b l o a t e db e l l y i na d d i t i o n , t h es y s t e m a t i c d e s i g np h i l o s o p h yc o m b i n e dw i t hm o n i t o r i n g ，d i a g n o s i sa n dp r o d u c t i o np r o c e s sw a sp u t f o r w a r di nt h i sw o r k ，t h es y s t e mf o rt h er e a l t i m eo p e r a t i n gm o d ea n ds t a t er e c o g n i t i o n ，0 1 1 l i n e a n a l y s i sa n df a u l td i a g n o s i sw a sf o r m e d ，a n dt h es y s t e m a t i ct e c h n o l o g i c a ld e s i g nf r a m ew a s c o n f i r m e d n l ec o n c l u s i o n sa r eh e l p f u lt og u i d ea p p l i c a t i o na n dw i l lb et h ee x p e r i m e n t a lb a s ef o r r e s e a r c ho nr e a l t i m em o n i t o r i n ga n df a u l td i a g n o s i so f b a l lm i l l k e yw o r d s ：b a l lm i l l ；c o n d i t i o nm o n i t o r i n g ；f a u l t d i a g n o s i s ；c o u r s ec o n t r o l l i n g 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中傲了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：奎堕豳日期：丝! ：兰 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名垄蕉鲴 导师签名：耋垒鸽 7 o o6 年月w 目 大连理工大学专业学位硕士学位论文 1 绪论 1 1 背景分析 1 1 1 故障诊断技术的发展过程以及经济意义 在现代化生产中，机械设备的故障诊断技术越来越受到重视，如果主要设备出现故 障而又未能及时发现和排除，其结果不仅会导致设备本身损坏，而且影响正常生产，甚 至可能造成机毁人亡的严重后果。在连续生产系统中，如果主要设备因故障而不能继续 运行，往往会涉及全厂生产系统设备的运行，而造成巨大的经济损失i ”。 二十世纪五十年代，各种类型和性能的传感器和测振仪相继研制成功，并开始应用 于科学研究和工程实际。到六、七十年代，数字电路、电子计算机技术的发展、“信号 数字分析处理技术”的形成，推动了振动检测技术在机械设备上的应用。七十年代至八 十年代，机械设备的状态监测与故障诊断技术在许多发达国家开始研究。随着电子计算 机技术、现代测试技术、信号处理技术、信号识别技术与故障诊断技术等现代科学技术 的发展，机械设备的监测、诊断研究跨入了系统化阶段，并把实验室的研究成果逐步推 广到核能设备、军工设备、航空航天设备、动力设备、以及其它各种大型的成套设备中， 进入了蓬勃发展的阶段【2 j 。 运行监测与故障诊断技术的发展及其给企业带来的经济效益密切相关。大型机械， 如汽轮机、发电机、压缩机、发动机等，是石化、能源、冶金等许多行业中的关键设备， 该类设备安全、稳定、长周期运行，一旦发生事故，其经济损失十分巨大。此外，由于 生产的连续性，造成设备始终满负荷运行，设备损伤严重。而人工检测难度大，对 于某些疑难设备故障是属于哪一类问题，往往难以分清，只能进行全面检修，从而导致 工作效率低，设备运转率低和维修费用开支过大等不应有的现象发生网。 状态监测和状态维修的经济可行性分析： 上海宝钢是国内开发设备故障诊断技术较成功的企业之一。宝钢应用振动测试技 术、红外测温热成像技术及铁谱分析技术等机械设备的故障检测诊断，使设备保持最佳 运行状态。其设备有效作业率可提高6 8 ，年效益上亿元。 