（机械制造及其自动化专业论文）烧结抽烟机在线监测诊断系统的研制.pdf

摘要 本文针对烧结抽烟机属大型旋转机械的结构形式及不间断运行的生 产特点，研制出一套烧结抽烟机在线监测和故障诊断系统。该系统能在 监测抽烟机运行状态同时，实现实时数掘采集与分析处理、运行界面调 度、组态参数设置、在线打印及转子动不平衡量的在线监测和现场动平 衡。另外，该系统的精密诊断功能，包括历史数据回放分析、趋势分析、 频谱分析、通频全息谱分析及振型分析等，能对抽烟机的故障类型、部 位、严重程度以及发展趋势进行分析和预测。存系统试运行期间，对捆 烟机转子进行了动平衡影响系数的测定及现场动平衡，试验效果良好。9 9 年4 月份。该系统通过了攀钢科技处组织的项目鉴定，与会专家对系统 的实用性和先进性给予了较高的评价。 y 本文对比分析了预测维修体制在国内外企业中的应用现状和发展前 景；在建立了旋转机械故障诊断模型的基础之上，对烧结抽烟机的常见 故障类型作了灾例分析，尤其是针对转子动不平衡故障，提出了适用于 转子现场动平衡的影响系数最小二乘轴系平衡法，并对病态矩阵判定算 浃作了研究；文章最后详纲阐述了烧结抽烟机在线监测诊断系统的硬件 实现及软件开发中的关键技术。j 、 关键词：烧结抽烟机、预测维修、在线监测、故障诊断、现场动平衡、 影响系数、病态矩阵、 a b s t r a c t o nt h e b a s i so f 栅蛳o ff r i td e f l a t i o nm 鹋醯c h a r a c t e r s f o re x a m p l er o t a t i n g m a c h i n ea n dn 疏塔i n u d u ：i i o n , as y s t e mu f 曲。i m m i 晡n ga n df a u l td i a g n o s i si s d e v e l o p e 正t h i ss y s t e mc 矾m o n i t o rt h ec o n d i 5 0 no f f l i td l 确nm a c h i n e a tt h es 锄e 面嘀 t h eo t h e rr u n , i o n s 缸c l l l d 洫gr e a l - t i m ed a t ac o i l c c t i n ga n dp l o c c s 咖吕i n t e r f a c ea t t e m p t h 强 o n - l i n e 曲她i m b a l a n c ef a n l td e t e c 血ga n df i e l db a h n c i n go f r o t o rc a l lb ee x e c u t e d 蕊 t h eo t h e rt i a 峨b ym e t i z u l o n s 赫呻低觚既虹勰啦鹏勰a 响s ，懈d 越嘶s i s ， 印虮吼a n a l y s i s o v e r a l lf r e q u e n c yh o l o s p e c l r m nm dm o d es h a p ea n a b ，s i s ，t h ef 础 c l a s s i f i c a t i o n , p o s i t i o n ，s e v e r i wa n dt r e n da b o u t f l i td e f l a t i o nm a c h i n ew h i l er u n n i n gc a nb e d i s c o v e n ma n df o r e c a s t e d d 嘶n gt h ec o u r s eo ft e s to nt h i ss y s t e m , t h em a c h i n er o t o r s i n f l u c cc o e f f i c i e n tw a sn x 盈霸删a n df t c l db a 细c i n gw a sp r o c e s s e d , a n dad e s i r a b l er e s u l t h a sb e e * , o b t a i n e d h ia t x1 9 9 9 , o f l i n em o b i t o 她a n df a a l t 击鸥【n s i 8s y s t e mo ff l i t d a a t i o nm a c h i n ep a s s e di n 印p 置出a lc 0 斑相t 堪弘捌b yp a n g a n ga n dw a s 牟捌 b yt h e 印吐酾卿l 血喀e x p e r t s t h i st h e ma 强m 如髂t h ed e v e l o p r a c n ! 