故障診斷發(fā)展(共13頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上隨著現(xiàn)代工業(yè)和科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，現(xiàn)代機(jī)械設(shè)備的功能越來越多，性能指標(biāo)越來越高，組成和結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，自動化程度也越來越高，在現(xiàn)代工業(yè)化生產(chǎn)中的作用和影響顯得越來越大。這些發(fā)展降低了生產(chǎn)成本，提高了勞動生產(chǎn)率，改善了產(chǎn)品質(zhì)量，節(jié)約了能源，滿足了工業(yè)生產(chǎn)的客觀要求；但是，從機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)的觀點(diǎn)來看，其設(shè)計(jì)、制造、安裝、運(yùn)行、維護(hù)等都相應(yīng)地提出了更高的要求，這些設(shè)備一般都是機(jī)械、能源、石化、冶金、運(yùn)輸、航空航天等其他國民經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)中的關(guān)鍵重要設(shè)備，在運(yùn)行過程中內(nèi)部的受力、熱應(yīng)變、摩擦、磨損、安裝不良、維護(hù)不當(dāng)?shù)戎骺陀^因素作用，一旦發(fā)生故障，輕則造成停機(jī)、停產(chǎn)，影響正常生產(chǎn)

2、和產(chǎn)品質(zhì)量，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，重則造成機(jī)毀人亡的重大災(zāi)難性事故，帶來不良的社會影響1,2。近年來，國內(nèi)外由于機(jī)械設(shè)備故障引起的災(zāi)難性事故很多，2000年9月，三峽大壩工地發(fā)生了一起由于吊耳根部裂縫引起的截帶機(jī)斷裂嚴(yán)重事故，造成3人死亡，30多人受傷，產(chǎn)生了極壞的社會影響3；2003年2月1日，美國“哥倫比亞”號航天飛機(jī)由于泡沫隔絕工藝上存在缺陷，致使泡沫從航天飛機(jī)的外部油箱上脫落下來，造成返航著陸前爆炸解體，7名宇航員身亡的人類航天史上的重大災(zāi)難4。2003年4月我海軍一艘361號常規(guī)動力潛艇在內(nèi)長山以東我領(lǐng)海進(jìn)行訓(xùn)練時(shí)，因機(jī)械故障失事，艇上70名官兵不幸全部遇難5。2003年9月至2004

3、年2月，在浙贛線、古太線、京滬線等處，發(fā)生4次因機(jī)車車軸疲勞斷裂和1次因車輪疲勞斷裂造成的貨物列車脫軌重大事故，直接與間接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)20億元人民幣6。2004年2月18日上午，伊朗東北部呼羅珊省一列裝有燃料和化學(xué)物品的列車發(fā)生強(qiáng)烈爆炸，造成近320多人死亡，450多人受傷，5個(gè)村莊遭到嚴(yán)重?fù)p毀，造成至少2750萬美元的經(jīng)濟(jì)損失7。2005年2月14日15時(shí)，遼寧省阜新礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司孫家灣煤礦海州立井發(fā)生一起特別重大瓦斯爆炸事故，共造成214人死亡，30人受傷，直接經(jīng)濟(jì)損失4968.9萬元8。2005年8月6日，哥倫比亞西加勒比航空公司的一架麥道82客機(jī)16日從巴拿馬飛往法屬馬提尼克島

4、的途中，在委內(nèi)瑞拉西部山區(qū)由于發(fā)動機(jī)故障而墜毀，機(jī)上152名法國乘客和8名機(jī)組人員全部遇難9。2006年1月20日19時(shí)許，青藏鐵路兩列工程車由于機(jī)械故障造成火車追尾，致使1死8傷的嚴(yán)重事故10。北京時(shí)間2006年7月9日6時(shí)50分，俄羅斯一架從莫斯科出發(fā)飛往伊爾庫茨克的客機(jī)A310在降落時(shí)由于制動系統(tǒng)液壓剎車裝置失靈而沖出跑道，造成火災(zāi)，致約150人死亡，多人受傷。且繼9日發(fā)生重大空難后，10日又有3架飛機(jī)因引擎故障緊急著陸11。2007年4月18日7時(shí)45分左右，遼寧省鐵嶺市清河特殊鋼有限公司發(fā)生鋼水包滑落事故，裝有30噸鋼水的鋼包在吊運(yùn)下落至就位處2-3米時(shí)，由于單位管理不善、起重設(shè)備動

