（动力机械及工程专业论文）设备振动监测分析诊断系统研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 设备振动监测分析诊断技术是目前国内外一项发展迅速、备受欢迎的重要技 术。本文运用c + + 语言，开发了基于w i n d o w s 操作系统的设备振动监测分析诊断系 统。介绍了系统的总体结构和功能、 数据库程序设计方法。 开发了基于树 析诊断软件， 形结构的 根据数据库理 设备测点数据 特点和主要实现方法。研究了基于树形结构的 论和方法，利用a d o 、面向对象及线程技术， 库管理功能。该系统是面向整台设备的故障分 尤其在数据管理、振动分析以及齿轮、滚动轴承的诊断方面进行了深 入的研究，具有较强的实用性和通用性。 关键词：振动监测，故障诊断，数据库 a b s t r a c t i ti sv e r yi m p o r t a n tt os t u d yt h ev i b r a t i o nm o n i t o r i n ga n a l y s i sa n df a u l td i a g n o s i so f e q u i p m e n t aw i n d o w s b a s e ds y s t e mo fv i b r a t i o na n a l y s i s a n df a u l td i a g n o s i so f e q u i p m e n ti sd e v e l o p e dw i t ht h ec + + p r o g r a ml a n g u a g e t h es t r u c t u r e ，f u n c t i o n s ，a n d p r o p e r yo ft h es y s t e ma r ep r e s e n t e d t h em e t h o do fd a t a b a s ed e s i g nb a s e do nt h et r e e s t r u c t u r ei s s t u d i e d a c c o r d i n gt o t h e o r i e sa n dm e t h o d so f d a t a b a s e d e s i g n ，t h e m e a s u r e m e n ti n f o r m a t i o nf u n c t i o nb a s e do nt h et r e es t r u c t u r ei sp u tf o r w a r db yt h e t e c h n i q u eo fa c t i v ed a t ao b j e c t ( a d o ) ，o b j e c to r i e n t e dp r o g r a m m i n ga n dt h r e a d t e c h n o l o g yi nt h ef a u l td i a g n o s i so fm e c h a n i c a le q u i p m e n t t h es y s t e mi sv e r yp r a c t i c a l a n da l l p u r p o s e ，e s p e c i a l l yi nd a t am a n a g e m e n t ，v i b r a t i o na n a l y s i sa n df a u l td i a g n o s i s f o rg e a ra n dr o l lb e a r i n g w a n gl i t o n g ( p o w e rm a c h i n e r ya n de n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f h eq i n g k e yw o r d s ：v i b r a t i o nm o n i t o r ，f a u l td i a g n o s i s ，d a t a b a s e i 华北电力大学硕士学位论文 摘要 设备振动监测分析诊断技术是目前国内外一项发展迅速、备受欢迎的重要技 术。本文运用c + + 语言，开发了基于w i n d o w s 操作系统的设备振动监测分析诊断系 统。介绍了系统的总体结构和功能、 数据库程序设计方法。 开发了基于树 析诊断软件， 形结构的 根据数据库理 设备测点数据 特点和主要实现方法。研究了基于树形结构的 论和方法，利用a d o 、面向对象及线程技术， 库管理功能。该系统是面向整台设备的故障分 尤其在数据管理、振动分析以及齿轮、滚动轴承的诊断方面进行了深 入的研究，具有较强的实用性和通用性。 