我国铁路系统过去曾发生大量燃轴事故，在采用红外轴温探测诊断后仅1 9 8 0 1 9 8 7 年间防止车辆燃轴事故2 9 1 件，此类事故减少1 1 4 ，相当于每年增加车辆4 3 万次，增 加运输收入3 亿多元。 据日本资料介绍，实施故障诊断后，事故率可减少7 5 ，维修费用可降低2 5 。5 0 球磨机运行监测与故障诊断技术应用研究 英国对2 0 0 0 个大型工厂调查表明，采用诊断技术后，每年节约维修费用3 亿英镑， 而用于故障诊断技术的成本为0 5 亿英镑，收益为投入的6 倍。 美国p e k r u l 电厂故障诊断效益分析表明，故障诊断系统的收益率甚至可达到投入的 3 6 倍。 1 1 2 对球磨机进行故障诊断的必要性 旋转机械是工业上应用最广泛的机械。许多大型旋转机械，如：离心泵、电动机、 发电机、压缩机、汽轮机、轧钢机、球磨机等，还是石化、电力、冶金、煤炭、核能等 行业中的关键设备【4 】。近年来，随着机械工业中的机械设备朝着轻型化、大型化、重载 化和高度自动化等方向发展。出现了大量的强度、结构、振动、噪声、可靠性，以及材 料与工艺等问题，设备损坏事件时有发生。大型旋转设备状态监测与故障诊断技术研究 是国家重点攻关项目，目的是提高大型旋转设备的技术状况，减少突发性事故，避免重 大经济损失1 ”。 球磨机是选矿工艺中一个应用非常广泛且十分重要的粉磨设备。日益向大型化、自 动化及复杂化方向发展。这样的关键设备一旦发生故障后，往往给生产带来巨大的影响， 常常因为对故障的出现估计不足，致使企业蒙受较大的经济损失。每年，企业为了保持 球磨机系统处于正常运转状态的维修费用，在企业的经营费用中占有很大的比例嘲。因 此，必须对球磨设备与关键设备的运行状态和劣化的原因及运行信息的变化进行诊断。 诊断的实质是把运行中的机器的征兆去和标准谱中的各种征兆进行比较来判断机器运 行状态是否正常的过程，以便在事故发生前及能查明原因及时排除，或根据某些征兆， 预测预报机器的运行状态，及时找到性能变化与结构变化的对应关系，及时地做出科学 的判断和决策。 筒形磨矿机1 9 0 5 年出现后，在工业生产中迅速得到应用。到目前为止，筒式磨矿 机仍是最主要的工业粉磨设备，在磨机大型化发展的同时，中小型磨机在我国矿山生产 中占有很大比重【6 】。在磨选生产工艺流程( 见图1 1 ) 中，磨矿作业主要是对矿物进行单体 解离，以便于选别，由此可见，磨矿作业在选矿生产中占有非常重要的地位，所以，作 为选矿厂磨矿作业的主体设备球磨机，其技术状况、设备完好率和运行效率直接影 响选别作业的各项技术、经济指标。随着近几年来生产任务的连年增加，球磨机作业率 持续保持在9 7 以上。但是，球磨机作业率的增高，随之而来球磨机故障、隐患率增加。 球磨机经常出现的生产和设备故障有：球磨机“胀肚”，轴承“烧轴”，大轴裂纹，减 速机温升高、噪音大，齿轮轴断、折齿，大小齿轮磨损不均、局部缺陷、点蚀、胶合及 联轴器不对中引起的噪音大、振动大等缺陷。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 图1 1 厝选生产工艺流程 f i g 1 1f l o wc h a r to f t h ep r o c e s s 1 2 设备机械故障概述 设备故障，一般指设备( 系统) 或零部件在使用中丧失或降低其规定功能的事件或 现象。在现代化生产中，由于企业的设备结构复杂，自动化程度很高，各部分、各系统 的联系非常紧密，因而设备出现故障，哪怕是局部的失灵，都会造成整个设备的停顿， 整个流水线、整个自动化车间的停产，直接影响着企业产品的数量和质量。正因为这样， 世界各国，尤其是各工业发达国家都十分重视设备故障及其管理的研究。我国一些大中 型企业，也在8 0 年代初就开始探索故障发生的规律，对故障进行记录，对故障机理进 行分析，以采取有效的措施来控制故障的发生【5 】。 1 2 i 设备故障分类 设备故障是多种多样的，归纳起来可分为：渐发性故障和突发性故障两大类。 渐发性故障：通过事先的测试或监控可以预测到的故障。是由于设备初始参数逐渐 劣化而产生的。这类故障与零部件的磨损、腐蚀、疲劳及蠕变等过程有密切的关系。 突发性故障：是各种不利因素以及偶然的外界影响共同作用而产生的。这种故障有： 因润滑油中断而使零件产生热变形裂纹；因机器使用不当或出现超负荷现象而引起零件 折断：因各项参数都达到极端值而引起变形和断裂，突发性故障往往是突然发生的，一 般事先无明显征兆。 