1、浙江大學 碩士學位論文大型旋轉機械振動監測和故障診斷系統的研制應用 姓名：隋明霖申請學位級別：碩士專業：熱能工程指導教師：繆思恩；史挺進200121浙江大學頤學垃論之摘要本文根據我國發電廠的實際需要，對計算機監測系統在電廠中的應用進行了深 入、系統的研究。首先，在介紹國內外旋轉機械振動監測技術概況和發展趨勢的基一一_ 礎卜/闡述了振動數據分析的基本方法，介紹了故障診斷的相關理論，并對幾種 常用的動平衡方法作了概括說明。其；j:.在詳細介緇TG40一CMAFD系統總體方案設計的基礎上，刈振 動監測搜故障診斷系統從傳感器的選型、當前流行的DSP技術1,1:振動監 測系統巾的庸用劍利用1大j特網fl

2、JTCP/IP技術進行r 卜.侮帆的數據通汛等多方面都做了簡要的介紹；對振動監測分析及故障診斷軟件0設計特 點及實現的方法作了較為詳細的說明。最后.本文對實時監測分析及故障診斷系 統的發展做了展望。浙江大學硬學位論文ABSTRACTInth1sPaperbased0nthePract1ca1need0f0urc0untrySP0werp1anttheaPP11cat0n0fc0mPuterm0n1t0r1ngSystem1nP0werp1ant1s1ucubrated.Itcanbeenseenfr0mthef0110w1ngasPects:F1rst1y.based0nthe1ntr0duc

3、t10n0fV1brat10nm0n1t0r1ngtechn010gyanddeVe10Pmenttendency0f1argesca1er0tat1ngmach1neryh0meandabr0adbas1cmeth0d0fV1brat10ndataana1ysisiSr ePi /esennt dthe0ryre1atedw1thfau1td1agn0s1s1Sbmriicebfa11yainncterm0edtuhc0eddsaarnedgaefneeWrca01mimz0enddynaSec0nd1y.afterintr0ducingthewh01edesign0fTG40-CMAFDs

4、ystemindetai1thef0/I0wingasPectsarestudiedbrief1y5suchasse1ectingtransducersaPP1ying0ftheP0Pu1arDSPtechn010gyanduse0fTCP/IPtechn010gyThenthedesignfeatureaswe11asimP1ementedfuncti0n0fm0nit0ringandana1yzings0ftwareiSrePresentedindetai1Fina11ythe0ut100kf0rthedeX5e10Pment0frea1一timem0nit0ringandana1yzin

5、gsystemiSmade II 一浙江大學碩士學位論文第一章緒言1.1課題的目的意義隨著現代化大生產的發展和科學技術的進步，設備的結構越來越復雜，功能越來 越完善，自動化程度也越來越高。由于許多無法避免因素的影響，設備有時會出 現各種故障，以致降低或失去其預定的功能，甚至造成嚴重的、災難性的事故， 國內外曾經發生的各種空難、海難、爆炸、斷裂、倒塌、毀壞、泄漏等惡性事 故，造成了人員傷亡，產生了嚴重的社會影響；即使是正常生產中的事故，也會 導致生產過程不能正常進行或機器設備損壞而造成巨大的經濟損失。旋轉譏械（如汽輪發電機組、透平壓縮機、泵與風機等）在電力、石化、冶金、機械等部 門中處于舉足輕重

6、的關鍵地位，此類機械一旦發生故障將會造成巨大的經濟損失 和嚴重的社會影響。近年來，我國鋼鐵、石化企業的大型壓縮機曾先后發生過振 動破壞，電力系統中的2 0 0 mV汽輪發電機組也相繼出現過由軸系扭振、油膜 振蕩、螺栓斷裂、甚至斷軸、調速系統失靈等引發的惡性事故，給使用部門及社 會造成了巨大的損失。因此利用計算機對這些旋轉機械實施在線監測與故障診斷 已經十分必要。目前，國內大中型企業已越來越認識到對設備進行狀態監測的重 要性及其所帶來的經濟效益許多電力部門、石化企業都已開始在其重要設備上 配置或準備配置狀態監測和故障診斷系統。測量技術、傳感器技術和計算機技術的發展為保證這些旋轉機械的安全運行提供

7、 了11丁能。采用計算機對這些設備實施在線狀態監測與故障診斷技術，不僅能 及時了解設備當前的工作狀況，進行報警監測，還可將設備各種工作狀態下的數 據、信息進行存儲、管理和分析，實現故障預報和早期診斷，并視情指導和安排 維修計劃，變定期預防維修為預測維修，提高設備利用率，增加產值，減少人力 物力的浪費，在故障時還能高速瞬時地保存大量異常信息以便進行事故追憶與分 析。所有這些對保證設備安全、可靠地運行，避免重大事故的發生，提高設備的 運行效率，降低設備的維護費用，具有十分重大而深遠的意義！因此，設備的工 作狀態監測與故障診斷技術已得到國內外學術界和工程界的廣泛關注。國內外許多資料表明，開展故障診斷

8、的經濟效益是明顯的。據日本統計，國營工 廠勺調查表明，采用診斷技術后每年節省維修費3億英鎊。英國中央發采用 診斷技術后，事故率減少7 5%，維修費降低2 5%至5 0%，英國對2 0 0 0 個衙江大學髓學使淪文電局的DLThomas在1 984年所撰的 大型汽輪發電機組的振動監測策 略”一文中指出若對大型汽輪發電機組進行振動監測診斷，其獲利與投資之比 可高達17/IDr.GeorgcThompso n也曾在第三屆狀態監測 與診斷工程管理的國際會議(COtMDEM91)上強調人們應該在設計階段 就考慮設備的狀態監測，并將設備的過程控制和狀態監視有機地結合起來。另據 9 1年英國工程部管理委員會