关键词：振动监测，故障诊断，数据库 a b s t r a c t i ti sv e r yi m p o r t a n tt os t u d yt h ev i b r a t i o nm o n i t o r i n ga n a l y s i sa n df a u l td i a g n o s i so f e q u i p m e n t aw i n d o w s b a s e ds y s t e mo fv i b r a t i o na n a l y s i s a n df a u l td i a g n o s i so f e q u i p m e n ti sd e v e l o p e dw i t ht h ec + + p r o g r a ml a n g u a g e t h es t r u c t u r e ，f u n c t i o n s ，a n d p r o p e r yo ft h es y s t e ma r ep r e s e n t e d t h em e t h o do fd a t a b a s ed e s i g nb a s e do nt h et r e e s t r u c t u r ei s s t u d i e d a c c o r d i n gt o t h e o r i e sa n dm e t h o d so f d a t a b a s e d e s i g n ，t h e m e a s u r e m e n ti n f o r m a t i o nf u n c t i o nb a s e do nt h et r e es t r u c t u r ei sp u tf o r w a r db yt h e t e c h n i q u eo fa c t i v ed a t ao b j e c t ( a d o ) ，o b j e c to r i e n t e dp r o g r a m m i n ga n dt h r e a d t e c h n o l o g yi nt h ef a u l td i a g n o s i so fm e c h a n i c a le q u i p m e n t t h es y s t e mi sv e r yp r a c t i c a l a n da l l p u r p o s e ，e s p e c i a l l yi nd a t am a n a g e m e n t ，v i b r a t i o na n a l y s i sa n df a u l td i a g n o s i s f o rg e a ra n dr o l lb e a r i n g w a n gl i t o n g ( p o w e rm a c h i n e r ya n de n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f h eq i n g k e yw o r d s ：v i b r a t i o nm o n i t o r ，f a u l td i a g n o s i s ，d a t a b a s e i 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文设备振动监测分析诊断系统研究， 是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位或证书而 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均已在论文中作了明确的 说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：至墨蕴 e l期：逊! ! 丝 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：圭重耄： e l 期：泷盔。垒，垃 导师签名： 日期：域三! 1 9 华北电力大学硕士学位论文 1 i 选题背景 第一章绪论帚一早三百化 随着科学技术的迅猛发展，现代工业生产中的机械设备正朝着大型化、复杂化、 高速化、自动化及大功率方向发展。由于设备中不同部分之间的相互联系、耦合程 度更加紧密，一个部件出现故障，将引起整个生产流程中断，现代化的生产设备在 提高生产效率的同时也大幅度的增加了设备的维修费用，设备故障在单位时间造成 的损失也成倍的增加【l 五j 。 如果在设备生产、运行、维护等一系列过程中，有着较好的故障监测和诊断方 法和工具，将能减少很大程度上的损失，维护生产运行的安全。利用先进仪器的设 备振动监测方式，结合计算机软硬件技术、网络与通讯技术、数据库技术与设备状 态监测和故障诊断技术，实现设备的全运行周期状态监测与管理【3 】。