球磨机运行监测与故障诊断技术应用研究 设备故障还可以按其性质、影响、原因、特点等进行分类【3 】。 1 2 2 设备故障原因分析 设备故障的原因主要来自两方面：一是固有可靠性方面，二是使用可靠性方面。 固有可靠性方面的原因有：设备结构上的潜在缺陷：构成设备零部件有缺陷；制造 质量低，材质不佳；运输、安装不善，给设备带来潜在缺陷。 使用可靠性方面的原因有：环境、条件不符合技术规范要求；人员素质欠佳，责任 心不强；规章制度不健全。 1 2 3 设备故障机理分析 故障机理是指诱发零部件、设备系统发生故障的物理与化学过程、电学与机械学过 程，也可以说是形成故障源的原因。在研究故障机理时，需要考察的基本因素至少有对 象、原因、结果。因此，故障机理可写成： 对象的状态内因+ 外因、诱因= 作为结果的故障模式 故障的发生受空间、时间、设备( 故障件) 的内部和外部多方面因素的影响，有的 是某一种因素起主导作用，有的是几种因素综合作用的结果。为了搞清故障原因，必须 搞清各种直接和间接影响故障产生的因素及其所起的作用。 1 2 4 设备故障的规律 设备故障的发生发展过程都有其客观规律，研究故障规律对制定维修对策，以至建 立更加科学的维修体制都是十分有利的。设备在使用过程中，其性能或状态随着使用时 间的推移而逐步下降。很多故障在发生前会有一些预兆，这就是所谓潜在故障，其可识 别的物理参数表明一种功能性故障即将发生，功能性故障表明设备丧失了规定的性能标 准。 设备的故障率随时间的变化大致分为三个阶段：早期故障期、偶发故障期和耗损故 障期。 1 。3 运行监测与故障诊断技术的应用与发展现状 1 3 1 国外运行监测与故障诊断技术的应用与发展现状 一些工业发达国家相继开发设备诊断技术始于6 0 年代。 美国最初研究的是应用于军用机械和飞机等领域的诊断技术，并于1 9 6 2 年成立了 一个机械故障研究组，专门调查研究设备的诊断、检测、设计和维修问题。1 9 6 7 年，在 美国宇航局( n a s a ) 和海军研究所( o n r ) 的倡导和组织下成立了美国机械故障预防 - 4 - - 大连理工大学专业学位硕士学位论文 小组，开始有计划地对诊断技术分专题进行研究。7 0 年代开始普及到钢铁、化学、铁路 等所有领域，成为- - 1 独立的技术。在电工设备方面，美国的西屋公司是电力工业研究 诊断技术的先驱。二十多年来，该公司开发了发电机、发动机系统的阀门、齿轮、密封 件等诊断技术，并将人工智能和专家系统引入电厂在线诊断系统，以提高电厂效率。在 此期间很多学术机构( 如美国机械工程学会( a s m e ) ) 、政府部门( 如国家标准局( n b s ) 、 国家锅炉及高压容器监测中心( n b b i ) ) 以及一些高等院校和企业公司都参与或进行 了一些专业性的诊断仪器和监测系统制造厂商( 如本特利( b e n f l y ) 公司、科学亚特兰 大( s c i e n t i f i ca t l a n t a ) 公司、惠普( i - i p ) 公司等) ，对推进诊断技术的应用起了较大 作用。目前美国诊断技术在航空航天、军事、核能等尖端部门仍处于领先地位。 3 】 4 】 日本的诊断技术研究始于7 0 年代中期，1 9 7 1 年新日铁以丰田利夫教授为首率先研 究诊断技术，到1 9 7 6 年己达到实用阶段。日本的一些协会、大学、科研机构相继成立 了诊断技术的专业研究部门。尽管诊断技术的研究在日本起步较晚，但发展很快，尤其 是理论向应用的转化速度明显高于其他国家。仅日立公司开发应用于电力工业的诊断技 术即达2 0 多种。近年来，日本的日立、三菱公司开发研究的大容量汽轮发电机组的诊 断技术，如汽轮机汽缸、主汽门和调速汽门门杆断裂诊断、汽轮机长叶片的振动监视， 轴承磨擦，凝汽器状态诊断以及给水加热器输水控制等项目，已应用于设备诊断并获得 了预期的效果。目前，在钢铁、化工、铁路等民用工业的诊断技术处于领先【4 l 。 英国于7 0 年代初成立了机械保健与状态监测协会( m h m g c m a ) ，该协会主席 柯兰科特博士( r a c o l l a c o t t ) 于1 9 7 8 年编写一本在国际上具有代表性的著作“机械故 障诊断与状态监测”( m e c h a n i c a lf a u l td i a g n o s i sa n dc o n d i t o n m o n i t o r i n g ) ，该书 广为传播，并很快地为国际工程界所接受，它标志着机械故障诊断学的正式诞生。