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东北大学硕士学位论文摘要 往复式活塞隔膜泵阀体运行状态的在线监测与故障诊断 摘要 往复式活塞隔膜泵是工业生产领域的重要机械设备之一，其运行状态的好 坏直接关系着生产效率，因此，对其运行状态进行在线监测，实现设备的趋势 预报与及时维修，避免过剩维修和维修不足是卜分必要的。而阀体作为隔膜泵 的重要组成部分，其卡阀与泄漏故障时有发生，给生产带来了很大损失，因此， 本文针对隔膜泵阀体的卡阀与泄漏故障展开了研究，给出了诊断结果。主要研 究内容和成果如下： 1 以双缸双作用往复式隔膜泵的结构和工作原理为基础，对其吸入阀的运 动规律进行了数学建模，并对吸入阀建立了振动微分方程，分析了引起阀振动 的主要激励源及阀体的失效机理阐述了内部激励源与表面振动响应信号之间 的内在关系，论证了利用阀体表面振动响应信号对其进行故障诊断的可行性。 最后，着重论述了振动信号响应的特性。 2 从声发射理论出发，提出了用声发射检测技术进行阀体的泄漏故障诊 断。从理论上探讨了声发射检测系统的建立，重点论述了声发射检测系统中传 感器及采集卡的选择，并对声发射信号处理方法提出了理论设想。 3 对采集到的阀体表面振动信号进行了时域、幅域及频域分析，得到了卡 阀故障的故障特征，试验信号分析表明：垂直方向的幅域参数尤其是歪度和峭 度两个指标可作为有力的辅助诊断参数；功率谱分析可有效提取故障信号特 征，验证了理论上用振动信号进行卡阀故障特征识别与故障诊断的可行性。 4 详细阐述了卡阀故障监测系统的软硬件实施方案，包括监测系统的组 成，传感器的选择、安装与定位；数据采集卡的选择；采样频率的确定；采集 软件的编制以及数据分析处理软件的编写等等。 由于时间有限，论文还有很多有待于完善的地方，可作更深一步的研究。 如条件允许，可利用声发射技术对阀体的泄漏故障进行诊断。 关键词：隔膜泵；阀体：信号处理；声发射检测；状态识别；功率谱：幅域参 数 i i 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t t h eo n l i n em o n i t o ra n df a u l td i a g n o s i sf o rt h e v a l v eo ft h er e c i p r o c a t i n gd i a p h r a g m p u m p a b s t r a c t t h er e c i p r o c a t i n gd i a p h r a g mp u m pi so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tm a c h i n e si n t h ef i e l do fi n d u s t r ym a n u f a c t u r i n g ，i t ss t a t eo fr u n n i n gi sd i r e c t l yr e l a t e dt ot h e e f f i c i e n c yo fp r o d u c i n g ，t h u sm o n i t o r i n gi t sr u n n i n gs t a t ei sv e r yi m p o r t a n t ，i n o r d e rt om a k i n gt r e n dp r e d i c t i o no ft h em a c h i n ea n dm a i n t a i n i n gi nt i m ea n d a v o i d i n gm a i n t a i nt o oo f t e no rn o te n o u g h m o r e o v e r ，a st h ei m p o r t a n tp o r t i o no f t h ed i a p h r a g mp u m p ，t h ev a l v e sf a u l ti sv e r yh a c k n e y e d ，a n di t sf a u l tc a nc a u s e b i ge x p e n s e st op r o d u c i n g t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c hw o r ko ft h i sa r t i c l ei sa b o u tt h e b l o c ka n dl e a k a g ef a u l to ft h ev a l v e i ta l s og i v e so u tt h ed i a g n o s i sr e s u l t t h e m a i nr e s e a r c hw o r ka n di t sp r o d u c t i o na r ea sf o l l o w s ： 1 b a s e do nt h es t r u c t u r ea n dw o r k i n gp r i n c i p l e so ft h e r e c i p r o