凼血坞c i r c u m s t a n c ea n df u t u r ea b o u tc o n d i t i o n - b a s e dm a i n t o n m c eh 船a n yc o m p a r e dw i t h 强嘲n 啦o nt h eb a s e do f e s t a b 矗s h i n gr o t a l 堍 m a c h i n e r y f i m l t 凼孵s i sm o d e k 细砌l i a rt a u l t so nf l i td d ! a f i o nm a c l d n ea r ea n a l y z e da n d i n s t a n c e d e | 叫- 袖f o rr o t o rt m b a l m c e 伽i r m u e n c ec o e f f i c i e n tm e t h o di su s e di nf i e l d b a l a n c i n ga n dm , 一o i d i t ym a t r i xd e t e r m i n i n ga r i f i n c f i c i sr e s e a r c h e d f i n n y , h a r d w m - c d 酋i g l ia n d 蛐两啪嘴k e yl e c h n o l o g ya b o u tt h es y s t e mi s 血m d i 血l di n 出纽d 3 k e y w o r d sf r i t 出出蕊。口m a c h 斌o d i 垃m - b a s o d 正m 矗埝瞄焉f i e l db 出a n c 遗g ， o r l i n e 枷m 由。血g f a u l td i a g m , 如c ec o e t f i c i e n t m o d o i d i t ym a u - l x 茎瘩鑫兰壅圭篮塞：盗鳖地蛰也垄垡鉴型途堑丕丛苣丑趔 耋：夏基：g 夏 第一章绪论 随着工业生产与科学技术的发展，机械设备越来越精密复杂，自动化水平也相应 提高，这些设备一旦发生故障，不但设备遭受极大破坏，也将给人们的生活与生命造 成极大威胁。因此，选择合理的设备维修体制，做好设备的维修管理工作，对于确保 安全生产，提高产品质量，节约维修费用，增加社会效益，就具有特别重要的意义。 在国内外太多数工业领域甲，设备维修体制的发展经历了三个阶段，目口故障维修、 定期维修和预测维修，每种维修体制都有各自的长处和不足 1 1 。故障维修以“事后维 修”为指导思想，是让设备运行直至故障停车才进行维修的一种维修方式，一般适 用于设备价格不高，有多组生产线，发生事故损失不大，且有备用机组的情况。这种 维修方式对较重要的关键设备虽然平均检修时间最长，但对发生事故难以预料，往往 会造成设备的严重损坏，既不安全又延长了检修时间，维修费用反而加大，而且还有 不容忽视的生产损失。 定期维修以“预防维修”为指导思想，是按照预定的时间间隔或检修周期进行 计划修理的一种维修方式。一般适用与产品价格高，大型机组，高效且无备用和连续 性生产过程的情况。这种方式是建立在设备故障率的统计分析基础之上的，其检修周 期远小于最短故障发生周期，因此可保证不会出现设备损坏的严重问题。但是，它往 往要使还能运行一段时间的设备停下检修，减小了产量，增加了维修费用，造成了 “过剩维修”，这对于现代化大型连续生产企业是很不合理的。 预测维修以“状态监测”为指导思想，是对测试结果进行分析处理后，证明有 必要时才安排检修的一种方法。它不规定检修周期，但须定期或连续对设备进行状态 监测和故障诊断，并根据其结果，查明设备有无异常或故障趋势，在必要时进行检修。 这种方法根据其投入和产出效果，一般应用于流程作业或关键设备。它能在设备失效 前监测和诊断出存在的故障，并可利用预测预报技术，较准确地估计出继续运行的可 靠时间，因而使设备的适用寿命最长和意外停机事故的几率最小。同时，还因为控制 了“过剩维修”，从而减小了备件消耗和维修工作量，也防止了因不必要检修而出现 的人为故障，致使维修费用最少。 预测维修的实质是将定期维修发展为定期( 连续) 监测或诊断1 2 1 。据有关统计资 料证明，在生产发展的前提下，合理确定维修费用逐渐成为重要的研究课题。英国政 府对2 0 0 0 家工厂进行调查研究的结果表明，设备管理采用预测维修技术后，每年可 重塞态堂壅圭j 盒塞：鐾结蛰蛰丑萑垡监型盗堑丕蕴盟蟹劁重 基基翟基 约维修费用3 亿英镑，而用于预测维修技术的投资仅为0 5 亿英镑，直接收入为2 5 亿英镑，预测维修技术的投入产出比是1 ：5 。国内设备管理中采用预测维修技术的 工作虽然起步较晚，但一些企业在实行以预测维修为主的维修制度试点后，仍取得了 可喜的经济效益。国内某基建公司施工处。在执 诧期维修制度时，每年所需的维修 费用达1 3 0 万元i 实行预测维修制度试点后，全部工程机械维修费用降低3 0 ；由 于避免了“过剩维修”，修理工作量也降低了4 7 ，经济效益十分明显。 圈1 1 预测维修带来利润的主要组成部分 图1 - 1 显示了预测维修带来利润的主要组成部分。