曼彻 斯特大学创立的沃森工业维修公司( w i m u ) 和斯旺大学的摩擦磨损、汽车、飞机发动 机监测和诊断方面仍具有领先地位。 欧洲一些国家的诊断技术发展各有特色，如瑞典s p m 公司的轴承监测技术， a g e m a 公司的红外热像技术；丹麦b k 公司的振动、噪声监测技术；挪威的船舶诊 断技术等都有千秋。 目前，日本、美国及欧洲一些国家正致力于以高温设备寿命诊断为目的的劣化、损 伤检测技术，并在此基础上进行关于剩余寿命评价技术的研究。同时，很多国家还把设 备诊断技术作为一门新学科，在大、中院校开设专业。 球磨机运行监测与故障诊断技术应用研究 1 3 2 国内运行监测与故障诊断技术的应用与发展现状 我国的诊断技术起步较晚，1 9 7 9 年机械工业部在长春举办了设备科长学习班，在学 习日本的全员设备维修( ”m ) 时才初步接触到设备诊断技术的概念，引起大专院校、 科研单位和工矿企业的注意。1 9 8 3 年南京召开的首届设备诊断技术专题座谈会和原国家 经委同年颁布的国营工业交通设备管理试行条例，标志着我国设备诊断技术的真正 开始。我国工交企业的设备诊断技术自1 9 8 3 年起步以来，通过积极学习国外现代设备 管理技术，研究和试验日本的预知维修项目，引进和吸收美国的状态监测及故障诊断技 术，取得了较大成就。尤其是近几年来进步很快，不但在较短的时间里缩小了与世界先 进水平的差距，在某些方面还有所突破，达到当代世界先进水平【5 】。 为减少设备故障，安全生产，1 9 8 4 年国家经委成立了中国设备管理协会，着手抓设 备综合管理中的诊断技术忍题。在诊断技术的研究方面，原航天部、核工业部发展较快， 并在声发射技术的实际应用上取得了一定成效。机械部成立了设备维修学会，1 9 9 1 年5 月前即已先后召开过3 次全国机械设备状态监测与故障诊断学术会议。会议介绍了近年 来我国采用的多种设备诊断手段，如红外热成像、声发射、光谱分析、铁谱分析、测压、 测振、测温、测流量、气体分析等技术，以及信号处理、模式识别、神经网络、趋势分 析、报警标准等方面的经验、探讨了该技术在国内外的最新发展。在电力工业方面，为 搞好电力设备维修工作，1 9 8 4 年成立了电力工业设备诊断技术专业协会，不断开发新的 领域和先进的诊断技术。设备监测技术的研究也有了良好的开端，如发电机层间绝缘短 路、变压器故障检测、红外热成像探测发电机过热、金属超声波探伤、光学测试的应用 等技术都取得了突破性进展。尤其在诊断关键设备承压部件寿命等方面，经多年试验研 究，己把主汽管使用寿命从1 0 万小时延长到了2 0 万小时以上。在有关设备的残余寿命 和损坏杌理分析方面也取得了卓有成效的研究成果嘲。 近几年来，随着设备诊断技术的日趋成熟，我国的科研与实践水平也日渐提高。一 些有独特见解的成果和论文已在世界性学术会议上占有较大的比重，有些己接近或达到 8 0 年代的国际水平。如：由原航天部6 0 8 所与株州车辆厂合作开发的“铁路车辆轮对轴 承试验诊断系统j k 8 6 4 1 l 装置”是由计算机自动控制的自动轴承不分解诊断系统。其确 诊率达9 1 以上，误诊率小于3 ，漏诊率为零。该系统年效益可达3 0 0 0 万元以上，具 有先进性和独创性，属国际先进水平。由重庆大学测试中心开发的以国产微机为基础的 “c d m s 信号处理故障诊断振动分析系统”，经电力、机械、冶金、矿山等4 0 多个工 业企业应用均获显著效益。仅东方电机厂和西南铝加工厂即分别增收3 3 6 万和2 2 6 万元。 与国外8 0 年代同类产品相比，该系统还具有功能齐全、分析精度高、运算速度快、再 一6 一 大连理工大学专业学位硕士学位论文 开发功能强等优势。价格仅为国外同类产品的1 4 1 1 0 ，不仅达到国际先进水平，而且 是设备诊断手段国产化的一项重大突破。 到目前，国内已成立了一些设备故障诊断方面的学术团体，全国性的主要有三个： 1 ) 中国设备管理协会设备诊断技术委员会，其特点是从设备管理的角度来发展诊断技 术，召开过2 次全国会议；2 ) 中国机械工程学会设备维修学会( 分会) ，其特点是从 工程应用的角度来发展诊断技术，已召开8 次全国会议：3 ) 中国振动工程学会故障诊 断学会( 分会) ，其特点是从理论和方法的角度来发展诊断技术，已召开4 次全国会议。 国内共召开过3 次国际技术诊断学会议，均由东北大学和东北地区机械设备诊断技术研 究会主办。 