通过对现场设 备的数据采集，经过电脑中的软件处理后，分析人员通过对振动曲线、频谱图等振 动信息进行人工或专家系统的分析，来识别设备状态和可疑故障部位、故障性质等 问题，进行劣化趋势分析，从而提出准确的设备维修计划，能使设备最大程度地得 到适时维修，发挥出最佳经济效益。 从国内外部分设备诊断技术应用效益分析来看，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。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 。英国报道，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 断系统的成本为0 5 亿英镑，收益为投入的6 倍。上海宝钢是国内开发设备故障诊 断技术较为成功的企业之一。宝钢应用振动测试技术、红外测温热成像技术及铁谱 分析技术等进行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【4 j 。 从现有的许多设备监测与故障诊断软件性价比方面来看，国外的诊断系统并不 能完全适用于国内企业的实际情况，且报价昂贵，如e n t e k 的预测维修( p m ) 系统， 其网络版软件加上专用数据采集器报价是1 2 万美元，一般企业难以承受。而国内 故障诊断软件与国外软件相比较具有开放性好、功能灵活、成本低、操作维护方便 等特点【5 j 。所以立足国内高起点地开发自己的故障诊断软件，与国外软件竞争，为 企业服务，具有其现实意义。 由此可见，设备状态监测和故障诊断技术作为现代化设备管理的重要组成部 分，是设备管理与维修管理必不可少的手段。研究应用设备振动监测故障诊断系统， 华北电力大学硕士学位论文 可以提高设备运行的可靠性，减少设备的维修费用，减少维修设备所需的备件数量 和工作量。在这样的背景下，我们开发了自己的设备振动监测分析诊断系统，该系 统是建立在对设备生产整个过程的监测基础上的。主要目的是在于不仅可对设备提 供常规诊断，而且可对设备运行状态进行全面的信息分析和诊断预测，希望能够把 故障消灭在无形之中，以保证生产的正常运行和设备的生产安全。 综上所述，设备振动监测分析诊断技术是目前国内外一项发展迅速、备受欢迎 的重要技术。它不仅是安全生产经济运行的需要而且还是现代企业运营管理水平提 高的需要，设备的状态监测与故障诊断越来越得到重视。因而开发研究设备振动监 测分析诊断系统是很有意义的。 1 2 国内外研究动态 设备状态监测与故障诊断技术是七、八十年代得到迅速发展的一项技术。随着 现代化大生产的发展和科技的进步，设备的复杂程度日益提高，如何保证设备的安 全运行，已成为一个十分迫切的问题。状态监测与故障诊断技术是保障设备安全运 行的基本措施之一，它能对设备故障的发展作出早期预报，对出现故障的原因作出 判断，提出对策建议，避免或减少事故的发生。除此之外，该技术的应用与发展， 又推动了维修制度的变革，使维修方式逐步地从定期维修过渡到以状态监测为基础 的维修，从而极大地节省维修费用，减少停机损失。其综合效应是帮助企业增产增 效，获得最大的经济效益。因此，设备故障诊断技术日益受到国内外的广泛重视。 设备故障诊断技术是在实际应用需求和多种学科相结合中发展起来的，是一门 新兴的边缘学科。世界上最早开展设备诊断技术的国家是美国。1 9 6 7 年，在美国宇 航局和海军研究所的倡导和组织下，成立了美国机械故障预防小组( m f p g ) ，开始有 计划、有组织地对诊断技术分专题进行研究。此后很多学术机构，如美国机械工程 学会( a s m e ) 、政府部门如国家标准局( v b s ) 及一些高等院校和企业公司都参与或进 行了与本行业有关的诊断技术的研究。美国b e c h t e l 电力公司于1 9 8 7 年开发的火电 厂设备诊断专家系统( s c o p e ) 在进行分析时不只是根据控制参数的当前值，而且还 考虑到它们随时间的变化，当它们偏离标准值时还能对信号进行调节，给出消除故 障的建议说明，提出可能i 临近损坏时间的推测。美国r a d i a l 公司于1 9 8 7 年开发的 汽轮发电机组振动诊断专家系统( t u r b o m a e ) ，在建立逻辑规则的基础上，设有表征 振动过程各种成分与其可能故障源之间关系的概率数据，其搜集知识的子系统具有 人一机对话形式。该系统含有9 0 0 条知识规则，有很大的库容。美国b o y c e 国际工 程公司( r o y c ee n g i n e e r i n gi n t e r n a t i o n a l ，简称：b e i ) 开发的基于专家系统的状态监测 与诊断系统d a t m ( d i a g n o s t i ca n a l y s i so ft u r b o m a c h i n e r y ) 具有多种参数的趋势分 析手u 顾报助能。