9、報告，對重要設備采用狀態監測在頭一年就可得到 1/1 01/2 0的投入與產出的收益，一般地，設備的監測投資費用在6 9個月內即可從獲益中收回。設備的狀態監測和故障診斷技術還使預測維修成為 了可能，從而節省大量的檢修費用。例：根據美國國家統計局資料，1 9 8 0年 美國用于設備檢修的費用高達2 4 6 0億美元，據專家分析.其中有近1/3即 750億美元是不合理檢修所造成的浪費。35%。1。2國內外技術概況和發展趨勢我們通常把連續測量運行設備狀況的儀器，及記錄這些設備過去的狀況和這些年 來，固、內外都有了實用化的旋轉機械狀態監測系統如：荷蘭菲利浦據日本資料 介紹，日本1 9 8 3年由于采用

10、設備診斷技術，使其檢修費用減少了現在狀態的 技術稱為狀態監測，而把分折判斷沒備是否運行正常，若異常，故障是什么.可 能原因是什么，以及估計設備的運行趨勢和提出治理建議等稱為故障診斷。五十 年代以前，人們通常采用原始的檢測手段，憑藉經驗處理設備的振動問題，例如 用小槌敲擊或用細乏導體抵在機器某部位，以耳朵聽到的聲音來判斷機器工作 是否正常。五十年代后期，由于非接觸傳感器及其它傳感技術的發展，人們開始 了各種機器槍測方法及儀器的研究，并著手研究故障機理、診斷理論和方法。到 了七十年代，己開始采用各種固定安裝的監視儀和便攜式儀器對設備運行狀況進 行監測和分析，并開始實現了對設備零部件的診斷。七十年代

11、后期，多參量綜合 監測與故障診斷系統的研制己達到工程應用階段，計算機技術也開始直接應用在 離線分析和長期連續監視及故障診斷中。目前，在西方先進工業國家，幾乎所有 重要的大中型汽輪發電機組都配備了振動監測分析與診斷裝置，而且產品正在不 斷地更新發展；另一方面，故障機理、識別方法、防治技術的研究也正在日益深 入。目前的狀態監測與故障診斷技術，已經形成一門既有診斷理論，又有分析方 法；既有故障機理研究，又有現代監測儀器與診斷系統，工程應用性強，技術背 景牢固，且與高技術發展密切相關的一門現代新興的學科。雖然目前汽輪發電機 組的狀態監測與故障診斷技術已經發展到可用計算機對機組進行連續監視，但它 仍處于

12、繼續開發、研究的階段，還需要不斷的研究、總結和發展。浙江丈學碩士學位論文 公司的RMS 7 0 0系列TSI，美國西屋公司的移動診斷中心（MobileDiagnosisCenter，MDC） ”，日本三菱公司的 旋轉機械健 康監視系統（M ImI） ”，英國中心發電部的 透乎監測設備（TSE） ”和 試驗設備監測（TestEquipmentMonitoring.TEM） ”。診斷系統有：美國ENTEK、CSI公司推出的故障診斷專家系統， Bentl y公司研制了故障診斷工程師幫助系統等等【3f4f。國內這些年也進口了相當數量的監測設備，同時，國內許多高等院校、科研機構及工 礦企業也都正致力于研

13、制中國自己的狀態監測和診斷系統，并已取得了一些成 果，特別是在理論、方法上的研究和探索有了較大的進展。但是對于真正實用產 品化的系統還發展不夠，尤其是離多參量的綜合監測、數據分析、信息管理、故 障診斷集一體的高性能完善系統尚有較大差距。目前在國內已形成了十多個水平 較高，有運規模的診斷技術研究中心，如西安交大，哈工大，清華，浙大，上 海交大，華中理工，東南大學等單位的診斷技術研究機構。研制成功的工程應用 系統有哈爾濱工業大學研制的微計算機化旋轉機械狀態監測與故障診斷裝置，即 lVhVIMD系列：華中理/ 大學開發的故障診斷專家系統：南京汽輪高新 技術開發公司的CRAS隨機信號與振動分析系統：東

14、南大學的ZXP105 系統：重慶大學的CDMS信號處理故障診斷及振動分析系統：浙江大學光科 系、機掀系、能源系分5;1j開發的DM 7 0 0 1、ODES、VMAFD 系統：西安交通大學的旋牟機械敞障診斷系統；遼化高金吉等研制的機械故障 診斷專家系統等（七）口；。除了學校外，還。自西安熱一L研究所、上海成套發備 研究所以及英華達公司等進行了旋轉機掀振動監測與故障診斷系統的研究與開 發。然麗無論是國內的還是國外的系統，其進行故障診斷的主要方法不外乎以下幾 種：（ ）FFT譜分析法：（二）時間序列分析法：（三）參數分析法：（四）系統。其實已經開發的基于振動監測與分析的故障診斷系統都不具備真正 的

