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1、. . 旋转机械转子系统故障诊断方法的应用研究毕业论文目 录摘要IAbstractII目录III1 绪论11.1 选题背景11.2 国内外发展概况21.3 论文的主要研究内容32 一般故障诊断分析方法42.1 信号的幅域分析42.2 信号的时域分析52.3 信号的频域分析62.3.1 幅值谱分析62.3.2 功率谱分析62.4 振动信号其他分析方法82.5 小结83 旋转机械转子系统故障机理及诊断93.1 转子不平衡93.2 转子不对中103.3 转子碰磨123.4 油膜振荡143.5 转轴裂纹153.6 小结164 转子故障诊断的有效方法174.1 轴心轨迹诊断方法174.1.1 轴心轨迹的
2、概念174.1.2 分析轴心轨迹的方法184.2 全谱诊断方法194.2.1 全谱分析技术基础194.2.2 全谱分析数值计算224.2.3 全谱分析图谱表示224.3 二维全息谱诊断法234.4 小结265 转子在线监测系统的结构设计及关键技术275.1 虚拟仪器概述285.2 基于虚拟仪器的系统结构设计295.2.1 结构分析295.2.2 方案设计315.3 程序设计中的几个关键技术325.3.1 数据传输通讯选择325.3.2 数据库访问335.3.3 数据存储356 转子在线监测系统的开发与应用376.1 采集程序设计376.2 服务器程序设计386.3 数据库设计406.3.1 O
3、racle数据库概述416.3.2 数据库结构建立416.3.3 数据库作业队列及PL/SQL446.3.4 数据库作业实现456.4 客户端部分程序设计466.4.1 轴心轨迹诊断方法软件实现476.4.2 全谱诊断方法软件实现496.4.3 全息谱诊断方法软件实现506.5 转子故障诊断诊断实例52结论56参考文献57攻读硕士学位期间发表学术论文情况59致谢60XX理工大学学位论文版权使用授权书61 / 1 绪论1.1 选题背景大型旋转机械如汽轮机组、大型离心式压缩机组等是支撑国家经济命脉的石化企业、电力系统、冶金行业等部门的关键设备,一旦发生故障尤其是灾难性故障,将给工厂和国家都带来巨大
4、经济损失。旋转机械的特点是,工作时都有转子在高速运转,故也称转子机器,转子的价格在整台机器中占用相当大的比例,由转子故障造成的损失也在机器故障的总损失中占有很大的份额。自上世纪60年代,为了提高经济效益、劳动生产率和节约能源,旋转机械的设计和使用的发展趋势是大型化和高参数化,如年产30万吨合成氨用离心压缩机组,XX石化年产64万吨大型裂解气压缩机组等,设备承受很大的应力和恶劣的工作环境,故障发生率大大增加,并且灾难性事故造成的损失非常惊人。仅国内,1980年初期栖霞山化肥厂机组转子断裂,1985年镇海石化总厂机组转子毁坏,二次事故的损失达数千万元,1985年XX电厂2号机组,1988年秦岭电厂
5、5号机组转子损坏,事故的经济损失各达一个亿1-7。保证大型旋转机械连续正常满负荷运行是提高企业生产率的关键。这些旋转机械价格昂贵,迫使人们放弃传统的做法,没有备用机组,实行单机运行,其事故停车将造成整个流程中断,停车损失也很大。据统计,因大机组本身故障引起的停车占各类停车事故的40%,并且由于机组结构复杂,早期潜在故障不易发现,停机揭盖检修的时间长。如年产30万吨合成氨的化肥厂停车一天产值损失高达66.9万元。开展和加强旋转机械转子系统故障诊断方法的应用研究,将先进的故障诊断方法用于指导实际生产,可以从多方面给工厂企业带来巨大的经济效益： 避免灾难事故的发生,减少一般性机组事故的发生,确保设备