该系统在1 9 8 1 至1 9 9 0 年发展到总共近1 万条规则的人工智能诊断 2 华北电力大学硕士学位论文 规则库，其中包括：汽轮机3 0 0 0 多条，发电机近3 6 0 0 条，机械( 包括辅机) 近3 2 0 0 条。美国西屋电气公司和卡内基一梅隆大学合作研制的汽轮发电机在线诊断专家系 统a i d 于1 9 8 4 年在得克萨斯州达拉斯附近的发电厂投入使用，对三个电厂共七台 大型发电机( 其中，6 4 5 m w 容量的机组四台，8 3 5 m w 容量的机组三台) 进行在线监 测和诊断1 6 j 。 其他已广泛投入使用的典型的状态监测与诊断系统包括：美国本特利公司的 d m 2 0 0 0 系统；日本三菱重工的m h m s 系统、日立公司在1 9 8 2 年开发的汽轮机寿 命诊断装置h i d i c 0 8 e ；美国s c i e n t i f i ca t l a n t a 公司的m 6 0 0 0 ，m 8 0 0 0 系统； 美国e n t e k i r d 公司推出的e n t r x 系统。法国电力部门( e d e ) 开发的专家系统p s a d 及其d i v a 子系统等【6 】。另外，瑞士a b b 公司、德国西门子公司、丹麦b & k 公司 等都开发出了各自的诊断系统。 我国机械设备诊断技术的研究工作起步较晚，但发展较快【_ 7 1 。第一个阶段是从 上世纪7 0 年代末到8 0 年代初，在此期间，主要是吸收国外技术，对故障机理和诊 断方法进行引入和研究；第二个阶段是从8 0 年代初期到现在，我国很多科研机构 和高等院校先后进行了故障诊断系统的研究和开发，全国有近百家高等院校、科研 院所从事故障诊断技术的研究工作。目前，在国内已形成了十多个水平较高、有一 定规模的诊断技术研究中心，如清华、西安交大、哈工大、浙大、上海交大、东北 大学、华中科技大学、北京科技大学等珍断技术研究中心，对国内诊断技术的研究 工作起到了重要的领导和促进作用。“八五”期间，我国的一些高校、研究所结合 重大科技攻关项目“大型旋转机械状态监测、分析及故障诊断技术研究”在故障机 理研究中提出了非线性油膜力作用下最佳轴承参数优化方法；在机电耦合动态分析 研究中，对多机a c a d 联合电力系统进行同步谐振与轴系扭振研究；在对流诱发 振动研究中，应用振荡流体力学理论，对叶片失速流、尾迹流、气封间隙流等进行 了研究和计算；在对各种热力状态诱发故障机理研究中，对各种热参数变化引起的 故障进行了分析研究，这些成果使我国在旋转机械机理研究方面提高到了一个新的 水平【8 】。西安交通大学在旋转机械故障诊断方面进行了研究，天津大学开展了轴承 和齿轮的状态监测研究，华中科技大学和哈尔滨工业大学开展了汽车发动机和汽轮 机状态监测和诊断系统，石化系统研究和应用红外诊断和声发射定位系统，机械部 门继一汽、二汽之后洛阳轴承厂开发了轴承故障诊断系统，冶金部门继太钢、宝钢 之后武钢进行离心鼓风机和透平压缩机的状态监测和故障诊断，北京科技大学对矿 用汽车故障诊断有较深的研究探讨。上海发电设备成套设计研究所、哈尔滨工业大 学等单位都开发了各种类型的故障诊断装置；山东电力科学研究院和清华大学等单 位在1 9 9 7 年共同开发了类似于美国西屋公司的a i d 系统的“大型汽轮发电机组远 程在线振动监测分析与诊断网络系统 ，通过网络方式将各个电厂的振动数据传输 到l “东电力科学院远程诊断中心站，并通过中心站对振动数据进行远距离的监测分 1 华北电力大学硕士学位论文 析与诊断。我国诊断技术经过3 0 多年的研究与发展，在化工、冶金、电力等行业 应用较好，已应用于飞机自动驾驶、人造卫星、航天飞机、核反应堆、汽轮发电机 组、大型电网系统、石油化工过程和设备、飞机和船舶发动机、汽车、冶金设备、 矿山设备和机床等领域【9 】。 此外，设备诊断仪器的开发取得较大进展，为设备诊断提供各类仪器。这些发 展为我国设备状态监测和故障诊断技术的推广应用奠定了稳固的基础。 国内外实践表明，随着计算机技术、传感器和测试技术、通讯技术、人工智能 技术等先进技术的快速发展和应用，状态监测和故障诊断系统技术的发展趋势是： 在系统结构方面，由分布式监测方式替代目前的集中式监测方式，数据采集和状态 监测将由智能前端装置实现，故障诊断由中央计算机完成，实现系统结构分布化、 监测方式层次化，其主要特点是可靠性高、实时性强；在计算机硬件平台技术方面， 功能强大的工作站、服务器、超级微机及网络将综合在一起形成工作组，许多先进 的硬件技术得到广泛的应用，如局部总线技术、大容量高速硬盘技术、高速图形显 示技术以及多媒体技术等；在计算机软件平台方面，高性能的w i n d o w s 操作系统、 优良的图形用户接口、动态数据交换、网络通讯、实时数据库、面向对象的编程语 言等先进的软件系统及技术得到应用，并为故障诊断系统软件的开发及运行提供一 个前所未有的开放的优良环境；在系统软件功能方面，将由人机自然语言接口、实 时多任务全过程在线监测、诊断过程自动组态等方向发展 加】。