c a t i n g d i a p h r a g mp u m p ，am a t h e m a t i cm o l do ft h ee n t r yv a l v e sr u n n i n gr e g u l a t i o na n d d i f f e r e n t i a le q u a t i o n so ft h ee n t r yv a l v ea r es e tu p ，b e s i d e s ，t h em a i na c t u a t i o n s o u r c e st h a tc a u s e dt h ev i b r a t i o no ft h ev a l v ea n dt h ev a l v e si n v a l i d a t i o n m e c h a n i s ma r ea n a l y z e d t h er e l a t i o no ft h ei n n e ra c t u a t i o ns o u r c e sa n dt h e e x t e r i o rv i b r a t es i g n a l si se x p o u n d e d t h ef e a s i b i l i t yo fu s i n gt h ev a l v e ss u r f a c e v i b r a t e s i g n a l st od i a g n o s i n gi t s f a u l ti sd e m o n s t r a t e d a t l a s t ，t h ea r t i c l e e m p h a s i z e dt h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ev i b r a t es i g n a l sr e s p o n s e 2 b e g i n n i n gw i t ht h et h e o r yo fa c o u s t i ce m i s s i o n ，t h ev a l v el e a k a g ef a u l t d i a g n o s i sw i t ha c o u s t i ce m i s s i o nt e c h n o l o g yi si n t r o d u c e d t h ee s t a b l i s h i n go fa e i n s p e c t i o ns y s t e mi sd i s c u s s e df r o mt h ep o i n to ft h e o r y ，t h ec h o i c eo ft h es e n s o r a n dc o l l e c t i n gc a r di se m p h a s i z e d ，a n dt h em e t h o do fp r o c e s s i n ga es i g n a l si s a s s u m e di nt h e o r y 3 t h ee x t e r i o rv i b r a t es i g n a l so ft h ev a l v et h a tc o l l e c t e da r ea n a l y z e di nt h e a r e ao ft i m e ，a m p l i t u d ea n df r e q u e n c y ，t h u st h ef a u l tc h a r a c t e r i s t i co fb l o c kv a l v e i i i 东北大学硕士学位论丈 a b s t r a c t i sf o u n do u t t h ea n a l y z e de x p e r i m e n t a t i o ns i g n a l ss h o wt h a tt h ea m p l i t u d ea r e a p a r a m e t e r so fv e r t i c a ld i r e c t i o n ，e s p e c i a l l ys l a n t i n gd e g r e ea n dk u r t o s i sc a nb e t a k e na st h ep o w e r f u ld i a g n o s i sp a r a m e t e r s ；t h ea n a l y z i n go fp o w e rs p e c t r u mc a n d i s t i l lt h ec h a r a c t e r i s t i co ff a u l ts i g n a le f f e c t i v e l y ，s oi tp r o v e di nt h e o r yt h a ti ti s f e a s i b l et oi d e n t i f y i n gt h ec h a r a c t e r i s t i co fb l o c k i n