旋轉機械故障診斷的研究現狀

1、現代信號處理與故障診斷課程論文旋轉機械故障診斷的研究現狀姓名：楊 大 鵬學號：200812020080202023鄭州大學機械工程學院旋轉機械故障診斷的研究現狀摘 要：本文詳細介紹了旋轉機械故障診斷國內外的發(fā)展現狀，對主要采用的研究方法進行了概要的說明，分析了故障診斷現在主要的研究方向，介紹了故障診斷裝置的開發(fā)和研究，簡要說明了故障診斷的發(fā)展趨勢。關鍵字：故障診斷；研究方法；故障診斷裝置1. 引言機器的振動總是伴隨著機器的運轉而產生的。即使機器在最佳的運行狀態(tài)，山于很小的缺陷，也將產生某些振動。例如，飛機在飛行時機翼的振動，火車在鐵軌上行駛時產生的振動和噪聲，機床在切削是刀具產生的振動等。同樣

2、，旋轉機械，包括蒸氣機、燃氣透平機、水力透平機、壓縮機、鼓風機、離心機、發(fā)電機、泵以及各種齒輪減速(增速 器等在運轉時也必然會產生振動和噪聲。由于轉子、軸承、殼體、聯軸節(jié)、密封和基礎等部分的結構以及加工和安裝方面的缺陷，使機器在運行時引起振動，過大的振動往往是機器破壞的主要原因，所以對旋轉機械的振動測量、監(jiān)視和分析是非常重要的。又由于振動比其它狀態(tài)參數，例如潤滑油或內部流體的溫度、壓力、流量或電機的電流等更能直接、快速準確地反映機組的運行狀態(tài)，即，正常狀態(tài)和異常狀態(tài)，所以一般把振動信號作為對旋轉機械進行狀態(tài)監(jiān)測和診斷的主要依據。 機械設備故障常以振動形式表現出來，振動危及設備的正常運行，嚴重時

3、甚至可能導致機毀人亡事故，如1972年日本關西電力公司南海電廠600MW 汽輪發(fā)電機組、1985年大同電廠和1988年秦嶺電廠的ZOOMW 汽輪發(fā)電機組的斷軸毀機事故。進行振動監(jiān)測與故障診斷的目的在于預防及減少設備故障的發(fā)生，以最小的維修費用，確保機組安全運行并獲得最大的機組可用率及經濟效益。旋轉機械是生產實踐中的關鍵設備，開展旋轉機械的監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng)具有重要的現實意義。2. 旋轉機械故障診斷的目的旋轉機械故障診斷的目的主要有三個:(1能及時、正確地對旋轉機械各種異常狀態(tài)或故障狀態(tài)做出診斷，預防或消除故障，對設備的運行進行必要的指導，提高設備運行的可靠性、安全性和有效性，以把故障損失降低到

4、最低水平。(2保證旋轉機械設備發(fā)揮最大的設計能力，制定合理的檢測維修制度，以便在允許的條件下充分挖掘設備潛力，延長使用壽命，降低設備安全壽命周期費用。(3通過監(jiān)測、故障分析、性能評估為設備結構修改、優(yōu)化設計等提供數據和信息。 總之，旋轉機械設備故障診斷既要保證設備的安全可靠運行，又要獲得最大的經濟效益和社會效益。3. 轉機械故障診斷研究現狀近幾十年來各國都在大力開展有關設備故障診斷技術的研究，并已取得了顯著的成效，獲得了巨大的經濟效益。設備故障診斷技術的發(fā)展，大致可以分為五個階段：第一個階段是19世紀，由于機器設備本身的技術水平和復雜程度都很低，因此多采用事后維修的方式。第二個階段是進入20世

5、紀后，隨著大生產的發(fā)展，機器設備本身的技術復雜程度也有了提高，設備故障或事故對生產的影響顯著增加，在這種情況下，出現了定期預防維修方式。第三階段是從60年代開始，特別是70年代以來，設備診斷技術隨著現代計算機、數據處理等技術的發(fā)展，出現了更科學的按設備狀態(tài)來進行維修的方式。第四階段是進入80年代以后，人工智能技術開始發(fā)展，并有實際應用，使設備維修技術達到了智能化高度。第五階段是90年代以來，模擬人腦物理結構和直覺聯想的人工神經網絡智能診斷系統(tǒng)和專家系統(tǒng)開始迅速發(fā)展，已成為國際上該領域的最新熱點。旋轉機械故障診斷技術可大致劃分為三類:傳統(tǒng)的診斷方法、數學診斷方法和智能診斷方法。其中，傳統(tǒng)的診斷方