6、安全、长周期、满负荷运行； 提供机组的运行技术状况及发生故障的性质和原因,正确的指导检修,缩短故障查找和检修时间,提高检修质量； 避免不必要的停车检修和盲目揭盖大修,节省人力和物力,提高设备利用率； 通过运行状态监测,可达到优化操作,延长设备寿命； 为旋转机械生产厂家提供了设备在实际运行中的性能及存在的问题,有利于提高设备质量。1.2 国内外发展概况早在二战期间,由于大量军事装备缺乏诊断技术和维修手段,造成了大量的非战斗性的损坏,人们开始意识到故障诊断和检测技术的重要性。自六十年代以来,由于半导体技术的发展,集成电路的出现,电子技术、计算机技术的更新换代,特别是1965年FFT方法获得了突破性
7、的进展后出现了数字信号处理和分析技术的新分支,为机械设备诊断和检测技术的发展奠定了重要的技术基础8。20世纪的60年代末70年代初,英国成立了以R.A.Collacott为首的机械健康监测中心,开始故障诊断的研究工作；1976年,美国在宇航局的倡导下,由海军研究室主持成立了机械故障预防小组,展开机械故障诊断技术的专题研究,并成功的运用于航天、航空、军事行业的机械设备中。此后,故障诊断技术逐渐在世界范围内推广普及910。设备故障诊断技术的发展,大致可分为四个阶段11,第一个阶段是在十九世纪,当时机器设备本身的技术水平和复杂程度都很低,诊断技术还没有出现,因此采用事后维修方式。第二个阶段是进入二十
8、世纪后。随着大生产的发展,机器设备本身的技术复杂程度也有了提高,设备故障或事故对生产的影响显著增加,在这种情况下,出现了定期预防维修方式。这段时期,设备故障诊断技术处于孕育时期。第三个阶段是从二十世纪六十年代开始,特别是七十年代以来,设备诊断技术随着现代计算机技术、数据处理技术等发展,出现了更科学的按设备状态维修的方式。第四个阶段是进入八十年代以后,计算机网络技术发展迅速,人工智能技术和专家系统、神经网络等开始发展,并在实际工程中应用,使设备诊断技术朝着网络化、智能化的方向迈进。国外已经推出面向大型机械设备状态监测与故障诊断的商品化系统,如美国Westinghouse公司开发汽轮机智能诊断系统
9、TurbinAID；美国Bently公司的数据管理系统Data Manager2000、状态监测系统Machine Condition Manager 2000和趋势分析系统Trendmaster2000；美国Rockwell Automation Entek公司的机器保护和诊断系统XM系列和Emonitor软件系列产品；法国C.G.E 研究中心Marcoussis实验室开发的旋转机故障诊断专家系统DIVA；德国Schenck公司的计算机化状态监测系统VIBROCOM4000和VIBROCOM5000；荷兰Philips公司的状态监测系统R3000；丹麦B&K公司推出的状态监测与故障诊断系统B
10、&K3450-COMPASS；日本Mitsubishi公司研制的机械状态监测与振动诊断专家系统MHMS12。目前西方国家正在研究开发新型的、开放性更高的平台,研究并力图推行状态监测数据通讯标准13, 以提高监测系统的兼容性和便利性,提高信息资源的网络利用率。我国在故障诊断技术方面的研究和应用相对来说开展得比较晚。与发达国家相比,我国虽然在理论上跟踪紧密,但是,总体而言,在机械设备诊断的可靠性等方面仍存在一定的差距。目前,我国的一些民用工业,特别是石油、化工、冶金和电力等部门,在开发和应用设备诊断技术等方面比较活跃,走在了其它行业的前面14。一些高等学校和科研院所也先后推出了一些状态监测与故障诊
