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1、第1 章引言第1 章引言1 1 选题依据及研究意义随着科学技术的发展，人们越来越重视设备和工作环境的安全性。机械设备故障诊断技术是人们对设备安全性要求越来越高而逐渐兴起的技术。故障就是指机械设备丧失了原来所规定的性能和状态。通常把运行中的状态异常、缺陷、性能恶化及事故前期的状态统称为故障，有时也把事故直接归为故障。而故障诊断则是利用机械设备在运行中或相对静止条件下的状态信息，通过对所测信号的处理和分析，并结合诊断对象的工作原理、结构特点、运行参数及其历史运行状况，来定量识别机械设备及其零部件的实时技术状态，对设备有可能发生的故障进行分析、预报，对设备已经或正在发生的故障进行分析、判断，以确定故
2、障的性质、类别、程度、部位及趋势，从而确定必要对策的技术。通俗地讲，它是一种给设备“看病”的技术。由线圈绕成的转子控制棒位的驱动机构是大型旋转机械的关键部件，它的正常运行直接关系到大型旋转机械的正常运行。大型旋转机械是指由涡轮机( 如汽轮机、水轮机、燃气轮机、烟气轮机等) 及其驱动的工作机( 如离心式压缩机、轴流式压缩机、发电机等) 所组成的透平式流体动力机械，习惯上简称大型机组。大型机组是化工、石化、电力、钢铁、核电站等行业的关键设备，例如：乙烯装置的三机( 裂解气压缩机、乙烯压缩机、丙稀压缩机) ，化肥装置的五机( 原料气压缩机、空气压缩机、合成气压缩机、氨压缩机、二氧化碳压缩机) ，炼油
3、装置的三机( 烟机、主风机、富气式压缩机) ，大型空分装置的空气压缩机，中心电站的大型汽轮机或水轮发电机组，钢铁企业的氧压缩机及高炉风机等。大型机组由于功率大、转速高、流量大、压力高、结构复杂、监控仪表繁多，运行及检修要求高，因此在设计、制造、安装、检修、运行等环节稍有不当，都会造成机组在运行时发生种种故障。大型机组本身价格昂贵，大型机组的故障停机又会引起整个生产装置的全面停产，给企业、社会、国家造成巨大的经济损失。因此，认真做好大型机组的状态监测与故障诊断工作，对避免恶性设备损坏事故的发生，降低停机次数和缩短停机时间、减少企业的经济损失是十分必要的。虽然现代机械故障诊断技术起源于军事需要，但
4、其真正的应用意义却在于大型化、连续化、高速化和自动化的现代工农业生产。主要表现在以下几个方面：l 、预防事故，保证人身和设备的安全。在航天、航空、航海、核工业等部门中，许多设备的故障不仅会造成巨大的经济损失，而且会带来严重的社会公害。为避免恶性事故的发生，仅靠提高其设计的可靠性是不够的，还必须辅以有效的成都理工大学硕士学位论文故障诊断，才能够防患于未然l l j 。2 、推动设备维修制度的改革。国外已基本完成由预防维修向预知维修的过渡，我国则正处于过渡期的歼始阶段。预防维修又称定时维修( T i m e - b a s e dM a j n t e n a I l c e 简称T B M )
5、或计划维修，它的特点是当设备运行达到计划规定的台时或吨公里时便进行强制维修，是一种静态的维修制度。预知维修又称状态维修( C o n d i t i o n b a S e dM a i n t e n a I l c e 简称C B M ) ，它的特点是在状态监测的基础上，根据设备运行状态实际劣化的程度来决定维修时间和维修规模，是一种动态维修制度。预防维修的明显缺陷在于过剩维修和欠维修。如：1 9 8 0 年美国全年税收为7 5 0 0亿美元，而全年工业维修费达2 4 6 0 亿美元，其中因过剩维修和欠维修而浪费的资金约为7 5 0 亿美元，占总维修费用的3 0 。除经济原因外，维修人员的不