今后国内外研究方向 主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 故障机理、基础理论的研究朝纵深方向发展； ( 2 ) 诊断方法、理论技术研究主要朝着智能化诊断； ( 3 ) 诊断系统向分布式、网络化方向发展。 1 3 本论文的研究内容 设备状态监测与故障诊断是通过掌握设备过去和现在运行中或基本不拆卸的 情况下的状态量，判断有关异常或故障的原因及预测对将来的影响，从而找出必要 对策的技术。它是一门综合性技术，涉及传感及测试技术、电子学、信号处理、识 别理论、计算机技术以及人工智能专家系统等多门基础学科，是对这些基础理论的 综合应用。 本论文以大型旋转机械设备为研究对象，以状态监测和故障诊断技术为基础， 着重于振动监测和分析诊断软件系统的开发。旨在对机械设备的振动监测和故障诊 断技术及实现进行一些探索，针对设备的常见故障，提出一套较完善的振动监测及 故障诊断系统。利用c + + b u i l d e r 语言开发出动态的、交互的、高效率的、统一的用 户界面，利用数据库的访问组件增加了系统的动态数据获取功能。利f j 图形处理的 4 华北电力大学硕士学位论文 组件开发出监测诊断系统的总体概貌。这些组件使系统功能更加完善，达到功能模 块化、软件智能化、接口开放化的目的，从而提高系统的可靠性和振动监测的灵敏 度，为状态监测和故障诊断分析软件的快速开发奠定了基础。 本文所研究开发的设备振动监测分析诊断系统是一种以频谱分析为基础，通过 计算机编程，开发出界面友好、功能完备、运行可靠、面向整台设备的振动监测分 析诊断系统。具体的研究内容包括以下几方面： ( 1 ) 分析研究各种振动监测诊断技术，着重研究了齿轮、滚动轴承故障诊断技 术。 ( 2 ) 研究系统的总体构成，主要研究开发设备振动监测分析诊断系统软件，其 中该软件包括数据管理，振动分析，故障诊断等三大主要模块。 ( 3 ) 研究上位机与下位机的通讯问题。 ( 4 ) 研究基于树形结构的关系型数据库，对采集到的数据，经分析和处理后， 存入数据库，作为振动分析、故障诊断的信息来源。 ， ( 5 ) 振动监测及分析模块中，研究时域信号波形监测、频谱监测等，可以对设 备异常做定性分析。 华北电力大学硕士学位论文 第二章设备振动监测分析与故障诊断技术 2 1 设备振动监测分析技术 目前，监测机械设备状态的手段虽然很多，但实践证明，振动信号监测是一种 易于实现而又可靠的办法。设备振动信号是设备状态信息的载体，它蕴含了丰富的 设备异常或故障的信息，而振动水平是设备运行状态好坏的重要标志。振动测试是 设备状态信号采集的基本测试手段。对振动信号的检测能够获得设备状态的有效信 息，对它的分析则是设备诊断领域中一个被广泛采用的方法。因此，对机械设备振 动信号进行监测和分析，为判断设备足否正常运行、是否存在潜在故障以及预测故 障发展趋势等提供了十分有效的手段。 2 1 1 设备振动及其分类 机械振动是工程中普遍存在的现象。机械设备的零部件、整机，甚至整个机组， 如汽轮发电机组、汽车、拖拉机、机床，以至于管道、厂房等都有不同程度的振动。 一个系统发生振动有内因和外因。内因是当系统偏离平衡位置时就受到恢复力的作 用，力图使系统回到平衡位置，常见的恢复力由重力、浮力，弹性力等提供，其中 最普遍的是弹性恢复力。外因是系统受到外界的激励。机械设备在运转时，由于回 转部件的偏心、不对中等原因，往复运动部件的惯性及冲击都使系统受到力的激励， 而基础的振动使系统受到运动的激励。在力或运动的激励下，系统就要产生振动。 机械设备的振动往往会影响其工作精度，加剧机器的磨损，加速疲劳破坏，而随着 磨损的增加和疲劳损伤的产生，机械设备的振动将更加剧烈，如此恶性循环，直至 设备发生故障、破坏。由此可见，振动加剧往往是伴随着机器部件工作状态不正常、 乃至失效而发生的一种物理现象。所以对振动参量的测定与分析是机器故障诊断与 状态监测的一种重要手段】。 振动是指机械系统在其平衡位置附近所作的往复运动。由于各种系统的结构、 参数不同，系统所受的激励不同，系统所产生的振动规律也各不相同。 ( 1 ) 按振动频率 分为同步振动和非同步振动。同步振动的频率是机器运行转速的整倍数或分 数，非同步振动的频率与转速不成完全的整倍数或分数关系。 ( 2 ) 按振动统计特征 振动可分为确定性振动( 规则振动) 和随机振动( 不规则振动) 两大类，如表2 1 所 示。 6 华北电力大学硕士学位论文 表2 1 振动分类 简谐振动 周期振动 复杂周期振动 确定性振动 准周期振动 振 非周期振动 动 瞬态非周期振动 平稳随机振动 各态历经振动 非确定性振动非各态历经振动 非平稳随机振动 ( 3 ) 按机械振动的性质 第一类是属于强迫振动问题。这是由外来确定的扰动力引起的振动，振动本身 并不反过去影响扰动力，它的特点在于频率总等于扰动力频率。