经过全国数万科技人员二十年的奋斗，设备诊断技术在国内工程界已取得了许多具 有经济效益和社会效益的成果，并已开始形成了有自身特色的新的学科体系。 我国设备诊断技术的研究近年来虽有很大发展，但与国外相比还有相当距离。就是 在国内与环境保护方面的分析测量和医学领域的诊断技术相比，设备诊断技术不但起步 晚，在理论与技术上也还比较落后。 图1 2 设备诊断过程 f i g 1 2e q u i p m e n t sd i a g n o s i sa p p r o a c h 诊断技术发展到目前阶段，诊断过程和诊断内容可用图1 2 来表示。图中d 。0 = 1 m ) 为标准模式，k ( i = l m ) 为标准特征向量，d r 为待检模式，蜀为待检特征向量。诊断 的实质是识别理论，而其前提则是信号的采集和处理。 球磨机运行监测与故障诊断技术应用研究 1 4 球磨机运行监测与故障诊断技术的发展及应用 1 4 1 国内外研制成功的部分计算机预测维修系统 恩泰克p m 系统是美国恩泰克科学公司开发的机械设备预测维修系统，公司的预测 维修技术在世界上处于领先地位。恩泰克的p m 系统于1 9 8 8 年1 0 月进入我国市场，它 对市场上出售的数据采集器和频谱分析仪，都可以兼容，用户可方便地选择和增加硬件， 而无需增加软件的投资。系统投入运行后，随时可方便地了解所有被监测设备的总体情 况。同时也可了解特定设备的具体状况。但价格对于一般中小型厂不易接受。美国新近 推出的c s l1 9 0 0 微型振动分析仪，新颖小巧、功能齐全，是一台比较理想的简易振动测 量仪。又具有一些故障诊断功能的精密诊断仪1 6 j 。 北京盛迪振通科技有限公司的设备维修管理与故障诊断系统，振通s d e s 是一种 专门为数据采集器设计的自动诊断系统，它以数采器在现场采集的振动信号频谱为主要 输入数据，以各种故障的频谱特征为主要知识，可以对数采器在现场测量的数据自动进 行诊断。在诊断时，s d e s 系统首先对您采集的振动波形进行频谱分析。屏幕上将显示 被测点的时域波形及其幅值谱。然后，s d e s 系统将依据已有的知识库进行自动故障诊 断。目前，s d e s 系统可以自动诊断的故障包括滚动轴承故障、齿轮箱故障及一般转子 故障( 不平衡，不对中等) 。 旋转机械故障诊断系统r o t e a s y 2 0 0 0 系统是集数据采集、在线监测和故障诊断功 能为一体的大型旋转机械如离心式压缩机组、汽轮发动机组、大型机泵、大型球磨机等 回转设备运行保障系统，可有效提高机组故障诊断的效率和准确性【7 1 。 南京航空航天大学开发的m d s 2 型诊断系统主要用于齿轮箱的故障诊断，该系统 在以下几个方面有突破和创新：首次将三阶谱用于齿轮箱的故障诊断；首次提出频域相 关的概念，并将其应用于齿轮胶合的识别：将包络谱分析法扩展为细化复包络谱，并应 用于齿轮诊断；首次提出宽带解调技术，它比7 0 年代以来在国内外流行的共振解调技 术更有效地提取齿轮故障特征信息；首次应用解调信号的最大熵估计，对齿轮裂纹进行 了有效的诊断。它除了具有一般的信号分析处理功能外，尚有倒频谱、三维谱、幅值解 调、频率解调、轴心轨迹等用于机械故障诊断的多种功能f 8 1 。 另外还有德国申克公司的计算机化预测维修系统v i b r o c a m l 0 0 0 、江苏宝应振动 化器厂的s c 2 4 7 数据采集系统。美国得克萨斯州休斯顿g e 能源集团研制的b e n t l y n e v a d a 回a d r e 便携式数据采集系统第五代产品。 1 4 2 大型球磨机开发的故障诊断系统 球磨机常出故障或最需监测部位有： 一8 一 大连理工大学专业学位硕士学位论文 ( 1 ) 球磨筒两端滑动轴承。 ( 2 ) 减速箱的齿轮和滚动轴承。 ( 3 ) i 艺信号( 包括给矿量、溢流浓度、排矿浓度、声音强度等) 。 ( 4 ) 启动、运行电流、电压信号。 目前国内开发应用的球磨机定期监侧诊断系统与运行状态监测系统主要有如下几 类： ( 1 ) 可编程序控制器p l c 在大型球磨机的应用。 北京工业自动化研究所研制的m p c 2 0 可编程序控制器可以替代继电器控制，同时 增加诊断功能与报警功能，减少故障查找时间。 河北冀北水泥有限公司1 8 水泥磨控系统采用了p l c 5 系列控制器，该系统功能稳定 可靠，调试和故障诊断方便、快捷，故障诊断功能使操作员能及时发现产生的故障并确 定其位置，缩短了排除故障的时间。 此方案为全面改造大型球磨机的电控系统，投资稍大。 ( 2 ) 大型球磨机用单片机控制的故障诊断系统( 此系统已被华峰瓷业有限公司采 用) 0 大型球磨机常出故障或最需监测部位是减速箱齿轮和滚动轴承及球磨筒轴承。， 本系统以8 0 3 1 单片机为核心，采用模块设计方法。开发设计成一种可靠性高、价 廉与使用方便的齿轮、轴承故障诊断系统f 7 一。 ( 3 ) 在球磨机过程控制系统中，丹东东方测控开发的球磨机自动控制系统，全面 的实现了球磨机的自动控制，有效的避免了球瘗机“胀肚”、“吐球”等生产事故的发 生。 1 5 研究目标及内容 1 5 1 研究目标 本课题以球磨机为研究对象，研究采用振动信号、功率信号、声音信号和工艺参数 信号对球磨机的运行状态进行实时在线监测的方法。通过对振动信号的谱分析，提取球 磨机的正常和异常振动信号的特征，采用磨音电耳与磨机功率双检测的手段对球磨机负 荷进行分析判断，根据相应的判别标准判断球磨机运行过程中常见的几种故障情况，以 提高设备故障诊断和排除的速度，加快维修需求的响应能力，以及降低停机维修的费用， 实现对球磨机运行状态及零部件失效的智能监测与诊断。 球磨机运行监测与故障诊断技术应用研究 1 5 2 研究内容 ( 1 ) 球磨机两端的轴承诊断 简体两端的轴承在球磨机中是十分重要的支承系统，非常关键，由于疲劳磨损、压 痕、裂纹、表面磨损、胶着、烧损及杂物影响等原因，使轴承造成损伤，轴承有了损伤 就会产生冲击振动，利用冲击波形的高度比值，可以作为表示轴承有损伤时程度不一的 指标。通过诊断系统可以及时掌握轴承损伤的程度和损伤的部位，还可以估计轴承工作 多长时间才能达到临界程度或临近危险状态及时报警，不至于出现“烧轴”等严重事故。 ( 2 ) 减速齿轮箱的监测诊断 主要是监测减速箱中的齿轮、轴以及滚动轴承的运行状态与劣化情况。根据减速机 各测点的振动量( 振动速度有效值) ，以及齿轮轴三维方向的频谱特征，分析故障点和 故障原因。球磨减速机也是经常出现故障的部位。 ( 3 ) 球磨机运行状态监测 对球磨机主电机启动电流、启动电压、运行电流、运行电压进彳亍记录、监测及保护。 ( 4 ) 球磨机“胀肚”保护系统 使用功率变送器检测磨机工作过程中的磨机充填率，输出信号的高低与球磨机内负 荷的高低正比相关，装载量越多，功率变送器信号输出越高，但是在发生“胀肚”情况 下，功率变送器信号反而降低，所以保证磨机工作在功率信号接近最佳值的领域内，通 过实物标定将磨机“胀肚”趋势点的功率信号作为“胀肚”信号临界点，当功率信号大 于稿界点时，磨机工作正常。当功率信号，、于临界点时，说明磨机具有“胀肚”趋势， 控制过程进入“胀肚”保护部分。 “胀肚”保护过程，主要通过反馈信号，控制给矿量、分级返砂比，对磨机工作状 态进行调整。 ( 5 ) 球磨机状态监测与故障诊断的现场条件试验研究 进行端轴承、减速器、开式齿轮、衬铁的现场运行监测及故障诊断试验，磨机“胀 肚”保护系统设计试验，确定最佳工艺条件及诊断方法。 ( 6 ) 球磨机运行状态监测与故障诊断系统的工艺设计 基于球磨机组提出球磨机监视诊断系统的构成，对球磨机实时工况与状态识别、在 线分析与故障诊断进行系统设计，利用所提出的系统结构框架及技术措施对球磨机运行 监测与故障诊断进行系统工艺设计。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 2 球磨机轴承故障诊断 2 1 引言 在选矿工业中，球磨机的小正齿轮轴承的工作性能直接影响球磨机安全稳定运行， 因此对小正齿轮轴承的状态监控与故障诊断尤为重要。 滚动轴承是机械设备最常见和最易损坏的部件之一。在使用过程中的异常形式主要 有以下几种： ( 1 ) 疲劳剥落 在滚动轴承中，滚道和滚动体表面既承受载荷，又相对滚动。由于交变载荷的作用， 首先在表面一定深度处形成裂纹，继而扩展使表层形成剥落坑。 ( 2 ) 磨损 轴承滚道、滚动体、保持架、座孔或安装轴承的轴颈，由于机械原因及杂质异物的 侵入引起表面磨损。导致轴承游隙增大，表面粗糙，降低机器运行精度，增大振动和噪 声。 3 ) 塑性变形 轴承因受到过大的冲击载荷、静载荷、经过载荷积累或短时超载引起的轴承塑性变 形。 4 ) 腐蚀 润滑油、水或空气水分引起表面锈蚀、以及轴承套圈在轴孔中或轴颈上微小相对运 动造成的微振腐蚀。 ( 5 ) 断裂 载荷过大或疲劳引起轴承零件破裂。热处理、装配引起的残余应力，运行时的热应 力过大也会引起轴承零件的裂纹或破裂。 ( 6 ) 胶合 主要是由于润滑不良、高速、中载、高温、起动加速度过大等造成摩擦发热，使滚 道和滚动体表面局部融合在一起“。 