15、自中力量，著重致力于研究人工智能的故障診斷技術，即故障診斷專家系統。 吸 人工智能集中診斷電站設備”的在線專家系統PDS的研制成功極大地推動了 隨著科技的發展和工程實際的要求，至今已陸續產生了四代振動監測分析模糊數 學方法；（五）機械故障的計算機輔助診斷；（六）機械故障診斷的專家動診斷 功能。即使有，如日本的MHM系統，其診斷的能力也十分有限，而且其診斷功 能的擴展十分困難。從實質上講這些系統只能算是故障診斷的輔助工具真正進 行故障診斷的還是診斷工程師，因此目前西方工業國家的各大公司都集收模糊識 別理論中的某些概念，以常規譜分析為主，時序分析方法為輔，并結合旋轉機械 的振動特點，有規則地組織故

16、障診斷研究，為在將來形成專家系統創造條件，這 是今后幾年故障診斷技術的發展趨勢。例如美國西屋電氣公司的專家系統在故障 診斷中的應用。與滲斷系絨，在各種場合，以不同的程度，不同的方式得到了日 漸廣泛的應用。濠江大學硬上學泣淪文(I) 簡便式測振儀這類儀器外接慣性式速度或加速度傳感器，主要用于機殼的振動幅值測量，精度 較低。根據檢波電路不同讀數可分為峰峰值、峰值和有效值。它己從傳統的模 擬式發展到數字式，有些還配有選頻網絡，可作手動頻率分析，測定振動中主要 頻率成份的幅值。它可用于一般設備振動狀態的手工監測，根據振動幅值大小對 故障作出初步的分沂。產品育英華達公司的EN 5 0 0便攜式旋轉機械振

17、動監 測故障診斷儀；美國ScientificAtlanta公司的M744、E entlyNevada 公司的TK 1、德國 Schenck 公司的 VmRO METER20 年1 125等。(II) 內含微處理器的移動式數據采集器它是一種具有計算機接口的智能儀器，它和傳感器、計算機三者組成一新型的監 測系統。在現場使用時，可選定測點、設置組態，逐點巡回測量，記錄異常信 息，在面板上顯示振動信號的幅值和相位，并可作簡便的信號分忻；內置RAu M所存貯的現場原始數據，可經接口電路輸入計算機，由計算機對其進行深入的 計算和分析，并可由外設輸出振動值報表、測點軸心軌跡圖、振動時域圖、頻潛 圖和趨勢分析

18、圖等等。根據這些圖表可以掌握機組運行的工作狀態，及早對故 障丨生質、程度、發生部泣和原因作H;診斷。這類產品育Scientifi cAtlanta 公rq的 DpJA TRAPBentlyNevada 公 百的SNAPSHOTTRENDMASTEP.、Schenck公司的V TBROSTORE41等。(III,基本智能化在線監測系統 這類監測系統能夠對機組的運行狀態進行連續在線監測，實時地進行故障診斷， 充分體現了微機系統的自動數據采集、分析、計算等功能。當被監測的信號越限 或有異常情況出現時，系統能作聲光報警。它不僅可監測機組振動，還可監測其 它信號，并可根據監測參數的種類和多少，配上相應功

19、能的插件和軟件，以擴展 系統的功能。其監測參數的信號也可接入計算機系統，進行數據分析、管理、各 種圖表繪制和診斷等功能。已有的產品有ScientificAtlanta 公司的 M 700、M746;EcntlyNcvada 公司的 7 0 0 0、90 00、3 3 0 0 系列；Schcnck公司的VIBROCONTROLIOO 0及2 0 0 0系列：荷蘭Philips公司的RMS 7 0 0系列等。(IV)計算機化的在線監測與診斷系統這類系統集數據采集、信號分析、數據管理為體，是一個多信息處理系統。它 能夠實時在線對機組狀態進行監測、分析和診斷。系統可由多臺計算機組成網 絡，每臺計算機負

20、責不同的監測處理工作，各臺計算機之間可互相通信。由于計 算機、各種智能裝置及外設技術的迅猛發展，這種系統越來越得到重視和歡迎， 就其結構上看，大體可分為以下兩類：1:以軟件為主體來實現主要的數據采集和分析功能。因而，除了計算機和必要 的外圍設備外：僅需少量的硬件，這類系統結構簡單，價格比較便宜，浙江大學碩士學位論文軟件豐富而且根據所需功能易作更改，但分析速度慢，實時性差。！tNBen tlyNevada公司的PDM2/DDM2。2:以硬件為骨架來實現主要的數據采集和分析功能。主機主要作用是協調各儀 器的工作，進行數據和文件的管理。數據采集和分析功能由專門硬件來實現。該 類系統采集和分析速度快，

21、但價格昂貴，且不宣改動，靈活性差。如Scien tificAtlanta 的M6000。1.3 ?課題的提出與目標盡管我國科技工作者在振動診斷工程應用領域的研究已取得不少成果，但從總體 技術水平上看，國內研制的系統在可靠性、實時性、診斷準確性、專家系統等方 面耍比國外低一個層次：在通用洼、擴展性等方面也存在較大的不足。為保證機 組的安全運行，從國外引進設備的配套監測系統或國產機組選用進口的監視系 統，每年都要耗費國家大量外匯，并且國外的系統價格昂貴，維修時配件供給困 難，軟件擴充性差。少量引進國外先進技術作為參考并加以消化吸收是可以 的若大量購置則為嘲漪所不允許。c自j二振z蟲信.gr9包含仃