6、法包括:振動監(jiān)測技術、噪聲監(jiān)測技術、油液分析技術、紅外測溫技術、聲發(fā)射技術等; 數學診斷方法包括:基于貝葉斯決策判據以及基于線性和非線性判別函數的模式識別方法、基于距離判據的故障診斷方法、基于概率統(tǒng)計的時序模型診斷方法、模糊診斷原理、灰色系統(tǒng)診斷方法、故障樹分析法、小波分析法以及混沌分析法與分形幾何法等; 智能診斷方法包括:模糊邏輯、神經網絡、專家系統(tǒng)和進化計算方法等。3.1國外旋轉機械故障診斷發(fā)展現狀日本的設備診斷技術在某些民用工業(yè)，如鋼鐵、化工、鐵路等部門發(fā)展的很快，占有優(yōu)勢。日本機械維修一協會，計測自動控制學會、電氣學會、機械學會也相繼設立了自己的專研究機構。國立研究機構中，機械技術研究

7、所和船舶技術研究所重點研究機械基礎件的診斷技術，東京大學、東京工業(yè)大學、京都大學、早稻田大學等高等學校著重基礎性理論研究。其他民辦企業(yè)，如三菱重工、川崎重工、日立制作所、東京芝浦電氣等企業(yè)內部工作為中心開展應用水平較高的實用項目，三菱重工的白木萬博在旋轉機械故障診斷方面開展了系統(tǒng)的工作，他所研制的“機械保健系統(tǒng)”在汽輪發(fā)電機組故障監(jiān)測和診斷方面起到了有效的作用。美國軍方大約在60年代，意識到定期維修的一系列弊病，開始變定期維修為預知維修，即在設備正常運行過程中就開始進行監(jiān)護，以發(fā)現潛在的故障因素，及早采取措施，防止突發(fā)性故障的產生。恩泰克一愛迪國際公司 (EntekIRD hitemation

8、alNevada在設備狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷與預知維修技術研究和軟硬件產品開發(fā)方面做了大量的工作，在世范圍內安裝近15000套系統(tǒng)。奔特力公司 (BentleyNevada開發(fā)的DM2000網絡系統(tǒng)，能對多臺設備進行在線監(jiān)測和智能診斷，能與企業(yè)的管理和控制系統(tǒng)聯網通訊，使企業(yè)不同部門都能同時獲取設備運行狀態(tài)信息，也能對不同地區(qū)不同企業(yè)的設備進行監(jiān)測和診斷等。由此可見設備診斷與預維修技術已成為企業(yè)現代化管理的基本內容。美國機械工程師學會(ASME領導下的鍋爐壓力容器監(jiān)測中心，在應用聲發(fā)射診斷技術(AE對靜設備故障診斷方面取得了較大的進展。美國在航空方面，在可靠性維修管理的基礎上，大規(guī)模地對飛機進行狀

9、態(tài)監(jiān)測，采用了飛行器計算機數據綜合系統(tǒng)(AIDS，分析處理大量飛行中的信息來確定飛機各部位的故障原因并發(fā)出消除故障的命令，這一技術己用于B747和DCg 等巨型客機中，大大提高了飛行安全性。據統(tǒng)計，世界班機每億旅客公里的死亡率從20世紀60年代的0.6左右下降到70年代的0.2左右。歐洲其他一些國家也在診斷技術的某些方面具有特色或占有領先地位，如英國曼徹斯特大學成立了沃福森工業(yè)維修公司(Wn討U ，瑞典的SPM 軸承監(jiān)測技術，挪威的船舶診斷技術，丹麥B&K的振動和聲發(fā)射技術。3.2國內旋轉機械故障診斷發(fā)展現狀在我國，設備故障診斷與預維修技術研究工作起步較晚。國內的一些民用工業(yè)，尤其是冶

10、金、石化和電力等流程工業(yè)，在開發(fā)和應用設備診斷技術方面走在了前面，因為這些工業(yè)的關鍵設備一旦發(fā)生事故就會造成很大的損失。八十年代國內一些高校和科研單位開始進行機械設備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術的理論研究和小范圍工程實際應用研究。并且在冶金、化工、機械、交通、電力及核工業(yè)等部門取得了一批卓有成效的成果，如哈爾濱工業(yè)大學研制的微計算機化旋轉機械狀態(tài)監(jiān)測故障診斷裝置“MMMD 一m ”、哈爾濱電工儀表所等單位聯合研制的“ZooMW 汽輪發(fā)電機組狀態(tài)監(jiān)測/分析及故障診斷系統(tǒng)ZHX 一10”等，目前全國已有數十個單位開展設備故障診斷技術的研究工作，各行業(yè)都很重視在關鍵設備上裝備故障診斷系統(tǒng)，特別是具有智能化