可以看出，应用诊断技术，实 行以预测维修为主体的维修体制有以下优点： l 、避免“过剩维修”，防止因不必要的拆卸使设备精度降低，延长了设备寿命： 2 、缩短维修时间，降低维修费用，提高了生产效率和经济效益； 3 、减少和避免了重大事故发生，不仅能获得巨大的经济效益，而且能获得良好 的社会效益： 4 、合理安排维修时间和计划，使机器停机造成的经济损失降到最低限度。 第二节国内外诊断技术的应用分析 设备诊断工程学是以诊断信息论为理论基础，这个基础来源于设备劣化理论和 信息论，同时又有其相对的独立性和特色。诊断工程学科体系框架见图1 2 。 诊断原理包括故障机理和诊断数学两大部分。故障机理研究故障信息的发生问 题，目前国内的研究侧重于以下几个方面：零部件之间不协调的机理( 如精密机床传 动尺寸链精度的劣化) ：信息故障( 软故障) 问题，如电脑病毒的传播与防治、数控 机床的参数设置失误、p l c 控制系统的编程差错；人员误操作的规律、人的可靠性 问题；设备输入异常引起的故障机理；环境异常的破坏机理。如低温环境引起的液压 系统工作失灵，强电磁场对遥测遥控遥诊遥讯系统的干扰，雷电造成的电力网络事故 等。 诊断数学研究的是故障发生之后信息的优选、采集、特征提取、识别、推理、 寻因、定位和预测等一系列阶段所必需的数学堙论与方法，包括止向运算和反向运算 圈1 - 2 故障诊断工程学科体系框架 蚕瘗盔兰耍土盗塞：生堕毡幽丑至彗鉴型途堑丕玺益叠型差z 互基聋玉 两大类。正向运算是顺着时间轴的问题，即由前因推至后果，掾求故障后果及影响程 度并作出警报和预测。反向运算则是由现状( 故障表现的症状) 去追究起因，是逆着 时间轴的问题，这种反向寻因在故障诊断作业中占很大的比重。有的复杂问题总是由 于事先掌握的有关信息一时还不充分，需要反复进行正反两个方向的推算才能使结论 逐步明朗起来( 先正后反或先反后正) 。 诊断是从应用的角度提出来的，它涉及确定型、随机型、模糊型、推理型、智 能型、拓扑型、混沌型等一系列广义数学领域而且正在不断的交叉、融合与发展之中。 诊断技术是工程实践手段，包括硬件和软件以及从业人员。其中单项技术如振动诊断、 油液分析、红外技术、激光技术、超声技术、射线技术等。综合技术是有关单项技术 的综合，以便有效地解决某种实际诊断问题。诊断系统( 网络) 的设计与实现是高层 次的诊断技术，它离不开诊断理论的指导和计算机技术、信息工程技术的支持，而且 只有在充分掌握设备本身知识的情况下才能很好地完成任务p 】。 在化工、冶金、电力等行业的生产过程中，大型旋转式机械是维持生产装置安 全、稳定、长周期和满负荷运行的关键设备，是生产设备的心脏。我国自8 0 年代初 以来，在设备管理和维修中大力开展状态监测与故障诊断，取得了巨大的经济社会效 益。经过近二十年的发展，企业都充分认识到，设备监测技术的应用。不仅是推动维 修方式改革和设备管理现代化的有力工具，而且己成为防止设备事故，保障设备安全、 节约维修费用、降低能源消耗、提高产品质量的重要手段。由于对状态监测的认同和 致力于创造更大的效益，国内各企业都结台自身特点，制定了丈型机组的管理和维护 制度，大力落实和不断扩展设备诊断技术工作，制定了判断准则，经过多年的努力和 开拓，使企业设备诊断技术上升到较高层次，并取得了一系列成果【4 j ： 1 、9 0 年代以来，在线监测系统在一些企业逐步得到应用，开始时只用于为数不 多的机组和测点，现在已发展成为多机组、多测点的大规模监测；先后出现了远距离 光纤传输集中监测系统和多装置集散监测系统，系统的网络化程度越来越高，也越来 越适用于流程化生产的特点和需要。 2 、振动监测在诊断系统的不断推广应用，带动了铁谱分析技术和红外热成像技 术在企业的配套应用与发展，并相互促进和扩大了各种监测技术的应用领域。 3 、坚持引进新技术，向国外先进水平靠拢，逐步提高设备诊断的准确率，促进 了国内诊断技术的发展。例如，兰州炼油化工总厂引进了美国恩泰克( e n t e k ) 公司 e x p l o r e 专家诊断系统，并与西南交通大学、兰州大学先后合作开发了在线智能诊断 系统和r o f d 旋转机械故障诊断系统，在工厂监测工作中发挥了重要作用。 4 、从无到有、从小到大，建立了支状态监测专业队伍，成立了各种专业监测 诊断协会，使设备状态监测诊断工作在全国各大中型企业中不断得到普及和发展。 但是，国内的状态监测研究与应用仍存在不足之处，主要表现在： 重盛盔主要圭鎏茎：辇筮毽蛰釜蓬茎鉴型釜堕丕茎墼翌型兰l 夏基誓夏 l 、传感器配置不完善。经调查，中国石化系统7 0 的大型机组没有配置相位传 感器。这使得对机绢 的瓶测仅停留在频谱分析的水平上，故障诊断的唯一峰和准确性 受到很大限制，导致故障诊断更多地是凭经验，而不是依靠先进的技术分析。而美国 本特利公司推出的应用于大型汽轮帆的透平监视i 仪嚣系统( t m b i ms u w 略r v i s o r y i n s t n a n = a t a t i o n 简称t s i ) 除了配置常规振动、轴位移传感器以外，还增加了模态 识别传感器、差胀传感嚣和缸胀传感器，增加一类新的传感器在很大程度上就为减少 某些重大事故创造了条什。 2 、监测手段单一。国内很多企业对机组的监测仅停留在简单的时域波形分折和 振动频谱分析，一些先进的分析技术，如倒频谱分析、时频分析、多传感器数据融合、 全息谱技术、轴心轨迹提纯以及小渡分析等未得至q 广泛推广和麻用。 