5、力系統(tǒng)故障而突然滑落，鋼水撒出，沖進(jìn)車間內(nèi)5米遠(yuǎn)的一間房屋，造成在屋內(nèi)正在交接班的32人全部死亡，2名操作工輕傷，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)866.2萬元的嚴(yán)重事故，這是多年來冶金行業(yè)最慘痛的事故12。2008年3月2日4時(shí)左右，山西省朔州市平魯區(qū)馮家?guī)X煤礦由主斜井提升機(jī)皮帶起火發(fā)生火災(zāi)事故，造成9人死亡、6人受傷13。2008年6月20日，寧夏吉元冶金有限公司2號爐，熔融的硅鐵出爐時(shí)，鋼包脫落，鐵水遇水引發(fā)爆炸，共造成2人死亡、3人重傷、11人輕傷14。2008年8月20日14時(shí)45分西班牙航空公司EC-HFP號麥道82型客機(jī)在西班牙馬德里巴拉哈斯國際機(jī)場起飛時(shí)沖出跑道，機(jī)身斷裂成兩半并燃起大火，造成1

6、53人死亡，19人受傷的重大空難15。因此，對設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷，消除故障隱患，防止重大事故發(fā)生，已成為當(dāng)前工業(yè)領(lǐng)域的重要研究課題之一。從20世紀(jì)60年代末期開始，國內(nèi)外許多學(xué)者和工程技術(shù)人員對設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)的理論、技術(shù)、方法及其工程應(yīng)用等方面進(jìn)行了大量深入的研究。特別是近20年來，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展和普及，已成為一門以設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)為依據(jù)，以預(yù)報(bào)和診斷設(shè)備故障為目的較為完整的新興邊緣綜合性工程學(xué)科。應(yīng)用先進(jìn)的故障診斷技術(shù)，不僅可以發(fā)現(xiàn)早期故障，避免惡性事故的發(fā)生，還可以從根本上解決設(shè)備定期維修中的維修不足和過剩維修的問題。譬如，日本采用故障診斷技術(shù)

7、后，事故發(fā)生率減少了75%，維修費(fèi)降低了2550%；美國Pekrul發(fā)電廠實(shí)施故障診斷技術(shù)的生產(chǎn)與投入比高達(dá)36：1；我國冶金行業(yè)每年用于設(shè)備維修的費(fèi)用高達(dá)250億元，若推廣故障診斷技術(shù)，則每年可以減少事故5070%，節(jié)約維修費(fèi)用1030%16。由此可見，設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷不僅可以保證設(shè)備的安全可靠運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)設(shè)備維修制度由“事后維修”到“預(yù)知維修”的科學(xué)轉(zhuǎn)變，提高企業(yè)和設(shè)備的管理水平，而且還可以避免重大事故的發(fā)生，降低事故的危害性，具有重大的經(jīng)濟(jì)效益和積極的社會效應(yīng)。齒輪傳動由于其承載能力大、傳動比固定、精度高、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，是改變轉(zhuǎn)速和傳遞動力最常用的傳動部件，因此齒輪箱成為機(jī)械設(shè)備

8、一個(gè)重要的子系統(tǒng)。近年來，隨著機(jī)械設(shè)備特別礦山冶金機(jī)械向重載、高效方面的發(fā)展，對齒輪傳動的承載能力、傳動精度、無故障工作時(shí)間、振動和噪聲等方面的要求越來越高。由于齒輪箱結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在運(yùn)行過程中會受到力、熱及摩擦、磨損等作用，其運(yùn)行狀態(tài)不斷發(fā)生變化，由此而引發(fā)的齒輪故障時(shí)有發(fā)生，導(dǎo)致機(jī)械設(shè)備的整體性能下降，乃至造成嚴(yán)重設(shè)備事故和重大經(jīng)濟(jì)損失。譬如，行駛中機(jī)車的齒輪箱故障將直接造成嚴(yán)重事故；礦山機(jī)械的提升機(jī)齒輪箱故障造成的停機(jī)損失難以估計(jì)；水泥行業(yè)，水泥磨齒輪箱故障使水泥產(chǎn)量每年減少200萬噸以上；1992年太原鋼鐵公司制氧車間內(nèi)制氧設(shè)備上的一對高速齒輪突然發(fā)生故障，造成該公司的所有煉鋼、軋鋼分廠運(yùn)