11、功能的故障診斷專家系統(tǒng)，并已經成功開發(fā)了20種以上的機組故障診斷系統(tǒng)。石化總公司從20世紀70年代組織無損檢測到80年代開展設備狀態(tài)監(jiān)測，已投資600多萬元為其所屬企業(yè)裝備了各類監(jiān)測儀表1400多臺，加強了對旋轉機械的振動監(jiān)測及故障原因分析。鄭州大學以全矢譜分析技術為核心，開發(fā)了eM3000設備遠程監(jiān)控與運行管理系統(tǒng)和PDES 設備狀態(tài)檢測與安全評價系統(tǒng)。前者主要應用在連續(xù)性作業(yè)的石油、化工、冶金、電力等行業(yè)的關鍵機組，后者則主要應用在大、中型分布式機組。此外，機械行業(yè)在現場簡易診斷和精密診斷方面，航空工業(yè)在研制診斷儀器方面，核工業(yè)在進行反應堆故障診斷和壽命預測方面，鐵道部門在進行內燃機車油液

12、的光譜、鐵譜分析和電力機車診斷方面，以及交通部門在實施汽車不解體檢4. 轉機械故障診斷的研究方向目前對旋轉機械故障診斷的研究主要在三個方面，故障機理的研究、機械系統(tǒng)信號信息的研究和故障診斷系統(tǒng)的研究。故障機理的研究是狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷的客觀依據。轉子的異?；蚬收鲜窃跈C械運行中通過其狀態(tài)信號變化反映出來的。轉子故障機理的研究主要是從運動學和動力學的角度，建立合理的物理或數學模型，研究轉子系統(tǒng)的故障原因和狀態(tài)效應。它的目的是掌握轉子的故障形成和發(fā)展過程，了解其內在的本質及其特征，為故障診斷和狀態(tài)監(jiān)測提供敏感參數及相關特征。機械系統(tǒng)信號信息的研究包括故障信號的檢測和分析處理兩部分，即利用先進的信號采

13、集和處理技術提取故障特征。信號的檢測主要是測取系統(tǒng)的振動、噪音、溫度和壓力等，為信號分析處理提供數據。信號的分析處理是對這些信號進行加工、變化、提取出反映設備狀態(tài)的特征指標。5. 故障診斷裝置的開發(fā)和研究設備故障診斷離不開實際的手段。目前在這方面的發(fā)展主要在以下兩個方向進行，即便攜式的振動監(jiān)測、診斷儀(包括數據采集器 及在線監(jiān)測與診斷裝置。(l便攜式的監(jiān)測診斷儀器該儀器主要采用單片機，其功能主要是對機組振動情號進行測試并對所測信號進行簡易分析與診斷。一般這類儀器還配有現場動平衡的功能。(2在線監(jiān)測與診斷裝置這類裝置配有傳感器系統(tǒng)、數據預處理系統(tǒng)、采樣控制系統(tǒng)、計算機系統(tǒng)及打印輸出系統(tǒng)，并配有豐

14、富的監(jiān)測與論斷軟件，它可存儲大量運行數據，以備分析診斷使用。這類裝置一般采用上下位機工作方式，下位機進行數據的采集與監(jiān)測，上位機對采集的數據進行分析、診斷。最近幾年國內各高校、研究所相繼開發(fā)了各種類型的在線診斷裝置用于電廠大型發(fā)電機組及石化系統(tǒng)的壓縮機組，與國外產品相比，可以說軟件功能相當，但裝置可靠性方面應進一步提高。國內開發(fā)的最大優(yōu)點是，軟件功能可進一步完善，采用漢字顯示便于現場應用，價格較國外產品大為下降。6. 設備故障診斷技術發(fā)展趨勢設備故障診斷技術發(fā)展到今天，己成為一門獨立的跨學科的綜合信息處理技術，它以可靠性理論、信息論、控制論和系統(tǒng)論為理論基礎，以現代測試儀器和計算機為技術手段，

