转子动力学转子系统状态监测与故障诊断技术

转子动力学转子系统状态监测与故障诊断技术介绍主要内容1、转子系统的概念2、大致分类3、发展历史回顾4、分析过程简介5、不对中故障机理与诊断第2页,共27页，2024年2月25日，星期天转子系统的概念第3页,共27页，2024年2月25日，星期天转子系统分类刚性转子系统：工作转速在一阶临界转速以下判别依据：一般工作转速<6000r/min的机械系统属于刚性转子系统同步振动：振动频率=工作频率强迫振动：对线性系统，在周期激振下的稳态响应柔性转子系统：工作转速在一阶临界转速以上判别依据：一般工作转速>6000r/min的机械系统属于柔性转子系统亚同步振动：振动频率<工作频率自激振动：振动过程中，由于系统内部不断有能量输入而产生的共振现象第4页,共27页，2024年2月25日，星期天转子系统故障分类第5页,共27页，2024年2月25日，星期天

转子系统故障诊断发展历程20世纪60年代NASA成立美国机械防御小组(MFPG)20世纪70年代电子测量技术和频谱技术应用；大型状态监测和故障诊断开始实用化，并用于早期报警20世纪80年代早期以计算机为中心的商业化故障诊断系统；多种传感技术应用（振动、温度、力、电、磁等）多种信号分析技术应用（如模式识别、模糊逻辑等）20世纪80年代中后期人工智能应用，特别是专家系统；基于规划的汽轮机专家系统；

Bently公司的工程师帮助软件；

Radiau公司的大型机组诊断专家系统；20世纪90年代人工智能；信息融合；定量诊断；基于网络的远程监测与诊断。第6页,共27页，2024年2月25日，星期天(1)状态信号采集。根据检测手段分为振动检测、噪声检测、温度检测、压力检测等。其中，振动检测法是最基本的检测手段。（多种）(2)通过采集的信号提取故障特征原始信号包含很多干扰项，使原始信号的故障特征不明显。需用信号处理方法把原始信号转换为能表达工况状态的有用信息。常用的方法有时域分析法、频域分析法、统计分析法等。(3)对提取到的故障特征进行模式识别和分析故障诊断的关键是从设备动态信号中提取故障特征。应该选择敏感程度强，规律性好的特征量。特征量的正确提取是模式识别、故障诊断环节的基础保障。(4)状态预测根据特征量提供的信息，对当前工作状态做出确切的判断。并针对异常工况分析原因给出维修决策。在模式识别部分应用比较广泛的方法有神经网络方法、模糊聚类法、支持向量机等方法。分析过程简介第7页,共27页，2024年2月25日，星期天故障识别分析传统识别是在有先验条件的基础上，按一定的规律、经验和标准对机械设备产生故障的原因、种类及具体部位做出判断，但这种方法可靠性较差。

1)基于神经网络的模式识别方法神经网络是一种自适应的非线性动力学系统，它是科学家通过模拟生物神经元系统特性而建立起来的。神经网络具有分布式存储、并行处理、自适应学习等特点，可实现诊断推理及趋势预测的功能，在模式识别领域应用十分广泛。但缺乏坚实的理论基础，对于实际应用上的很多重要问题只能依靠经验和技巧解决，需要对算法和模型进一步发展与研究，以达到越来越精确的识别标准。

2)基于支持向量机的模式识别方法支持向量机是在统计学习理论基础上发展起来的一种模式识别方法，其基本思想为：利用非线性变换将输出空间转化到一个高维空间当中，在产生的新空间中求得最优线性分类面，通过定义适当的内积函数来实现这种非线性变换。SVM在解决小样本、非线性和高维模式识别问题当中优势十分明显，已在模式识别和函数拟合等领域开始应用，在旋转机械故障诊断中取得了一定的成果。3)基于隐马尔科夫模型的模式识别方法隐马尔科夫模型作为一种信号动态时间序列统计模型，具有严谨的数据结构和可靠的计算性能，适用于动态过程时间序列的建模并具有强大的时序模式分类能力。它能通过较少的样本训练出可靠的模型，并按模式匹配原理，寻找与未知信号最相似的模型作为识别结果，非常适合于对非平稳、重复再现性不佳的信号进行分析。由于旋转机械升降速信号较为复杂，信号的频率和幅值均随时间的变化而变换，表现为典型的非平稳性，由于各种随机因素影响，这些振动信号重复再现性较差。根据这些特点，HMM非常适合于对旋转机械升降速信号进行建模和诊断。（基于PSO优化的HMM，主要优点是，计算简单、收敛速度快、具有良好的全局与局部收敛能力。）第8页,共27页，2024年2月25日，星期天检测装置：流程图：转子系统检测装置第9页,共27页，2024年2月25日，星期天转子-轴承系统故障诊断软件平台开发应用MATLAB软件对振动信号进行分析与处理，应用LabVIEW软件进行人机交互界面开发，这两个独立软件之间由LabVIEW软件中的MATLABScript节点实现连接，软件平台结构清晰，实用性强。第10页,共27页，2024年2月25日，星期天不对中故障机理与诊断据美国MONSANTO石化公司统计，旋转机械故障的50~60%是由转子不对中引起的。转子不对中的类型轴承不对中：轴颈在轴承中偏斜轴系不对中：各转子不处在同一直线上平行不对中：轴线平行位移角度不对中：轴线交叉成一角度综合不对中：轴线位移且交叉e