11、断系统投入了实际运行。如: XX交通大学的RMDS系统和RD-20系统；XX理工大学振动所开发的PDM2000设备预知维修与故障诊断系统；XX大学研制开发的状态监测与诊断系统CMD-3；华中科技大学研制开发的基于知识的发动机诊断系统KBSED,汽轮发电机组诊断专家系统DEST；XX工业大学研制开发的大型旋转机械故障诊断专家系统ETHYLENE；东北大学研制开发的风机工作状态监测系统；解放军军械工程学院研制的军械装备故障诊断专家系统；XX创为实公司的S8000在线监测系统；清华大学的JZ-2000旋转机械状态监测与故障诊断系统；XX汽轮高新技术开发公司的大型机组在线监测系统CRAS；西北工业大学
12、的MD3900系统等13。1.3 论文的主要研究内容本文主要研究旋转机械转子系统故障诊断方法的应用,引入先进诊断技术全息谱分析方法,使得设备状态特征更加明显。根据燕化聚酯合同的技术要求,运用轴心轨迹、全谱及全息谱等理论,开发适合于旋转机械转子系统的在线监测和故障诊断系统。论文内容主要是围绕旋转机械转子系统故障诊断方应用论述的：第一章：绪论,论述开展旋转机械转子系统故障诊断的现实意义,分析了国内外设备故障诊断的发展现状。第二章：介绍了机械设备故障基本分析方法。第三章：论述转子系统故障机理以及识别特征。第四章：在上一章的基础上,着重介绍针对于转子故障诊断的分析方法。第五章：介绍虚拟仪器概念,分析在
13、线监测和故障诊断系统结构以及要解决的关键技术。第六章：开发以轴心轨迹、全谱、全息谱为主要诊断技术的在线监测和故障诊断系统,并以实例说明系统的实用性。第七章：总结了本人在论文期间所做的工作,指出转子在线监测和故障诊断系统目前存在问题以及今后发展方向,展望其应用前景。2 一般故障诊断分析方法在机械设备的振动测量中,主要是测定振动体在选定点的振幅、振动的频率、相位等。在振动研究中,一般来说位移、速度、加速度是三个很重要的量,因为这些是由简单的微分和积分运算相互联系起来的,所以实际测量中哪一个量都是至关重要的。作为振动量的判断标准,已制订了种种振动规定值。旋转机械的振动规定值,大致上分为轴承振动和轴振
14、动的规定值。轴承振动的规定值就是规定轴承箱的位移幅值或速度振动值。轴振动的规定值,就是规定轴承附近主轴和轴承之间的相对位移振幅值。作为测量振动的检测,前者可用接触式传感器,后者可用非接触传感器15。下面介绍常用的分析方法。一般而言,对振动信号可从幅域、时域和频域这三个角度来进行分析。如果对所测得的时间历程信号直接实行各种运算且运算结果仍然属于时域范畴,则这样的分析运算即为时域分析,如统计特性参量分析、相关分析等；反之,如果首先将所测时历信号经过傅立叶变换为频域信号,然后再对其施行各种运算的分析方法则称为频域分析。2.1 信号的幅域分析在信号的幅值上进行的各种处理称作幅域分析16。信号的简单幅域
15、参数包括均值、最大值、最小值、均方根值等。若信号为采样所得一组离散数据,则这些参数的计算式为：均值最大值最小值均方根值方差峰峰值这些幅域参数计算较为简单,对故障有一定的灵敏性。在离心式压缩机等旋转设备的振动监测中,常使用峰峰值XP-P作为信号强度变化一个很重要的参考指标,目前峰峰值已作为一种工业标准在工业界得到广泛的应用25。2.2 信号的时域分析常用工程信号都是时间波形的形式17,时间波形有直观、易于理解等特点,由于是最原始的信号,所以包含的信息量大,缺点是不太容易看出所包含的信息与故障的联系。对于某些故障信号,其波形具有明显的特征,这时可以利用时间波形做出初步判断。对于旋转机械,其不平衡故障严重时,信号中有明显的以旋转频率为特征的周期成分；而转轴不对中时,信号在一个周期内,比旋转频率大一倍的高频成分明显变