22、#1囂奪舒健嚷狀況的人嗣j分特征，奉漾題 拭妒、監測分析汽輪發電機組的振動信號入手，實現饑組的狀態監測與故障診 斷。相應開發的汽輪發電機組振動監測與故障診斷系統(TurbineGen eratorSetsibrating andFaultDiagnosisSystem)，應具有良好的可靠性、 靈活的擴展性、較高的實時性和友好的用戶界面，能實現多參量同時監測，通過TCP/P連 入網絡。考慮到參數監測的實時性，該系統決定采用上、下位機二級結構，下位 機主要根據上位機的指令進行等時間間隔或等轉速間隔同步整周期采樣(當信號 越限報警時則連續采樣并將其保存在黑匣子中以便事故追憶分折)，并負責數據 的預處

23、理與傳輸等事務：上位機主要負責數據的實時分析、標準圖譜顯示、故障 診斷及動平衡計算等功能，給出機組實際運行狀態的有關信息和診斷意見等，口 界面，用下拉式菜單和對話框實現人機交互，便于工業現場操作，并且系統（D SP）與故障診斷技術的分析處理軟件，整套系統既實用又具有較高的水準，M onitoring從而實現機組狀態的在線監測與故障診斷。從目前的趨勢來 看，上位機的軟件應采用開放式設計，以便于移植和功能擴展并且允許用戶根據 實際情況對系統迸行組態；整套軟件應運行在WINDOWS中文環境中，采用 全漢化的圖形窗中還應配備詳盡的在線幫助幫助用戶盡快熟悉本系統。它將綜 合監測儀表、巡回檢測儀、計算機數

24、據處理的三大功能，髯加上基于先進的數字 信號處理器將為汽輪發電機組運行狀態的自動化監測與故障診斷提供一種切實有 效的方法。t浙江大學碩士學持論童第二章實時監測和數據分析的相關理論2.1狀態監測的基本參數設備的運行狀態必須通過可靠、精確的檢測和監測儀器所提供的信息來判（1） 振幅振幅是表示機組振動嚴重程度或烈度的個重要指標，它可以用位移、速（2） 頻率由于不同的振動 源”，其振動頻率一般是不同的，因此頻率常作為分辛斤振對頻 率分析重要性的認識主要來自于機殼測量。進行機殼測量時，振幅和根據振動頻 率可以把振動分為同步振動和非同步振動。同步振動的頻率是第一類是屬于強迫 振動問題。這是由外來確定的擾動

25、力引起的振動，振動斷。這些信息即為監測設 備所必須檢測或監視的基本參數，它包括描寫設備振動狀態的動態參數，描寫位 置的靜態參數和其它參數。本節將簡要介紹這些參數的基本概念及其在狀態監測 中的物理意義、表示方法和檢測方法。1、動態參數度或加速度求表示。根據對 振幅的監測，可以判斷吼組是否在平穩地運轉。通常對于頻率比較低的振動取位 移或速度，中等頻率的振動取速受，高頻則以砌逛度為測定的參數，振幅一般用 微米峰峰f iT_表示，由于傳感器技術的發疑，人們巴經開始采用非接觸式的 電渦流傳感器直鎂測量轉軸的振動狀態，以得到有關轉軸振動幅度的更精確數 據從而得到機組運行狀態的確切信息。通常一臺正常運行的機

26、組有一個穩定 的、可接受的低振幅笸，任何振幅讀數的變比都將反映機組狀態的改變。動原因 的重要依據。旋轉機械的振動頻率，通常用機械運行轉速的倍數或分數來表示， 這主要是因為機器的振動頻率多以轉運的整倍數或分數形式出現。頻率是僅肓的 可以用來測量和分析的主要參量。有些機器故障通常在某些特定的頻率I-發 生，這有助于我們區別這些故障的類型。但是我們必須認識到，頻率和故障的關 系并不是相互對應的，這就是說，某一特定頻率的振動通常與多種機器故障相聯 系，在振動頻率和機器故障之間并不存在一對應的關系。機器運行轉速的整倍 數或分數，非同步振動的頻率與轉速不成完全的整倍數或分數關系。下面再簡單 介紹幾種振動的

27、性質及其有關的頻率問題：轉子的振動問題按機械振動的性質大 體上可分為三類： 浙江大學頑士學泣論文 本身并不反過去影響擾動力，它的特點在于頻率總是等于擾動力頻率。比如由丁 -質量不；F衡，發電機轉子不均勻磁拉力而引起的強迫振動等。第二類是屬于自激振動問題。自激振動的引起歸之于轉子一支撐系統中存在某一 機械能量的反饋環節。這一反饋環節使轉子從轉動中獲取能量，并轉變為某一特 定頻率下的橫向振動能量（一般不等于轉速），而這一橫向振動又通過反饋環節 進一步從轉動中取得能量，從而加劇了橫向振動，直至獲取的能量等于消耗于阻 尼的能量，則振動穩定在某一極限環上。比如由油膜半速渦動引起的油膜振蕩， 蒸汽的不均勻

28、泄漏引起的間隙振蕩等。第三類是屬于非定常強迫振動問題。這一問題在性質上是屬于強迫振動，因為振 動乃然是由外來擾動力所引起的，而且與擾動力具有相同的頻率。但不同的是振 動本身又反過去影響擾動力的大小與相匣。這類強迫振動表現出來的現象是振動 的幅值和相位都在連續不斷地變化。比如轉子軸上局部的不均勻熱變形。（3）相角我們：蘭義相角值是轉子某瞬間的振動基頻信號與軸蘗一吲定標志的相逝 麓。柏角測量可用來描述某一特定州亥I！fi器轉f6: J何管，一個好的 幅角測量系鈧能夠確定每傳感器f占號上對應的n囂轉子的 ”高點”佰xojl 轉：上泉固定點的位置。機器轉子的平衡狀態改變將引起高點的變化，這種變 化能通