3 、在应用设备状态监测技术过程中，振动监测，f 展得较好，但铁谱技术、红外 热成像技术研究应用得不够，往复式机械的监测工作尚未广泛开展起来。 4 、在管理上个别企业还未把监测工作纳入设备管理之中，重视程度不够与 国外相比，国内的诊断技术在对系统配置、振动监测、预知维修、专家系统、网络化 诊断的认识方露存在较大的差距。 5 、在对振动监测的认识上当转子系统发生故障前有时表现的不是振动的增大 而是振动的减小，其原因在于转子振型的节点( 零位漂移) 发生了漂移，当节点移到 传感器附近时，测量的振动就会减小。这给我们一个肩示：在处理故障是否停杌时不 能简单地把振动高和机组危险状态联系起来。 6 、国内企业般把状态监测的重点放在故障分析上，预知维修开展得并不好， 过剩维修仍在继续。国外企业不仅把状态监测用于故障分析，而且用于机组的可靠性 评价。其工作的中心环节是严格设定每台机组不同测点的窄带报警界限。通过大量采 集的数据找出机组的正常频率幅值。再增加2 5 作为报警值。如果停机前的数据都 在报警值内则取消维修，从而达到节约资金的目的。 7 、在对专家系统的认识上国内外也存在差异。国内更倾向于把“专家系统”用 于现场，国外则认为。专家系统更好的用途是培训人”。美国本特利公司把自己的“专 冢系统”称作e 钡e n g i r i e 苜a s s i s t ) 即工程师辅助软件。实际上，专家系统其李专家并 不能诊断所自故障，“用于培训入”是埘专家系统用途更合理的评定。 8 、在网络化诊断方面。国内一些企业在企业内部建立了在线监测和离线监测网 络，将一些在线监测子站或离线监测仪器联成了网络，但企业之间并没有建立网络信 息联系。美国南部电力公司( s o u t h t z n e l e c t r i cp o w e rs e x v i c ) 则通过恩泰克公司提供 的广域网预测维修p m 软件将公司的3 0 个电站共9 0 台机组组成一个整体，这种网络 的特点是将同类装置或相同工艺流程下的机器信息联系在一起。大大提高了信息的对 ，“：一 比和利用水平。 重压盔芏基主j 盒奎：缝结地塑扭垄线鉴型生匦丕绫丝墨剑玺2 要基z 暮 9 、国内的监测诊断产品设备普遍缺乏必要的技术服务和技术培训，而国外除了 生产和销售机器监测和保护系统外，还提供机械故障诊断服务，为用户提供技术培训， 创立证书制等。这些技术服务和培训，在国内是很需要的，但目前仍很缺乏。 攀枝花新钢钒股份有限公司炼铁厂是攀钢下属重点骨干企业，近年来，随着炼铁 规模的不断扩大，高炉生产能力进一步提高，对设备运行状态的监控也就提出了更高 的要求。烧结过程是炼铁的一道重要工序，烧结设备常年处于高温、粉尘、重负荷等 恶劣条件下连续运行，具有大型化、高速化、精密化和自动化等特点。炼铁厂现有 s j l 2 0 0 0 型和s j l 3 5 0 0 型烧结抽烟机共6 台，是烧结过程重要的动力和排废装置，为 冶金部部控大型重点设备( 设备结构见图1 3 ) 。 圈1 - 3s j l 2 0 0 0 型烧结抽烟机设备结构图 本课题立项以前，炼铁厂采取了三层措施对烧结设备进行检查维护：一是各级管 理人员、岗位作业人员利用自己的经验，通过五官检查法，结合抽烟机各种参数做定 性判断。由于仅靠经验判断，诊断结果差别较大，而且对设备劣化趋势心中无底，常 常是该修时不修，不该修时又不得不进行例行维修：二是利用简易的手持式测振仪对 设备进行定期测试，分析和记录固定间隔时间的有关振动的各种数据，建立运行状态 趋势图表，作简单的定量分析和状态判定。这种方法由于受测试者、测试时间、检测 方式以及现场工况条件等诸多因素的影响，所测数据随意性较大，前后数据缺乏可比 性，不能准确反映机器的运行状态和预测设各的劣化趋势，常常出现误报警和误诊断， 应用效果不甚理想；第三，抽烟机转子是烧结抽烟机设备的心脏，是重点监测和维护 的部件。由于烧结抽烟机是连续运行设备，停机维修会对炼铁生产造成影响，因此对 转子的维护是以运行周期为依据，即转子运行一年后，无论性能如何，都要送到东汽 做动平衡和基本维护。但是。据工厂反映，经平衡的转子安装使用后并未达到预期的 减振效果，甚至不如平衡前。这样一方面由于外协平衡和转子备品增加了日常维修成 茎区盔主要主j 盒苫：缝筮垫堡也蓬誊鉴型鲨匦墨茎塑2 型基：2 墨基聋噩 本，另一方面乡卜协平街效果不理想但又不得不为之，使得对抽烟机的维修处于非常被 动的地位。1 9 9 7 年5 月，炼铁厂硝巍结抽烟机叶轮分裂。飞出机体，造成了灾难性 事故，经济损失达到2 0 0 多万元。类似事故在攀钢其它厂矿的风机、压缩机也时有发 生。如1 9 8 9 年1 月1 8 日和1 9 8 9 年6 月1 日。由于叶片开裂、动态不平衡，造成炼 钢厂转炉1 号及提钒2 号风机爆炸，使转炉停产达1 0 小时提钒停产达3 个月之久。 1 9 9 7 年1 月1 8 日，因为叶片掉块( 6 d 妇瑚6 0 0 删n ) 、转轴弯曲造成严重动不甲街， 致使炼钢厂提钒4 号风机整个机组各联接什被切断井变形，承力的轴承支座和水泥基 础严重损坏。