gv a l v ef a u l ta n dd i a g n o s i n g f a u l tu s i n gv i b r a t es i g n a l s 4 t h es o f t w a r ea n dh a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o ns c h e m eo ft h em o n i t o r i n g s y s t e mf o rt h ev a l v e sb l o c kf a u l ti se x p a t i a t e di nd e t a i l s ，i n c l u d i n gt h ec o n s t i t u t e o ft h em o n i t o r i n gs y s t e m ，t h es e n s o r sc h o i c e ，i n s t a l l a t i o na n do r i e n t a t i o n ；t h e c o l l e c t i n gc a r d sc h o i c e ；t h es a m p l e r a t e sc o n f i r m e d ，t h ec o l l e c t i n gs o f t w a r e s p r o g r a m m e da n dt h es i g n a lp r o c e s s i n gs o f t w a r e sp r o g r a m m e d ，e t c b e c a u s et h et i m ei sl i m i t e d ，s ot h e r ea r em a n yt h i n g st ob ec o n s u m m a t e d i f t h ec o n d i t i o ni sa l l o w e d ，t h ef u r t h e rr e s e a r c hw o r ko nt h el e a k a g ed i a g n o s i su s i n g a et e c h n o l o g ya n ds i g n a lp r o c e s s i n gc o u l db ec o n t i n u e d k e yw o r d s ：d i a p h r a g mp u m p ；v a l v e ；s i g n a lp r o c e s s i n g ；a ei n s p e c t i o n ；s t a t e i d e n t i f i c a t i o n ；p o w e rs p e c t r u m ；a r e ap a r a m e t e r i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表 或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献己在论文中作r 明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名；李摒 日期：加6 。i 西 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用 学位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论 文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在卜方签名；否则视为不同 意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 设备故障诊断技术的意义 在现代化大生产中，各种机械设备日益复杂，为更高的生产目标提供服务， 从而满足人们f l 益增长的物质文化需求。然而任何机械设备都有使用寿命，不 可能永远丁f 常运转，由于许多无法避免的因素( 有些是本质的、有些是非本质 的) ，设备会出现各种各样的故障。这必然涉及到设备运行状态检测和故障诊 断问题。从大生产的历史中来看，近代国际社会上出现过的一些重大生产事故， 不仅仅造成重大经济损失，而且还给人们带来严重的灾难。比如在1 9 7 9 年3 月美国三里岛核电站由于系统误判断和误操作，导致堆芯严重漏损、放射性物 质释放，不仅造成几十亿美元的经济损失，而且因公害引起居民示威抗议游行， 迫使国会出面干预调停，事件震撼了世界：1 9 8 4 年1 2 月，印度博帕尔农药厂 的异氰酸甲酷毒气泄漏事故，造成2 0 0 0 多人死亡，2 0 多万人受害的空前工业 事故，是世界工业史上最大的恶性事故；1 9 8 6 年1 月2 8 同美国航天飞机“挑战 者”号的空中爆炸事件，导致7 名宇航员全部遇难，损失总计达1 2 亿美元；1 9 8 4 年4 月2 7 日，前苏联切尔诺贝利核电站的大量放射性元素外泄事件，使2 0 0 0 人死亡。