(a)平行不对中(b)角度不对中(c)综合不对中第11页,共27页，2024年2月25日，星期天造成不对中的原因（1）轴承系统在进行设计时，对中因素考虑不够周全以及计算偏差。（2）机器设备在操作上的超负荷运行以及机器设备保温效果不好，转子系统中各单个转子受热变形不一样；（3）由于支撑机器的基础变形或是机器底座由于各种各样的原因下沉使机器处于不对屮工作状态；（4）各种毛坯件在锻，铸过程中由于各种原因，会形成一定偏心、歪斜等不均匀缺陷，在安装过程中经常通过找正的方法进行补救，补救过程中存在找正误差；（5）机器外部工作环境温度变化比较大，所以机器各零部件受热变形不一。第12页,共27页，2024年2月25日，星期天不对中故障机理与诊断危害：

（1）增加机器的振动；（2）过度的联轴器损坏；（3）增加密封件的磨损；（4）增加轴承的磨损；（5）过高的能源消耗。不对中的危害-热像图62°F105°F第13页,共27页，2024年2月25日，星期天不同的联轴器具有不同的故障机理大型高速旋转机械，常用齿式联轴器平行不对中角不对中综合不对中中、小设备多采用固定式刚性联轴器平行不对中角不对中综合不对中第14页,共27页，2024年2月25日，星期天不对中故障机理齿式联轴器平行不对中在K点的线速度在K点的角速度ABww第15页,共27页，2024年2月25日，星期天不对中故障机理齿式联轴器平行不对中激振力与不对中量D和质量m成正比激振力随转速变化的因子为4w2，这说明不对中对转速的敏感程度比不平衡对转速的敏感程度要大4倍。不平衡时的幅频响应函数第16页,共27页，2024年2月25日，星期天角度不对

当转子轴线之间存在偏角位移时，如图2-1所示，从动转子与主动转子的角速度是不同的。从动转子的角速度为:

式中，ω1，ω2分别为主动转子和从动转子的角速度；α为从动转子的偏斜角；φ1为主动转子的转角。从动转子每转动一周其转速变化两次，如图2-2所示，变化范围为

图2-1联轴器偏角不对中

图2-2

转速比的变化曲线偏角不对中使联轴器附加一个弯矩，弯矩的作用是力图减小两轴中心线的偏角。转轴每旋转一周，弯矩作用方向交变一次，因此，偏角不对中增加了转子的轴向力，使转子在轴向产生工频振动。第17页,共27页，2024年2月25日，星期天综合不对中在实际生产中，往往是两者的综合结果。激振频率为角频率的2倍；激振力的大小随速度而变化，其大小和综合不对中量△y、△α、安装距离△L以及中间齿套质量m等有关。联轴器两侧同一方向的激振力之间的相位差在0°～180°之间。其他故障物理特性也介于轴线平行不对中和角度不对中之间。同时，齿式联轴器由于所产生的附加轴向力以及转子偏角的作用，从动转子以每回转一周为周期，在轴向往复运动一次，因而转子轴向振动的频率与角频率相同，如下图所示。第18页,共27页，2024年2月25日，星期天刚性联轴器连接转子不对中的故障机理

刚性联轴器连接的转子对中不良时，由于强制连接所产生的力矩，不仅使转子发生弯曲变形，而且随转子轴线平行位移或轴线角度位移的状态不同，其变形和受力情况也不一样，如下图所示。

用刚性联轴器连接的转子不对中时，转子往往是既有轴线平行位移，又有轴角度位移的综合状态，转子所受的力既有径向交变力，又有轴向交变力。弯曲变形的转子由于转轴内阻现象以及转轴表面与旋转体内表面之间的摩擦而产生的相对滑动，使转子产生自激旋转振动，而且当主动转子按一定转速旋转时，从动转子的转速会产生周期性变动，每转动一周变动两次，因而其振动频率为转子转动频率的两倍。第19页,共27页，2024年2月25日，星期天不对中故障转子不对中的故障特征振动的振幅与转子的负荷有关负荷越大、振幅越大不对中故障对转子的激振力随转速的升高而加大激励力与不对中量成正比轴系具有过大的不对中量时，转子在运动中产生附加径向力和附加轴向力，使转子产生异常振动平行不对中主要引起径向振动角度不对中主要引起轴向振动振动频率径向振动以工频的2倍频为主，也有1倍频的成分轴向振动以工频的1倍频为主，也有2x，3x。第20页,共27页，2024年2月25日，星期天不对中故障转子不对中的故障特征振动幅值平行不对中：振动频谱中2x幅值超过1x幅值的50％角不不对中：轴向2x或3x幅值约是1x转频幅值的30％~50％2x值相对于1x幅值的高度常取决于联轴器的类型和结构联轴节两侧轴承振动的相位差平行不对中，径向振动差180°角度不对中，轴向振动差180°轴心轨迹：香蕉形、8字形、外圈中产生一个内圈第21页,共27页，2024年2月25日，星期天不对中故障平行不对中的故障特征角度不对中的故障特征第22页,共27页，2024年2月25日，星期天基于复值过程高阶累积量谱的轴心轨迹分析的研究用复值过程表示轴心轨迹，将复值过程高阶累积量理论引入轴心轨迹研究，证明了混杂在轴心轨迹中的高斯复噪声和实虚部非相关随机噪声的高阶累积量为零，定性说明了该理论可以有效抑制宽带和窄带噪声。它可以同时具有提纯和特征提取两个功能。第23页,共27页，2024年2月25日，星期天转子不对中故障原因与治理措施序号故障原因分类故障原因处理措施1设计原因1）对工作状态下热膨胀量计算不准2）对介质压力、真空度变化对机壳的影响计算不准3）给出的冷态对中数据不准1）核对设计给出的冷态对中数据2）按技术要求检查调整轴承对中3）检查热态膨胀是否受限4）检查保温是否完好5）检查调整基础沉降2制造原因1）材质不均，造成热膨胀3安装维修1）冷态对中数据不符合要求2）检