比如由于质量不平 衡，发电机转子不均匀磁拉力而引起的强迫振动等。 第二类是属于自激振动问题。自激振动的引起归于转子一支撑系统中存在某一 机械能量的反馈环节。这一反馈环节使转子从转动中获取能量，并转变为某一特定 频率下的横向振动能量( 一般不等于转速) ，而这一横向振动又通过反馈环节进一步 从转动中取得能量，从而加剧了横向振动，直至获取的能量等于消耗于阻尼的能量， 则振动稳定在某一极限环上。比如由油膜半速涡动引起的油膜振荡，蒸汽的不均匀 泄漏引起的间隙振荡等。 第三类是属于非定常强迫振动问题。这一问题在性质上是属于强迫振动，因为 振动仍然是由外来扰动力所引起的，而且与扰动力具有相同的频率。但不同的是振 动本身又反过去影响扰动力的大小与相位。这类强迫振动表现出来的现象是振动的 幅值和相位都在连续不断地变化。比如转子轴上局部的不均匀热变形。 2 1 2 振动测量参数 在振动分析中，我们通常主要关注以下参数。 频率：物体每秒振动的次数，频率越高，振动越快。频率的单位为次后，用h z 来表示。频率与振动周期互为倒数。不同的结构，不同的零部件，不同的故障源产 生不同频率的振动。频率是振动特征的一个重要信息，频率分析是设备诊断中最重 要的内容之一。 幅值：振动物体偏离静平衡位置的最大距离就是振幅。简谐振动的幅值可用加 速度a 、速度1 ，位移d 来表示，它们的计量单位分别为：m s 2 、n g s 、m 。加速度值 可由速度的一次微分或位移的两次微分来求得。因工程实践中微分电路误差大，这 种方法在实践中很少采用。加速度的一次积分为速度，两次积分为位移，在多数的 测振仪器中都具有积分电路。对于正弦信号，它们具有如下的关系： 7 华北电力大学硕士学位论文 v - a ( 2 x f )( 2 1 ) d = a l ( 4 孑f 2 ) ( 2 2 ) 式中，口- 力速度；1 ，速度；产频率；d - 位移。 相位：加速度、速度和位移之间存在着相位差，分别为l r d 2 和冗。也就是说加 速度比速度超前9 0 0 ，比位移超前1 8 0 0 。两个不同的振动源都会有各自的相位。相 同的相位可能引起合拍共振，产生严重后果。如果相位相反，则可能引起振动抵消， 起到减振作用。因此，相位也是振动特征的重要信息。相位测量一般用于谐波分析、 动平衡测量、振动类型测量和判断共振点等。 2 1 3 振动信号分析的基本方法 振动信号分析是对检测信号的再加工过程，是通过适当的运算提取信号或信号 间特征值的过程。通过信号分析，使专业人员更容易解释、分析及识别被检测对象 内在的特征，更深入地揭示被测对象内在的物理本质。 一般情况下，信号分析的类型可分为：( 1 ) 幅值域分析，信号在幅值上进行的 各种处理。主要有幅值概率统计分析和简单幅域参数( 包括均值、最大值、最小值、 均方根等) ；( 2 ) 时域分析，如特征量统计分析、相关分析等；( 3 ) 频域分析，如功率 谱分析，幅值谱分析等；( 4 ) 信号瞬态分析图( 包括跟踪轴心图、三维谱阵图等) 。 2 1 3 1 幅值域分析 信号的幅值域分析包括幅值概率密度函数和幅值概率分布函数，它反映了幅值 信号落在不同强度区域的概率情况【1 2 1 。 ( 1 ) 概率密度函数 随机信号的概率密度函数定义为 m ) = 溉墅掣( 2 - 3 ) 对于各态历经过程 p ( 砷= l i ml 血p 1 i m 。t r xl ( 2 - 4 ) 式中，p b c o n n e c t e d ) c o m p o r t1 c o n n e c t e d = t r u e ；打开串口 c o n n e c t e d - s h o w s e t u p d i a l 0 9 0 ；设置串口 ( 2 ) 数据发送过程 工控场合来自现场的干扰比较大，报文可能会出现前后不匹配的情况。为了减 少报文差错，这里设定一个与下位机的握手报文协议，协议规范如下：每个完整报 文长度为6 ，首字符为s ，最后以0 结束，最终报文形如：s d a t a l d a t a 2 d a t a 3 d a t a 4 0 ， 计划发送的数据则是中间的：d a t a l 、d a t a 2 、d a t a 3 、d a t a 4 ，这个可以根据自己的实 际情况调整。 ( 3 ) 接收数据 接收数据只要响应o n r x c h a r 事件，调用r e a d s t r 函数即可接收数据。 3 5 5 振动分析 振动分析包括绘制基准谱，测点频谱分析，测点趋势分析，三维频谱分析等。 根据这些图表可全面掌握被测设备当前运行状态，早期发现机械设备的某些故障， 并对故障性质、所发生的部位和故障程度做出诊断，有用的结果可以存入数据库。 并且可对一段时间内存入数据库中的数据可以随时查阅和调用，绘出趋势图，趋势 3 3 华北电力大学硕士学位论文 谱图或打印趋势表等，由此可以了解设备状态的历史情况，了解某些故障的发生和 发展情况。 