9、行癱瘓，導(dǎo)致整個(gè)公司停產(chǎn)檢修三天，同時(shí)緊急從德國空運(yùn)設(shè)備所需的高速齒輪對，使公司蒙受了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。由此可見，齒輪箱一旦發(fā)生故障，往往會導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。因此，必須在事故發(fā)生前診斷出故障并加以消除，亦即在齒輪運(yùn)行過程中對其運(yùn)行狀況及時(shí)作出準(zhǔn)確判斷，采取相應(yīng)的對策消除事故隱患，杜絕事故的發(fā)生。這樣就可以大大提高機(jī)器運(yùn)行的可靠性和有效工作時(shí)間，為機(jī)器設(shè)備的正常維護(hù)和檢修合理地安排時(shí)間、進(jìn)一步提高機(jī)器的使用率，從而為企業(yè)節(jié)省大量的資金。因此，對齒輪箱運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測和故障診斷具有重大的現(xiàn)實(shí)意義，齒輪箱故障診斷技術(shù)的研究和應(yīng)用也是非常重要的課題。1.2 故障診斷技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診

10、斷技術(shù)是一個(gè)多學(xué)科交叉的綜合性技術(shù)，涉及振動理論、信號處理、計(jì)算機(jī)、電子、聲學(xué)、光學(xué)、人工智能、模糊數(shù)學(xué)等眾多知識領(lǐng)域，最早起源于美國，1967年在美國國家宇航局（NASA）的創(chuàng)導(dǎo)下，由美國海軍研究室（ONR）主持成立了美國“機(jī)械故障預(yù)防小組（MFPG）”；在英國，60年代末70年代初期，以科拉科特為首的“英國機(jī)器保健中心（U.K. Mechanical Health Monitorin Center）”率先開展研究工作，并取得了很好效果；歐洲其他國家在某些方面的故障診斷技術(shù)研究占據(jù)領(lǐng)先地位，如瑞典的SPM軸承監(jiān)測技術(shù)，挪威的船舶診斷技術(shù)，丹麥的振動、噪聲分析儀器及聲發(fā)射技術(shù)等；在日本，設(shè)備診

11、斷技術(shù)在民用工業(yè)（如鋼鐵、化工、鐵路等）部門發(fā)展迅速，其診斷儀器如小野VM系列振動簡易測試儀器，也占有一定優(yōu)勢。我國故障診斷技術(shù)起步較晚，1983年南京首屆設(shè)備診斷技術(shù)專題座談會開始，隨著信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)、人工智能、微電子技術(shù)等的發(fā)展，各高校，如清華大學(xué)、東南大學(xué)、西安交通大學(xué)、上海交通大學(xué)、鄭州大學(xué)；各研究單位，如北京東方振動與研究所，在設(shè)備故障診斷的理論、技術(shù)方法、診斷儀器等方面都進(jìn)行了深入的研究和工程應(yīng)用，取得了可喜的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。目前，國內(nèi)外故障診斷技術(shù)的研究主要集中在以下幾個(gè)方面：（1）故障信息的獲取設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷首先要獲取可靠的能準(zhǔn)確反映設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的相關(guān)信息，如振動

12、和噪聲、溫度等，這些信息的可靠性和完備性是故障診斷結(jié)果正確與否的前提和關(guān)鍵。根據(jù)獲取方式和手段的不同，故障診斷技術(shù)可分為：振動故障診斷技術(shù)、油液分析法、超聲和聲發(fā)射技術(shù)和紅外監(jiān)測診斷技術(shù)等。對設(shè)備實(shí)施準(zhǔn)確故障診斷傳感器最為關(guān)鍵，一般將傳感器布置在設(shè)備診斷核心部件的關(guān)鍵點(diǎn)和容易發(fā)生劣化的易損點(diǎn)，以保證振動信號測量的有效性，而且監(jiān)測系統(tǒng)采用多傳感器組合方式來拾取設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)信息，多種傳感器的合理選擇和優(yōu)化配置是獲取所需信息完備性和正確性的基本條件。優(yōu)化配置準(zhǔn)則有識別誤差最小準(zhǔn)則、插值擬合準(zhǔn)則等，優(yōu)化方法有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、遺傳算法等，為了從多測點(diǎn)、多傳感器采集的信號樣本中提取有用信息，數(shù)據(jù)融合技術(shù)、