几万居民撤离，损失达3 0 亿美元，并且污染波及周边各国；1 9 8 6 年 1 0 月与1 9 8 8 年2 月，我国先后于山西和陕西发生两起2 0 万千瓦电站机组由于 运行失稳到机组烈振，轴系断裂，零件飞出毁坏厂房的恶性电站事故；1 9 9 9 年发生在全世界的多起交通和核泄漏事故，造成大量人员死亡，经济损失不计 其数；工厂中高压容器、大型球罐等发生爆炸破裂，造成严重后果的现象和事 件，也时有发生。这些事故的发生不仅造成人员和经济的巨大损失，还会使科 研活动一度陷入停顿，以至于整个产业造成重大的打击。 由此可见，为了保证设备的安全运行，消除事故，大力开展设备故障诊断 的系统研究。特别是利用新思想、新方法开展这方面的研究是十分必要的，也 是迫切要求的。并且对生产设备的状态检测与诊断具有不可替代的地位，必须 科学地系统地研究检测诊断技术，不能仅凭原始的感官经验，要以科学的方法 指导我们的实际生产。故障诊断技术主要通过各种监测手段，判断其工作是否 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 正常；如果不正常，经过分析与判断，指出发生了什么故障，便于管理人员维 修；或者在故障未发生之前，提出可能发生故障的预报，便于管理人员尽早采 取措施，避免发生故障或潜在事故。研究设备故障诊断技术的重要意义及目的， 可有以下几个方面： ( 1 ) 能及时地、正确地对各种异常状态或故障状态作出诊断、预防和消除 故障，同时对设备的运行进行必要的指导，保证产品质量，提高设备的可靠性、 维修性、安全性和有效性，以期把故障损失降低到最低水平。 2 ) 保证设备发挥最大的设计能力和生产能力，制定合理的检测维修制度， 以便在允许的条件下充分挖掘设备潜力，延长服务期限和使用寿命，降低设备 全寿命周期费用，提高设备管理水平。 ( 3 ) 通过检测监视、故障诊断、分析评估等，为设备结构修改、优化设计、 合理制造及生产过程提供数据和信息。 ( 4 ) 避免重大事故的发生，减少事故危害性，把事故消灭在萌芽状态。 ( 5 ) 提高生产技术装备水平。获得潜在的巨大经济效益和社会效益【1 5 l 。 1 2 设备故障诊断技术的国内外发展状况 1 2 1 发展背景 在工程领域中，有以机械设备、电子仪器、基础桥梁、工程结构，乃至计 算机系统为对象的各种诊断技术。与医学领域中的诊断相比，设备诊断技术开 发得比较晚，历史比较短，其水平和成熟度都比不上医学诊断，是近4 0 多年 束发展起来的一门综合性边缘学科 6 1 。虽然如此，但从6 0 年代中期开始，特 别是7 0 年代以来，设备诊断技术的发展速度、研究规模、所取得的成果，以 及达到的应用程度都十分令人鼓舞。之所以如此，是因为在工业革命后的相当 长时间内，由于当时的生产规模还比较小，设备技术水平和复杂程度都较低， 设备的利用率和维修费用并没有引起人们的重视，人们对设备的维修方式基本 上是事后维修。2 0 世纪以后由于技术的进步，设备性能提高功能增多的同时也 使它自身的复杂程度大大提高，而生产分工越来越细，协作化程度也越来越高， 从而设备故障对生产的影响愈加明显。到6 0 年代人们开始认识到研究故障诊 断技术的重要性和迫切性。在美国1 9 6 1 年的划时代意义的阿波罗登月计划的 执行；在日本1 9 6 4 年作为技术进步象征的新干线和东京奥林匹克体育场的建 2 东北大学硕士学位论文第一章绪论 成；在英国1 9 7 0 年从节省资源和降低成本角度出发关于设备综合工程学和寿 命周期费用问题的提出，都给发展设备诊断技术以极大的推动力【7 l 。从技术背 景方面看，6 0 年代是计算机和电子技术大发展的时代，快速傅立叶变换和算法 语言的出现，把信号分析技术从硬件到软件推向新的高度。最重要的是随着工 业生产和科学技术的发展，人们对机械设备的可靠性、可用性、可维修性、经 济性与安全性提到一个新的高度，要求进行全寿命管理，要求研究可靠性工 程，要求实行全面质量保证体系制度与标准；而设备技术是设备管理与设备维 修现代化工程中不可缺少的重要组成部分，对从事设备管理和设备维修的人员 而言，对于这项技术的重要意义又有了更深刻的新的理解，因为设备诊断技术 从本质上看，乃属于设备管理与设备维修技术范畴。 1 2 2 发展进程 最早开展故障诊断技术研究的是美国。其1 9 6 1 年执行阿波罗登月计划时 出现了一系列设备故障，促使美国宇航局( n a s a ) 在1 9 6 7 年会同美国海军研究 室( o n r ) 主持美国机械故障预防小组( m e p g ) ，积极从事故障诊断技术研究和开 发。1 9 7 1 年m e p g 划归美国国家标准局( n s b ) 领导，成为一个官方组织，下设 故障机理研究、检测、诊断和预防技术、可靠性设计和材料耐久性评价四个小 组，平均每年召开两次会议，至今己召开4 0 次会议。美国机械工程师学会 ( a s m e ) 领导下的锅炉压力容器检测中心( n b b i ) 对锅炉压力容器和管道等设备 的诊断技术作了大量的研究，制定了一系列有关静态设备设计、制造、试验和 故障诊断及预防的标准规程，目前正在研究推行设备的声发射( a c o u s t i c e m i s s i o n ) 诊断技术。其它如j h o n sm i t c h e l 公司的超低温水泵和空压机检测技 术，s p i r e 公司的用于军用机械的轴与轴承诊断技术，t e d e c o 公司的润滑油 分析诊断技术等都在国际上具有特色。