导致电机、耦合器、风机转子报废，经济损失严重。炼铁厂在总结上述 风机事故教训时，提出了“要尽快申请安装抽烟机在线监测诊断装置，以完善系统 监测功能确保设备正常运行”并于9 7 年8 月向攀钢总公司科技处申请立项并得 到批准 立项后。经协商制定的烧结抽烟机在线监测诊断系统技术协议规定该系统应 具备以下功能； 1 、实现机组动平衡状态的在线监测和转了的现场动平衡校正； 2 、实现机组及风机负压、轴瓦温度和废气温度等过程参量的采集显示； 3 、建立监测数据库，显示带文时数据的监测点位置图、趋贽图； 4 、历史数据记录、追忆，供离线分析； 5 、主要参数超限报警； 6 、编制打印采集数据的运行搬表； 7 、中文界面，弹出式菜单操作； 8 、操作系统实现口令分级操作。 根据l e 技术协议，该项课题的研究内容和工作汁划包括： 1 、确定烧结抽烟机在线监测诊断系统的总体设计方案，包括整套系统的体系、 结构、功能和实现途径； 2 、根据总体设计方案。在最优性能价格比的前提下进行设备选型，确定传感器、 调理仪、模数转换卡、工控机等硬件设备的型号、规格； 3 、根据总体搜计方案，结合硬件设备，确定用户软件的搡作系统、编程语言、 基本算法等。并对一些算法进行实验测试或模拟仿真；在此阶段。者重对多传感器数 据融合算法、动平衡影响系数病态矩阵判定算法做一些应用研究。 4 、建立软件系统框架。通过解决一些关键技术，如a d 采样、数字量信号输出、 消息响应、信号的程控增益放大、操作界面的调度、异常处理、数据库的建立等，逐 步细化和完善软件功能，形成一套进入现场前的原型软什； 5 、现场硬件设备的安装调试，包括传感器的分布、安装与标定、信号电缆t i 电 源电缆的现场布线、信号调理仪的设计安装、a i d 板与计算机接口处理、报警电路的 设计、工控缒的安装等工作。硬件设备安装不仅是一顼体力工作，而且需要安装者具 备机械、电子、计算机及测试技术等多方面的知识背景，以便熊对安装过挥中出现的 不可预计的困难做出及时j ，埘处理。 6 、现场调试。这是整个系统研制过程中工作置最大的一个阶段。因为前期的软、 硬件凌引中的种种不足与缺陷都会在此暴露出来解决这些闯题需要全面综合考虑， 二个大的原则足：( 1 ) 首先捧除系统硬件故障；( 2 ) 在捧除硬件故障黼f 提下。解决 软什问题；( 3 ) 多次反复。不断验证。逐步完善。现场调试最终要求形成一套软硬件 相互协调配合、基本功能具备、系统能正常运行的测试软件，为下一步的试运行打下 基础 7 、试运行阶段。通常一套系统完成后都需要经过至少半年的试运行阶段进行 测试检验。在此阶段。烧结抽烟机设备及监畏i 系统自身都会遇到各种异常情况，外部 异常如系统突然掉电、设备停机、下游生产工况改变、传感器工作环境异常等，内部 异常如系统消息响应速度慢或不响应、死机、组态不合理、数据库溢出、人工操作容 错性差、诊断功能不完善等。这些异常的出现都将极大地考验系统软硬件各项功能的 完备性有些异常情况的出现是事前无法瑷计和处理的，试运行阶段就是要暴露并希 望尽可能暴露所有异常( 但这是不可能的) ，并解决由于异常可能引起的系统功能缺 陷。试运行阶段的另一个重要内容是进行抽烟机转子的现场动平衡。试运行后将形成 最终软件 8 、系统鉴定与验收。主要工作是鉴定瓷料准备、申请鉴定、系统交接等。 9 、人员培训与系统维护服务系统的维护及系统运行的各种反馈信息能为我们 评价该套系统的优劣提供较客观的依据。从这种意义上讲，系统的研制周期将一直延 续到系统运行寿命的终结 通过该项目的研制与实施。能最大限度地避免爆炸、飞车等重大事故造成的人身 伤亡、转炉停产和机组损坏。避免由于这些重大事故造成的直接或间接经济损失；能 及时准备备品备件及时处理有关故障，做到该修就修，无故障或故障轻微对就不修。 放心大胆地运行。从而实现预测维修，使设备维修费用、设备性能劣化与停机损失费 用最低；能为操作人员及时提供信息。有效支援运行从而提高了设备使用的合理性、 运行的安全性和经济性；通过抽烟机在线监测诊断系统的动不平衡监测功能，实现对 风机转子的磨损修复和动不平街量修正的指导以及对校正效果的监控，延长转子的使 用寿命、保证检修质量，降低设备费用的投入预计本套系统投入使用后，每年将产 生直接经济效益1 0 0 万元左右。 第二章旋转机械故障诊断原理 第一节故障诊断的实施方法 大型旋转机械的状态监测与故障诊断具有其特殊性，这一特殊陆表现在测试的主 要对象是一个转动部件，即转子或转轴以及转动体与静止体之间的相对关系等。转动 部件包括转子及连接转子的联轴嚣等；非转动部件包括轴承、轴承座、机壳和基础等。 转予是旋转机械的核心部件，整个旋转机械能否正常工作主要决定于转子能否正常运 转。当然，转子的运动不是孤立的，它通过轴承( 滑动轴承或滚动轴承) 支承在轴承 座及机壳与基础上，即构成了所谓的转子一支承系统。支承的动力学特性在一定程 度上影响转子的运动。但是，我们可以认为，旋转机械的大多数振动问题或故障都是 与转子直接有关，只有少数问题直接与支承箱体或基础有关。 既然大多数振动故障都是直接与转子运动有关，因此，要求我们主要是从转子运 动中去监禊蝴发现振动故障，这比从轴承座或机壳的振动中提取信息更为直接和有 效。