13、數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)被廣泛應(yīng)用。（2）故障機(jī)理的研究故障機(jī)理研究是故障診斷的理論基礎(chǔ)，是獲得準(zhǔn)確可靠診斷結(jié)論的重要保證。它以高等代數(shù)、線性和非線性動力學(xué)理論、高等動力學(xué)、材料力學(xué)、摩擦學(xué)、振動與噪聲、計(jì)算機(jī)、電子學(xué)等為基礎(chǔ)，根據(jù)所研究對象的特點(diǎn)和規(guī)律，結(jié)合計(jì)算仿真和實(shí)驗(yàn)研究，建立故障對應(yīng)的數(shù)學(xué)力學(xué)模型，明確故障的動力學(xué)特性，了解故障的形成與發(fā)展過程，從而掌握故障的產(chǎn)生原因過程及故障與特征之間的復(fù)雜關(guān)系。國內(nèi)外許多專家和學(xué)者，如美國學(xué)者Sohve、Bently、Muszynska、日本安田千秋，國內(nèi)的高金吉院士、徐敏教授、陳雪峰博士、韓捷教授、聞邦椿院士、鐘掘院士、褚福磊教授、孟光教授、陳予恕院士等對機(jī)

14、械設(shè)備的典型故障機(jī)理進(jìn)行了大量的理論分析和實(shí)驗(yàn)研究工作，取得許多重要的結(jié)論1727。當(dāng)前，非線性機(jī)械系統(tǒng)的故障機(jī)理及其診斷技術(shù)的理論、實(shí)驗(yàn)研究、工程化應(yīng)用研究仍然是當(dāng)前具有挑戰(zhàn)性的熱門研究內(nèi)容。（3）信號處理及故障特征提取技術(shù)信號處理與故障特征提取技術(shù)通過對傳感器采集的信息進(jìn)行有效的分析與處理，提取出能敏感反映設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的故障特征信息，是設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)準(zhǔn)確判斷和故障診斷的前提和重要環(huán)節(jié)，已成為設(shè)備故障診斷領(lǐng)域中一個(gè)重要的研究方向。近幾十年來，信號處理和特征提取技術(shù)經(jīng)歷了由時(shí)域頻域時(shí)頻域的復(fù)雜發(fā)展過程。傳統(tǒng)的基于傅里葉變換的經(jīng)典信號分析方法，如頻譜分析、倒頻譜分析、細(xì)化分析、時(shí)間序列分析、全息譜

15、分析28、Hilbert包絡(luò)解調(diào)分析29、同態(tài)濾波解調(diào)技術(shù)30等在故障診斷工程應(yīng)用中取得了巨大的成果。但是傅里葉變換是建立在信號平穩(wěn)性假設(shè)條件下的一種時(shí)域和頻域的全局性變換，對分析平穩(wěn)（或準(zhǔn)平穩(wěn)）過程的振動信號是十分有效，但對非平穩(wěn)性信號則能力有限，不能很好地提取非平穩(wěn)性信號的特征。由于機(jī)械設(shè)備在運(yùn)行過程中由于阻尼、剛度、彈性力等非線性及動態(tài)響應(yīng)的非線性，反映在其振動信號上也具有非平穩(wěn)性。當(dāng)設(shè)備發(fā)生沖擊、碰摩、裂紋點(diǎn)故障時(shí)，其振動信號往往表現(xiàn)非平穩(wěn)性，因此非平穩(wěn)性是設(shè)備存在故障的表征。對于這些非平穩(wěn)性振動信號必須用非平穩(wěn)信號處理方法，如短時(shí)傅里葉變換（Short Time Fourier Tr

16、ansform，STFT）、Wigner-Ville分布、小波變換3133（Wavelet Transform，WT）、Hilbert-Huang變換34,35、高階統(tǒng)計(jì)量分析（HOS）36等時(shí)頻分析方法。國內(nèi)外許多高校、研究單位的專家學(xué)者對這些非平穩(wěn)信號處理方法作了深入廣泛的研究，并取得了很多成果。對于小波分析的研究現(xiàn)狀這里不再介紹，下面1.3節(jié)中還會著重介紹一下高階統(tǒng)計(jì)量分析（HOS）的研究現(xiàn)狀。（4）監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)的研究監(jiān)測與診斷系統(tǒng)包括軟件的研究，是利用現(xiàn)有的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)技術(shù)開發(fā)和研制而成的，是故障診斷的各種理論和方法的集中體現(xiàn)，只有監(jiān)測與診斷系統(tǒng)的成功研究才能帶來好的經(jīng)