6、足和素质提高慢等因素，也促进了维修制度从定时维修向预知维修的转化。预知维修明显优于预防维修，它不仅可避免类似欠维修造成的故障，也可防止过剩维修带来的浪费，是一种理想的维修制度。维修制度由预防维修向预知维修的转换是必然的，而真正实现预知维修的基础是设备诊断技术的发展和成熟。3 、提高经济效益。设备诊断技术的最终目的是避免故障( 尤其是重大事故)的发生，使零部件的寿命得到充分发挥，延长检修周期，提高维修的精度和速度。因此，设备诊断技术的应用“隐含”着巨大的经济效益。例如：对英国2 0 0 0 个工厂的调查表明，采用设备诊断技术后维修费用每年节约3 亿英镑，除去诊断技术费用O 5 亿英镑，净获利2
7、5 亿英镑【l J 。故障诊断的根本目的就是要保证大型机组的安全、稳定、长周期、满负荷、优良运行，主要为：对机组运行中的各种异常状态作出及时、正确、有效的判断，预防和消除故障，或者将故障的危害性降低到最低程度；同时对设备运行进行必要的指导，确保运行的安全性、稳定性和经济性。确定合理的故障检修时机及项目，既要保证设备在带病运行时安全、不发生重大设备故障，又要保证停机检查时发现设备的确有问题，合理延长设备的使用寿命和降低维修费用。通过状态监测，为提高设备的性能而进行的技术改造及优化运行参数提供数据和信息。故障诊断的任务主要包括三个方面，即监视机组的运行状态，判断其是否正常；判断机组的故障，预测将来
8、发生的趋势，并提供消除故障的思路：指导机组的运行和维修。监测由线圈绕成的转子的驱动机构是否发生故障对大型机组的正常运行有着关键性的指示作用，因此，该驱动机构需要用专门的仪器来进行监测是否发生故障。本论文研制的电感测量仪就是用于监测大型旋转机械驱动机构能否正常工作的仪器，它的原理是由线圈绕成的转子在改变开合距离时会产生电感变化，电2第1 章引言感变化量与位移量之问成一定的关系，通过测这个电感变化量来判断该驱动机构是否开合，从而判断是否发生了故障，保证大型旋转机械的正常运行。1 2 研究现状美国是最早丌展设备状态监测与故障诊断工作的国家之一。1 9 6 1 年开始执行阿波罗计划后，发生了一系列由设
9、备故障酿成的悲剧，促使1 9 6 7 年在美国宇航局( N a t i o n a lA e r o n a u t i c sa I l dS p a c eA d m i n i s t r a t i o n ) 倡导下，由美国海军研究室主持的美国机械故障预防小组( M e c h a l l i c a lF a u l tP r e v e n t i o nG m u p ，简称M P E G ) 成立。1 9 7 1 年M P E G 划归美国国家标准局领导，下设四个小组：故障机理研究组，监测诊断和预测技术组，可靠性设计组，材料耐久性评价组1 2J 。美国机械工程师学会( t h
10、 eA m e r i c a nS o c i e t yo fM e c h a n i c a lE n 画n e e r s ) 领导下的锅炉压力容器检测中心在应用声波发射技术对静设备故障诊断方面取得了重要成果。其他还有J o l l l l sM i t c h e l公司的超低温和空压机监测技术，S P I R E 公司在军用机械轴与轴承方面的诊断技术等在国际上都处于领先地位。在航空运输方面，美国在可靠性维修管理的基础上，大规模地对大型飞机进行状态监测，研制并应用了以计算机为基础的飞行器数据综合系统( A I D S ) ，采集、记录、分析处理大量飞行中的信息来判断飞机各部位的故障
11、并能发出排除故障的指令。这些技术在B 7 4 7 和D C 9 等巨型客机上的成功应用，大大提高了飞行的安全性。英国以R A C o l l a c o t t 为首的机器保健中心于2 0世纪6 0 年代末7 0 年代仞开始研究状态监测与故障诊断技术。此外，在核电站、钢铁行业也成立了相应的组织，丌展了这方面的研究工作。瑞典S P M 仪器公司的轴承监测技术、丹麦M E 公司的传感器制造技术在故障诊断领域也占有一席之地。如果说英美等国在军事、航空等方面的状态监测和故障诊断技术占有领先地位的话，那么R 本则在民用工业，如钢铁、化工、铁路等行业发展得很快，占有明显优势。只本的做法是密切注视世界各国的