轴承故障是球磨机常见的故障模式之一，由于轴承故障所引起的附加振动相对于球 磨机的固有振动较弱，因而很难把故障信息从信号中分离开来。到目前为止，对球磨机 轴承故障的故障诊断尚缺少十分有效的方法。本节提出在频域和倒频域进行特征提取， 旨在解决轴承特征提取困难的问题。在分析滚动轴承故障诊断方法的基础上，重点探讨 利用集成b p 网络解决轴承多故障诊断与识别和鲁棒性问题。 球磨机运行监测与故障诊断技术应用研究 2 2 球磨机轴承故障特征及提取 在工作过程中，滚动轴承的振动通常分为两类：其一为与轴承的弹性有关的振动， 其二为与轴承滚动表面的状况( 波纹、伤痕等) 有关的振动。前者与轴承的异常状态无 关，而后者反映了轴承的损伤情况。 轴承的振动信号极其复杂，一般有四种： ( 1 ) 轴承构造引起的振动( 低频) ； ( 2 ) 轴承的不同轴引起的振动( 低频) ； ( 3 ) 轴承精加工面的波纹引起的振动( 低频) ： “) 轴承受损伤后引起的振动( 高频) 。 对于机械系统而言，如有故障则一定会引起系统的附加振动。振动信号是动态信号， 它包含的信息丰富，很适合进行故障诊断。但是如果附加振动信号由于固有信号或外界 干扰对故障信号的干扰很大而淹没，那么如何从振动信号中提取有用信号就显得十分关 键。f 9 j 根据摩擦学理论，当轴承流动面的内环、外环滚道及滚柱上出现一处损伤，滚道的 表面平滑受到破坏，每当滚子滚过损伤点，都会产生一次振动。假设轴承零件为刚体， 不考虑接触变形的影响，滚子沿滚道为纯滚，则有如下损伤振动频率： 当内滚道有一处损伤时，其振动脉冲特征频率为： f l - - - f r z ( 1 + d c o s c t d ) 2 当外滚道有一处损伤时，其振动脉冲频率为： f o = f r z ( 1 一d c o s a d ) 2 当滚柱上有一处损伤时，其振动脉冲特征频率为： f r = f r d ( 1 - d 2 e o s g d 2 ) d 其中：f r 一内环转速频率； d 一轴承的节圆直径 d 一滚柱的直径； a 一接触角； z 一滚柱个数。 ( 2 ，1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) 大连理工大学专业学位硕士学位论文 为了克服轴承故障信号较弱且容易被球磨机固有振动淹没的困难，选用以下抗干扰 能力较强的特征作为故障诊断特征参数。 ( 1 ) 振动的平均能量特征 设在小正齿轮轴承座上测得的振动加速信号为： a ( t ) 2 a l ( t ) ，a 2 ( t ) ，黜( t ) 它是故障信号以轴承座传输后的信号。根据统计学理论，振动的均方根反映振动的 时域信息： k = 厍而 特征参数有它代表振动信号的有效值，反映振动的平均能量。 ( 2 ) 振动信号的峰值特征 p p = m a x a ( t ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) 它是反映振动信号中周期性脉动的特征量。 ( 3 ) 倒谱包络特征 设f ( t ) 为故障激励信号，h ( t ) 为传输通道的脉冲响应。它们相应的f o u r i e r 变换有如下 关系： 口( f ) = 代) ( f ) 2 i ：f ( r ) h ( t r ) d r ( 2 6 ) a ( c o ) = f ( o ) h ( c o ) 对( 6 ) 式进行如下变换： 三( f ) = f l g f f ( t ) 厅( f ) = f 1 l gf ( e p ) ) + f 。 l gh ( e p ) ( 2 7 ) = 于( f ) + 五( f ) 球磨机运行监测与故障诊断技术应用研究 式中，f 称为倒频率；a 为倒频谱。由上式可以看出故障激励信号特性和传递通道 的特性被分离开来了，而一般情况下故障激励信号与传递通道信号占据不同的倒频区 段，这样可以突出故障振动信号的特性。 h i l b e r t 变换用于信号分析中求时域信号的包络，以达到对功率谱进行平滑从而突出 厂= 。 故障信息。定义信号： l 口( f ) l = 、口2 ( f ) + 口( f ) 为最佳包络。倒谱包络模型实质是对从传感 器获得的信号进行倒频谱分析，然后对其倒频谱信号进行包络提取，从而双重性地突出 了故障信息，为信噪比小的故障特征的提取提供了依据【1 0 1 。 