29、過方法是利用非接觸式或光電式傳感器（鍵相器），感受固定在軸上的鍵 或槽產生的每轉一次的脈沖信號，作為相位測量的基準信號，此時相角的定義可 修正為（4）振動形式振動形式也許是分析振動數據的最重要的方法。通過對振動形式的觀測，（5） 扼，P!相角變化顯示出來。精確的相角測量對于轉子平衡、分析某些機器故障 及確定轉子固有的平衡響應即臨界轉速是非常重要的。目前測量相角的最準確可 靠的鍵相器脈沖和振動的第一正峰（相應于機器轉子的高點位置）之間的角度 差。不論在機器平衡過程中，還是在旋轉機械的分析診斷過程中，相角作為一個 重要白，J參量正在被人們迅速接受。能直觀地了解某機器的運行狀態。上面討 論的振幅、頻

30、率、相角等三種參數都是可測量的參數并能在儀表上指示或顯示出 來，而振動形式是顯示在示波器上的原始振動波形。振動形式可以分為兩種：時 基形式和軸心軌跡，前者是轉軸位置與時間軸的關系曲線，可用來確定基本的振 幅、頻率和相角。后者則是對應F兩個互成90度的非接觸式傳感器的軸截面的 中心線的運動曲線，可以了解軸的實際運動情況。振動形式無論對預防性維修和 預測性維修都是最基本的參數。浙江大學碩士學位丨人文所淄振型是轉軸在一定轉速下，沿軸向的一種變形。測量振型的方法是沿轉軸的 軸向每隔一定間距放置一組互成9 0度的x ? Y傳感器，分別測得相應轉軸截面 的中心線振動情況綜合所測量的這些數據便能得到轉軸的振

31、型。振型有助f估 算轉子與固定部件之間的內部間隙，并能佶算出轉軸上節點”（轉軸上振幅為零的點）的位置。2、靜態參數（1）偏心位置偏心泣置又稱徑向位置，是指轉軸軸頸中心在軸承中的平均位置。在轉軸沒有內 部和外部負荷的正常運轉情況下大多數轉軸會在油壓阻尼作用下，在設計確定 的位置浮動。然而，旦機器承受一定的內部或外部的預加負荷（穩態力），軸 承內的軸頸就會出現偏心。這種偏心是測量軸承磨損，預加負荷狀態（例如不對 中）的一種指示。定期測量編心位置是絕對必要的，另外在機器的啟動期間，也 應該密切注意偏心位置。偏心位置的測量是通過安裝在軸承處的監測徑向振動的 同一傳感器進，亍的，其輸出信號的直流成分即f

32、C表偏心泣置（侄向問隙L（2）軸向位置軸向臣置測量可用柬描述止推盤和丘推軸承之問的桶刈曉置。對于蒸汽透平或離 一心壓縮機來說，軸向位置可能是最重要的測量參量。軸向位置監測的主要目的 是為了保證消除機器轉子和定子之間的軸向竄擦，以避免災難性事故的發生，因 為軸向止推軸承的故障可能是最嚴重的故障。監視軸向位置至少要安裝個電渦 流傳感器，最好是兩個，以便提供可靠的信息。測量軸向位置的電渦流傳感器還 能同時測量軸向振動，在分析某些機械故障狀態時，軸向振動是一個很有意義的 參數。（3）偏心度峰一峰值偏心度峰一峰值是指對轉軸在靜態時彎曲的測量值。當轉軸在啟動時，彎曲量可 以用電渦流傳感器測量的直流峰一峰值

33、信號來表示。當峰一峰值處于允（4）差 脹所謂差脹是指機殼與轉子之間的相對膨脹。對大型蒸汽透平等機組，要求 。（5 ）機殼膨脹許的低水平時，機器可以啟動，而無須顧慮因殘余彎曲及相應 的不平衡引起的密封件與轉軸之間的摩擦影響。慢轉速偏心度最好由安裝在遠離 軸承處的傳感器來測量，以測得最大的彎曲偏差。啟動時機殼與轉子必須以同樣 的比率受熱膨脹。如果機殼與轉子受熱膨脹的比率不同，就可能發生軸向摩擦而 使機器受到損害。為了測量差脹要把電渦流傳感器安裝在機器末端與止推軸承相 反的一側。浙江大學碩士學位論文對某些大型機組，除了監況差脹外，還要監視機殼膨脹。這種監測通常由安裝在 機殼外部，以地基為參考基準的線

34、性可變差動變壓器（LVDT）來完成的。知 道了機殼膨脹和差脹，就可以確定轉子和機殼的膨脹率。如果機殼膨脹不正常， 機殼的 滑腳”就會被卡住。（6）對中對一些機組來說，各機殼之間的對中性是有一定要求的。在壓縮機組和燃氣輪機 驅動泵機組的安裝過程中常會出現這種故障。通常利用機組中各種不同機器的膨 脹資料，并經過計算畫出一份安裝對中圖紙作為一種粗略的參考，最后還要用 儀器來確定機組的熱運轉狀態。在熱對中測量技術方面，可以利用類似于大地測 量用的光學儀器或激光技術來測量不同機殼的轉軸之問的相對位置的變化。3、其它參數（1）轉速（RPM）轉速【為每分鐘轉軸的轉教，單位rzmin，大多數機組都要求連續 顯