在航空运输方面，美国在可靠性维修管 理的基础上，大规模地对飞机进行状态检测，发展了应用计算机的飞行器数据 综合系统( a i d s ) ，利用飞行中的信息来分析飞机各部位的故障原因并能发出消 除故障的命令。这些技术已普遍用于波音7 4 7 和d c 9 这一类巨型客机，大大 提高了飞机的安全性。据统计，世界班机的每亿旅客公里的死亡率己由6 0 年 代的0 6 左右下降到7 0 年代的o 。2 左右。在旋转机械故障诊断方面，首推美国 西屋公司，从1 9 7 6 年丌始研制到1 9 9 0 年已发展成网络化的汽轮发电机智能化 故障诊断专家系统，其三套人工智能诊断软件( 气轮机t u r b i na d ，发电机 g e n a d 水化学c h e n a d ) 共有诊断规则近万条，己对西屋公司所生产机组的 一 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 成；在英国1 9 7 0 年从节省资源和降低成本角度出发关于设备综合工程学和寿 命周期费用问题的提出都给发展设备诊断技术以极大的推动力f ”。从技术背 景方面看，6 0 年代是计算机和电子技术大发展的时代，快速傅立叶变换和算法 语言的出现，把信号分析技术从硬件到软件推向新的高度。最重要的是随着工 业生产和科学技术的发展，人们对机械设备的可靠性、可用性、可维修性、经 济性与安全性，提到一个新的高度，要求进行全寿命管理，要求研究可靠性工 程，要求实行全面质量保证体系制度与标准；而设备技术是设备管理与设备维 修现代化工程中不可缺少的重要组成郁分，对从事设各管理和设备维修的人员 而言，对于这项技术的重要意义又有了更深刻的新的理解，因为设备诊断技术 从本质上看，乃属于设各管理与设备维修技术范畴。 1 2 2 发展进程 摄早丌展故障诊断技术研究的是美国。其1 9 6 1 年执行阿波罗登月计划时 出现了一系列设备故障，促使美国宇航局( n a s a ) 在1 9 6 7 年会同美国海军研究 室( o n r ) 主持美国机械故障预妨小组( m e p g ) ，积极从事故障诊断技术研究和开 发。1 9 7 1 年m e p g 划归美国国家标准局( n s b ) 领导，成为一个官方组织，下设 故障机理研究、检测、诊断和预防技术、可靠性设计和材料耐久性评价四个小 组，平均每年召开两次会议，至今己召开4 0 次会议。美国机械工程师学会 ( a s m e ) 领导下的锅炉压力容器检测中心( n b b i ) 对锅炉压力容器和管道等设备 的诊断技术作了大量的研究，制定了一系列有关静态设备设计、制造、试验和 故障诊断及预防的标准规程，目前正在研究推行设备的声发射( a c o u s t i c e m i s s i o n ) 诊断技术。其它如j h o n sm i t c h e 公司的超低温水泵和空压机检测技 术，s p i r e 公司的用于军用机械的轴与轴承诊断技术，t e d e c o 公司的润滑油 分析诊断技术等都在国际上具有特色。在航空运输方面，美国在可靠性维修管 理的基础上，大规模地对飞机进行状念检测，发展了应用计算机的飞行器数据 综合系统( a i d s ) ，利用飞行中的信息来分析飞机各部位的故障原因并能发出消 除故障的命令。这些技术已普遍用于波音7 4 7 和d c 9 这一类巨型客机，大大 提商了飞机的安全性。据统计，世界班机的每亿旅客公里的死亡率己由6 0 年 代的o 6 左右下降到7 0 年代的02 左右。在旋转机械故障诊断方面，首推美国 西屋公司，从1 9 7 6 年开始研制到1 9 9 0 年已发展成网络化的汽轮发电机智能化 故障诊断专家系统，其三套人工智能诊断软件( 气轮机t u r b i na d ，发电机 g e n a d 水化学c h e n a d ) 共有诊断规则近万条，己对西屋公司所生产机组的 g e n a d 水化学c h c n a d ) 共有诊断规则近万条，己对西屋公司所生产机组的 3 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 安全运行发挥了巨大的作用。还有以b e n t l yn a v a d a 公司d d m 系统和a d r e 系统为代表的多种机组在线检测诊断系统等。 西欧各国也在故障诊断方面取得了重大进展。英国在6 0 年代末7 0 年代初， 以r a c o l l a c t t 为首的英国机械保健中心( u km e c h a n i c a lh e a l t hm o r n i t o r i n g c e n t e r ) 开始诊断技术的开发研究，1 9 8 2 年曼彻斯特大学成立了沃福森工业维 修公司( w t m u ) ，还有m i c h a ln e a l ea n da s s o c i a t e 公司，担任政府的顾问、协 调和教育工作，开展了咨询、制定规划、合同研究、业务诊断、研制诊断仪器、 研制检测装置、开发信号处理技术、教育培训、故障分析、应力分析等。还有 瑞典的s p m 轴承检测技术，挪威的船舶诊断技术，丹麦的振动和声发射技术 等等。 日本在某些民用工业，如钢铁、化工、铁路等部门的设备故障诊断发展很 快，在世界上占有定的优势。