3 5 5 1 绘制基准谱 通常在不同测量时间，设备测点的测量数据是不同的，其对应的频谱图也不尽 相同。在对这些测量数据进行频谱分析时，为了直观形象地看出这些实测频谱与标 准频谱之间的差别，我们为机械设备的各个测点设定一个基准谱。 每一个测点都有一条基本谱线即标准线( 基准谱) 。进行测点频谱分析之前先 要绘制这条线，在窗口的绘图区域按左键移动鼠标绘制基准谱，完成之后保存绘制 结果。完成了基准谱的绘制就可以就行测点频谱分析。绘制基准谱界面如图3 - 9 所示。 图3 - 9 绘制基准谱界面 3 5 t 5 2 测点频谱分析 测点频谱分析是对某一测点不同测量时期的数据进行频谱分析，从c o m b o b o x 列表框中选择不同的测量时期，显示不同的频谱图形，并与测点基准谱进行分析比 较，从而分析设备的状态情况。测点频谱分析如图3 1 0 所示。 3 4 华北电力大学硕士学位论文 图3 1 0 测点频谱分析 3 5 5 3 测点趋势分析 可以根据测点的测量值绘制出设备的趋势图，用户可以直观的察看设备的使用 状况，由此可以了解设备状态的历史情况，了解某些故障的发生和发展情况。 3 5 5 4 三维频谱分析 三维频谱提供了对同- n 点的按日期排列的三维谱的瀑布图，如果测量数据的 记录超过两个，那么就可做该测点的三维谱。 3 5 6 故障诊断 本节主要介绍时域和频域分析，时域和频域分析界面如图3 - 1 1 所示。 ( 1 ) 时域分析 时间域分析最重要的特点是信号的时间顺序，即数据产生的先后顺序。本系统 的时间域分析主要包括了时域波形显示、自相关以及时域波形特征分析。 ( 2 ) 频域分析 频域分析包括频谱分析，倒频谱分析，功率谱分析以及对数谱等多种分析方法， 能完整、可靠的提取信号的特征并进行故障诊断。 3 5 华北电力大学硕士学位论文 图3 1 1 时域和频域分析界面 l 华北电力大学硕士学位论文 第四章结论 随着人们对设备保护意识的加强和设备维护认识的深入，振动监测及故障诊断 技术的发展，对设备监测诊断系统的需求也日益增加。本文结合软件工程的方法对 设备振动监测分析诊断系统进行了总体设计研究，并根据工厂设备管理的实际需求 和信号分析及诊断理论，采用数据库，计算机等技术和面向对象的思想对该系统进 行了研究开发。 本文的主要研究工作和成果总结如下： ( 1 ) 旨在对机械设备的振动监测和故障诊断技术及实现进行一些探索，针对设 备的常见故障，提出一套较完善的振动监测及故障诊断系统。 ( 2 ) 研究系统的总体构成，主要研究开发设备振动监测分析诊断系统软件，其 中该软件包括数据管理，振动分析，故障诊断等三大主要模块。 ( 3 ) 本文将树形结构引入到数据库设计中，提出了基于树形结构设计关系数据 库的方法。该方法简单、直观、易于数据的组织，可以简化数据库的设计 过程。 ( 4 ) 根据工厂实际需求，使用a d o 、面向对象、t t h r e a d 线程等技术并结合诊 断理论对该系统进行了开发，实现了数据管理和数据分析功能。 ( 5 ) 该系统具有强大的设备信息管理功能，对于大量的数据进行存储，利用a d o 技术，提高了数据的读取、检索速度。本文所研究开发的设备测点管理系 统具有一定的实用性和通用性。 随着计算机和诊断相关技术的发展，故障诊断系统已经逐步发展成为一个复杂 技术的综合体，向着信息化、智能化、网络化的方向发展。因此该系统可以有以下 的改进和发展： ( 1 ) 系统设备信息管理网络化：采用集中式或分布式数据库方案，利用c s 或 b s 方式，实现系统设备信息网络查询和管理。 ( 2 ) 高性能的数据库：工厂设备统一管理后将会涉及到所有设备的信息和测点 数据，大量的信息对数据库提出了更高的要求，可以选用s q l s e r v e r 、o r a c l e 等大型数据库对数据进行存储，使用最新的数据驱动程序完成数据操作。 ，3 7 华北电力大学硕士学位论文 参考文献 孟涛齿轮与滚动轴承故障的振动分析与诊断： 博士学位论文】西安：西北 工业大学，2 0 0 3 王灵敏大型旋转机械状态监测与故障诊断系统：【硕士学位论文】大连：大 连理工大学，2 0 0 2 y a s u j i s e k i n e ，e ta 1 f a u l td i a g n o s i so fp o w e rs y s t e m s ：p r o c e e d i n g so ft h ei e e e ， v 0 1 8 0 ，n o 5 ，m a y19 9 2 涂乐长，张跃南谈设备检测诊断系统的开发与应用冶金设备管理与维修， 2 0 0 4 ，2 2 ( 1 ) ：3 8 - 1 3 9 祖淑芝便携式设备状态监测与诊断系统的研究： 硕士学位论文】天津：天 津大学，2 0 0 4 王洪旋转机械故障诊断新方法的应用研究与振动监测诊断系统的开发：【硕 士学位论文】北京：华北电力大学，2 0 0 3 黄伟力，黄伟建，王飞，等机械设备故障诊断技术及其发展趋势，矿山机械， 