35、示其轉述。在對H:組運行狀態分折中找出振動和轉速之間的關系是很重要 的。（2 ）溫度溫度也是分析機器某些特宅習：科一狀態的重要參數，尤其是軸向和徑向軸承中 巴氏合金襯套的濕度要氏期監測。同時分析溫度和振動、位置參數關系，有助于 我們發現機器可能存在的故障。（3）相關性在對運行中機器進行全面系統分析時弄清溫霞、壓力、流量和其他一些可能影 響機器運行狀態的外部參量之間的相互關系是非常重要的。它有助于最2.2振動數據分析的基本方法工程上所測得的信號一般為時域信號，然而由于故障的發生、發展往往引頻率分 析是機械故障診斷中用得最廣泛的信號處理方法之一。頻曙圖形有終確定某特 定機器的運行狀態，并制訂一個較

36、好的預測維修方案。2.2. 1頻譜分析起信 號頻率結構的變化，為了通過所測信號了解、觀測對象的動態行為，往往需要頻 域信息。將時域信號變換至頻域加以分析的方法稱為頻譜分析，頻譜分析的目的 是把復雜的時間歷程波形，經傅立葉變換分解為若干單一的諧波分量來研究。以 獲得信號的頻率結構以及各諧波幅值和相位信息。離敞諧與連續渚之分，前者與 周期性及準周期信號鉬對應，后者與非周期信號 浙江大學碩士學位論文及隨機信號相對應。對于連續譜，用的是 譜密度”概念。工程上任何復雜的周期信號都可按傅立葉級數展開成各次諧波分量之和，即 z（，）=r（f+ 刀，）=口0 12+ X（%cosno.）/ + 以sinn c

37、ot）式中丁周期O do 嗦弦項振幅(玎=1,2)吼一一靜態分量(直流部分) 6。正弦項振幅。.傅立葉級數展開的另一種形式.x(,)=x(t+itT)= 口。/2+ E爿o 竝 COSHO)/+boS innc t)各階諧波的幅值和相位為A.= M口: +b:po=arctan若以或/為磺坐標，分別以A。和妒，。為縱坐標作圖，便得到離散幅遣譜和 離散相位譜。傅立Ut級數也可以寫成復指數形式坤)=ao/2+刀掣+掣礦1若令?Ln2= 一(a。一 ib。)L 一一 一月 2 。=_ 一, (do+ibo)Co=冬 則(i)式變為x(f)=Co+ZcoP 一 ”+ ZcoC ”“ n=ln=l即z(

38、,)= EGP ”得一1O 浙犬學碩士學佗論之C,=; xxq、eC.在一般情況下為復數，可以寫成為 Co=ReCo+i1mCo1 = kP ” 將周期信號展成博立葉級數后，以Re【C。】和ImC。】為縱坐標，以角 頻率印為橫坐標作圖，便構成實頻譜圈和虛頻譜圖。2.2.2極坐標圖極坐標圖是在極坐標下繪制系列的振動矢量(典型值為1X)，它是轉軸轉動 速度的函數曲線。不同轉子轉速下的IX振動矢量的幅值和相角直接地被繪制在 坐際平面中，相應的轉子轉速也盔曲線上標出，如圖21。極坐際也可繪制任 何經過濾波的振動矢量，其濾波器的頻率為轉于轉動速度的整倍數.如2X,3X,等。轉功方02 7 0 侉弋 xj

39、2j7 90玄積lj/低速每乇量？2415 f/18 0圖2.1未經補償的極坐標圖2.2.3波特圖波特圖是在笛卡兒坐標系內繪制的一系列振動矢量隨轉子轉速速度變化的函數曲 線。波特圖包括兩張圖.一張圖用于表示振動矢量的幅值隨轉子轉動速度變化的 關系，另張圖用于表示振動矢量的相角隨轉子轉動速度變化的關系。任何一個 按照某一轉子轉速倍數濾波的振動矢量位移，速度或加速度，都可以 浙江大學碩士學垃淪文 繪制在波特圖中，如圖2 2。3 6 03 0 0 2 4 018 012 06 0Z1圈2 2來經補隆的波特留瀑布圖表示機組在某一段時問內各頻率成分的大小隨時問變化變化趨勢。該軌跡 是由兩個互成90度徑向

40、安裝莊同一軸承處的渦流傳感器輸出信號疊2.2.4 瀑布圈它足一個三也際圈，x向為各頻率成分。Y向為時問，z向為振幅，實際 上是不Id 寸問F各頻譜圖的疊加。通過瀑布圖可以看出穩態運行時機組是否出 現異常頻率，各頻率成分是否穩定。2.2.5牟|i1一亡gL跡圖加而 成。它顯示了觀測點處的轉子的軸承中的運動路徑.由于油膜支撐剛度x、Y向 的不對稱，正常的機器所產生的軸，tb軌跡都是略呈橢圓形的。軌跡的形狀變 化，可以清晰地顯示軸瓦的磨損，初載的改變和轉子的位置變化。當與一個鍵相 信號同時使用時，該軌跡同樣能產生相位角和頻率數據。軌跡的另一個獨特應用 是顯示絕對運動的前進方向，個正在發展的故障首先以