他们密切注视世界动向，积极引进消化最新技 术，努力发展自己的诊断技术，研制自己的诊断仪器。东京大学、东京工业大 学、京都大学、早稻田大学等高等学校着重基础性理论研究。其他民办企业， 如三菱重工、川崎重工、日立制作所、东京芝浦电器等以企业内部工作为中心 开展应用水平较高的实用项目。例如三菱重工的白木万博在旋转机械故障诊断 方面开展了系统的工作，他所研究的“机械保健系统”在汽轮发电机组故障诊断 和检测方面己得到有效的应用。 我国于1 9 8 3 年由原国家经委发布了国营工业交通设备管理试行条例 1 9 8 7 年国务院正式颁布了全民所有制工业交通企业设备管理条例，规定“企 业应当积极采用先进的设备管理方法和维修技术，采用以设备状态检测为基础 的设备维修方法”，其后冶金、机械、核工业等部门还分别提出了具体实施要 求，使我国的故障诊断技术的研究和应用在全国普遍展开。自1 9 8 5 年以来， 由中国设备管理协会设备诊断技术委员会、中国振动工程学会机械故障诊断分 会和中国机械工程学会设备维修分会分别组织的全国性故障诊断学术会议己 召开了十余次，极大地推动了我国故障诊断技术的发展。现在全国己有数十个 单位开展设备故障诊断技术的研究工作。全国各行业都很重视在关键设备上装 备故障诊断系统，特别是智能化的故障诊断专家系统。工作比较集中的是大型 旋转机械故障诊断系统，已开发了2 0 种以：的机组故障诊断系统和十余种可 用来做现场简易故障诊断的便携式现场数据采集器，一些大专院校已培养出一 批从事设备故障诊断的硕士生、博士生。 一4 东北大学硕士学位论文第一章绪论 但在很多方面与国外还有定的差距，这主要表现在两个方面： 一、数据采集部分，由于与国外在传感器性能上的差距，怎样在现有的条 件下，充分发挥当前设备的潜力，快速、准确、方便、低成本地将一些特征信 号采集出来，是当前面临的一个重大课题。 二、利用当前信息采集科学的几个热点，主要是基于小波理论、分形几何、 神经网络等理论对信号进行识别和处理，特别是淹没在强噪声信号的微弱信号 处理，非平稳信号处理等几个方面，与国际水平还有一定的差距。 1 3 设备故障诊断的三类方法 1 ) 从应用机械设备以来，最开始发展起来的是凭个人实践经验的主观诊 断法。对于一些结构简单的小型设备，人们比较容易掌握设备元件的结构与功 能等知识。在维护设备的过程中也不断积累了丰富的经验知识，对设备所发生 的典型故障人们凭经验一般即可解决。 但是由于每个人的主观感觉和经验不可能完全相同，总会有些差异，这样 不同的人诊断同样的设备故障时，所做出的判断结果也有所不同，带有很强的 个人主观性。因此主观诊断法一般是对设备故障作简单定性的判断。 2 ) 在对机械设备进行必要的定量数学描述后，发展了建立在数学模型上 的诊断法。这类方法要用某种数学手段描述设备的某些可测量的幅值、相位和 频率等信号参量，并找出它们和故障源之间的联系，通过分析处理这些信号来 诊断故障情况。这类方式以严密的数学手段为工具，抛开了人们的主观影响， 容易获得客观正确的结果，大大提高了故障诊断水平。已经有大量的成功应用， 取得了显著的社会效益和经济效益。 但进一步的研究表明其一些不足的地方。比如各种信号检测手段大多利用 设备所表现出的特征信号来诊断故障，这会忽视多故障同时发生和各故障间的 联系和影响：基于信号处理和建模处理的故障诊断系统专用性强，一旦完成， 诊断能力很大程度上也就定了。在某段时间内效果良好的系统，可能运行一段 时间后，随着环境等因素的波动，效果可能变差：系统功能难以扩充或者修改， 没有良好的柔性。 3 ) 随着人工智能技术的发展，又兴起了基于非模型的诊断法。它模拟人 脑处理信息的方式，应用人工智能的神经网络与专家系统等成果建立诊断系 统。设备故障的多样性。原因的复杂性，及进行故障诊断所需要的知识对各领 5 一 苎! ! 垄兰婴主堂堡堡查 苎二主堕垒 。_ 。_ 。_ _ _ _ _ _ - _ _ _ - 。_ _ - - _ 。_ - 。_ _ _ _ _ _ _ _ 。_ 。_ _ _ _ _ _ - _ _ - - 。_ _ - _ _ _ 。- - 一 域专家实践经验和诊断策略的依赖性等，使得研制智能化的故障诊断系统成为 当前的趋势。 诊断系统的智能性也不是说完全代替人的智力活动，且人工智能中还有许 多有待解决的理论问题，要真正模拟人的智能还有漫长的道路要走。 这三类故障诊断方式各有特点，都有它的应用价值，针对具体的问题应酌 情运用。 1 4 隔膜泵阀体故障诊断的研究现状 由于我国的往复式活塞隔膜泵研究才刚刚起步，因此，对其故障的诊断方 法研究还基本上处于空白阶段。在过去的近几十年中，国内外学者对往复泵倾 注的关注。也主要是集中在对泵的结构设计与性能改进上，并取得了定的成 果。对往复式活塞泵的故障诊断的研究也处于起步阶段，方法还不是很成熟， 大多数都是对隔膜泵进行整体的状态髓测与诊断，采用的方法也基本上是对采 集的压力信号进行时域分析和运用传统的傅立叶变换方法进行频域分析，少数 采用小波方法进行降噪处理。然而往复泵在使用过程中，泵阀最容易出现故障， 因此对泵阀的故障研究显得尤为重要。目前，泵阀泄漏故障研究所采用的方法 大多是对采集到的声音信号用时域和频域诊断方法进行故障特征的提取，也有 极少数是利用声发射技术进行泵阀泄漏故障的诊断，还没有对泵阀卡死故障进 行诊断的例子。