12、动向，积极引进和消化最新技术，努力发展自己的诊断技术，特别注意研制本国的诊断仪器。同本开展诊断技术研究工作主要有两个层面：一是高等院校，比较有名的有东京大学、东京工业大学、京都大学、早稻F F I 大学等，它们均发表了不少基础性的研究报告；另一个层面是一些企业，如三菱重工、东京芝浦电气、国际机械振动公司( ( I M v ) 等，它们的研究工作是在企业内部以生产为中心丌展的，具有较高的应用水平。我国从1 9 7 9 年到1 9 8 3 年，故障诊断技术从初步认识进入到初步实践阶段。1 9 8 3 年原国家经委颁御的国营工业交通企业设备管理试行条例，有力地推动了我国设备状念监测与故障诊断技术的丌
13、发研究工作。1 9 8 4 年7 月在北京成立中国设备管理协会。1 9 8 5 年5 月在郑州成立中国机械设备诊断技术学会。这些组织致力于广泛交流我国在该领域内各方面的技术成果，深入探讨设备状态监测与故成都理I ：人学硕士学位论文障诊断在国内外的发展动向，有力地推动了这一学科的发展，使其有效地为我国的国民经济建设服务。目日l 我国的设备状念监测与故障诊断技术水平同发达国家的差距已大大缩小，在一些方面，如计算机监测与故障诊断的软件等，完全可以满足实际生产的需要，达到世界同期先进水平。我国的故障珍断事业正在蓬勃发展，将在我国经济建设中发挥越来越大的作用。目前国内外的电感测试仪有很多，如德国M i
14、l l i t r o n 公司生产的型号为1 2 0 2 D的电感测微仪代表着同类产品的水平，它的量程在士2 0 m 、土2 0 0 “m 和士2 0 0 0 u m时分辨率分别可以达到O 0 1 “m 、0 1 “m 和1 “m ，响应时间在4 0 0 “m 以下，达到了相当好的程度；其他国外产品还有德国米依公司的I W S 系列智能电感位移测量传感器，P a r S c i e n t i n c 公司的1 0 0 0 系列数字式石英智能传感器。国内市场中的主流产品也都较为接近这个水平，例如，中原量仪厂生产的数显电感测微仪G D S 一6 C和G D S 一6 D 型，其他国内厂家生产的
15、电感测微仪也都达到了相应的水平，其中包括洛阳轴研科技股份有限公司的G D S 系列和恒隆集团的产品。但是由于本项目的大型旋转机械是在高温高压环境中工作的，以上产品都不适合在本系统中直接使用，因此，必须研究适用于本系统的故障监测电感测量仪。1 3 研究内容目前，随着计算机技术和电子技术的发展，所有的故障监测仪都以计算机为基础，采用先进电子技术采集、记录、分析大量的机械设备工作数据来判断机械的故障。本论文旨在集成先进的计算机、电子、信息处理和机械工艺设计等技术，研制开发出高精度的用于大型旋转机械转子故障监测的电感测量仪，为此类大型机械设备提供故障监测技术，保障机械系统的可靠运行。本仪器丌发主要包含
16、以下研究内容：夺自动切换单元夺放电及检测单元电感测试单元主控单元夺系统软件其中电感测量单元是整个监测仪的核心，它的精度和稳定度直接决定了整个仪器的性能。同时，在满足测量精度的前提下，尽量提高测试速度，捕捉故障特征。系统软件包括下位机软件和上位机软件，其中，上位机软件界面要美观、简洁、可操作性强。通过系统的软硬件设计丌发，研制出适合现场使用，人机交互良好，使用方便的故障监测电感测量仪。4第2 章系统工作原理及设计方案第2 章系统工作原理及设计方案2 1 工作原理由线圈绕成的转子在大型旋转机械中开合距离的不同会产生不同的电感变化量，由于转子的开合距离与电感量的关系比较复杂，所以实际中拟合曲线来反映转子的开合距离与电感变化量的关系，然后监测这个电感变化量就可以根据电感变化量与转子开合距离的特性曲线判断转子开合距离是否达到规定的距离，故障监测电感测量仪就是根据这个原理研制的。其基本工作过程是：大型旋转机械正常运行时，转子绕组连接至控制电源，故障监测电感测量仪不工作。当故障监测电感测量仪收到开始测量的信号后，对待测三相转子绕组进行断电操作，同时将三相转子