41、軌跡向前方向或反方向 運動而顯露出來，換句話說，轉子的軌跡可能向與轉子轉動相反的方向運動。開 機或停機時的多次軌跡曲線是很有價值的，因為它們提供了極大數量的數據。與 其它數據形式0;同，軌跡曲線可以顯示軸承座內偏振、相位角、頻率成分、旋 進方向、軸承座內轉子位置的變化以及軸彎曲的初現和最終影響等。浙江丈學顫士學使鯰之 2.2.6軸心位置趨勢 在使用渦流傳感器測量軸振動的同時，它的直流電壓輸出代表了轉軸與傳感器之 間的平均間隙。借助于x、Y渦流式探頭輸出的直流間隙電壓，就可以得到軸頸 在軸承中的偏心位置（軸心位置）。在穩態工作、低速轉動、甚至在停機的情況 下，機器內部的各力或機器條件的改變，都會

42、導致車壹心位置的變化。它也足判 斷軸承有無過大的預負荷或過分磨損的一種依據。2.2.7相關趨勢圖相關趨勢圖顯示某段時間里各種信號（振動峰峰值、倍頻幅值、探頭間隙，轉 速）之間的相互關系，其橫坐標、縱坐標為子參數。塑蘭查蘭堡主蘭堡壘奎一 第三章故障診斷的相關方法3.1引言由于設備故障的復雜性和設備與征兆之間關系的復雜性，形成了設備故障診斷是 一種探索性的過程這一特點。機械設備的故障診斷重點不只在于研究故障本身， 而更在于研究故障診斷的方法。設備的振動診斷大體上可分為以下三個步驟： 問診I 一列出可能的振動原因 機械結構和動態特性（齒輪、軸承規格fU特征頻率） 機械運行條件（溫度、壓力、轉速等）

43、機械運行維修技術檔案（故障、維修、潤滑、改造） 相關機件連接隋況（動力源、管理、基礎） 振動異常的形態和特征I監測卜一一狀態分類和確定振動程度II卜一一設計測點位置和測試工況 1卜一一確定監測參數（位移、速度、加速度）1卜一一振動的方向（V、 H、A方向）.上一一1卜一一L_一確定振動異常程度（絕對和相對值的相互比較）， 趨勢分析配合五感檢查（眼看、手摸、耳聽 ）1診斷1 一確定振動的原因和部位Jf卜一一振動波形識別I卜一一相關 時差定位I卜一一f卜一頻譜與倒譜分析1卜一包絡分析 頻響特性與相干分析 瞬時頻率變化與相位分析!圈卜模糊、灰色、神經網絡方法診斷L 一診斷的專家系統對研究對象或機械故

44、障建立有關的數學模型，然后根據數學模型進行故障診斷， 對于旋轉機械而言，根據故障機理的研究成果，人們建立了旋轉機械可能發生的 故障的數學模型，如質量不乎衡、不對中、碰摩、軸裂紋、泊膜振蕩、 浙江大學碩士學垃論文 等。隨著電力z,Jk的發展，大容量汽輪發電機組在電廠中的比例越來越大。 為了適應機組運行的要求，建立以計算機為基礎的自動化監測、診斷、控制系 統，在傳統的診斷方法的基礎上，將人工智能的理論和方法用于故障診斷發展 智能化的診斷方法，是故障診斷的一條全新的途徑，成為旋轉機械故障診斷的主 要發展方向。如：模糊診斷、診斷專家系統、人工神經網絡、綜合智能診斷方 法。3.2蠛糊診斷由于振動因果關系

45、的復雜性，建立起來的數學漠型不可能是振動原因與振動加了 影響，則表現出來的第J種振動特隆的強弱用數值bj表示：b，=刀口。o （J2，2，tm），=1這實際上是由m個方程組成的方程組，即：%o口 I + Ala + 01 口3+ + o 1 口。= 6，FI2 口 1+屹！ 口：中 i3 二口 jr ?卞：口，=b:。口 1 + r2。口： + 血口 3+ -+ ： 口。：屯 表示成矩陣形式為11 廠 AI 口 lbl:r22 ，j :口、6，_:j 爿a】一 b。a。，。，+。，口。以要想從己知的振動特征推出產生振動的原因，就必須求解上述方程組。 旋轉機械系統如汽輪機組等，其結構和工作原理比

46、較復雜，它們往往由幾.特征之間的一一 一對應關系。由圖42可知，如果所有n種振動原因都對機組施該方程組是一個矛盾方程組，它沒有精確解，但可以用最小二乘法求出該方程 組的一組最優近似解。方程組的系數矩陣【A須根據統計資料或現場試驗求 得。、個甚至十幾個子系統組成。各子系統以本身正常的工作以及相互間正確的 協調運行來實現整個系統的功能，因而與簡單的機械系統相比，它的故障診斷任 務呈現有如下特征：1）故障的征兆參數多；2）故障的原因多種多樣；3）故 障與引起故障的原因之間關系模糊復雜；4）系統的大部分運行參數間無嚴格的 邏輯和定量關系。由于存在以上特征，使得故障和征兆間的關系具有模糊性。因 此，在目