随着小波技术的发展，泵阊故障诊断方法从传统意义上的时域 和频域诊断向更具有优势的时频域诊断方法发展，并已取得了初步成果。尽管 已有的研究是针对往复式泵而非隔膜泵而苦，但隔膜泵亦属于往复泵范畴，因 此，已有的往复泵的研究成果对隔膜泵阀体的故障诊断还是有一定参考价值， 具有一定指导意义的。 1 5 本课题的背景来源及研究意义 多年来，我国大功率隔膜泵设备几乎全部进口。目前，国际上只有荷兰、 德国等少数国家生产制造，其产品价格昂贵，吨价为一般机械产品的5 1 0 倍【6 1 。 在我国，沈阳冶金机械有限公司经过近1 0 年的研制，通过技术攻关，已经生 产出大功率隔膜泵一往复式活塞隔膜泵，用于矿粉浆料和重泥浆料的工位转 移，已逐步达到国际同类产品的水平，是我国在此领域上的技术突破。往复式 6 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 活塞隔膜泵( 以下简称隔膜泵) 属于往复泵范畴，它用橡胶隔膜把输送的浆液 与泵的活塞、缸套等运动部件分隔开来，使它们在清洁的油中工作，因而能够 输送腐蚀性、磨蚀性物料( 。具有排量高、油耗低、吸入性能好、使用寿命长、 自动化水平高、操作简单方便等优点，广泛应用于输送高温、高磨蚀固液两相 介质的黑色、有色、化工、建材、煤炭和电力等行业内的各类工艺系统。其主 要构成运动副为：3 5 0 k w 电机和减速机构成动力系统；四曲轴拖动连杆机构 控制柱塞作往复运动，吸入泥浆进入泵体，再经过压缩打出高压泥浆。 由于大功率隔膜泵的工作条件恶劣，价格昂贵，易于出现阀体泄漏、阀体 卡死、曲轴断裂、轴承损坏、活塞杆损坏等各种机械故障，而一旦出现故障造 成停产，损失将是非常巨大的，会给企业带来大量不必要的经济损失，因此迫 切需要一套能够对其运行状态进行实时监测的监测系统，进而为诊断故障的类 型与部位提供可靠的实时数据和信息，以节省维修费用，缩短维修时间，避免 过剩维修和防止维修不足。为此，东北大学设备诊断工程中心与沈阳冶金机械 有限公司达成协议，共同研究丌发一套大容量隔膜泵的状态监测系统，以提高 隔膜泵的实用价值。如果这样的一套监测系统研制成功，不仅可以弥补我国在 隔膜泵在线监测系统领域的空白，在科研领域有新突破，具有深远的理论和学 术价值，而且会给工程应用解决很多实际问题，为用户节省维修成本，缩短维 修周期，避免不必要的损失，达到巨大的经济效益。 1 6 本论文的主要研究工作 由于隔膜泵体积大，结构复杂，涉及的组件较多，因此故障形式也很多， 这样对其进行监测系统开发与故障诊断是一项很大的工程，本文主要研究隔膜 泵阀体的状态监测与故障的初步诊断。 首先，简单扼要的介绍了设备诊断技术的发展与现状并初步讨论了隔膜泵 阀体故障诊断的研究现状：其次，对隔膜泵吸入阀进行了动态特性分析并建立 了吸入阀的振动微分方程，为故障信号分析提供参考；然后，讨论了阀体常见 故障的诊断方法：对阀体声发射泄漏诊断进行了理论探讨，并自行设计了一套 声发射检测系统；此外。由于阀体卡死是最常见的故障之一，因此，本文重点 讨论了阀体卡阀故障的振动诊断方法，对几种典型信号处理方法先进行了理论 阐述。然后通过对现场实际采集的振动信号进行分析与相应处理，得出了卡阀 故障的诊断结论。最后介绍了系统的软硬件实现手段，与实现方法，并对课题 一7 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 的不足提出了展望，指出了有待完善的地方。 8 一 东北大学硕士擘位论文第二章往复式隔膜泵泵周的振动理论 第二章往复式隔膜泵泵阀的振动理论 2 1 隔膜泵简介 隔膜泵是国外6 0 7 0 年代在泥浆泵的基础上开发的一种新型机电一体化 产品。是在往复式柱塞泵的基础上增加隔膜室演变而来的l8 1 ，其工作原理及基 本结构早在1 9 5 8 年就有法国学者b a l l u 提出，并申请了专利。由于b a l l u 提出 的隔膜泵技术综合了活塞泵输出压力高、坚固耐用和隔膜室结构简单、耐腐蚀 等优点，又克服了活塞泵密封件易磨损和隔膜室本身无动力源的不足，很快被 人们接受，在欧洲工业发达国家进行工业化研制。到二十世纪七十年代末，荷 兰h u s t h u s t 公司创立了一套先进完善的检测控制技术，使隔膜泵的设计理 论、控制方法产生了突破性的变化，基本解决了其核心技术成熟问题，使泵的 连续运转率达到8 5 9 5 ，运行成本仅为同介质输送其他形式泵的1 6 。从此 隔膜泵在工业领域得到广泛应用。 隔膜泵易损件少，特别适用于管道化输送有磨蚀性和高粘度悬浮物的液 体。这种固体水力管道运输具有高效、安全、简单和不污染环境的特点，在矿 山、冶金、电站、石油、化工等行业有着广阔的使用前景，故而世界各国都在 积极推广应用【9 1 ，被广泛地用于矿山精选、冶金烧结尾矿和污水处理中污泥的 输送，而且是长距离高扬程的输送：食品喷雾干燥、电力、化工、建材企业中 高磨蚀性液圆两相浆料( 水煤浆) 的高扬程输送。然而，在使用过程中，往复 式隔膜泵的泵阀组件因其环境恶劣极易损坏，对其状态监测与故障诊断的研究 目前还处于起步阶段( 1 0 】f 1 ，因此开展这方面的研究具有重要的理论及实际意 义。 隔膜形状有薄板圆形，圆筒状或波纹管状等；其材料可以是非金属的，也 可以是金属的，其分类如图2 1 所示。 