17、濟(jì)效益。國內(nèi)外已經(jīng)開發(fā)了許多監(jiān)測與診斷系統(tǒng)16，典型的產(chǎn)品有：美國Bently公司的3300、3350和EA3.0故障診斷系統(tǒng)，Scientific Atlanta公司的M600系統(tǒng)，丹麥BK公司的BK3450型系統(tǒng)，荷蘭ABB公司的MMC系統(tǒng)和VIBROMETER公司的MMS系統(tǒng)，法國的PSAD系統(tǒng)以及德國SCHENCK公司的VIBROCONTROL2000和VIBROCAM5000系統(tǒng)，日本三菱重工研制的MHMS系統(tǒng)。這些系統(tǒng)都企業(yè)帶來了良好的經(jīng)濟(jì)效益。國內(nèi)具有代表性的產(chǎn)品有北京東方振動與噪聲研究所的INV303/306系統(tǒng)，中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究所的HG6802電機(jī)故障診斷系統(tǒng)，南京汽輪機(jī)

18、研究所的電站汽輪發(fā)電機(jī)組振動在線監(jiān)測系統(tǒng)（QLFDMS系統(tǒng)）和風(fēng)機(jī)及壓縮機(jī)組在線監(jiān)測系統(tǒng)（FJYJMS系統(tǒng)），浙江大學(xué)、清華大學(xué)聯(lián)和哈爾濱聯(lián)合研制的ZHX10型200MW汽輪發(fā)電機(jī)組監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)，清華大學(xué)與北京自動化研究所研制BB1旋轉(zhuǎn)機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷安全保護(hù)系統(tǒng)，華中科技大學(xué)的HZ1型汽輪發(fā)電機(jī)組監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)。舉例仿真：假設(shè)一級傳動齒輪箱的輸入軸轉(zhuǎn)頻fr112.4Hz，主動齒輪齒數(shù)Z123；從動齒輪（設(shè)為故障齒輪）齒數(shù)Z257，計(jì)算得從動齒輪軸轉(zhuǎn)頻fr25.0Hz，嚙合振動頻率為fm285.2Hz，采樣頻率為4000Hz?？紤]嚙合頻率的前3階次時(shí)，當(dāng)振動信號具有調(diào)幅和調(diào)相時(shí)

19、，即假設(shè)為： （4-15）其中：；。Ts=0.2s邊帶不對稱圖4-2為仿真信號x(t)的時(shí)域波形及其幅值譜，由時(shí)域信號可知，具有明顯的調(diào)制現(xiàn)象，且呈周期變化，周期為Ts=0.2s，即故障調(diào)制頻率為fs=5Hz；幅值譜中主要有嚙合頻率fm=285.2Hz及其諧波（以2次諧波2fm為主），同時(shí)在他們周圍存在大量的不對稱的調(diào)制邊帶成分，由于頻率分辨率太低，很難準(zhǔn)確確定其調(diào)制頻率。為此用Hilbert包絡(luò)解調(diào)進(jìn)行分析，結(jié)果如圖4-3所示。圖4-3 仿真信號的包絡(luò)波形及其解調(diào)譜Fig. 4-3 Envelope curve and its spectrum of emulational signal由圖

20、4-3可知，包絡(luò)解調(diào)譜中主要為fr2=5Hz及其諧波分量，即調(diào)制頻率。這與時(shí)域調(diào)制波形是相符的，同時(shí)也驗(yàn)證了題目齒輪Z2=57為故障齒輪的假設(shè)。另外，從圖4-2也可看出，當(dāng)齒輪箱振動信號同時(shí)具有調(diào)幅和調(diào)相時(shí)，在嚙合頻率fz及其諧波周圍的邊帶不對稱，這與理論也相吻合。當(dāng)齒輪箱振動信號中只存在調(diào)幅現(xiàn)象而沒有調(diào)相時(shí)，式（4-15）中的b1(t)b2(t)b3(t)0；則其時(shí)域信號和幅值譜如圖4-4所示。對稱邊帶由圖4-4可知，齒輪箱振動信號中僅有調(diào)幅現(xiàn)象時(shí)，其時(shí)域波沒明顯差別，而其幅值譜中以嚙合頻率及諧波為中心的邊帶是對稱的。另外，其包絡(luò)波形及其解調(diào)譜完全相同。2008年4月份對該齒輪箱為全載時(shí)進(jìn)行了簡易診斷和振動加速度信號拾取，采樣頻率為fs8KHz，儀器主要有BZ-8701A、YD3