47、前的診斷中較多地采用了以模糊數學為理論基礎的故障模糊診斷方法和 以人T智能問題求解理淪為基礎的故障診斷等家系統。浙江丈學碩士學位論文模糊數學把數學從二值邏輯轉移到J,連續值邏輯，把絕對的是”與非”變為在適當的限閾上去相對劃分 是”和非”，它推廣了經典集合論中的邏輯關系，用隸 屬度/。（ 來描述一對模糊子集A的隸屬程度，比較適合用來描述一些界限不 分明的故障程度。故障模糊識別方法就是運用描述設備狀態的模糊知識和概念， 根據故障征兆空間與故障狀態空間的映射關系，由征兆診斷故障，它的特點足： 1）采用多因素診斷。因為一種故障狀態可以引起多種征兆，一種征兆可以在不 同程度上反映多種狀態，要診斷出設備是

48、否處于某種狀態，必須綜合考慮多種征 兆。2）運用模糊邏輯精確識別。在診斷時首先建立各種狀態的標準樣本，在實 踐和統計分析的基礎上，根據多個狀態與多個征兆間的隸屬度模糊向量建立標準 樣本模式的模糊矩陣，一旦獲得待定狀態征兆集的模糊向量，用距離函數的形式 檢查待定狀態與樣本模式空間的距離，將待定狀態劃歸到與之相距最近的樣本模 式中，由此確定設備的狀態。我fJ用模湖綜合評判方法來判斷機組的某一信號特征屬于某類故障的隸屬 度。沒考忠的故障類別自+ :不、F衡V。不對中V，。油膜振蕩V，等等，這些元素構成了故障論域f7 = /,fi,t,2，這是一個模糊子集，諸故障的嚴重程占=h/%,ill,I7同樣，

49、振動特征構成征兆論域u:如通頻幅值x。，一階振幅X.,二階振幅A=f1.ro,%0血,7我們可以通過一個模糊關系矩陣R,建立從A到E的模翻變換，然后就可j 饑 %orom/xoB = R ? A表示成矩陣為：E=弘r,lo,II% %。肛rl0 l %O 弘 X.這里的關鍵問題是如何確定模糊關系矩陣R,這需要大量的測量、試驗、度iq N其隸屬度，z。表示，它們組成了一個故障模糊列向量B:x:,等等U= Xo,X,X:,其中各個元素的隸屬度組成了個征兆隸屬度模 糊列向量A:以從信號特征得到各類故障的隸屬度：歸納和總結工作。其中征兆 隸屬度向量A,它可以由測量數據通過定的隸屬函數求得，汽輪機組振動

50、診斷 中，對于 振動大”這個命題，常用 升半柯西分和”U（x ）掣的隸屬函數。浙江大學歡上學位論文OOVxVdIu(0)2坐二立：，NI + k(x d) 式中系數a=O,k=l/250 0,從中我們可以看出，當軸承振幅x超過門 限疽5 0,t,m時， 振動大”的隸屬度大于o5,說明振動己超過允許值 了。對振動信號頻譜中各諧波的幅度值，可采用不同的隸屬函數。例如可對一次 諧波取上述的U(x)作為隸屬函數：對(o0 l 049)t:、(O51 o99)f。及其它各整次諧波、高額成份，均取護j(x )作為隸屬函數： 而對油膜不穩半速渦動時出現的O5諧波則可采用U”4(x)作為隸屬函數。每種隸屬函數

51、的選擇都應根據實際惰況而定，U (x),U”(x),U“(x)隸屬函數曲線見圖3 1所示。隸屬函數10OS0 6O4O220406080100120140振動幅值“ um)圖3.1隸屬函數曲線在實際診斷過程中，常把故障信號分成若干組征兆群，列如頻譜分析的信息為一 組征兆群，升速和降速時的信息又組成另一組征兆群等等，在不同的征兆群之間 計算總的故障隸屬度，可采用 牟”邏輯運算，它的定義為：aSb = a + b ab在同一征兆群中，可用普通矩陣運算來求出對應該征兆群的故障隸屬度，即：/ 21: = (fo2:1、/o) + (f1,f.ro)+(W7 (.0,1,2,，打)其中，運算(？ /2o

52、.)可看成對隸屬度，z。，的加捉修正，0可看成加 權系數，因而要求規一化，即令 匚=1(,=o,1,)。而代數和+ ”則表示對1 = 0諸因素的綜合，因為 己規一化，對各因素的綜合，用代數和能最好地反映出備凼 豢的作刪和影響。至于各征兆群之問，采用 ；”算子運算，是因為它在 衙江大學顫上學出淪文 綜合評判中，能考慮次要因素對主要因素的評判起到扶持年一nDD強的作用。3.3診斷專家系統故障診斷專家系統是人們根據長期的時間經驗和大量的故障信息知識，設計的一 種計算機程序系統，以解決復雜的難以用數學模型來描述故障診斷問題。它一般 由知識庫、推理機、解釋程序及知識獲取程序幾部分組成，而最重要的是知識庫 和推理機的設計。診斷推理按推理方法不同，可分為精確推理和不精確推理：按 推理策略來分有正向推理、反向推理、混合推理、元推理及模糊推理等。專家系 統有很大的優越洼，它能夠代替領域專家來進行故障診斷，而且它的解釋機制能 完整的記錄下推理、判斷、結論的過程，提高了診斷的可信度。故障診斷專家系統作為一種智能診斷方法引起了人們的廣泛興趣，取得了一些成 就，但故障診斷專家系統仍面臨誨多問題，包括故障診斷領域本身和專家系統技 術兩方面的問題。大型旋轉機掠故障診斷領域自身的特點，侵診斷專家系統的研 制和開發遇到了很多困難，具體表現為：（1）故障及故障傳播機理不完全明 確，缺乏故障診斷所需的