2 0 0 5 ，3 3 ：6 6 - 6 8 栗青，杨璐，刘一芳，等神经网络技术在设备故障诊断中的应用进展沈阳 工业大学学报，2 0 0 4 ，2 6 ( 2 ) ：1 7 4 1 7 8 s u b h a s i sn a n d i ，h a m i da t o l i y a t ，x i a o d o n gl 1 c o n d i t i o nm o n i t o r i n ga n df a u l t d i a g n o s i so fe l e c t r i c a lm o t o r s ar e v i e w i e e et r a n s e n e r g yc o n v e r s ，v 0 1 2 0 ，n o 4 ， d e c 2 0 0 5 l o p a r o ，k a a a d a m s ，m l l i n ，w - a b d e l m a g i e d ，m ea f s h a r i ，n f a u l td e t e c t i o n a n dd i a g n o s i so fr o t a t i n gm a c h i n e r y i n d u s t r i a le l e c t r o n i c s ，i e e et r a n s a c t i o no n v o l u m e4 7 ，i s s u e5 ，o c t 2 0 0 0p a g e ( s ) ：1 0 0 5 1 0 1 4 邝朴生，徐福章，刘玉琴现代机器故障诊断学北京：农业出版社1 9 9 1 陈长征，胡立新，周勃，等设备振动分析与故障诊断技术北京：科学出版 社，2 0 0 7 闰道儒，李晓波，顾煜炯汽轮机故障诊断技术应用与发展现状中国电力教 育，2 0 0 5 ，s i ：2 3 9 2 4 0 邓洪声，舒大文基于小波分析的故障诊断自动化信息，2 0 0 3 ( 4 ) ：2 2 2 3 t i a nh a n ，b o - s u ky a n g , j o n gm o o nl e e , an e wc o n d i t i o nm o n i t o r i n ga n df a u l t d i a g n o s i ss y s t e mo fi n d u c t i o nm o t o r su s i n ga r t i f i c i a li n t e l l i g e n c ea l g o r i t h m s i e e e i n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c e , o ne l e c t r i cm a c h i n e sa n dd r i v e s ，15 - 18m a y2 0 0 5 y o u m i nz h a n g ，j i nj i a n g , m a r t i nf l a t l e y , b r y a nh i l l c o n d i t i o nm o n i t o r i n ga n df a u l t 3 8 1 j 1 j 1 j 1 j 1 j 1 j 1 j 1j，j d l ，- ； l - ， 川) 圈 吲 嗍 网 嘲 m 网 嘲 呻 m m 畔 华北电力大学硕士学位论文 d e t e c t i o no fac o m p r e s s o ru s i n gs i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n i q u e s p r o c e e d i n g so ft h e a m e r i c a nc o n t r o lc o n f e r e n c ea r l i n g t o n ，v aj u n e2 5 - 2 7 ，2 0 0 1 【1 7 】束政强，余世云，葛萍振动分析技术在风机状态检修中的应用探讨冶金动 力，2 0 0 3 ，l o o ( 6 ) ：3 3 - 3 5 【1 8 】于晓红，张来斌，王朝晖基于振动频谱分析的注气压缩机故障诊断石油矿 扬机械，2 0 0 5 ，3 4 ( 5 ) ：19 2 3 1 9 】李红基于b s 模式的机组远程振动监测与故障诊断系统研究： 硕士学位论 文】北京：华北电力大学，2 0 0 6 【2 0 刘仲川，张志伟，陈宝佳齿轮故障诊断润滑油在线监测西安：西安交通大 学出版社，1 9 9 2 【2 l 】马祥华，沈永福，布昭元齿轮故障诊断专家系统，北京科技大学学报，1 9 9 4 ， l6 ( 5 ) ：4 3 5 4 3 9 2 2 】肖述兵滚动轴承振动故障诊断实践轴承，2 0 0 6 ( 3 ) ：3 1 3 3 【2 3 】李十勇模糊控制、神经控制