2 3 球磨机轴承监测、诊断方法 2 3 1 振动诊断法 滚动轴承在工作过程中会产生各种各样的异常和损伤，多数故障都会使轴承的振动 加剧，所以，振动信号就成为诊断轴承故障的主要信息。采用振动诊断法主要有以下优 点： ( 1 ) 可以检测出各种类型轴承的异常现象； ( 2 ) 在故障初期就可以发现异常，并可在旋转中测定； ( 3 ) 由于振动信号发自轴承本身，所以不需特别的信号源； ( 4 ) 信号检测和处理比较简单； 在滚动轴承的振动诊断中，较常用的方法有以下几种： ( 1 )有效值和峰值判断法 有效值是振动幅值的均方根值，由于有效值是对时间的平均，所以对具有表面皱裂 无规则振动波形的异常，其测定值的变化小，可给出恰当的评价。但是不适用对表面剥 落或伤痕等具有瞬变冲击振动的异常。峰值是在某个时间内振幅的最大值，它对瞬时现 象可得出正确的指示值，特别对初期阶段轴承表面剥落容易测量，由于它对由于外界干 扰等原因引起的瞬时振动比较敏感，它比有效值测定值的变化可能很大【1 1 】。 ( 2 )峰值指标法 峰值指标是指峰值与有效值的比，该方法最大的特点是：由于峰值指标的值不受轴 承尺寸、转速及负荷的影响，所以正常异常的判断可非常单纯的进行；此外，峰值指标 不受振动信号的绝对水平所左右，所以传感器或放大器的灵敏度即使变动，也不会出现 测定误差。但是这种方法无法诊断表面皱裂或磨损之类的异常。 ( 3 )振幅概率密度分析法 大连理工大学专业学位硕士学位论文 这种方法主要是把轴承的异常程度进行量化，运用概率密度分布的陡度的大小来判 断轴承异常情况。因其与轴承尺寸、转速及负荷等条件无关，因此使用比较单纯，对轴 承的好坏判定非常简单。这种方法主要适用于轴承表面有伤痕的情况，但对轴承表面皱 裂、磨损等异常缺乏检测能力。 ( 4 )时序模型参数分析法 时序模型参数分析法，是一种把轴承振动信号采样值看作一个时间序列，并建立数 学模型，然后利用模型的参数对轴承故障进行诊断的一种方法。这种方法只有在掌握滚 动轴承在正常和异常是模型阶次及残差方差指标的变化规律的情况下，对轴承的状态才 能做出正确的诊断。 ( 5 ) 冲击脉冲法 如果滚动轴承的某些元件有损伤，轴承工作时，这些零件在接触过程中就会产生冲 击脉冲。通过加速度传感器测得此冲击引起的高频衰减振动波形，从而对滚动轴承的故 障做出判断。此方法可诊断滚动轴承表面伤痕、皱裂缺陷，对滚动轴承磨损判定不明显。 ( 6 ) 包络法 包络分析法是利用包络检波和对包络谱的分析，根据包络谱蜂来识别故障。事实表 明，当滚动轴承元件产生缺陷而在运行中引起脉动时，不但会引起轴承外圈及传感器本 身产生高频固有振动，且此高频振动的幅值还会受到上述脉动激发力的调制。在包络法 中，将经调制的高频分量拾取，经放大、滤波后送入调制器，即可得到原来的低频脉动 信号，再经谱分析即可获得功率谱【l i ，1 2 】。 包络法把与故障有关的信号从高频调制信号中解调出来，从而避免与其他低频干扰 的混淆，这种方法不仅可根据某种高频固有振动的出现与否，判断轴承是否异常，而且 可根据包络信号的频率成分识别出产生故障的元件( 如内圈、外圈、滚动体) 。故有很 高的诊断可靠性和灵敏性。是目前最常用、有效地诊断滚动轴承故障的方法之一。 ( 7 ) 高通绝对值频率分析法。 将加速度计测得的振动加速度信号经电荷放大器后，再经过l k h z 的高通滤波器， 提取其高频成分，然后将滤波后的波形作绝对值处理，再对经绝对值处理后的波形进行 频率分析，去判断轴承故障原因。 2 ，3 2 光纤监测技术 上述的振动监测方法，通常是在轴承座上安装传感器，即用传感器测量轴承盖的振 动信号，这样所检测的信号中完全接收了外界干扰，轴承的故障信号可能会因为较弱而 被淹没。而光纤监测技术，则直接从轴承套圈的表面提取信号。它是用光导纤维束制成 球磨机运行监测与故障诊断技术应用研究 的位移传感器，其包含有发送光纤束和接收光纤束，光线由发送光纤束经过传感器端面 与轴承套圈表面的间隙反射回来，再由接收光纤束接收，经过光电元件转换为电压输出， 得出有效值、峰值有效值比和轴承速率比等轴承运行性能的诊断指标，判定轴承异常。 2 3 3 接触电阻法 接触电阻法所依据的基本原理和振动测量完全不同，它是与振动监测法相互补充的 一种监测技术。 轴承在运转过程中，滚道面与滚动体之间便会形成油膜，这样在内外圈之间就有很 大的电阻。正常轴承，其油膜厚度至少是表面租糙度的四倍，由于润滑剂是有机碳氢化 合物，轴承内外圈之间的平均电阻很高，一般在l 1 x 1 0 6 0 之间变化，而当轴承零件出 现剥落、腐蚀、损伤等缺陷时，缺陷处油膜厚度减小，轴