当然，监测转子轴的振动比之测量非转动部件的振动，在测试技术上难度更大一 些。随着传感器和其它电子测试仪器的发展，对旋转机械的试验研究及运转监测，特 别是对转子运动的测试技术都有了发展，使得我们有可能借助于试验和测量手段更深 入地研究旋转机械的振动问题。 设备故障诊断技术根据不同的诊断对象、要求、设备人员、时间、地点等具体情 况，要采取不同的诊断策略和实旌措施。图2 - l 是故障诊断的基本实施过程，其中实 线表示的是计算机辅助设备故障诊断的实施路线吲。 图2 - l 故障诊断实施过程 按照诊断的精细程度，设备故障诊断可分为简易诊断和精密诊断。简易诊断是设 备运行状态的初级诊断，能够对设备的状态迅速作出概括的评价。它主要由设备现场 工作人员通过测定设备的某较为单一的特征参数，检查其状态是正常还是异常。当 特征参数在允许值范围以内时便认为是正常，否则为异常。往往以超过允许值的大小 来表示故障的严重程度，当达到某一设定值时就停机检修。一般来说，简易诊断对人 员素质要求不高，简单易学，常作为一种常规性 的检查措施。 精密诊断是在简易诊断基础上所进行的更深 层次的诊断，目的是对设备故障的原因、部位以 及严重程度进行深入分析，作出判断，从而为迸 一步的治理决策提供依据。精密诊断需要专用的 精密分析仪器，价格昂贵，同时对使用者的素质 要求较高，往往应用于大型、关键设备上。图2 - 2 所示为简易诊断与精密诊断的相互关系。 故障的分析和预测比一股性的监测具有较大 的难度。为了进行故障的分析和预测，不仅要求 图2 - 2 简易诊断与精密诊断的关系 有较完整的数据监测和采集系统，而且要求对转子一支承系统的各类振动阔题的一 般规律以及机器表现出盼现象有深入的了解。只有两者的结合，才有可能判断出故障 的原因及其在机器上的可能部位。 自从旋转机械测试中引入微处理机以后，对转子支承系统的故障分析和预测起 到了有力的推动作用。利用微处理机不仅可以长期采集、储存大量有关振动的资料信 息，并可按所要求的格式进行处理，给故障分析和预测提供了极为有力的工具。但是， 故障预测工作到目前为止不能说已形成为一门完整的学科，因为它涉及到机器多方面 的因素，比如机器的类型，工作条件变化的影响，可能出现哪些故障，这些故障会有 哪些征兆，属于转子动力学哪一类问题，它的振动表现有何种特点，突出表现在哪些 部位，用何种测量手段可以获得这些潜在故障信息等等。因此，完成一项大型旋转机 械的监测、保护、诊断系统必须对监测系统及被测对象有较为完整、深入的整体理解， 只有这样，监测系统才能担负起保障大型旋转设备安全、经济运行的职责。 第二节转子动力学模型的建立圆即 转轴在机械中的作用非常重要，同时它也是影响机器正常运行的主要因素。转轴 的速度一直在向越来越高的方向发展，作用于轴承、基础以及其它相应零件上的动载 荷也随着转速的提高而增加，因此，无论在工厂还是在试验室，人们都极其关注转轴 的牢固性。转轴一旦开始振动超常，就有可能造成严重的破坏。 茎盛盔主耍圭笙耋：鲞鳖蛰蛰盈毫垡鉴塑釜堑丕錾氅至型 薹酱噩基聋銮 由于有许多能产生干扰的振源，轴盼转动不是纯转动。干扰运动可能旮隆多形式， 如轴向的、横向的、以及扭转振动( 见例2 - 1 ) 。一根转轴可能有许多振动现象共存， 所以轴的运动可以是强迫振动、瞬态振动和自激振动( 见图2 - 2 ) 。 霉专备一一争 a ) 以速度州：i ) 绕自身轴作纯运动 b ) 干扰的扭转摄动 c ) 包含横向及角度变形的横向干扰振动 d ) 干扰的轴尚j 晨动 圈2 - l 轴的动态现象 在制造过程巾，轴可能存在弯曲、不圆度或不平衡。从而在离b 力作用下产生强 迫振动在运动中。热的影响，磨损或使用条件也能产生不平衡。另外还有一些形式 的振动是由设计者造成的。例如普通发电机转子由于蔡配合零件产生的内摩擦这些 冈素都能产牛转轴的自激振动。支承转子的轴承对转子的运动也有很大影响转轴可 以由于措动辅承中流体或空气动力的作用产生自激振动。这些情况使得对转子动态特 性的研究不仅是必要的，而且是非常复杂的。 在过去几十年中，由于近代艘嚣和监测方法在控制机械振动中日益广泛自q 应用， 已积曩了丰富的关丁转子动态状况的记载。这种以实际机器的状况为基础的分析有助 于建立所研究的现象的较正确的数学模型。数学模型通常是以理想化的方法反映最主 要的现象，把全部的或多数的次要现象忽略掉，对数学模型的研究可以帮助我们进行 动力学的“参数”分析，这样就能够预见机器发生非正常现象时一些参数的数值范 匿每一种动力学现象都可以用最简单的数学模型单独进行研究，这样做容易得戥眸 析的、定性的和定量的结果，还可以对它们在复杂情况f 适用性的限制做出诵价。 转子的结构形式多种多样，但对一些简单的旋转机械来说，为分析和计算方便， 一般都将转予的力学模型简化为一圆盘装在一无质量的弹性转子上- 转轴两端由刚性 的轴承及轴承座支承。测称为剐性支承的转子对它进行分析讣算所得到的概念 和结论用于简单的旋转机械足足够精确的。由于作了上述的种种简化，若把得到的分 析结果用于较为复杂的旋转机械虽然不够精确。但仍能明确、形象地说明转子振动的 基木特征。 ) f 曲 阳2 - 2 转干强动的备种形式 a ) 强迫的b ) 舜态的c ) 自激的 辨界澈摄力中有不平衡惯性力、重力、流体压力，各种扭矩辱t 能量转换机构可以是轴承和密封中的动力、外岸! 擦，内摩擦电机中电动力等 一般情况f ，旋转机械的转子轴心线是水平的，转子的两个支承点在i j 一水平线 上设转子上的圆盘位于两支点的中央。当转子静止时，由于圆盘的质量使转予轴弯 曲变形产生静挠度，即静变形，但出于静变形较小对转子运动的影响不显著，可以 忽略不讣。即认为圆盘的几何中心o 与轴线a b 上。点相重合，如图2 - 3 所示。 圈2 - 3 单圆盘转子 茎痞古主璧主鲨銮：盆鳖垫蛰垫奁錾鉴型兰堑丕錾鲍旦型 釜兰墓基翟銮 当转子开始转动后，由于离心惯性力的作用，转子产生动挠度，其向径为r 。此 时，转子有两种运动：一种是转子自身的运动，即圆盘绕其轴线a o b 的转动；另一 种是弓形转动，即弯曲的轴心线a o b 与轴承联线a o b 组成的平面绕a b 轴线的转 动。 圆盘的质量阻m 表示，它所受的力是转子的弹性恢复力f f = 一h 一( 式2 - 1 ) 式巾k 为转子刚度系数，r - 0 0 。圆盘白勺_ 转子微分方程为 磁= 只= 七l 谚= = 由j 令w ：= k m - 则有 j 十2 工= 0 1 ；+ 2 y = o j 它的解可以写作： 工= x c o 1 ，。f + 丸) 1 ) ，2 】，s i n ( ，。t + 妒，) j 其中振幅x y 和初相位丸、以都与趔哈的振动状态有关 一( 式2 4 ) 一( 式2 - 3 ) 一( 式2 - 4 ) 由( 式“) 可知，圆盘和转子的中心o 。在互相垂直的两个方向作频率为w 。 的简谐振动在一般情况下。振幅x 。y 不相等，0 点的轨迹为一椭圆：0 的这种 运动称为。涡动”或“进动” 为分析其进动情况将( 式2 - 3 ) 改写为复数形式 式中z = x + i y ； 其解为 z + 形? z 一0 j = b i e 。”t + 曰1 e - ， 一( 式2 - s ) 一( 式2 4 ) 式中b 即p ：i 为复振幅与系统的视始运动有关。圆盘中心0 的涡动就是( 式 2 - 6 ) 中的两种。其中第一项是半释为峨i 的逆时针方向的运动，与转动角速度q 反 重彦态芏耍土盐塞；盥煞地蛰丑垄缮鉴捌鎏堑丕盏益量创兰 ：薯茎蛋矗 反向，称为反进动。其合成速度有以下几种情况： 向量特征运动特征运动轨迹 b 【# 0 ，b2 = 0 涡动为正进动轨迹为圊，半径为f b ，f b l = o ，b 】0涡动为反进动 轨迹为圆，半径为f 口：i 曰。= b 。点。作简谐运动轨迹为直线 j b 。p l 曰，j 点o 作正向涡动 b ，b ，轨迹为椭圆 b 。 ( b 。j点o 作反向涡动 画盘或转轴中心的进动涡动属于自然振动，它的频率就是圆盘没有转动的转轴弯 曲振动的自然频率。 当转子以角速度m 作正进动时，圆盘相对于弯衄平面的角速度是q m ，其中q 及。均以逆时针转向为正，因此对于正进动，只有q ：m 时，相对角速度才为零。 同理，当圊盘作反进动时，圆盘相对于弯畸平面的角速度仍可用n n ，表示，但此时 m 是负值，故对于反进动，圆盘的相对角速度与q 同向，且总不为零。 由于圆盘相对于轴线弯曲平面有转动，转轴上的轴向纤维就处于交替的拉伸及压 缩状态，材料的内阻将影响转子的运动。只有在q ：。的条件下，即圆盘的进动角 速度与自转角速度相等时，圆盘相对于轴线弯曲平面才没有转动，转轴上各轴向纤维 始终保持其原来的拉伸或压缩状态，故材料的内阻不起作用。如不计外阻的影响，则 轴线弯曲平面的迸动就可以持久。我们称q ：n ，时轴线弯曲平面的进动为同步正向 涡动或同步正进动，m = 一。时则称为同步反向涡动或同步反进动。 第三节振动信号的运动特征唧嘲 机械设备出现的故障种类繁多，其诊断信息包括温度、声音、振动、应力、流量 等。但是，对于旋转机械而言，没有任何一种信息能象振动那样对设备状态具由更直 接的反应，因此振动分析及测量在旋转机 械的故障诊断技术中占有极为重要的地 位。 在工程中，我们瀑4 量到的振动信号通 常是幅值随时间变化的动态信号。动态信 号可分为用确定的时间函数来表达的确定 性信号和不能用时间函数来描述的随机信 广周期信号 f 确定性信号1 l 非周期信号 动态信号 m 振动方程的解。 设目标函数为s ，则有： 目标函数：s = m m ”扛 = m i l l 卜) ) 7 ( k m + 】) 】 要使s 为最小，则有：前南。o 解出平衡重量矩阵：h - - 一( k 】r k 扩k 】r 从以上分析可见，影响系数法是一种按照黑箱理论进行转子动平衡的方法( 见图 3 8 ) ，所以可在不知道被平衡对象系统动力学特性的情况下，仅通过寻求激励( 加重) 配 重 圈3 - 8 “黑箱”方法示意图 振动量 的变化 掣掣：；掣掣；掣；铲；一 m k mh；m?：雌；皤础础；础；砧；碟 础础；础：硌；砧 ：” ” w ，磷趟：碟；磷； 与响应( 振动矢量的变化) 之间的关系影响系数便能进行平衡。由于有这些特 点。