常见的隔膜泵形式有往复式机械作用与液压作用两种。液压作用隔膜泵又 有直动对置式机械作用隔膜泵、回转式环形隔膜泵等。本文研究对象是双缸双 作用往复式活塞隔膜泵。 9 一 东北大学硕士学位论文 第二章往复式隔膜泵泵阀的振动理论 电动机驱动：三圣蓁法 图2 1 隔膜泵分类 f i g 2 1t h ec l a s s i f i c a t i o no ft h ed i a p h r a g mp u m p 2 2 隔膜泵的结构特点及工作原理 一台完整的往复式活塞隔膜泵系统由传动系统、动力端、液力端、液压辅 助系统、进出口压力流量稳定系统、p l c 集控系统和消振装置组成。结构形式 有液压活塞单双作用、液压缸数、活塞的立卧式运动。隔膜泵的结构形式般 以双缸双作用卧式、三缸单作用卧式、多缸单作用立式等较为平常。 输送介质性质包括输送介质的密度、粒度、粘度、酸碱度、磨蚀性、温度 和重量浓度等指标。隔膜泵的核心技术由隔膜技术、活塞密封技术、自动化控 制技术组成。 隔膜泵的结构及工作原理见图2 2 。 j l 一 1 活塞2 导杆 3 探头4 隔膜5 进出料阀 图2 2 隔膜泵结构及工作原理图 f i g 2 2s t r u c t u r ea n dw o r kp r i n c i p l ed i a g r a mf o rt h ed i a p h r a g mp u m p 一1 0 东北大学硕士学位论文第二章往复式隔膜泵泵阀的振动理论 电动机通过减速机驱动曲柄连杆滑块机构，带动活塞往复运动，活塞借助 油介质使橡胶隔膜( 以下简称隔膜) 凹凸运动，驱使隔膜室腔内容积周期变化， 完成矿浆输送。由于隔膜将矿浆与油介质分隔开来，活塞、缸套、活塞杆等运 动部件不与矿浆直接接触，避免了矿浆中磨砺性很高的固体颗粒对其的磨损， 保证了这些运动部件的使用寿命：同时，可以保持隔膜泵较高的连续运转率和 较低的运行成本【6 】【7 】。具体运行过程是：当动力机通过皮带、齿轮或其他传动 部件带动曲柄以角速度按图示方向，从左边位置开始旋转时，活塞向右边移 动，套缸内液体受挤压，压力升高，吸入阀关闭，排出阀被推开，液体经排出 阀和排出管进入排出池，直至活塞移到右死点为止。这一过程称为液缸的排出 过程。曲柄继续转动，活塞开始向左端移动，液缸内形成一定的真空度，吸入 池中的液体在液面压力的作用下，推开吸入阀，进入液缸内，直至活塞到达左 死点位置为止。这个过程，称作液缸的吸入过程。曲柄连续旋转，每一周内活 塞往复运动一次，双作用泵的液缸完成两次吸入和排出过程。 2 3 锥形阀运动规律的数学模型建立 关于泵阀运动规律的研究，国内外提出了多种理论。过去很长一段时间采 用魏斯特法尔规律，该理论建立在液体不可压缩、泵的零部件是非弹性体、阀 盘无质量等假设条件基础上，显然与泵阀实际工况相差较大。因此，用魏斯特 法尔法计算某时刻阀盘的升程、速度、加速度与实测结果之间有较大误差，而 且随着冲次的增加，这种误差越来越大。阿道尔夫于1 9 6 8 年建立了描述泵阀运 动规律的二阶非线性常微分方程，综合考虑了泵阀的动态特性以及魏氏效应对 液缸内液体连续流条件的影响，能够较准确的反映实际情况。文献【1 2 ，1 3 】应 用罗比塔法则建立了描述泵阀开启阶段与关闭阶段泵阀运动规律的常微分方 程，并且认为泵阀开启瞬时具有初速度，解决r 泵阀运动微分方程在开启瞬时 的奇点问题。阿道尔夫在建立泵阀精确运动微分方程时，假设了液体是不可压 缩的，即假设了液缸内液体压力为常数，没有考虑液缸内液体压力交化对液体 密度的影响，因此阿道尔夫只将泵阀升程与泵阀运动速度两个参数作为了状态 变量。而实际上，液缸内液体压力在泵阀开启初期具有较大波动，同时液缸内 液体也是可压缩的，未考虑液缸内液体压力波动、液体的可压缩性对液缸内液 体连续流条件的影响是导致阿道尔夫泵阀精确运动微分方程在泵阀开启瞬时 存在奇点的主要原因。 1 1 东北大学硕士学位论文 第二章往复式隔膜泵泵阀的振动理论 隔膜泵泵阀结构和型式各种各样，有平板阀、锥形阀、球形阀、平板环形 阀等。下面在阿道尔夫泵阀精确运动微分方程的基础之上，针对自动锥形阀的 吸入阀，研究其运动规律，并建立其振动微分方程，为振动特性分析提供依据。 2 3 1 液缸内液体连续流方程 往复泵吸入冲程工作原理如图2 3 所示，自动锥形阀的结构如图2 4 所示。 为便于推导，作如下假设14 1 6 l ： ( 1 ) 不考虑液体在液缸内流动的摩阻损失； ( 2 ) 假设液缸内各点的液体压力及密度相同： ( 3 ) 不考虑液缸与活塞杆的弹性变形。 l上一一一一各、 - it 、 图2 3 隔膜泵吸入冲程的工作原理 f i g 2 3w o r kp r i n c i p l eo ft h ei n h a l eb l u n td i s t a n c ef o rt h ed i a p h r a g mp u m p d 图2 4 自动锥形阀的结构 f i g 24t h es t r u c t u r eo ft h ea u t o m a t i ct a p e rv a l v e 一1 2 查苎苎型兰坠整塑堑坠 一 苎三主堡墨垄堕堡墨墨塑塑塑塑堡垒 在时刻t ，液缸内液体压力为p ，液体质量m 为： m ，= 陋j