15、結合各種診斷對象(系統(tǒng)、設備、機器、裝置、工程結構、工藝過程等 的特殊規(guī)律逐步形成的一門新興學科。隨著科學技術的發(fā)展，單一參數閉值比較的機器監(jiān)測方法正開始向全息化、智能化監(jiān)測方法過渡，監(jiān)測手段也從依靠人的感官和簡單儀器向精密電子儀器以及以計算機為核心的監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)展。當前，機械設備的監(jiān)測診斷呈現出如下一些特點。在監(jiān)測系統(tǒng)結構上，以分布監(jiān)測代替集中監(jiān)測、以網絡化監(jiān)測系統(tǒng)替代微機集中監(jiān)測系統(tǒng)。監(jiān)測系統(tǒng)網絡化是計算機網絡技術在機械監(jiān)測中的具體應用，也是當代設備監(jiān)測技術發(fā)展的必趨勢。在監(jiān)測方式上，以實時的在線監(jiān)測替代定期監(jiān)測和巡回監(jiān)測。在監(jiān)測參數上，以多參數、大容量監(jiān)測替代單參數監(jiān)測。在軟件設計上，以多

16、任務系統(tǒng)替代單任務系統(tǒng)。在監(jiān)測的內容上，從平穩(wěn)運行監(jiān)測到非平穩(wěn)的狀態(tài)監(jiān)測發(fā)展。在系統(tǒng)功能上，由監(jiān)測、診斷逐步向監(jiān)測一診斷一預報治理和管理一體化的方向發(fā)展，診斷方法向智能化、快捷化、靈敏化方向發(fā)展，診斷方式向現場診斷和遠程診斷相結合的方向發(fā)展。在監(jiān)測方法上，不再是單參數的閉值比較，取而代之的是基于信息集成、融合、信息分解、提純等技術的監(jiān)測方法。與當代前沿科學的融合是設備故障診斷技術的發(fā)展方向。當今故障診斷技術的發(fā)展趨勢是傳感器的精密化、多維化; 診斷理論、診斷模型的多元化，診斷技術的智能化，具體來說表現在如下方面:與當代最新傳感器技術尤其是激光測試技術的融合。近年來，激光技術已從軍事、醫(yī)療、機械

17、加工等領域深入發(fā)展到振動測量和設備故障診斷中，并且己經成功應用于測振和旋轉機械對中等方面。與最新信號處理方法相融合。隨著新的信號處理方法在設備故障診斷領域中的應用，傳統(tǒng)的基于快速傅里葉變換的機械設備信號分析技術有了新的突破性進展。與非線性原理和方法的融合。機械設備在發(fā)生故障時，其行為往往表現為非線性。如旋轉機械的轉子在不平衡外力的作用下表現出的非線性特征。隨著混沌與分形幾何方法的日趨完善，這一類診斷問題必將得到進一步解決。與多元傳感器信息的融合。現代化的大生產要求對設備進行全方位、多角度的監(jiān)測與維護，以便對設備的運行狀態(tài)有整體、全面的了解。因此，在進行故障診斷時，可用多個傳感器同時對設備的各位

18、置進行監(jiān)測，然后按照一定方法對這些信息進行處理。與現代智能方法的融合。現代智能方法包括專家系統(tǒng)、模糊邏輯、神經網絡、進化計算等?，F代智能方法在設備故障診斷技術中已得到廣泛的應用。隨著智能技術的不斷發(fā)展，設備狀態(tài)的智能監(jiān)測和設備故障的智能診斷，將是故障診斷技術的最終目標。 與計算機網絡技術相結合基于智能控制的回轉壓縮機械故障診斷與研究計算機網絡的普及和建設，為設備故障診斷技術的發(fā)展帶來了新的思路與前景。將網絡技術與故障診斷技術相結合，可以構造基于計算機網絡的遠程故障診斷系統(tǒng)。遠程故障診斷以互聯網為橋梁，跨越企業(yè)和研究機構在空間上的距離，實現知識、理論和技術的共享。遠程診斷系統(tǒng)將具有更強的診斷能力

19、，更高的總體可靠性和先進性，良好的可擴展性和相對低廉的建設維護成本?？v覽國內外在故障診斷技術方面的研究現狀和發(fā)展趨勢， 對故障診斷體系的研究和開發(fā) 應該分兩步走:一方面，針對大型機組、關鍵設備的預報警系統(tǒng)，在全國乃至全球范圍內建 立專業(yè)的故障診斷數據庫;另一方面，建立故障診斷的局域網，應用狀態(tài)監(jiān)測軟件進行有針 對性的故障診斷，進一步，利用互聯網實現遠程故障診斷。可見，未來的故障診斷系統(tǒng)將會 是專家型與智能型故障診斷系統(tǒng)的融合。 參考文獻 1徐敏,黃昭毅,等.設備故障診斷手冊.西安:西安交通大學出版社,1998:1-1078 2虞和濟,韓慶大,李沈.設備故障診斷工程.北京:冶金工業(yè)出版社,200

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