使得此法得至广泛应用， 在现场动平衡中，影响系数法所追求的是剩余振动的平方和为最小的目标函数的 实现，但是由于该法本身缺少对平衡过程中物理意义自尊考虑，加上机组振动本身的非 线彤因素，以及当选取的平衡面个数大于平街转速下各传感器所能探测到的振型数 时，在各加重面之间还将出现相关性。这样干扰因素都将使此法的甲衡精度降低，开 停机次数增多下节将就这种相关性问题进行讨论。 第三节双面平衡影响系数的病态矩阵判别方法 为实时监控烧结抽烟机的工作状况，除要了解系统各部位的振动以外，还必须掌 罂转子动不平衡量的大小与位置。对于首次做动平衡试验的抽烟机系统。还必须先计 算出该系统的影响系数。我们规定：抽烟机转子右侧为i 号校止面，左侧为号校 正面；焊接在校正面上的平街块分别为岛，岛；用d 1 、d 3 传黪器的实澍数据计算 振动的转频分量，分别用互，j ：表示；矗。，氏分_ j 1 日代表两校正面上的原始不平衡量 试验前首先监测系统加配重前的振动数据。测出振动转频分量气，j ( 下标0 代表第0 次测量，以下同) ，矢量矩阵方程( 式3 2 ) 成市： l 鬣o0 脆) = 担j p j。j 其次。在转了的i 号修正面焊接平衡块。测出振动转频分置 阵方程( 式3 - 3 ) 成立： 殴胺硒 = 饶 - 哆毪j jr l j 最后。在转子的号修止面焊接一平衡块。测出 互，五。，矢量矩 阵方程( 式w ) 成立： 艘慨岛l 一佬 重瘩盔主耍主篮塞：缝缝垫幽i i 垄誊鉴型生逝蠡玺盥2 到董鸷互墓兰互 由( 式3 - 2 ) 、( 式3 - 3 ) 、( 式3 - 4 ) 可咀解出影响系数矩阵： 阼陵 巧；：j 衫 4 2 一爿1 0 g 兀 2 2 一爿：o 一一一( 式3 - 5 ) 当系统的影响系数已知时，就可以通过箍测实时振动数据，求出振动信号中转频 分量，来计算转子i 、i i 号修正面上的实时动不平衡量，目口有 易将上式化作： a 1 】a 1 0 g t a 2 1 a 2 。 q 爿1 2 4 0 u 兀 爿2 2 一彳2 0 u 丌 辨 a x = a 一一式3 啕 鼎= 陵斟 牛百a 口- a , o ，i ，j ：l 2 七= 羔 x = 最。，一o ：。r 4 ：卜夤。一匀：。r 为讨论方程( 式3 - 6 ) 的解的稳定性，引入以下几个概念： 称c o n d ( a ) = 忪“| | a | 为a 的关于范数l 的条件数。c o n d ( a ) 恒大于等于1 ； 如果c o n d ( a ) 较小时，解的相对误差与数据的相对误差在一个量级上；而如果c o n d ( a ) 较大时，解的相对误差可比数据的相对误差大得多，此时称a 为病态矩阵 。 由f 式3 - 6 ) ，得a a x = a a o 记为：k x = b 爿= j 7 ，才为a 的共轭矩阵。k = a a 为h o r m i t e 矩阵。 引入谱范数：i 译：1 1 = m a x 顺：丑为矩阵x 的特征值 ， 字趣 ：有c o n d ( k ) = c o n d ( a 月) = 【材( 即r 成立。困为仟意矩阵的条件数大于等于1 ， 故c o n d ( k ) 和c o n d ( a ) 的变化趋势是致的。 因为k 为非奇异h 诚矩阵，所以有关于谱范数的条件数耐晖) = 凡。五。， 五一，五。分别表示k 的最大特征值，最小特征值，且为实数。 置= 匮引景1 搬2 1 1 2 k a aa aa a 。甓藩等2 一c 怔：ta j m l ：。+。：， m ：卜i m 。1 2 一 删茁) ：拿：鱼些哗：三苎兰! ：三丝! ! 丝三坠丝一( 式h ) a m k n + 盖丛一、( k 1 1 + 足篮) 一4 f 足l l 五2 2 一k 1 ：k ：1 ) 令棚= k a l + k 盈打= 似局l - k 笠一墨3 k n ) 肌，拧r 则 硎) 一型掣，肘 q o e 一棚2 删一棚一i 1 现在就病态矩阵的判定标准c o m i ( k ) 的大小作讨论： 1 ) 当m 足够大而拧斗o 时，c o n d o ) 斗；即( k u k 篮一k n k 2 1 ) _ 时， k 为病态矩阵； 2 ) 当n 不满足趋近于0 的条件时， li 隔一十如) 2 4 暖1 1 足n 一蜀z 如) l k t - k z f 斓吠足) ：一f ：丝坠兰堡堡：一叁! 墨彗；一1 把。+ 如) 2 4 ( 1 c 1 1 如一k 1 2 k 2 i ) 】一竖 垒! l 罡1 1 + 置口 墨l + 足2 2 很最然，使k 为病森矩阵，即使o o n d ( k ) 较大的充分条件是：1 )当 脚= 墨l + k n 有一定大小；2 ) 心。- k 。i 较大。 ，+ 巫j 夏巫 3 ) 因为c o n d ( k ) ：f ；垒喜苎垒：一，所以c o n d 取得极小值的 i 型! 茎! ! 二茎墼! ：! 茎! ! ：茎型 k 1 1k 2 2 充分条件是：足k ：，相对千奠2 + 墨，较小且腔：一足。i 相对十墨：+ k ：，也较 小。 下面讨论上述三种情况在现场动平衡的工程意义： 在第一种情况下，由( 式3 - 7 ) 可知，当各4 ，( f - = l 2 ) 的模与幅角都相差不大 时该条件：( 局k 丝一茁i -